(57)【要約】  物体検出及び物体保護システムを備える無線電力伝送システムを提供する。この伝送システムは、少なくとも２種類のパラメータを監視することができ、誘電材料及び／又は金属材料に感応する１つ以上のセンサーを有する検出システムを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電材料及び金属材料より選択される材料に感応し、
物体の存在、物体の距離、物体の温度、物体の熱挙動、金属物体の存在、誘電物体の存在、金属体又は誘電体による検出システムのカバレッジ、より選択される少なくとも２種類のパラメータを監視することができ、
赤外線センサー（ＩＳ）、超音波センサー（ＵＳ）、静電容量センサー、誘導センサー、より選択される少なくとも１つ以上のセンサーを有する検出システムを含む、
無線電力伝送システム（ＷＰＴＳ）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのセンサーは、磁場及び／又は電場の影響を受けない請求項１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
複数のセンサーブロック（ＳＢ）を含み、
各前記センサーブロック（ＳＢ）は、少なくとも１つ以上のセンサーを含み、
各前記センサーブロック（ＳＢ）は、前記無線電力伝送システム（ＷＰＴＳ）の周辺位置に配置され、
各前記センサーブロック（ＳＢ）は、前記無線電力伝送システム（ＷＰＴＳ）の環境の異なるセグメントを監視するように配置される
請求項１及び２のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項４】
前記無線電力伝送システムのセンサーは、［０°，３６０°］の範囲内の各方位角φについて、前記誘電材料及び前記金属材料から選択される材料を監視するように整列して配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
前記無線電力伝送システムのセンサーは、［０°，９０°］の範囲内の各極角θについて、前記誘電材料及び前記金属材料から選択される材料を監視するように整列して配置される請求項１〜４のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項６】
１つ以上の赤外線センサー（ＩＳ）を含み、各前記赤外線センサー（ＩＳ）は、水平面及び垂直面における１２０°〜１５０°の視野角及び２ｍ〜４ｍの探索深さによって特徴付けられる観察可能な領域を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項７】
１つ以上の超音波センサー（ＵＳ）を含み、各前記超音波センサー（ＵＳ）は、水平面及び垂直面における８０°〜１００°の視野角及び１ｍ〜３ｍの探索深さによって特徴付けられる観察可能な領域を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項８】
１つ以上の静電容量センサーを含み、各前記静電容量センサーは、３ｍ〜８ｍの探索深さを有する請求項１〜７のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項９】
１つ以上の誘導センサーを含み、各前記誘導センサーは、３ｍ〜８ｍの探索深さを有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１０】
前記センサーに電気的に接続され、前記センサーの読み取り値を評価するために設置される制御処理回路をさらに含む請求項１〜９のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
【請求項１１】
１次コイル（ＰＣ）を起動する前に、２つ以上のセンサーを使用してシステムの環境を監視するステップと、
通常の作動中にシステムの環境を監視するステップと、
不要な物体（Ｏ）の存在を認識した場合に電力レートを低下させるステップとを含む、  無線電力伝送システム（ＷＰＴＳ）の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
生体保護及び異物保護が可能な無線電力伝送システム、および無線電力伝送システムの作動方法である。
【０００２】
本発明は、無線電力伝送の分野に関し、特に、無線電力伝送システムの付近にある物体及び物質を検出するために用いられる。
【背景技術】
【０００３】
無線電力伝送システムは、１次アセンブリと２次アセンブリとの間の直接的な電気的接続を必要とせずに１次アセンブリから２次アセンブリに電力を伝送するために用いることができる。この２次アセンブリは、１次アセンブリから電力が供給される電気機器に配置することができる。このような無線電力伝送システムを介して、移動通信装置や電気自動車などの装置に電力を供給することができる。特に、該無線電力伝送システムの作動中に、電気自動車のバッテリを充電することができる。
【０００４】
特に、例えば、電気自動車の大容量バッテリを充電するために高い電力レートが必要とされる場合、無線電力伝送システムの付近にある物体及び物質がその動作を妨害する可能性がある。さらに、この高い電力レートは、無線電力伝送システムの付近にある金属物体などの物体を加熱したり、生体に害を及ぼしたりする可能性がある。
【０００５】
ＷＯ２０１６／０９９８０６Ａ１及びＷＯ２０１６／０６０７４８Ａ１から、レーダー送受信機を使用して車両の存在を判定し、かつ車両の配置をサポートすることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開特許公報  ＷＯ２０１６／０９９８０６Ａ１
【特許文献２】国際公開特許公報  ＷＯ２０１６／０６０７４８Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、生体や金属物体などの異物の存在を検出することができる無線電力伝送システムが望まれている。さらに、無線電力伝送システムの全領域を監視することが望ましい。加えて、無線電力伝送システムの作動中に伝送システムの環境を監視することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために、本発明は、独立請求項に記載の無線電力伝送システム及び該無線電力伝送システムの作動方法を提供する。従属請求項は、好ましい実施形態を提供する。
【０００９】
前記無線電力伝送システムは、検出システムを含む。前記検出システムは、誘電材料又は金属材料より選択される材料に感応する。前記検出システムは、物体の存在、物体の距離、物体の温度、物体の熱挙動、金属物体の存在、誘電物体の存在、金属体又は誘電体による検出システムのカバレッジより選択される少なくとも２種類のパラメータを監視することができる。前記検出システムは、赤外線センサー、超音波センサー、静電容量センサー、及び誘導センサーより選択される少なくとも１つ以上のセンサーを有する。
【００１０】
このような無線電力伝送システムは、その検出システムの存在により、前記伝送システムの付近にある異物及び生体を検出することができる。このような無線電力伝送システムは、無線電力伝送システムに必要な安全要件を満たすことができる。さらに、このような無線電力伝送システムは、付近にある任意の生体又は異物の存在を判定することができる。このようなシステムは、前記システムと各物体との間の距離を判定することができる。検出対象の物体の温度を連続的又は反復的に監視することができる。したがって、前記物体の熱の進行を観察することができる。したがって、例えば、ある金属物体が前記無線電力伝送システムの付近にあり、磁力が該金属物体に伝達され、該金属物体が加熱される。このようなシナリオが認識され、これに対応する反作用が開始される。
【００１１】
前記無線電力伝送システムの少なくとも１つのセンサーは、磁場及び／又は電場の影響を受けない。
【００１２】
特に、高電力レートを提供する無線電力伝送システムが作動している場合に、強磁場が形成される。この強磁場は、複数の既知のセンサー又は既知の無線電力伝送システムにおいて問題となっている。
【００１３】
無線電力伝送システムのセンサーシステムの分野で鋭意に研究した結果、センサーブロック内のセンサーの組み合わせ及びセンサーの集中により、該電力伝送システムが起動状態にある場合にこれらのセンサーが無線電力伝送システムの環境を監視することができるということを達成した。
【００１４】
したがって、前記無線電力伝送システムは、複数のセンサーブロックを含むことができる。各センサーブロックは、少なくとも１つ以上のセンサーを含む。各センサーブロックは、前記無線電力伝送システムの周辺位置に配置される。各センサーブロックは、前記無線電力伝送システムの環境の異なるセグメントを監視するように配置される。
【００１５】
前記無線電力伝送システムに対する前記センサーブロック内の前記センサー及び前記センサーブロックは、前記伝送システムから励起される磁場が前記センサーに害を及ぼさないように配置される。僅かなノイズは、前記センサーへ誘導される。
【００１６】
センサー又は各センサーブロックの観察可能な領域を説明するために、球面座標系の使用は有用である。球面座標系では、座標系の中心に対する物体の位置、つまり方向及び距離は、水平方位角φ、極角θ及び距離ｒによって特徴付けられる。さらに、立体角は、観察可能な方向の組み合わせを指定する尺度である。
【００１７】
これに対応して、前記無線電力伝送システムの前記センサーは、０°〜３６０°の範囲内の各方位角φについて、誘電材料及び金属材料より選択される材料を監視するように整列して配置される。
【００１８】
さらに、前記センサーは、０°〜９０°の各極角θについて、誘電材料及び金属材料から選択される材料を監視するように整列して配置される。
【００１９】
単一のセンサーの観察可能な領域は、特定の立体角に相当する円錐又は球台の体積であり得る。
【００２０】
通常、単一のセンサーは、半球体の立体角（立体角：π）又は球体全体の立体角（立体角：２π）に対応する観察可能な体積を有していない。
【００２１】
したがって、前記センサーシステムは、異なるセンサーブロックに分散され得る複数のセンサーを有し、前記センサー及び前記センサーブロックは、少なくとも特定の最小距離ｒについて、位置を決定するθとφの各可能な組み合わせを少なくとも１つのセンサーにより監視するように配置される。
【００２２】
前記無線電力伝送システムは、１つ以上の赤外線センサーを含むことができる。各前記赤外線センサーは、水平面及び垂直面で１２０°〜１５０°の視野角によって特徴付けられる観察可能な領域を有することができる。前記赤外線センサーの探索深さは、２ｍ〜４ｍであり得る。
【００２３】
視野角は水平面及び垂直面で１３５°であり、また探索深さは３ｍであり得る。
【００２４】
さらに、前記無線電力伝送システムは、１つ以上の超音波センサーを含むことができる。各前記超音波センサーは、水平面及び垂直面で８０°〜１００°の視野角によって特徴付けられる観察可能な領域を有することができる。その探索深さは、１ｍ〜３ｍであり得る。
【００２５】
前記超音波センサーの水平面及び垂直面の視野角は、９０°であり得る。その探索深さは、２ｍであり得る。
【００２６】
前記無線電力伝送システムは、１つ以上の静電容量センサーを有することができる。各静電容量センサーは、３ｃｍ〜８ｃｍの探索深さを有することができる。
【００２７】
静電容量センサーの探索深さは、約５ｃｍであり得る。
【００２８】
前記無線電力伝送システムは、１つ以上の誘導センサーを有することができる。各誘導センサーは、３ｃｍ〜８ｃｍの探索深さを有することができる。
【００２９】
誘導センサーの探索深さは、約５ｃｍであり得る。
【００３０】
１つ以上の赤外線センサーは、ＬＥＤである赤外線光源、同じくＬＥＤである赤外線受信回路要素を含むことができる。
【００３１】
さらに、赤外線センサーは、サーモパイルを含むことができる。
【００３２】
ＬＥＤを光源として使用する赤外線センサーは、アクティブセンサーであり、サーモパイルを利用する赤外線センサーは、パッシブセンサーであり、これらのアクティブセンサー及びパッシブセンサーはセンサーの読み取り値を増幅するアクティブ回路を含むことができる。
【００３３】
静電容量センサーは、誘電体が前記無線電力伝送システムの付近にあるか否かを判定するために利用され得る。したがって、電力伝送システムが水、雪、泥、葉などで覆われているか否かを判定することができる。静電容量センサーは、金属物体も検出することができる。
【００３４】
前記誘導センサーは、金属物体が前記無線電力伝送システムの付近にあるか否かを判定するために利用され得る。
【００３５】
さらに、前記無線電力伝送システムは、前記センサーに電気的に接続される制御処理回路を含むことができる。評価回路は、前記センサーの読み取り値を評価するために設置される。
【００３６】
無線電力伝送システムの作動方法は、
１次コイルを起動する前に、２つ以上のセンサーを使用してシステムの環境を監視するステップと、
通常の作動中にシステムの環境を監視するステップと、
不要物の存在を認識した場合に電力レートを低下させるステップとを含む。
【００３７】
前記方法は、生体保護及び異物検出の方法であり得る。
【００３８】
前記方法は、
限界状態が検出された場合に前記無線電力伝送システムをシャットダウンするステップをさらに含む。
【００３９】
限界状態は、付近の人間又は生体、水、泥などの検出であり得る。
【００４０】
前記無線電力伝送システムは、主に長方形又は正方形のハウジングの外形を備える１次コイルを備える１次アセンブリを有することができる。前記１次アセンブリの辺は、前記センサー又は前記センサーブロックが配置される前記無線電力伝送システムの周辺を構成することができる。
【００４１】
長方形のハウジングの外形の各パッチは、２つのセンサーブロックを有することができる。しかしながら、設置面積の各辺も、１つのセンサーブロックを有することができる。さらに、１つの追加のセンサーブロックは、長方形のハウジングの外形の１つの隅に配置することができる。したがって、合計８つのセンサーブロックは、１つの電力伝送システムの一部として設置することができる。
【００４２】
サーモパイルを利用する熱センサー又は赤外線センサーは、前記サーモパイル及び２つの演算増幅器を含むことができる。２つの演算増幅器を有する駆動回路は、電源端子及び出力端子を有することができる。第１の演算増幅器の出力は、第２の演算増幅器の非反転入力ポートに接続される。前記第２の演算増幅器の出力は、前記出力端子に接続され得る。前記サーモパイルは、３つの端子を有する。第１の端子は、前記電源端子に接続される。前記サーモパイルの第２の端子は、前記第１の演算増幅器の非反転入力ポートに接続される。前記サーモパイルの第３の端子は、グランドに電気的に接続される。前記第１の演算増幅器の前記非反転入力とグランドとの間には、容量素子及び抵抗素子が直列に接続される。前記第１の演算増幅器の反転入力とグランドとの間には、抵抗素子及び容量素子が直列に接続される。前記第１の演算増幅器の前記出力端子と前記第１の演算増幅器の反転入力端子との間には、抵抗素子、容量素子及びダイオードが電気的に並列に接続される。第２の演算増幅器にはフィードバック回路もある。さらに、前記第２の演算増幅器の前記反転入力端子とグランドとの間には、抵抗素子及び容量素子が直列に接続される。
【００４３】
超音波センサーは、単一の超音波変換器又は２つ以上の超音波変換器を有することができる。
【００４４】
２つの超音波変換器を備える実施形態では、１つの変換器を送信機として利用することができ、その他の変換器を受信素子として使用することができる。第１の期間において、前記第１の変換器は、複数の超音波パルスを出力する。その後に、第２の間隔で、パルスのエコーを受信し、エコーに基づいて物体の距離を決定することができる。
【００４５】
２つの超音波変換器を有する超音波センサーのバージョンは、２つの回路ブロックを含むことができる。第１の回路ブロックは、第１の支持端子及び第２の支持端子を有する。第２の回路ブロックは、出力端子を有し、グランドに接続される。前記第２の回路ブロックは、前記第１の回路ブロックの前記第２の電源端子に電気的に接続される。
【００４６】
前記第１の回路ブロックは、演算増幅器及びトランジスタを有する。前記第２の回路ブロックは、演算増幅器を有する。
【００４７】
前記第１の回路ブロックでは、超音波変換器は、２つの端子を有する。第１の端子は、抵抗素子を介して前記第１の電源端子に接続される。変換器の第２の端子は、グランドに接続される。前記トランジスタは、抵抗素子を介して前記変換器の前記第１の端子に電気的に接続される。別の抵抗素子は、前記演算増幅器の前記出力端子と前記トランジスタとの間に接続される。さらに、別の抵抗素子は、前記トランジスタとグランドとの間に電気的に接続される。前記第２の電源端子とグランドとの間には、２つの抵抗素子が直列に接続される。これらの２つの抵抗素子のうちの第１の抵抗素子は、前記第２の電源端子と前記演算増幅器の非反転端子との間に接続される。第２の抵抗素子は、前記演算増幅器の非反転入力端子と反転入力端子との間に電気的に接続される。前記演算増幅器の反転入力端子と前記第２の電源端子との間には、２つの抵抗素子が電気的に直列に接続される。
【００４８】
前記第２の回路ブロックは、前記第２の回路ブロックの前記演算増幅器の非反転入力端子に電気的に接続される変換器の第１の端子を有する。前記変換器の第２の端子は、容量素子と抵抗素子との直列接続を介して演算増幅器の反転入力端子に電気的に接続される。前記演算増幅器の出力端子と前記演算増幅器の反転端子との間のフィードバック回路には、抵抗素子が接続される。また、抵抗素子は、前記演算増幅器の出力端子と前記センサーの出力端子との間に接続される。前記センサーの出力端子とグランドとの間には、容量素子が接続される。前記第２の電源端子と第２の回路前記ブロックの演算増幅器の非反転入力端子との間には、２つの抵抗素子が直列に接続される。これら２つの抵抗素子の間のノードは、抵抗素子を介してグランドに接続される。
【００４９】
１つの超音波変換器のみを必要とする超音波センサーのバージョンとして、３つの演算増幅器、４つの容量素子、１つのダイオード、１４個の抵抗素子及び３つの誘導素子を含む。このようなセンサーは、それぞれグランドに対して、３．３Ｖの電圧があると予想される第１の電源端子と、５Ｖの電圧があると予想される第２の電源端子を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
好ましい実施形態の作動原理及び詳細について、添付の概略図を参照して説明する。
【００５１】
【図１】図１は、無線電力伝送システムＷＰＴＳの部品の可能な基本的な分布を示す。
【図２】図２は、部品の別の可能な分布を示す。
【図３】図３は、評価回路を含む無線電力伝送システムのバージョンを示す。
【図４】図４は、サーモパイルを利用する赤外線／熱センサーの等価回路図を示す。
【図５】図５は、２つの超音波変換器を利用する超音波センサーの等価回路図を示す。
【図６】図６は、２つの変換器の時間依存活動を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、単一の超音波変換器のみを必要とする超音波センサーの等価回路の第１の部分の図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、単一の超音波変換器のみを必要とする超音波センサーの等価回路の第２の部分の図である。
【図８】図８は、球面座標系における方位角φ及び極角θの意味を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、無線電力伝送システムＷＰＴＳのセンサー及びセンサーブロックの可能な位置を示す。無線電力伝送システムは、主に長方形の設置面積を有することができる。この設置面積内には、磁気エネルギーを伝送するための１次コイルＰＣが配置される。この設置面積の周辺ｎは、４つの辺及び４つの隅を備える長方形の形状を有する。各辺及び各隅は、必要なセンサーを搭載する１つのセンサーブロックＳＢを有することができる。これらのセンサーブロック及びセンサーブロック内のセンサーは、可能な限り環境を監視できるように整列して配置され、例えば、１つのセンサーブロックＳＢの１つのセンサーは、円錐として示されるような観察領域ＯＡを有することができる。複数のセンサーブロック内の複数のセンサーは、立体角π、すなわち上半球体を観察できるように重なり合う対応する観察領域を配置することを可能にする。
【００５３】
図２は、センサーブロックＳＢの可能な配置を示しており、主に長方形の設置面積の４つの辺のそれぞれに２つのセンサーブロックＳＢを搭載している。再び、センサーブロック及びセンサーブロック内のセンサーは、観察領域又は観察体積ＯＶが互いに対して配置され、かつ無線電力伝送システムの中心までの最小距離を有する任意の位置が少なくとも１つのセンサーによって監視されるように整列して配置される。
【００５４】
図３は、センサーブロックＳＢ内のセンサーからのセンサーの読み取り値を評価する回路を含む評価回路ＥＣを有する無線電力伝送システムの実施形態を示す。評価回路ＥＣにより決定された結果は、無線電力伝送システムの中央処理装置に提供され得る。
【００５５】
図４は、サーモパイルＴＰを使用する熱センサーの可能な等価回路図を示す。このセンサーは、電源端子ＳＴ及び出力端子ＯＵＴを有する。このようなセンサーは、赤外線センサーＩＳの一実施形態である。
【００５６】
センサーの駆動回路には、サーモパイルＴＰの１つの端子と出力ポートＯＵＴとの間に電気的に直列に接続される２つの演算増幅器を有する。すなわち、このサーモパイルＴＰは、第１の演算増幅器の非反転入力端子に電気的に接続される。第１の演算増幅器の出力端子は、第２の演算増幅器の非反転入力端子に電気的に接続される。第２の演算増幅器の出力端子は、出力端子ＯＵＴに電気的に接続される。
【００５７】
図５は、超音波センサーＵＳの可能な等価回路図を示す。このセンサーＵＳは、送信機として利用され得る第１の超音波変換器ＵＳＴＸを有する。さらに、センサーＵＳは、受信ユニットとして利用され得る第２の超音波変換器ＵＳＲＸを有する。第１の回路ブロックＢ１は、第１の超音波変換器ＵＳＴＸに関連する回路素子を含む。第２の回路ブロックＢ２は、第２の超音波変換器ＵＳＲＸに関連する回路素子を含む。第１のブロックＢ１は、第１の演算増幅器ＯＡ１を有する。第２の回路ブロックＢ２は、第２の演算増幅器ＯＡ２を有する。
【００５８】
図６は、第１の期間ＴＸにおいて、電圧パルスが電気エネルギーを音響エネルギーに変換するセンサーＵＳに送信される可能な動作モードを示す。したがって、電圧パルスに対応する超音波パルスは、第１のトランスデューサＵＳＴＸによって出力される。その後に、送信機の動作なしで受信ＲＸの期間が必要とされる。この期間において、無線電力伝送システムの付近にある可能性のある物体のエコーが受信される。パルスが受信変換器ＵＳＲＸによって反射と受信されるのに必要な時間から、物体と無線電力伝送システムの各センサーとの間の距離を決定することができる。
【００５９】
図７Ａ及び図７Ｂは、送信機及び受信機として機能することができる単一の超音波変換器ＵＳＴＸＲＸを利用する超音波センサーの可能な等価回路図を示す。この超音波センサーＵＳの駆動回路は、３つの演算増幅器ＯＡと、入力ポート、電源端子、演算増幅器ＯＡの端子及び変換器ＵＳＴＸＲＸの間の相互接続を確立する必要な回路要素とを有する。
【００６０】
図８は、球面座標系における位置を決定するのに必要な量φ、θ、ｒの意味を示す。角φは、ｘｙ平面内、つまり水平面内の回転角度を決定する。角θは、ｚ軸からの回転を決定する。ｒは、座標系の中心と各物体０との間の距離を決定する。
【００６１】
この無線電力伝送システムは、上記の実施形態及び詳細に限定されない。電力伝送システムの作動方法は、上記のステップに限定されない。
【符号の説明】
【００６２】
Ｂ１：第１の回路ブロック
Ｂ２：第２の回路ブロック
ＥＣ：評価回路
ＩＳ：赤外線センサー／熱センサー
Ｏ：物体
ＯＡ：観察可能な領域
ＯＡ：演算増幅器
ＯＵＴ：出力端子
ＯＶ：観察可能な容積
Ｐ：周長
ＰＣ：１次コイル
ｒ：距離
ＳＢ：センサーブロック
ＳＴ：電源端子
ＳＴ１：第１の電源端子
ＳＴ２：第２の電源端子
ｔ：時間
ＵＳ：超音波センサー
ＵＳＲＸ：受信変換器
ＵＳＴＸ：送信変換器
ＵＳＴＸＲＸ：通常の送受信機変換器
Ｖ：電圧
ＷＰＴＳ：無線電力伝送システム
θ：極角
φ：水平／方位角
【図１】
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【図２】
2020524973.tif 000004
【図３】
2020524973.tif 000005
【図４】
2020524973.tif 000006
【図５】
2020524973.tif 000007
【図６】
2020524973.tif 000008
【図７Ａ】
2020524973.tif 000009
【図７Ｂ】
2020524973.tif 000010
【図８】
2020524973.tif 000011
【国際調査報告】
2020524973.tif 000012
2020524973.tif 000013
2020524973.tif 000014