（様式第 20）成果報告書

共同利用 成果報告書 平成 27 年度 課題種別 産業利用 トライアルユース

利用課題名 車載非接触充電システムの漏洩磁界に対する体内誘導電界の解析
英文：Analysis of Electric Field inside Human Body
induced from Magnetic field of WPT System for PHV/EV
石田 将也
Masaya Ishida株式会社 豊田中央研究所
Toyota Central R&D Labs., Inc.
URL http://www.tytlabs.co.jp/
邦文抄録
EV/PHV の二次電池の充電を簡単便利にする手段として、非接触給電システムが注目されている。非接触給電システムのうち、磁界結合型のシステムでは電力伝送時に、車両周囲に漏洩磁界が発生し、その磁界中に人体が存在する場合、人体内には誘導電界が発生する。人体内の誘導電界は測定不可能な値であるため解析により求める必要があるが、精緻な人体モデルを用いて体内誘導電界をフルウェーブ解析 (1)すると、膨大な計算リソースが必要となる。このため本研究では、東工大のスーパーコンピュータ(TSUBAME)を用いて体内誘導電界の解析を行い、計算時間及び計算結果を検証した。
英文抄録
Wireless Power Transfer (WPT) system is useful for charging the battery of Electric Vehicle (EV) or
Plug-in Hybrid Vehicle (PHV). During the WPT system’s operation, that forms the magnetic fieldaround the system. When the human body is located in this field, the body has electric field induced by
the magnetic field inside that. Since the induced electric field inside the human body can not bemeasured, the field has to be calculated by electromagnetic simulation. We calculate the induced
electric field inside the human body by the super computer TSUBAME. Then we verify the validity ofthe calculation time and the results.

Keywords: Electric Vehicle, Plug-in Hybrid Vehicle Wireless Power Transfer, Magnetic Coupling,
Electromagnetic Field Analysis, Induced Electric Field,
1 はじめに
1.1 課題の背景

1.2 現状の問題点
磁界の人体ばく露に関する指標として、国際非電離EV/PHV の二次電池の充電を簡単便利にする手段

放射線防護委員会(ICNIRP)によりガイドラインが定めとして、非接触給電システムが注目されている。非接触られている[8]。そのガイドラインは基本制限と参考レベ

給電の方式には磁界結合型[1-3]、電界結合型[4,5]、ルの 2 段階からなる。基本制限とは人体内における影マイクロ波型[6,7]があり、本研究では磁界結合型のシ響に関連した実効的な指標であり、体内誘導電界によステムを対象とする。磁界結合型の非接触給電システり定められる。参考レベルとは基本制限に関連して定ムでは送電コイルと受電コイル間に生じる近傍磁界にめられた磁界の値である。体内誘導電界は測定不可より電力伝送を行うため、車両周囲に漏洩磁界が発生能であるため、その値はシミュレーションにより求めるする。その磁界に人体がばく露される場合、人体内に必要がある。体内誘導電界を計算する際には、必要なは体内誘導電界が生じることから、その人体影響を把計算精度を保つため、ICNIRP では 2 mm 角のボクセ握する必要がある。

ル (2) で構成された人体モデルを使用することが推奨されている[8]。ただし、このような精緻なモデルはメッシ(1)フルウェーブ解析：Maxwell 方程式を全て用いた解析(2)ボクセル：3 次元空間における正規格子単位

ュ数が非常に多く、電磁界シミュレーションをする場合、膨大計算リソースが必要となることが問題となる。

（様式第 20）成果報告書
1.3 目的2.2 解析モデル

本プロジェクトでは、体内誘導電界の計算に膨大な本計算で用いた解析モデルを図 2 に示す。解析空間計算リソースと要するという問題を、スーパーコンピュは 10000×10000×5000 mm のサイズの直方体であり、ー タ TSUBAME に よ っ て 解 決 す る 。 こ の た め 、床面は完全導体、それ以外の 5 面の境界条件は全てTSUBAME により体内誘導電界を計算し、その計算吸収壁(無反射壁)とした。受電コイルを搭載する車両時間及び計算結果を検証する。

は一般的な乗用車を想定し、車両の底面中央に受電コ

2 概要

イル、その下の床面上に送電コイルを配置した。なお、

2.1 計算手順

座標系の原点は、受電コイル中心直下の床面上の点

体内誘導電界の解析ソフトには CST MW STUDIOとした。人体モデルには車両の横に直立するモデルと[9](以後 MW-S)を用いる。MW-S には有限積分(FI)法した。ここで、出力面①、②はともに人体の断面を通るによる時間領域解析と有限要素法(FEM)による周波平面(x=1240 mm の y-z 面)である。

数領域解析のソルバがあり、本研究では前者のソルバ

送電コイルと受電コイルの上面図を図 3(a)に、側面を使用した。MW-S は TSUBAME 上では UNIX 環境

図を図 3(b)示す。送受電コイルの間隔は 150 mm としでのみ実行が可能である。このため、計算手順は図 1た。送電コイルと受電コイルには位置ずれが生じることに示すように、計算モデルを自社のコンピュータで作製を想定し、受電コイルが送電コイルに対して後方へ 100し、TSUBAME へ JOB を投入し実行、計算結果を自mm、左方向へ 150 mm ずれた配置とした。また、伝送社のコンピュータへ転送して確認することとした。

電力は 3 kW、伝送周波数は 85 kHz とした。
人体モデルには NICT(独立行政法人 情報通信研究

データ転送JOB投入機構)が公開している数値人体モデルデータベースのうち、成人男性の直立人体モデル TARO[10,11]を用

中研PC
計算モデル
(自社PC)いる。本モデルは、人体の存在する 640x320x1732

計算結果(自社PC)TSUBAMEmm の空間を 2 角のボクセルに分け、各ボクセルに、

図 1 体内誘導電界計算手順

皮膚、血管、骨などのマテリアルフラグを割り当て、各

解析空間

10000mm

5000mm10000mm

出力面①z

車両モデル
受電コイル

原点

出力面②送電コイル

yx

人体モデル
床面

図 2 解析モデル

（様式第 20）成果報告書
マテリアルフラグに導電率、誘電率などの対応する物

3 結果および考察性値を与えることで詳細な電磁界特性解析を可能にし電磁界解析により、磁界および電界の分布を得るこたものである。人体の導電率や誘電率などの物性値はとができた。時間領域の解析は、1 回計算すれば、任Gabriel らにより周波数特性が公開されている[12]。

意の周波数における結果を出力できる。このため、本

図 2 の出力面②上のメッシュ構成を図 4 に示す。
MW-S では直交グリッドを用いているため、人体モデル

解析は体内誘導電界の周波数依存性を調査する目的に対して有用となる。の 2 mm 角ボクセル形状を維持してメッシュを生成する

図 2 の出力面①の電磁界分布の計算結果を図 5 に場合、図 4 に示すように人体以外の部分においても 2示す。同図(a)が磁界分布、図 5(b)が電界分布である。

mm 間隔のメッシュ幅が維持される。本モデルにおける本結果から、磁界は人体の内外で同等の大きさである

メッシュ数は約 8938 万メッシュであった。のに対し、電界は人体外部に比較して人体内部では大幅に小さくなっていることがわかる。これは、人体が導電率を有していることから、電界が人体内へ入らないかz

8 0 0y400

らであると考えられる。

400x

次に、出力面②上の電界の計算結果を図 6 に示す。

8 0 0

この結果から、人体の左右方向と上方向の電界値に細かなゆらぎが生じていることがわかる。これは図 6 でも示した通り、MW-S では人体の 2 mm 角のメッシュがそ[mm]フェライトコア

導体板のまま解析空間の上下左右に延びることから、メッシュ(a)上面図のグリッド分散[13]により、計算値にゆらぎが生じているためであると推測される。なお、本計算はノード数はz6、CPU 数は 72、メモリ 5,545Mb を使用し、計算時間

受電コイル

y800
105

フェライトコア

送電コイルは約 40 時間であった。

xコイル間隔導体板[mm](b)側面図
図 3 コイル構成

2㎜2㎜メッシュの範囲
zx(a)磁界分布y2㎜メッシュの範囲

図 4 メッシュ構成

図 5 計算結果(b)電界分布（様式第 20）成果報告書
J87-C, 433-443, 2004.

[V/m]

0.4
0.20

ゆらぎの発生箇所[7] T. Takahashi, T. Mizuno, M. Sawa, T.Sasaki,T.Takahashi, N. Shinohara," Development ofphased array for high accurate microwave powertransmission," IMWS 2011zx

図 6 出力面② の電界分布の計算結果

y[8] ICNIRP GUIDELINES for Limiting Exposure
toTime-Varying

ElectricMagneticFields(1Hz-100kHz), Health Physics 99(6), 818-836,
2010

4 まとめと今後の課題
車載非接触給電システムの漏洩磁界により生じる体[9]http://www.aetjapan.com/software/CST_Overvi

内誘導電界をスーパーコンピュータ TSUBAME により

ew.php?Module=MWS計算した。本計算により、体内誘導電界の時間領域解[10] 長岡智明、櫻井清子、国枝悦夫、渡辺聡一、本間析が可能であることを確認できた。ただし、今回の解析

寛之、鈴木保、河合光正、酒本勝之、小川幸次、此川モデルでは電界の計算値にゆらぎが発生する課題が公紀、久保田 勝巳、金鳳洙、多氣昌生、山中幸雄、渡あることが分かった。本計算は、ノード数 6、CPU 数 72、辺敏,”日本人成人男女の平均体型を有する全身数値

メモリ 5,545Mb を使用し、計算時間は約 40 時間であモデルの開発,” 生体医工学 Vol.40, No.4, pp.45-52,った。

2002.
[11] T. Nagaoka, S. Watanabe, K. Sakurai, E.

参考文献

Kunieda, S. Watanabe, M. Taki and Y. Yamanaka,[1] T. Hiramatsu, X. Huang, M. Kato, T. Imura, Y.

“DevelopmentHori, "Wireless Charging Power Control for HESS

whole-body voxel models of Japanese adult male

Through Receiver Side Voltage Control," Theand female of average height and weight, andApplied

application

PowerElectronicsConferenceandofofrealisticmodels

tohigh-resolution

radio-frequency

Exposition, pp. 1614-1619, 2015

electromagnetic-field dosimetry” Phys. Med. Biol.,[2] H. Takanashi, Y. Kaneko, S. Abe, and T.

Vol.49, pp.1-15, 2004.

Yasuda, "A Large Air Gap 3 kW Wireless Power[12] C. Gabriel and S. Gabriel, “Compilation ofTransfer

the Dielectric Properties of Body Tissues at RF

SystemforElectricVehicles,"ECCE2012, North Carolina, pp.269-274 Sep

and15-20, 2012

Laboratory,[3] Morris P. Kesler, "Highly Resonant Wireless

AL/OE-TR-1996-0037

Power[13] 宇野亨,“FDTD 法による電磁界およびアンテナ解Transfer:Safe,Efficient,andoverDistance," WiTricity Corporation, 2013[4] T. Ohira, "Dielectric coupling from electrified
roadway to steel-belt tires characterized forminiature model car running demonstration,"
IEEE MTT-S, 2012[5] T. Ohira, "Via-wheel power transfer to vehicles
in motion," IEEE Wireless Power Transfer, 2013[6] 篠原真毅, 松本紘, "マイクロ波を用いた電気自動車無線充電に関する研究," 電子情報通信学会論文誌,

Microwave

Frequencies”,

Final

Technical析,”コロナ社,1998,pp.265-269

Armstrong
Report,