（様式 20）成果報告書

平成 27 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書

車両搭載ワイヤレス電力伝送システムの車室内漏えい電磁界特性に関する基礎検討
A study on leaked electromagnetic field from wireless power transfer system for automotive applications

池田 和彦
Kazuhiko Ikeda

株式会社パナソニックシステムネットワークス開発研究所
Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd.
http://panasonic.co.jp/avc/psnrd/

家電機器の充電などに用いられるワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）システムが近年検討されている．WPT システムから漏えいする電磁界は他の様々な電子機器に影響を与える可能性があり，その干渉影響を定量的に評価する必要がある．WPT システムの設置環境としては，各種電子機器が密集して配置される住宅内や車室内が想定され，これらの環境における漏えい電磁界特性を把握することが，今後のWPT システムの普及を図る上で重要であると考えられる．しかしながら，住宅内や車室内の大規模な空間における漏えい電磁界を測定するには多大な時間と労力がかかり，また電磁界シミュレーションでは解析空間のメッシュ数が大規模になる課題がある．このため，スーパーコンピュータの利用が有効となる．平成 26 年
度の利用課題では，戸建て住宅全体を含む空間の漏えい電磁界を解析した．本利用課題では，車室内に設置した WPT システムに関する基礎検討として，様々な WPT 動作周波数における車室内での漏えい電磁界を，スーパーコンピュータ TSUBAME 2.5 を用いて解析する．漏えい電磁界が他の車両搭載無線通信システムや車外から持ち込まれた無線機器に及ぼす影響を検証する．
The wireless power transfer (WPT) system for electronics devices and so on has been actively developed in recentyears. Since the electromagnetic field leaked from the WPT system interferes with the other devices, the quantitatively
evaluation of the electromagnetic interference is required. It is assumed that the WPT system is located generally close
to other various devices in the house or interior of the vehicle for its installation environments. Therefore, the evaluationof the leaked electromagnetic field in these environments is important to realize the spread of the WPT system.
However, the measurement in the whole house or vehicle involves immense amount of time and effort, and thesimulation requires the enormous analysis meshes because of the volume of the house or vehicle. In this paper, we
simulate the leaked electromagnetic field in the vehicle at various WPT operating frequencies by electromagnetic
simulation using supercomputer TSUBAME 2.5. The electromagnetic interference in other radio communication
systems installed the vehicle is discussed.
Keywords: Electromagnetic simulation, vehicle, Wireless power transfer, Leaked electromagnetic field

1. まえがき
家庭用電子機器や電気自動車の充電に用いられるび WPT 機器の品質向上を図る上で重要であると考えられる．

ワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）

しかしながら，住宅内や車両内の大規模な空間にシステムが近年検討されている[1],[2]．WPT システ

おける漏えい電磁界を測定するには多大な時間と労ムから漏えいする電磁界は他の様々な電子機器の誤力がかかるため，電磁界シミュレーションを用いて作動の要因になり得るため，その強度規制値の国際漏えい電磁界を解析することが望ましい．WPT シス標準化に向けた議論が進められている．多種多様なテムの高次高調波を考慮した数 100MHz 帯から数WPT システムからの漏えい電磁界によって引き起GHz 帯において住宅全体または車両全体を含む電磁こされる干渉問題が重要な課題であり，様々な設置界シミュレーションを実行する場合，大規模な空間環境や高次高調波を考慮した定量的な評価が必要不メッシュでの計算が必要となり，スーパーコンピュ可欠である．WPT システムの設置環境としては，各ータの利用が有効となる．

種電子機器が密集して配置される住宅内や車室内が

平成 26 年度の利用課題では，住宅環境における漏想定され，これらの環境における漏えい電磁界特性

えい電磁界特性を把握するために，戸建て住宅及びを把握することが，今後の WPT システムの普及及漏えい電磁界の発生源をモデリングして解析した．

（様式 20）成果報告書
本利用課題では，車室内に設置した WPT システム

図 1 に本利用課題で用いる車両モデルを示す．大に関する基礎検討として，様々な WPT 動作周波数

きさは全長 4470×全幅 1750×全高 1490mm であり，における車室内での漏えい電磁界特性をスーパーコ

ボディ及びホイールは金属，座席シート，ダッシュ

ンピュータ TSUBAME 2.5[3]を用いて電磁界解析す

ボード，窓ガラス，バンパーなどは誘電体でモデリる．WPT システムを電子機器への充電が想定されるングしている．

位置に設置し，他の車両搭載無線通信システムや車図 2 に WPT 波源のアンテナモデルを示す．それ

外から持ち込まれた無線機器に及ぼす影響を把握す

ぞれの周波数で高い漏えい電磁界強度を放射するたる．また，各周波数での TSUBAME 並列ノード数とめ周波数ごとに設計しており，87MHz と 557MHz で計算時間の関係を把握し，電磁界シミュレーションは微小ループアンテナ，2.1GHz と 5.8GHz ではパッにおける TSUBAME 2.5 活用の有効性を検証する．

チアンテナを波源として用いる．また，図 3 に WPT波源アンテナの放射指向性を示す．微小ループアン

2. 解析モデルとシミュレーション条件

テナでは水平面（XY 面），パッチアンテナでは天頂

表 1 にシミュレーション条件を示す．スーパーコ方向（+Z 方向）への利得が高い放射指向性となる．

ンピュータ TSUBAME 2.5 を使用し，電磁界解析に

図 4 に被干渉アンテナモデルを示す．各周波数では有限積分法電磁界シミュレータである CST 社のそれぞれの無線システム用のアンテナを想定した構

MICROWAVE STUDIO[4]を用いる．解析周波数は成としており，87MHz（FM ラジオ）及び 557MHz

87M，557M，2.1G，5.8GHz に設定し，それぞれ FM（地上ディジタル TV）ではガラス上配置モノポー

ラ ジ オ ， 地 上 デ ィ ジ タ ル TV ， LTE （ Long Term

ルアンテナ，2.1GHz（LTE）では携帯端末内蔵モノEvolution），DSRC（Dedicated Short Range Communi-ポールアンテナ，5.8GHz（DSRC）では円偏波パッcations）の無線システムへの干渉を想定している．
Z

表1

シミュレーション条件

X

Z

X

Y

計算機システムTSUBAME 2.5

電磁界解析手法

有限積分法

解析周波数

87M，557M，2.1G，5.8GHz

解析モデル

車両

（a）全景

送信電力

1W

図1

87MHz

微小ループアンテナ

WPT 波源557MHz微小ループアンテナ

アンテナ

2.1GHz

パッチアンテナ

5.8GHz

パッチアンテナ

WPT 波源の配置位置
87MHz

被干渉アンテナ

4470mm

1750mm（b）断面図解析モデル（車両）

Z

Z

YX

YX

Port

座席間センターコンソール上

Port

50mm

モノポールアンテナ（a）87MHz

リアガラス上部配置

Z

モノポールアンテナ
557MHzY

1490mm（b）557MHz
Z

Port
Y

X

20mm

X

Y

Port

フロントガラス上部配置
モノポールアンテナ

2.1GHz

5.8GHz

携帯端末内蔵

素子34×34mm
GND130×130mm

素子11×11mm
GND60×60mm

円偏波パッチアンテナ（c）2.1GHz（d）5.8GHz

ルームミラ―裏配置

図2解析モデル（WPT 波源アンテナ）

（様式 20）成果報告書
3. シミュレーション結果

チアンテナを用いる．
図 5 及び図 6 に WPT 波源及び被干渉アンテナの図 7 に 87MHz における車室内の漏えい電界分布配置位置を示す．WPT 波源は，電子機器への充電をを示す．WPT 波源はセンターコンソール上配置の微想定した位置としてセンターコンソール上に配置す

小ループアンテナ，送信電力は 1W とした．図 7 よる．また被干渉アンテナは，それぞれの周波数帯のり，WPT 波源が車室内の中央付近にあることで車室無 線 シ ス テ ム で一 般 的 な位 置 に 配 置 し てお り ，内全体に漏えい電界が分布する傾向が確認できる．

87MHz ではリアガラス上部配置，557MHz ではフロントガラス上部配置，2.1GHz では助手席の携帯端末内蔵，5.8GHz ではルームミラー裏配置としている．

ZZ

Eq 成分
Ef 成分

XX（a）微小ループ
図5（dBi）（a）87MHzWPT 波源の配置位置（dBi）-40-20-60（b）パッチアンテナ

0（b）557MHzZZX

X（dBi）-30-3010（c）2.1GHz
図3（a）87MHz（b）557MHz（c）2.1GHz（d）5.8GHz（dBi）
10（d）5.8GHz

WPT 波源アンテナの放射指向性Port

Port80mm

500mm
YZ

図6被干渉アンテナの配置位置

ZX

X

Y（dBV/m） 6040（a）87MHz

20（b）557MHz

0-20Z

X

Z

YX

Y

Y

X

Z -40PortPort
素子11×11mm
GND30×30mm20mm

X（c）2.1GHz
図4Z（d）5.8GHz

解析モデル（被干渉アンテナ）

図787MHz 漏えい電界分布Y（様式 20）成果報告書
図 8 に 557MHz における車室内の漏えい電界分布より，2.1GHz における漏えい電界分布は 87MHz 及を示す．WPT 波源の条件は 87MHz の場合と同様でび 557MHz の場合よりも全体的にレベルが高く，まある．図 8 より，557MHz の漏えい電界分布は 87MHz

た WPT 波源に対して直上（+Z 方向）の電界強度がよりも全体的にレベルが高くなることがわかる．こ

特に高くなることが確認できる．これは，WPT 波源

れは，WPT 波源として用いている微小ループアンテとしてパッチアンテナを用いているためでる．

ナのアンテナ効率が 87MHz のものよりも高いためである．

図 10 に 5.8GHz における車室内の漏えい電界分布を示す．WPT 波源の条件は 557MHz の場合と同様で

図 9 に 2.1GHz における車室内の漏えい電界分布ある．図 10 より，5.8GHz の漏えい電界分布は 557を示す．WPT 波源はセンターコンソール上配置のパMHz の場合と傾向が近いことが確認でき，波長が約ッチアンテナであり，送信電力は 1W である．図 952mm と短いことから電界分布に定在波が見られる．
図 7～図 10 を比較すると，車室内は周辺を金属で遮（dBV/m） 6040

蔽された空間であるため，反射及び回折によって車20室内全体の電界強度が WPT 波源の放射指向性によ0-20X

Z -40らず高くなることがわかる．
図 11～図 14 に各周波数帯における WPT 波源と被Y干渉アンテナ間の S21 特性を示す．図 11～図 14 にZ
X557MHz 漏えい電界分布（dBV/m） 6040

S21 （dB）

図8Y

S21＝-61.8dB

200-20X

Z -40Y

周波数 （MHz）ZX

図9

図 1187MHz 帯における S21 特性

Y2.1GHz 漏えい電界分布（dBV/m） 60
200-20X

Z -40

S21＝-41.2dB

S21 （dB）

40YZX

図 105.8GHz 漏えい電界分布

周波数 （MHz）

Y

図 12557MHz 帯における S21 特性

（様式 20）成果報告書
示すように，本利用課題での条件下では，各周波数を適切に設定することで，各周波数帯での解析を 4帯の WPT 波源と被干渉アンテナ間のアイソレーシ時間以内で実行した．5.3GHz では約 40 億メッシュ

ョンは 41～64dB 程度となる．このことから，WPTの大規模解析となるが，48 ノードを用いた並列演算システムの送信電力や各無線システムの受信感度ににより計算時間を 3 時間半まで抑えた．

よっては，WPT システムからの漏えい電磁界が無線システムの動作に影響を及ぼす可能性が考えられる．

5. まとめ
本利用課題では，スーパーコンピュータ

4. TSUBAME 並列ノード数と計算時間の関係

TSUBAME 2.5 を用いて，様々な WPT 動作周波数で

表 2 に各周波数帯における電磁界解析の総メッシの車室内における漏えい電磁界を解析した．車室内

ュ数，TSUBAME 並列ノード数及び計算時間の関係の想定位置に WPT 波源及び被干渉アンテナを配置を示す．解析空間のサイズは図 1 で説明した車両全して漏えい電磁界を解析した．車室内は周辺を金属体を含む 4.5×1.8×1.5m 程度の大きさである．周波で遮蔽された空間であるため，WPT 波源の放射指向数が大きくなるにつれて波長が短くなるため，同一性によらず，反射及び回折により車室内全体の漏えの解析空間サイズでは周波数に応じて解析モデルのい電磁界強度が高くなる傾向がある．また，本利用総メッシュ数が指数関数的に増大する．このため，課題の条件では WPT 波源と各被干渉アンテナ間の総メッシュ数に合わせて TSUBAME の並列ノード数

アイソレーションは 41～64dB 程度となり，WPT 送信電力や各無線システムの受信感度によっては干渉影響が出る可能性が考えられる．TSUBAME 2.5 の48 ノードを用いた並列演算により約 40 億メッシュ

S21 （dB）のモデルを 3 時間半で解析でき，電磁界シミュレー
S21＝-53.8dB

ションにおける TSUBAME 2.5 の有用性を確認した．
本検討は，スーパーコンピュータ活用による電磁界解析の基礎検討の位置付けであり，様々なアンテナ形式の差，乗客などの人体遮蔽の影響，さらには他の無線システムでの検討などが今後の課題となる．

周波数 （MHz）

2.1GHz 帯における S21 特性

S21 （dB）

図 13

表2

各周波数帯における計算時間

周波数

メッシュ数

ノード数

計算時間

87MHz

0.1 億

10h58m557MHz0.4 億

12h14m

2.1GHz2.7 億

81h57m

5.8GHz38.9 億483h30m

参考文献
S21＝-63.6dB[1] Q. Chen et al., “Antenna Characterization for WirelessPower Transmission System Using Near field Coupling,”
IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.54, No.4,Aug.2012.
[2] J. Kim et al., “Electromagnetic Interference andRadiation from Wireless Power Transfer Systems,” 2014
IEEE International Symposium on Electro- magnetic
Compatibility, Aug. 2014.

図 14

周波数 （MHz）[3] 東京工業大学 学術国際情報センター, TSUBAME(http:// www.gsic.titech.ac.jp/tsubame).

5.8GHz 帯における S21 特性[4] CST MICROWAVE STUDIO（http://www.cst.com/）