JP2012533281A - 電気エネルギーの誘導伝送のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの一次インダクタを有する固定ユニットから、その近傍に停止していると共に少なくとも１つの二次インダクタを有する車両への電気エネルギー誘導伝送のための装置に冠する。固定ユニット又は車両が、エネルギーの伝送中に一次インダクタと二次インダクタとの間に位置する空間を少なくとも備える所定の空間内の物体の存在を検知するための検知装置を有している。検知装置は、少なくとも１つの非接触センサ及びセンサに接続された評価装置を有する。検知装置の少なくとも１つのセンサが、当該エネルギー伝送装置の一次インダクタ又は二次インダクタと同じハウジング内に少なくとも部分的に構築されているか、あるいは、そこに取り付けられている。当該センサは、超音波、レーダー若しくは赤外線センサ又は電子イメージセンサである。
【選択図】図２

Description

本発明は、クレーム１の前提に従う電気エネルギーの誘導伝送のための装置に関する。この種の装置は、電気自動車に設置された充電バッテリの誘導式充電に使用される。エネルギー伝送の間、高い磁場強度及び磁束密度の磁場が、固定一次コイルと車両の二次コイルとの間の空間に構築される。これは、二次コイルにおける所望の伝送電力のための十分な高電流を誘導することに必要である。

人、人の四肢又は動物がこの空間に進入した場合、ボディ電流（ｂｏｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ）が誘導され得る。この空間に長期間存在するおそれがないので、これは通常、直接的な危険を及ぼさないことが想定されているが、しかしながら、子供又はペットを特に強い磁場に予想外に曝す虞によって、多くの人口範囲において、誘導エネルギー伝送の許容が制限される傾向にある。

人がリング、アームバンド、ツール、インプラント及びその他の服飾品の形態の導電性物体を持っていることも忘れてはならない。動物では、首輪の形態でこれに当てはまる。このような物体が強い交流磁場に曝された場合、渦電流がこれらに誘導されて、これらは材料、曝露時間、磁場に対するアライメント、磁場強度レベルに依存して加熱される。このような状態下では、損傷及び／又は危険を引き起こす温度に到達する。これらは、遊んでいる子供が誘導エネルギー伝送装置の磁場領域内に好奇心から故意に導入した導電物体からも生じ得る。

誘導エネルギー伝送システムの既存の応用特性によれば、このような危険が関連性のないものとして評価されていた。運転者が乗る車両の場合、操作中に外体の存在を探し、誘導伝送が作動するように設定される前にこれらを除去するか、あるいは、いずれの疑いがある場合に誘導伝送を中断する必要性に注意するように、トレーニングを実行可能である。しかしながら、磁場領域内の外体の存在は、大半が自動化された動作にとって、明らかな安全性上の問題があるように思われ、あるいは、このようなシステムが公共にアクセス可能な領域で使用されるとき、より高い安全性の要求が考慮されるに違いない。ここで、エネルギー伝送の作動中の外体の導入は、特に致命的である、なぜなら、車両の運転者が磁場領域（すなわち、一次コイルのハウジングと二次コイルとの間の空間）をエネルギー伝送中に観察していると考えることができないからである。さらに、通常、充電操作の大部分の間、車両は完全に監視されていない。

ＵＳ２００７／０１４５８３０Ａ１号公報には、電気装置への電力のワイヤレス伝送のシステムが開示されている。これは複数の一次コイルを備え、これにより、相互の一次及び二次コイルの正確なアライメント（調整）の必要性を排除する。この文献では、金属物体の存在の問題が言及されているが、金属検知器が使用不可能として却下されている。さらに、適切な回路デザインによって、並列に接続された二次コイル及び同調コンデンサ共振回路を備える共振回路が一次側に接近するときにシステムがその共振状態に入り、これにより、二次コイルのすぐに近くの１又はいくつかの一次コイルに集中する、一次電流の急激な増加を引き起こすことを確実にする。この場合、導電性物体は問題を体現していない。なぜなら、それは共振回路を構成しないからである。

したがって、本発明の目的は、磁場領域内の外体の存在に対して、誘導エネルギー伝送システムの動作安全性を改善することにある。

本発明によれば、この目的は、クレーム１の特徴を有する装置を通して達成可能である。様々な改変例が従属クレームに開示されている。

本発明によれば、少なくとも１つの一次インダクタを有する固定ユニットから、その近傍に停止していると共に少なくとも１つの二次インダクタを有する車両への電気エネルギー誘導伝送のための装置では、固定ユニット又は車両が、エネルギーの伝送中に一次インダクタと二次インダクタとの間に位置する空間を少なくとも備える所定の空間内の物体の存在を検知するための検知装置を有している。これにより、エネルギー伝送によって生成される磁場領域内に外体が導入されたことを検知し、且つ、適切な方法で対応することが可能となる。

例えば、超音波、レーダー若しくは赤外線センサ又は電子イメージセンサの形態の１つの非接触センサを提供可能である。あるいは、複数のこのようなセンサを提供し、好適には、一次インダクタ又はエネルギー伝送装置の二次インダクタと同じハウジング内に少なくとも部分的に設置され、あるいは、それに取り付けられる。

エネルギー伝送による磁場領域内の外体の存在の検知の有効な基準は、基準値又は信号からのセンサ信号のずれであり、場合によっては、個別のセンサ信号間の複数のセンサのずれ、及び、センサ信号の時間変動である。特には、最後に言及した基準は、エネルギー伝送によって生成された磁場領域内への外体の導入の典型的な指標を提供する。外体の存在への好適な反応は、特には、警告信号の放出、一次インダクタへの電流供給の停止、及び、外体が磁場領域から去ったときにその再開を含んでいる。

本発明のさらなる特徴及び有利な点は、以下の図面を参照した好適な実施形態の説明によって明らかになる。

充電位置における電気自動車にエネルギーの誘導伝送するために充電ステーションの概略図。 本発明の複数のセンサを有する配列による外体検知の概略図。 図２のセンサ配列の概略平面図。 １つのセンサだけを有するセンサ配列の図。

図１は、バッテリを充電するために充電ステーションの一次コイル２上に停止している電気自動車１の概略断面図（上部）及び概略平面図（下部）である。ハウジング３内の車両１の下側部には、電子充電ユニット５に接続された二次コイル４が存在している。これは、誘導式に伝送される電力のパラメータを、車両１のバッテリを充電するための適切な値に変換する。一次コイル２は、充電ステーションの電流供給ユニット６によって供給（フィード）されると共に、車両駐車場に静的に配置されたハウジング８内に配置されている。電流供給ユニット６は充電ステーションの制御ユニット７によって制御される。

動作中の一次コイル２によって生成された交流磁場の磁力線９のいくつかが図１の点線によって示されている。磁場の主方向は、一次コイル２のコイル軸の方向であり、すなわち、垂直方向である。動作中、高磁界強度及び磁束密度が一次コイル２のハウジング８の直上の空間１０内に広がっている。前述した危険性に曝される外体１１が、正にここに位置している。

図２は、外体１１を検知するための本発明のセンサ配列の一例を示し、この図は、所謂一次コイル２及び二次コイル４の近傍を、図１の上部から詳細に拡大したものに対応する。同じ種類であり、且つ、非接触動作原理で動作する２つのセンサ１２及び１３が二次コイル４のハウジング３の直近に配置されている。全体では、同種類のさらなる２つのセンサ１４及び１５が提供され、図２には示されていないが、図３の平面図に示されている。４つのセンサ１２〜１５が、正方形又は長方形の形態で少なくともほぼ対称に配置されている。

図２及び図３の波面によって示されるとおり、動作時にセンサ１２〜１６が外体１１によって反射される波形信号を放出し、当該反射は外体１１の位置、大きさ及び材料に依存している。センサ１２〜１５が反射信号を受信し、各場合において、受信した反射信号に依存する測定信号を評価装置１６に放出する。例えば、センサ１２〜１５は、超音波、レーダー、又は赤外線センサである。これらは、評価装置１６によって誘導エネルギー伝送の開始前に起動され、そして、これが充電ステーションの制御ユニット７からエネルギー伝送の差し迫った開始を示す信号を受信する。

能動センサ１２〜１５の代わりに、例えば、点灯を制御するための動作感知器に一般に採用されるような焦電気性原理の受動赤外線センサなどの受動センサを使用することができる。このようなセンサは、熱放射に反応するので、特には、周辺領域よりも高温の生物又は生物の体の一部の検知、すなわち、特に重大な種類の外体１１の検知に適切である。

個々のセンサ１２〜１５によって供給された測定信号は、相互に、且つ、場合によっては評価装置１６の基準値又は基準信号と連続的に比較される。図３のセンサ配列では、外体１１が存在しない場合、センサ１２によって伝送された信号は、一次コイル２のハウジング８の表面によって、対向センサ１５の方向に反射され、僅かな程度、伝送センサ１２に戻る。反対方向の２つのセンサ１２及び１５にも同じことが同様に当てはまり、双方向の２つの対向センサ１３及び１４にも当てはまる。しかしながら、外体１１が存在すると、伝送センサに戻る反射がより強力になる。これが、センサ１２〜１５からの測定信号に基づき評価装置１６で外体１１を検知するための第一の有力な基準である。

さらに、外体１１がセンサ１２〜１５に対して非対称に位置しているときの反射信号強度は、図２及び３に示すとおり、個別のセンサ１２〜１５で異なる。移動する外体１１が、センサ１２〜１５に対して対称位置に偶然に静止した場合であっても、実際は移動経路に沿ってエネルギー伝送によって生成された磁場領域１０内に最初に導入された位置が非対称である。したがって、センサ１２〜１５の測定信号間の相違が、評価装置１６による外体１１の検知のためのさらなる基準を提供する。

これとは異なり、顕著な時間変動の発生のために、測定信号の時間変動を記録し、これらをモニタリングすることにより、評価装置１６で外体１１を検知する別の選択肢が存在する。センサ１２〜１５によってモニタリングされた空間１０内の外体１１の移動は、実際、顕著な時間変動によって、センサ１２〜１５からの測定信号に検知可能である。外部からモニタリング空間１０への外体１１の導入が、必然的に空間１０内の移動に関連していることが明らかである。

従前に言及した３つの基準は、評価装置１６によって、個別にあるいは相互に並列にセンサ１２〜１５からの測定信号に適用可能であり、且つ、最終的には、適切な経験則に従って互いに結合することも可能である。例えば、誤った警告を避けるように、外体が検知されたとして見なされる前に、３つの基準全部又は３つの基準のうちの少なくとも２つが、外体１１の導入を示すことを求めてもよい。さらに、検知エラーを避けるために、外体１１が最終的に検知されたと見なされる前に、外体１１の存在を示す基準が、所定の最小長の時間間隔を常に満たす必要があることを要求することも可能である。

また静的外体１１を検知する場合、これの測定信号の変化のモニタリングが、自然に、これの検知基準として適切でなくなり、且つ、偶然に対称に載置されている外体１１が検知されないとき、種々の測定信号の比較のみが限定された範囲で適切である。しかしながら、車両１が駐車した後、磁場領域１０内に外体１１が続いて導入されたことを検知することが主要な対象（目的）であり、これが種々の測定信号の変動及び対称性に組み合わされる

どの基準が外体１１の検知のために評価装置１６に使用されるか、どのように異なる基準が互いに関連づけられるか否か、何時それが外体１１を検知するかに拘わらず、評価装置１６は、光学及び／又は音響警告を放出する表示装置１７に、出力信号を送信する。これとは異なり、また、評価装置１６は、充電ステーションの制御ユニット７にも接続され、エネルギー伝送（すなわち、一次コイル２への電流供給）を中断する信号をこれに送信する。さらに、メッセージが適切な場所（例えば、充電ステーションのオペレーション又は車両１の運転者）に送信される。

実際には、外体１１の移動が磁場領域１０内に検知された直後にすぐに反応せず、しかし、それが磁場領域１０を通る一時的な通過にすぎないと見なされ得るまで待機することで十分である。人又は動物が完全に又は部分的にエネルギー伝送によって生成された磁場領域１０内に存在する状況が構築されたとき、最初に、例えば表示装置１７として車両の警笛を使用して、警告が適切な手段によってなされ得る。外体が所定時間内にモニタリングされている空間１０を去ったと確認されない場合、エネルギー伝送を中断可能であり、すなわち、制御ユニット７によって一次コイル２の電流供給ユニット６を停止可能である。エネルギー伝送が中断されたとき、空間１０のモニタリングが継続される。外体がモニタリングされている領域を去ったことが後に確認された場合、エネルギー伝送は直ぐに再開される。しかしながら、現状が続く場合、状況をチェックする管轄場所にメッセージを送信可能であり、必要であればそれを修正し、修正を確認する。エネルギー伝送が長期間中断された場合、又は、十分なエネルギーを伝送可能でないように終結された場合、対応するメッセージが、車両１の運転者又は自動動作の場合における高レベル設置コントローラ（制御者）に与えられる。

図２及び３では、センサ１２〜１５が二次コイル４の領域内の車両に配置されていることを想定可能である。表示装置１７は、例えば、既存の車両の警笛、あるいは、充電ステーションの構成要素として車両外部など、車両に提供可能である。制御ユニット７は、車両１に載置されていないが、充電ステーションの一部である。結果として、車両の評価装置１６と制御ユニット７との通信は無線で行われる。また、表示装置１７が充電ステーションの一部を形成する場合にもこれが当てはまる。

図４は、１つのセンサ１８だけが使用されている、前述の発明の実施形態の簡素化した変形例を示す。このような１つのセンサ１８は、二次コイル４のハウジング３の中央に搭載され、図４に示すとおり、ハウジング３に部分的に又は全体的に設置可能である。この場合、検知基準としての異なるセンサからの測定信号を比較する有効性が排除される。しかしながら、移動外体１１を示す、センサ１８によって生成された測定信号における時間変動を観察することが可能である。一次コイル２の対面ハウジング８の反射のための通過時間が知られているとき、波形信号を送信すると共に反射信号を受信する能動センサで、伝送及び受信間の信号通過時間を外体１１の検知基準として考慮可能である。

また、受動センサ１８もここに使用可能である。例えば、これは電子イメージセンサである。この場合、一次コイル２のハウジング８の上面の画像が評価装置１６内に保存可能であり、この画像が、車両１の駐車後のセンサ１８によって提供される画像と比較される。外体１１の検知をより簡単にするため、ハウジング８の表面に特徴的なパターンを設けることが可能であり、当該パターンには、外体１１が明らかに光学的に遮断するように存在する。環境光の状態に影響を受けることを避けるために、使用スペクトル範囲を、例えば赤外線範囲内などの可視範囲外とすることができる。イメージ信号の形態のセンサ１８の測定信号を、時間において（経時）記録し、外体１１の移動を示す変化のモニタリングをすることができる。

交換ステーションの制御ユニット７との通信及び表示装置１７による警告の発信に関して、１つだけのセンサ１８を有する簡易化された変形例に、複数のセンサ１２〜１５を有する手段と同じ手段を適用可能である。逆に、複数のセンサを有する手段の場合、図２及び３のようにその外部に搭載する代わりに、これらをハウジング３内に全体として又は部分的に構築可能である。

前述した例示の実施形態は、センサ１２〜１５及び１８の配列並びに二次側（すなわち車両側）の評価装置１６を示しているが、両方のシステム要素を、例えば、一次コイル２のハウジング８の近傍又は上に、あるいは、ハウジング８内に完全に又は部分的に一体化するように一次側に配置することも同様に可能である。この場合、外体を検知するためのシステム全体が、充電ステーション内に集中する。しかしながら、１又は複数の波形信号のトランスミッタを一方側（例えば車両側）に提供し、且つ、１又は複数のセンサとしてのレシーバを他方側（例えば一次側）に提供することも考えられ、波の伝播が空間１０内の外体１１によって妨害され、これによって外体１１をレシーバ側で検知可能である。さらに、センサを両側に（すなわち、車両側と一次側の両方に同時に）搭載することも可能である。

中央評価装置１６に集中させる代わりに、信号処理機能を、複数の個別センサ１２〜１５又は１８に亘って分配することにより、センサ１２〜１５が外体１１を検知しているか否かを示すセンサ１２〜１５の状態レポートが、削減した中央評価装置に統合化される。この場合、評価装置１６の部分を、センサ１２〜１５及び１８によって形成する。１つのセンサの場合もまた、これは共通のユニットの評価装置１６に統合可能である。

さらに、評価装置１６は、他の目的で車両１の内部又は車両１の上に提供された他のセンサからの信号の評価装置に組み合わせ可能である。特には、非接触距離センサを有する車両が存在し、当該センサは、駐車時に運転者を補助し、及び／又は、運転時に前方の車両からの十分に安全な距離を維持することを助けるように、所謂ドライバーアシスタンスシステムの一部として使用される。車両１にこのようなシステムが設けられ、非接触距離センサからの信号の評価装置を有するとき、本発明の検知装置のために評価装置１６を別に提供せずに、車両１の全非接触距離センサからの信号を処理することがコストの点から有利であり、すなわち車両1内の既存の評価装置の機能範囲を単純に拡張するように本発明で付加されたセンサ（１２〜１５、１８）を１つの中央評価装置内に含んでいる。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの一次インダクタ（２）を有する固定ユニットから、その近傍に停止していると共に少なくとも１つの二次インダクタ（４）を有する車両（１）への電気エネルギー誘導伝送のための装置であって、
   前記固定ユニット又は前記車両（１）が、エネルギーの伝送中に前記一次インダクタ（２）と前記二次インダクタ（４）との間に位置する空間（１０）を少なくとも備える所定の空間内の物体（１１）の存在を検知するための検知装置を呈していることを特徴とする装置。
2. 前記検知装置は、少なくとも１つの非接触センサ（１２〜１５；１８）及び前記センサに接続された評価装置（１６）を呈していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記検知装置の前記少なくとも１つのセンサ（１２〜１５；１８）が、当該エネルギー伝送装置の一次インダクタ（２）又は二次インダクタ（４）と同じハウジング（８；３）内に少なくとも部分的に構築されているか、あるいは、そこに取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記センサ（１２〜１５；１８）が超音波、レーダー若しくは赤外線センサ又は電子イメージセンサであることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記評価装置（１６）は、少なくとも１つのセンサ（１２〜１５；１８）で生成された信号を基準値又は基準信号と比較する比較装置を呈しており、前記基準値又は基準信号からのずれの測定値を決定することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 複数のセンサ（１２〜１５）が提供されており、
   前記評価装置（１６）は、前記個別のセンサ（１２〜１５）によって生成された信号を相互に比較する比較装置を呈しており、前記信号間のずれの測定値を決定することを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記評価装置（１６）は、前記少なくとも１つのセンサ（１２〜１５；１８）によって生成された信号の時間変動の測定値を決定することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記評価装置（１６）は、信号が生成される少なくとも１つの出力を呈し、前記基準値又は基準信号からのずれが所定の最小値を超えた場合、及び／又は、前記信号間のずれが所定の最小値を超えた場合、及び／又は、時間変動が所定の最小値を超えた場合に、前記外体（１１）の存在を示すことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記評価装置（１６）は、時間測定装置を呈しており、前記時間測定装置によって所定の最小値を超えるずれ及び／又は時間変動の期間が測定され、前記測定時間が所定の最小の期間を超えるときにのみ、前記外体（１１）の存在を示す前記信号が生成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記評価装置（１６）の出力が表示装置（１７）に接続され、前記外体（１１）の存在を示す前記出力で生成された信号が、前記表示装置（１７）による警告信号の形成を誘発することを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記評価装置（１６）の出力が、前記一次インダクタ（２）の電流供給ユニット（６）を制御する制御ユニット（７）に接続され、前記外体（１１）の存在を示す出力で生成された信号が、前記制御装置（７）によって前記一次インダクタ（２）の電流供給の停止を誘発することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記外体（１１）の存在を示す信号がもはや生成されていないとき、前記出力を通して前記制御ユニット（７）に接続された前記評価装置（１６）によって、前記一次インダクタ（２）の電流供給の再開が前記制御装置（７）で誘発されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記評価装置（１６）が、前記車両（１）内又は前記車両（１）上に提供された他のセンサ信号の評価装置に組み合わされていることを特徴とする請求項２から１２のいずれか一項に記載の装置。

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