JP2023507029A - 誘導充電システム用物体検出装置 - Google Patents

Abstract

誘導充電システムでは、エネルギーは磁場を介して伝達される。誘導充電システムのための物体検出装置は、信号を送信するための送信機と、指向性内で信号の反射を受信するために磁場のかなりの部分を含む指向性を有する受信機とから構成される。信号処理装置は、受信した信号の特性を調べ、磁場に関連する危険な状態を特定する。受信した信号を周波数領域の信号に変換することにより、周波数領域の信号の形態に応じて危険な状態を特定することができる。本発明の物体検出装置は、電気自動車用充電装置に好適に用いられる。【選択図】図２

Description

誘導充電システムのための物体検出装置。物体検知装置を含む誘導充電システム。物体検出装置における危険状態の検出方法。

数ワットの電力を必要とする携帯電話やタブレット端末などの小型携帯電子機器から、数キロワットの電力を必要とする電気自動車まで、幅広い機器に電源から電力を送るために、無線電力伝送技術の利用が進んでいる。電源や充電のために機器を接続する必要がないという利便性に加え、配線やケーブルがないため、机の上や駐車場がすっきりすると同時に、散乱、つまずきや感電の危険性も低減される。ワイヤレスで電力を伝送する方法には、容量性結合や誘導性結合などがあり、いずれも機器に電力を供給する目的で、抵抗性（つまり有線）結合よりも利点がある。

ワイヤレス給電システムは、電源から機器や負荷まで、数分の１ワット、数ワットから数キロワットまで、あらゆる電力を供給できるように設計することができる。一般的には、磁気コイル間のエアギャップを使用するが、コンデンサのプレート間に電力を供給する方法もある。また、固定周波数または可変周波数で動作するように設計することができ、負荷条件を変化させるのに有効である。

このようにして供給されたエネルギーは、例えば、電子回路に電力を供給し、デバイスに電力を供給するために使用することができる。これには、携帯電話やタブレットなどの消費者向けデバイスに電力を供給することが含まれる。また、電気自動車の電気モーターを駆動することや、回路または車両内のバッテリーを充電することも含まれる。携帯電話の電源やバッテリーの充電には数ワット、電気自動車のモーターの電源やバッテリーの充電には数キロワットの電力が必要である。バッテリー回路やモーターが大きいほど、あるいはバッテリーの充電速度が速いほど、エアギャップを越えて伝達しなければならない電力は大きくなる。

ワイヤレス電力伝送技術は、異なる技術分野で発展してきたため、本質的に同じものを表現するのに異なる用語が使用されるようになった。「磁気結合」「磁気誘導」「誘導給電」「誘導充電」「共振型誘導給電」などの用語が一般的である。細かい違いはあるかもしれないが、これらの用語は、一般に、磁場によってエアギャップを越えて電源から負荷に電力を伝達するシステムを指すために広範かつ交換可能に使用される。本書では、この種のシステムを識別するために、「誘導充電システム」またはＩＣＳという用語を使用する。

同様に、誘導充電システム（ＩＣＳ）の様々な素子を指すために、様々な用語が使用されている。基本的にＩＣＳは、電源に関連する機器とデバイスに関連する機器から構成される。電源装置は、電源からのエネルギーをコイルの駆動に適した形に変換する回路で構成されている。同様に、機器装置は、磁場によってコイルに誘導されたエネルギーを、機器への電力供給や機器内のバッテリーの充電に適した形に変換する。

誘導充電システムは、電気自動車のバッテリーを充電するために使用することができる。ドライバーは、地面に置かれた充電装置の上に車を停め、充電装置が車の充電装置と磁気的に結合し、エネルギーをバッテリーに伝達する。車両用誘導充電システムには、いくつかの呼び名がある。例えば、ＷＥＶＣ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｈａｒｇｉｎｇ）システム、電気自動車充電器などである。名称に特に意味はなく、商業的な選択の問題である。

電気自動車に使用される誘導充電システム（ＩＣＳ）では、主電源に接続可能なグラウンドパッドやグラウンドパッドモジュール（ＧＰＭ）など様々な名称の電源装置が使用されている。デバイス装置は、ビークルパッドまたはカーパッドモジュール（ＣＰＭ）と呼ばれ、自動車などの車両に搭載可能で、車両のバッテリーを充電するためのエネルギーを提供する。多くの場面でのネーミングは、その製造会社がどのような言語を採用しているかによる。もちろん、電気自動車用ＩＣＳは、自動車やトラック、バス、路面電車などの大型車両を含む多様な車両に対応可能であり、路上走行可能な自動車に限定されるものではない。本明細書では、電気自動車用ＩＣＳの２つの主要部分を識別するために、ＧＰＭ（Ｇｒｏｕｎｄ Ｐａｄ Ｍｏｄｕｌｅ）、ＣＰＭ（Ｃａｒ Ｐａｄ Ｍｏｄｕｌｅ）という用語を使用することにする。

ＩＣＳの異なる実装の間で異なる他の用語には、「磁気コイル」、「誘導コイル」、および「アンテナ」が含まれる。これらの用語も、エアギャップ全体にエネルギーを伝達する誘導充電システムの部品を説明するために、大まかに、本質的に互換的に使用される。これらの異なる用語を使用しても何も変わらないが、正確を期すために、素子は実際にはアンテナではなくコイルであることに留意する必要がある。これは、一般的な動作周波数では、エレメントは磁場のみが存在する近傍界でエネルギーを伝達するからである。

アンテナは、放射されたエネルギーが近傍界を越えて遠方界に抜けると形成される電磁場を考慮して設計されている。近傍界が終わり、遠方界が始まる場所は、送信装置（コイルやアンテナなど）の特性によって異なる。ワイヤレス電力伝送アプリケーションでは、エアギャップのサイズとシステムとが動作する周波数により、近傍界にしっかりと配置されるため、正確な定義は通常不要である。それにもかかわらず、前述の「磁気コイル」、「誘導コイル」、「アンテナ」は、ワイヤレス電力伝送の技術分野で活躍する人々によって同様に互換的に使用されている。

誘導充電システムは、磁気コイルを単独で、または他の同調または調整可能な素子と結合して使用することができる。電気自動車の電力転送アプリケーションでは、グラウンドパッドモジュールは、関連する駆動電子機器と組み合わせるコイルを含むことができ、またはそれは、関連する電子機器の一部または全部が別の筐体に提供されているコイルを含むことができる。いずれにせよ、グラウンドパッドモジュール内のコイルは、磁場を介して電力を伝送するために使用される。同様に、カーパッドモジュールは、関連する制御電子機器と組み合わせたコイルを含んでいることもあるし、一部またはすべての関連電子機器が別の筐体に提供されているコイルを含んでいることもある。いずれにせよ、カーパッドモジュール内のコイルは、磁場を介して電力を受け取るために使用される。

誘導充電システムの設計で重視されているのは、安全な環境の維持である。システムが稼動すると、磁場によってグラウンドパッドモジュールと車両パッドモジュールの間の空間に大きなエネルギーが伝達される。家庭用の小さなシステムでも、パッド間で２～３ｋＷのエネルギーを伝達できる磁場が発生する。コイン、クリップ、ホイルを被せたヨーグルトの鍋などの異物が磁場の中で発熱し、火災の原因となる。また、人や動物などの生物は、高エネルギーの磁場にさらされると怪我をする危険性がある。

このため、磁場内にある物体や磁場内に進入する物体を検知できる誘導充電システムの設計が進められてきた。誘導充電システムには、一般的に物体検出装置があり、そのような物体を識別し、物体が移動するか磁場から除去されるまでシステムを停止させる。

国際公開ＷＯ２０１６／０６０７４８には、複数のレーダーモジュールを用いて検出領域内の物体を検出する生活用品保護装置が記載されているようである。レーダーモジュールは、ベースパッドの全面をカバーするために、ベースパッドから離れる方向に向けてベースパッドの側面に取り付けられている。

国際公開公報ＷＯ２０１９／０８６６９０には、誘導型エネルギー伝送装置の監視装置が記載されているようである。監視装置は、ドップラー情報を評価し、その情報を監視装置に保存された保存ドップラーシグネチャで補正する。

誘導充電システムでは、エネルギーは磁場を介して伝達される。誘導充電システムのための物体検出装置は、信号を送信するための送信機と、指向性内で信号の反射を受信するために磁場の実質的な部分を含む指向性を有する受信機とからなる。信号処理装置は、受信した信号の特性を調べ、磁場に関連する危険な状態を識別する。受信した信号を周波数領域の信号に変換することにより、周波数領域の信号の形態に応じて危険状態を識別することができる。本発明の物体検出装置は、電気自動車用の充電装置に好適に用いられる。

特許請求の範囲に定義されるように、本発明は、誘導充電システムのための物体検出装置、物体検出装置を含む誘導充電システム、および物体検出装置における危険状態の検出方法を提供する。

本発明およびその特徴は、特許請求の範囲に具体的に記載され、その利点とともに、添付図面を参照して例示的に与えられる以下の詳細な説明の考察から、適切な技術を有する者にさらに明確になるであろう。

図１は、電気自動車用誘導充電システムの素子を示す模式図である。 図２は、物体検出装置の素子を示す模式図である。 図３は、カーパッドモジュールの模式的な断面図である。 図４は、他のカーパッドモジュールの概略断面図である。 図５は、充電システムの素子を示す図である。 図６は、フィルタを介して共通のアンテナを共有する素子を示す図である。 図７は、マルチプレクサを介して共通のアンテナを共有する素子を示す図である。 図８は、物体検出装置のさらなる素子を示す模式図である。 図９は、周波数領域で（ａ）実質的な対称性を持つ信号、（ｂ）右利きの信号、（ｃ）左利きの信号をグラフ化したものである。 図１０は、時間領域の信号とそれに対応する周波数領域の信号を示す図である。 図１１は、振幅成分および距離成分を有する周波数領域信号を示す。 図１２は、危険に対応する周波数領域の信号を示す図である。

［詳細な説明］
次に、添付図面の図１に目を向けると、誘導充電システム（ＩＣＳ）１０は、コイル１４を含むグラウンドパッドモジュール（ＧＰＭ）１２と、電源１８に結合可能な駆動回路１６とから構成されている。電源１８からの電力信号は、駆動回路１６によって調整され、コイル１４への印加に適した形態とされる。コイル１２は、この電力信号（電流Ｉおよび電圧Ｖとして表される）の印加により駆動され、磁場２０を発生させる。

電源１８は、例えば１１０Ｖまたは２２０Ｖの家庭用電圧供給であってもよい。このような家庭用設備では、２～３ｋＷが限界であり、バッテリーの充電に通常数時間かかることになる。４１５ボルト以上の多相電源のような大きな電源は、充電をより迅速に完了させることができる。商業用や産業用では、より大きな電力、つまりより高速な充電が可能である。

グラウンドパッドモジュール１２のサイズと形態は、システムの技術的要件によって異なる。コイル１４は、図１では、円形として描かれているが、任意の多角形または楕円形であってもよい。コイル１４は、ソレノイドとして構成されてもよいし、ダブルＤ構成として配置されてもよいし、広く利用可能なコイルトポロジーのうちの他のものであってもよい。正確な形態は、システムの技術的要件と、日常的な設計上の選択とによって決定される。サイズのアイデアを与えるために、グラウンドパッドモジュール１２は、通常、幅が約６００ｍｍである。ＧＰＭの高さは、ＧＰＭが車両の下面との引っ掛かりの危険や、つまずきの危険を引き起こさないように、できるだけ低くする必要がある。

誘導充電システム１０はまた、カーパッドモジュール（ＣＰＭ）２２を含んで構成される。ＣＰＭ２２は使用時には、設計上の考慮によって決定される場所、例えば、シャーシまたはフロアパンの下にある自動車（図示せず）上に配置される。ＧＰＭ１２と、その上に配置されたＣＰＭ２２の上を自動車が走行すると、エネルギーがＧＰＭからＣＰＭに伝達される。磁場２０は、コイル２４によって電力信号（電流Ｉおよび電圧Ｖとして表される）に変換され、駆動回路２６によって調整されて、エネルギーをバッテリー２８に供給する。そのため、充電に適した形態とされる。

グラウンドパッドモジュール（ＧＰＭ）１２と同様に、ＣＰＭ２２のサイズおよび形態は、誘導充電システム１０を設計する際に行われる技術的要件および設計上の選択によって支配される。カーパッドモジュール（ＣＰＭ）２２は、同様に、パッケージとして提供される。ここでも、コイル２４の正確な形態、ひいてはＣＰＭ２２の形状およびサイズは、技術的要件および設計上の選択によって大部分が決定される。コイル２４は、描かれているように円形である必要はなく、実際、グラウンドパッドモジュール１２内のコイル１４と同じ形態またはトポロジーを有する必要さえない。車両内のスペースは限られている。通常、ＣＰＭ２２をできるだけ小さくすること、例えば幅３００ｍｍ程度にすることが目標となる。

ＩＣＳ１０の１つの利便性は、車両上のバッテリー２８が、カーパッドモジュール２２とグラウンドパッドモジュール１２とが整列する位置で、グラウンドパッドモジュール１２の上に車両を駐車するだけで充電され得るという点である。車両誘導および位置合わせ装置（図示せず）を設け、運転者がグラウンドパッドモジュール１２に対して車両、ひいてはカーパッドモジュール２２を正しく位置決めするのを助ける。

誘導充電システム１０は、添付図面の図２に示される物体検出装置３０を含む。物体検出装置３０は、図１のＩＣＳシステム１０に含まれることもあるし、並置されていることもある。物体検出装置３０は、アンテナ３４を介して信号を送信するための送信機３２と、受信機３８に結合されたアンテナ３６とから構成される。アンテナ３４、３６は、ＧＰＭ１２とＣＰＭ２２のコイル１４、２４との間の空間容積に向けられる。受信アンテナ３６は、送信アンテナ３４からの信号の反射を受信する役割を果たす。このように物体検出は、レーダーの一形態を用いて、カーパッドモジュール（ＣＰＭ）２２とグラウンドパッドモジュール（ＧＰＭ）１２との間の体積における磁場２０中の物体を検出する。

送信信号の特性は、基準として使用することができる。少なくとも、受信機３８によって受信された信号の変化は、動作条件の変化を示す。典型的には、反射の存在は、物体の存在を示す。そして、周波数の変化は、物体の動き、すなわち、ドップラー効果を示す。したがって、物体検出装置３０は、例えば、乗客が車両に乗り降りすることによって、または猫や他の動物が車両に飛び乗ることによって引き起こされる車両の動きを検出するように構成することができる。

このような変化は、磁場２０内の不要な物体または予期しない物体を示している可能性がある。受信機３８からの信号は、信号処理装置４０に渡され、受信信号の特性を処理して、何がその変化を引き起こしたかを判断する。プロセッサは、対応する信号δを出力し、ＩＣＳ１０は、危険が去るまで磁場２０を遮断する（または安全なレベルまで低下させる）ことによって応答する。

アンテナ３４、３６は、すべてのアンテナと同様に、アンテナの指向性とみなされ得るビーム幅を含む放射パターンを有する。任意のアンテナについて、放射パターンは、信号の送信と受信との両方に適用される。物体検出装置３０は、カーパッドモジュール（ＣＰＭ）２２またはグラウンドパッドモジュール（ＧＰＭ）１２内またはその近傍に配置される。

磁場２０とアンテナの指向性（すなわちビーム幅）との間の正確な関係は、ＩＣＳ１０の具体的な設計に依存する。グラウンドパッドモジュール１２及びカーパッドモジュール２２は、磁場２０がＧＰＭとＣＰＭとの間の空間容積内にできるだけ含まれるように設計されている。物体検出アンテナ３４、３６の指向性は、磁場内のいかなる物体もアンテナによって「捉えられる」ように選択され、アンテナはそのように配置される必要がある。

実際には、ＧＰＭとＣＰＭとの間の空間の体積を超える磁場の漏れが存在することになる。その体積の外側の領域で磁場２０が規定の安全レベルを超える程度に、アンテナ３４、３６の指向性は、それらの領域も含むべきである。典型的には、アンテナ３４、３６は、互いに並んで配置されるか、または、送信機３２と受信機３８との間で共有される単一のアンテナとして提供される。

レーダー装置は、既製のユニットとして広く入手可能である。したがって、別個の素子として示されているが、アンテナ３４および３６、送信機３２および受信機３８、ならびにプロセッサ４０またはそれらの様々なサブコンビネーションは、単一の既製のユニットとして提供されることもある。アンテナ３４及び３６の２つは、単一のアンテナ又は単一のユニットに組み合わされてもよい。アンテナ３４から送信された信号の反射は、アンテナ３６および受信機３８によって受信される。受信された信号は、信号処理装置４０によって分析され、磁場２０内の物体の存在を検出する。

誘導充電システムの設計における現在の考え方は、物体検知装置を地上装置の中または上に配置することが考えられている。物体検出装置が、危険が発生し得る位置にある物体を「捉える」ことができるようにするために、複数のセンサ（例えば、レーダーモジュール）がベースパッドの周辺部に配置される。例として、上述した国際公開公報ＷＯ２０１６／０６０７４８を参照されたい。

ＩＣＳ１０において、物体検出装置３０は、必須ではないが好ましくは、カーパッドモジュール（ＣＰＭ）２２の中に配置される。実際問題として、レーダーモジュールをＣＰＭ２２内に、またはＣＰＭ２２と並んで配置することが通常より簡単であろう。そこでは、アンテナは、使用時に、グラウンドパッド１２に向かって上から磁場によって占められる体積とその向こう側を「捉える」ことができる。アンテナをＣＰＭ２２の中央に配置することは通常、最適なアプローチであろう。

単一のユニット（例えば、レーダーモジュール）は、必須ではないが使用することが好ましく、より費用対効果が高い。信号アンテナまたは送受信アンテナペアの設計段階での慎重な選択により、カーパッドモジュールに大きな重量または体積を加えることなく、磁場を含むグラウンドパッドモジュールとカーパッドモジュールとの間の空間および磁場がリスクとなり得るその体積を超えた他の領域を含む、包括的指向性を実現することができる。

ここで、図３のカーパッドモジュール２２の概略断面に目を向けると、ＣＰＭ２２はプリント回路基板（ＰＣＢ）４２または他の支持体から構成されている。この支持体には、コイル駆動回路２６と、パッド２２の動作に関連する他の電気的および電子的素子が取り付けられている。これには、物体検出装置３０とそのアンテナ３４、３６とが含まれる。物体検出装置３０は、コイル２４の巻線４６、４８によって囲まれた空間４４に取り付けられている。ここでの十字および点は、使用中の電流が概念的にページに入る（十字）または出る（点）方向に流れる、コイル巻線の断面を単に表しているだけである。

アンテナ３４、３６の指向性は、プリント回路基板ＰＣＢ４２から矢印５０で表される方向に離れる。カーパッドモジュール（ＣＰＭ）２２を車の下に設置した場合、矢印５０の方向は、車から離れ、ＧＰＭ（図３には示されていない）に向かう方向に対応する。ＣＰＭ２２にアンテナ３４、３６を配置し、適切な放射パターンを有するアンテナを選択することの組み合わせにより、物体検出装置は、ＧＰＭ１２とＣＰＭ２２との間の磁場２０内の物体を「捉える」、すなわち、検出することができる。

図面の図４に示すように、別のカーパッドモジュール２２では、物体検出装置３０に関連する回路は、プリント回路基板（ＰＣＢ）４２の上方に配置されている（すなわち、車両側に配置された使用時）。アンテナ３４、３６は、ＰＣＢの下側に（図示のように、使用時には）再びグラウンドパッド（図示せず）に向かって矢印５０の方向に下向きに「捉えて」いる。

図３、図４および前述の説明を考慮すると、検出装置回路およびアンテナの配置は、技術的要件によって駆動される設計選択の問題であることが理解されるであろう。

現在、誘導充電システムは、グラウンドパッドモジュールとカーパッドモジュールを組み合わせたシステムとして顧客に提供されている。しかし、誘導充電システムの普及が進めば、この状況は変わってくるかもしれない。自動車メーカーが、カーパッドモジュールのみを供給し、グラウンドパッドは別会社が供給することになるかもしれない。その場合、自動車メーカーは、カーパッドモジュールをできるだけ軽量で安価なものにするよう指定するかもしれない。そうすると、ＩＣＳの素子がカーパッドからグラウンドパッドに移行することになる。

少なくともこれらの設計上の理由から、いくつかの誘導充電システムにおいて、物体検出装置３０をグラウンドパッド１２に、またはその中に配置することが必要である場合がある。これが行われる場合、アンテナ３４、３６は、典型的には、グラウンドパッド１２の上面の下、その中央に配置されるであろう。アンテナは、グラウンドパッド１２を通してカーパッド２２に向かって「下方向から捉える」ことになる。グラウンドパッド１２の表面上の物体を捉えることができることが望ましく、必要でさえあるかもしれない。これは、少なくともグラウンドパッドの表面上の半球内で、本質的に無指向性であるアンテナ放射パターンを必要となる。

同様に、重量と占有スペースの点からは望ましいが、システムによっては、物体検知信号の送信または受信、あるいはその両方に２つ以上のアンテナを使用することが必要な場合がある。ある車両のレイアウトには、「死角」、すなわち、物体検出アンテナの位置として最適な１つの位置からは捉えられない車両下部の領域または空間が含まれる場合がある。このような状況下では、送信および／または受信用の第２のアンテナが適切な解決策となる場合がある。

誘導充電システムは、システム１０の動作を制御するために、グラウンドパッドモジュール１２とカーパッドモジュール２２との間でデータを転送することを可能にする制御機器を含む。制御機器は、通常、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの既存の規格またはその組み合わせに準拠した無線リンクを含む。図３及び図４は、いずれも、物体検出装置３０と共に空間４４に配置されたＷｉ－Ｆｉユニット６０を示す。Ｗｉ－Ｆｉユニット６０は、グラウンドパッドにある同様のＷｉ－Ｆｉユニット（図示せず）と信号を送受信するための独自のアンテナ６２、６３を有する。

Ｗｉ－Ｆｉおよび物体検出装置をＩＣＳのパッドに設置する方法は多数ある。１つのアプローチは、図５に示され、物体検出装置３０とＷｉ－Ｆｉユニット６０を、それぞれが独自のアンテナ３６、６２を有する全く別の素子として扱う。物体検出装置３０は１つの周波数帯で動作し、無線制御リンク（Ｗｉ－Ｆｉユニット６０）は異なる周波数帯で動作するが、高調波または他のソースからの干渉を避けるために、物体検出装置３０およびＷｉ－Ｆｉ６０の各々にバンドパスフィルタ６６、６８を加えることが必要である場合がある。

この図５の配置では、無線リンクを可能にするためにさらなるアンテナが必要となり、ＩＣＳ１０に、さらなる重量とコストを加えることになる。図６と図７との配置は、この問題に対処するものである。

図６に示すように、単一のアンテナ７０は、物体検出装置３０とＷｉ－Ｆｉ素子６０の間で共有されてもよい。物体検出装置３０およびＷｉ－Ｆｉ素子６０の各々は、アンテナに結合される関連するフィルタ６６、６８を有する。フィルタ６６は、制御機器６０からの信号を遮断しながら、アンテナ７０と物体検出装置との間で物体検出信号を通過させる。フィルタ６８は、物体検出信号を遮断しながら、制御信号をアンテナ７０と制御機器６０との間で通過させる。

あるいは、図７に示すように、単一のアンテナ７０とＯＤ装置３０およびＷｉ－Ｆｉ素子６０との間にマルチプレクサ（Ｍ）７２を配置し、異なるタイミングでアンテナ７０へのアクセスを切り替えられるようにしてもよい。

理想的な世界では、物体検出装置のアンテナ３４から送信された信号とアンテナ３６で受信された信号の差は、磁場中の物体の存在を明確に表す。実際には、外部からの影響によって信号の差が生じるような様々な状況が存在する。もし、安全の側に焦点を当てすぎると、結果として、システムは、磁場が遮断されるか、安全なレベルまで低減される安全な動作モードに頻繁に入ることになる。また、誤報が発生した場合、ＩＣＳは想定された時間内にバッテリーを充電することができなくなる。

磁場中の物体の真の存在と誤検出とを区別できることが望ましいことは明らかである。これを実現する一つの方法は、既知の誤検出に対応する（または対応する可能性のある）信号の違いの定義を持つことである。

図２に戻り、物体検出装置３０では、送信信号の特性が基準となり、信号処理装置４０に入力される。これにより、物体検出装置３０は、その指向性内における物体の位置の変化を含む動き、すなわち、物体の侵入を検出することができる。送信機３２からは、送信信号そのもの、または送信信号の特性を表すデジタルデータが、信号処理装置４０に供給される。受信機３８は、同様に、信号または受信信号の特性のいずれかを信号処理装置４０に供給する。送信信号と受信信号との間に周波数および／または位相の差がある場合、プロセッサ４０は、任意のそのような差を出力δとして識別する。

図２の検出装置３０は、これらの外部事象に関連する動作特性を表すデータを保持するために使用される基準ストア７４を含む。動作特性は、外部事象によって引き起こされる変化に関連する波形を表すことができる。

検出装置の関連部品も図８に示されている。基準ストア７４は、基準信号または波形７６の特性を表すデータをライブラリとして保持する。各基準信号の特性（時間領域または周波数領域の場合もある）は、既知の動作条件下での受信信号の性質に対応する。

このように、基準ストア７４は、異なる事象に対して異なる波形を表すデータを保持することができる。人間が車に乗り込むと、比較的低周波で高振幅の波形が発生するかもしれないが、猫が車に飛び乗ると、短パルスの波形が発生するかもしれない。基準ストア７４は、プロセッサ４０が複数の異なる外部事象を識別できるように十分なデータを保持する。

外部事象による短期的な変化があると、プロセッサ４０は、受信機３８からの信号５８を表すデータを基準ストア７４のデータと比較する。信号５８，７４は同一でないかもしれないが、類似していることになる。プロセッサは、受信した信号５８の波形の特性を、基準波形７６の特性と比較する。受信波形と基準波形との間に実質的な等価性がある場合、プロセッサ４０は、差がない、またはほとんどない（例えば、δ＝０）という表示δ（デルタ）を出力する。２つの波形の間に差がある場合、プロセッサ４０は、値δ≠０を出力することにより、その差を示す。

実際には、受信機からの信号と基準ストア４７のデータによって表される信号には、当然ながらいくつかの違いがあることが理解されるであろう。それらの違いは、異なる動作条件や周囲の雑音に起因するものである。そのため、δの値が本当にゼロになることはない。しかし、受信信号と示された信号の間に実質的な等質性を決定することができるように、その値はゼロに十分に近いものとなる。

簡潔さのために、本明細書ではδ＝０の出力値が使用されるが、これは２つの信号が本質的に同じであることを示すためにゼロに十分に近いことを意味すると理解できる。同様に、式δ≠０は、ゼロでない任意の値を意味するものではない。受信信号波形の特性と基準波形７６の特性との間に等質性がないことを示す程度にゼロより実質的に大きいδ（デルタ）の値を意味するものである。

δ＝０の出力は、既知の活動、例えば、磁場に入る異物または生物によって変化が引き起こされる可能性があることを意味する。したがって、この値は、イベント、すなわち磁場に進入する異物または生体物体によって引き起こされる真正の表示である。したがって、ＩＣＳ１０は、磁場２０を遮断する必要があり、例えば、グラウンドパッド１２内のコイル１４に供給される電圧および電流をオフにするか、または大幅に減少させることによって、磁場２０を停止する。δ≠０の出力は、その変化が既知の活動でないことを意味し、誤検出である可能性が高い。ＩＣＳ１０が可動する必要はない。

誤検出を軽減するために、さらに対策がある。これらの対策は、単独で又は互いに組み合わせて、上述したエネルギー伝達（動作）パラメータの監視と組み合わせて使用する場合がある。誤検出を識別する目的で、信号は、動きまたは振動／ノイズとして特徴付けることができる。動きは、物体検出装置３０の指向性内にある物体に対応する。動きが検出された場合、磁場２０は遮断されるか、または少なくとも安全なレベルまで低減されることが望ましい。

高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する。信号をＦＦＴ変換すると、正の周波数成分（＋ｆ）と負の周波数成分（－ｆ）からなる周波数領域の信号が得られる（ここではｆ＝周波数）。正の周波数成分と負の周波数成分は、実数成分と虚数成分からなる複素数をＦＦＴで使用することに起因するものである。通常、負の周波数には正の周波数と同じ情報が含まれており、無視することができる。

単純な正弦波信号をＦＦＴ変換すると、＋ｆに正の周波数成分、－ｆに負の周波数成分からなる周波数領域の信号が得られる。比較として、楽器の演奏音は、音そのものとその倍音から構成されるため、より複雑なものとなる。ＦＦＴでは、音自体の周波数に加え、倍音の周波数にも複数の成分が発生する。周波数領域における音は、ｆ＝０の両側で＋ｆと－ｆの素子を持つことになる。

図面の図９（ａ）は、ｆ＝０における垂直線９４の両側の本質的に対称な－ｆ素子９１と＋ｆ素子９２からなる周波数領域信号を表すグラフ９０を示す。図９（ａ）のグラフは、単に説明の目的で提示されており、特定の信号または事象に対応するものでない。しかし、物体検出装置３０の受信機３８によって信号が受信されたときに捉えることができると予想される種類のグラフである。これは、送信機３２からの信号が、検出装置３０の指向性内の何かによって反射されたという情報を含んでいる。その信号を処理することで、その物に関するより多くの情報、例えば、動いているか静止しているかどうかが明らかになるかもしれない。

通信やレーダーなどのシステムでは、複素信号を用いて時間領域で情報を伝送することがある。これらの信号の複素成分は、同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分として知られている。これらはそれぞれ別の情報を送信するために使用される。レーダー受信機には、受信信号を複素数で表すことができるものがある。複素数形式は、本明細書で既に説明した実数成分と虚数成分を持つ矩形表記で示されることがある。複素信号は、代替的に、大きさおよび位相成分を有する極座標表記で示される場合もある。

この意味は、複素数表現には受信信号、つまり対象物に関するより多くの情報が含まれており、誤検出と真の事象の判断に利用できることである。時間領域で受信した複素信号を、例えばＦＦＴによって周波数領域で等価な信号に変換することで、その情報を抽出することができる。

複素数で表された信号を周波数領域に変換すると、検出された物体の位置や移動に関する情報を含む結果が得られる。正の周波数は、物体が検出器に向かって、つまり磁場に向かって移動していることを意味し、負の周波数は、物体がＧＰＭとＣＰＭの間の空間から、つまり磁場から遠ざかっていることを意味すると考えることができる。つまり、周波数領域での信号には、（左又は右の）利き手や片寄りがあることになる。

先に説明した図９（ａ）のグラフ９０は、利き手や片寄りを示していない。垂直線（ｆ＝０）９４の両側のプロットは、同一ではないにせよ、実質的に類似している。反射信号は、移動体からのものである。そして、信号が新しくない場合は、反射が静的なものからのものであることを示唆しており、誤検出である可能性が十分にある。

これに対し、図９（ｂ）、（ｃ）は、周波数領域において、（ｂ）右利き、（ｃ）左利きを示すグラフ９６、９８を示したものである。ここでいう「左」「右」は任意であり、グラフ（ｂ）のプロットが垂直線９４の右側にピークを持つことから「右」、グラフ（ｃ）のプロットが垂直線９４の左側にピークを持つことから「左」が選択されている。

図９（ｂ）、（ｃ）は、例えば、物体が物体検出装置３０に向かって、（ｂ）移動し、物体検出装置３０から（ｃ）離れることによって生じるような形態の信号（ｂ）、（ｃ）を表している。図９（ｂ）は、人が車に向かって歩くことによって生じる信号を表し、図９（ｃ）は、人が車を通り過ぎて歩き続け、車から遠ざかるときの信号を表すかもしれない。このように、対象は生きている人間や動物である場合があり、車に近づきすぎると、磁場にさらされる可能性がある。これは危険な状態であり、危険な状態になる可能性のある事象として信号を識別する必要がある。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各グラフにおいて、直線または曲線上の任意の位置は、特定の周波数で受信機３８によって受信された信号のエネルギーに関連する。したがって、各曲線の下の領域は、電力に関連している。曲線の下の領域は、したがって、何かエネルギー的なもの、例えば、動きやノイズに関連していることになる。物体検出は、アンテナ３６および受信機３８においては、動いている物体、（真陽性）を感知し、他のエネルギー源（誤検出）を無視するという関係性がある（図２参照）。

図９の周波数領域では、動きは高さが低く、そのため小さな領域をカバーする曲線を生成する傾向があり、一方、誤検出は大きな領域をカバーする大きな振幅のプロットを生成する傾向がある。

ノイズはランダムであり、時間の経過とともに打ち消される傾向がある。エネルギー（曲線の下の領域で表される）が所定のしきい値より小さい場合、検出は行われない。曲線下の面積が所定のしきい値より大きい場合、検出された活動は、動きの実際の検出として識別されるか、または誤検出、すなわち、物体検出装置の指向性内の生物または無生物の動きとは無関係であるかのいずれかである。

もちろん、物体検出ユニットで受信した反射がない場合、受信機はｎｕｌｌ（ヌル）信号を出力し、周波数領域で対応するｎｕｌｌが生じる。このｎｕｌｌはゼロではなく、ノイズの要素、すなわちノイズフロアが存在する可能性がある。

図２に簡単に戻ると、プロセッサ４０は、検出された事象と誤検出とを区別するために、周波数領域における領域を決定する信号を処理する。信号の利き手を識別することにより、プロセッサに危険状態に対応する信号（δ）を出力する。ＩＣＳ１０は、危険が解消されるまで、磁場の発生を停止するか、少なくとも磁場を安全なレベルまで低下させることによって、物体検出装置３０に応答するように手配されている。

図９（ａ）のグラフのように、左右が実質的に等しい場合、その信号は物体によるものではない可能性があり、誤検出である可能性があることを示している。誤検出の場合は、プロセッサ４０は、物体の危険がないことを示す信号を出力する。明白に、危険がない場合、ＩＣＳ１０は危険に関連する行動をとらず、磁場２０を発生させ続けて電力を伝達し、その結果、車両内のバッテリー２８を充電する。

図１０に示す２つの時間領域信号１００、１０２は、プロセッサ４０によって、周波数領域における等価な信号１０４、１０６に変換される。これは、時間領域から周波数領域へ変換するための周知の技術のいずれか、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて行うことができる。いずれの場合も、周波数領域の信号は、図９（ｃ）のように、ゼロ（ｆ＝０）の両側に素子を持つ。これは誤検出の兆候である。

このように受信信号を周波数領域で捉えることで、複数の物体を検出することも可能になる。複数の物体が実質的に同時に受信機の指向性に入る可能性があるため、これは明らかに有利なことである。さらに、多くの状況において、複数の物体の動きは、車両の一部または車両が駐車している地面の振動の形態での動きに関連する可能性がある。振動を検出することにより、誤検出の可能性を低減し、物体検出装置の精度に対する信頼性を向上させることができる。

自動車（およびその他の乗り物）は、基本的に一体の構造物である。車の部品は、振動しているときなど限られた状況下以外では、独立して動くことができない。振動は、外部からの刺激、例えば、充電されている車の前を重い車両が走ったり、何かが車体に当たったりすることによって引き起こされる。したがって、物体検出装置３０による振動の検出は、誤検出となる。

このように動く物体はそれぞれ特徴的な周波数を持っているため、振動は通常広い周波数スペクトルを示すので、振動に関連する動きを検出することができる。車のさまざまな部分が動いているのが捉えられたら、その信号は振動に関連した活動である可能性が高く、送電磁場に入った物体によるものではない。

図１１において、信号１１０は、移動の振幅とその距離の両方を表す。この信号１１０は、受信した信号をプロセッサ４０によりＦＦＴなどの周知の手法で処理し、周波数領域相当の信号を生成することによって得られる。図１１は、物体検出装置３０が車両の下にある異なる部品を検出する状況の例であり、これらの部品は、正と負の位置値によって表される異なる速度と異なる方向で移動すると検出される。したがって、この周波数領域の信号の組み合わせは、誤検出を意味する。安全上のリスクはなく、ＷＥＶＣシステムは、磁場を介したエネルギーの伝達を停止する必要はない。

図１２に示すように、ＦＦＴの別の結果は、単一の周波数または狭い帯域の周波数、および単一または狭い範囲の距離に対応するスパイク１１６を生成することである場合もある。図１２はカーパッドモジュールから所定の速度で十分に定められた距離を移動する物体を識別することができ、したがって、磁場中の物体にとって潜在的な危険性を示す状況を表している。誘導充電システム１０は、磁場２０を遮断するか、少なくとも安全なレベルまで減少させることによって対応するように手配されるべきである。

誘導充電システムが起動すると、コイルに電流が流れ、磁場が形成され、バッテリーにエネルギーが供給されるため、動作パラメータが比較的速く変化する最初の期間がある。この最初の変化の後、ＩＣＳは実質的に安定した状態に落ち着く。「実質的に」というのは、バッテリーが充電されると動作条件が変化するためだ。簡単に言えば、バッテリーの充電量が多ければ多いほど、バッテリーを充電するために必要な電圧と電流は大きくなる。

このような動作変化は、数分から数時間かけて徐々に起こるものである。これに対し、危険な事象、例えば、人が車の下に足や手を入れて磁場の中に入ってしまったり、コインがグラウンドパッドの上に落ちてしまったりすることは、突然起こる。一方、振動は誤検出である可能性が高く、問題はない。振動は危険な状況を示すものではなく、充電は中断されることなく開始または継続することができる。

乗客が車両に乗り降りする際、グラウンドパッドに対する車両パッドの位置、ひいては地面の位置が急激に変化することがある。このような外的事象が発生すると、数秒のうちに動作が急変することがある。２つのパッド間の相対位置の変化は、誘導充電システムの動作特性に即座に影響を及ぼす。特に、電圧と電流が上昇または下降し、伝達効率ηが変化する。この動作特性の変化は測定可能である。

しかも、伝達効率ηの変化の仕方は再現性がある。効率をグラフの線で表すと、人が乗り込んだり、動物が飛び込んだりしても、線の形は同じになる。検出された変化を動作特性の既知の変化と比較することは、誤検出、すなわち危険な状況に対応しない事象を減少させるのに役立つ。したがって、プロセッサ４０は、単独で又はＩＣＳ１０内の他の制御回路（図示せず）と組み合わせて、地面に対する車両の高さの変化（誤検出）及び磁場内又は近傍の物体（真陽性／事象）などの事象に対応する変化に応じて物体の検出を緩和することが可能である。

誘導充電システムのための物体検出装置および物体検出装置を含む誘導充電システムを参照して本発明を説明したが、これらは例示として説明しただけであり、適切な知識および技術を有する者が思いつくような変更およびバリエーションは、添付の請求項およびその等価物に規定された本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができると理解されたい。

Claims (20)

1. 信号を送信するための送信機と、
   指向性内の送信信号の反射を受信するための磁場の多くの部分を含む指向性を有する受信機と、
   受信した反射信号の特性を調べ、磁場に関連する危険な状態を特定する信号処理装置と、
   を備えた磁場を介してエネルギーが伝達される誘導充電システムのための物体検出装置。
2. 前記信号処理装置は、受信信号を等価な周波数領域信号に変換し、前記周波数領域信号を調べて危険状態を識別するように動作可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記信号処理装置は、危険状態を識別するために、前記周波数領域信号における利き手を決定するように動作可能である請求項２に記載の装置。
4. 前記信号処理装置は、前記周波数領域信号の利き手に応じて、前記磁場内の物体の位置及び／又は移動方向を決定するように動作可能である、請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記受信信号は、波形を含み、かつ、
   前記信号処理装置は、前記受信信号の波形の特性を表すデータを基準波形の特性と比較し、受信波形と前記基準波形との間の等価性に応じて危険状態を識別するように動作可能である、基準波形の特性を表すデータを保持するための基準ストアをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記基準特性は、前記送信信号の特性からなる、請求項５に記載の装置。
7. 前記特性は、送信信号および受信信号のそれぞれの周波数および／または位相からなる、請求項５又は６に記載の装置。
8. 前記基準特性は、磁場エネルギー伝達に関連する動作特性に関連する、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記基準特性は、エネルギー伝達効率に関連する、請求項８に記載の装置。
10. 前記基準特性は、磁場エネルギー伝達に関連する電圧信号および／または電流信号によって決定される、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記信号処理装置は、地面に対する車両の高さの変化に対応する変化に応じて、物体の検出を緩和するように動作可能である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 磁場を発生させるためのコイルと電源に結合可能な駆動回路を含むグラウンドパッドモジュールと、
    磁場からエネルギーを受け取るためのコイルと、車両内のバッテリーに電力を供給するために結合可能な駆動回路とを含むカーパッドモジュールと、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の物体検出装置と、
    を備える誘導充電システム。
13. 前記グラウンドパッドモジュールと前記カーパッドモジュールとの間に、その操作に関するデータを転送するための無線データリンクをさらに備え、この無線データリンクは、前記グラウンドパッドモジュールに関連するアンテナと前記カーパッドモジュールに関連するアンテナとを備え、
    前記物体検出装置が、前記グラウンドパッドモジュールまたは前記カーパッドモジュールに関連するアンテナのうちの１つまたは他のものに結合される、
    請求項１２に記載の誘導充電システム。
14. 前記物体検出装置と無線リンクは、前記物体検出装置と前記無線データリンクとの間で前記アンテナへのアクセスを切り替えるように動作可能なマルチプレクサを介して前記アンテナに結合されている、請求項１３に記載の誘導型充電システム。
15. 前記物体検出装置は、第１の周波数で動作可能であって、
    前記無線データリンクは、第２の異なる周波数で動作可能であり、かつ、
    前記物体検出装置および無線リンクは、前記第１及び第２の周波数にそれぞれ関連するそれぞれのフィルタを介して前記アンテナに結合され、
    を特徴とする請求項１３に記載の誘導型充電システム。
16. 前記物体検出装置は、前記カーパッドモジュール内のアンテナに結合され、かつ、
    前記アンテナは、前記グラウンドパッドモジュールと前記カーパッドモジュールとの間の空間の体積を含む指向性を有する、
    請求項１３から１５のいずれか１項に記載の誘導充電システム。
17. 信号を送信すること、
    磁場内からの送信信号の反射を受信すること、及び、
    受信した反射信号の特性を調べ、磁場に関連する危険な状態を識別することを備えた、
    磁場を介してエネルギーが伝達される誘導充電システムのための物体検出装置において危険状態を検出する方法。
18. 受信した信号を等価な周波数領域信号に変換すること、及び、
    前記周波数領域信号を調べて、危険状態を識別すること、
    をさらに備えた、請求項１７に記載の方法。
19. 危険状態を識別するために、周波数領域信号における利き手を決定することをさらに備えた、請求項１８に記載の方法。
20. 前記周波数領域信号の利き手に応じて、磁場中の物体の位置及び／又は移動方向を決定することを更に備えた、請求項１８または１９に記載の方法。
    

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