[論文レビュー] Wireless Power Transfer for High-precision Position Detection of Railroad Vehicles

Hyun-Gyu Ryu, Dongsoo Har|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Wireless Power Transfer Systems参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、レールの枕木に埋め込まれた受動型RFID類似タグを用いて鉄道車両における高精度な位置検出を実現する無線電力伝送（WPT）システムを提案する。磁気誘導とフェリットを用いた磁界ビーム形成を活用することで、車両およびレール内の鉄磁性材料による干渉に対しても、リーダーのコイルから数ワットの送信電力で信頼性の高いタグ動作を実現する高効率な電力伝送を実現する。

ABSTRACT

Detection of vehicle position is critical for successful operation of intelligent transportation system. In case of railroad transportation systems, position information of railroad vehicles can be detected by GPS, track circuits, and so on. In this paper, position detection based on tags onto sleepers of the track is investigated. Position information stored in the tags is read by a reader placed at the bottom of running railroad vehicle. Due to limited capacity of battery or its alternative in the tags, power required for transmission of position information to the reader is harvested by the tags from the power wirelessly transferred from the reader. Basic mechanism in wireless power transfer is magnetic induction and power transfer efficiency according to the relative location of the reader to a tag is discussed with simulation results. Since power transfer efficiency is significantly affected by the ferromagnetic material (steel) at the bottom of the railroad vehicle and the track, magnetic beam shaping by ferrite material is carried out. With the ferrite material for magnetic beam shaping, degradation of power transfer efficiency due to the steel is substantially reduced. Based on the experimental results, successful wireless power transfer to the tag coil is possible when transmitted power from the reader coil is close to a few watts.

研究の動機と目的

• 鉄道車両における高精度な位置検出を、レールの枕木に埋め込まれた受動型タグを用いて実現すること。
• リーダーからの電力収集により、タグのバッテリー寿命の制限を克服すること。
• 車両およびレール構造に含まれる鉄磁性材料（鉄）による電力伝送効率の低下を緩和すること。
• フェリット材料を用いた磁界ビーム形成により、電力伝送効率を最適化すること。
• 実用的な電力レベルでシステムの実現可能性を実験的に検証すること。

提案手法

• 列車に搭載されたリーダーコイルと、レールの枕木に埋め込まれたタグコイルとの間で、磁気誘導を用いて無線電力伝送を実施する。
• フェリット材料を用いて磁界を形成し、周囲の鋼鉄部品からのフラックス漏れや干渉を低減する。
• シミュレーションを用いて、リーダーコイルとタグコイルの相対的位置に応じた電力伝送効率を分析する。
• リーダーコイルからの数ワットの送信電力を持つプロトタイプシステムを設計・試作する。
• 鋼鉄構造物を含む実環境下で、タグコイルでの受信電力を測定し、性能を評価する。
• 実験結果により、システムの妥当性を検証する。実用的電力レベルで電力収集に成功したことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 列車およびレールに存在する鉄磁性材料が、無線電力伝送効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 フェリットを用いた磁界ビーム形成は、鉄部品による効率低下を効果的に緩和できるか？
• RQ3 リーダーからのどの程度の送信電力が、本システムにおける受動型タグの信頼性ある動作を可能にするか？
• RQ4 リーダーコイルとタグコイルの相対的位置が、電力伝送効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 実際の鉄道環境において、受動型位置検出タグを駆動するための無線電力伝送は実現可能か？

主な発見

• フェリットを用いた磁界ビーム形成により、列車およびレール内の鉄磁性材料による電力伝送効率の低下が顕著に低減される。
• リーダーが数ワットの電力を送信する場合でも、タグの信頼性ある動作に十分な電力伝送効率が維持される。
• シミュレーションおよび実験結果から、本システムは現実的な条件下でも安定的かつ十分な電力供給を受動型タグに実現していることが確認された。
• 本システムにより、タグのバッテリー交換を必要とせずに、継続的かつ高精度な位置検出が可能になる。
• 実験的に、実用的電力レベルで無線電力伝送が成功したことが確認され、本手法の実鉄道応用における実現可能性が裏付けられた。