JP2015502729A - 無線エネルギー伝送モデリングツール - Google Patents

無線エネルギー伝送モデリングツール Download PDF

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Abstract

本方法は、システムを構成するソース共振器及びデバイス共振器の１以上の属性を定義し格納するステップ、前記ソース共振器と前記デバイス共振器との間の相互作用を定義し格納するステップ、１以上のモデル化値を導出するために前記システムの電磁性能をモデル化するステップ、及びインピーダンス整合回路網を設計するために前記導出した１以上のモデル化値を利用するステップを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６１／５５５，９４１号の利益を主張するものである。
先行出願の各々は参照することによりそっくりそのまま本出願に組み込まれる。
本発明は、無線エネルギー伝送、このような伝送を達成する方法、システム及びデバイス、及びその応用に関する。
あるエリアに亘ってエネルギーを移動するデバイス又はしばしば位置を変えるデバイスに有線接続で分配することは非実用的である。移動する及び位置を変えるデバイスは配線のもつれや切断の危険等を生じる可能性がある。デバイスが存在するエリア又は領域がデバイスのサイズに比較して大きいとき、大きなエリアに亘る無線エネルギー伝送は困難になり得る。ソース（エネルギー源又は電力源）及びデバイスの無線エネルギー捕捉モジュールにおける大きな不整合は、デバイスへの十分高い効率での十分なエネルギーの供給に問題をもたらし、またデプロイを困難にする。
それゆえ、ワイヤフリーであるが容易にデプロイ及び設定が可能であるとともに多くの家庭用及び工業用デバイスを給電するために十分な電力を供給することができるエネルギー分配方法及び設計の必要がある。
パッケージング応用においては、大きなエリアに亘って無線エネルギーを分配するために共振器及び共振器アセンブリを配置することができる。使用可能な無線エネルギー伝送共振器及びコンポーネントが、２０１０年９月２３日に米国特許公開第２０１０／０２３７７０９号として公開された、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER」と題する、共同所有されている米国特許出願第１２／７８９，６１１号、及び２０１０年７月２２日に米国特許公開第２０１０／０１８１８４３号として公開された、「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR RIFRIGERATOR APPLICATION」と題する、米国特許出願第１２／７２２，０５０号に記載されており、それらの全内容は、参照することにより、まるで本明細書に完全に記載されているかのように本明細書に組み込まれるものとする。
模範的で非限定的な実施形態によれば、方法が提供され、該方法は、システムを構成するソース共振器及びデバイス共振器の属性を定義し格納するステップ、前記ソース共振器と前記デバイス共振器との間の相互作用を定義し格納するステップ、１以上のモデル化値を導出するために前記システムの電磁性能をモデル化するステップ、及びインピーダンス整合回路網を設計するために前記導出した１以上のモデル化値を利用するステップを備えることを特徴とする。
別の模範的な非限定的実施形態によれば、非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体が提供され、該コンピュータ読み取り可能媒体は、システムを構成するソース共振器及びデバイス共振器の属性を定義するステップ、前記ソース共振器と前記デバイス共振器との間の相互作用を定義するステップ、１以上のモデル化値を導出するために前記システムの電磁性能をモデル化するステップ、及びインピーダンス整合ネットワークを設計するために前記導出した１以上のモデル化値を利用するステップをコンピュータに実行させる一連の命令を含むことを特徴とする。
特に指示がない限り、本開示では無線エネルギー伝送、無線電力伝送、無線電力伝達などの用語を互換可能に使用している。当業者であれば、本出願に記載される広範囲の無線システム設計及び機能性によって様々なシステムアーキテクチャをサポートすることができることが理解されよう。
本開示は、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、変成器、スイッチなどの個別の回路コンポーネント及び要素について、回路網としてのこれらの要素の組合せ、トポロジ、回路等について、及び対象物全体に分布した（又は集中とは対照的に部分的に分布した）容量又はインダクタンスを有する「自己共振」などの固有の特性を有する対象物について言及する。当業者であれば、回路又は回路網内の可変コンポーネントを調整及び制御することによってその回路又は回路網の性能を調整できること及びそれらの調整は、チューニング、調整、整合、補正などとして一般的に記述することができることは理解されよう。無線電力伝送システムの動作点を調節又は調整する他の方法を単独で、又はインダクタ及びキャパシタ又はインダクタ及びキャパシタのバンク等の調節可能なコンポーネントの調整に加えて使用することもできる。当業者であれば、本開示で検討される特定のトポロジは様々な他の方法で実施することができることは理解されよう。
特に断りのない限り、ここで使用するすべての技術的及び科学的用語は当業者に一般的に理解されている意味を有する。刊行物、特許出願、特許及び本開示に記述される又は参照により組み込まれる他の引用文献と矛盾する場合には、本明細書は定義を含んで規制されている。
上述した特徴のいずれも本開示の範囲から逸脱することなく単独で又は組み合わせて使用することができる。ここに開示されるシステム及び方法の他の特徴、目的及び利点は以下の詳細な説明及び図から明らかになる。
無線エネルギー伝送構成のシステムブロック図である。 ２Ａ−２Ｆは、簡単な共振器構造の模範的な構造及び回路図である。 シングルエンデッド増幅器を備える無線源のブロック図である。 差動増幅器を備える無線源のブロック図である。 Ａ〜Ｂは、検知回路のブロック図である。 Ａ〜Ｃは、無線源のブロック図である。 増幅器のパラメータへのデューティサイクルの影響を示す曲線である。 スイッチング増幅器を備える無線電力源の簡略回路図である。 無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。 無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。 Ａ〜Ｄは、無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。 無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。 スイッチング増幅器及び無線電力装置を有する無線電力源を備えた無線エネルギー伝送システムの簡略回路図である。 無線電力源のパラメータの変化の影響を示す曲線である。 磁気材料のタイル間の不規則な間隔に起因して生じ得る不均一な磁界分布を示す共振器の図である。 磁気材料のブロック内のタイルが磁気材料ブロック内のホットスポットを減少するように配置された共振器である。 図１７Ａは小さな個別のタイルよりなる磁気材料のブロックを有する共振器であり、図１７Ｂ及び１７Ｃは温度管理に使用される熱伝導性材料の追加のストリップを有する共振器である。 複数エネルギー源システムにおける通信及びエネルギー伝送のブロック図である。 Ａ〜Ｂは、エネルギーを確認する方法を示す図である。 幾つかの共振器が組み込まれた太陽ＰＶパネルを示す図である。 ケーブルで取り付けられた外部共振器を有する太陽ＰＶパネルを示す図である。 無線電力伝送部を備えた太陽ＰＶパネルを有する車両を示す図である。 日傘の下のデバイスに電力を供給し得る無線電力共振器を備えた太陽ＰＶパネルを上面に有する日傘を示す図である。 無線デバイス伝送部を備えた太陽ＰＶパネルの一実施形態を示す図である。 個別の共振器を備えた屋上太陽ＰＶパネルシステムを示す図である。 パネル間無線電力伝送部を備えた屋上太陽ＰＶパネルシステムを示す図である。 幾つかの太陽ＰＶパネルから１つの共振器へ電力を無線で伝送する接続ストリップを備えた屋上太陽ＰＶパネルシステムを示す図である。 図２８Ａは直列接続のＰＶパネルの回路モデルを示す。 図２８Ｂは典型的なＰＶパネルの動作特性を示す。 ＰＶパネルアレイの電圧対電流のプロット曲線を示す。 ＰＶパネルの抵抗及び電流特性を示す。 Ａ〜Ｃは、ＰＶパネルに適合した無線エネルギー伝送システムのブロック線図を示す。 結合された複数のパネルの出力を示す図である。 ＰＶパネルを備えた無線エネルギー伝送システムを示す図である。 ＰＶパネルを備えた無線エネルギー伝送システム用の増幅器を示す図である。 増幅器の動作中の電圧及び電流を示す図である。 増幅器の動作中の電圧及び電流を示す図である。 無線源のインピーダンスの特性を示す。 Ａ〜Ｂは、無線源のインピーダンスの特性を示す。 ＰＶセルを備えた無線エネルギー伝送源を示す。 ＰＶパネルとともに使用する無線エネルギー伝送源を調整する手順を示す。 ＰＶパネルを備えた無線エネルギー伝送システムを示す図である。 ＰＶパネルを備えた無線エネルギー伝送システムを示す図である。 無線エネルギー伝送で使用可能にされるパッケージを示す図である。 無線エネルギー伝送で使用可能にされるパッケージを示す図である。 無線エネルギー伝送で使用可能にされるパッケージを示す図である。 離調パッチを備えた無線エネルギー伝送で使用可能にされるパッケージを示す図である。 無線エネルギー伝送で使用可能にされるパッケージを示す図である。 模範的で非限定的な実施形態による方法のフローチャートである。 模範的で非限定的な実施形態によるソースコイル設計パラメータ入力用のユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるソースコイル設計選択用のユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるデバイスコイル設計パラメータ入力用のユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるソースコイル及びデバイスコイル位置パラメータ入力用のユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるエラーメッセージの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるエラーメッセージの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるエラーメッセージの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態による方法のフローチャートである。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態によるユーザインタフェースの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態による典型的なシステムの説明図である。 模範的で非限定的な実施形態による方法のフローチャートである。
前述のとおり、本開示は、結合電磁共振器を使用した無線エネルギー伝送に関連する。しかし、かかるエネルギー伝送は、電磁共振器に限定されず、本明細書に記載の無線エネルギー伝送システムは、もっと一般的で、幅広い種類の共振器および共振物を用いて実施され得る。
当業者に認識されるように、共振器ベースの電力伝送に対する重要な考慮事項として、共振器効率および共振器結合がある。例えば、結合モード理論（ＣＭＴ：ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅ ｔｈｅｏｒｙ）、結合係数および因子、品質係数（Ｑ係数とも呼ばれる）、およびインピーダンス整合など、かかる問題の広範囲にわたる議論が、例えば、２０１０年９月２３日に米国特許２０１００２３７７０９としてとして公開された、「ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＡＲＲＡＹＳ ＦＯＲ ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＥＮＥＲＧＹ ＴＲＡＮＳＦＥＲ」という名称の米国特許出願第１２／７８９，６１１号、および２０１０年７月２２日に米国特許２０１００１８１８４３として公開された、「ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＥＮＥＲＧＹ ＴＲＡＮＳＦＥＲ ＦＯＲ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＯＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許出願第１２／７２２，０５０号で提供されており、それらの全内容は、参照することにより、まるで本明細書に完全に記載されているかのように本明細書に組み込まれるものとする。
「共振器」は、エネルギーを少なくとも２つの異なる形態で保存できる共振構造として定義することができ、保存されたエネルギーは２つの形態の間で振動する。共振構造は、共振（モード）周波数ｆおよび共振（モード）電磁場をもつ特定の振動モードを有する。角共振周波数ωは、ω＝２πｆと定義され、共振周期Ｔは、Ｔ＝１／ｆ＝２π／ωと定義され、かつ、共振波長λは、λ＝ｃ／ｆと定義され、ここで、ｃは、関連電磁波（電磁共振器に対しては、光）の速度である。損失機構、結合機構または外部エネルギー供給もしくは排出機構がない場合は、共振器によって保存されるエネルギーの総量Ｗは一定のままであるが、エネルギーの形態は共振器でサポートされる２つの形態の間で振動し、その場合、一方の形態が最大のとき、他方の形態が最小であり、逆もまた同様である。
例えば、共振器は、保存されるエネルギーの２つの形態が磁気エネルギーおよび電気エネルギーとなるように構成し得る。さらに、共振器は、電場によって保存される電気エネルギーは主として構造内に閉じ込められるが、磁場によって保存される磁気エネルギーは主として共振器の周りの領域に存在するように構成し得る。言い換えれば、総電気エネルギーおよび磁気エネルギーは等しいが、それらの局在化は異なる。かかる構造を使用すると、少なくとも２つの構造の間でのエネルギー交換が、少なくとも２つの共振器の共振磁気近接場によって仲介され得る。これらのタイプの共振器は、「磁気共振器」と呼ばれ得る。
無線電力伝送システムで使用される共振器の重要なパラメータは、共振器の「品質係数」、または「Ｑ係数」、または「Ｑ」であり、これは、エネルギー減衰を特徴づけ、共振器のエネルギー損失に反比例し、Ｑ＝ω＊Ｗ／Ｐと定義される。ここで、Ｐは、定常状態で失われる時間平均電力である。すなわち、高Ｑをもつ共振器は比較的低い固有損失を有し、比較的長い間、エネルギーを保存することができる。共振器は、その固有の減衰率２Γでエネルギーを失うため、そのＱ（固有のＱとも呼ばれる）は、Ｑ＝ω／２Γによって与えられる。品質係数は、振動周期Ｔの数も表し、共振器内のエネルギーがe−２πだけ減衰するのにかかる時間である。共振器の品質係数または固有の品質係数またはＱは、固有の損失機構のみに起因することに留意されたい。発電機ｇまたは負荷ｌに接続または結合された共振器のＱは、「負荷品質係数または「負荷Ｑ」と呼ばれ得る。エネルギー伝送システムの一部にすることを意図していない外部物体の存在下での共振器のＱは、「摂動品質係数」または「摂動Ｑ」と呼ばれる。
それらの近接場の任意の部分を介して結合されている共振器は、相互に作用し、エネルギーを交換し得る。このエネルギー伝達の効率は、共振器が実質的に同一の共振周波数で動作する場合、著しく向上し得る。限定としてではなく一例として、Ｑｓをもつソース共振器、およびＱｄをもつデバイス共振器を仮定する。高Ｑ無線エネルギー伝送システムは、高Ｑである共振器を利用し得る。各共振器のＱは、高い可能性がある。共振器Ｑの幾何平均
も高いかもしれず、またはそれどころか高い。
「結合係数」ｋは、
の間の数であり、ソースおよびデバイス共振器がサブ波長の距離に置かれている場合、それらの共振周波数と無関係（または、ほとんど無関係）であり得る。むしろ、結合係数ｋは、ソース共振器とデバイス共振器との間の相対的配置および距離によってほとんど決定され、それらの結合を仲介する電磁場の物理的な減衰の法則が考慮に入れられる。ＣＭＴで使用される結合係数
は、共振器構造の他の特性と同様に、共振周波数の強関数であり得る。共振器の近接場を利用する無線エネルギー伝達の適用例では、放熱によって失われる電力を減少できるように、共振器のサイズを共振波長よりもずっと小さくすることが望ましい。いくつかの実施形態では、高Ｑ共振器は、サブ波長構造である。いくつかの電磁実施形態では、高Ｑ共振器構造は、１００ｋＨｚよりも高い共振周波数を有するように設計される。他の実施形態では、共振周波数は、１ＧＨｚ以下にし得る。
例示的な実施形態では、これらのサブ波長共振器により遠距離場に放射される電力は、共振器の共振周波数およびシステムの動作周波数を低下させることによってさらに減少され得る。他の実施形態では、遠距離場の放射は、２つ以上の共振器の遠距離場を遠距離場内で破壊的に干渉するように配置することによって減少させ得る。
無線エネルギー伝送システムでは、共振器は、無線エネルギー源、無線エネルギー捕捉デバイス、中継器またはそれらの組み合わせとして使用され得る。実施形態では、共振器は、エネルギーの伝達、エネルギーの受信またはエネルギーの中継を交互に行い得る。無線エネルギー伝達システムでは、振動近接磁場を生成するために、１つ以上の磁気共振器がエネルギー源に結合され、附勢され得る。振動近接磁場内にある他の共振器は、これらの磁場を捕捉し、そのエネルギーを負荷に電力供給または充電するために使用し得る電気エネルギーに変換し、それによって有用なエネルギーの無線伝達を可能にする。
有用なエネルギー交換におけるいわゆる「有用な」エネルギーは、許容可能なレートでデバイスを給電または充電するためにデバイスに供給する必要のあるエネルギーまたは電力である。有用なエネルギー交換に対応する伝達効率はシステムまたは用途に依存する。例えば、何キロワットもの電力を伝送する高電力車両充電の用途では、伝達システムの様々なコンポーネントを著しく加熱することなく、車両バッテリーを再充電するのに十分な有用なエネルギー交換を生じる有用な量の電力を供給するために、少なくとも８０％の効率にする必要があり得る。いくつかの家庭用電化製品の用途では、有用なエネルギー交換は、１０％を超える任意のエネルギー伝達効率、または充電可能バッテリーを「満タン」に維持し、長時間動作を維持するために許容可能な他の任意の量を含み得る。埋め込まれた医療機器の用途では、有用なエネルギー交換は、患者に害を与えないが、バッテリーの寿命を延ばすもの、またはセンサもしくはモニターもしくは刺激装置を目覚めさせるものとし得る。かかる適用例では、１００ｍＷまたはそれ以下の電力が有用であり得る。分散センシングの用途では、マイクロワットの電力伝送が有用であり、伝送効率は１％を大きく下回っていてもよい。
電力供給または再充電用途における無線エネルギー伝達のための有用なエネルギー交換は、浪費されるエネルギーレベル、熱放散、および関連する場の強度が許容限度内であり、且つ費用、重量、サイズなどの関連要因と適切にバランスが取れている限り、効率的、又は非常に効率的、または十分に効率的にすることができる。
共振器は、ソース共振器、デバイス共振器、第１の共振器、第２の共振器、中継器共振器などと呼ばれ得る。実施態様は、３つ以上の共振器を含み得る。例えば、単一のソース共振器は、エネルギーを複数のデバイス共振器または複数のデバイスに伝達し得る。エネルギーは、第１のデバイスから第２のデバイスへ、次いで、第２のデバイスから第３のデバイスへ、などと伝達され得る。複数のソースは、エネルギーを単一のデバイス、または単一のデバイス共振器に接続された複数のデバイス、または複数のデバイス共振器に接続された複数のデバイスに伝達し得る。共振器は、交互にまたは同時に、ソース、デバイスとして機能することができ、かつ／または共振器は、ある位置のソースから別の位置のデバイスに電力を中継するために使用することができる。中間の電磁共振器は、無線エネルギー伝達システムの距離範囲を拡張するため、および／または集中近接磁場の領域を生成するために使用され得る。複数の共振器はデイジーチェーン接続して、延長された距離を渡り、広範なソースおよびデバイスでエネルギーを交換することができる。例えば、ソース共振器は、いくつかの中継器共振器を介して、電力をデバイス共振器に伝送し得る。ソースからのエネルギーは、第１の中継器共振器に伝達され、第１の中継器共振器は、電力を第２の中継器共振器に伝送し、そして、第２の中継器共振器は第３の中継器共振器に、といった具合に、最後の中継器共振器がそのエネルギーをデバイス共振器に伝達するまで伝達し得る。この点において、無線エネルギー伝達の範囲および距離は、中継器共振器を追加することにより、延長および／または調整し得る。高電力レベルは、複数のソースの間で分割され、複数のデバイスに伝送され、遠く離れた場所で再結合され得る。
共振器は、結合モード理論モデル、回路モデル、電磁場モデルなどを使用して設計され得る。共振器は、調節可能な特性サイズを有するように設計され得る。共振器は、異なる電力レベルを処理するように設計され得る。例示的な実施形態では、高電力共振器は、低電力共振器より大きな導体および高い電流または電圧の定格コンポーネントを必要とし得る。
図１は、無線エネルギー伝達システムの例示的な構成および配置の概略図を示す。無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源１０２および必要に応じセンサおよび制御装置１０８に結合された、少なくとも１つのソース共振器（Ｒ１）１０４（必要に応じＲ６、１１２）を含み得る。エネルギー源は、ソース共振器１０４を駆動するために使用し得る電気エネルギーに変換できる、任意のタイプのエネルギー源であり得る。エネルギー源は、バッテリー、太陽電池パネル、電気幹線、風力または水力タービン、電磁共振器、発電機などであり得る。磁気共振器の駆動に使用される電気エネルギーは、共振器によって振動磁場に変換される。振動磁場は、必要に応じエネルギードレイン１１０に結合されるデバイス共振器（Ｒ２）１０６、（Ｒ３）１１６であり得る他の共振器によって捕捉され得る。振動磁場は、無線エネルギー伝達領域を延長または調整するように構成された中継器共振器（Ｒ４、Ｒ５）に必要に応じ結合される。デバイス共振器は、ソース共振器、中継器共振器および他のデバイス共振器の近傍の磁場を捕捉し、それらを、エネルギードレインで使用し得る電気エネルギーに変換し得る。エネルギードレイン１１０は、電気エネルギーを受信するように構成された、電気、電子、機械または化学デバイスなどであり得る。中継器共振器は、ソース、デバイスおよび中継器共振器の近傍の磁場を捕捉し、そのエネルギーを他の共振器に渡し得る。
無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源１０２に結合された単一のソース共振器１０４およびエネルギードレイン１１０に結合された単一のデバイス共振器１０６を含み得る。実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、１つまたは複数のエネルギー源に結合された複数のソース共振器を含み、１つまたは複数のエネルギードレインに結合された複数のデバイス共振器を含み得る。
実施形態では、エネルギーは、ソース共振器１０４とデバイス共振器１０６との間で直接伝達され得る。他の実施形態では、エネルギーは、１つ以上のソース共振器１０４、１１２から１つ以上のデバイス共振器１０６、１１６へ、デバイス共振器、ソース共振器、中継器共振器などの任意の数の中間共振器を介して、伝達し得る。エネルギーは、トークンリング、メッシュ、アドホックなどのトポロジの任意の組み合わせで配列されたサブ回路網１１８，１２０を含み得る共振器の回路網又は配列１１４を介して、伝達し得る。
実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、集中型の検出および制御システム１０８を含み得る。実施形態では、共振器のパラメータ、エネルギー源、エネルギードレイン、回路網トポロジ、動作パラメータなどが、システムの特定の動作パラメータを満足するよう、制御プロセッサから監視および調整され得る。中央制御プロセッサは、大域的なエネルギー伝達効率を最適化するため、伝送する電力量を最適化するためなどのために、システムの個々のコンポーネントのパラメータを調整し得る。他の実施形態は、実質的に分散された検出および制御システムを有するように設計され得る。検出および制御は、各共振器または共振器のグループ、エネルギー源、エネルギードレインなどに組み込むことができ、供給される電力を最大にするため、そのグループ内のエネルギー伝達効率を最大にするためなどのために、そのグループ内の個々のコンポーネントのパラメータを調整するように構成することができる。
実施形態では、無線エネルギー伝達システムのコンポーネントは、デバイス、ソース、中継器、電力源、共振器などの他のコンポーネントへの無線または有線データ通信リンクを有し、分散型または集中型の検出および制御を可能にするために使用されるデータの送信および受信を行い得る。無線通信チャネルは、無線エネルギー伝達チャネルとは別個のチャネルにしてもよいし、または同一のチャネルにしてもよい。一実施形態では、電力交換に使用される共振器は、情報を交換するためにも使用し得る。ある場合には、情報は、ソースまたはデバイス回路内のコンポーネントを変調し、その変化をポートパラメータまたは他の監視装置でその変化を検出することにより交換することができる。共振器は、システム内の他の共振器の反射インピーダンスに影響し得る共振器のインピーダンスなどの共振器パラメータの調整、変更、変化、ディザなどを行うことによって相互に信号を送り得る。本明細書に記載のシステムおよび方法は、無線電力伝送システム内の共振器間での電力および通信信号の同時伝送を可能にすることができ、また無線エネルギー伝達中に使用される同一の磁場を使用して、異なる期間中に、もしくは異なる周波数で、電力および通信信号の伝送を可能にすることができる。他の実施形態では、無線通信は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外線などの別個の無線通信チャネルで可能にすることができる。
実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、複数の共振器を含むことができ、全体的なシステム性能は、システム内の様々な素子を制御することにより向上させることができる。例えば、低所要電力のデバイスは、それらの共振周波数を、高所要電力のデバイスに電力を供給する高電力源の共振周波数から離調させることができる。このように、低および高電力デバイスを単一の高電力源から安全に動作又は充電することができる。さらに、充電ゾーン内の複数のデバイスは、先着順サービス、ベストエフォートサービス、保証電力サービスなど、様々な消費制御アルゴリズムのうちの任意のものに従って調節された、それらのデバイスに利用可能な電力を見つけることができる。電力消費アルゴリズムは、本来は階層的であって、特定のユーザまたはデバイスのタイプに優先権を与えることができ、またはソース内で利用可能な電力を等しく分け合うことにより任意の数のユーザをサポートし得る。電力は、本開示に記述するいずれかの多重化技術によって分け合うことができる。
実施形態では、形状、構造、および設定の組み合わせを使用して、電磁共振器を実現または実施することができる。電磁共振器は、総インダクタンスＬをもつ誘導素子、分布インダクタンス、またはインダクタンスの組み合わせ、および総容量Ｃをもつ容量性素子、分布容量、または容量の組み合わせを含み得る。容量、インダクタンスおよび抵抗を含む電磁共振器の最小の回路モデルを図２Ｆに示す。共振器は、誘導素子２３８および容量性素子２４０を含み得る。キャパシタ２４０に蓄積される電場エネルギーのような初期エネルギーが与えられると、システムは、キャパシタが伝達エネルギーをインダクタ２３８に蓄積される磁場エネルギーに放出し、次いでインダクタ２３８が伝達エネルギーをキャパシタ２４０に貯蔵される電場エネルギーに戻すとき、振動する。これらの電磁共振器における固有損失は、誘導および容量性素子における抵抗ならびに放射損失に起因する損失を含み、図２Ｆ内で抵抗Ｒ２４２によって表される。
図２Ａは、例示的な磁気共振器構造の簡略図を示す。磁気共振器は、誘導素子２０２として機能する導体のループおよび導体ループの終端の容量性素子２０４を含み得る。電磁共振器のインダクタ２０２およびキャパシタ２０４はバルク回路素子してもよく、また分布インダクタンスおよび容量としてもよく、構造内の導体の形成、形状、または配置態様から得てもよい。
例えば、インダクタ２０２は、図２Ａに示すように、表面領域を囲むように導体を成形することによって実現し得る。このタイプの共振器は、容量性負荷ループインダクタと呼ばれ得る。任意の形状および寸法の表面を任意の数のターンで囲む導電構造（ワイヤ、チューブ、ストリップなど）を概して示すために「ループ」または「コイル」という用語が使用されることに留意されたい。図２Ａでは、囲まれた表面領域が円形であるが、表面は任意の多種多様の他の形状およびサイズとすることができ、特定のシステム性能仕様に達するように設計することができる。実施形態では、インダクタンスは、インダクタ素子、分布インダクタンス、回路網、アレイ、インダクタおよびインダクタンスの直列および並列の組み合わせなどを使用して実現することができる。インダクタンスは、固定または可変とすることができ、インピーダンス整合並びに共振周波数動作条件を変えるために使用することができる。
共振器構造に対する所望の共振周波数を達成するために必要な容量を実現する様々な方法がある。キャパシタ極板２０４を図２Ａに示すように形成し使用することができ、また容量はマルチループ導体の隣接する巻線間の分布容量で実現することもできる。容量は、キャパシタ素子、分布容量、回路網、アレイ、容量の直列および並列の組み合わせなどを使用して実現することができる。容量は、固定または可変とすることができ、インピーダンス整合並びに共振周波数動作条件を変えるために使用することができる。
磁気共振器で使用される誘導素子は、２つ以上のループを含むことができ、内側へまたは外側へまたは上方へまたは下方へまたはそれらのいくつかの組み合わせの方向へ螺旋状にすることができる。一般に、磁気共振器は、様々な形状、サイズおよびターン数を有することができ、また、様々な導体材料で構成することができる。例えば、導体２１０は、ワイヤ、リッツ線、リボン、パイプとすることができ、また導電インク、ペンキ、ジェルなどから形成された配線、または回路基板上にプリントされた単一もしくは複数の配線から形成された配線とすることができる。誘導ループを形成する回路基板２０８上の配線パターンの例示的な実施形態を図２Ｂに示す。
実施形態では、誘導素子は、任意のサイズ、形状、厚さなどの磁性材料であって、広範な透磁率および損失値をもつ磁性材料で形成することができる。これらの磁性材料は、固体ブロックとすることができ、それらは中空容積を囲むことができ、タイル張り又は積層された多数の磁性材料の小断片から形成することができ、且つ高導電性材料からなる導電性シートまたは筐体と統合することができる。導体は、磁場を生成するために磁性材料の周囲に巻き付けられる。これらの導体は、その構造の１つ以上の軸に巻き付けることができる。カスタマイズされた近接場パターンを形成するためおよび／または構造の双極子モーメントを正しい方向に向けるために、複数の導体を磁性材料に巻き付け、スイッチを介して並列または直列に組み合わせることができる。磁性材料を含む共振器の例を図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅに示す。図２Ｄでは、共振器は磁性材料２２２のコアの周囲に巻かれた導体のループ２２４を備え、導体２２４のループの軸に平行な磁気双極子モーメント２２８を有する構造を生成する。共振器は、磁性材料２１４の周囲に直交する２方向に巻かれた複数の導体のループ２１６、２１２を備え、導体がどのように駆動されるかに応じて、図２Ｃに示すように２つ以上の方向に向けられる磁気双極子モーメント２１８、２２０を有する共振器を形成することができる。
電磁共振器は、その物理的特性によって決まる特性、固有または共振周波数を有し得る。この共振周波数は、共振器によって保存されるエネルギーが、共振器の電場ＷＥ（ＷＥ＝ｑ２／２Ｃ、式中ｑはキャパシタＣの電荷である）によって保存されるエネルギーと磁場ＷＢ（ＷＢ＝Ｌｉ２／２、式中ｉはインダクタＬを流れる電流である）によって保存されるエネルギーとの間で振動する周波数である。このエネルギーが交換される周波数は、共振器の特性周波数、固有周波数、または共振周波数と呼ばれ、ω：
によって与えられる。共振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスＬ、および／または容量Ｃを調整することによって変更し得る。一実施形態では、システムパラメータは、最適な動作状態にできるだけ近い状態にするため、動的に調節または調整可能である。しかし、前述した考察に基づき、いくつかのシステムパラメータが可変でなくても、またはコンポーネントが動的に調整できなくても、十分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。
実施形態では、共振器は、キャパシタおよび回路素子の回路網内に配置されている２つ以上のキャパシタに結合された誘導素子を備えることができる。実施形態では、キャパシタおよび回路素子の結合回路網は、共振器の２つ以上の共振周波数を定義するために使用することができる。実施形態では、共振器は、２つ以上の周波数で共振、または部分的に共振し得る。
実施形態では、無線電力源（ソース）は、電源に結合された少なくとも１つの共振器コイルで構成することができ、その電源はクラスＤ増幅器またはクラスＥ増幅器またはそれらの組み合わせなどのスイッチング増幅器とし得る。この場合、共振器コイルは、事実上、電源に対する電源負荷である。実施形態では、無線電力デバイスは、電源負荷に結合された少なくとも１つの共振器コイルで構成でき、その電源負荷は、クラスＤ整流器またはクラスＥ整流器またはそれらの組み合わせなどのスイッチング整流器とし得る。この場合、共振器コイルは、事実上、電源負荷に対する電源であり、その負荷のインピーダンスは共振器コイルからの負荷の動作対排出比にも直接関連する。電源と電源負荷との間の電力伝送効率は、電源の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどのくらい厳密に一致しているかによって影響され得る。電力は、負荷の入力インピーダンスが電源の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限可能な効率で負荷に供給され得る。最大限の電力伝送効率を獲得するための電源または電源負荷の設計は、しばしば「インピーダンス整合」と呼ばれ、システムにおける有効対損失電力の比率の最適化と言うこともできる。インピーダンス整合は、電源と電源負荷との間にインピーダンス整合回路網を形成するために、キャパシタ、インダクタ、変圧器、スイッチ、抵抗などの素子の回路網または組み合わせを追加することによって行うことができる。実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整および変更が、インピーダンス整合を達成するために使用される。変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網は、負荷側の電源端子におけるインピーダンスおよび電源の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいても、実質的に互いの複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含むことができる。
実施形態では、インピーダンス整合は、電源の駆動信号のデューティサイクル、および／または位相、および／または周波数を調整することにより、またはキャパシタなどの電源内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、もしくは、例えば少数の調整可能コンポーネントを有するような簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網を用いて、電源と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利である。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および／または周波数、および／または位相を電源に対して調整することにより、拡大した同調範囲または精度で、より高い電力、電圧および／または電流性能で、より高速な電子制御で、より少ない外部コンポーネントで、動的インピーダンス整合システムを生じ得る。
いくつかの無線エネルギー伝達システムでは、インダクタンスなどの共振器のパラメータは、周囲の物体、温度、向き、他の共振器の数および位置などの環境状態に影響され得る。共振器の動作パラメータにおける変化は、無線エネルギー伝達における電力伝達効率などの特定のシステムパラメータを変化し得る。例えば、共振器の近くに置かれている高伝導性材料は、共振器の共振周波数をシフトし、他の共振物から離調し得る。いくつかの実施形態では、リアクタンス素子（例えば、誘導素子または容量性素子）を変更することによりその周波数を修正する共振器フィードバック機構が採用される。許容可能な整合条件を達成するために、少なくともいくつかのシステムパラメータを動的に調節可能または調整可能にする必要がある。ほぼ最適な動作条件を達成するためには、すべてのシステムパラメータを動的に調節可能または調整可能にし得る。しかし、十分に効率的なエネルギー交換は、すべてまたはいくつかのシステムパラメータが可変でなくても、実現し得る。いくつかの例では、少なくともいくつかのデバイスは、動的に調整可能にしないことができる。いくつかの例では、少なくともいくつかのソース共振器は、動的に調整可能にしないことができる。いくつかの例では、少なくともいくつかの中間共振器は、動的に調整可能にしないことができる。いくつかの例では、どのシステムパラメータも動的に調整可能しないことができる。
いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータの変化は、動作環境または動作点の変化を受けると、相補的なまたは逆の向きもしくは方向に変化する特性をもつコンポーネントを選択することにより、軽減され得る。実施形態では、システムは、温度、電力レベル、周波数などによって逆の依存またはパラメータ変動を有する、キャパシタなどのコンポーネントを用いて設計することができる。いくつかの実施形態では、温度関数としてのコンポーネント値がシステムのマイクロコントローラ内のルックアップテーブルに保存され、温度センサからの読み取り値をシステム制御フィードバックループに使用して、温度によって誘発されたコンポーネント値の変化を補償するように他のパラメータを調整することができる。
いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータ値の変化を調整可能なコンポーネントを含む能動調整回路で補償することができる。システムおよびコンポーネントの動作環境および動作点を監視する回路を設計に組み込むことができる。監視回路は、コンポーネントのパラメータの変化を能動的に補償するために必要な信号を提供し得る。例えば、温度の読取りは、システムの容量の予期される変化を計算するため、または、その容量の以前に測定された値を示すために使用し、所望の容量を温度範囲にわたって維持するために、他のキャパシタに切り替えるか、またはキャパシタを調整することによって補償を可能にすることができる。実施形態では、ＲＦ増幅器のスイッチング波形を、システム内のコンポーネント値または負荷変化を補償するように調整することができる。いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータの変化は、能動的な冷却、加熱、能動的な環境調整などを用いて補償することができる。
パラメータ測定回路は、システム内の特定の電力信号、電圧信号、および電流信号を測定または監視することができ、プロセッサまたは制御回路は、それらの測定値に基づいて特定の設定または動作パラメータを調整し得る。さらに、システム性能を測定または監視するために、システム全体における電圧信号および電流信号の振幅および位相、ならびに電力信号の振幅にアクセスすることができる。本開示を通して参照される測定信号は、電圧信号、電流信号、電力信号、温度信号などだけでなく、ポートパラメータ信号の任意の組み合わせとすることもできる。これらのパラメータは、アナログおよびデジタル技術を用いて測定することができ、それらはサンプリングおよび処理することができ、いくつかの既知のアナログおよびデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換することができる。実施形態では、特定の測定量のプリセット値がシステムコントローラまたは記憶場所にロードされ、様々なフィードバックおよび制御ループに使用される。実施形態では、測定された信号、監視された信号、および／またはプリセットされた信号の任意の組合せが、共振器および／またはシステムの動作を制御するために、フィードバック回路またはシステムに使用され得る。
磁気共振器の周波数Ｑおよび／またはインピーダンスを調整するために調整アルゴリズムを使用することができる。そのアルゴリズムは、入力としてシステムに対する所望の動作点からの偏移度に関連する基準信号を取り、その偏移に関連する補正または制御信号を出力し、システムを所望の動作点（または複数の動作点）に戻すためにシステムの可変または調整可能な素子を制御する。磁気共振器用の基準信号は、共振器が無線電力伝送システム内で電力を交換している間に取得することができ、またそれらはシステム動作中に回路から切り離すことができる。システムに対する補正は、継続的に、周期的に、閾値を超えるときに、デジタル的に、アナログ方法で、および同様の方法で、適用または実行することができる。
実施形態では、損失性外部材料および物体が、無線電力伝送システムの共振器の磁気および／または電気エネルギーを吸収することにより、効率低下を導入する可能性がある。これらの影響は、様々な実施形態において、損失性外部材料および物体の影響を最小限にするように共振器を位置決めすることによって、および電磁場成形用構造素子（例えば、導電性の構造、板、およびシート、磁性材料の構造、板、およびシート、ならびにそれらの組み合わせ）をそれらの影響が最小限になるように配置することによって、軽減され得る。
損失性材料の共振器への影響を低下させる１つの方法は、高導電性材料、磁性材料、またはそれらの組み合わせを、それらが損失性物体を回避するように共振器場を成形するために使用することである。例示的な実施形態では、高導電性材料および磁性材料の層状構造が、共振器の電磁場を偏向させることにより、それらの近くにある損失性物体を回避するように、その電磁場の調整、成形、方向づけ、再配向などを行うことができるようにしている。図２Ｄは磁性材料の下に導体シート２２６を有する共振器の上面図を示し、この導体シート２２６は、共振器の電磁場をその下にあり得る損失性物体を回避するように調整するために使用される。良導体２２６の層またはシートは、所与の用途に最も適しているので、銅、銀、アルミニウムなどの、任意の高導電性材料で構成することができる。特定の実施形態では、良導体の層またはシートは、共振器の動作周波数において導体の表皮厚さよりも厚い。導体シートは、好ましくは、共振器のサイズよりも大きく、共振器の物理的な範囲を超えて延在し得る。
電送されている電力量が、アクティブな電磁場領域内に立ち入り得る人または動物に対して安全上の問題を示し得る環境およびシステムでは、安全対策がシステムに含められる。電力レベルが個別的安全対策を必要とする環境では、磁気共振器内の導電ループからの間隔または「キープアウェイ」ゾーンを提供するように共振器のパッケージング、構造、材料などを設計することができる。さらなる保護を提供するために、高Ｑ共振器ならびに電力および制御回路は、高い電圧または電流を筐体内に制限し、かつ、共振器および電気部品を、天候、湿度、砂、埃、および他の外部要素、ならびに衝突、振動、擦れ、爆発、および他のタイプの機械的衝撃から保護する、筐体内に配置することができる。かかる筐体は、電気部品および共振器に対する許容可能な動作温度範囲を維持するために熱散逸などの様々な要因に対して注意を必要とする。実施形態では、筐体は、複合材料、プラスチック、木材、コンクリートなどの非損失性材料で構成することができ、共振器コンポーネントと損失性物体との間の最小距離を提供するために使用することができる。損失性物体または金属性の物体、塩水、油などを含み得る環境からの最小分離距離は無線エネルギー伝達の効率を向上させ得る。実施形態では、共振器または共振器のシステムの摂動Ｑを増加させるために、「キープアウェイ」ゾーンを使用することができる。実施形態では、最小分離距離は、より確実な、またはより不変な共振器の動作パラメータを提供し得る。
実施形態では、共振器ならびにそれらそれぞれのセンサおよび制御回路が、他の電子制御システムおよびサブシステムとの様々なレベルの統合を有し得る。いくつかの実施形態では、電力および制御回路ならびにデバイス共振器は、完全に別個のモジュールであるか、または既存のシステムに対して最小限の統合を有する筐体であり、電力出力および制御ならびに診断インタフェースを提供する。いくつかの実施形態では、デバイスは、共振器および回路組立体を筐体内部の空洞部に収容するように構成されるか、またはデバイスのハウジングまたは筐体に組み込まれる。
模範的な共振器回路
図３および図４は、無線エネルギー伝達システムの模範的なソースのための発電、監視、および制御コンポーネントを示す高レベルブロック図である。図３は、ハーフブリッジスイッチング電力増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含むソースのブロック図である。図４は、フルブリッジのスイッチング増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含むソースのブロック図である。
図３に示すハーフブリッジのシステムトポロジは、制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどであってよい。処理装置は、単一の装置であっても、装置の回路網であってもよい。制御アルゴリズムは、処理装置の任意の部分で実行し得る。アルゴリズムは、特定の用途のためにカスタマイズしても、アナログおよびデジタル回路ならびに信号の組み合わせを含んでもよい。マスタルゴリズムは、電圧信号およびレベル、電流信号およびレベル、信号位相、デジタルカウント設定などを測定および調整し得る。
システムは、無線通信回路３１２に結合された、任意選択のソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信コントローラ３３２を含み得る。任意選択のソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信コントローラ３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行する同じ処理装置の一部であっても、マイクロコントローラ３０２内の一部または回路であっても、無線電力伝送モジュールの外部にあってもよいし、有線給電または電池給電用に使用されるが無線電力伝送を強化または支援するためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合された通信コントローラと実質的に類似するものであってもよい。
システムは、制御アルゴリズムによって制御し得る、少なくとも２つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合されたＰＷＭ発生器３０６を含み得る。２つのトランジスタゲートドライバ３３４は、インピーダンス整合回路網コンポーネント３４２を介して、ソース共振器コイル３４４を駆動する２つの電力トランジスタ３３６に直接またはゲート駆動変圧器を経由して結合することができる。電力トランジスタ３３６は、調整可能な直流電源３０４に結合されて電力供給され、調整可能な直流電源３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御することができ、マイクロコントローラ３０２または他の集積回路の一部とするか、それに組み込むことができる。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用される調整可能な直流電源３０４の電圧出力を制御し得る。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器３０６は、負荷を流れる電流波形と、増幅器から出力される電力及び共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用される電力トランジスタ３３６のスイッチング時間との間の位相角を制御することができる。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器３０６は増幅器から出力される電力及び共振器コイル３４４に供給される電力を制御するためにスイッチ閉時間のデューティサイクルを制御することができる。
システムは、信号がアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器に入力する前に、信号の成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリングなどを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８、３２０を含む検出および測定回路を含み得る。ＡＤＣ ３１４、３１６などのプロセッサおよび変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込んでも、または、処理コア３３０に結合される別個の回路としてもよい。測定信号に基づき、制御アルゴリズム３２８は、ＰＷＭ発生器３０６、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓ制御３２６、ソースインピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８、３２０、変換器３１４、３１６、共振器コイル３４４の動作を生成、制限、開始、停止、制御、調整、または変更することができ、マイクロコントローラ３０２の一部としても、それに組み込んでもよいし、別個の回路としてもよい。インピーダンス整合回路網３４２および共振器コイル３４４は、本明細書に記載されるように、キャパシタ、スイッチ、インダクタなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能なコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネントは、ソースインピーダンス整合コントローラ３３８から受信した信号に従って調整されるコンポーネント値または動作点を有する。コンポーネントは、共振器の動作および特性、例えば共振器に供給される電力及び共振器によって供給される電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のＱ、および任意の他の結合システムなど、を調節するために調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組み合わせを含む平面共振器を含む、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器とし得る。
図４に示すフルブリッジのシステムトポロジは、マスタ制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム３２８を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサなどとし得る。システムは、無線通信回路３１２に結合された、ソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信回路３３２を含み得る。ソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信回路３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行する同一の処理装置の一部であっても、マイクロコントローラ３０２内の一部または回路であっても、無線電力伝送モジュールの外部にあってもよいし、有線給電または電池給電用に使用されるが無線電力伝送を強化または支援するためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合された通信コントローラと実質的に類似するものであってもよい。
システムは、マスタ制御アルゴリズムで生成された信号によって制御し得る、少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合された少なくとも２つの出力をもつＰＷＭ発生器４１０を含み得る。４つのトランジスタゲートドライバ３３４は、インピーダンス整合回路網コンポーネント３４２を介して、ソース共振器コイル３４４を駆動する４つの電力トランジスタ３３６に直接またはゲート駆動変圧器を経由して結合することができる。電力トランジスタ３３６は、調整可能な直流電源３０４に結合されて電力供給され、調整可能な直流電源３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御され、Ｖｂｕｓコントローラは、制御アルゴリズム３２８によって制御され得る。Ｖｂｕｓコントローラ３２６は、増幅器の電力出力および共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用される調整可能な直流電源３０４の電圧出力を制御し得る。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器４１０は、負荷を流れる電流波形と、増幅器から出力される電力及び共振器コイル３４４に供給される電力を制御するために使用される電力トランジスタ３３６のスイッチング時間との間の２つのブリッジ半部に対する相対位相角を制御することができる。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器３０６は増幅器から出力される電力及び共振器コイル３４４に供給される電力を制御するためにスイッチ閉時間のデューティサイクルを制御することができる。
システムは、信号がアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器に入力する前に、信号の成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリングなどを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８、３２０及び差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４を含む検出および測定回路を含み得る。ＡＤＣ ３１４、３１６などのプロセッサおよび／または変換器は、マイクロコントローラ３０２に組み込んでもよいし、処理コア３３０に結合し得る別個の回路としてもよい。測定信号に基づき、マスタ制御アルゴリズムは、ＰＷＭ発生器４１０、通信コントローラ３３２、Ｖｂｕｓコントローラ３２６、ソースインピーダンス整合コントローラ３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８、３２０、差動／シングルエンド変換回路４０２、４０４、変換器３１４、３１６、共振器コイル３４４の動作を生成、制限、開始、除去、制御、調整、または変更することができ、マイクロコントローラ３０２の一部としてもよいし、それに組み込んでもよいし、別個の回路にしてもよい。
インピーダンス整合回路網３４２および共振器コイル３４４は、本明細書に記載されるように、キャパシタ、スイッチ、インダクタなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能なコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネントは、ソースインピーダンス整合コントローラ３３８から受信した信号に従って調整されるコンポーネント値または動作点を有する。コンポーネントは、共振器の動作および特性、例えば共振器に供給される電力及び共振器によって供給される電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のＱ、および任意の他の結合システムなど、を調節するために調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組み合わせを含む平面共振器を含む、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器とし得る。
インピーダンス整合回路網は、本明細書に記載のとおり、キャパシタ、インダクタ、およびコンポーネントの回路網などの固定値コンポーネントを含み得る。インピーダンス整合回路網の部分Ａ、Ｂ、およびＣは、本明細書に記載のとおり、インダクタ、キャパシタ、変圧器、およびかかるコンポーネントの直列および並列の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合回路網の部分Ａ、Ｂ、およびＣは、空（短絡）にし得る。いくつかの実施形態では、部分Ｂは、インダクタおよびキャパシタの直列の組み合わせを含み、部分Ｃは空である。
フルブリッジトポロジは、同等のハーフブリッジ増幅器と同じＤＣバス電圧を使用して、より高い出力電力レベルでの動作を可能にし得る。図３のハーフブリッジの模範的なトポロジは、シングルエンド駆動信号を提供し得るが、図４の模範的なフルブリッジトポロジは、差動駆動をソース共振器３０８に提供し得る。インピーダンス整合トポロジおよびコンポーネントおよび共振器構造は、本明細書に記載のように、２つのシステムに対して異なり得る。
図３および図４に示す模範的なシステムは、故障検出回路３４０をさらに含み得る。故障検出回路３４０はソース増幅器内のマイクロコントローラのシャットダウンをトリガするか、または、増幅器の動作を変更または中断することができる。この保護回路は、１つ又は複数の高速比較器を含み得る。前記高速比較器は、増幅器反流、ＤＣ電源３０４からの増幅器バス電圧（Ｖｂｕｓ）、ソース共振器３０８及び/又は任意選択の調整盤上の電圧、またはシステム内の構成要素に損傷を与え得るかまたは望ましくない動作条件の原因となり得る他の任意の電圧または電流信号を監視する。好適な実施形態は、異なる用途に関連する潜在的に望ましくない動作モードに依存させることができる。いくつかの実施形態において、保護回路を実装しなくてもよいし、装着しなくてもよい。いくつかの実施形態において、システムおよび構成要素の保護は、マスタ制御アルゴリズムおよび他のシステム監視および制御回路の一部として実装し得る。実施形態において、専用の故障検出回路３４０は、マスタ制御アルゴリズム３２８に接続された出力端子（図示せず）を含み得る。マスタ制御アルゴリズム３２８は、システムシャットダウン、出力低下（例えば、Ｖｂｕｓの低下）、ＰＷＭ発電器の変化、動作周波数の変化、同調要素に対する変更、または制御アルゴリズム３２８が動作点モードの調節、システム性能の向上および／または保護提供のために実行し得る他の任意の合理的操作をトリガし得る。
図３及び図４に示す模範的な実施形態は、スイッチに供給されるＤＣ（又はゆっくり変化するＡＣ）電力が、変化する電力及び/又は出力インピーダンスを有する電源から得られるように構成することができる。例えば、ＤＣ電源３０４は、出力電圧及び出力抵抗の両方が充電状態の関数として変化する電池で構成することができる。また、ＤＣ電源３０４は、電圧及び/又は電流が日光照度及び温度の関数として変化する太陽電池パネルで構成することもできる。実施形態では、Ｖｂｕｓコントローラ３２６によって、効率的な無線エネルギー伝送が可能になるように可変電源の出力インピーダンスを調整することができる。他の実施形態では、ＰＷＭ発生器によって、最適な電力を可変電源から取り出すことができるようにスイッチングトランシーバ３６の位相角を調整することができる。例えば、スイッチング時間を、増幅器の入力インピーダンスが可変電源の出力インピーダンスに整合するように選択することができる。他の実施形態では、例えば太陽電池パネルに対して、スイッチング時間を、太陽電池パネルからのエネルギー抽出が最大になるようなインピーダンスが太陽電池パネルの出力に与えられるように選択することができる。当業者であれば、この一般的な原理は、風力発電機、火力発電機、水力発電機、燃料電池、蓄電池などの他の可変電源に適用することができることは理解されよう。
本明細書に記載のとおり、無線電力伝送システム内のソースは、ソース共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２の入力インピーダンスを、マスタ制御アルゴリズムの一部であり得るシステム制御ループに対する誤差または制御信号として使用し得る。模範的な実施形態では、環境条件の変化、結合の変化、デバイス電力需要の変化、モジュール、回路、コンポーネントまたはサブシステム性能の変化、システム内のソース、デバイス、または中継器の数の増加または減少、ユーザ指示の変化などを補償するように、無線電力源を調整するために、３つのパラメータの任意の組み合わせの変化が使用され得る。模範的な実施形態では、増幅器デューティサイクルに対する変化、可変キャパシタおよびインダクタなどの可変電気部品のコンポーネント値に対する変化、およびＤＣバス電圧に対する変化が、無線電力源の動作点または動作範囲を変更するために使用され、特定のシステム動作値を向上し得る。異なる用途に対して使用される制御アルゴリズムの詳細は、所望のシステム性能および動作に応じて変わり得る。
本明細書に記載され、図３および図４に示されるようなインピーダンス測定回路は、２チャネル同時サンプリングＡＤＣを使用して実施することができ、これらのＡＤＣは、マイクロコントローラチップに組み込んでもよいし、別個の回路の一部としてもよい。ソース共振器のインピーダンス整合回路網および／またはソース共振器への入力における電圧および電流信号の同時サンプリングは、電流および電圧信号の位相および振幅情報をもたらし、既知の信号処理技術を用いて処理されて、複素インピーダンスパラメータをもたらすことができる。いくつかの実施形態では、電圧信号のみまたは電流信号のみの監視で十分であり得る。
本明細書に記載のインピーダンス測定は、他のいくつかの既知のサンプリング方法よりも相対的に単純であり得る直接サンプリング法を使用し得る。実施形態では、測定された電圧および電流信号は、ＡＤＣに入力される前に、フィルタリング／バッファリング回路によって調整、フィルタリングおよびスケーリングされ得る。実施形態では、フィルタリング／バッファリング回路は、様々な信号レベルおよび周波数で動作するように調整可能であり、フィルタ波形および幅などの回路パラメータを、例えば手動的に、電子的に、自動的に、制御信号に応答して、マスタ制御アルゴリズムによって調整することができる。フィルタリング／バッファリング回路の模範的な実施形態は図３、図４および図５に示されている。
図５は、フィルタリング／バッファリング回路で使用され得る模範的な回路コンポーネントのより詳細な図を示す。実施形態では、システム設計で使用されるＡＤＣのタイプに応じて、シングルエンド増幅器トポロジは、差動からシングルエンド信号フォーマットに変換するハードウェアを不要にすることにより、システム、サブシステム、モジュールおよび／またはコンポーネント性能を特性化するために使用されるアナログ信号測定経路の複雑さを低減し得る。他の実施形態では、差動信号フォーマットが望ましい可能性がある。図５に示す実施態様は例示的なものであり、本明細書に記載する機能を実施する唯一可能な方法と解釈すべきではない。むしろ、アナログ信号経路は異なる入力要件を有するコンポーネントを採用してもよく、したがって、異なる信号経路アーキテクチャを持ち得ることを理解すべきである。
シングルエンドおよび差動増幅器の両トポロジでは、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２への入力電流は、キャパシタ３２４の両端間の電圧を測定することによるか、または一種の電流センサを用いて得ることできる。図３の模範的なシングルエンド増幅器トポロジに対して、電流は、インピーダンス整合回路網３４２からの接地帰路上で検知され得る。図４に示す模範的な差動電力増幅器に対して、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合回路網３４２への入力電流は、キャパシタ３２４の両端間で差動増幅器を用いるか、または一種の電流センサを用いて、測定することができる。図４の差動トポロジでは、キャパシタ３２４は、ソース電力増幅器の負出力端子で二重にし得る。
両トポロジにおいて、ソース共振器およびインピーダンス整合回路網への入力電圧および電流を表すシングルエンド信号が得られた後、信号は信号波形の所望の部分を取得するためにフィルタリングされ得る（５０２）。実施形態では、信号は、その信号の基本成分を取得するためにフィルタリングされ得る。実施形態では、低域、帯域通過、ノッチなどの実行するフィルタリングのタイプ、ならびに、楕円、チェビシェフ、バターワースなどの使用するフィルタトポロジは、システムの特定の要件によって決まり得る。いくつかの実施形態では、フィルタリングは必要とされないであろう。
電圧および電流信号は、任意選択の増幅器５０４によって増幅され得る。任意選択の増幅器５０４の増幅率は、固定または可変であり得る。増幅器の増幅率は、例えば手動的に、電子的に、自動的に、制御信号に応答して制御され得る。増幅器の増幅率は、例えばフィードバックループで、制御アルゴリズムに応じて、マスタ制御アルゴリズムによって、調整され得る。実施形態では、増幅器に対して必要な性能仕様は、信号強度および所望の測定精度によって決まり、異なる用途シナリオおよび制御アルゴリズムによって異なり得る。
測定されたアナログ信号には、それらの信号をＡＤＣの入力電圧範囲（いくつかのシステムに対しては０〜３．３Ｖであり得る）にするために直流オフセット５０６を加えることができる（５０６）。いくつかのシステムでは、この段階は、使用する特定のＡＤＣの仕様に応じて、必要でない可能性がある。
前述のように、発電機と電源負荷との間の電力伝送効率は、発電機の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどのくらい厳密に一致しているかによって影響され得る。図６Ａに示すような模範的なシステムでは、電力は、負荷６０４の入力インピーダンスが発電機または電力増幅器６０２の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限可能な効率で負荷に供給され得る。高いおよび／または最大限の電力伝送効率を獲得するための発電機または負荷インピーダンスの設計は、「インピーダンス整合」と呼ばれ得る。インピーダンス整合は、図６Ｂに示すように、発電機６０２と電源負荷６０４との間に、インピーダンス整合回路網６０６を形成するために、キャパシタ、抵抗、インダクタ、変圧器、スイッチなどの適切な回路網または素子の組を挿入することによって実行することができる。他の実施形態では、インピーダンス整合を達成するために素子の位置の機械的調整および変更を用いることができる。前述のように、変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網６０６は、負荷側の発電機端子におけるインピーダンスおよび発電機の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいても、実質的に互いの複素共役のままであるように動的に調整される可変コンポーネントを含むことができる。実施形態では、動的インピーダンス整合は、発電機の駆動信号のデューティサイクル、および／もしくは位相、および／もしくは周波数を調整することにより、または、図６Ｃに示すように、キャパシタなどの発電機内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、或いは、例えば、より少数の調整可能コンポーネントを有する簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網６０６を用いて、発電機６０８と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利である。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および／または周波数、および／または位相を電源に対して調整することにより、拡大した同調範囲または精度で、より高い電力、電圧および／または電流性能で、より高速な電子制御で、より少ない外部コンポーネントで、動的インピーダンス整合を達成するシステムを得ることができる。以下に記載する、インピーダンス整合の方法、アーキテクチャ、アルゴリズム、プロトコル、回路、測定、制御などは、本明細書に記載のように、発電機が高Ｑ磁気共振器を駆動するシステムにおいて、および高Ｑ無線電力伝送システムにおいて有用であり得る。無線電力伝送システムでは、発電機は、共振器を駆動する電力増幅器であり得、その共振器はソース共振器とも呼ばれ、電力増幅器に対する負荷であり得る。無線電力の用途では、電力増幅器から共振器への電力供給効率を制御するため、電力増幅器と共振器との間のインピーダンス整合を制御することが望ましい。このインピーダンス整合は、共振器を駆動する電力増幅器の駆動信号のデューティサイクル、および／または位相、および／または周波数を調整または調節することによって完全にまたは部分的に達成することができる。
スイッチング増幅器の効率
クラスＤ、Ｅ、Ｆ増幅器など及びそれらの任意の組み合わせなどのスイッチング増幅器は、増幅器のスイッチング素子で電力が殆ど消費されないとき、最大効率で電力を負荷に供給する。この動作条件は、スイッチング素子両端間の電圧およびスイッチング素子を流れる電流の両方が殆どゼロであるときに、最もクリティカルなスイッチング動作（すなわち、スイッチング損失につながる可能性が最も高い）が行われるように、システムを設計することにより達成することができる。これらの条件は、それぞれ、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）およびゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）条件ということができる。増幅器がＺＶＳおよびＺＣＳで動作する場合、スイッチング素子両端間の電圧またはスイッチング素子を流れる電流のいずれかがゼロであり、したがって、スイッチで電力は消費され得ない。スイッチング増幅器は、直流（または超低周波の交流）電力を特定の周波数または周波数範囲の交流電力に変換し得るので、スイッチング処理によって生成され得る望ましくない高調波が負荷に達し、そこで消費されるのを防ぐために、フィルタを負荷の前に挿入することができる。実施形態では、スイッチング増幅器は、品質係数（例えばＱ＞５）及び特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０−ｊＸ０を有する共振負荷に接続されるとき、同時のＺＶＳおよびＺＣＳを生じ、最大の電力変換効率で動作するように設計することができる。Ｚ０＝Ｒ０−ｊＸ０が増幅器の特性インピーダンスとして定義されるため、最大電力伝送効率を達成することは、共振器負荷を増幅器の特性インピーダンスにインピーダンス整合させるとことに等価である。
スイッチング増幅器では、スイッチング素子のスイッチング周波数ｆｓｗｉｔｃｈ（ここで、ｆｓｗｉｔｃｈ＝ω／２π）、およびスイッチング素子のＯＮスイッチ状態の持続時間のデューティサイクルｄｃは、増幅器の全てのスイッチング素子に対して同一することができる。本明細書では、クラスＤおよびクラスＤＥ増幅器の両方、すなわち、ｄｃ＜＝５０％のスイッチング増幅器を示すために用語「クラスＤ」を使用する。
増幅器の特性インピーダンスの値は、スイッチング素子の動作周波数、増幅器トポロジ、およびスイッチングシーケンスによって決まり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、ハーフブリッジトポロジであり、また、いくつかの実施形態では、フルブリッジトポロジであり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、クラスＤであり、また、いくつかの実施形態では、クラスＥであり得る。前述の実施形態のいずれでも、ブリッジの素子が対称であると仮定すると、スイッチング増幅器の特性インピーダンスは、次の式：
Ｒ０＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘ０＝Ｆｘ（ｄｃ）／ωＣａ （１）
で表され、式中ｄｃは、スイッチング素子のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルであり、関数ＦＲ（ｄｃ）およびＦＸ（ｄｃ）は、図７（クラスＤおよびＥの両方に対応）に示されており、ωは、スイッチング素子が切り替わる周波数であり、また、Ｃａ＝ｎａＣｓｗｉｔｃｈである（ここで、Ｃｓｗｉｔｃｈは、スイッチと並列に配置されるトランジスタ出力容量およびあり得る外部キャパシタなどの各スイッチ両端間の容量であり、一方、フルブリッジに対して、ｎａ＝１およびハーフブリッジに対して、ｎａ＝２である）。クラスＤに対して、解析方程式：
ＦＲ（ｄｃ）＝ｓｉｎ２ｕ／π，ＦＸ（ｄｃ）＝（ｕ−ｓｉｎｕ＊ｃｏｓｕ）／π（２）
を記述することもでき、式中、ｕ＝π（１−２＊ｄｃ）であり、クラスＤ増幅器の特性インピーダンスレベルは、デューティサイクルｄｃが５０％に向かって増加するにつれて低下することを示す。ｄｃ＝５０％のクラスＤ増幅器の動作に対して、ＺＶＳおよびＺＣＳは、スイッチング素子が実質的に出力容量を有せず（Ｃａ＝０）、負荷が厳密に共振状態（Ｘ０＝０）であり、一方、Ｒ０が任意であり得るときにのみ達成することができる。
インピーダンス整合回路網
適用例では、駆動される負荷は、それが接続される外部駆動回路の特性インピーダンスとは大きく異なるインピーダンスを有し得る。さらに、駆動される負荷は共振回路網ではない可能性がある。インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）は、ＩＭＮ回路および負荷から構成される回路網の入力インピーダンスを調整するため、図６Ｂに示すように、負荷の前に接続され得る回路網である。ＩＭＮ回路は、通常は、この調整を、駆動周波数に近い共振を生成することにより達成し得る。かかるＩＭＮ回路は、発電機から負荷への電力伝送効率を最大にするために必要な全ての条件（共振およびインピーダンス整合−スイッチング増幅器に対するＺＶＳおよびＺＣＳ）を達成するので、実施形態では、ＩＭＮ回路は、駆動回路と負荷との間で使用される。
図６Ｂに示す構成に対して、仮に、インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）および負荷からなる回路網（今後は、合わせてＩＭＮ＋負荷として示す）の入力インピーダンスはＺｌ＝Ｒｌ（ω）＋ｊＸｌ（ω）としよう。この回路網の特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０−ｊＸ０の外部回路に対するインピーダンス整合条件は、その結果、Ｒｌ（ω）＝Ｒ０、Ｘｌ（ω）＝Ｘ０である。
可変負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法
負荷が変化しやすい実施形態では、負荷と線形またはスイッチング電力増幅器などの外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、変化する負荷を外部回路の固定特性インピーダンスＺ０に整合するように調整し得るＩＭＮ回路内の調節可能／調整可能コンポーネントを使用することにより達成し得る（図６Ｂ）。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、ＩＭＮ回路内の２つの調整可能／可変素子が必要とされ得る。
実施形態では、負荷は、インピーダンスＲ＋ｊωＬをもつ誘導性（共振器コイルなど）であり得るため、ＩＭＮ回路内の２つの調整可能素子は、２つの調整可能容量回路網または１つの調整可能容量回路網と１つの調整可能インダクタンス回路網または１つの調整可能容量回路網と１つの調整可能相互インダクタンス回路網とし得る。
負荷が変化しやすい実施形態では、負荷と線形またはスイッチング電力増幅器などの駆動回路との間のインピーダンス整合は、増幅器の特性インピーダンスＺ０を、ＩＭＮ回路および負荷（ＩＭＮ＋負荷）から構成される回路網の（負荷変動に起因する）変化する入力インピーダンスに整合するように調整し得る増幅器回路内の調節可能／調整可能コンポーネントまたはパラメータを使用することにより達成することができ、ここでは、ＩＭＮ回路も調整可能である（図６Ｃ）。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、増幅器およびＩＭＮ回路内の合計２つの調整可能／可変素子またはパラメータが必要とされ得る。開示のインピーダンス整合方法では、ＩＭＮ回路内の調整可能／可変素子の必要数を減らすことができ、またはＩＭＮ回路内の調整可能／可変素子を不要にすることさえできる。いくつかの例では、電力増幅器内の１つの調整可能素子およびＩＭＮ回路内の１つの調整可能素子が使用し得る。いくつかの例では、電力増幅器内の２つの調整可能素子およびＩＭＮ回路内の調整可能素子はゼロにし得る。
実施形態では、電力増幅器内の調整可能素子またはパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオードなどに供給される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクルなどとし得る。
実施形態では、調整可能な特性インピーダンスを有する電力増幅器は、クラスＤ、Ｅ、Ｆの調整可能スイッチング増幅器またはそれらの任意の組み合わせとし得る。方程式（１）および（２）を組み合わせると、この回路網に対するインピーダンス整合条件は、
Ｒｌ（ω）＝ＦＲ（ｄｃ）／ωＣａ，Ｘｌ（ω）＝ＦＸ（ｄｃ）／ωＣａ （３）
である。
調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、容量Ｃａであり、容量Ｃａはスイッチング素子と並列に配置された外部キャパシタを調整することによって調整し得る。
調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子は、増幅器のスイッチング素子のＯＮスイッチ状態のデューティサイクルｄｃとし得る。デューティサイクルｄｃのパルス幅変調（ＰＷＭ）による調整は、出力電力制御を達成するためにスイッチング増幅器で使用されてきた。本明細書では、ＰＷＭは、インピーダンス整合を達成するため、すなわち、方程式（３）を満足するため、したがって、増幅器効率を最大にするためにも使用し得ることを開示する。
調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、１つの調整可能素子はスイッチング周波数とし得る。スイッチング周波数はＩＭＮ＋負荷回路網の駆動周波数でもあり、ＩＭＮ＋負荷回路網の共振周波数に実質的に近くなるように設計し得る。スイッチング周波数の調整は、増幅器の特性インピーダンスおよびＩＭＮ＋負荷回路網のインピーダンスを変更し得る。増幅器のスイッチング周波数は、方程式（３）が満足されるようにもう１つの調整可能パラメータと共に適切に調整することができる。
動的インピーダンス整合のために増幅器のデューティサイクルおよび／または駆動周波数を調整する利点は、これらのパラメータは電子的に、高速に、かつ広範囲に渡って調整可能なことである。対照的に、例えば、大きな電圧に耐えるころができ、かつ、十分に大きい調整可能範囲及び品質係数を有する調整可能キャパシタは高価であり、低速であり、または必要なコンポーネント仕様のものを入手できない可能性がある。
変化する負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法例
クラスＤの電力増幅器８０２、インピーダンス整合回路網８０４、および誘導負荷８０６の回路レベルの構造を示す簡略化回路図を図８に示す。この概略図は、電源８１０、スイッチング素子８０８、およびキャパシタを含むスイッチング増幅器８０４を備えたシステムの基本的なコンポーネントを示す。インピーダンス整合回路網８０４はインダクタおよびキャパシタを備え、負荷８０６はインダクタおよび抵抗としてモデル化されている。
本発明調整方法の模範的な実施形態は、図８に示すように、スイッチング周波数ｆで動作し、かつ、ＩＭＮを介して低損失誘導素子Ｒ＋ｊωＬを駆動する、ハーフブリッジクラスＤ増幅器を含む。
いくつかの実施形態では、Ｌ´は調整可能とし得る。Ｌ´は、インダクタ上の可変タップ点によるか、または調整可能キャパシタを直列または並列にインダクタに接続することにより、調整し得る。いくつかの実施形態では、Ｃａは調整可能とし得る。ハーフブリッジトポロジに対して、Ｃａは、キャパシタＣｓｗｉｔｃｈの並列和のみが増幅器動作に対して重要であるので、これらのキャパシタのいずれか一方または両方を変化させることにより調整し得る。フルブリッジトポロジに対して、Ｃａは、キャパシタＣｓｗｉｔｃｈの組み合わせ（ブリッジの２つの半部と関連する２つの並列和の直列和）のみが増幅器動作に対して重要であるため、１つ、２つ、３つ、または全てのキャパシタを変化させることにより調整し得る。
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、ＩＭＮのコンポーネントのうちの２つを調整可能とし得る。いくつかの実施形態では、Ｌ´およびＣ２が調整可能である。そこで、図９は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃａ＝６４０ｐＦおよびＣ１＝１０ｎＦに対して、誘導素子の変化するＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能コンポーネントの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。ＩＭＮは常に増幅器の固定特性インピーダンスに適合するので、誘導素子は変化するが、出力電力は常に一定である。
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、スイッチング増幅器内の素子も調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、容量ＣａをＩＭＮキャパシタＣ２と共に調整し得る。そこで、図１０は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の変化するＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能コンポーネントの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。図１０から、Ｃ２は主にＬの変化に応じて調整する必要があること、および出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃをＩＭＮキャパシタＣ２と共に調整し得る。そこで、図１１は、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の変化するＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。図１１から、Ｃ２は主にＬの変化に応じて調整する必要があること、および出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、容量ＣａをＩＭＮキャパシタＬ´と共に調整し得る。そこで、図１１Ａは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０％、Ｃ１＝１０ｎＦおよびＣ２＝７．５ｎＦに対して、誘導素子の変化するＲの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。図１１Ａから、出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃをＩＭＮインダクタＬ´と共に調整し得る。そこで、図１１Ｂは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦおよびＣ２＝７．５ｎＦに対して、誘導素子の変化するＲの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。図１１Ｂから、出力電力はＲが増加するにつれて減少することが推測できる。
調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、ＩＭＮ内の素子は調整可能でなく、スイッチング増幅器内の素子のみを調整可能とし得る。いくつかの実施形態では、デューティサイクルｄｃを容量Ｃａと共に調整し得る。そこで、図１１Ｃは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７．５ｎＦおよびωＬ´＝１０００Ωに対して、誘導素子の変化するＲの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。図１１Ｃから、出力電力はＲの非単調な関数であることが推測できる。これらの実施形態は、Ｌの変化（したがって共振周波数）があまり大きくない場合に、動的インピーダンス整合を達成することができる。
いくつかの実施形態では、ＩＭＮ内の素子が固定で、また、前述の説明のように、Ｌが大きく変化する場合、動的インピーダンス整合は、外部周波数ｆ（例えば、スイッチング増幅器のスイッチング周波数）の駆動周波数を、共振器の可変共振周波数に従うように変更することにより達成することができる。スイッチング周波数ｆおよびスイッチのデューティサイクルｄｃを２つの可変パラメータとして使用すると、ＲおよびＬが変化するとき、いかなる可変コンポーネントも必要とせずに、完全なインピーダンス整合が達成できる。そこで、図１２は、Ｃａ＝６４０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝７．５ｎＦおよびＬ´＝６３７μＨに対して、誘導素子の変化するＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な２つの調整可能パラメータの値、及び増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化を示す。図１２から、前述の説明のように、ｆは主にＬの変化に応じて調整する必要があることが推測できる。
無線電力伝送システムのための調整可能なインピーダンス整合
無線電力伝送の適用例では、低損失誘導素子は、１つまたは複数のデバイス共振器、または、例えば、中継器共振器などの他の共振器に結合されたソース共振器のコイルとし得る。誘導素子のインピーダンスＲ＋ｊωＬは、ソース共振器のコイルへの他の共振器の反射インピーダンスを含み得る。誘導素子のＲおよびＬの変化は、ソース共振器および／もしくは他の共振器の近くの外部摂動またはコンポーネントの熱ドリフトに起因して生じ得る。誘導素子のＲおよびＬの変化は、さらに、無線電力伝送システムの通常の使用中に、ソースに対するデバイスおよび他の共振器の相対運動に起因して生じ得る。ソースに対するこれらのデバイスおよび他の共振器の相対運動、または他のソースの相対運動または位置は、ソースに対するデバイスの変化する結合（および、したがって、変化する反射インピーダンス）となり得る。さらに、誘導素子のＲおよびＬの変化は、無線電力伝送システムの通常の使用中に、それらの負荷の消費電力の変化など、他の結合共振器内部の変化に起因して生じ得る。これまでに開示した全ての方法および実施形態はこの場合にも適用して、この誘導素子とこれを駆動する外部回路との動的インピーダンス整合を達成することができる。
本開示の無線電力伝送システム用の動的インピーダンス整合方法を実証するために、負荷抵抗を駆動するデバイス共振器のデバイスコイルに誘導的に結合される低損失ソースコイルを含むソース共振器について考察する。
いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合はソース回路において達成し得る。いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合はデバイス回路においても達成し得る。完全なインピーダンス整合が（ソースおよびデバイスの両方で）得られる場合、ソース誘導素子の実効抵抗（すなわち、ソースコイルの抵抗ＲＳ＋デバイスからの反射インピーダンス）は、
である。（同様に、デバイス誘導素子の実効抵抗は、
であり、ここで、Ｒｄは、デバイスコイルの抵抗である）。運動に起因するコイル間の相互インダクタンスの動的変化は、
の動的変化となる。それ故、ソースおよびデバイスの両方が動的に調整される場合、相互インダクタンスの変化は、ソース回路側からは、ソース誘導素子抵抗Ｒの変化として見られる。このタイプの変化では、Ｌが変化しないため、共振器の共振周波数は殆ど変化しないことに留意されたい。それ故、動的インピーダンス整合のために提示した全ての方法および例は、無線電力伝送システムのソース回路に対して使用得ることができる。
図９〜図１２で、抵抗Ｒは、ソースコイルとデバイスコイルのソースコイルへの反射インピーダンスの両方を表すので、Ｕの増加に起因してＲが増加するにつれ、関連する無線電力伝送効率が向上することに留意されたい。いくつかの実施形態では、ほぼ一定の電力が、デバイス回路によって駆動される負荷に必要とされ得る。デバイスに伝送される一定レベルの電力を達成するために、ソース回路の必要な出力電力は、Ｕが増加するにつれて減少する必要がある。動的インピーダンス整合が、増幅器パラメータのいくつかを調整することによって達成される場合、増幅器の出力電力は、それに応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、出力電力の自動変化は、一定のデバイス電力要件を満足するように、Ｒと共に単調に減少するのが好ましい。出力電力レベルが発電機の直流駆動電圧を調整することによって達成される実施形態において、Ｒに対して単調な出力電力の減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合設定を使用すると、直流駆動電圧の適度な調整のみで、デバイスの電力負荷に一定の電力を維持できることが理解されよう。出力電力レベルを調整するための「ノブ」が、インピーダンス整合回路網内のスイッチング増幅器またはコンポーネントのデューティサイクルｄｃまたは位相である、実施形態において、Ｒに対して単調な出力電力の減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合セットを使用すると、この電力「ノブ」の適度な調整のみで、デバイス内の電力負荷に一定の電力を維持できることが理解されよう。
図９〜図１２の例では、Ｒｓ＝０．１９Ωである場合、範囲Ｒ＝０．２−２ΩはほぼＵｓｄ＝０．３−１０．５に対応する。これらの値に対して、ソースおよびデバイスの両方が動的にインピーダンス整合されている場合、負荷に一定の電力レベルを維持するために必要とされる出力電力（直流電圧の２乗に正規化されている）が図１４に点線で示されている。実線および点線との間の同様の傾向が、出力電力のかかる変化を伴う調整可能なパラメータの組がなぜ好ましいかを明らかにする。
いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合はソース回路で達成されるが、インピーダンス整合はデバイス回路では達成されないか、または部分的のみ達成される。ソースコイルとデバイスコイルとの間の相互インダクタンスが変化するので、デバイスからソースへの変化する可変反射インピーダンスがソース誘導素子の実効抵抗Ｒおよび実効インダクタンスＬの両方に変化を生じ得る。これまでに提示した動的インピーダンス整合方法は無線電力伝送システムの調整可能なソース回路に適用可能で、使用することができる。
一例として、図１３の回路を考察し、ここでは、ｆ＝２５０ｋＨｚ、Ｃａ＝６４０ｐＦ、ＲＳ＝０．１９Ω、ＬＳ＝１００μＨ、Ｃ１Ｓ＝１０ｎＦ、ωＬ´Ｓ＝１０００Ω、Ｒｄ＝０．３Ω、Ｌｄ＝４０μＨ、Ｃ１ｄ＝８７．５ｎＦ、Ｃ２ｄ＝１３ｎＦ、ωＬ´ｄ＝４００ΩおよびＺｌ＝５０Ωであり、ここで、ｓおよびｄは、それぞれソースおよびデバイス共振器を示し、システムはＵｓｄ＝３で結合される。スイッチング増幅器のデューティサイクルｄｃおよびキャパシタＣ２Ｓの調整は、調整不能なデバイスがソースに対して相対的に移動し、ソースとデバイスとの間の相互インダクタンスＭを変化するので、共振器を動的にインピーダンス整合するために使用し得る。図１４では、調整可能パラメータの必要な値を増幅器の出力電力／直流電圧とともに示す。この場合も、点線は負荷の電力を一定値にするために必要とされる増幅器の出力電力を示す。
いくつかの実施形態では、ソースと１つまたは複数のデバイスとの間の無線電力伝送システムに対して、ソースで動的インピーダンス整合を達成するために、ソース駆動回路の駆動周波数ｆの調整が依然として使用される。前述の説明のとおり、この方法は、ソースインダクタンスＬＳ、したがってソース共振周波数の変化がある場合でも、ソースの完全な動的インピーダンス整合を可能にする。ソースからデバイスへの効率的な電力伝送のため、デバイス共振周波数は、整合した駆動およびソース共振周波数の変化に従うように調整されなければならない。ソースまたはデバイス共振器のいずれかの共振周波数が変化する場合は、デバイス容量（例えば、図１３の実施形態では、Ｃ１ｄまたはＣ2ｄ）の調整が必要である。実際には、複数のソースおよびデバイスを備える無線電力伝送システムでは、駆動周波数の調整は、１つのソース−対象物共振周波数のみを調整する必要に軽減するが、残りの全ての対象物もそれらの共振周波数を駆動周波数に一致するように調整する機構（調整可能容量など）が必要である。
共振器の熱管理
無線エネルギー伝達システムでは、無線伝達プロセス中に失われたエネルギーの一部が熱として散逸される。エネルギーは、共振器コンポーネント自体内で散逸し得る。例えば、高Ｑ導体およびコンポーネントでさえ、多少の損失または抵抗を有し、これらの導体およびコンポーネントは、電流および／または電磁場がそれらを流れる際に熱くなり得る。エネルギーは、共振器の周囲の材料または物体内で散逸し得る。例えば、不完全導体または共振器の周囲または近くの誘電体で散逸される渦電流は、それらの物体を加熱し得る。それらの物体の材料特性に影響を及ぼすことに加えて、この熱は伝達、輻射又は対流過程によって共振器コンポーネントに伝達され得る。これらの加熱効果のいずれも共振器Ｑ、インピーダンス、周波数などに影響し、ひいては無線エネルギー伝達システムに影響し得る。
磁性材料のブロックまたはコアを含む共振器では、ヒステリシス損失および誘導渦電流から生じた抵抗損失に起因して、磁性材料内で熱が発生され得る。両影響は材料中の磁束密度によって決まり、両方とも、特に、磁束密度または渦電流が集中または局在する領域内で、相当量の熱を発生し得る。磁束密度に加えて、振動磁場の周波数、磁性材料組成および損失、ならびに磁性材料の周囲または動作温度が、どのようにヒステリシス損失および抵抗損失が材料を加熱するかに影響し得る。
実施形態では、磁性材料の加熱を最小化するために、材料の種類、ブロックの寸法などの磁性材料の特性、ならびに磁場パラメータを、特定の動作電力レベルおよび環境に対して選択することができる。いくつかの実施形態では、磁性材料ブロックにおける変化、亀裂、または欠陥が、無線電力伝送用途における磁性材料の損失および加熱を増加させ得る。
欠陥のある磁性ブロック、または大きなユニットに配置された磁性材料の小さいタイルまたは断片からなる磁性ブロックに対しては、そのブロックにおける損失が不均一であり得、隣接する磁性材料のタイルまたは断片の間に不均等性または比較的狭い間隙がある領域に集中し得る。例えば、不規則な間隙が材料の磁性ブロック内に存在すると、その材料を通る様々な磁束経路の実効磁気抵抗が実質的に不規則になり、磁場は、磁気抵抗が最低であるブロックの部分により集中し得る。場合によっては、実効磁気抵抗は、タイルまたは断片の間の間隙が最も狭いか、または欠陥の密度が最も低いところで最低になり得る。磁気材料が磁場を導くので、磁束密度は実質的にブロック全域に亘って均一になり得ないで、相対的により低い磁気抵抗を提供する領域に集中し得る。磁性材料ブロック内の磁場の不規則な集中は、材料における不均一な損失および熱放散を生じ得る。
例えば、図１５に示すように、導体１５０６のループの軸に垂直な継ぎ目１５０８を形成するように結合された、磁性材料の２つの別個のタイル１５０２、１５０４から構成される磁性材料ブロックに巻かれた導体１５０６を含む磁気共振器を考察する。磁性材料タイル１５０２、１５０４の間の継ぎ目１５０８の不規則な間隙は、共振器内の磁場１５１２（破線の磁力線で概略的に表す）を、磁性材料の横断面の小領域１５１０内に集中させ得る。磁場は磁気抵抗の最も少ない経路をたどるので、磁性材料の２つの断片の間の空隙を含む経路は、磁性材料の断片が接触する点もしくはより小さい空隙を有する点において磁性材料の幅を横切る磁気抵抗経路よりも事実上高い磁気抵抗経路を生成し得る。磁束密度は、それ故、磁性材料の比較的小さい断面領域を優先的に流れ、結果として、その小領域１５１０に磁束の高い集中が生じる。
関心のある多くの磁性材料において、もっと不均一な流束密度分布がもっと高い総合損失を生じ得る。その上、もっと不均一な流束密度分布は材料飽和を生じ、磁束が集中する領域の局部加熱を引き起こし得る。局部加熱は、磁性材料の特性を変更し得、場合によっては損失を悪化させる。例えば、いくつかの材料の動作の関連状況では、ヒステリシスおよび抵抗損失が温度とともに増大する。材料の加熱が材料損失を増加させ、その結果、さらなる加熱となる場合、材料の温度が上昇し続け、是正処置が取られなければ、急騰さえし得る。ある場合には、温度が１００°Ｃまたはそれ以上に達し得、磁性材料の特性および無線電力伝送の性能を低下させ得る。ある場合には、磁性材料が損傷し得るか、または、周囲の電子部品、パッケージングおよび／または筐体が過度の熱によって損傷し得る。
実施形態では、磁性材料ブロックのタイルまたは断片の間隙の変化または不規則性は、磁性材料のタイル間の密着を確実にするためにタイルまたは断片のエッジ部を加工、研磨、研削することによって最小にすることができ、実質的により均一な磁気抵抗を磁性材料ブロックの横断面全体にわたって与えることができる。実施形態では、磁性材料ブロックは、タイルが隙間なくしっかりと締め付けられるようにするため、タイル間に圧縮力を提供する手段を必要としてもよい。実施形態では、タイルが密着したままにするため、タイル間に接着剤を使用してもよい。
実施形態では、隣接する磁性材料のタイルの不規則な間隔は、磁性材料の隣接するタイル間に意図的な間隙を追加することにより、減少させることができる。実施形態では、意図的な間隙は、磁性材料タイルまたは断片の間に均一または規則正しい分離を確保するスペーサとして使用し得る。可撓性材料の意図的な間隙は、タイルの移動または振動に起因する間隔の不規則性も減少し得る。実施形態では、磁性材料の隣接するタイルのエッジ部を電気絶縁材料でテーピング、ディッピング、コーティングして、渦電流がブロックの減少した断面積を流れるのを防ぎ、それによって材料の渦電流損失を低下させることができる。実施形態では、セパレータを共振器パッケージングに組み込んでもよい。スペーサは、１ｍｍ以下の間隔を与えるものとし得る。
実施形態では、タイル間のスペーサの機械的特性は、外部の衝撃および振動のみならず、本質的効果（例えば、磁気歪み、熱膨張など）に起因するタイルの寸法および／または形状の変化などの機械的効果に対する全体構造の公差を向上するように選択し得る。例えば、スペーサは、個々のタイルの膨張および／または収縮を吸収するために、所望量の機械的弾力性を有することができ、タイルが機械的振動にさらされる場合にタイルへの圧力を低減する役に立ち、したがって、磁性材料における亀裂および他の欠陥の出現を削減する役に立つ。
実施形態では、磁性材料ブロックから構成される個別のタイルを、共振器の双極子モーメントに垂直なタイル間の継ぎ目または間隙の数を最小にするように配置するのが好ましい。実施形態では、磁性材料タイルを、共振器を構成する導体のループによって形成される軸に垂直なタイル間の間隙の数を最小にするように配置および配向することが好ましい。
例えば、図１６に示す共振器構造について考察する。共振器は、３×２のアレイに配列された６つの個別のタイル１６０２を含む磁性材料ブロックに巻かれた導体１６０４を備える。このタイルの配列は、磁性材料ブロックを一方向に横切る２本のタイルの継ぎ目１６０６、１６０８、および磁性材料ブロックを直交方向に横切る１本のみのタイルの継ぎ目１６１０を生じる。実施形態では、共振器の双極子モーメントが最少数のタイルの継ぎ目に垂直になるように、導線１６０４を磁性材料ブロックに巻き付けるのが好ましい。本発明者等は、共振器の双極子モーメントと平行な継ぎ目および間隙１６０６、１６０８の周囲に誘導加熱が比較的少ないことに気付いた。共振器の双極子モーメントに垂直な継ぎ目および間隙は、クリティカルな継ぎ目またはクリティカルな継ぎ目領域とも呼ばれる。しかし、渦電流損失を削減するために、共振器の双極子モーメントと平行な間隙（１６０６および１６０８など）を電気的に絶縁するのが依然として望ましい。かかる平行な間隙によって分離されたタイル間の不均一な接触は渦電流を狭い接触点を経て流れせしめ、かかる接触点において大きな損失を生じ得る。
実施形態では、間隔の不規則性は、磁性材料が熱くなるときクリティカルな継ぎ目領域の十分な冷却で材料特性の局部的悪化を防ぐことによって許容することができる。磁性材料の温度を限界温度以下に維持すると、十分に高い温度によって生じる熱暴走を防ぎ得る。クリティカルな継ぎ目領域の適切な冷却によって、不規則な間隔、亀裂、またはタイル間の間隙に起因する追加の損失および加熱効果にもかかわらず、無線エネルギー伝達の性能を満足のいくものとすることができる。
磁性材料の過度の局部加熱を防ぐための共振器構造の効果的な放熱はいくつかの難題をもたらす。放熱板および熱伝導に一般に使用される金属材料は、無線エネルギー伝達のために共振器で使用される磁場と相互作用する可能性があり、システムの性能に影響する。それらの位置、サイズ、方向、および利用は、これらの放熱材料の存在下で、共振器の摂動Ｑを過度に低下させないように設計すべきである。さらに、フェライトなどの磁性材料の比較的低い熱伝導率のせいで、十分な冷却を提供するために放熱板と磁性材料との間に比較的大きな接触領域が必要とされ、磁気共振器に近接して相当量の損失性材料を配置することが必要になり得る。
実施形態では、共振器の十分な冷却を熱伝導材料の戦略的な配置によって、無線エネルギー伝達性能への最小限の影響で達成することができる。実施形態では、熱伝導材料のストリップを、導線のループ間に、磁性材料ブロックと熱的に接触して配置することができる。
熱伝導材のストリップを備えた共振器の一つの模範的な実施形態を図１７に示す。図１７Ａは、導電性ストリップがなく、間隙または継ぎ目を形成する磁性材料のより小さいタイルを含む磁性材料ブロックを有する共振器構造を示す。図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すように、熱伝導材料のストリップ１７０８は、導体のループ１７０２の間に、磁性材料ブロック１７０４と熱的に接触して配置される。共振器のパラメータへのストリップの影響を最小限にするため、いくつかの実施形態では、ストリップは導体のループに平行に、または共振器の双極子モーメントに垂直に配置するのが好ましい。導体のストリップは、できるだけ多くのタイル間の継ぎ目または間隙、特に、共振器の双極子モーメントに垂直なタイル間の継ぎ目を覆うように配置される。
実施形態では、熱伝導材料は、銅、アルミニウム、真鍮、熱エポキシ、ペースト、パッドなどとすることができ、共振器内の磁性材料の熱伝導率（いくつかの市販のフェライト材料に対して、〜５Ｗ／（Ｋ−ｍ））以上の熱伝導率を有する任意の材料とすることができる。熱伝導材料は導電性でもある実施形態では、この熱伝導材料は、短絡または、磁性材料もしくは共振器の導体ループとの直接電気接触を防ぐために、電気絶縁体の層または被覆を必要とし得る。
実施形態では、熱伝導材料のストリップが、熱を共振器構造から、熱エネルギーを安全に散逸できる構造または媒体へ伝導するために使用される。実施形態では、熱伝導性ストリップは、これらのストリップの上方に配置され、受動もしくは強制対流、放熱、または環境への伝導によって熱エネルギーを散逸し得る大きな板のような放熱板に接続される。実施形態では、システムは任意の数の能動冷却システムを含むことができ、これらの冷却システムは、共振器構造の外部または内部にあって、熱伝導性ストリップから熱エネルギーを散逸できる、液体冷却システム、強制換気システムなどを含むことができる。例えば、熱伝導性ストリップは、中空であるか、または、磁性材料を冷却するために、ポンプで注入されるかまたは押し出される冷却液のための経路を含み得る。実施形態では、良導体（銅、銀、アルミニウムなど）で作られたフィールド偏向器が放熱器の一部として２つの役割をなし得る。磁性材料とフィールド偏向器との間のスペースに熱および電気伝導性ストリップを追加すると、そのスペース内の電磁場が概してフィールド偏向器の存在によって抑制されるので、摂動Ｑに対して限界効果を与え得る。かかる伝導性ストリップは、異なるストリップの間の温度分布をより均一にするために、磁性材料およびフィールド偏向器の両方に熱的に接続することができる。
実施形態では、熱伝導性ストリップは、少なくとも１つの導体ループが磁性材料に巻き付けることができるように間隔が空けられる。実施形態では、熱伝導材料のストリップは、磁性材料の間隙または継ぎ目のみに配置し得る。他の実施形態では、ストリップは、実質的にその全長にわたって、磁性材料と接触接するように配置し得る。他の実施形態では、ストリップは、磁性材料内の流束密度に適合するように分布し得る。共振器の通常動作下でより高い磁束密度をもち得る磁性材料領域は、熱伝導性ストリップとより高い接触密度を持ち得る。例えば、図１７Ａに示す実施形態では、磁性材料内の最も高い磁束密度は、磁性材料ブロックの中心に向かって認められ、より低い密度は、共振器の双極子モーメントの方向のブロックの端部に向かって認められる。
熱伝導性ストリップの使用が、潜在的なホットスポットにおける温度のみならず、磁性材料全体の温度を下げるのにどのように役立つかを示すために、本発明者は、図１７Ｃに示すもと同様の共振器構造の有限要素シミュレーションを実行した。シミュレーションした共振器構造は、２３５ｋＨｚの周波数で動作し、寸法が３０ｃｍ×３０ｃｍ×５ｍｍの磁性材料ＥＰＣＯＳ Ｎ９５のブロックを備え、該ブロックは（構造の対称面から２５ｍｍ、４０ｍｍ、５５ｍｍ、９０ｍｍおよび１０５ｍｍのところで対称的に配置された）リッツ線の１０ターンで駆動され（各ターンに４０Ａのピーク電流が流される）、構造の対称面から７５ｍｍ、０ｍｍ、および＋７５の位置に中心軸が位置する３本の３×３／４×１’のアルミニウム（合金６０６３）の中空正方形管（肉厚１／８”）によって５０ｃｍ×５０ｃｍ×４ｍｍの場偏向器に熱的に接続されている。場偏向器および中空管に起因する摂動Ｑが（中空管のない同一構造に対する１７１０に比べて）１４００であることが分かった。シールドおよび管において散逸した電力は３５．６Ｗと計算され、他方、磁性材料において散逸した電力は５８．３Ｗであった。構造が空気対流および放熱および２４℃の周囲の温度によって冷却されると仮定すると、構造内の最高温度は（中空管の間のほぼ中間にある磁性材料内の点において）８５℃であり、他方、中空管に接触している磁性材料の部分の温度は約６８℃であった。比較すると、熱伝導性中空管のない同一の共振器は、同一の４０Ｗピークの励磁電流に対して磁性材料において６２．０Ｗを消費し、磁性材料における最高温度が１１１℃であることが分かった。
導電性ストリップの利点は、管と良い熱的接触にある磁性材料の一部に欠陥が取り込まれる場合に、一層明らになる。磁性材料の中心に置かれ、かつ、双極子モーメントに垂直に配向された、長さ１０ｃｍおよび０．５ｍｍの空隙は、磁性材料において消費される電力が６９．９Ｗ（前述した欠陥のない例に比べて増えた１１．６Ｗは、その空隙の近くに高度に集中している）まで増加するが、導電性管は、磁性材料の最高温度は１１℃〜９６℃の比較的経度の上昇のみであることを保証する。対照的に、導電性管のない同じ欠陥は、その欠陥の近辺で１６１℃の最高温度となる。対流および放熱以外の冷却システム、例えば導電性管本体を大きな熱質量と熱的に接続することまたはそれらを能動的に冷却することは、同じ電流レベルで、この共振器に対するさらに低い動作温度をもたらす。
実施形態では、材料の熱伝導性ストリップは、磁性材料内に不規則な間隙を生じ得る亀裂が入る最も高い可能性を有し得る領域に配置し得る。かかる領域は、材料上に高応力もしくは歪みのある領域、または共振器のパッケージングからの支持または補強が弱い領域であり得る。戦略的に配置された熱伝導性ストリップは、亀裂または不規則な間隙が磁性材料内にできる時に、磁性材料の温度がその限界温度以下に維持されることを確実にし得る。限界温度は、磁性材料のキュリー温度、または共振器の特性が所望の性能パラメータを超えて劣化される任意の温度として定義され得る。
実施形態では、放熱構造は、磁性材料に対する機械的支持を提供し得る。実施形態では、放熱構造は、共振器に対して、外部の衝撃および振動のみならず、（熱膨張、磁気歪みなどに起因する）その素子の固有の寸法の変化に対する非常に大きな耐性を提供するように、（例えば、構造の異なる素子と熱的に接続するための適切な機械的特性を有するエポキシ、熱パッドなどを用いることにより）所望の量の機械的弾力性を有し、亀裂および他の欠陥が生じるのを防ぐように設計することができる。
共振器が、磁性材料に巻かれた直交巻線を含む実施形態では、導体材料のストリップを、２つの直交する隣接したループの組によって区切られた領域内の磁性材料と熱的に接触するように配置し得る。実施形態では、ストリップは、磁性材料と少なくとも１つの点で熱的に接触しながら、少なくとも１つの直交巻線の導体の周囲に嵌合する適切な刻み目を含み得る。実施形態では、磁性材料は、隣接するループの間に置かれた、いくつかの熱伝導性ブロックと熱的に接触させることができる。熱伝導性ブロックは、次いで、良熱導体によって熱的に相互に接続および／または放熱することができる。
本明細書の記述全体を通して、熱伝導性材料のストリップという用語は、材料の形状の模範的な実例として使用されており、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、任意の形状および外形を代用することができることを理解すべきである。正方形、楕円形、ストリップ形状、ドット形状、細長形状などは全て本発明の精神の範囲内である。
無線エネルギー伝送システム内の通信
無線エネルギー伝送システムは、エネルギーが指定のソースから指定のデバイスへ伝送されていることを確実にする検証（確認）ステップを必要とする。無線エネルギー伝送システムにおいて、ソース及びデバイスは物理的接触を必要とせず、センチメートル以上の距離だけ離間することができる。複数のソースまたは複数のデバイスが互いに無線電力伝送範囲内にある幾つかの実施形態では、相互間で電力を伝送するソース及びデバイスを決定または検証する必要があり得る。
エネルギー伝送の検証は、帯域外通信チャネルを無線エネルギー伝送システムで使用する際に重要である。帯域外通信チャネルは無線エネルギー伝送システムの異なるコンポーネント間で電力を伝送するために使用できる。ソース及びデバイス間の通信または複数のデバイス、ソースなどの間の通信は、効率、電力供給などを最適化すべく無線エネルギー伝送を制御するため、または無線エネルギー伝送システムのパラメータを調整するために使用することができる。
幾つかの実施形態では、すべてのシグナリング及び通信は、エネルギー伝送のために使用されるのと同じ電磁場を使用する帯域内通信チャネルを使用して実行してもよい。帯域内通信チャネルのみの使用は、別個の検証ステップを必要としない利点を有し得る。しかし、幾つかの実施形態では、別個の帯域外通信チャネルがより望ましい。帯域外通信チャネルは安価で、高いデータ速度をサポートし得る。近距離無線通信を使用しない帯域外通信チャネルは長距離をサポートし、共振器の発見を可能にする。その上、別個の帯域外通信チャネルは電力を共振器に供給する必要がなく、さらに通信は電力伝送を中断することなく行うことができる。
帯域外通信チャネルはエネルギー伝送のために共振器により使用される磁界を使用しないチャネルである。この通信チャネルは、エネルギー伝送共振器及び磁界から切り離された別のアンテナ及び別のシグナリングプロトコルを使用し得る。共振器を使用しない、もしくはエネルギー伝送に使用される磁界を変調しない帯域外通信チャネルは、システムの有効または有用なエネルギー伝送レンジと異なるレンジまたは有効距離を有し得る。無線エネルギー伝送は数センチ或いは３０ｃｍ以上の有効レンジを持ち得るが、帯域外通信チャネルは、ブルートゥス、ワイファイ、ジグビー技術などを使用もしくは該技術に基づくものとすることができ、数メートル或いは数百メートル以上でさえも有効にし得る。この、距離、性能または能力の差は無線エネルギー伝送システムの制御に影響を与え得る。
例えば、図１８に示す無線エネルギーシステムの配置について考察する。このシステムは、それぞれ帯域外通信モジュール１８０４、１８１８を有する２つのデバイス共振器１８０２、１８１６及びそれぞれ自己の帯域外通信モジュール１８０８、１８１２を有する２つのソース共振器１８０６、１８１０を備える。このシステムは、エネルギー伝送を調節及び調整するために帯域外通信チャネルを使用することができる。この通信チャネルは、近くにある共振器を発見または見つけ出し、電力伝送を開始し、個々の共振器の電力出力、周波数などを調整するために使用できる。
場合によっては、デバイス共振器は１つのソースと誤って通信するが、別のソース共振器からエネルギーを受信することがある。エネルギー伝送チャネルと通信チャネルの不一致は、エネルギー伝送を調整するため、即ち共振器の動作点調整に使用される通信が無線エネルギー伝送チャネルのパラメータに影響を与えないため、性能、安全及び信頼性の問題を生じ得る。
ある場合には、デバイス共振器１８０２は図１８に示すようにソース共振器１８０６の１つのみと近接して強い結合を有するが、デバイス共振器１８０２から遠く離れて位置する他のソース共振器１８１０と弱い結合を有し得る。場合によっては、干渉や妨害などのために、帯域外通信信号は、共振器間に弱い結合を有するソース１８１０及びデバイス１８０２のペアよりも強い共振器間結合を有するソース１８０６及びデバイス１８０２のペアがエネルギー伝送に使用されるように機能しないことがあり得る。別のデバイス１８１６がソース１８０６と無線エネルギー伝送を開始する場合、デバイス１８０２は遠くにあるソース１８１０との帯域外通信チャネル１８１４を持ちながら近接するソース１８０６から電力を受信できる。従って、デバイス１８０２がエネルギー伝送を調整する試みは、デバイス１８０２がエネルギーを受信しているソースと通信できないために失敗する。
この通信及び制御チャネルとエネルギー伝送チャネルとの間の切断のために、他のシステムレベルの信頼性及び制御問題が発生し、セキュリティ及び安定性に脆弱性を生じ得る。無線エネルギー伝送チャネルの別の検証システムが必要であり得る。当業者であれば、上記の例はその必要性を示す一例にすぎないが、システムの多くの構成又は配置が明示的又は暗黙的エネルギー検証ステップの恩恵を受けることができることを認識されよう。
実施形態では、これらの起こり得る問題は、エネルギー伝送チャネル及び通信チャネルが同じ外部ソース又はデバイスと関連するソースにより使用されることを確実にする追加の検証ステップを提供することによって避けることができる。
実施形態では、検証ステップは、無線エネルギー伝送チャネルを経由する情報交換又はシグナリングを含む。エネルギー伝送チャネル又はエネルギー伝送チャネルの電磁場を用いる通信又は情報交換を含む検証ステップは帯域外通信チャネルの対応する正確性を検証するために使用することができる。
帯域外通信チャネルを用いる実施形態では、検証ステップは暗黙的又は明示的とし得る。いくつかの実施形態では、検証は暗黙的とし得る。実施形態では、エネルギー伝送チャネルは、帯域外通信に応答してエネルギー伝送チャネルの動作を監視し、期待される動作パラメータと比較することによって暗黙的に検証することができる。エネルギー伝送チャネルは、エネルギー伝送チャネルの動作及びパラメータを帯域外通信に応答して監視することによって暗黙的に検証することができる。例えば、エネルギー伝送の増加が期待される帯域外通信交換後に、無線エネルギー伝送に使用される無線エネルギー伝送チャネル及び共振器のパラメータを監視することができる。デバイスで観測される配給電力の増大は、帯域外通信チャネル及びエネルギー伝送チャネルが正しく確認されたことを推察するために使用することができる。
実施形態では、暗黙的検証ステップは、無線エネルギー伝送のパラメータ又は無線エネルギー伝送に使用される共振器及びコンポーネントのパラメータのうちのいくつかを監視することを含むことができる。実施形態では、電流、電圧、インピーダンス、周波数、効率、温度などを監視し、帯域外通信交換の結果として期待される値、傾向、変化などと比較することができる。
実施形態では、ソース又はデバイスユニットは、測定されたパラメータと、通信交換の結果としてこれらのパラメータに対して期待される値、傾向、変化とを含むテーブルを保持することができる。ソース又はデバイスは、通信の履歴及び観測されたパラメータ変化を格納し、エネルギー伝送チャネルを評価するために使用することができる。場合によっては、通信交換に起因する単一の予期せぬパラメータ変化は、帯域外チャネルが誤ってペアになっていると決定するには十分に決定的ではない。いくつかの実施形態では、検証の実行のためにパラメータ変化の履歴を数回又は多数回の通信交換に亘って走査又は監視することができる。
帯域外通信を用いて無線エネルギー伝送システムのエネルギー伝送チャネルを暗黙的に検証するために使用し得るアルゴリズムの一例の一連のステップが図１９に示されている。最初のステップ１９０２において、ソース及びデバイス間に帯域外通信チャネルを確立する。次のステップ１９０４において、ソース及びデバイスは無線エネルギー伝送のパラメータ又は無線エネルギー伝送に使用されるコンポーネントのパラメータの調整に関して情報を交換する。帯域外通信チャネルでの情報交換は、エネルギー伝送を制御及び調整するためにシステムの通常動作で使用される通常の交換とすることができる。いくつかのシステムでは、帯域外通信チャネルは暗号化して盗聴、なりすましなどを防止することができる。次のステップ１９０６において、ソース及びデバイス又はソースのみ又はデバイスのみは無線エネルギー伝送のパラメータの変化又はエネルギー伝送に使用されるコンポーネントのパラメータの変化を監視し、追跡記録することができる。追跡記録した変化を帯域外通信交換の結果として期待されるパラメータの変化と比較することができる。観測されたパラメータの変化の１つ又は複数が期待されるパラメータの変化に一致しないとき、検証は失敗とみなされる。
無線エネルギー伝送システムの幾つかの実施形態では、検証は明示的とすることができる。実施形態では、ソース又はデバイスは、検証可能な信号をエネルギー伝送チャネルを介してソース又はデバイスに送る又は提供するために、無線エネルギー伝送のパラメータ又は無線エネルギー伝送に使用される共振器のパラメータを変更、ティザリング、変調などすることができる。明示的検証は、無線エネルギー伝送の幾つかのパラメータ又はエネルギー伝送に使用される共振器及びコンポーネントのパラメータを検証の明示的目的のために変化、変更、変調などすることを含むことができ、エネルギー伝送の最適化、調整又は調節と関連させなくてよい。
別の無線エネルギー共振器とシグナリング又は通信する目的のために行われる無線エネルギー伝送の幾つかのパラメータ又はエネルギー伝送に使用される共振器及びコンポーネントのパラメータの変化、変更、変調などは帯域内通信と呼ばれる。帯域内通信はエネルギー伝送に使用される電磁場又は構造を使用することを特徴とする。帯域内通信チャネルは、無線エネルギー伝送に使用される磁場又は共振器のパラメータを変調することによって、無線エネルギー伝送共振器及びコンポーネントの一部分として実装することができる。情報は１つの共振器から別の共振器へ、それらの共振器のパラメータを変化させることによって送信することができる。インダクタンス、インピーダンス、抵抗などのパラメータは１つの共振器によりディザ又は変化させることができる。これらのインピーダンス変化は信号中の共振器の周囲の他の共振器のインピーダンス、抵抗又はインダクタンスに影響を与え得る。これらの変化はそれら自体電圧、電流等の対応するディザとして共振器上に現れ、検出してメッセージに復号することができる。実施形態では、帯域内通信はエネルギー伝送に使用される磁界の電力レベル、周波数などを変更、変化、変調などすることを意味する。
実施形態では、明示的帯域内検証は帯域外通信チャネルが確立された後に実行することができる。帯域外通信チャネルを用いて、ソース及びデバイスは電力伝送能力及び帯域内シグナリング能力に関する情報を交換することができる。その後ソース及びデバイス間で無線エネルギー伝送を開始することができる。ソース又はデバイスは、他のソース及びデバイスに、帯域外通信チャネルとエネルギー伝送チャネルとの間の接続を検証するように帯域内通信チャネルを用いて信号することを要求することができる。帯域外通信チャネルで確立された合意シグナリングが帯域内通信チャネルで観測されるとき、チャネルは検証される。
実施形態では、検証はエネルギー伝送開始時のようなエネルギープロトコルの特定の又は所定の時間にのみ実行することができる。他の実施形態では明示的検証を無線エネルギー伝送システムの通常動作中に周期的に実行することができる。検証ステップは、無線エネルギー伝送の効率又は特性が変化し、物理的配置が変化したことを信号するとき、トリガすることができる。実施形態では、通信コントローラがエネルギー伝送特性の履歴を維持するとともに、特性の変化が観測されたとき、共振器を用いるシグナリングを含むエネルギー伝送の検証を開始することができる。エネルギー伝送特性の変化は、共振器または共振器及び電力及び制御回路のコンポーネントのエネルギー伝送の効率、インピーダンス、電圧、電流などで観測することができる。
当業者であれば、メッセージを伝送し得るシグナリング及び通信チャネルは任意の数の暗号化、認証及びセキュリティアルゴリズムで保護することができる。実施形態では、帯域外通信を暗号化し、保護された通信チャネルを帯域内チャネルの検証のためにランダムシーケンスを送信するために使用することができる。実施形態では、帯域内通信チャネルは任意の既知のセキュリティ及び暗号化プロトコル及びアルゴリズムによって暗号化、ランダム化、もしくは保護することができる。セキュリティ及び暗号化アルゴリズムはソースとデバイスとの適合性を認証及び検証するために使用でき、認証及び検証のために公開鍵インフラストラクチャ（ＰＫＩ）及び二次通信チャネルを使用することができる。
ソース及びデバイス間のエネルギー伝送システムの実施形態では、デバイスが所望の又は想定のソースからエネルギーを受信することを確実にするためにデバイスがエネルギー伝送チャネルを検証することができる。デバイスが所望の又は想定のソースからエネルギーを受信することことを確実にするためにソースがエネルギー伝送チャネルを検証することもできる。いくつかの実施形態では、検証は双方向とすることができ、ソース及びデバイスの両方がそれらのエネルギー伝送チャネルを１ステップ又はプロトコル処理で検証することができる。
帯域外通信チャネルを用いて無線エネルギー伝送システムのエネルギー伝送チャネルを明示的に検証するために使用できるアルゴリズムの一例の一連のステップが図１９Ｂに示されている。最初のステップ１９０８において、ソース及びデバイス間に帯域外通信チャネルを確立する。次のステップ１９１０において、ソース及びデバイスは、無線エネルギー伝送チャネルを経て送信し得るシグナリングプロトコル、方法、スキームなどについて連携もしくは同意することができる。盗聴を防止し保護を提供するために、帯域外通信チャネルを暗号化することができ、ソース及びデバイスを任意の数の既知の暗号化認証プロトコルに従わせることができる。暗号化プロトコルでエネイブルされるシステムでは、認証コードはチャレンジ−レスポンス型交換とすることができ、これは追加のレベルのセキュリティ及び認証能力を提供することができる。例えば、デバイスはソースに、デバイスが帯域外通信チャネルを介してソースに送るランダム検証コードを共有秘密鍵又は個人鍵を用いて暗号化することを要求する。帯域外通信チャネルで送信された検証コードはその後帯域内通信チャネルでシグナリングされる。ソース及びデバイスが暗号化プロトコルでエネイブルされる場合には、帯域内通信チャネルでシグナリングされる検証コードは可逆的暗号化関数で送信者により暗号化又は変更することができ、受信者は、送信者を認証するとともに帯域内通信チャネルが帯域外通信チャネルと関連する同じソース又はデバイスとリンクされていることを検証することができる。
検証が失敗である状態では、無線エネルギー伝送システムは妥当性確認を再度試みることができる。幾つかの実施形態では、システムは帯域内通信チャネルを用いてシグナリングのために別の検証シーケンスを実行することによって無線エネルギー伝送チャネルの妥当性を再確認する。幾つかの実施形態では、システムは、帯域内通信チャネルを検証する試みが失敗した後に、帯域内通信チャネルを検証するために使用する情報のシーケンスまたはタイプを変化または変更させることができる。システムは、帯域内通信検証コードのシグナリングのタイプ、プロトコル、長さ、複雑さ等を変化させることができる。
幾つかの実施形態では、帯域内通信チャネルの検証の失敗時に、システムは、帯域内通信チャネルのシグナリング方法のパワーレベル、変調の強さ、変調の周波数などを調整することができる。例えば、デバイスによるソースの検証の失敗時に、システムはより高いエネルギー伝送レベルでの検証を試行することができる。システムはソースの電力出力を増大し、より強い磁界を発生させることができる。別の実施形態では、デバイスによるソースの検証の失敗時に、検証コードをデバイスに送ったソースはシグナリングのためのソース共振器のインピーダンスの変化を増大することができ、２倍にすることもできる。
実施形態では、エネルギー伝送チャネルの検証の失敗時に、システムは帯域外通信チャネルを用いて他の可能なソースまたはデバイスの探索、検出または発見を試みることができる。実施形態では、無線エネルギー伝送のための他の可能な候補を見つけ出すために帯域外通信チャネルを使用することができる。幾つかの実施形態では、システムは誤ったペアリングを最小にするために帯域外通信チャネルの出力電力またはレンジを変化もしくは調整することができる。
帯域外通信チャネルは、幾つかのモード、即ちソースを検出する長距離モード及び近接して位置する別のデバイスまたはソースとの通信を保証する短距離または低電力モードにするために電力変調することができる。実施形態では、帯域外通信チャネルを各アプリケーションに対する無線チャネルの距離に適合させることができる。エネルギー伝送チャネルの検証の失敗後に、無線エネルギー伝送のために他の可能なソースまたはデバイスを検出するために、帯域外通信チャネルの出力電力をゆっくり増大することができる。上述したように、帯域外通信チャネルはエネルギー伝送チャネルの干渉及び妨害と異なる干渉及び妨害を示す可能性があり、帯域外通信チャネルに対してより高い電力レベルを必要とするソース及びデバイスは無線エネルギー伝送を可能にするために十分に近接して位置させることができる。
幾つかの実施形態では、帯域外通信チャネルは、エネルギー伝送のために十分に近接した位置及び向きにある別のソースまたはデバイスとの通信の確立のみを確実にするために、シールディングまたはポジショニングによって閉じ込められ区域（即ち車両下部）内でのみ有効になるように、方向付け、配置し、集中させることができる。
実施形態では、システムは、帯域外通信チャネルを確立するために、または帯域内エネルギー伝送チャネルを検証するために、１以上の補助情報源を使用することができる。例えば、帯域外通信チャネルの最初の確立時に、最もエネルギー伝送の成功の確率の高いペアを決定するために、エネルギーソースまたはデバイスの位置を既知の位置またはマップされた位置または無線ソースまたはデバイスの位置のデータベースと比較することができる。帯域外通信チャネルの発見はＧＰＳ受信機からのＧＰＳデータ、位置センサからのデータなどで補完することもできる。
無線エネルギー伝送部を備えた光電池（ＰＶ）パネル
太陽ＰＶパネルからの電力を内部捕捉モジュールまたは他の太陽ＰＶパネルへ無線伝送するために、ソース共振器及び捕捉共振器使用し得るシステムについて記載する。実施形態では、太陽ＰＶパネルは、太陽ＰＶパネルからの太陽発電電力を別の太陽ＰＶパネルの一部分である、または建物、車輌、ボートなどの内部にある、またはパネルの取り付け構造の一部分である１以上の共振器に伝送する１以上の共振器を有する。
実施形態では、１以上の共振器を太陽ＰＶパネルアセンブリに組み込むことができる。これらの共振器はパネルの周縁部に組み込む、またはパネルの光電池素子の下部に取り付けることができる。これらの共振器は、パネルの背後に配置される共振器との効率的な結合を可能にするためにＰＶパネルの平面にほぼ垂直に磁界を発生するように設計し正しく配置することができる。実施形態では、ＰＶパネルに組み込まれる共振器は、パネルの側面上にあるこれらの共振器と効率的な結合を可能にするためパネルの表面にほぼ平行に磁界を発生するように設計し、正しく配置することができる。共振器が組み込まれた実施形態では、物理的なまたは直接的な電気接点を必要としない。
図２０は矩形のＰＶパネル２００２を示し、３つの組み込み共振器の輪郭によって幾つかの可能な共振器の向き及び位置が示されている。共振器はパネルの周縁部２００１内に組み込むことができる。共振器はＰＶパネルの内部または背後の任意の位置２００３に配置することができ、様々な大きさ及び向きにするすることができ、例えば共振器２００４は磁界がパネルのコーナ部から出て行くように向けられている。図には示されていないが、共振器は共振器からの摂動及び損失を低減するために適切なシールディング及び磁場ガイドを含むことができる。
実施形態では、ＰＶパネルの共振器はパネル本体アセンブリの外部とすることができる。ＰＶパネルはケーブルまたはワイヤコネクタで共振器に取り付けることができる。この実施形態では、共振器の位置及び向きはＰＶパネルの位置と独立に選択し、変えることができ、システムの取り付け及び位置決めがより柔軟になる。この実施形態では、ＰＶパネルの共振器はＰＶパネルを動かす必要なしに受信共振器と整列させることができる。図２１はＰＶパネルにワイヤ２１０２で接続された外部共振器２１０１を備えるＰＶパネル２１０３の実施形態を示す。
実施形態では、ＰＶパネルは１以上の共振器を含むことができる。ＰＶパネルは１以上の内部共振器を含むとともに、１以上の外部共振器を有することができる。これらの共振器は、ＰＶパネルに対して様々な向き及び位置にある共振器へのエネルギー伝送が可能になるように様々な方向に整列させ、位置させることができる。実施形態では、ＰＶパネルの複数の共振器を他の共振器への電力伝送及び他の共振器からの電力受信に同時に使用することができる。例えば、ＰＶパネルの１つの共振器は別のＰＶパネルからの電力を受信するために使用し、他の共振器の１つは電力をデバイスまたは屋内の共振器に伝送するために使用することができる。ＰＶパネルシステムは、それぞれ異なる共振器構造に従って様々なパネル設計を採用することができる。
組み込み共振器を備えるパネルでは、パネルは孔、フィードスルー、配線またはコネクタを不要にし得る。ＰＶパネル及び共振器を制御する電子機器はすべてパネル内に組み込むことができる。従って、パネルは完全に密封された防水構造にすることができ、水分、ほこり、ちり、虫などに対する完全な保護が得られる。幾つかの実施形態では、ＰＶパネルの筐体は、効率的な磁気結合を可能にし、エネルギー伝送の損失を最低にするために、部分的にまたは全体的に透磁性材料で構成するのが好ましい。幾つかの実施形態では、透磁性材料により構成されるＰＶパネルを所定の位置に保持するために磁石を用いることができる。ＰＶパネルは任意の大きさ、形状及び寸法にすることができ、図示の幾何形状に限定されない。共振器及びＰＶパネルは任意の幾何形状にすることができ、例えば車輌の外形に合う形にすることができる。共振器及びＰＶパネルは可撓性またはヒンジ支承とし、それらが使用時にチューブ内に巻き込まれるもしくは折りたたまれるように設計することができる。
本発明によれば、ＰＶパネル共振器からデバイス給電用共振器または建物、車輌などの電気回路網に結合された共振器に電力を無線で伝送することができる。
一実施形態では、共振器を備えたＰＶパネルはデバイスを直接無線で給電することができる。ＰＶパネルの磁気共振器に結合し得るデバイスはエネルギーを無線で受信してそれらの電子機器を給電する、または電池を充電することができる。デバイス共振器はＰＶパネルの共振器に結合するように調整することができる。無線電力伝送のための組み込み共振器または外部共振器を備えたＰＶパネルは多くの環境及び用途向けに開発することができる。ＰＶパネルは、太陽エネルギーからの無線電力を供給するために、車輌、建物、ツールボックス、飛行機及び他の構造物上に永久的にまたは一時的に装着または載置することができる。無線電力伝送によれば、デバイスをＰＶパネルに接続するための配線が不要であり、従ってＰＶパネルは電力を必要とする区域に容易に設置または取り付けることができる。
例えば、図２２に示すように、上述した無線電力伝送共振器を備えたＰＶパネルを車輌の屋根２２０２、トランク２２０３、サイドパネル２２０４またはフード２２０１に取り付けることができる。ＰＶパネルからのエネルギーは、車輌内の電子機器を給電または充電するために、ＰＶパネルの共振器によって、車輌の屋根、トランク、サイドパネルまたはフードを通して無線伝送することができる。共振器を備えたデバイスはＰＶパネルの共振器に直接結合し、電力を受信することができる。携帯電話機、ラップトップ、ゲームコンソール、ＧＰＳデバイス、電気ツールなどのデバイスは、これらのデバイスが車輌の暗い閉鎖空間内にあっても、配線の必要なしに、太陽電池により得られたエネルギーにより無線で充電または給電を受けることができる。無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは、例えばピックアップトラックの最上部にまたは荷台の上方に取り付けられ、トラックの後部に格納し得る電池または電池駆動ツールの無線充電を可能にすることができる。
別の実施形態では、ＰＶパネルは車輌の外部に取り付けることができる。車輌の電気系統に結合された車輌の屋根、フードまたはトランクの下などの車輌内部の捕捉共振器はＰＶパネルの共振器からのエネルギーを捕捉することができる。太陽電池エネルギーは車輌の給電、電池の充電または車輌の他の周辺デバイスの給電に使用できる。無線電力伝送によれば、ＰＶパネルはパネルと車輌との間にハードワイヤ接続を必要とすることなく車輌に取り付けることができ、また後付けすることもできるため、取り付けが簡単であるとともに、必要に応じ素早く取り外すこともできる。
別の実施形態では、無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは、図２３に示すように、日よけ傘または日傘の上面に組み込むことができる。傘の上面に設けられた内部または外部共振器付きのＰＶパネル２３０３，２３０４，２３０５，２３０６は、日傘または日よけ傘の下の日陰に置かれたラップトップ２３０２または携帯電話機２３０１などの使用可能なデバイスに電力を伝送することができる。
他の実施形態では、無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは、家、車輌等の有線配電系統または電気系統に直接結合された共振器に、外部ＰＶパネルと内部電気系統との間の直接的な接触を必要とすることなく、電力を伝送するために使用することができる。例えば、上記の共振器を備えた太陽ＰＶパネルは建物、車輌などの外部に直接取り付けることができる。共振器は建物、車輌などの内部に取り付け、その構造物の電気系統に接続することができる。内部の共振器は外部のＰＶパネルからの電力を受信し、そのエネルギーを構造物の電気系統に伝送することができ、この電気系統に接続されたデバイスを給電することができる。実施形態では、ＰＶパネルから共振器により受信された電力はグリッド（配電網）へと伝送できるように調整することができる。例えば、１以上の捕捉共振器の電力をインバータに供給し、このインバータが電力をグリッドに供給するようにし得る。
例えば、図２４に示すように、無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは建物の外屋根の上に取り付けることができる。建物の電気系統に結合された共振器はＰＶパネルの背後の屋根の内部底面に取り付けることができる。外部ＰＶパネルからの電力は、配線のために建物の外壁の穿孔や穿通を必要とすることなく建物の内部電気系統に伝送することができる。その後ＰＶパネルからの太陽エネルギーは建物の有線電気系統に接続された電気デバイスで利用することができる。ＰＶパネルから捕捉された電気エネルギーは送電網に取り付けることができるブレーカパネルに供給することもできる。
無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは多数のＰＶパネルの設置及び接続を簡単にすることができる。無線電力伝送部はいくつかのＰＶパネルからの電力の捕捉及び接続に利用でき、それらをシステムの一部とすることができる。
多数のＰＶパネルを用いる一実施形態では、各パネルは無線電機系統に結合された対応するデバイス又は共振器に電力を伝送する１以上の共振器を有することができる。例えば、建物の屋根の上に設置されたＰＶパネルの各々は電気系統に結合された対応する捕捉共振器を建物の内部に有する。例えば、車の外部に設置されたＰＶパネルの各々は車内の様々なデバイス共振器に無線結合する。このような実施形態では各ＰＶパネルは他のＰＶパネルと独立である。このようなシステムの屋上配置例が図２５に示されている。図中の各ＰＶパネル２５０２は、エネルギーを屋根２５０１を通して屋内に取り付けられた共振器（図示せず）に伝送する共振器２５０３を有している。
多数のＰＶパネルを備える別の実施形態では、これらのパネルは１以上の指定のパネルへ／から電力を伝送又は捕集するために相互間で無線電力伝送を利用することができる。この実施形態では、数個の指定のパネルのみが電気系統に結合されたデバイス又は共振器に電力を伝送することができる。エネルギーは１つ又はいくつかの点に収集され伝送される。このような実施形態では、隣接するＰＶパネルは互いに依存するが、パネルと電気系統の間に何の配線も必要としないので、故障時に容易に設置又は交換することができる。このようなシステムの屋上配置例が図２６に示されている。１つ又は複数のパネル２６０６は建物内の共振器にエネルギーを伝送する共振器２６０５を有する。他の共振器からのエネルギーは、建物内にエネルギーを伝送できるパネルに到達するまでパネルからパネルへ無線伝送される。例えば図２６において、パネル２６０１はエネルギーをその隣のパネル２６０２に、それらの結合された共振器２６０７，２６０８を介して伝送することができる。同様に、パネル２６０２はそのエネルギー及びパネル２６０１からのエネルギーを結合された共振器２６０３，２６０４を介してパネル２６０６に伝送することができる。パネル２６０６はその後パネル２６０１，２６０２，２６０６からのエネルギーを建物内の共振器(図示せず)に伝送することができる。
多数のＰＶパネルを備える別の実施形態では、多数のパネルからの電力を無線で受信する追加の接続構造を使用することができる。共振器の構造体はＰＶパネルの下又は隣に置かれる取付けストリップに取り付けられるものとすることができる。ＰＶパネルの共振器はそれらのエネルギーをストリップ上の共振器に無線で伝送することができる。ストリップに接続された１つ又は数個の共振器はすべてのパネルからの電力をデバイス又は電気系統に結合された内部共振器に伝送することができる。このようなシステムでは、共振器ストリップを一旦設置すると、パネルを除去すること又はパネルを接続構造の上又は近くに設置することによってパネルを追加することができる。このようなシステムの屋根上配置例が図２７に示されている。平坦な細長いストリップとして形成された共振器の構造体２７０２は建物の屋根に取り付けることができる。共振器２７０３を備えるＰＶパネル２７０１はエネルギーをストリップに伝送することができる。ストリップはその後建物内部の共振器(図示せず)に結合された単一の共振器２７０５を用いてすべてのパネルのエネルギーを内部へ如何なる配線も用いずに伝送することができる。パネルはストリップの上に設置するだけでシステムに追加することができ、またシステムから除去することができる。
更に別の実施形態では、多数のパネルを、それらの電力を建物又は車両の内部の他の共振器にワイヤ接続又は結合されたデバイスに無線で伝送することができる共振器に一緒に物理的にワイヤ接続することができる。
無線電力伝送を用いる上述したすべての構成では、電力をパネルから建物内又は車両内の捕捉共振器へ無線伝送でき、すべての外部配線、コネクタ及びルート、及び構造物の屋根又は壁を貫通する孔を除去することができるため、ＰＶパネルの著しく簡単な設置が可能である。太陽電池と関連して使用される無線電力伝送は、電気技術者が屋上でパネル、電線、接続箱を相互接続する必要がなくなるために屋上作業の危険性が低減される利点をもたらすことができる。無線電力伝送と一体化された太陽電池パネルの設置は少数の電気的接触を必要とするだけであるため、熟練労働者を必要としない。無線電力伝送によれば、この技法は各太陽電池パネルを個別に最適化及び位置決めする能力を設置者に付与するため、特定地域向け設計の必要性を低減でき、費用のかかる技術サービス及びパネルレイアウトサービスの必要性を大幅に低減することができる。
無線デバイス伝送によれば、ＰＶパネルは一時的に配置することができ、その後周囲の構造に永久的変更を残すことなく移動もしくは除去することができる。例えば、ＰＶパネルは晴れた日に庭に置き、太陽を追って周囲に移動させ、また清掃又は保存のために取り込むことができる。バックヤード又はモバイルＰＶ応用においては、無線エネルギー捕捉デバイスを有する延長コードを地上に投げ出しておくことができ、また太陽電池ユニットの近くに置くことができる。捕捉延長コードは外部要素から完全にシールするとともに電気的に絶縁することができるため、屋内又は屋外環境で使用することができる。
無線電力伝送によれば、配線又は外部接続はＰＶパネルに対して何も必要とされないので、ＰＶパネルは完全にウエザシールすることができる。ウエザシール筐体はコンポーネントを紫外放射、水分、風雨、ほこりなどから保護することができるため、太陽ＰＶ発電及び伝送回路内の電気コンポーネントの信頼性及び寿命の向上が期待される。無線電力伝送及びウエザシール筐体によれば、コンポーネントは外部要因及び気象要素に直接暴露されないため安価なものを使用することができ、ＰＶパネルのコストを低減することができる。同様に、無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは、固定のハードワイヤ接続を必要としないために、より一般的で、よりポータブルである。
実施形態では、ＰＶパネルと建物又は車両内の捕捉共振器との間の電力伝送は双方向にすることができる。パネルが自己校正、位置合わせ又はメインテナンスタスクのための十分なエネルギーを持たないときは、エネルギーをハウス送電網からＰＶパネルにエネルギーを伝送することができる。パネル上の雪を溶かすことができる加熱素子を給電するため又はパネルを光源に対してより良い位置に位置させるモータを給電するために逆電力流を使用することができる。雪が溶かされ、またパネルが再配置されたとき、ＰＶパネルからエネルギーを伝送することができる。
幾つかの実施形態では、ソース共振器に結合されるソース電子機器は少なくとも１つのハーフブリッジ又はフルブリッジ増幅器を備えることができる。捕捉共振器に結合される捕捉電子機器は少なくとも１つのハーフブリッジ又はフルブリッジ整流器を備えることができ、この整流器は更に電力トランジスタを含む。これらの実施形態はソース電子機器に接続されたエネルギー源から捕捉電子機器に接続された負荷へと無線電力伝送することができる。ソース及び捕捉電子機器は両方ともハーフブリッジ又はフルブリッジスイッチング回路を含む点に注意されたい。従って、これらの実施形態は逆方向の無線電力伝送も可能であり、捕捉電子機器に接続されたエネルギー源がソース電子機器に接続された負荷にエネルギーを伝送することができる。これは、例えば、蓄電池、フライホイール、キャパシタ、インダクタ等のエネルギー蓄積媒体から無線でエネルギーを伝送及び回収することを可能にする。上述したように、雪を溶かすために逆電力流を有効にしてＰＶパネルを無線給電することもできる。
共振器及び無線電力伝送回路は調整及び安全機構を含むことができる。実施形態では、無線電力伝送部を備えたＰＶパネルは取り付け時に無線電力コレクタへの最大で効率的な電力伝送を保証するために自動調整機構を含むことができる。例えば、異なる取り付けでの屋根材の変化またはＰＶパネルと無線電力コレクタとの間の距離の変化は無線電力伝送の共振器の性能に影響し、またそれらの特性を乱し得る。取付けの複雑さを低減するために、無線電力伝送コンポーネントは材料または距離に起因する如何なる影響も補償するためにそれらの動作点を自動的に調整する調整能力を含むことができる。効率的で安全な電力伝送を保証する為に周波数、インピーダンス、容量、インダクタンス、デューティサイクル、電圧レベル等を調整することができる。
共振器及び無線電力伝送回路は、ＰＶパネルからの最大の電力抽出並びに抽出した電力の効率的な無線伝送を保証する調整機構を含むことができる。実施形態では、無線電力伝送回路は、最適エネルギー抽出のためにＰＶパネルに等価負荷抵抗も与えながら、共振器間のエネルギー伝送用に設定することができる。このような無線エネルギー源は、ＰＶパネルからのエネルギーを現在可能な範囲より広い環境範囲に亘って無線捕捉デバイスに効率的に伝送することができる。例えば、太陽照度（または等価な放射照度）が午前中増大するにつれて、ＰＶパネルの出力に供給されるインピーダンスはＰＶパネルからの電力抽出が最大になるように減少する。このような無線エネルギー源は本明細書では「無線エネルギー最大点追尾装置（ＷＥＭＰＰＴ）」と言う。例えば、図２８Ａは直列に接続された複数の光電池接合を備える太陽電池パネルを示す。簡単のために、各光電池接合は電流源とダイオードの並列接続で示されている。もっと現実的なモデルは直列及び並列抵抗、ダイオードの変形等を含む。パネルにより発生される電圧Ｖ及び電流Ｉは、部分的に、太陽照度及びパネルの出力に与えられる等価抵抗Ｒに依存する。図２８ＢはＲのパラメータ変化及び異なる太陽照度に対する幾つかの模範的な曲線を示す。図２８Ｂには、所定の負荷抵抗ＲによりＰＶパネルから最大電力を抽出できる点も曲線上に示されている。これは、最大電力点追尾装置（ＭＰＰＴ）がパネルに与えるＲの値である。
図２８Ａに示す回路モデルにおいて、抵抗Ｒに流入する電流は、

であり、ここで、Ｉsolarは太陽光発電電流、Ｖはパネル両端間の電圧、Ｎはパネル内のセルの数、Ｉsは逆飽和電流、及びＶthは２５℃の温度で約０．０２６である。無線伝送し得るパネルから抽出される電力は簡単にＶ×Ｉsolarである。Ｖに対する電力の導関数のルートが最大電力点電圧を生じる。

ここで、Ｗ(z)はｚ＝Ｗ(z)ｅＷ(z)に対する逆関数により定義される、ランバートＷ関数または対数積関数である。図２９は、ＰＶパネルまたはアレイの電流の関数としてプロットした最大電力点電圧の曲線を示す。この例では、ＰＶパネルに対してＷＥＭＰＰＴで与えられるべき最大電力のための抵抗値は図２９に示す曲線の勾配である。図３０は、この抵抗値を示すもので、６０個のセル及び１ｍ２の面積を有し、室温で動作する模範的なパネルについてこの抵抗値が太陽照度とともにどのように変化するかを示すものである。例えば、１ｋＷ／ｍ２の照度では、アレイ電流は約８Ａであり、最適抵抗値は４Ωである。照度が０．２ｋＷ／ｍ２に低下した場合、最適抵抗値は１２．５Ωである。一実施形態では、無線電力源はＰＶパネルに固定の抵抗値を与えるのみである。この場合には効率の損失が起こり得る。例えば、０．２ｋＷ／ｍ２の照度における効率は１ｋＷ／ｍ２の場合（抽出電力に２０分の１以上の低下を生じる）より低い４分の１以上の低下を生じる。別の実施形態では、抽出されるエネルギーが太陽照度にほぼ比例するように、ＷＥＭＰＰＴ設定を用いて上記の例における照度に対する効率を維持する。
実施形態では、無線エネルギー源は通常のＭＰＰＴ回路の出力に接続することができ、この回路はＤＣ−ＤＣコンバータを含むことができ、ＰＶパネルに接続される。図３１Ａはこのような実施形態の一つを示す。この実施形態では、ＭＰＰＴ回路及び無線エネルギー源の両方における電力消費のためにシステム効率の損失が生じる。図３１Ｂはもっと効率の良い実施形態を示し、この実施形態では無線エネルギー源が別個のＭＰＰＴ回路の動作を模倣することができ、別個のＭＰＰＴ回路の追加の効率の損失を生じない。図３１Ｃは別の実施形態を示し、この実施形態では無線エネルギー捕捉回路が効率的な無線エネルギー捕捉並びに制御された出力電流または電圧レベルを提供する。実施形態では、図３１Ｃに「ＤＣ電流または電圧変換付き整流器」と表記されているこのような回路はハーフブリッジまたはフルブリッジスイッチング回路で実現できる。実施形態では、この整流器は、無線エネルギー捕捉及び電圧または電流調整を制御するために、デバイス内のＰＷＭ波形のデューティサイクル及び／又は位相角を調整する。この整流器は、無線エネルギーを効率的に捕捉するとともに電圧または電流制御するために、スイッチのスイッチング時間をデバイス共振器を流れる振動電流に対して調整することもできる。
ＷＥＭＰＰＴ付きＰＶパネルはパネルのストリングの取り付けを簡単にすることができ、この場合にはストリング内の異なるパネルが異なる照度または異なる環境条件を経験し得る。直列に接続されたＰＶパネルのストリングは単一パネルより高い出力電圧を発生するために有用である。高い出力電圧は、グリッド結合インバータ、オフグリッドインバータ、電池充電器用充電コントローラなどの負荷デバイスとよく適合する。実施形態では、それぞれ関連のＷＥＭＰＰＴを備える複数のＰＶパネルは屋根の上面または他の外部表面上に置かれ、パネル間で変化するレベルの照明に曝され得る。屋根の下部または内部表面において、複数のエネルギー捕捉デバイスがソースからの無線エネルギーを受信し、それらの出力を合成することができる。図３２は、ＰＶセル３２０２,３２０４，３２０６，３２０８，３２１０のソース共振器から無線エネルギーを受信するデバイス共振器３２２４,３２２６，３２２８，３２３０，３２３２の出力は屋根の下部でストリングに結合される実施形態を示す。実施形態では、捕捉デバイスの出力は直列に結合されて正味電圧を昇圧する。実施形態では、捕捉デバイスは電流または電圧調整器３２１２,３２１４，３２１６，３２１８，３２２０を含み、それらの出力を直列に結合して、調整された電流または電圧で高電圧３２２２を生成する。
実施形態では、ＷＥＭＰＰＴ構成は、無線エネルギー源内にスイッチング時間の位相角が自動的に調整されるスイッチング増幅器を設けることによって実現することができる。スイッチが開く時と、スイッチを流れる電流が方向を変える時との間の時間的関係が１つの位相角を決定し、この位相角をここではφと言う。別の位相角（ここではγという）は、スイッチをシャントするダイオードが同通する時とスイッチが閉じる時との間の時間的関係を記述する。これはエネルギー源の特性の調整に２つの自由度をもたらし、ＰＶパネルからのエネルギー抽出と前記抽出エネルギーの効率的無線伝送の両方にとって有利である。具体的には、図３３に示す増幅器は、ＰＶパネルに最適な抵抗値Ｒdcを与えると同時に、インピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）にほぼ整合したＡＣ出力インピーダンスを与えることができる。これにより、抽出したエネルギーをソースループを介してデバイスループへ、さらにデバイスＩＭＮを介して整流器へ効率的に伝送することができる。
図３４は最適な抵抗値ＲdcをＰＶパネルに与えるために使用できるハーフブリッジ増幅器の一例を示す。このような増幅器の模範的な波形が、スイッチＳ１及びＳ２を動作する２つの異なるタイミング設定に関して図３５Ａ及び３５Ｂに示されている。図３５Ａは、高効率ＡＣ波形を実現するためのタイミング設定の一例を示す。スイッチＳ１は、電流ｉacが符号を変えるときで、電圧ＶacがＶdc/２に到達するとき、という精密な瞬時に閉じる点に注意されたい。閉成時に、スイッチＳ１は零電流及び零電圧スイッチングを経験するといえる。短時間前に（φ/ωとして定義されている）、スイッチＳ２は開き、このスイッチも零電圧スイッチングを経験する。Ｓ２が開いた後の半周期後に、Ｓ１は開き、同様に零電圧スイッチングを経験する。これらの状態はスイッチにほぼ零の電力消費をもたらす。高効率スイッチングは、様々なａｃ負荷に対する無線エネルギー伝送のためのインピーダンス整合の自由度を提供しながら、異なる設計に対して様々なφ/ω値で実現することができる。ＰＶパネルに与えられるｄｃ抵抗値を調整するために追加の自由度が必要とされる。一つのこのような自由度は図３５Ｂに示され、この図はＳ２が図３５Ａに示される時間より少し早く開くことを示している。この場合には、Ｖacの値はＳ１が閉じる前にＶdc/２に到達し、電流ＩacがこのときダイオードＤ１を経て電流が零になるまで流れる（Ｄ１オン）。ダイオードＤ１は時間γ/ωの間オンにとどまり、この時間にスイッチＳ１はほぼ零電圧に近い状態下で閉じる。零電流スイッチングは犠牲になるが、ほぼ零電圧に近い状態のスイッチングはダイオードによって保存される点に注意されたい。これは依然として高効率動作をもとらす。γ/ωの値の調整はＰＶパネルに与えられるｄｃ抵抗値の調整という追加の自由度を提供する。図３６は、位相φの固定値に対して位相γの値を調整することによってｄｃ抵抗値を４倍で変化させることができることを示す。図３４に示す回路に対して、位相γに対するｄｃ抵抗値の関係方程式は、
Ｒdc＝(２π/ωＣ)(cosγ−cos(γ+φ))/(cosγ+cos(γ+φ)) （５）
と書き表せる。位相γを調整すると、増幅器のＡＣ出力インピーダンスも変化する。図３７Ａは出力インピーダンスの位相φへの依存度を示す。図３７Ｂは出力インピーダンスがさらに位相γにどのように依存するかを示す。実施形態では、位相φ及びγはＰＶパネルに与えられるＲdc並びにインピーダンス整合回路網に与えられるＡＣインピーダンスを最適化する組み合わせで選択される。実施形態では、位相γは、ＰＶパネルに与えられるＲdc並びにソース共振器に与えられるＡＣインピーダンスを最適化するために、インピーダンス整合回路網内のキャパシタ、インダクタ及び抵抗等の回路素子と組み合わせて調整される。
他の実施形態では、ＷＥＭＰＰＹ構成は、キャパシタ、インダクタ及び抵抗などの回路素子を含む無線エネルギー源において、環境状態の変化に対応する前記回路素子の自動調整を付加することによって実現することができる。前記回路素子は増幅器、インピーダンス整合回路網及び/又は共振器の任意の一部とすることができる。他の実施形態では、ＷＥＭＰＰＴ構成は回路素子を調整可能にするとともにトランジスタのスイッチング時間を調整可能にすることができる。図３８はマスタ制御アルゴリズムを備える一つの模範的な実施形態を示す。マスタ制御アルゴリズムはインピーダンス整合回路網及びソースコイルの組み合わせを流れる電流及び電圧波形などの入力を評価する。このアルゴリズムは、例えばＰＶセルに与えるべくより最適なＤＣインピーダンスを及び/又はインピーダンス整合回路網に与えるべくより好ましいＡＣインピーダンスを決定するために、前記入力を処理する。このアルゴリズムは、より最適なインピーダンスが実現されるようにＰＷＭ波形を調整する手段及び/又は同調回路網を調整する手段を制御する。
図３９は制御アルゴリズムの模範的な実施形態を示す。時間ステップｎにおいて、アルゴリズムはインピーダンス整合回路網の両端間のＡＣ電圧及び電流を測定する。アルゴリズムはＰＶパネルの両端間のＤＣ電圧も測定する。アルゴリズムは次に同調回路網内の調整可能容量の新たな設定点を計算し変化させる。次の時間ステップにおいて電圧及び電流が測定され、所望の容量状態が達成されるまで調整ループが続けられる。次に、ＰＶパネルから抽出された電力がその前の時間ステップにおいて抽出された電力と比較され、その差の符号が計算される。その後、この差の符号により、アルゴリズムがトランジスタスイッチのスイッチング時間のデューティサイクルをどのように調整するかが決定される。デューティサイクルは、上述したように、位相角φ又はγの何れかを変化さえることによって調整することができる。
太陽ＰＶパネルに加えて、他の電気エネルギー発生方法として、風力発電機、水力発電機、熱電気発電機、熱光起電力発電機などがある。これらの方法も環境状態とともに変化する電気出力を発生し、エネルギー抽出を最大にするために従来のＭＰＰＴを使用することができる。当業者であれば、ＷＥＭＰＰＴ構成の特徴は一般的であり、広範囲の電気エネルギー発生器に適用し得ることは理解されよう。
実施形態では、無線電力伝送システムは安全保護装置及びセンサを含むことができる。ＰＶパネル及び共振器は、パネルが許容限界内で動作することを保証するために、温度、電力、インピーダンス及び電圧の各センサ、及びマイクロコントローラ又はプロセッサを含むことができる。無線電力伝送システムは蓄積電荷の放電路を与えるために接地接続を含むことができる。無線電力伝送システムは蓄積電荷を検出し得る電圧センサを含むことができる。接地接続が無線電力伝送部を備えたＰＶパネルに対して使用できない場合には、パネルは漏電遮断センサを含むことができ、この場合にはＰＶパネルのケースが接地として扱われる。
実施形態では、ＰＶパネル及び共振器は、外部ＰＶパネルと内部捕捉共振器との間の効率的電力伝送を確実にするために、共振器の位置合わせ（整列）に役立つセンサ及び視覚、聴覚及び振動フィードバックを含むことができる。例えば、共振器の一つを共振器間の共振結合の増減を検出するために用いて別の共振器の位置を検出することができる。また、共振器間の相互インダクタンスの増減を用いて共振器の相対位置を決定することもできる。
多数のＰＶパネル又は多数の共振器を備える実施形態では、システムの共振器は干渉を回避するために異なる周波数に同調させることができる。種々の共振器の同調周波数は時間多重化又は周波数多重化することができる。他の実施形態では、ソース及び捕捉共振器は、ソース及び捕捉共振器が設定情報を交換できるように通信機能を含むことができる。他の実施形態では、このようなソース及び捕捉共振器は、初期校正のために又は電力の交換が目的の共振器間で起こるかを確認するために必要な情報を交換することができる。
図４０は建物の屋上に取り付けられた太陽ＰＶパネルの例に対するＷＥＭＰＰＴ構成の好ましい実施形態を示す。ＰＶパネルは左端に、直列接続の複数の太陽電池セルとして示されているが、各セルは上述したような電流源とダイオードを備える簡略等価回路で表されている。キャパシタはＰＶパネルの両端間の容量を表す。次に、ＰＶパネル端子は、上述したクラスＤＥモードで動作し得るフルブリッジスイッチング増幅器に接続される。スイッチＳ１−Ｓ４のスイッチング時間及びデューティサイクル及び位相角φ及びγなどの関連パラメータをソースコントローラで調整することができる。次に、スイッチング増幅器のＡＣ出力はキャパシタなどの調整可能な回路素子を有するインピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）に接続される。本明細書に記載するように、少なくとも時間パラメータ及び回路素子の組み合わせは、様々な環境及び太陽照度状態下に対するＰＶパネルからの電力の抽出と屋根障壁を貫通する電力の伝送の両方が最適になるように調整することができる。これらの調整を行う好ましいアルゴリズムは、ＰＶパネルからのＤＣ電流及びＤＣ電圧の少なくとも１つの測定値並びにＩＭＮ又はソースコイルのＡＣ電流及びＡＣ電圧の少なくとも１つの測定値を使用する。
図４０の右側はＷＥＭＰＰＴ構成の電力捕捉部分、即ち本例では建物の内部の構造を示す。アルゴリズムは２つの機能を実行する捕捉コントローラで実現することができる。第１に、前記コントローラは整流器に対する捕捉コイルのインピーダンス整合を最適化する。第２に、前記コントローラは整流器からのＤＣ電流，ＤＣ電圧及び/又は電力出力を調整する。屋上太陽発電例に対する好ましいアルゴリズムは、捕捉コイルからのＡＣ電流及びＡＣ電圧の少なくとも１つ及び整流器からのＤＣ電流及びＤＣ電圧の少なくとも１つを測定する。次に高効率の整流を維持するために、スイッチＳ５−Ｓ８のスイッチング時間を調整することができる。ＩＭＮ内の可変キャパシタなどの別の調整可能なパラメータと組み合わせた場合には、スイッチング時間及び可変キャパシタは、インピーダンス整合を最適にするため、高効率の整流を維持するため、及び整流器からのＤＣ電流又は電圧又は電力を調整するために調整することができる。
屋上の複数のＰＶパネルの例に対する好ましい実施形態では、各ＰＶパネルは対応する捕捉回路を含むことができ、各捕捉回路はその出力電流を共通の値Ｉdcに調整する。この場合には、複数のＰＶパネルは図４１に示すように電気的に直列に接続することができる。各ＰＶパネルは電圧Ｖdc_iを発生し、ここでｉはｉ番のＰＶパネルに対応するインデックスである。異なるＰＶパネルが異なる照度を受けるとき、それらの電力捕捉回路はＩdcの共通電流値において異なるＤＣ電圧を発生する。それらの異なるＤＣ電圧の和Ｖstringをインバータ又は電池充電器が使用できる。インバータ又は充電器に供給される電力の和はＰ＝Ｖstring×Ｉdcである。パネルからの所定量の電力Ｐに対して、Ｖstringの値は直列接続の補足回路を流れるＩdcの値により決まる。これは、インバータ又は充電器の入力にほぼ一定の値のＶstringを維持するため、即ちインバータ又は充電器がそのピーク効率近くで動作することができる状態に維持するために有利である。ほぼ一定のＶstringを実現するには、インバータ又は充電器は電力捕捉回路の各々に対して共通の電流値Ｉdcを設定ることができる。共通電流値を設定するためにインバータ又は充電器と電力捕捉回路との間に通信リンクを確立することができる。このリンクはＤＣ配線を利用するか、無線通信を使用することができる。
通信リンクはインバータ又は充電器と電力捕捉回路との間で診断、性能の情報又は他のステータス情報を通信するために使用することもできる。また、電力捕捉回路の各々が対応するＰＶパネルに関する情報を上述した帯域内通信又は帯域外通信を用いて得ることもできる。ＰＶパネルに関する情報は内部通信リンクを介して共有することができる。これは電力捕捉回路とその対応ＰＶパネルとの相対的整列に関する情報を含むことができる。相対的整列は様々な技術、例えば誘導センシング、磁界強度センシング、容量センシング、熱センシング又は屋根の穿孔を必要としない他の方法、によって電力捕捉回路から監視することができる。好ましい実施形態では、相対的整列はソース及び補足コイル間の相互誘導結合にセンシティブな方法で監視することができる。
太陽ＰＶパネルに関連して記載したが、当業者であれば、記載の技術及び方法は、風力タービン、熱交換機他などのエネルギー収穫装置とともに使用することができることは理解されよう。例えば、建物の屋上に取り付けられたエネルギー生成風力タービンはＰＶパネルについて記載したのと同様の方法による無線電力伝送の利益を享受することができる。他のエネルギー収穫装置も環境状態に依存して変化するため、上述したＷＥＭＰＰＴ機能はＰＶパネル以外の実施形態でも使用できる。風力タービンからの電力は建物の外部から内部へ屋根や壁に穿孔や貫通孔を形成する必要なしに伝送することができる。同様に、エネルギーの発生に流れや波などの水の運動を利用する、ボート又は他の構造内の水力タービンも無線電力伝送の利益を享受することができる。無線電力伝送によれば、水面下のタービン及びエネルギー収穫装置は完全に密閉及び絶縁することができるため、これらの装置は一層信頼できるものとなるとともに、接続のために再密閉の必要なしに取り外し及び交換ができるため容易に交換や修理ができるものとなる。
パッケージ用無線エネルギー伝送
無線エネルギー伝送は製品パッケージング、パッケージされた製品などにエネルギーを伝送するために使用することができる。小売業環境、貯蔵環境、倉庫環境、冷蔵庫環境、出荷環境において、パッケージが棚の上にあるとき、電力をパッケージング又はパッケージされた製品に伝送することができる。パッケージにより捕捉された無線エネルギーはパッケージの一部分を照明する、パッケージの電子機器又はセンサを給電する、パッケージの温度を制御する、パッケージ内のデバイス又は電池に電力を供給する、パッケージ上のディスプレイに電力を供給するなどのために使用することができる。
製品パッケージは、箱、袋、ビン、ステッカー、カートン、ディスプレイ、包装紙、ボトルキャップ、サイン、チラシ、付属品などを含むことができる。製品パッケージは、使用前に除去される製品の使い捨て外装紙とすることができる。製品パッケージは、除去されずに製品の永久部分をなす製品の一体部分を意味することがある。
模範的で非限定的な実施形態によれば、デバイス共振器はパッケージ内に組み込む、パッケージの内部に設置する、又はパッケージの外部に取り付けることができ、棚、床、天井、壁などに設置されたソース共振器からの無線エネルギーを受信してデバイス共振器にエネルギーを伝送することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、デバイス共振器により捕捉されたエネルギーは、製品の外観を良くするため、情報を伝達するため、又は消費者の注意を引くために、ライト、ブザー、モータ、バイブレータ、ディスプレイ、有機材料、導電性インク又はペンキ又は他の任意の視覚的、聴覚的又は触覚的刺激物などを活性化させるために使用することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、デバイス共振器により捕捉されたエネルギーは、パッケージ製品により直接使用することができる。補足エネルギーは、パッケージされたデバイスの電池を充電するために使用し、デバイスが購入され、包みが解かれたとき、デバイスがすぐ使えるように十分に充電されているようにすることができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、デバイス共振器により捕捉されたエネルギーは、パッケージ内の環境状態を維持もしくは監視するために使用することができる。温度、ライト、湿度、製品鮮度、製品品質、包装完全性などのパラメータを監視し、記録し、ユーザ又は消費者に報告することができる。
無線エネルギー伝送システムを備えた製品パッケージの一つの模範的な実施形態が図４２に示されている。デバイス共振器４２０８及び任意選択のデバイス電子機器(図示せず)が組み込まれたパッケージ４２０２は、ソース電子機器(図示せず)に結合されたソース共振器４２０４の近くに置くことができる。デバイス共振器により捕捉されたエネルギーはワイヤ電気接続（４２０６）を介してパッケージの発光素子２１０を活性化するために使用することができる。実施形態では、発光素子はＬＥＤ、電球、蛍光灯、発光ペンキ、ディスプレイの一部などとすることができ、パッケージに直接取り付ける、一体化する、及び／又は埋め込むことができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、ソース及びデバイス４２０４，４２０８は異なる大きさにすることができる。模範的で非限定的な実施形態によれば、ソース共振器４２０４はデータ共振器４２０８より大きくして、ソース共振器４２０４の近傍内におけるデバイス共振器４２０８の移動及び配置の自由度を大きくするのが好ましい。
模範的で非限定的な実施形態によれば、ソース及びデバイス共振器４２０４，４２０８は本明細書に記載する任意のタイプの共振器とすることができ、平面共振器、プリント基板共振器などとすることができる。模範的な実施形態では、共振器４２０４，４２０８のコイルは、パッケージ上に直接印刷された、またはパッケージに付着された挿入物またはステッカー上に印刷された、電気導体よりなるものとすることができる
模範的で非限定的な実施形態によれば、デバイス共振器４２０８は異なる側面及び面に適合するように構成することができる。模範的で非限定的な実施形態によれば、デバイス共振器４２０８は図４３に示すようにパッケージの周囲に嵌合するように構成することもでき、図４３では、共振器コイル４３１６は円筒状パッケージ４３１４の周囲に嵌合し、パッケージのロゴ４３１２の照明を給電する。
実施形態では、複数のパッケージ済み製品を、幾つかのパッケージ済み製品がソース共振器４２０４に直接隣接しないで１以上の他のパッケージまたは製品によりソース共振器４２０４から分離される立体構造にスタック（積み重ねる）または配列することができる。エネルギーを受信するためには、パッケージ済み製品は１以上のパッケージ済み製品を通してエネルギーを受信する必要がある。例えば、図４４に示すように、方形パッケージ４４２２は棚の上に３次元アレイにスタックすることができる。このアレイはすべての方向に４以上のパッケージの深さとすることができる。その結果、棚の最上部に置かれたソース共振器４２０４、背面４４２４または底面４４２６に置かれたソース共振器は、パッケージ４４２２の各々に対応するデバイス共振器４２０８にエネルギーを供給するためにアレイ内のすべてのパッケージに接触または近接することはできない。
模範的で非限定的な実施形態によれば、製品のスタックまたはアレイの最大寸法及び距離は共振器の大きさ、ソース共振器の出力電力、及び製品の電力要求に基づいて制限することができる。パッケージはソースからの最大離間距離、従って最大スタック高さに対して評価することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、スタック高さまたはソース及びデバイスの離間距離は中継共振器で増大することができる。大きな中継共振器をスタックされたパッケージの層の間に挿入して、デバイスとソースの共振器の結合強度を高めることができる。例えば、底面ソース共振器４４２６により活性化される図４４に示す構成では、無線エネルギー伝送距離を例えばパッケージの第２または第３の層まで延長するために、大きな中継共振器４４３０をパッケージの第１及び第２の層の間に挿入することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、無線エネルギー伝送の距離及びパッケージ済み製品のスタック高さは、中継共振器を各パッケージに組み込むまたは取り付けることによって向上させることができる。中継共振器はソース共振器への結合を改善するためにパッケージに付加することができる。中継共振器を備えたパッケージの一例が図４５に示されている。パッケージ４５３４は、パッケージ内の電子機器にエネルギーを供給するデバイス共振器４５３８及び中継共振器４５３６を含む。中継共振器４５３６はデバイス共振器より大きくすることができ、パッケージのデバイス共振器と同じまたは異なる側面または面に付着または組み込むことができる。この構成では、多数のパッケージを、パッケージの背後のソース共振器に対して、前から後へスタックすることができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、スタックの中央またはスタックの後部にあるパッケージの活性化をターンオフまたは阻止するのが望ましい。例えば、消費者の注意を引くよう設計されたパッケージの照明はパッケージが消費者に見えるときにのみ有効である。スタックの後部にあるパッケージは見えないため、このパッケージの活性化はエネルギーを浪費するとともに回路の信頼性を低減し、デバイスの故障を招く可能性がある。実施形態では、パッケージは、それらがディスプレイの前にあるとき、または消費者に見えるときにのみ活性化またはターンオンするように構成することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、パッケージは光センサ、ＲＦＩＤセンサなどのセンサを有し、これで適切なセンサを決定し活性化することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、パッケージはディスプレイの前にないデバイス共振器を選択的に離調するように構成することができる。ソース共振器の共振周波数から離調された共振器はソースからのエネルギーを効率よく受信できず、事実上ディセーブルされる。共振器の選択的離調は、スタックされたとき互いに合わさるパッケージの面に損失性材料を導入することによって達成することができる。電気導体のシートのような材料は、これをデバイス共振器に近接させると、デバイス共振器を十分に離調させることができる。実施形態では、パッケージは、小面積の損失性材料がパッケージスタックの前にないデバイス共振器を離調するように配置されている設計とすることができる。
例えば、図４５に示すデバイス共振器４５３８及び中継共振器４５３６を備えるパッケージ４５３４について考察する。このパッケージは、２つのパッケージがスタックされるとき、損失性材料が積み込まれ、後のパッケージのデバイス共振器を離調するが、各パッケージの中継共振器に影響を与えないように、デバイス共振器と反対側面上に損失性材料のパッチまたはシート４５４０を有し、中継共振器を通して前側パッケージへエネルギーを送ることができるように設計することができる。
２つのパッケージを含む配列を図４６に示す。この配列はソース共振器４６４６及び２つのパッケージ４６４３及び４６５２を含み、各パッケージは自己の中継共振器４６５０，４６４４及びデバイス共振器４６５４，４６４８をそれぞれ有する。各パッケージは損失性材料４６５６，４６５８も有する。損失性材料は、その背後の箱のデバイス共振器に影響を与えるように配置される。例えば、パッチ４６５８は、大きな中継共振器４６４４，４６５０にも、前側パッケージのデバイス共振器４６５４にも影響を与えることなく、背後の箱のデバイス共振器４６４８を離調するように配置される。従って、無線エネルギーは、後側ボックスのデバイス共振器を殆ど活性化することなく、ソース共振器４６４６から前側ボックスのデバイス共振器４６５４へ後側ボックスの中継共振器４６４４を介して送ることができる。
実施形態では、効率的なエネルギー伝送は、ソース及び／又は中継共振器のＱが比較的高く、パッケージに組み込まれたデバイス共振器のＱが比較的低いときに実現することができる。このような低いＱの共振器は印刷導体、導電性インク、ペンキなどからなる誘導素子で構成することができる。パッケージングの用途においては、製造が容易で、エレクトロニクス級の銅よりも損失が高くても、安全に処分できる誘導素子の方が好ましい。カーボントレースよりなる高損失導体及び／又は低導電性であるが印刷可能な導体は、高いＱのソース共振器及び中継共振器のいずれか一方または両方を用いることで効率的な電力伝送を実現することができるため、この用途に適している。
実施形態では、本発明の無線電力伝送方法を用いることによって全く新しいマーキング通信機能が実現可能である。例えば、製品パッケージへの無線電力伝送を可能にすることによって、パッケージ自体が新しい機能を含むことができる。例えば、パッケージは表示価額を無線通信リンクを介して更新可能にする通信機能を含むことができる。小売業環境において、パッケージはそばを通る消費者の携帯電話機と通信し、電話機を鳴動させるか可聴音を発生させて、その製品は特別であること、或いは改良されたこと、或いは再検討されたことなどを消費者に知らせることができる。倉庫環境において、パッケージは中央データベースと通信して、その位置を容易に識別することができる。例えば、ＵＰＳ運転手はもはや自分のパッケージをスキャンする必要はない。なぜなら、トラック内のパッケージは倉庫内の追跡ソフトウェアと無線通信することができるためであり、さらにＧＰＳ追跡スキームと統合することができるため、「順調に進んでいる（on track）」と言うだけではなく、パッケージは所定の時刻におけるトラックの街路位置まで追跡することができる。追跡ルートをより正確な到着時刻とともに表示することもできるかもしれない。
無線通信機能は多数のパッケージのアドホックネットワークを構成するために使用することもでき、且つ無線電力伝送により可能にされる表示機能またはライトアップ機能を、多数のパッケージを含む同期表示を生成することによってさらに高めることができる。例えば、ライトアップ機能はフラッシュライト表示、または「パッケージの周囲を走る光」の表示を生成するように同期させることができる。光に加えて、無線電力を用いて可聴音を活性化させる、または無線リンクを介してマーケティングアプリケーションを配布することができる。
無線通信は、カートの中身の値段を消費者に表示する「カート中身」システムと結合することができる。カートはカート内のパッケージに電力を供給する無線電力機能を有することができる。カートは、カートスタンドに置かれているときに無線充電される充電可能な電池で給電されるようにすることができ、またカートは、店内を押しているときに床内のソースコイルから給電されるようにすることができる。Tickle me elmoやアイフォンのようなすぐ売れてしまう商品については、消費者がいくつの商品が所定の店ですぐに入手し得るかという情報を瞬時に得ることができるアプリケーションを自分の電話機にダウンロードすることができる。
ユーザは誰かに自分の電力の一部を提供する場合には（自分の電力をシェアする前にその人からクレジットカードで支払いを受けることができ、また電力の無料交換を選択することもできる）、無線電力アプリケーションは電力源のマップ、電力管理及びシェアリング、ビリングを含むことができ、それは自分が知らなくても起こり得る。ユーザは常に自分電話機が５０％以上の充電である限り有料顧客と電力をシェアするように、自分の電話を設定することができる。ユーザは自分の充電状態が所定レベル以下になると所定の値段で利用可能な電力に関してピンギングするように自分の電話を設定することもできる。ユーザは所定の電力レベルに到達したときはより多く支払うように電話を設定することができる。アプリケーションは無線駆動デバイスにより無線伝送されるセール、クーポンなどの情報と協調することができる。アプリケーションは所定の製品をレシピ又は顧客調査とリンクさせ、ユーザが他のアプリケーションユーザに利用可能なコメント又はデータを入力可能にすることができる。e-coliアウトブレイクの原因が現在疑われるホウレンソウなどの警告を表示することもできる。回収が必要な食品や製品は棚上で自ら識別可能であるため、店員がそれらを除去することができ、また消費者がそれらを避けることができる。
無線ソフトウェアモデル化ツール
図４７を参照すると、磁気共鳴を用いる無線電力伝送システムの設計及び動作に関するパラメータをモデル化する方法の模範的な実施形態が示されている。所望のシステム、特にソース共振器及びデバイス共振器を含むシステムを達成するために調整し得る多数のパラメータのために、このようなシステムの最適もしくはほぼ最適な動作に対する解に到達するために要求される数学的計算は極めて困難であることが証明されている。具体的には、どれか１つのパラメータが他の関連パラメータの値に影響を与え、その影響が更に他のパラメータ値に影響を与え、以下同様であるので、パラメータの可能なあらゆる組み合わせからなる多次元の問題空間に対する解に到達する能力は入手不可能な計算資源を必要とし得る。
模範的で非限定的な実施形態によれば、所望のユーザ指定のパラメータ値に従って動作するソース及びデバイス共振器に対するほぼ最適な解に到達するために必要とされる計算量は、特に（１）ソース共振器及びデバイス共振器の両共振器の設計及び（２）ソース共振器及びデバイス共振器間の相互作用を別々にモデル化する方法によって大幅に低減される。具体的には、ソース共振器及びデバイス共振器の各々のＱ値は、ソース共振器及びデバイス共振器間の結合係数ｋに殆ど影響を与えることなく別々にモデル化することが確かめられた。これらの２つのモデル化の形態を別々に実行するようにモデル化プロセスを分割すると、各々の形態を個別にモデル化するのに必要とされるパラメータの数が減少する。これは両場合に実行する必要がある計算の数を大幅に減少させるとともに、それらの結果を以下に詳細に記載するように組み合わせることができる。
ステップ４７０２において、それぞれ少なくとも１つのソースコイル及び少なくとも１つのデバイスコイルを備える少なくとも１つのソース共振器及びデバイス共振器の属性を定義する入力パラメータを指定することができる。具体的には、少なくとも１つのソースコイル及び少なくとも１つのデバイスコイルの各々に対応するパラメータを個別に指定することができる。次に、ステップ４７０４において、相対するソースコイル及びデバイスコイルの両方を定義する属性を指定することができる。次に、ステップ４７０６において、ソース共振器及びデバイス共振器を備える指定のシステムの電磁特性をモデル化することができ、その結果は少なくとも１つのインピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）を設計するためにステップ４７０８で使用される。少なくとも１つのソース及び少なくとも１つのデバイスは共振器、コイル及びインピーダンス整合回路網を含むことに注意されたい。ソース及びデバイスのインピーダンス整合回路網は電力レンジの供給、最大出力電圧及び/又は開路電圧の維持、所定のバス電圧での動作などの所定のシステム能力を達成するように設計することができる。本開示において、インバータ整合回路網の設計（ステップ４７０８）は、ソース用のインピーダンス整合回路網及び/又はデバイス用のインピーダンス整合回路網の設計を含むことを理解すべきである。幾つかの実施形態では、ソース及びデバイスは事前設計され及び/又は事前指定されたインピーダンス整合回路網を含むことができ（ステップ４７０８）、システムの残りのインピーダンス整合回路を決定するために用いることがでことができる。最後に(ステップ４７１０)、このようにモデル化されたシステムを構築し、測定した動作パラメータをステップ４７０６への反復入力として用いてシステムの設計を徐々に向上させることができる。
図４８を参照すると、ソースコイル設計パラメータを入力するためのユーザインタフェース４８００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース４８００はソースコイル設計タブ４８２４の起動に応答して表示される。以下の例は、テキストエントリフィールド、ドロップダウンメニューなどの様々なグラフィックユーザインタフェース（ＧＵＩ）要素を利用するが、データを出力及び表示するため並びに入力されたデータを受け取るために任意の全てのＧＵＩ要素を利用することもできることは理解されよう。実施形態では、ソフトウェアモデル化ツールのユーザは、コマンドライン、スクリプト、テーブル、リンクなどを用いて入力及び出力パラメータにアクセスすることができる。ツールにパラメータ及びデータを入力及び出力するこのような方法は、本明細書に記載する方法、技術及び実施形態の範囲に含まれる。
図に示されるように、グローバル入力パネル４８０２は、全体としてシステムに関するパラメータ値、例えば、限定はされないが、システムの単位系及び動作周波数、を受け入れる複数のエントリフィールドからなる。ソースコイル設計パネル４８０４はソースコイルを定義するパラメータ値を受け入れる複数のエントリフィールドからなる。図に示されるように、ワイヤタイプエントリフィールド４８０６は、リッツ線、ソリッドコア線、銅管、プリント基板トレースなどのワイヤタイプを選択するドロップダウンメニューを備えることができ、ワイヤ属性フィールド４８０４は、選択したワイヤタイプの物理的寸法をさらに明確に定義するためのドロップダウンメニューを備えることができる。
ソースコイルタイプフィールド４８１０は、ソースコイルのタイプを定義するためのドロップダウンメニューとすることができる。模範的コイルタイプ属性フィールド４８１２Ａ−４８１２Ｅは、選択したソースコイルタイプに対応する所望の属性値を入力することをユーザに可能にする。例えば、矩形ソースコイルは、矩形ソースコイルの幅と長さで部分的に定義される。その結果、コイルタイプ属性フィールド４８１２は入力された幅及び長さの寸法を選択的に受信表示する。様々な他の模範的なコイルタイプ属性フィールド、例えば、限定はされないが、ソースコイルの巻方向、ソースコイルのターン数及びソースコイルのターン間隔に対応するフィールドを含むことができる。
グローバル入力パネル４８０２及びソースコイル設計パネル４８０４により定義されると、ソースコイル４８１６の平面図のようなソースコイルダイアグラム４８１４が上述した選択ソースコイルの属性を反映して表示される。模範的な実施形態によれば、グローバル入力パネル４８０２及びソースコイル設計パネル４８０４の入力フィールドに対する変更はこのような変更を反映するためにソースコイルダイアグラム４８１４のリアルタイム又はほぼリアルタイムの更新を生じる。別の模範的な実施形態では、ソースコイルダイアグラム４８１４は、更新ボタン４８１８の起動などのユーザの要求時に更新することができる。
一度定義すれば、ユーザはソースコイル４８１６の設計を後の検索のために保存し、例えば部品ライブラリとして使用することができる。このようなソースコイル４８１６の設計の保存は、例えば保存ボタン４８２０の起動により達成することができる。同様に、以前保存したもしくは提供されたソースコイル４８１６の設計は使用のため又は更なる修正のために、例えばロードボタン４８２２を起動することによってロードすることができる。図４９を参照すると、例えばロードボタン４８２２の起動に応答して表示されるユーザインタフェース４９００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。
図に示されるように、複数のグループ４９０２Ａ，４９０２Ｂの各々は１以上のソースコイル設計４９０４を含み、表示する。本例では、グループ４９０２Ａ，４９０２Ｂは各グループに含まれるソースコイル設計の周波数特性に基づいて分けられている。具体的には、グループ４９０２Ａは低−中周波数のソースコイル設計よりなるが、グループ４９０２Ｂは高周波数のソースコイル設計よりなる。このような場合には、システム６３００は、少なくとも上述したようなユーザインタフェース４８００により入力される上述の各ソース設計コイルの属性に基づいて、保存ソースコイル設計を表示のために論理グループに分類するように動作する。
別の模範的で非限定的な実施形態によれば、ユーザインタフェース４９００の一部分として、ユーザが１以上の検索特性を定義することができる検索フィールドを設けることができる。例えば、ユーザは、例えば１以上のドロップダウンメニューから、５ｃｍの最小幅を有する矩形コイルを含む選択基準を選択することができる。このような選択基準に応答して、システム６３００は、例えばメモリ６３０６内のデータベースから指定の検索基準に適合する１以上のソースコイル設計を検索する。一度表示されれば、ソースコイル設計４９０４のいずれかの選択又は起動がユーザインタフェース４８００への復帰をもたらし、それによってグローバル入力パネル４８０２及びソースコイル設計パネル４８０４のエントリフィールドは選択したソースコイル設計の検索された属性値を反映する値で満たされる。
図５０を参照すると、デバイスコイル設計パラメータを入力するユーザインタフェース５０００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース５０００はデバイスコイル設計タブ４８２４の起動に応答して表示される。
図に示されるように、デバイスコイル設計パネル５００２はデバイスコイルを定義するパラメータ値を受け入れる複数のエントリフィールドからなる。図に示されるように、ワイヤタイプエントリフィールド５００４は、リッツ線などのワイヤタイプを選択するドロップダウンメニューを備えることができ、ワイヤ属性フィールド５００６は、選択したワイヤタイプの物理的寸法をさらに明確に定義するためのドロップダウンメニューを備えることができる。デバイスコイルの設計に使用可能なワイヤタイプ及び/又は寸法はソースコイル設計に使用するワイヤタイプ及び/又は寸法と同じにすることができ、また相違させることもできる。
デバイスコイルタイプフィールド５００８は、デバイスコイルのタイプを定義するためのドロップダウンメニューとすることができる。模範的コイルタイプ属性フィールド５０１０Ａ−５０１０Ｅは、選択したデバイスコイルタイプに対応する所望の属性値を入力することをユーザに可能にする。例えば、矩形デバイスコイルは、矩形デバイスコイルの幅と長さで部分的に定義される。その結果、コイルタイプ属性フィールド５０１０は入力された幅及び長さの寸法を選択的に受信表示する。様々な他の模範的なコイルタイプ属性フィールド、例えば、限定はされないが、デバイスコイルの巻方向、デバイスコイルのターン数及びデバイスコイルのターン間隔に対応するフィールドを含むことができる。
実施形態では、共振器は同等又は同一のパラメータを有するソースコイルとデバイスコイルとにより形成し得る。このような場合には、デバイスコイル設計パネル５００２のフィールドにソースコイル設計パネル４８０４に対して定義されたパラメータを投入するのが望ましい(逆も同様)。模範的で非限定的な実施形態では、ソース設計コピーボタン５０１２を設ける、及び/又は、デバイス設計コピーボタン(図示せず)を設けることができる。ソース設計コピーボタン５０１２(又はデータ設計コピーボタン)を起動すると、対応するソースコイル(またはデバイスコイル)設計を定義する属性の検索が生じる。その後、検索されたこれらの属性を出発点として用いて、デバイスコイル(またはソースコイル)を定義するパラメータ値を更に定義することができる。
図４８のソースコイル設計について既に述べたように、デバイスコイル５０１６の平面図のようなデバイスコイルダイアグラム５０１４が上述した選択デバイスコイルの属性を反映して表示される。模範的な実施形態によれば、デバイスコイル設計パネル５００２の入力フィールドに対する変更はこのような変更を反映するためにデバイスコイルダイアグラム５０１４のリアルタイム又はほぼリアルタイムの更新を生じる。別の模範的な実施形態では、デバイスコイルダイアグラム５０１４は、更新ボタン５０１８の起動などのユーザの要求時に更新することができる。
一度定義すれば、ユーザはデバイスコイル設計を後の検索のために保存し、例えば部品ライブラリとして使用することができる。このようなデバイスコイル設計の保存は、例えば保存ボタン５０１８の起動により達成することができる。同様に、以前保存したもしくは提供されたデバイスコイル設計は使用のため又は更なる修正のために、例えばロードボタン５０２０を起動することによってロードすることができる。
共振器を構成するソースコイル及びデバイスコイルの各々が上述したように定義されれば、結合ソースコイル及びデバイスコイルの属性が定義される。図５１を参照すると、ソースコイル対デバイスコイルシステムの設計パラメータを入力するユーザインタフェース５１００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。ユーザインタフェース５１００には、例えばコイル対コイルシステム設計タブ５１０２を選択又は起動することによってアクセスすることができる。
この模範的な実施形態では、デバイス位置及び向きパネル５１０４は、ソースコイルに対するデバイスコイルの位置及び向きを定義する様々な位置パラメータの入力を可能にする。例えば、デバイス位置フィールド５１０６は、ソースコイルに対するデバイスコイルの位置を指定できるカーテシアン座標系などの所望の座標系並びに選択した座標系におけるデバイスコイルの位置を定義する値の入力を可能にする。同様に、デバイス向きフィールド５１０８は、ソースコイルに対するデバイスコイルの向きを指定できる、例えばオイラー角回転を用いる所望の座標系並びに選択した座標系におけるデバイスコイルの向きを定義する値の入力を可能にする。
デバイスコイルの位置及び向きが定義されれば、ソースコイル５１１４及びデバイスコイル５１１２を備える共振器の平面図のような共振器ダイアグラム５１１０が上述した選択共振器コイル属性を反映して表示される。模範的な実施形態によれば、デバイス位置及び向きパネル５１０４の入力フィールドに対する変更はこのような変更を反映するために共振器ダイアグラム５１１０のリアルタイム又はほぼリアルタイムの更新を生じる。別の模範的な実施形態では、共振器ダイアグラム５１１０は、更新ボタン５１１６の起動などのユーザの要求時に更新することができる。
以下にさらに充分に記載されるように、任意選択のスィープパラメータパネル５１１６を設けることができる。スィープパラメータパネル５１１６は一連の離散的状態を定義し、それらの状態下で共振器の動作の計算、表示、試験などを可能にすることができる。本例では、ソースコイルとデバイスコイルとの離間距離ｚが１ｃｍの最小距離から１０ｃｍの最大距離まで変化し、共振器の応答の計算及び/又は予測が最小距離と最大距離との間の１０等分の各点で計算される状況が示されている。広範囲のスィープパラメータ、スィープパラメータの組み合わせ、スィープパラメータの最小値及び最大値、スィープパラメータの範囲、スィープパラメータの間隔などがあり、それらはソースモデル化ツールを用いて実現することができる点に注意されたい。本明細書に記載する実施形態は一つの模範的な実施形態にすぎない。
個々のソースコイル及びデバイスコイル並びにソースコイル及びデバイスコイルからなる共振器の形状寸法及び構成を定義する様々なパラメータをどのように入力し得るかを説明した。様々な模範的で非限定的な実施形態によれば、システム６３００はさらに、上述したソースコイル、デバイスコイル及び共振器の特性を定義するためにユーザが入力したパラメータについて妥当性検査を実行するように動作することができる。具体的には、システム６３００は、誤った入力フィールドエントリの発生並びに他の入力フィールドエントリと個々に準拠しているが論理的にまたは物理的に矛盾もしくは適合し得ないデータフィールドエントリの発生を警告または防止するように動作し得る。
図５２を参照すると、模範的で非限定的な実施形態によるエラーメッセージの例が示されている。図示の例では、ユーザインタフェース５２００は、所望の巻き数を定義するデータエントリフィールドが許容設計パラメータの範囲外にあることをユーザに警告するエラーメッセージ５２０２を表示している。このような場合には、ユーザがこのエラーメッセージ５２０２を棄却すると、特定されたデータフィールドエントリは許容設計パラメータ範囲内のその前の値またはデフォルト値に戻すことができる。上述したように、妥当性検査は個々のデータエントリフィールドレベルで実行される。
図５３を参照すると、別の模範的で非限定的な実施形態によるエラーメッセージの例が示されている。図示の例では、ユーザインタフェース５３００は、ワイヤタイプを定義するデータエントリフィールドが他のデータフィールドエントリと矛盾もしくは適合し得ない可能性が高いことをユーザに警告するエラーメッセージ５３０２を表示している。具体的には、本例では、エラーメッセージ３５０２は、リッツ線の選択は４０００ｋＨｚの動作周波数の選択と矛盾することを示している。このような実施形態では、システム６３００はシステムパラメータの不良選択をユーザに警告するように動作する。幾つかの実施形態によれば、システム６３００は矛盾の減少をもたらす代替パラメータの選択及び値を提案するように動作することができる。上述したように、このような妥当性検査はパネルレベルで実行される。
図５４を参照すると、別の模範的で非限定的な実施形態によるエラーメッセージが示されている。図示の例では、ユーザインタフェース５４００は、データフィールドエントリにより定義されているソースコイルの形状寸法が妥当でないことをユーザに警告するエラーメッセージ５４０２を表示している。このような実施形態では、システム６３００は設計エラーをユーザに警告する。上述したように、このような妥当性検査はタブレベルで実行される。
続いて図４７を参照すると、ステップ４７０６において、共振器の設計パラメータの定義が終了すると、設計された共振器の電磁的性能をモデル化することができる。
図５５を参照すると、ステップ４７０２及び４７０４で定義されたシステム６３００に対して予測ＩＭＮ結果を計算し観測するユーザインタフェース５５００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース５５００は予測ＩＭＮ結果タブ５５０２の起動に応答して表示される。
模範的で非限定的な実施形態によれば、上述したように、ステップ４７０６におけるシステムの電磁的性能の予測後に、インピーダンス整合回路網をステップ４７０８において設計することができる。次に、ステップ４７１０において、このようにモデル化され構築されたシステムの動作パラメータを測定し、それらをシステムの設計の微調整及び漸進的向上のためにステップ４７０６への反復入力として使用することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、この微調整は、測定されたソース及びデバイスコイルパラメータの妥当性検査を含むことができる。これらのパラメータは次に、任意のまたはすべてのインピーダンス整合回路網について整合回路網コンポーネントを計算及び／又は再計算するためにステップ４７０６に帰還することができる。無線電力システムを組み立てる残りのプロセスは、実際のコンポーネントをソース及びデバイス電気回路基板上に装着することを含むことができる。組み立てられたコンポーネントから測定したデータはその後最適性能のための整合コンポーネント値を最終決定するためにシステムに帰還することができる。
ソース及びデバイス共振器に対するインピーダンス整合回路網（ＩＭＮ）の適切な設計及び構成は、ソース及びデバイスの配置の範囲に亘って安全で信頼できるシステム動作を保証する。典型的には、これらの配置はデバイスが公称負荷状態下にも開路負荷状態下にもなり得る（ソースに対する）デバイス位置の範囲を含む。模範的な実施形態によれば、設計されたＩＭＮはあらゆる公称状態の下でソース増幅器からの適切な電力抽出及びこの電力のデバイスへの適切な供給（能動制御を必要としない）を保証し得る。デバイス負荷が開回路である場合（例えば完全に充電された電池の場合のように）、ソース及びデバイスＩＭＮはソース増幅器から引き出される電力を最小にするように開回路を変換する。模範的で非限定的な実施形態によれば、インピーダンス整合回路網は、最大開路負荷電圧がデバイス電子回路及びコンポーネントのいずれかまたはすべてと関連する電圧制限、電圧規則、電圧仕様などより低くなるように設計することができる。
図５６を参照すると、模範的で非限定的な実施形態による妥当性検査のステップが示されている。最初に、ステップ５６０２において、品質計数、自己インダクタンス及び結合係数などのソース及びデバイスコイルパラメータが測定される。次に、ステップ５６０４において、測定したコイルパラメータ並びに増幅器及び整流器パラメータがシステムに供給される。次に、ステップ５６０６において、電源、増幅器、整流器及びデバイス負荷のパラメータのような電子オブジェクトの設計パラメータがシステムに入力される。次に、ステップ５６０８において、許容可能なコイル間効率特性に対する公称デバイス整合点が選択される。公称デバイス整合点はパラメータスィープで計算された設定値から選択されても、及び／又は、パラメータスィープを考慮することなくもしくは実行することなくユーザにより入力されてもよい。次に、ステップ５６１０において、許容可能な電力特性に対する公称ソース整合点及びソースＩＭＮ値及び増幅器へのインピーダンスが選択及び／又は計算される。次に、ステップ５６１２において、デバイスＩＭＮ値が許容出力開路電圧（または他のシステム仕様）のために選択される。次に、ステップ５６１４において、所定の動作点においてまたはスィープパラメータの関数として、効率、電力、電圧及び電流の予測値が観測される。次に、ステップ５６１６において、増幅器及び整流器基板に計算された整合コンポーネント、例えば計算された値またはそれらの近似値を有するインダクタ、キャパシタ、スイッチなど、及び測定された入力インピーダンスが装着される。最後に、ステップ５６１８において、測定されたインピーダンス値が整合コンポーネント値を調整及び最終決定するためにシステムに帰還される。
図５７を参照すると、システム設計パラメータを入力するユーザインタフェース５７００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース５７００は、システム設計タブ５７０２の起動に応答して表示される。
図に示されるように、ユーザインタフェース５７００の左半分は、Ｑ，Ｌ及びｋ値などのコイル間データのためのデータエントリフィールドを含む。「値編集」ボタン５７０４をクリックすることにより、図５８に示すテーブルエディタウィンドウが現れ、ステップ５６０２から決定された測定Ｑ，Ｌ及びｋ値を入力することができる。本例では、スィープ値はＳＩ単位であり、例えば換算値のためにメートル単位が使用されている。
この模範的な実施形態では、端子オブジェクトは電源及び負荷端子に装着される電子機器を指す。ソース電子機器及びデバイス電子機器に対する設計値は図示のユーザインタフェース要素を介して変更することができる。本例では、これらは、ソース側電源のバス電圧及び増幅器のタイプ（フルブリッジスイッチング増幅器、ハーフブリッジスイッチング増幅器など）、及びデータ側整流器のタイプ（フルブリッジ、ハーフブリッジなど）及び負荷特性（抵抗、開路電圧など）に対する仕様を含む。
ユーザインタフェース５７００の右半部には、「デバイスに対する公称整合点の選択」と記されたパネル５７０６がある。パネル５７０４はインピーダンス整合回路網を設計する最初のステップを実行するために使用できる。模範的な実施形態では、このステップはデバイスに対する公称整合点を選択し、これは図に示されるようにＺdeviceの値を固定する。このステップで注意すべき設計基準はコイル間効率であり得る。パネル５７０６における第１のプロット５７０８は理想的なコイル間効率を示し（これはＺdeviceが位置の関数として変化し得るときに達する）、第２のプロット５７１０は固定のＺdeviceで可能な最大コイル間効率を示す。幾つかの模範的な実施形態では、システムは固定のＺdeviceを有し得る。
公称整合点は、パネル５７０６の下の「公称整合点」スピナーをクリックすることにより変化させることができる。公称整合点が変化されると、第２のプロット５７１０がリアルタイムまたはほぼリアルタイムに、またはボタンの起動またはコマンドの結果として変化し得る。インピーダンス整合回路網が固定の場合には、ソフトウェアツールが、計算されたコイル間効率及び指定の公称整合点に最も近いシステム効率をもたらすインピーダンス整合回路網を提案することができる。即ち、第２のプロット５７１０は公称整合点において第１のプロット５７０８に最も接近するが、他の点では第１のプロット５７０８からより大きく外れ得る。異なるタブで表示される及び／又は設計プロセスの異なる段階で報告されるコイル間効率は増幅器及び整流器設計と関連する電子機器及びコンポーネントの損失を反映し得ないため、最終的なエンドツーエンド効率は第２のプロット５７１０より低くなる。
様々な公称整合点に対して設計されたシステムの予測性能を再検討することにより、ユーザはスィープパラメータの全範囲に亘って許容可能なコイル間効率を生じる公称整合点を選択することができる。設計パラメータの最終選択は、これらのパラメータを任意の既知の方法、例えば選択された値をシステムに入力するようにプログラムされた「変更受諾」ボタンをクリックするなど、によって保存することによって、ソフトウェアモデル化ツールに入力することができる。必要に応じ、端子オブジェクトのパラメータは変更が成功裏に受諾されるまで調整することができる。
公称値表示５７１２はＲsurrogate及びＣsurrogateなどのデバイスパラメータに対する公称値の表示とすることができる。これらはソースＩＭＮの構成をサポートするために使用する実際のコンポーネント値とし得る。即ち、代理（surrogate）値は最終的なデバイスＩＭＮ値ではなく、ソース電子機器及びインピーダンス整合回路網の正確で効率的なアセンブリをサポートするために使用し得る回路網のデバイスＩＭＮ値である。デバイスＩＭＮ値は別のタブ又は選択コードで設計し、ソースが組み立てられ特徴づけられたとき、ユーザに報告することもできる。実施形態では、デバイスＩＭＮはソースＩＭＮと同時に計算し報告することができ、ソースもデバイスも代理回路を用いる中間ステップなしで組み立てることができる。
図５９を参照すると、インピーダンス整合回路網を決定及び/又は組み立てるステップを実行するためのユーザインタフェース５９００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース５９００はソース整合設計タブ５９０２の起動に応答して表示される。模範的の実施形態によれば、このステップ後に、ソース設計が完了される。幾つかの組み立てステップにおいては、コイル間効率を設計基準として使用することができる。他の組み立てステップにおいては、電力潮流を設計基準として使用することができる。模範的な実施形態では、ソースインピーダンス整合回路網の設計及び組み立て方法、結果、技術などを設計及び組み立て品質及び/又は適合性の測定基準として使用することができる。
左上パネル５９０４には２つの曲線がプロットされる。第１の曲線５９０６は増幅器からの予測出力であり、第２の曲線５９０８はデバイス負荷に供給される予測電力である。パネル５９０４の下にソース整合入力という３つのデータエントリフィールドがある。ユーザはデバイスエントリフィールドの右端のスピナーコントロールの上向き/下向き矢印を用いてそれらの値を調整することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、模範的な設計順序は以下の通りである。最初に、公称整合点スピナーの上向き/下向き矢印を押してソースの公称整合点を選択する。この公称整合点において、固定の出力電力が増幅器から抽出される。この公称整合点は所望の出力レンジの中心に移動させることができる。
次に、公称出力電力スピナーの上向き/下向き矢印を押して公称出力電力を選択することができる。これは、前ステップからの公称整合点における増幅器からの出力電力を決定する。この値は十分な電力が所望の動作範囲に亘って負荷に供給されるように増大させることができる。この調整は全体的な電力供給曲線を変化させるので、電力供給曲線は次のステップで再調整することができる。
最後に、Ｘ３スライダの上向き/下向き矢印を押してソースＩＭＮのＸ３のリアクタンス値を設定することができる。これは電力給電曲線の形を調整する。Ｘ３の値は曲線が公称整合点を中心にほぼ対称になるように変化させることができる。模範的な実施形態によれば、許容可能な曲線に対して２つの解決手段があり、一方は正のＸ３（インダクタ）を、他方は負のＸ３を使用するものである。
図に示されるように、計算されたソースＩＭＮコンポーネントはパネル５９１０に現れる。コンポーネントは、それらが目的の用途に許容可能かどうかを決定するために検査することができる。許容可能であれば、「変更受諾」ボタンをクリックしてすべての変更をシステムのストレージに対して受諾する。値が許容可能でない場合、ユーザは前のステップに戻り、適切及び/又は許容可能なインピーダンス整合回路網がツールにより設計されるまで、システム設計用の異なるパラメータを選択しなければならない。
パネル５９１２は、増幅器に与えられるインピーダンス並びに検証用のコンポーネント電流及び電圧を表示し、それらの値のすべては許容範囲内にある（例えば電圧レベルはコンポーネント公差の範囲内である）。この時点において、コンポーネントが目的の用途に許容可能でないと決定された場合、ユーザは前のステップに戻り、公称整合点、公称電力出力及び/又はＸ３スピナーを調整することができる。
公称整合点（コイル対コイル構成）の設定及びソースＩＭＮコンポーネントの決定後に、Ｘ３の値をデバイスＩＭＮに対して選択することができ、これによりデバイスＩＭＮコンポーネントが完全に決定される。この場合の設計基準はデバイスの負荷端子間の開路電圧とすることができる。このパラメータは、負荷が最大の入力電圧公差を有するＤＣ／ＤＣコンバータである場合に重要であり得る。
図６０を参照すると、インピーダンス整合の次のステップを実行するためのユーザインタフェース６０００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース６０００はデバイス整合設計タブ６００２の起動に応答して表示される。パネル６００４は、公称負荷電圧６００６及び開路負荷電圧６００８をスィーピングパラメータの関数としてプロットしている。パネル６００４の下は、デバイスＸ３を調整し、別の設計基準（開路電圧）を最適化する制御部である。デバイスＸ３を変化させると、公称負荷電圧プロフィールを変化することなく開路電圧プロフィールを変化させることができる。開路電圧は、例えば負荷が電池の充電を終了した電池充電器である場合に負荷端子に現れる電圧である。Ｘ３は、例えば開路電圧プロフィールが得られるまでスピナー矢印をクリックすることにより変化させることができる。Ｘ３の値が設定されたとき、デバイスＩＭＮコンポーネントがパネル６０１０に表示される。Ｘ３が正リアクタンスである場合、Ｌ３は非零であり、Ｃ３は無限大（短絡）である。Ｘ３が負リアクタンスである場合、Ｃ３は有限値であり、Ｌ３は零である。
Ｘ３の値の決定後に、パネル６０１２は、デバイスコンポーネントの電流、電圧及び電力消費を、それらのすべての量がコンポーネント公差内にあることを確認するために表示する。
図６１を参照すると、計算されたソース及びデバイスのＩＭＮコンポーネント値を表示するためのユーザインタフェース６１００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース６１００は予測終端間結果タブ６１０２の起動に応答して表示される。パネル６１０４は計算されたソース及びデバイスのＩＭＮコンポーネント値を表示する。パネル６１０６は前タブからの電流及び電圧などの一連の物理的関連量のプロットを表示する。電子機器の損失などのシステムに対する終端間効率予測も含まれる。これらの予測は、次に進む前に、すべての予測量が許容範囲内にあることを確認検査することができる。
模範的で非限定的な実施形態によれば、システムはソース側及びデバイス側ＩＭＮを物理的に構成するプロセス中ユーザを案内するように動作する。どちらも同様のワークフローに従うので、ソース整合ユーザインタフェース及びデバイス整合インタフェースの両方ともソース整合ユーザインタフェース６２００を参照して以下に詳細に説明する。図６２を参照すると、ソース整合ユーザインタフェース６２００の模範的で非限定的な実施形態が示されている。図に示されるように、ユーザインタフェース６２００はソース整合タブ６２０２の起動に応答して表示される。
デバイス及びソース構築ユーザインタフェースの模範的で非限定的な実施形態を参照して以下に詳細に記載するように、初期及び目標インピーダンスが左側の「整合目標」パネルに示される。ソースＩＭＮはＺintial＝Ｒinitial+ｊＸinitialをＺfinal＝Ｒfinal＋ｊＸfinalに変換する。Ｚinitialは“Ｉ”ＩＭＮのコイル側のインピーダンスを指す。Ｚfinalは、ソース側については増幅器により、デバイス側について負荷により、終端から見られるインピーダンスを指す。
各ユーザインタフェース６２００は前タブで決定された理想的又はほぼ理想的な整合コンポーネントを示し、それらがはんだ付けされる際にそれらをアズビルトコンポーネントの測定値と比較するように設計される。
例えば、ソース整合ユーザインタフェース５９００からの計算されたソースＩＭＮコンポーネントが左側の「理想整合回路網の計算」パネル６２０４に表示される。コンポーネント値を変更し、整合を再計算することをユーザに可能にする追加の制御もある。これは、例えば一覧表内のＬ３インダクタのインダクタンスが予測された理想コンポーネント値より大きい場合に有用である。Ｃ２及びＣ３のチェックボックスを自由パラメータに活性化することによって、整合を再計算することができる。これによりＣ３の最終値はＬ３からの過大なリアクタンスを削減する値になる。ユーザはこのような特徴を、（例えば特定のコンポーネント値の変化に対する感受性を低減することによって）ＩＭＮを要望通りにカスタマイズするために使用することができる。
各ユーザインタフェース６２００上のスミスチャート６２０６は、コンポーネントが連続的に装着されるにつれて変化するインピーダンスの軌跡を示す。スミスチャート６２０６の頂点の初期インピーダンスＺinitialから出発し、Ｃ１と関連するリアクタンスがより負になるにつれて（Ｃ１が増加するにつれて）、インピーダンスはＣ１と表記された終点まで曲線を辿る。Ｃ２と関連するアドミッタンスが増加するにつれて（Ｃ２が減少するにつれて）、得られるインピーダンスは紺青色の曲線を辿る。Ｌ３が零の場合には、インピーダンスは緑色の曲線を辿る。最後に、Ｃ３のリアクタンスがより負になるにつれて（Ｃ３が減少するにつれて）、終端から見た正味のインピーダンスは赤色の曲線を辿る。理想的又はほぼ理想的なＩＭＮのコンポーネントが変化するにつれてどのように軌跡が変化するかを見ることによって、ユーザは各コンポーネントの挙動及び感受性を直観することができる。
以下により詳しく説明するように、「アズビルト整合回路網」パネル６２０８は、ＩＭＮ内にはんだ付けされるコンポーネントの実効値を追跡することをユーザに可能にする。はんだパッド及び配線は若干の寄生容量及びインダクタンスを有し、キャパシタ値はそれらのリスト記載値に正確に等しくない。「理想ＩＭＮ」コンポーネントの値を変化させることにより解るように、数パーセントの変化がＩＭＮ動作に有意の偏差を生じ得る。
アズビルトパネル６２０８は次のように利用することができる。各コンポーネント値の傍に、その現在値及び他の下流（ソースコイル側）コンポーネントの値で与えられる該コンポーネントのインピーダンスを示すフィールドがある。現在コンポーネントの値は、表示されたインピーダンスが回路分析器又は任意の同等の測定装置からの測定値にできるだけ整合するまで調整することができる。このように表示されるコンポーネント値は基板上の実際のコンポーネント値であり、寄生及び自然のコンポーネント値変化を含む。この行の最も右端のテキストフィールドは所望のＩＭＮ値に到達するために追加／削減する量を表示する。
実施形態では、インピーダンス整合回路網へのキャパシタのはんだ付け時に、所望の値の約８０％に等しい指定の値を有するコンポーネントをはんだ付けすることから始めるのが好ましい。次に、実効キャパシタ値がアズビルトユーザインタフェースを用いて推定されたとき、残りの値を追加することができる。この技術は、キャパシタを回路から取り外し、異なるキャパシタと交換する必要がないので、時間を短縮できる。キャパシタのはんだ付け及びその取り外しが等しく好ましい場合又は好ましくない場合には、最初に低めの容量コンポーネントをはんだ付けしなくてもよしとすることができる。整合ツールをこのように使用することによりユーザは整合回路網を高精度に構築することができる。
図６３を参照すると、上述したソースモデル化ツールの様々な模範的で非限定的な実施形態を実行するシステム６３００のブロック図が示されている。限定はされないが、パーソナルコンピュータ、サーバ、ＰＤＡなどのコンピューティングデバイス６３０２は、プロセッサ６３０４及び付属メモリ６３０６を備える。プロセッサ６３０４は、上述したソフトウェアステップを実行するために、例えばメモリ６３０６などのコンピュータ読取り可能媒体に格納し得るソフトウェア命令を実行するようにイネーブルすることができる。ユーザインタフェース６３０８は、例えばユーザからのデータ及び情報の入力及びユーザへの情報の表示を可能にする。
模範的で非限定的な実施形態によれば、設計及びモデル化ツールは、無線エネルギー伝送システムの開発において、最初のコンセプトから最終試験まで、設計者を支援することができる。設計の主要ステップを示すフローチャートが図６４に示されている。設計ツールの主要ステップは以下の通りである。
最初に、設計者は、用途に適した周波数、電力、コイル形状寸法及びその他のパラメータなどの入力を選択することができる。
次に、外部導体が近くにあるかないかに応じて共振器コイルのタイプ（遮蔽型又は非遮蔽型）の選択を決定することができる。外部物体は寄生エディー電流の影響を受けやすく、一つ又は両共振器のＱを低減し得る。遮蔽型共振器コイルは概して外部導体の近くで好ましいが、同等の表面積の非遮蔽型コイルよりわずかに大きくなり得る。他の用途では、共振器の選択は、ほぼ平面のコイル及び螺旋などの３次元コイルなどの間とすることができる。螺旋コイルは向上したアライメント公差を有するが、パッケージ化が難しくなる。
次に、周波数考察及び共振器導体選択などの選択がモデル化ツール内で行われる。例えば、ＡＭ周波数帯域（＜５２０ｋＨｚ）以下ではリッツ線が良好に動作するため、導電材料としてリッツ線を選択することができ、例えば高周波数（例えば６．７８ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚのＩＳＭ帯域）ではソリッドコア線が良好に動作するため、ソリッドコア線を選択することができる。
次に、様々なコイル設計に対して最高のＱ及び結合係数を計算することができる。異なるコイルパラメータがＱ及び結合係数(ｋ)にどのように影響するかをコイル間距離などのスィープパラメータ範囲に亘って調べるために少数の反復計算を利用することができる。
次に、コイル間の許容可能な結合が実現されたとき、設計者は共振器をソース及びデバイス電子機器に結合するために最適なＩＭＮ（インピーダンス整合回路網）を計算するために、スィープパラメータ（例えばコイル間距離）の公称値を選択することができる。選択した公称値がコイル間距離である場合、この距離は結合係数ｋの公称値に対応する。
次に、設計者はスィープパラメータの関数としてプロットされる電力伝送曲線を計算することができる。多くの場合、固定同調増幅器が適正な性能を提供し得る。場合によっては、ＩＭＮを動的に変化し得る自己同調増幅器及び/又は整流器がスィープパラメータに亘って拡張した性能を提供することができる。
次に、研究室において、設計者は誘導素子又はコイルにＩＭＮコンポーネントを装着し、ネットワーク分析器、オッシロスコープなどで少数の測定を行い、シミュレータ内でパラメータを微調整することができる。ユーザはシステムを構築し、試験し、測定結果をシミュレーション出力と比較することができる。１〜２回の反復後に、シミュレーションと測定結果との合致を向上させるために、ユーザはキャパシタ、インダクタなどに対して又はシミュレーションパラメータに対して小さな調整を行うことができる。
最後に、ソース及びデバイス共振器はパッケージ化し、最終試験に通すことができる。設計者は、ｗｈａｔ−ｉｆ分析を提供するためにシミュレータ及びモデル化ツールを用いることができる。例えば、向きの変化に対してシステムの予測公差はどうなるか？ または、別のコイル間距離では効率はどのくらい悪くなるか？
本発明を特定の好適な実施形態に関連して説明してきたが、他の実施形態も当業者に理解され、本開示の範囲内に含まれることが意図される。本開示の範囲は、法律によって許容され得る最も広い意味で解釈されるべきである。
本明細書中に記載の全ての文献は参照することによりそれらの全てがあたかも本明細書中に組み込まれるものとする。

Claims (22)

  1. （ａ）システムを構成するソース共振器及びデバイス共振器の１以上の属性を定義し格納するステップ、
    （ｂ）前記ソース共振器と前記デバイス共振器との間の相互作用を定義し格納するステップ、
    （ｃ）１以上のモデル化値を導出するために前記システムの電磁性能をモデル化するステップ、及び
    （ｄ）インピーダンス整合回路網を設計するために前記導出した１以上のモデル化値を利用するステップ、
    を備える方法。
  2. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、ソース共振器のワイヤタイプ、ソース共振器の長さ、ソース共振器の幅、ソース共振器コイルの巻き方向、ソース共振器コイルのターン数及びソース共振器コイルのターン間隔からなる群から選ばれる少なくとも１つのソース共振器パラメータを定義する、請求項１記載の方法。
  3. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、ユーザインタフェースを介して前記ソース共振器の１以上の属性を定義する、請求項１記載の方法。
  4. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、前記定義した１以上の属性間の１以上の論理的または物理的不適合性を示す警告を受信するステップを含む、請求項１記載の方法。
  5. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、事前に定義したソース共振器を検索するステップを含む、請求項１記載の方法。
  6. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、デバイス共振器のワイヤタイプ、デバイス共振器の長さ、デバイス共振器の幅、デバイス共振器コイルの巻き方向、デバイス共振器コイルのターン数及びデバイス共振器コイルのターン間隔からなる群から選ばれる少なくとも１つのデバイス共振器パラメータを定義する、請求項１記載の方法。
  7. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、ユーザインタフェースを介して前記デバイス共振器の１以上の属性を定義する、請求項１記載の方法。
  8. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、前記定義した１以上の属性間の１以上の論理的または物理的不適合性を示す警告を受信するステップを含む、請求項１記載の方法。
  9. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、事前に定義したデバイス共振器を検索するステップを含む、請求項１記載の方法。
  10. 前記ソース共振器と前記デバイス共振器間との間の相互作用を定義するステップは、スィープパラメータ及びソース／デバイス共振器分離距離からなる群から選ばれる少なくとも１つのシステムパラメータを定義する、請求項１記載の方法。
  11. （ｅ）前記インピーダンス整合回路網に少なくとも部分的に基づいて物理的システムを構築するステップ、
    （ｆ）前記物理的システムの少なくとも１つの属性を測定するステップ、及び
    （ｇ）前記ステップ（ｃ）を繰り返し、前記物理的システムの少なくとも１つの測定した属性を、前記システムの電磁性能をモデル化するために使用するステップ、
    をさらに備える請求項１記載の方法。
  12. システムを構成するソース共振器及びデバイス共振器の属性を定義するステップ、
    前記ソース共振器と前記デバイス共振器との間の相互作用を定義するステップ、
    １以上のモデル化値を導出するために前記システムの電磁性能をモデル化するステップ、及び
    インピーダンス整合ネットワークを設計するために前記導出した１以上のモデル化値を利用するステップ、
    をコンピュータに実行させる一連の命令を含む、非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体。
  13. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、ソース共振器のワイヤタイプ、ソース共振器の長さ、ソース共振器の幅、ソース共振器コイルの巻き方向、ソース共振器コイルのターン数及びソース共振器コイルのターン間隔からなる群から選ばれる少なくとも１つのソース共振器パラメータを定義する、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  14. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、ユーザインタフェースを介して前記ソース共振器の１以上の属性を定義する、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  15. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、前記定義した１以上の属性間の１以上の論理的または物理的不適合性を示す警告を受信するステップを含む、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  16. 前記ソース共振器の１以上の属性を定義するステップは、事前に定義したソース共振器を検索するステップを含む、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  17. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、デバイス共振器のワイヤタイプ、デバイス共振器の長さ、デバイス共振器の幅、デバイス共振器コイルの巻き方向、デバイス共振器コイルのターン数及びデバイス共振器コイルのターン間隔からなる群から選ばれる少なくとも１つのデバイス共振器パラメータを定義する、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  18. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、ユーザインタフェースを介して前記デバイス共振器の１以上の属性を定義する、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  19. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、前記定義した１以上の属性間の１以上の論理的または物理的不適合性を示す警告を受信するステップを含む、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  20. 前記デバイス共振器の１以上の属性を定義するステップは、事前に定義したデバイス共振器を検索するステップを含む、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  21. 前記ソース共振器と前記デバイス共振器間との間の相互作用を定義するステップは、スィープパラメータ及びソース／デバイス共振器分離距離からなる群から選ばれる少なくとも１つのシステムパラメータを定義する、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
  22. コンピュータに、前記インピーダンス整合回路網に少なくとも部分的に基づいて構築される物理的システムの少なくとも１つの測定属性を用いて前記システムの電磁性能をモデル化させる命令をさらに含む、請求項１２記載のコンピュータ読み取り可能媒体。
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