JP2021505123A

JP2021505123A - 無線電力伝送

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Publication number: JP2021505123A
Application number: JP2020548851A
Authority: JP
Inventors: モグハダムナネカラン、モハマッドレザベダディ; アーシシメータ、
Original assignee: トランスファーファイピーティーイーリミテッド
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2021-02-15
Also published as: EP3718195A4; US20200389054A1; WO2019108137A1; EP3718195A1; US11159058B2; US20220006326A1

Abstract

無線電力伝送方法、無線電力送信機、無線電力受信方法、及び無線電力受信機が開示される。無線電力は、複数のアンテナを駆動するために帯域幅内のマルチサイン波形を含む電力信号を使用して送信される。ビームフォーミング係数が生成され、アンテナを駆動するために使用される電力信号の相対位相がビームフォーミング係数によって制御される。

Description

本開示は、無線電力伝送に関する。特に、本開示は、1つ以上の受信機に指向可能な無線電力伝送に関する。

近年、産業用モノのインターネット（IIoT）に関連する電力及びデータネットワークが急速に成長している。このようなネットワークでは、配備の時間、マシンのダウンタイム、配線インフラのコストを削減し、到達困難で危険なエリアにセンサを配置できるようにするために、非侵襲的なセンサの配備が必要になることが多い。配備されているセンサに電力を供給するための1つの選択肢はバッテリである。しかしながら、放電すると交換が必要であり、腐食性がある。

これを考慮して、比較的長い距離に電力を送信する方法が必要である。既存のシステムでは、最大5メートルの充電のみが可能であり、無線周波数（RF）ビームステアリング技術がない。このようなシステムを使用して25メートルを超える距離でセンサを充電するためには、安全規制に適合しない非常に高い送信機電力が必要になる。

本開示の第1の態様によれば、送信機における無線電力伝送の方法が提供される。無線電力伝送の方法は、受信機からフィードバック情報を受信するステップであって、前記フィードバック情報は、前記送信機のアンテナから前記受信機のアンテナによって受信される信号の指示を含むステップと、前記フィードバック情報を使用して電力信号を生成するステップであって、前記電力信号は帯域幅内にマルチサイン波形を含むステップと、前記フィードバック情報を使用して、前記送信機の複数の前記アンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するステップと、前記ビームフォーミング係数に従って制御される前記送信機の前記複数のアンテナの相対位相を有する前記電力信号で前記送信機の前記複数のアンテナを駆動するステップとを含む。

前記フィードバック情報は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の指示を含んでもよい。

前記送信機の複数の前記アンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数は、前記受信機の前記エネルギ蓄積デバイスの前記充電率を最適化するために、前記複数のアンテナで送信される信号間の位相差を増分的に変化させることを含む前記フィードバック情報を使用して生成されてもよい。

一実施形態において、この方法は、チャネル訓練手順において前記受信機によって受信された前記電力を最適化する前記マルチサイン波形に関する係数を決定するステップをさらに含む。

一実施形態において、前記チャネル訓練手順は、前記受信機から受信したチャネル訓練開始信号に応答して開始され、前記チャネル訓練開始信号は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の低下を示す。

一実施形態では、この方法は、複数の受信機からフィードバック情報を受信するステップであって、前記フィードバック情報は、前記送信機のアンテナから各受信機のアンテナによって受信される信号の指示、及び前記各受信機における電力使用量又は蓄積された電力レベルの指示を含むステップと、前記各受信機で受信した電力使用量の指示を使用して、前記各受信機への電力伝送のためのスケジューリングシーケンスを決定するステップと、前記フィードバック情報を使用して電力信号を生成するステップであって、前記電力信号は帯域幅内にマルチサイン波形を含むステップと、前記フィードバック情報を使用して、前記送信機の複数の前記アンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するステップと、前記スケジューリングシーケンスに従ったタイミングで前記ビームフォーミング係数に従って制御される前記送信機の前記複数のアンテナの前記相対位相を有する前記電力信号で前記送信機の前記複数のアンテナを駆動するステップとをさらに含む。

この方法は、帯域幅として周波数範囲を選択するステップをさらに含んでもよい。前記周波数範囲は、前記フィードバック情報を使用して選択されてもよい。代替的に、前記周波数範囲は、ユーザ入力に応答して選択される。

本開示の第2の態様によれば、無線電力送信機が提供される。この無線電力送信機は、電力を受信機に無線で送信するように構成される複数の電力送信アンテナと、前記受信機からフィードバック情報を受信するように構成される無線通信モジュールであって、前記フィードバック情報は、前記送信機の前記複数のアンテナから前記受信機のアンテナによって受信される信号の指示を含む無線通信モジュールと、帯域幅内にマルチサイン波形を含む電力信号を生成するように構成される信号発生器と、前記フィードバック情報を使用して前記信号発生器を制御するように構成される電力信号オプティマイザと、前記フィードバック情報を使用して、前記送信機の前記複数のアンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するように構成される位相制御論理と、前記電力信号を、複数のアンテナ信号に分割するように構成されるスプリッタであって、前記複数のアンテナ信号の各々が前記複数のアンテナの各アンテナに対応するスプリッタと、前記送信機の前記複数のアンテナが前記ビームフォーミング係数に従って制御された相対位相を有する前記電力信号で駆動されるように、前記ビームフォーミング係数に従って前記アンテナ信号の前記相対位相をシフトさせるように構成される複数の移相器とを備える。

一実施形態では、前記フィードバック情報は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の指示を含む。

前記位相制御論理は、前記受信機の前記エネルギ蓄積デバイスの前記充電率を最適化するために、前記複数のアンテナで送信される信号間の位相差を増分的に変化させることによりビームフォーミング係数を生成するように構成されてもよい。

一実施形態では、この無線電力送信機は、前記送信機の前記複数のアンテナと前記受信機のアンテナとの間のチャネルに関するチャネル状態情報を推定するように構成されるチャネル推定器をさらに備え、前記電力信号オプティマイザは、前記受信機によって受信される前記電力を最適化する前記マルチサイン波形に関する係数を決定するように構成される。

前記チャネル推定器は、前記受信機から受信したチャネル訓練開始信号に応答してチャネル訓練手順を開始するように構成されてもよく、前記チャネル訓練開始信号は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の低下を示す。

前記チャネル推定器は、前記充電率の低下がターゲット受信機のスケジュールされた変化によるものであったかどうかを決定し、前記低下がターゲット受信機のスケジュールされた変化によるものではなかった場合に、チャネル訓練手順を開始するように構成されてもよい。

一実施形態では、この無線電力送信機は、前記各受信機で受信した電力使用量の指示を使用して、前記複数の受信機の各々への電力伝送のためのスケジューリングシーケンスを生成するように構成されるスマートスケジューリング論理をさらに備え、前記スマートスケジューリング論理は、前記スケジューリングシーケンスに従ったタイミングで係数を生成するように、前記送信機の前記複数のアンテナに対する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するように構成される前記位相制御論理を制御するように構成され、それにより前記電力送信アンテナは前記スケジューリングシーケンスに従って前記複数の受信機をターゲットとする電力を送信する。

一実施形態では、この無線電力送信機は、前記帯域幅として周波数範囲を選択するように構成される周波数セレクタをさらに備える。前記周波数範囲は、前記フィードバック情報を使用して選択されてもよい。代替的に、前記周波数範囲は、ユーザ入力に応答して選択されてもよい。

本開示の第3の態様によれば、無線電力受信機におけるフィードバック方法が提供される。この方法は、前記無線電力受信機の1つ以上のアンテナで送信機からの無線電力伝送信号を受信するステップと、前記1つ以上のアンテナに結合されたエネルギ蓄積デバイスの充電率を監視するステップと、前記充電率の変化を識別するステップと、チャネル訓練開始信号を前記送信機に送信するステップとを含む。

本開示の第4の態様によれば、無線電力受信機が提供される。この無線電力受信機は、送信機から無線電力伝送信号を受信するように構成される複数のアンテナと、前記複数のアンテナに結合されるエネルギ蓄積デバイスと、前記エネルギ蓄積デバイスの充電率を監視するように構成される監視ユニットと、前記エネルギ蓄積デバイスの前記充電率の低下を識別し、チャネル訓練開始信号を生成するように構成されるチャネル推定器と、前記チャネル訓練開始信号を前記送信機に送信するように構成される無線通信モジュールとを備える。

この無線電力受信機は、無線電力伝送信号をRF信号からDC電力に変換する1つ以上のRF−DC整流器を備えてもよい。

一実施形態では、前記チャネル推定器は、前記複数のアンテナにパイロット信号を生成させるようにさらに構成される。

以下において、本発明の実施形態は、添付の図面を参照して非限定的な例として説明される。
本発明の一実施形態による無線電力伝送システムを示す。本発明の一実施形態による無線電力送信機を示すブロック図である。本発明の一実施形態による無線電力受信機を示すブロック図である。本発明の一実施形態による無線電力伝送の方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による複数の無線電力受信機へ無線電力伝送を行う方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおけるチャネル状態推定の方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による無線電力伝送の位相制御を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による無線電力送信機における位相制御論理のハードウェア実装を示すブロック図である。

図1は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システムを示すブロック図である。無線電力伝送システム100は、センサネットワークの一部であってもよい。無線電力伝送システム100は、無線電力送信機200と、複数の無線電力受信機300a、300b、及び300cとを備える。無線電力送信機200は、1つ以上の無線周波数帯域を介して電力を送信するように無線電力送信機200によって制御され得る複数の送信機アンテナ202を備える。周波数は、433MHz、915MHz、2．4GHz、5．8GHzを含む従来のRF帯域、又は26、28、38、及び60GHzを含むミリ波帯域を含んでもよい。複数の送信機アンテナ202は、それぞれの無線電力受信機300a、300b及び300cに指向された無線電力信号206a、206b及び206cを生成するように無線電力送信機200によって制御可能である。以下でより詳細に説明するように、無線電力送信機200は、複数の送信機アンテナ202が各無線電力受信機300a、300b、及び300cに対して指向されたRF信号を生成するように駆動信号を生成するように構成される制御回路を備える。

無線電力送信機200は、無線通信モジュール204をさらに備える。無線通信モジュール204は、無線電力受信機300a、300b、及び300cから無線情報信号208a、208b、及び208cを送受信するように構成される。無線通信モジュール204は、ブルートゥース（登録商標）規格に準拠して信号を送受信するように構成されるブルートゥース（登録商標）モジュールであってもよい。代替的に、無線通信モジュール204は、ZigBee（登録商標）、LoRa、WiFi、又は狭帯域IoT（NB−IoT）通信プロトコルに従って信号を送受信するように構成されてもよい。

無線電力受信機300a、300b及び300cから送信される無線通信信号208a、208b及び208cは、各無線電力受信機300a、300b及び300cが各無線電力信号206a、206b及び206cから受信した信号強度に関する情報を示すチャネル状態情報を含む。代替的又は追加的に、無線電力受信機300a、300b、及び300cから送信される無線通信信号208a、208b、及び208cは、無線電力受信機300a、300b、又は300cのバッテリ、コンデンサ、又はスーパーキャパシタ等のエネルギ蓄積デバイスの充電又は放電率に関する情報を含んでもよい。無線通信信号208a、208b、及び208cは、無線電力送信機200から各無線受信機300a、300b、及び300cに送信されるコマンドを含んでもよい。コマンドは、無線受信機300a、300b、及び300cの一部を形成するセンサを制御するための命令を含んでもよい。無線電力受信機300a、300b、及び300cから送信された無線通信信号208a、208b、及び208cは、各無線電力受信機300a、300b、及び300cにおけるセンサによって感知されたデータの指示も含んでもよい。

いくつかの実施形態では、所与のスケジューリング時間範囲（24時間等）内で異なる無線電力受信機を充電するために、無線電力信号206a、206b、及び206cは、時分割多重接続（TDMA）プロトコルに従って送信される。無線電力信号206a、206b及び206c並びに無線通信信号208a、208b及び208cは、異なる周波数帯域を有してもよく、又は同じ周波数帯域を共有してもよい。無線電力信号206a、206b及び206cと無線通信信号208a、208b及び208cが無線電力信号206a、206b及び206cと無線通信信号208a、208b及び208cとの間で同じ周波数帯域干渉を共有するとき、時分割多重接続（TDMA）プロトコルによって管理されてもよい。このようなプロトコルでは、無線電力伝送信号206a、206b、及び206c並びに無線通信信号208a、208b、及び208cは、直交タイムスロット上で実装される。

図2は、本発明の一実施形態による無線電力送信機を示すブロック図である。図2に示された無線電力送信機200は、図1に示された無線電力送信機200に対応する。無線電力送信機200のブロック及びモジュールは、専用にプログラムされたハードウェアコンポーネントとして、又はマイクロプロセッサデバイス上で実行されるソフトウェアとして、又はその2つの組み合わせとして実装されてもよい。

無線電力送信機200は、ユーザがコマンド及び選択を入力することを可能にするユーザインターフェースモジュール210を備える。ユーザインターフェースモジュール210は、ユーザが、所定の帯域のセット、例えば、433MHz、915MHz、2．4GHz、5．8GHz、26、28、38、又は60GHzを含む帯域の中から無線電力伝送のための周波数帯域を選択することを可能にする。いくつかの実施形態では、無線電力伝送のための帯域は、完全自律性のためにチャネル状態情報（CSI）に基づいて自動的に選択されてもよい。ハードウェアの仕様及び地方自治体の制約に従って、他の帯域が含まれ／除外され得る。また、ユーザインターフェース210は、ユーザが無線通信モジュール204を介して受信機と通信することを可能にする。

無線電力送信機200は、周波数セレクタ212をさらに備える。周波数セレクタは、ユーザインターフェースモジュール210を介してユーザによって選択された電力伝送周波数帯域に従って、信号発生器224の中心周波数を設定する。代替的に、周波数セレクタ212は、チャネル状態情報に基づいて自動的に周波数を選択してもよい。周波数セレクタ212は、異なる周波数のRFフロントエンドに接続されたRFスイッチを含んでおり、スイッチは、所与のコマンドに基づいた時間に1つのRFフロントエンドを選択する。

無線電力送信機200は、センサ管理ユニット214を備える。センサ管理ユニット214は、無線通信信号208a、208b、及び208cを介して無線通信チャネル上で交換される情報から、無線電力受信機300a、300b、及び300cに接続されたセンサに関する情報を抽出するように構成される。センサ管理ユニット214は、この情報をローカルに又はクラウドサーバに格納し、その後、エンドユーザはそれにアクセスすることができる。さらに、センサ管理ユニット214は、エンドユーザが各センサのパラメータ、例えば、そのサンプリングレート又は精度レベルを遠隔で設定することを可能にする。無線通信信号208a、208b及び208cは、無線通信モジュール204によって受信される。無線電力受信機300a、300b、及び300cからフィードバックされる無線通信信号208a、208b、及び208cは、各受信機におけるエネルギ蓄積システム（ESS）の両端間の電圧、及びESSから／ESSへ放電／充電される電流又は電力の指示を含んでもよい。ESSは、バッテリ、又はスーパーキャパシタ／コンデンサであり得る。このような情報は、以下でより詳細に説明するように、複数の受信器への電力供給を管理するために必要とされる。

無線通信モジュール204は、ブルートゥース（登録商標）モジュールであってもよく、無線フィードバックメカニズムを実現するために、ブルートゥース（登録商標）の代わりに、ZigBee（登録商標）、LoRa、WiFi、又はNB-IoT等の代替通信モジュールを使用することもできる。

無線電力送信機200は、どの無線電力受信機（又はどの無線電力受信機のセット）が経時的に無線電力伝送を受信するようにスケジュールされるかを制御するスマートスケジューリング論理（SSL）216を備える。本発明の実施形態は、例えば、次の24時間等、所定のスケジューリング時間範囲内の異なるタイムスロットにわたって複数の受信機に電力を供給するためにTDMAを採用している。各タイムスロットにおいて、送信機の電力信号は、1台の受信機又は近接している受信機のクラスタに指向される。受信機のESSの現在及び将来の電力充電／放電値とESSの充電状態（SoC）に基づいて、SSL216は、異なる受信機への電力供給のシーケンスを優先順位付けする。特に、SSL216は、所与のスケジューリング時間範囲にわたって円滑に実行するのに十分なエネルギがESSに蓄積されるように、各受信機が無線で充電される必要がある時期及び期間を決定する。この目標を達成するために、SSL216は以下の最適化問題（OP1）をリアルタイムで（又は必要に応じて）解決する。
（OP−1）：

OP1では、次の表記が使用されている。

p(t)に関しては、各受信機への供給可能電力であり、これはそのESSの電力充電値としても知られており、以下に説明する電力信号オプティマイザ（PSO）220及び位相制御論理（PCL）222によって設定される。例えば、送信機が受信機1にビームを発している場合、他の受信機が受信機1から十分に離れていると仮定すると、p(t)＝[P₁0,...,0] となり、ここでP₁は受信機1に供給される瞬時電力量（すなわち、そのESSの瞬時電力充電値）を示す。送信機1は、既存のフィードバック通信チャネルを介して送信機にP₁の正確な値をフィードバックする。

チャネル推定器218は、フィードバックメカニズムを使用して、任意のペアの送信機と（選択された）受信機のアンテナの間のチャネル振幅及び位相の両方を含むCSIを推定する。訓練プロセスは、無線電力受信機300が既知のパイロット信号を無線電力送信機200に送信することを含む。次に、チャネル推定器218は、受信したパイロット信号を分析して、CSIを推定する。この技術は、CSI推定計算が無線電力送信機200上で行われ、無線電力受信機300の処理負荷を低減することを意味する。最小二乗（LS）又は最小平均二乗誤差（MMSE）に基づく様々なCSI訓練技術がある。しかしながら、いくつかの実施形態は、不必要な訓練を防止し、したがってエネルギ効率を最大化するために、新規のメカニズムを使用してCSI訓練を開始する。これについては、図6でより詳細に説明する。

電力信号オプティマイザ（PSO）220は、信号発生器224を制御して、電力信号としてマルチサイン波形を生成し、これは、Nのサブキャリア（通常は8、64、256、1024、又はそれ以上）を含み、ここで総帯域幅BWはハードウェアの制約と地方自治体の規則及び仕様（通常は100KHz、500KHz、又はそれ以上）に従って調整され得る。時間tの経過に伴うベースバンドマルチサイン信号は、以下のように与えられる。

PSO220は、最適化問題（OP−2）を解くことによって、以下の複素数値の振幅を設定する。

（OP−2）の目的は、P_max≧0で表される信号発生器の電力収支に従って、対象の受信機（すなわち、現在のタイムスロットでの電力供給のためにSSLによって選択された受信機）によって収集された集約信号のピークを最大化することである。単一の受信機について電力供給が考慮されることを検討することにより、受信機インデックスuは以下の方程式から省略される。
（OP−2）：

以下の伝送信号のピーク対平均電力比（PAPR）制約等の他の実際的な制約が必要に応じて（OP−2）に追加され得る。

（OP−2）では、次の表記が使用されている。

（OP−2）を解決する1つの方法は以下の通りである。

ここでh_nは、一般に複素数値であり、以下のように表すことができる。

（OP−2）の解はθ_n＝ψ_n,n＝1,...,Nと設定される。

（OP−2）では、サブキャリア数Nは、考慮される受信機で使用されるRF−DC整流器の構造に従って設定される。一般に、無線電力受信機のRF−DC整流器の（複数の）ダイオード又は（複数の）トランジスタの順電圧が大きい場合（例えば、0．7V）、より大きなNが必要となる。ただし、Nの最大値は、送信機におけるPAPRによって制限される。したがって、Nはシステムから使用可能なデータに従って設定されてもよく、必要に応じて（OP−2）で更新され得る。

（Op−2）の第2の準最適な解法は、以下のゼロ位相の等電力割り当てとして与えられる。の第2の準最適な解法は、以下のゼロ位相の等電力割り当てとして与えられる。

この解法は、CSIが利用できない場合、又は（OP−2）を直接解決するのに十分な計算リソースが送信機にない場合に実装され得る。最初の解法と比較するとパフォーマンスの低下が予想される。

上記の2つの解法は、ソフトウェア無線（SDR）であり得る信号発生器224上で実施される。割り当てられた帯域幅が十分に小さい場合（通常は、1MHz未満）、エントリレベルのSDRがマルチサイン波形を実装するのに十分である。

スマートスケジューリング論理（SSL）216の出力は、現在のタイムスロットでSSL216によって選択された受信機に向けて電力信号をステアリングするために位相制御論理（PCL）222によって使用される。

信号発生器224は、ベースバンドマルチサイン信号を生成するためにDC電源226を使用する。この信号は、電力増幅器（PA）228によって増幅され、スプリッタ230によってKの信号に分割される。Kの信号のそれぞれの位相は、位相制御機232a−232KによってSSL216の出力に従って調整される。結果として生じる信号234a−234Kは、無線電力送信機の各アンテナ202a−202Kを駆動するために使用される。このように、アンテナ202a−202Kは、無線電力信号206を生成する。

いくつかの実施形態では、受信機のESSの充電電力値は、各送信機アンテナ202a−202Kの位相を調整するために使用される。代替的に、ESS両端の電圧の変化を使用してもよい。受信機における固定負荷電力消費の下で、ESS両端の電圧が増加（減少）すると、充電電力値も増加（減少）することが示される。このような情報は、既存の無線フィードバックチャネルを介して共有される。以下にそのプロセスを説明する。

RFビームステアリングを実現するには、個々の送信機アンテナを駆動する信号234a−234Kの位相は、考慮される受信機への供給可能電力が最大になるように、位相制御器232a−232Kで調整される。すなわち、そのESSの充電電力値が最大化される。開始点として、PCL 222は各送信機アンテナk, k∈｛1,...,K｝の位相を以下のように設定する。

ここでψ_k,m,nはn番目のサブキャリアにおける送信機アンテナkと受信機アンテナmとの間のチャネル位相を表している（CSIが利用できない場合、φ_k,init＝0となる）。このような初期点では、位相φ_kは、図7に示されたフローチャートを参照して説明されるように増分的に調整され、ここでΔφは位相調整のためのステップサイズを表している。

最良のビームステアリング結果を得るために、上記の手順を複数のサイクルで繰り返してもよい。

いくつかの実施形態では、検索の各サイクルで、検索の精度を高めるようにΔφは漸進的に減少する。得られた位相シフト値は、将来、同じ受信機に向けて電力信号を送るための初期点として使用するために、ルックアップテーブルに保存され得る。

PCL222は、独立した電力信号ビームを2つ以上の受信機に同時にステアリングすることができるが、無線電力送信機200は、互いに十分に離れて配置される多数のアンテナを有する必要がある（アンテナが小さい5．8GHzを超える周波数帯域に適用可能である）。この目標を達成するために、送信機アンテナは最初に2つ以上のサブセットに分割され、各サブセットは、1つの受信機にビームをステアリングするために割り当てられる。

図3は、本発明の一実施形態による無線電力受信機を示すブロック図である。無線電力受信機300は、無線電力送信機200から無線電力信号206を受信するように配置される複数のアンテナ302を備える。無線電力受信機300は、無線電力送信機200の無線通信モジュール204との無線通信プロトコルを介した通信を可能にする無線通信モジュール304をさらに備える。上記のように、無線通信は、ブルートゥース（登録商標）プロトコルであってもよく、無線フィードバックメカニズムを実現するために、ブルートゥース（登録商標）の代わりに、ZigBee（登録商標）、LoRa、WiFi、又はIoT−NB等の代替通信プロトコルを使用することもできる。無線電力受信機300のブロック及びモジュールは、専用にプログラムされたハードウェアコンポーネントとして、又はマイクロプロセッサデバイス上で実行されるソフトウェアとして、又はその2つの組み合わせとして実装されてもよい。

無線電力受信機300は、センサデバイス306を備える。センサデバイス306は、任意のタイプのセンサであってもよく、センサデバイス306によって捕捉されたセンサデータは、無線通信モジュール304を介して無線電力送信機200に送信される。

センサデバイス306は、エネルギ蓄積システム（ESS）310によって電力を供給される。ESSは、バッテリ、又はスーパーキャパシタ／コンデンサであり得る。ESS310は、無線電力受信機300に電力を供給し、無線電力送信機300によって送信された無線電力信号206から複数のアンテナ306により捕捉された電力によって充電される。

複数のアンテナ306は、アンテナ306によって捕捉されたエネルギをDC電圧に変換するRF−DC整流器312に結合される。RF−DC整流器312は、RF−DC整流器312のDC電圧出力をESS310を充電するための適切な電圧に変換するDC−DC変換器314に結合される。

受信機パフォーマンス監視ユニット（RPMU）316がESS310に結合される。RPMU 316は、ESS310の電力充電／放電値をリアルタイムで監視する電力測定ユニットを備えている。また、RPMU 316は、ESS310の充電状態（SoC）を決定するように構成される。これは、バッテリ／スーパーキャパシタ／コンデンサの開回路電圧（OCV）を監視し、それを保存されているOCV対SoCグラフと比較してSoCを推定することにより実装され得る。ESS310の電圧と充電／放電電流は、別々のセンサを介して測定されてもよく、又はTexas InstrumentsのINA220等の単一の電源管理ICを使用して、両方のパラメータを監視することができる。

無線電力受信機300は、チャネル推定器318をさらに備える。チャネル推定器318は、無線電力送信機200のチャネル推定器218とペアになっている。無線電力受信機300のチャネル推定器218は、既定のパイロット信号のセットを保存する。チャネル推定プロセス中に、これらのパイロット信号は、無線電力受信機300の複数のアンテナ302によって無線電力送信機200の複数のアンテナ202に送信される。無線電力送信機200のチャネル推定器218は、受信したパイロット信号を使用して、無線電力受信機300のアンテナ302と無線電力送信機200のアンテナ202との間のチャネルのCSIを推定する。無線電力送信機のチャネル推定器218は、CSIを見つけるために、最大尤度（ML）、最小二乗（LS）又は最小平均二乗誤差（MMSE）を使用してもよい。

図4は、本発明の一実施形態による無線電力伝送の方法を示すフローチャートである。図4に示された方法400は、図2に示された無線電力送信機200において実装される。

ステップ402において、無線電力送信機200の無線通信モジュール204は、無線電力受信機300からフィードバック信号を受信する。フィードバック信号は、無線電力受信機300のアンテナ302によって受信された電力信号の指示を含む。フィードバック信号は、無線電力受信機300のエネルギ蓄積デバイス310の充電率を示してもよい。

ステップ404において、無線電力送信機200の電力信号オプティマイザ220は、電力信号の指示を生成する。電力信号はマルチサイン波形であり、電力信号オプティマイザはフィードバック情報を使用してマルチサイン波形のサブキャリアに対して最適化された振幅を決定する。

ステップ406において、無線電力送信機200の位相制御論理222は、無線電力送信機200のアンテナ202に関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成する。

ステップ408において、無線電力送信機200のアンテナ202は、ビームフォーミング係数に従って駆動される。電力信号オプティマイザ220は、電力信号を生成するように信号発生器224を制御する。次に、この電力信号は、電力増幅器228によって増幅され、スプリッタ230によってアンテナごとの信号に分割される。各アンテナ202に対する信号の位相は、ビームフォーミング係数に従って移相器232によって修正される。次に、位相シフトされた電力信号を使用して、各アンテナ202を駆動する。

図5は、本発明の一実施形態による複数の無線電力受信機へ無線電力伝送を行う方法を示すフローチャートである。図5に示された方法500は、図2に示された無線電力送信機200において実装される。

ステップ502において、無線電力送信機200の無線通信モジュール204は、複数の無線電力受信機300の各々からフィードバック信号を受信する。フィードバックは、複数の無線電力受信機300の各々のアンテナ302によって受信された電力信号の指示を含む。また、フィードバック信号は、無線電力受信機300の各々における電力使用又は蓄積電力レベルの指示も含む。

ステップ504において、無線電力送信機200のスマートシーケンス論理216は、無線電力受信機300の各々における電力使用量又は蓄積電力レベルの指示を使用して、無線電力受信機の各々への電力伝送のためのスケジューリングシーケンスを決定する。

ステップ506において、無線電力送信機200の電力信号オプティマイザ220は、電力信号の指示を生成する。電力信号はマルチサイン波形であり、電力信号オプティマイザはフィードバック情報を使用してマルチサイン波形のサブキャリアに対して最適化された振幅を決定する。

ステップ508において、無線電力送信機200の位相制御論理222は、無線電力送信機200のアンテナ202に関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成する。

ステップ510において、無線電力送信機200のアンテナ202は、スケジューリングシーケンスに従ったタイミングでビームフォーミング係数に従って駆動される。電力信号オプティマイザ220は、電力信号を生成するように信号発生器224を制御する。次に、この電力信号は、電力増幅器228によって増幅され、スプリッタ230によってアンテナごとの信号に分割される。各アンテナ202に対する信号の位相は、ビームフォーミング係数に従って移相器232によって修正される。スマートスケジューリング論理216は、スケジューリングシーケンスに従って無線電力受信機の各々に対応するビームフォーミング係数を生成するように位相制御ロジック222を制御する。次に、位相シフトされた電力信号を使用して、各アンテナ202を駆動する。

図6は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおけるチャネル状態推定の方法を示すフローチャートである。

図6に示されるように、チャネル状態推定の方法600は、チャネル訓練手順620を含む。無線電力送信機200が電力送信602の開始時に対象の受信機に向けて電力信号をステアリングするプロセスを開始すると、チャネル訓練手順620が開始される。その後、受信機のESSの電力充電値が、デフォルトで20％に設定されている所定のパーセンテージを超えて突然減少すると、チャネル訓練手順620が開始される。この場合、ステップ610において、ESS電力充電値の低下が識別される。ステップ612において、低下は閾値（例えば、20％）と比較される。低下が閾値よりも大きい場合、無線電力送信機200は要求を検証する。ステップ614で要求が検証される。要求を検証するために、無線電力送信機200は、この受信機に電力を供給するために割り当てられたタイムスロットが過ぎたかどうかを決定する。タイムスロットが終了した場合、この受信機への無線電力伝送は意図的に停止されることを意味しており、チャネル推定は必要ない。したがって、要求は無効であり、次の充電セッションまでチャネル再訓練のさらなる要求を送信しないように信号が受信機に送信される。この場合、方法はステップ616に移って終了する。一方で、タイムスロットがまだ終わっていない場合、電力充電値の突然の低下は、主に古くなったCSIが原因である（例えば、受信機が移動されている、及び／又は周囲の散乱体が移動している）。したがって、要求は有効であり、方法はチャネル訓練手順620に移る。無線電力受信機200のチャネル推定器318は、ステップ610及び612を実行してもよく、すなわち、ESS電力充電値に低下があったことを識別する。次に、メッセージが、無線電力受信機300の無線通信モジュール304を介して無線電力送信機200に送信されてもよい。このメッセージを受信すると、無線電力送信機200のチャネル推定器218は、ステップ614において、低下が伝送のスケジュールされた変更のためであったかどうかを決定する。

チャネル訓練手順620は、以下のステップを含む。最初に、ステップ621において、無線電力送信機200及び無線電力受信機300のそれぞれにおけるタイマが同期される。ステップ622において、無線電力受信機300は、既定のパイロット信号を無線電力送信機200に送信する。ステップ623において、無線電力送信機200は、パイロット信号を検出する。ステップ624において、無線電力送信機200のチャネル推定器218は、受信したパイロット信号及びパイロット信号の格納された指示を使用して、以下で説明されるチャネルCSIを計算する。

無線電力送信機200のチャネル推定器218は、CSIを見つけるために、最大尤度（ML）、最小二乗（LS）又は最小平均二乗誤差（MMSE）を使用し得る。送信アンテナkと受信アンテナmの間のCSIは、以下のように推定される。無線電力受信機300は、所与のシーケンスで以下のQの信号を送信する。

複素数値の定数[A_n,T1,A_n,T2,...,A_n,TQ]はすべて、無線電力送信機200に知られている。仮に送信機アンテナkで受信した信号を以下のように表す。

仮にh_k,m＝ [h_k,m,1,...,h_k,m,N]が送信アンテナkと受信アンテナmとの間のCSIベクトルを示すとする。CSIは、次のようにMLを使用して推定される。

ステップ630において、CSIは計算された値で更新され、無線電力受信機300のチャネル推定器318は、ESS電力充電値を監視して、低下が発生するかどうかを決定し、その場合、方法はステップ610に進む。

図7は、本発明の一実施形態による無線電力伝送の位相制御を示すフローチャートである。図7に示される方法700は、無線電力送信機200の位相制御論理（PCL）222によって実行される。これを行うには、PCL222で図7に示す方法を実行する。ステップ702において、各送信機アンテナk, k∈{1,...,K}の位相は、次のように設定される。

ここでψ_k,m,nはn番目のサブキャリアにおける送信機アンテナkと受信機アンテナmとの間のチャネル位相を表している（CSIが利用できない場合、φ_k,init＝0となる）。

次に、この方法は、ステップ704において、k＝1を設定することにより第1のアンテナの位相を初期化する。次に、ステップ706において、位相φ_kは、Δφだけインクリメントすることにより増分的に調整される。

次に、ステップ708において、位相のインクリメントによる増加が、供給される電力の増加をもたらすかどうかが決定される。位相のインクリメントによる増加が供給される電力の増加をもたらす場合、方法はステップ706に戻り、位相が再びインクリメントされる。

位相のインクリメントによる増加が供給される電力を増加させない場合、方法はステップ710に進み、以前の位相のインクリメントによる増加が反転され、k番目のアンテナの位相が増加する前の位相φ_kとして設定される。次に、ステップ712において、全てのアンテナに対する位相が設定されたかどうかが決定される。全てのアンテナの位相が設定された場合（すなわち、k＝Kの場合）、方法はステップ716で終了する。そうでない場合、ステップ714でkがインクリメントされ、方法はk番目のアンテナに対して繰り返される。最良のビームステアリング結果を得るために、上記の手順を複数のサイクルで繰り返してもよい。探索の各サイクルで、探索の精度を高めるようにΔφは漸進的に減少する。

得られた位相シフト値は、将来、同じ受信機に向けて電力信号をステアリングするための初期点として使用するために、ルックアップテーブルに保存され得る。

PCL222は、同時に2つ以上の受信機への重み付けされた供給可能電力を最大化することを目的とする単一の電力信号ビームを見つけることができる。したがって、いくつかの実施形態では、ステップ708の問題は、「ターゲットの受信機の重み付けされた充電電力値が増加するか」に置き換えられる。例えば、仮にP₁及びP₂は、それぞれ受信機1及び2に供給される瞬時電力を示すとする。この場合、ターゲットの受信機の重み付けされた充電値は、w₁P₁＋w₂P₂と定義されてもよく、w₁及びw₂はユーザによって定義される定数である。この場合、各反復において、w₁P₁＋w₂P₂の変化が監視されている。PCL 222における決定メトリックとして他の対象を使用することもできる。

図8は、本発明の一実施形態による無線電力送信機における位相制御論理の1つの可能なハードウェア実装を示すブロック図である。

図8に示す実施形態では、位相制御論理222を実装して、各アンテナに対する信号の位相を制御するためにアナログ移相器810が使用される。送信機アンテナごとに1つのアナログ移相器810が使用される。この実施形態では、Mini−Circuits社製のSPHSA−152＋等のアナログ移相器が使用される。SPHSA−152＋の位相シフト値は、その入力電圧の関数である。図8に示すように、移相器810の入力電圧ピン812は、位相シフトを制御するために使用され得る。入力電圧を制御するために、デジタル−アナログ変換器（DAC）820、例えば、Microchip TechnologyのMCP4725が使用される。PCL222アルゴリズムを実行するマイクロコントローラ830は、デジタルコマンド832をDAC820に送信して、移相器810の入力電圧ピン812の両端に所望の目標電圧822を得る。提案されたデジタル制御のアナログ位相シフト制御トポロジは高い精度を有する。具体的には、MCP4725をDAC4096として使用すると、異なる位相値が実現され得る。さらに、MCP4725は高速I2Cプロトコルをサポートし、かつ不揮発性メモリ（EEPROM）を有していることにより、提案されたトポロジは多数の送信アンテナに拡張可能である。したがって、単一のマイクロコントローラを介して複数のDACをシームレスに制御することができる。

図8に示されるように、マイクロコントローラ830は、ターゲットとされる受信機のESSの充電電力を示すフィードバック情報834を受信して、位相を変化させるためのデジタルコマンドを生成する。K番目のチャネルに関連付けられる移相器810は、スプリッタ230からRF入力RF_inを受信し、k番目のアンテナを駆動するために使用される位相シフトされた出力信号RF_outを生成する。

図8を参照して先に記載した実施形態は、サブGHzシステムに特に適している。5．8GHz以上の高周波無線システムでは、PCLを実装するためにデジタル移相器が使用されており、そのためマイクロコントローラ（又はFPGA、Raspberry Pi等）が各移相器にデジタルコマンドを送信して、その位相シフト値を直接設定する。

各移相器の後で、アンテナへの信号強度を高めるためにパワーアンプ（PA）が使用されてもよい。さらに、ビームステアリングの精度を高め、サイドローブを減らすために、図7に示す同様の手順を使用してPAの電力を制御することができる。

前述の記載は例示的な実施形態を説明してきたが、実施形態の多くの変形が本発明の範囲及び精神の範囲内でなされ得ることが当業者によって理解されるであろう。

Claims

送信機における無線電力伝送の方法であって、
受信機からフィードバック情報を受信するステップであって、前記フィードバック情報は、前記送信機のアンテナから前記受信機のアンテナによって受信される信号の指示を含むステップと、
前記フィードバック情報を使用して電力信号を生成するステップであって、前記電力信号は帯域幅内にマルチサイン波形を含むステップと、
前記フィードバック情報を使用して、前記送信機の複数の前記アンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するステップと、
前記ビームフォーミング係数に従って制御される前記送信機の前記複数のアンテナの相対位相を有する前記電力信号で前記送信機の前記複数のアンテナを駆動するステップと
を含む、方法。
前記フィードバック情報は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の指示を含む、請求項1に記載の方法。
前記フィードバック情報を使用して前記送信機の複数の前記アンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するステップは、前記受信機の前記エネルギ蓄積デバイスの前記充電率を最適化するために、前記複数のアンテナで送信される前記信号間の位相差を増分的に変化させることを含む、請求項2に記載の方法。
チャネル訓練手順において前記受信機によって受信された電力を最適化する前記マルチサイン波形に関する係数を決定するステップをさらに含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
前記チャネル訓練手順は、前記受信機から受信したチャネル訓練開始信号に応答して開始され、前記チャネル訓練開始信号は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の低下を示す、請求項4に記載の方法。
複数の受信機からフィードバック情報を受信するステップであって、前記フィードバック情報は、前記送信機のアンテナから各受信機のアンテナによって受信される信号の指示、及び前記各受信機における電力使用量又は蓄積された電力レベルの指示を含むステップと、
前記各受信機で受信した電力使用量の指示を使用して、前記各受信機への電力伝送のためのスケジューリングシーケンスを決定するステップと、
前記フィードバック情報を使用して電力信号を生成するステップであって、前記電力信号は帯域幅内にマルチサイン波形を含むステップと、
前記フィードバック情報を使用して、前記送信機の複数の前記アンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するステップと、
前記スケジューリングシーケンスに従ったタイミングで前記ビームフォーミング係数に従って制御される前記送信機の前記複数のアンテナの前記相対位相を有する前記電力信号で前記送信機の前記複数のアンテナを駆動するステップと
をさらに含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
前記帯域幅として周波数範囲を選択するステップをさらに含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
前記周波数範囲は、前記フィードバック情報を使用して選択される、請求項7に記載の方法。
前記周波数範囲は、ユーザ入力に応答して選択される、請求項7に記載の方法。
電力を受信機に無線で送信するように構成される複数の電力送信アンテナと、
前記受信機からフィードバック情報を受信するように構成される無線通信モジュールであって、前記フィードバック情報は、送信機の前記複数のアンテナから前記受信機のアンテナによって受信される信号の指示を含む無線通信モジュールと、
帯域幅内にマルチサイン波形を含む電力信号を生成するように構成される信号発生器と、
前記フィードバック情報を使用して前記信号発生器を制御するように構成される電力信号オプティマイザと、
前記フィードバック情報を使用して、前記送信機の前記複数のアンテナに関する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するように構成される位相制御論理と、
前記電力信号を、複数のアンテナ信号に分割するように構成されるスプリッタであって、前記複数のアンテナ信号の各々が前記複数のアンテナの各アンテナに対応するスプリッタと、
前記送信機の前記複数のアンテナが前記ビームフォーミング係数に従って制御された相対位相を有する前記電力信号で駆動されるように、前記ビームフォーミング係数に従って前記アンテナ信号の前記相対位相をシフトさせるように構成される複数の移相器と
を備える、無線電力送信機。
前記フィードバック情報は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の指示を含む、請求項10に記載の無線電力送信機。
前記位相制御論理は、前記受信機の前記エネルギ蓄積デバイスの前記充電率を最適化するために、前記複数のアンテナで送信される前記信号間の位相差を増分的に変化させることにより前記ビームフォーミング係数を生成するように構成される、請求項11に記載の無線電力送信機。
前記送信機の前記複数のアンテナと前記受信機のアンテナとの間のチャネルに関するチャネル状態情報を推定するように構成されるチャネル推定器をさらに備え、前記電力信号オプティマイザは、前記受信機によって受信される前記電力を最適化する前記マルチサイン波形に関する係数を決定するように構成される、請求項10〜12のいずれか1項に記載の無線電力送信機。
前記チャネル推定器は、前記受信機から受信したチャネル訓練開始信号に応答してチャネル訓練手順を開始するように構成され、前記チャネル訓練開始信号は、前記受信機のエネルギ蓄積デバイスの充電率の低下を示す、請求項13に記載の無線電力送信機。
前記チャネル推定器は、前記充電率の低下がターゲット受信機のスケジュールされた変化によるものであったかどうかを決定し、前記低下がターゲット受信機のスケジュールされた変化によるものではなかった場合に、前記チャネル訓練手順を開始するように構成される、請求項14に記載の無線電力送信機。
前記複数の受信機の中の各受信機で受信した電力使用量の指示を使用して、各受信機への電力伝送のためのスケジューリングシーケンスを生成するように構成されるスマートスケジューリング論理をさらに備え、
前記スマートスケジューリング論理は、前記スケジューリングシーケンスに従ったタイミングで係数を生成するように、前記送信機の前記複数のアンテナに対する相対位相を示すビームフォーミング係数を生成するように構成される前記位相制御論理を制御するように構成され、それにより前記電力送信アンテナは前記スケジューリングシーケンスに従って前記複数の受信機をターゲットとする電力を送信する、請求項10〜15のいずれか1項に記載の無線電力送信機。
前記帯域幅として周波数範囲を選択するように構成される周波数セレクタをさらに備える、請求項10〜16のいずれか1項に記載の無線電力送信機。
前記周波数範囲は、前記フィードバック情報を使用して選択される、請求項17に記載の無線電力送信機。
前記周波数範囲は、ユーザ入力に応答して選択される、請求項17に記載の無線電力送信機。
無線電力受信機におけるフィードバック方法であって、
前記無線電力受信機の1つ以上のアンテナで送信機からの無線電力伝送信号を受信するステップと、
前記1つ以上のアンテナに結合されたエネルギ蓄積デバイスの充電率を監視するステップと、
前記充電率の変化を識別するステップと、
チャネル訓練開始信号を前記送信機に送信するステップと
を含む、方法。
送信機から無線電力伝送信号を受信するように構成される複数のアンテナと、
前記複数のアンテナに結合されるエネルギ蓄積デバイスと、
前記エネルギ蓄積デバイスの充電率を監視するように構成される監視ユニットと、
前記エネルギ蓄積デバイスの前記充電率の低下を識別して、チャネル訓練開始信号を生成するように構成されるチャネル推定器と、
前記チャネル訓練開始信号を前記送信機に送信するように構成される無線通信モジュールと
を備える、無線電力受信機。
前記チャネル推定器は、前記複数のアンテナにパイロット信号を生成させるようにさらに構成される、請求項21に記載の無線電力受信機。