JP6619416B2 - 改良型ワイヤレス高ｑ共振電力伝達のための調整可能な結合のための方法および装置 - Google Patents

改良型ワイヤレス高ｑ共振電力伝達のための調整可能な結合のための方法および装置 Download PDF

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Description

説明される技術は、一般にワイヤレス電力に関する。より詳細には、本開示は、改良型ワイヤレス高Q共振電力伝達のための調整可能な結合のための方法および装置を対象としている。
近年の携帯型電子工学デバイスは、性能がより高いバッテリ電源を備え、その一方で電力消費がより少なくなっており、ますます可用性が高くなっている。この強化された能力および常時オン可用性のため、消費者は、あらゆる種類のタスクを携帯型電子工学デバイス(たとえば電話およびコンピュータ)に依存するようになっている。消費者はデバイスの連続可用性に慣れているので、関連するバッテリはワイヤレス充電方式であることが望ましい。誘導ワイヤレス電力伝達は、ワイヤレス電力を提供するための好ましい解決法になっている。同様に、バッテリによって電力が供給される電気車両は、空気汚染のレベルおよび化石燃料の枯渇のレベルの上昇に対処するための解決法としてますます普及しつつある。電気車両のさらなる市場浸透に対する障害の1つは、車両への重電力ケーブルの日常的な接続に対する要求事項である。誘導電力伝達によるワイヤレス充電は、静止充電のための好ましい解決法であり、また、稼働中における充電のための唯一の解決法である。誘導電力伝達は、電力トランスミッタおよび電力レシーバ内の共振結合インダクタによって改善される。さらに、高共振インダクタは、より長い距離にわたって電力を結合することができ、また、より効果的に電力を結合することができる。したがって改良型ワイヤレス高共振誘導電力伝達のための調整可能な結合のための方法および装置が望まれる。
「The Influence of Frequency upon the Self-Inductance of Coils」(1906年、8月)、Bulletin of the Bureau of Standards、vol. 2、275〜296頁、1906年、Scientific Paper 37 Radio Instruments and Measurements、U.S. Department of Commerce、National Bureau of Standards、Circular C74
ワイヤレス誘導電力伝達のための装置を提供している。装置は、電力をワイヤレス電力レシーバの負荷に結合された二次共振器にワイヤレスで伝達するように構成された一次共振器を備える。装置は、ソース電源からのエネルギーを一次共振器に結合するように構成された結合回路を備える。装置は、結合回路を介して、ソース電源と一次共振器との間の第1の量の結合の調整を、二次共振器とワイヤレス電力レシーバの負荷との間の第2の量の結合の調整と整合させるように構成されたコントローラを備える。
ワイヤレス誘導電力伝達のための方法を提供している。方法は、ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器からの電力を、ワイヤレス電力レシーバの負荷に結合された二次共振器にワイヤレスで伝達するステップを含む。方法は、ソース電源からのエネルギーを一次共振器に結合するように構成された結合回路を介して、ソース電源と一次共振器との間の第1の量の結合を調整するステップを含み、第1の量の結合を調整するステップは、二次共振器と負荷との間の第2の量の結合の調整と整合される。
ワイヤレス誘導電力伝達のための装置を提供している。装置は、電力をワイヤレスで受け取るための手段に電力をワイヤレスで伝達するように構成されたワイヤレス場を生成するための手段を備え、電力をワイヤレスで受け取るための手段は、ワイヤレス電力レシーバの負荷に結合される。装置は、ソース電源からのエネルギーをワイヤレス場を生成するための手段に結合するための手段を備える。装置は、エネルギーを結合するための手段を介して、ソース電源と、ワイヤレス場を生成するための手段との間の第1の量の結合の調整を、電力をワイヤレスで受け取るための手段と、ワイヤレス電力レシーバの負荷との間の第2の量の結合の調整と整合させるための手段を備える。
ワイヤレス電力を誘導によって受け取るための装置を提供している。装置は、ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器から電力をワイヤレスで受け取るように構成された二次共振器を備える。装置は、二次共振器からのエネルギーを負荷に結合するように構成された結合回路を備える。装置は、結合回路を介して、二次共振器と負荷との間の第2の量の結合の調整を、ソース電源とワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器との間の第1の量の結合の調整と整合させるように構成されたコントローラを備える。
ワイヤレスによる電力を誘導によって受け取るための方法を提供している。方法は、ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器から電力をワイヤレスで受け取るステップを含む。方法は、二次共振器からのエネルギーを負荷に結合するように構成された結合回路を介して、二次共振器と負荷との間の第2の量の結合を調整するステップを含み、第2の量の結合を調整するステップは、ソース電源と一次共振器との間の第1の量の結合の調整と整合される。
ワイヤレス電力を誘導によって受け取るための装置を提供している。装置は、ワイヤレス電力トランスミッタのワイヤレス場を生成するための手段から電力を受け取るための手段を備える。装置は、電力を受け取るための手段からのエネルギーを負荷に結合するための手段を備える。装置は、エネルギーを結合するための手段を介して、電力を受け取るための手段と負荷との間の第2の量の結合の調整を、ソース電源と、ワイヤレス電力トランスミッタのワイヤレス場を生成するための手段との間の第1の量の結合の調整と整合させるための手段を備える。
表皮効果を観察することができる一例示的インダクタコイルワイヤを示す図である。 電気共振器の一例示的モデルを示す図である。 一例示的物理共振器のモデルとしてのベルを示す図である。 一例示的共振器の周波数応答曲線を示すグラフである。 一例示的実施態様による、ワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 一例示的実施態様による、ワイヤレス共振誘導充電のための近距離場領域、移行領域および遠距離場領域の線図である。 スピーカから放出される音の波長よりも小さい寸法を有する室内のスピーカの線図である。 スピーカから放出される音の波長よりも大きい寸法を有する室内のスピーカの線図である。 一例示的実施態様による、ワイヤレス電力スループットが測定されている間の一次共振器および二次共振器の複数の位置を示す図である。 一例示的実施態様による、高負荷Q一次共振器から二次共振器への電力伝達セットアップに対する電力スループット対周波数を示すグラフである。 一例示的実施態様による、低負荷Q一次共振器から二次共振器への電力伝達セットアップに対する電力スループット対周波数を示すグラフである。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、密結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、密結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、密結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、密結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の他の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示す図である。 一例示的実施態様による、一次側結合調整能力および二次側結合調整能力を有するワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 一例示的実施態様による、可変抵抗性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、可変リアクタンス性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、タップ付き誘導性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、タップ付き容量性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、物理的に調整可能な結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、タップ付き結合ループを利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、幾何学的に目盛りが付けられたループサイズを有するタップ付き結合ループを利用した図15の結合回路の一部の略図である。 一例示的実施態様による、一次共振器の上に整列した車両の線図である。 一例示的実施態様による、ワイヤレス誘導電力伝達のための方法のフローチャートである。 一例示的実施態様による、ワイヤレス誘導電力伝達のための装置の機能ブロック図である。 一例示的実施態様による、ワイヤレスによる電力を誘導によって受け取るための方法のフローチャートである。 一例示的実施態様による、ワイヤレス電力を誘導によって受け取るための装置の機能ブロック図である。
図面に示されている様々な特徴は、場合によってはスケール通りに描かれていない。したがって、明確にするために、様々な特徴の寸法は任意に拡大または縮小されていることがある。加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを図示していないことがある。最後に、同様の参照数表示は、本明細書全体および図全体を通して同様の特徴を示すために使用され得る。
添付の図面に関連して以下で示される詳細な説明には、本発明の特定の実施態様についての説明であることが意図されており、本発明を実践することができる唯一の実施態様を示すものであることは意図されていない。本説明全体を通して使用されている「例示的」という用語は、「例、実例、または例証としての役割を果たす」ことを意味しており、必ずしも他の例示的な実装形態に優る好ましい、または有利なものとして解釈してはならない。詳細な説明は、開示する実装形態についての完全な理解を提供するための特定の詳細を含む。いくつかの実例では、いくつかのデバイスはブロック図の形態で示される。
ワイヤレス電力伝達は、電界、磁界、電磁界と結合した任意の形態のエネルギーの伝達を意味することができ、さもなければ物理的電気導体を使用することなくトランスミッタからレシーバへの任意の形態のエネルギーの伝達を意味することができる(たとえば電力は、自由空間を介して伝達することができる)。「送電アンテナ」すなわち「一次共振器」によるワイヤレス場(たとえば磁界または電磁界)への電力出力は、「受電アンテナ」または「二次共振器」によって受け取り、キャプチャすることができ、すなわち「受電アンテナ」または「二次共振器」に結合して電力伝達を達成することができる。
高共振すなわち高「品質係数」(すなわちQ)を使用することにより、共振器は、一次コイルに注入されるエネルギーを再循環させることができ、非共振一次コイルで可能な距離をはるかに超える磁界を生成することができる。同様に、高Q二次共振器は、低Q二次共振器よりも多くの磁界をキャプチャし、それを有用な電力に変えることができる。しかしながらエネルギーを一次共振器に有効に結合し、一次共振器と二次共振器との間でエネルギーを有効に結合し、かつ、二次共振器からのエネルギーを有効に結合し、その一方で高動作Qのシステムを維持し、かつ、安定させることは困難であった。
本出願は、電力が伝達される距離の変化に応答して、また、負荷の変化に応答して、システムの要素間(たとえば電源と一次共振器との間、一次共振器と二次共振器との間、および二次共振器と負荷との間)の結合の整合された調整を達成することができる方法を記述しており、距離の変化および負荷の変化は、いずれもシステムの最適動作点を変化させることがある。たとえば、距離が長くなり、また、Qが高くなると、最適動作点がますます過酷になり、一次共振器と二次共振器の両方の結合を整合が取れた方法で調整することなく安定させることがますます困難になる。最初にQについて説明する。
Qは、それらに限定されないが、構成要素の品質、共振器のエネルギー蓄積能力(たとえば電気的、機械的または物理的)、および回路の周波数選択性を始めとする多くの工学目的のために使用される単位のない量である。Qは、特定の回路の望ましくない品質に対する望ましい品質の比率である。より詳細には、Qは、特定の共振システムにおける散逸エネルギー(たとえば不良スタッフ)に対する蓄積エネルギー(たとえば良スタッフ)の比率である。また、Qは、インダクタまたはコンデンサの実効抵抗(たとえば不良スタッフ)に対するリアクタンス(たとえば良スタッフ)の比率として定義することも可能である。
物理共振器の例には、笛、弦楽器、揺れている振子および鳴っているベルを含むことができる。たとえば、笛の場合、空気が開口を通過して流れ、かつ、空気圧または空気流が振動を開始すると音が生成される。音の周波数は、笛のサイズおよび形状によって決定される。トランペットは物理共振器の別の例であり、弁が空気の通路を変えて、異なる周波数の音を生成する。同様に、弦楽器は、機械的な振動を使用して音を生成する。かき鳴らされるとより高い音を生成する、より短い弦と比較すると、より長い弦は、かき鳴らされると低い音を生成する。振子は、物理共振器のさらに別の例を提供する。振子は、前後に自由に揺れる長いロッドの先にぶら下がった錘でできている。弦と同様、より長いロッドは、発振の周期がより長い振子、すなわち発振の周波数がより低い振子を与える。振子の錘が、一方の側に変位して錘が持ち上げられると、位置エネルギーを錘に付与する。錘が中心へ向かって揺れ戻ると、位置エネルギーが運動エネルギーに変換される。振子の錘が中心を通過してもう一方の側へ揺れると、運動エネルギーが再度位置エネルギーに変換される。したがって振子が揺れると、振子は、位置エネルギーと運動エネルギーとの間でエネルギーを連続的に交互に変換する。本出願人の説明は、よりありふれた物理共振器から、電気共振器へ移行することができる。電気回路には、上で言及した物理共振器の場合の気柱、弦または振子の代わりに、発振を制御するためにインダクタおよびコンデンサが使用される。電磁誘導の理論によれば、ワイヤを流れる電流がワイヤの周りに磁界を誘導し、また、ワイヤを横切って切断する磁界がワイヤを流れる電流を誘導する。インダクタは、磁界中のエネルギーを蓄積するワイヤのコイルである。インダクタは、インダクタを通って流れる電流の変化を妨げる。そのため、インダクタを流れる電流の波形は、電圧波形より90°(たとえば1/4サイクル)だけ遅れる。より多くの巻数のワイヤまたはより大きいターンを有するインダクタは、より大きいインダクタンスを有する。実際には、ワイヤは、しばしば鉄を含むコア材料の周りに巻き付けられ、それは磁力線を集結させ、また、所与の断面および巻数に対するインダクタンスを大きくする。完全なインダクタは、磁界中のエネルギーを損失なく蓄積することになる。しかしながら現実のインダクタにおけるワイヤは抵抗を有している。さらに、インダクタが鉄を含むコア材料を含む場合、コア内の渦電流およびヒステリシスに関連する追加損失が存在する。典型的には、電力回路に使用されるインダクタは、動作周波数における抵抗による損失よりも少なくとも100倍大きい誘導リアクタンスを示す。言い換えると、無負荷すなわち真性Qは、実際的なシステムの場合の100倍よりも大きい。インダクタにおける損失の問題は、ワイヤレス電力を説明する場合、重要になる。
コンデンサは、絶縁体によって間隔された平行導電板を備える。コンデンサは、導電板間の電界中のエネルギーを蓄積する。インダクタがインダクタを通って流れる電流の変化を妨げるのに対し、コンデンサは、その導電板全体に加えられる電圧の変化を妨げる。そのため、コンデンサを流れる電流の波形は、90°(たとえば1/4サイクル)だけ電圧波形より進む。導電板が大きいほど、また、導電板間の間隔が狭いほどキャパシタンスが大きくなる。さらに、導電板間の絶縁体すなわち誘電体は、所与の導電板断面および間隔に対して、導電板によるより多くの電荷の蓄積を許容することによってキャパシタンスを大きくすることができる。コンデンサは、電界の一部を散逸させる、導電板ならびに誘電材料の抵抗による損失を有している。実際的なワイヤレス電力回路では、通常、インダクタによる損失の方がコンデンサによる損失よりも支配的である。したがって、通常、インダクタが回路の性能を画定している。インダクタ内のワイヤの直流(DC)抵抗rdcが損失を代表している場合、重い、純粋な銅ワイヤを使用して損失を最小化することができる。しかしながら、距離全体にわたる誘導結合が実際的であるより高い周波数では、「表皮効果」と呼ばれる現象が重要になる。ワイヤ中の高周波損失の詳細については、「The Influence of Frequency upon the Self-Inductance of Coils」(1906年、8月)、Bulletin of the Bureau of Standards、vol. 2、275〜296頁、1906年、Scientific Paper 37の中に見出すことができる。
図1は、表皮効果を観察することができる一例示的インダクタコイルワイヤ100を示したものである。ワイヤ100を流れる交流が、「右手の法則」に従って、ワイヤ内およびワイヤの周りに、交流に対して直角に交番磁界106を生成する。その磁界106は、同じく「右手の法則」に従って、ワイヤ中に、磁界に対して直角の渦電流108を誘導する。これらの渦電流108は、ワイヤの真中を流れる電流Icenterを妨げ、ワイヤの表面の近くを流れるように電流を強制するIskin。この表皮効果は、ワイヤの外部表面の近くのみを流れるように高周波電流を強制して、ワイヤ100の実効断面(たとえば灰色に色付けされた領域)を小さくし、したがって抵抗を大きくする。電流密度が最大(たとえば導体の表面における値)の約37%に減少する導体の表面より下の深さは、「表皮の厚さ(skin depth)」104として知られている。この表皮効果のため、98%を超える電流が導体の表面から表皮の厚さの4倍の深さ以内を流れることになる。表皮効果は、周波数が高くなるにつれて大きくなる。たとえば、100kHz(たとえば大電力電気車両の充電に広く使用されている周波数)では、銅ワイヤの表皮の厚さは約0.2mmである。したがってほぼすべての電流が、大ゲージワイヤの外側の0.8mm以内を100kHzで流れることになる。これは、ワイヤの抵抗を著しく大きくする。そのため、rdcは共振計算には役に立たない。したがって実際には、大電力ワイヤレス電力伝達アプリケーションは、ゲージがより小さい多くの絶縁ワイヤが束の内側から外側まで平行に巻かれ、かつ、織られているLitz線を利用しており、したがって各ワイヤは、すべての他の線と同じ微小長さを内部に有し、それにより表皮の厚さ損失を最小化している。図2は、電気共振器200の一例示的モデルを示したものである。L-C共振器の広範囲にわたる背景および設計情報については、Radio Instruments and Measurements、U.S. Department of Commerce、National Bureau of Standards、Circular C74の中に見出すことができる。
電気共振器200は、インダクタ202がコンデンサ204に接続されると形成される。L-C共振器200は、L-C共振器200がエネルギーを蓄積するので、しばしば「タンク回路」と呼ばれる。エネルギーがL-C共振器200に導入されると、そのエネルギーは、コンデンサ204の電界が減損している間、インダクタ202の磁界中に蓄積し、次いでサイクルが逆転して磁界が崩壊すると、エネルギーは、コンデンサ204の電界中に蓄積される。共振時は、インダクタ202の誘導リアクタンス(XL)およびコンデンサ204の容量リアクタンス(XC)は、大きさが等しく、かつ、位相変位が逆である。これは、共振時におけるL-C共振器の動作の特殊な特徴であり、共振器中の電圧および電流が互いに同相になる。この共振動作は、すでに説明した振子に類似している。しかしながら、振子の位置エネルギーと運動エネルギーが交番する代わりに、電気共振器は、インダクタの磁界中におけるエネルギー蓄積と、コンデンサの電界中におけるエネルギー蓄積が交番する。振子の場合と同様、L-C共振器内における前後のエネルギーの流れは、初期エネルギーが共振器中に注入された後、長期間にわたって継続することができる。振子の例では、錘を最終的に遅くする損失は空気抵抗である。実際的なL-C共振器では、最大の損失は、インダクタワイヤのAC抵抗(rac)にあり、これは、図2の抵抗206によってモデル化することができる。L-C共振器200のモデルは、遠距離場電磁(EM)波伝搬による放射損失を考慮するための抵抗208(rradiation)、ならびに負荷を考慮するための抵抗210(rL)を同じく含むことができる。しかしながら以下でより詳細に説明されるように、rradiationは、共振誘導電力伝達アプリケーションのためのracと比較すると極端に小さく、したがってこの説明のためには、rradiationは無視することができる。この説明は、今は成分Qに的を絞っているため、この説明のためには負荷抵抗210(rL)も同じく無視することができる。
構成要素の品質は、共振回路200の動作のためには極めて重要であるため、測度Qが使用される。成分Qは、racに対するインダクタ202のリアクタンス(XL)またはコンデンサ204のリアクタンス(XC)の比率として定義される(racは、Qが測定または計算される構成要素のAC抵抗である)。すでに言及したように、誘導リアクタンスまたは容量リアクタンスは、共振器200に蓄積されるエネルギーに寄与するので「良スタッフ」であり、一方、racは、共振器構成要素中に熱として失われるエネルギーに寄与するので「不良スタッフ」である。成分Qは、次の式1および式2に従って計算することができる。
式1:QL=XL/rac インダクタの成分QL
式2:QC=XC/rac コンデンサの成分QC
ワイヤレス電力伝達に使用されるインダクタの典型的な成分Q値は、最高品質のインダクタに対して約100と500との間にすることができ、一方、コンデンサは、典型的には数千ないし数万の成分Q値を有している。
インダクタのリアクタンスは、次の式3に従って計算することができ、fは、ヘルツ(Hz)単位の動作周波数であり、Lは、ヘンリ(H)単位のインダクタのインダクタンスであり、また、ギリシャ文字オメガ(ω)は、1秒当たりのラジアン単位の角周波数(たとえば2πf)である。
式3:XL=2πfL=ωL インダクタのリアクタンス
式1を書き直すことにより、測定または計算後のコイルインダクタンスXLを利用して、式4に従って、電気車両充電パッドにおけるコイルのAC抵抗(rac)を計算することができる。
式4:rac=XL/QL インダクタのAC抵抗
したがって、巻数が7で、インダクタンスが58μH、車両が存在していない場合のQが500であり、また、車両が存在している場合のQが300であり、ただし80kHzの周波数で充電が駆動されていない、直径が1メートルのコイルの一例では、車両が存在していない間のインダクタのAC抵抗は、rac=2π*80,000*0.000058/500=58mΩになる。
共振器(たとえば共振器200)のエネルギー蓄積能力は、Qとして同じく知られている。このQは、共振器単独の固有Q、すなわち無負荷Qである。一方、共振器は、負荷された場合の共振器のエネルギー蓄積能力である負荷Qを同じく有している。
有用なものにするためには、エネルギーの一部を共振器から抽出しなければならない。振子によって駆動される時計の場合、エネルギーは、時計の面の手を回すための歯車を駆動するために振子から抽出される。ワイヤレス電力伝達の場合、電力は、バッテリを充電するために、またはデバイスあるいは車両を動作させるために抽出される。エネルギーを共振器から抽出しなければならない場合、最初に共振器にエネルギーを注入しなければならない。振子駆動時計の場合、個別の落下錘システムを使用して、振子の揺れを維持するための「プッシュ」を振子に与えることによって振子にエネルギーが注入される。この方法によれば、落下錘システムに蓄積された位置エネルギーが振子中の運動エネルギーに変換される。ワイヤレス電力システムの場合、ソース(たとえば送電系統によって電力が供給されるソース、またはバッテリなどの他の電源を介したソース)が共振器にエネルギーを結合する。共振器へのエネルギーの注入と、共振器からのエネルギーの抽出の両方が、それぞれ、あたかも共振器が追加損失を有していたかの如くに共振器の発振の負荷になる。これは、事実上、Qを低くする。これは、負荷Qすなわち動作Qとして知られている。
負荷Qに対する無負荷Qの概念の可視化を支援するのに、鳴っているベルとの類似性が有用であろう。図3は、一例示的物理共振器のモデルとしてベル300を示したものである。ベル300は、エネルギーを機械的振動中に蓄積する物理共振器である。振動によってベル300のマウスが撓む。ベル300をクラッパ302で初期一撃すると、ベル300にエネルギーが付与され、ベル300が湾曲して、その休止状態の丸い形304と楕円形306との間で振動する。これは、蓄積された位置エネルギーの形態であり、振動する弦に蓄積されるエネルギーに類似している。この位置エネルギーは、時間とともに、前後に振動するベルのマウスの形として音波の形態で解放される。クラッパ302による鋭い一撃は、さらに負荷することなくベル300にエネルギーを付与し、駆動力によって妨害されることなく、高Q機械共振器の発振を許容する。これは、ワイヤレス電力伝達システムのエネルギー源と一次共振器との間の極めて疎な結合に類似しており、駆動力による、実質的に無負荷の発振を一次共振器に許容する。ベル300を取り囲んでいる空気は、振動の運動を阻止することによってベル300の負荷になる。空気は、エネルギーを抽出するために二次共振器に結合される負荷に類似している。一撃された後、ベル300が鳴っている時間は、ほとんどのエネルギーが音波の形態で解放されるため、その負荷Qの測度である。一方、ベル300が真空中に置かれ、かつ、ベル300が鳴りやむまでの時間が測定されると、この測定は、エネルギー損失のみがその共振器に固有であるので、ベル300の撓み誘導加熱によってもたらされるベル300の無負荷Qを示すことになる。
共振器の負荷Qの計算は、無負荷Qの論理と同じ論理に従う。この場合も、負荷Qは、散逸されるエネルギーに対する蓄積されるエネルギーの比率である。共振器に対する負荷は浪費的要素であるため、図2に示されているように、共振器200の他の構成要素と直列の抵抗210(rL)として表すことができる。したがって構成要素損失抵抗(rac)を負荷抵抗(rL)に加えることにより(極端に小さい放射損失rradiationは無視する)、次の式5に示されているように、抵抗に対するリアクタンスの比率に従って負荷Q(QLOADED)を決定することができる。
式5:QLOADED=XL/(rac+rL) 共振器の負荷Q
実際には、共振器自体の損失は設計によって最小化されるので、また、負荷は、有用な電力を回路に伝達し、または回路から伝達するために必然的に大きいので、rL>>racである。したがって式5は、次の式6の近似式に単純化することができる。
式6:QLOADED=XL/rL 共振器の近似負荷Q
したがってQに関する以上の説明は、共振器内でエネルギーを散逸するために要する時間に基づいている。しかしながら共振器も、帯域幅、すなわち共振器が発振することができる周波数の範囲の特性を同じく有している。帯域幅は、エネルギー散逸の速度に緊密に関係している。エネルギーを速やかに散逸する共振器は、広い帯域幅を有しており、一方、より長い発振を維持する共振器は、狭い帯域幅を有している。便宜上、帯域幅は、一般に、ピーク応答値の1/2未満で発振が生じる周波数範囲として定義される。容易に目で見ることができるよう、図4は、一例示的共振器の周波数応答曲線400を示したものである。ピーク応答は、「中心周波数」、たとえばωCまたはfCとして示されている。たとえば、共振器の帯域幅を決定するためにピーク共振値を見つけ出す。最も厳密に結合された状況、またはその次に厳密に結合された状況の下では、中心周波数において単一のピーク応答が生じる。次に、応答がピーク値の1/2になるまで周波数を低くする。この値は、低い方の遮断周波数(flowerまたはωlower)である。次いで、もう一度中心周波数から開始して、応答が再びピークの1/2になるまで周波数を高くする。この値は、高い方の遮断周波数(fupperまたはωupper)である。次の式7および式8によって示されているように、高い方の遮断周波数と低い方の遮断周波数との間の差が帯域幅であり、文字デルタ(Δ)は、2つの値の間の差を表している。
式7:帯域幅=fupper-flower=Δf
式8:帯域幅=ωupper-ωlower=Δω
周波数の単位は、帯域幅を中心周波数fcまたはωcの関数として表現することによって式から除くことができる。結局のところ、共振器の帯域幅は、そのQに反比例し、次の式9および式10に示されているように、Qに対する別の表現が得られ、ωcは中心角周波数であり、また、fcは中心周波数である。
式9:Δω=ωc/QまたはΔf=fc/Q
式10:Q=ωc/ΔωまたはQ=fc/Δf
以下は、2つの例示的共振器に対する帯域幅計算の例である。第1の例では、中心周波数fc=100HzおよびQ=25、Δf=fc/Q=100Hz/25=4Hzの共振器が仮定されている。fupper=102Hzおよびflower=98Hz第2の例では、中心周波数はこの場合もfc=100Hzであるが、Q=5、Δf=fc/Q=100Hz/5=20Hzの共振器が仮定されている。fupper=110Hzおよびflower=90Hz理解されるように、Qが低いほど(たとえば5)、より高いQ(たとえば25)に対する応答が広くなる。しかしながら他のすべての要因は等しく、Qがより低い回路は、Qがより高い回路よりも低いピーク応答(たとえば中心周波数における応答の大きさ)を有することになる。Qは本質的に、散逸されるエネルギーに対する蓄積されるエネルギーの比率であるため、これは間違いなく道理にかなっている。より高いQは、より多くのエネルギーが蓄積されることを意味し、延いては共振時におけるより高いピーク応答を意味する。
さらに、ギリシャ文字ガンマ(Γ)は、一般に、共振幅(たとえば帯域幅の1/2)、または中心周波数(fc)からの遮断周波数(たとえばfupperおよびflower)の偏移のために使用されている。したがって共振幅Γは、次の式11に従って表現することができる。
式11:Γ=Δf/2=Δω/2
上記式11および式9を組み合わせ、ΔωおよびΔfを代用すると、共振幅Γは、式12に従ってQによって表現することができ、また、書き直すと、Qは、次の式13に従って共振幅Γによって表現することができる。
式12:Γ=ωc/2Q=fc/2Q
式13:Q=ωc/2Γ=fc/2Γ
以上のように、Γは分数帯域幅として表現することができ、周波数は、次の式14によって示されているように式から消えている。
式14:Q=1/2Γ
電力をある距離にわたってワイヤレスで伝達するためには2つの共振器が必要であり、1つは、電源を磁界に変換するための一次共振器として動作する共振器であり、もう1つは、磁界からパワーを吸収し、かつ、吸収したパワーを電力に変換するための二次共振器として動作する共振器である。この説明は、ソースである一次共振器、および電力伝達のシンクである二次共振器との変圧器動作に関している。変圧器動作のための工学式は、ワイヤレス電力伝達の動作を正確に記述しているので、これを区別することは重要である。一方、無線波伝搬のための式は、ワイヤレス電力伝達の文脈においては不正確であるだけでなく、それらは、いつでも使用が可能な構成のためには定義されていない。以下は、図5に関する簡単な説明である。
図5は、一例示的実施態様による、ワイヤレス電力伝達システム500の機能ブロック図である。システム500は、ソース502、たとえばACプラグから電力を受け取る。周波数発生器504を使用してエネルギーがトランスミッタ510に結合される。トランスミッタ510は、結合回路511(たとえば一例として、一次共振器512に誘導結合され、かつ、一次共振器512から電気的または電気化学的に隔離される誘導ループすなわち結合ループ)を含む。一次共振器512は、N個のコイルループ(たとえばインダクタ)513を含み、各ループは半径rAを有している。ここでは可変コンデンサとして示されているコンデンサ514は、コイルループ513と直列に配置して、図2に関連してすでに説明した共振ループを形成することができる。実施態様では、コンデンサは、コイルループ513とはまったく別の構造である。しかしながら特定の実施態様では、コイルループ513を形成しているワイヤの自己容量がコンデンサ514を形成することができる。周波数発生器504は、一次共振器512の共振周波数で信号を出力するように同調することができる。すでに説明したように、一次共振器512は、一次共振器512の出力の多くが電磁エネルギーを放射せず、むしろ一次共振器512の近距離場で磁界515を放射する意味で非放射性である。
レシーバ550は、一次共振器512から距離「d」を隔てて置かれた二次共振器552を含む。二次共振器552は、コイルに巻いたループ(たとえば第2の誘導結合ループ551に結合されるインダクタ553およびコンデンサ554)を備えることができる。結合回路551の出力は、整流器でさらに整流することができ、および/または負荷560に提供することができる。示されている結合回路551は、二次共振器552に誘導結合され、かつ、二次共振器552から電気的または電気化学的に隔離される結合ループとして構成された結合回路551の1つのタイプの例である。エネルギーは、電界結合または磁界結合のいずれかを介して伝達することができるが、本明細書においては、一実施態様として磁界結合を主に説明する。磁界515中における無関係の物体は、「何もない」空間と同じ磁気特性を有するために、磁界結合が好ましくなり得る。
2つの共振器512および552が互いに接近すると、一次共振器512内のインダクタ513からの磁束515が二次共振器552内のインダクタ553を横切る。第1のインダクタ513(たとえば一次共振器)を流れる電流は、第2のインダクタ553(たとえば二次共振器)に電圧を誘導し、それにより第2のインダクタ553に電流が流れる。この回路は、2つのインダクタ間の変圧器動作に従うことができる。2つのインダクタ513/553は、0と1との間の値を有する結合係数kによって示される程度まで結合される。結合係数は、二次共振器552を横切る、一次共振器512からの磁束の量の測度である。二次共振器552を横切る、一次共振器512からの磁束がない場合、k=0である。一次共振器512からのすべての磁束が二次共振器552を横切る場合、k=1である。結合係数kの値は、とりわけ、インダクタ513/553内のターンの物理サイズおよび数、インダクタ513/553間の距離「d」、およびインダクタ513/553の構造におけるフェライト材料および/または他の強磁性材料の使用によって決まる。
2つのインダクタ513/553は、ヘンリ(H)で表される相互インダクタンスMを有しており、この相互インダクタンスMは、2つのインダクタ513/553間の結合の測度であり、次の式15に従って決定することができ、L1およびL2は、それぞれ第1の513(たとえば一次)インダクタおよび第2の553(たとえば二次)インダクタのインダクタンスである。
式15:M=k√(L1L2)
インダクタンスのうちの相互インダクタンスではない部分は、第1のインダクタ513によって生成される磁束を表し、この磁束は、第2のインダクタ553を横切ることはなく、漏れインダクタンスと呼ばれる。高品質電力変圧器における漏れインダクタンスは、総インダクタンスの数パーセントにしか及ばないことがある。そのような場合、結合係数kは極めて1に近くなる。ワイヤレス電力伝達の場合、漏れインダクタンスは、相互インダクタンスを超えることがある。そのような場合、結合係数kは0.5未満になることがある。極めて疎結合された一次共振器および二次共振器(たとえば一次共振器と二次共振器との間に長い距離が存在する)は、0.1未満の結合係数を有することができる。結合係数kは、一方の共振器が他方の共振器に影響を及ぼす程度を示すため、この結合係数kを使用して、共振器に対する負荷係数を決定することができ、延いては共振器の負荷Qを決定することができる。論理は、上記負荷係数の計算に従う。k<0.5の場合、負荷(rL)の代わりにkを使用して、次の式16に従って、共振器中の散逸係数を表すことができる。
式16:QLOADED=XL/rL≒XL/k 変圧器結合共振器の負荷Q
当然、現実の工学解析は、一次共振器に結合されるエネルギーの計算、一次共振器から第2の共振器に結合されるエネルギーの計算、および二次共振器から負荷に結合されるエネルギーの計算を始めとしてもっと複雑であるが、上記原理は、依然として全般に適用される。
実際的なワイヤレス電力伝達の距離および周波数では、磁界が優勢である。近距離場および遠距離場という用語は、場が波に変換される領域を記述するために使用されている。近距離場と遠距離場との間の境界を画定するいくつかの定義が存在している。しかしながら以下は、最も保守的な定義である。図6は、一例示的実施態様による、ワイヤレス共振誘導充電のための近距離場領域、移行領域および遠距離場領域の線図600を示したものである。無効近距離場602は、磁界が優勢である体積内に存在しており、たとえばλ/2πの距離以内に存在しており、λは磁界の波長である。図5のコイル513の電流が正の半サイクルで流れると、一方の方向の磁界が確立する。負の半サイクルで電流が逆転すると、磁界が崩壊し、エネルギーをコイル513に戻す。次いで、逆方向の磁界を確立する。サイクルごとに電流と磁界との間でエネルギーが交換される。したがって100kHzで動作するワイヤレス電力伝達システムのための無効近距離場は、充電パッドの477メートル以内の体積を含むことになる。6MHzで動作する充電パッドの場合、8メートル以内の体積が無効近距離場になる。
ワイヤレス電力伝達一次コイルが波長よりもはるかに小さい場合、ほとんどすべてのエネルギーが、一次コイルを取り囲んでいる発振磁界中に含まれた状態を維持する。「近距離場」ゾーン602には文字通り電磁波のための部屋が存在しないので、そこには電磁波は存在しない。一次コイル513からのλ/2πと2D2/λとの間の距離であって、Dは共振器の最大寸法であり、また、λは波長である距離によって画定される移行ゾーン604では、磁界エネルギーの一部を電界に結合してEM波を生成する。一次コイル513の電流によって駆動される磁界が確立し、かつ、崩壊する際に、磁界中のエネルギーの一部は電流に再変換されない。磁界が崩壊する際に力線が移動し、コイル513を取り囲んでいる空間に電界を生成する。これらの移動電界が今度は磁界を生成し、ソースから離れる方向に移動する電磁波中にエネルギーを前後に結合する。一次コイル513から2D2/λよりも長い距離に位置する放射遠距離場606では、純粋な磁界が崩壊し、もはや電界を支配しない。外側に向かうこの距離では、EM波が良好に確立され、コイルに戻されないエネルギーのほとんどを含有する。
近距離場と遠距離場との間の相違をより良好に理解するためには、エネルギー源が、遠距離場に類似した非拘束体積に対して、無効近距離場に類似した、拘束された体積中に存在する音響類比が有用であろう。図7は、スピーカ702から放出される音の波長よりも小さい寸法を有する部屋704の中のスピーカ702の線図700である。図7に示されているように、部屋704の寸法は、スピーカ702によって放出される音の波長λよりも小さい。部屋704は、空気が漏れたり、あるいは入ったりすることができないよう、密閉されている。スピーカ702は、部屋704の内側に配置されている。スピーカボックスは、空気が入ったり、あるいは漏れたりすることができないよう、密閉されている。そのような状況では、スピーカコーンはピストンとして動作する。コーンが外側へ移動すると、部屋704全体の空気圧が高くなり、一方、スピーカボックス内の空気圧は低くなる。コーンが内側へ移動すると、部屋704全体の空気圧が低くなり、一方、スピーカボックス内の空気圧は高くなる。これは、コーンが元の位置への移動を開始する前に、圧力変化が部屋704の境界へ伝搬することによるものである。音の信号の波長は部屋704よりも長いので、部屋704全体の空気圧は、実質的に同時に変化する。したがって、部屋は、音波の低圧部分と高圧部分の両方を同時に含むほどには十分に大きくないので、波は生成されない。
図8は、スピーカ702から放出される音の波長よりも大きい寸法を有する部屋804の中のスピーカ702の線図800である。図8に示されているように、部屋804の寸法は、音の信号の波長λよりもはるかに大きい。部屋804およびスピーカボックスは、図7に関連して上で説明したように密閉されている。ここで、スピーカコーンが外側へ移動すると、コーンの直前の空気圧が高くなる。部屋804は、単一の波長λよりもはるかに大きいので、コーンは、高くなった圧力が部屋の残りの部分へ伝搬することができる前に、方向を変えて、内側に向かって元の位置への移動を開始する。これは、コーンの直前の圧力の低下として出現する。空気圧の変化が部屋804の端まで伝搬するのに要する時間は、スピーカコーン運動の1サイクルよりも長いので、スピーカコーンからはるかに離れた空気圧は、コーンがもたらす変化についていくことができず、そのために圧力波は、スピーカコーンから遠ざかる方向に伝搬することになる。部屋804の任意の点において、圧力は、圧力のピークに向かって確立し、中性に向かって崩壊し、負のピークに向かって確立し、次いで再び中性に向かって崩壊する。圧力ピークを追跡すれば、スピーカから遠ざかる方向に移動する波は、音の速度(たとえば毎秒約1フィート)で移動することが明らかになる。
したがってスピーカコーンの前面に極めて近い観察者には、空気圧がコーンの運動に従うことが明らかになるであろう。これは、無効近距離場に類似している。一方、スピーカコーンから遠くに離れると、圧力変化は、音の速度で伝搬する波で移動するようである。これは、遠距離場に類似しているが、電磁波の場合、波は、音よりも約100万倍速い光の速度で伝搬する。
近距離場および遠距離場は、外乱力(たとえば図7および図8の音響例におけるスピーカコーン、および図5の一次共振器512によって生成される磁界515)の周波数(たとえば波長)に対して定義されている。たとえば居間のサブウーファからの音は、完全に近距離場に存在することができ、一方、ツイータからの音は、ツイータから数センチメートルの距離以内の遠距離場に存在することができる。
L-C共振器の無負荷Qは、通常、インダクタ巻線中の抵抗損失によって支配される。真性Qという用語は、インダクタ巻線中の抵抗損失ならびに放射損失の両方を含む。放射損失は、電磁(EM)波の意図しない漏れであり、アンテナ効果とも呼ばれる。放射損失は、図2にすでに示されているように、racと直列の別の抵抗208(Rradiation)として表すことができる。しかしながら、電力伝達のために使用される波現象および結合を記述している放射は、単純に交番磁界であるため、Rradiationは、磁界結合を介して伝達されるエネルギーと混同してはならない。放射損失Rradiationは、次の式17に従って計算することができ、Nはコイルの巻数、Sはコイルの表面積(たとえば実質的に円形のコイルの表面積であり、π*半径2に等しい)、また、λは放出される波の波長(たとえば周波数で割った光の速度)である。
式17:Rradiation=(177*N*S/λ2)2
たとえば、上記の例の場合と同じ、7個の円形ターンを有し、直径が1メートルで、80kHzの周波数で駆動される一次共振器コイルを利用すると、S=π(直径/2)2=π(1m/2)2=0.785m2、λ=300,000,000/f=300,000,000/80,000=3,750mであり、また、Rradiation=((177*7*0.785)/3,7502)2=4.79nΩ(10-9Ω)である。
上記の例は、例示的誘導電力一次コイルの場合、アンテナ効率は約0.000000016%であることを示している。それが誘導電力コイルを極めて貧弱なアンテナにしている。コイルは放出規格を遵守しなければならないため、動作周波数および磁気学構成は、この少量の放射をさらに抑制するように選択され、かつ、設計される。
電力をレシーバにワイヤレスで伝達するトランスミッタの高Q構成対低Q構成の性能に関して、以下の立証が例証となり得る。図9は、一例示的実施態様による、ワイヤレス電力スループットが測定されている間の一次共振器および二次共振器の複数の位置を示したものである。図9は、内蔵トラッキング発生器を有するスペクトルアナライザ902を含む。トラッキング発生器は、周波数バンド全体にわたって掃引される一定の振幅の信号を発生することができる。スペクトルアナライザ902は、バンド全体にわたってレシーバ(たとえば共振器906)を掃引することによって信号を測定する。スペクトルアナライザ902は、動作周波数がアナライザディスプレイの中心に設定された振幅対周波数を表示することができる。開始周波数および停止周波数ならびに掃引は、トラッキング発生器とスペクトルアナライザ902との間で同期させることができる。回路網アナライザは、電気回路網を周波数の関数として測定するための信号源およびアナライザを有する同様の計器である。また、スペクトルアナライザ902は、回路網アナライザを備えることも可能である。立証は、次のように構成される。トラッキング発生器の出力922が、高品質コンデンサ(図示せず)に接続された印刷回路コイルを備えた第1の共振器904に結合される。第1の共振器とまったく同じ第2の共振器906は、スペクトルアナライザ入力924に結合される。第1の共振器904および第2の共振器906は、それぞれ同じ中心周波数に同調され、測定された198の固有Qすなわち無負荷Qを有している。この実験のために、第1の共振器904および第2の共振器906は、それぞれ直径が6インチの四重のターンのワイヤを有するコイルを備えている。
結合のみが異なる2つの構成が試験された。たとえば、ソース(たとえばトラッキング発生器)から一次共振器への結合は、高Q試験に対しては極めて緩くなるように設定され、また、低Q試験に対しては極めて緊密になるように設定された。図10および図11は、それぞれ、負荷Qを決定するための高Q試験および低Q試験に対する電力スループット対周波数を示したものである。
図10は、一例示的実施態様による、高負荷Q一次共振器から二次共振器への電力伝達セットアップに対する電力スループット対周波数を示したものである。示されているように、数表示「1」によって示されている中心周波数(fc)は6.78MHzであり、数表示「2」によって示されている下側の遮断周波数(flower)は6.74MHzであり、また、数表示「3」によって示されている上側の遮断周波数(fupper)は6.81MHzである。これらの結果は、以下のTable 1(表1)に要約されている。
図11は、一例示的実施態様による、低負荷Q一次共振器から二次共振器への電力伝達セットアップに対する電力スループット対周波数を示したものである。示されているように、数表示「1」によって示されている中心周波数(fc)は6.12MHzであり、数表示「2」によって示されている下側の遮断周波数(flower)は6.93MHzであり、また、数表示「3」によって示されている上側の遮断周波数(fupper)は8.16MHzである。これらの結果は、同じく以下のTable 1(表1)に要約されている。
緩い(たとえば高Q)および緊密な(たとえば低Q)結合の測定された応答は、以下のTable 1(表1)に要約されている。疎結合は高負荷Qをもたらし、一方、密結合は、はるかに低い負荷Q値をもたらす。
電力スループットの立証は3段階で実施された。3つの段階の各々では、共振器904/906は互いに離れて配置され、複数の連続する測定ごとに互いに近づく方向に移動され、位置は、図9に示されているように、ダッシュ線910、912、914、916、918および920の少なくともサブセットによって示される。画面の一番上により近い応答は、より高いスループットを示す。画面の一番下により近い応答は、より低いスループットを示す。第1の段階は、周波数がピーク共振周波数(ωcまたはfc)で一定に保持される高Q構成の試験を示す。第2の段階は、周波数が特定の帯域幅全体にわたって掃引される高Q構成の試験を示す。第3の段階は、周波数が特定の帯域幅全体にわたって掃引される低Q構成の試験を示す。
図12A〜図12Fは、一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間のいくつかの異なる間隔に対する、中心周波数における電力スループットを示したものである。図12Aによって示されているように、第1および第2の共振器が図9の位置910に対応する約30センチメートル離れて保持される第1の段階では、応答は画面の中央付近であり、良好なスループットを示す。第1および第2の共振器が図9の位置912に対応する約25cm離れるように調整される図12Bでは、応答は上に上がり、図12Aの30cm間隔と比較すると、より良好なスループットを示す。図12Cでは、第1および第2の共振器は、図9の位置914に対応する約20cm離れ、応答は、それぞれ図12Aおよび図12Bの30cm間隔または25cm間隔のいずれかと比較すると下に下がる。図12Dでは、第1および第2の共振器は、図9の位置916に対応する約10cmの間隔に調整され、応答はさらに下に下がる。同様に、図12Eおよび図12Fでは、第1および第2の共振器は、それぞれ図9の位置918および920に対応する約5cmおよび0cmの間隔に調整される。示されているように、応答は、第1および第2の共振器が互いにより接近するように調整されると、降下を継続する。
第1および第2の共振器をより近い間隔で保持すると、より良好な結合が必ず得られる。図13A〜図13Fは、共振器が互いに近づく方向に移動されると、ピーク共振周波数(ωcおよびfc)における応答が劣化する理由を説明している。図13A〜図13Fの各々では、図9に示されている、第1の共振器と第2の共振器との間の上で言及した間隔の各々に対して、帯域幅全体にわたって周波数が掃引される。
図13A〜図13Fは、一例示的実施態様による、疎結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示したものである。図13A〜図13Fに対する第1の共振器と第2の共振器との間の間隔は、図10に関連して上で説明した、測定されたfupperおよびflowerに対応する周波数帯域幅全体にわたって周波数が掃引された際に電力スループットが測定されている点を除き、それぞれ図12A〜図12Fに対する第1の共振器と第2の共振器との間の間隔に対応し得る。図13A〜図13Fの各々では、中心周波数(fc)は、応答曲線中の点によって示されている。図13Aでは、応答は良好であり、単一のピークを示している。図13Bでは、期待通り、一次共振器と二次共振器との間の距離が短くなるにつれて応答が大きくなる。図13Cでは、応答は、実質的に中心周波数(fc)の両側の2つのピークに分かれている。これは、サイドピークにおけるスループットを大きくするが、中心周波数(fc)におけるスループットを小さくする。動作周波数におけるスループットは、図13Fにおけるほぼゼロまで低下し続けるため、第1および第2の共振器が互いに近づく方向に移動されるにつれて、図13D〜図13Fの各々に示されているように、応答ピークは、引き続いて中心周波数(fc)からますます離れて間隔する。この状態は、しばしば中心周波数(fc)のシフトと混同される。しかしながら図13A〜図13Fに示されているように、中心周波数は大きくシフトしない。その代わりに最高電力スループットが2つのピークに分かれる。2つのピークに分かれるピークスループットは、第1の共振器と第2の共振器との間の過結合の状態を示す。図13A〜図13Fに示されているように、間隔の大きさ(たとえば分かれたピーク間の周波数差)は、過結合の程度に依存する。その上、過結合中における、分かれたピークのうちの一方での動作には、高無効負荷の駆動を必要とすることがあり、そのために大きい循環電流、大きい損失および役に立たない動作をもたらすことがある。
図14A〜図14Dは、一例示的実施態様による、密結合された場合の図9の一次共振器と二次共振器との間の間隔に対する、ある周波数帯域幅全体にわたる電力スループットを示したものである。第1から第4の画面は、それぞれ約15cm、10cm、5cmおよび0cmの間隔距離における低Q構造を示したもので、それぞれ図9の位置914、916、918および920に対応している。図14A〜図14Dは、図11に関連して上で説明した、測定されたfupperおよびflowerに対応する周波数帯域幅全体にわたって周波数が掃引された際に測定された電力スループットを示しており、中心周波数(fc)は、それぞれ応答曲線上の点によって示されている。示されているように、より低いQ構成は、第1の共振器と第2の共振器との間のさらなる間隔においては、高Q構成ほどには高いスループットを提供しない。図14Aでは、応答は、画面の中央付近である。図14Bでは、応答は、図14Aの応答よりも強く、画面の一番上の近くである。図14Cでは、応答は、依然として相対的に強いが、応答が分かれ始めている。図14Dでは、応答がさらに分かれている。しかしながら動作周波数(fc)におけるスループットは、依然として相対的に大きい。したがって図14Cおよび図14D(ならびに図13Cから図13F)は、第1および第2の共振器が過結合の状態で伝達しているワイヤレス電力伝達を示している。
上記例証から、動作周波数を分かれた応答のうちの一方のピークに単純に再同調することは場合によっては直感的であるように思われる。しかしながら、再調整は動作状態を変化させるため、動作周波数が再調整されると、ピークは、その調整に応じて移動する傾向を示す。動作周波数を一方のピークに再同調することは、たとえばバッテリがチャージアップし、かつ、負荷が変化した場合に、あるいはさらに小さい変化が第1の共振器と第2の共振器との間の間隔距離である場合に回路状態の変化が生じると、制御システムがピークを求めて周波数中を追跡することになる。さらに、過結合中における、分かれたピークのうちの一方での動作には、高無効負荷の駆動が必要である。無効負荷は大きい循環電流をもたらし、そのために電力を負荷に引き渡さない損失の原因になり、延いては役に立たない動作の原因になる。そのため、無効負荷を除去するために、可能な限り力率1の近く(たとえば中心周波数fcの近く)でシステムを動作させることが望ましい。結局のところ、真の共振点における動作のみが1に近い力率を提供することができる。ソースと第1の共振器との間、第1の共振器と第2の共振器との間、および第2の共振器と負荷との間の結合を調整することにより、厳密な結合を有する真の共振点(たとえばピークが分かれ始める前の最大結合の点)における動作が可能である。厳密な結合では、1つのピークしか電力スループット帯域幅に存在しないため、負荷は、結合された共振器の変圧器動作を介してソースに適切に反射され、力率が1に近くなり、また、システムが安定する。
図10〜図14Dの上記説明から、高Q動作は、大きい間隔距離における低Q動作よりも高いスループットを提供するが、より小さい間隔距離では性能がはるかに劣ることが分かる。したがって高Q動作は、狭い範囲の比較的大きい共振器間隔距離にわたってのみ有効である。さらに、高Q動作の下では、共振は非常に微妙であり、距離、整列、周波数、負荷状態または近傍の対象の変化によって容易にくつがえされる。一方、低Q動作は、広く、かつ、安定した動作を提供し、1/2共振器コイル径と0との間の間隔距離に対する高Q動作よりも高いスループットおよび共振安定性を提供する。
上記立証で示されたように、電源からのエネルギーを可能な限り有効に負荷に結合する目的は、見かけほどには単純ではない。より密な結合は、近い共振器間隔距離では、システムをより有効に、かつ、安定にするが、より大きい間隔に対しては逆の効果を有する。より疎な結合は、より大きい間隔では動作するが、より近い間隔ではたちまち動作しなくなる。
充電式デバイスの誘導共振ワイヤレス充電のためのシステムに関して、システムは、1)電源から一次共振器への結合、2)第1の共振器と第2の共振器との間の空気結合、3)二次共振器から負荷への結合、および4)負荷の4つの変量に分類することができる。空気結合および負荷は、システムの制御の範疇ではない。たとえば、充電すべきデバイス(たとえば車両)は移動することがあり、あるいはバッテリは、全容量まで徐々に充電することがあり、それらの各々が負荷を変化させ得る。したがってシステムは、電源と一次共振器との間の結合、および二次共振器と負荷との間の結合を制御することができ、最大効率のためにシステムの動作を調整するためのキー制御ポイントである。
あらゆる空気結合要因および負荷状態に対して、システムの厳密な結合および最も有効な電力伝達をもたらす調整可能な結合の組合せが存在し得る。空気結合または負荷のいずれかが変化した場合、電源と一次共振器との間の結合と、二次共振器と負荷との間の結合の両方が空気結合に影響を及ぼすため、一次側の結合または二次側の結合のみを変化させるだけでは、システムを最適動作点に同調して厳密な結合を得るためには場合によっては十分ではないため、電源から一次共振器への結合と、二次共振器から負荷への結合の両方が調整されることが望ましい。
いくつかの実施態様では、電源インピーダンスおよび/または負荷インピーダンスの変化は、調整可能な結合の一部であり得る。さらに、電源が一次共振器に提供するインピーダンスまたは負荷が二次共振器に提供するインピーダンスを変化させる方法が場合によっては有効である。しかしながらこれらの方法には、調整の範囲または分解能の点で制限される傾向がある。したがってソースインピーダンス/負荷インピーダンスの変化は、所望の動作条件をカバーするためには場合によっては十分ではない。いくつかの低Q実施態様では、負荷または空気結合の変化は、一次共振器への電源の駆動を調整することによって補償することができるが、これは、上で説明したソースインピーダンスの調整よりもさらに制限されることがある。したがっていくつかの高Q動作実施態様では、末端から末端までの厳密な結合を達成するために、電源と一次共振器との間の結合、および二次共振器と負荷との間の結合の調整が場合によっては必要である。したがって、以下の図15に示されている実施態様などのいくつかの実施態様では、実際的な高Qワイヤレス電力伝達システムが、電源と一次共振器との間の結合、および二次共振器と負荷との間の結合の調整を整合させることができる。
図15は、一例示的実施態様による、一次側結合調整能力および二次側結合調整能力を有するワイヤレス電力伝達システム1500の機能ブロック図である。システム1500は、一次充電すなわちトランスミッタ側1502および二次充電式すなわちレシーバ側1504を備えることができる。トランスミッタ側1502は、一次共振器1516に結合することができる結合回路1508に接続された電源1506を備えることができる。トランスミッタ側1502は、結合回路1508、センサ回路1514および通信回路1512の各々に接続されたコントローラ回路1510をさらに備えることができる。センサ回路1514(たとえば電流センサ、電圧センサ、電力センサ、負荷センサ、電圧または電流位相センサ)は、一次共振器1516に結合されている電力スループットの少なくとも1つのパラメータを測定するように構成することができる。レシーバ側1504は、整流器回路1530およびコントローラ回路1524に接続される結合回路1528に結合された二次共振器1518を備えることができる。整流器回路1530は、負荷1532(たとえば充電式車両内のバッテリまたは他の充電回路)に接続することができる。コントローラ回路1524は、センサ回路1522、およびトランスミッタ側1502の通信回路1512と通信チャネル1520を介して通信するように構成することができ通信回路1526にさらに接続することができる。センサ回路1522は、二次共振器1518から結合されている電力スループットの少なくとも1つのパラメータを測定するように構成することができる。
いくつかの実施態様によれば、電源1506と一次共振器1516との間の結合回路1508、ならびに二次共振器1518と整流器回路1530との間の結合回路1528、および負荷1532は、とりわけ一次共振器1516および二次共振器1518が同様の構成の共振器である場合、同時に調整することができる。調整は、通信チャネル1520を介して、トランスミッタ側1502のコントローラ回路1510とレシーバ側1504のコントローラ回路1524との間で整合させることができる。センサ回路1514および1522は、それぞれトランスミッタ側1502およびレシーバ側1504の状態を知覚し、知覚した状態に関する情報を少なくともそれぞれのコントローラ回路1510および1524に通信することができる。
トランスミッタ側1502がマスタコントローラ(たとえば一次側の結合の整合された調整を直接制御し、また、二次側の結合の調整を間接的に制御する)であるいくつかの実施態様では、トランスミッタ側のコントローラ回路1510は、センサ回路1514から第1の入力を受け取り、一次共振器1516に結合されている電力のパラメータを決定することができる。そのようなパラメータは、それらに限定されないが、電圧、電流、有効電力(ワット)、無効電力(ボルト-アンペア)、電圧と電流との間の位相角、知覚構成要素(たとえば抵抗、コンデンサ、インダクタ、等々)全体にわたる電圧降下、変流器からの電流、または任意の他の電力の測度を含むことができる。同様に、レシーバ側のコントローラ回路1524は、センサ回路1522から第1の入力を受け取り、二次共振器1518から結合されている電力のパラメータを決定することができる。そのようなパラメータは、それらに限定されないが、電圧、電流、有効電力(ワット)、無効電力(ボルト-アンペア)、電圧と電流との間の位相角、知覚構成要素(たとえば抵抗、コンデンサ、インダクタ)全体にわたる電圧降下、変流器からの電流、または任意の他の電力の測度を含むことができる。
コントローラ回路1510は、ワイヤレス通信チャネル1520を介して(または通信のために一次共振器によって生成される磁界を使用したバンド内チャネルを介して)、レシーバ側1504のセンサ回路1522によって知覚された電力パラメータの指示を要求する通信を通信回路1526に送るよう、通信回路1512に命じることができる。代替では、コントローラ回路1524は、センサ回路1522によって知覚された電力パラメータの指示を通信チャネル1520を介して通信回路1512に送信するよう、通信回路1526に自主的に命じることも可能である。指示は、受け取られると、通信回路1512からコントローラ回路1510に転送することができる。コントローラ回路1510は、次いで、センサ回路1514および1522からの上で説明した指示に従って、電力スループットに基づいて、結合回路1508を強くする(緊密にする)べきか、あるいは弱くする(緩くする)べきかどうかを決定することができる。コントローラ回路1510は、トランスミッタ側1502の結合回路1508を直接制御することができる。また、コントローラ回路1510は、通信チャネル1520を介して、結合回路1528を特定の方向に調整するようにコントローラ回路1524に命令する1つまたは複数のメッセージを通信回路1526に送信するように通信回路1512を構成することによって、レシーバ側1504の結合回路1528を間接的に制御することも可能である。
連続制御サイクルでは、コントローラ回路1510は、センサ回路1514から、また、通信回路1526を介してセンサ回路1522から、上で説明した方法で通信回路1512を介して第2のセットの指示を受け取ることができる。コントローラ回路1510は、次いで、すでに受け取っているセットの指示ならびに現在のセットの指示を利用して、電力スループットが改善したか、あるいは低下したかどうかを決定することができる。標準の制御ループ技法を使用して、コントローラ回路1510は、センサ回路1522および1514からの指示の受取り、および最適動作点を調整し、次いでその最適動作点を維持するための結合回路1508および1528の調整を繰り返すことができる。
例示的制御ループ技法は、比例、積分、比例-微分(PD)、比例-積分(PI)、比例-積分-微分(PID)制御、ヒステリシス、デッドバンド、減衰、セットポイントランピング、フィードフォワード、利得スケジューリング、積分ディセーブリング、積分バウンディング、ファジー論理、または任意の他のループ制御技法あるいは最適化を含むことができる。いくつかの実施態様では、このワイヤレス電力伝達制御は、負荷制御および/または電源制御とさらに整合させることができる。そのような整合は、システム内のどこかのステップ変化のため、システムの劣化を回避することができる。この整合は、上で言及した技法によって制御ループの最適化をトリガすることができ、システムパラメータまたはシステム動作の変化をより良好に処理することができる。
レシーバ側1504が一次側の結合および二次側の結合の整合された調整を制御するいくつかの代替実施態様では、コントローラ回路1510、センサ回路1514および通信回路1512の上で説明した動作は、それぞれコントローラ回路1524、センサ回路1522および通信回路1526の動作と交換することができ、その逆についても同様である。
上記実施態様は、一次共振器および二次共振器のサイズおよび構成が類似している場合に有利である。これらの実施態様は、単純で、高速で、かつ、必要な通信が最少である。一次共振器および二次共振器のサイズおよび構成が異なっている場合、次の実施態様が場合によっては有利である。
トランスミッタ側1502が一次側の結合および二次側の結合の整合された調整を制御する場合、トランスミッタ側のコントローラ回路1510は、センサ回路1514から第1の入力を受け取り、一次共振器1516に結合されている電力のパラメータを決定することができる。レシーバ側のコントローラ回路1524は、同様に、センサ回路1522から第1の入力を受け取り、二次共振器1518から結合されている電力のパラメータを決定することができる。たとえば、コントローラ回路1510は、ワイヤレス通信チャネル1520を介して、コントローラ回路1524が二次共振器1518から結合されている電力のパラメータの指示を通信回路1512に送るように通信回路1526を構成することを要求するように通信回路1512を構成することができる。いくつかの代替実施態様では、コントローラ1524は、コントローラ回路1510に転送される指示を通信チャネル1520を介して通信回路1512に送るよう、通信回路1526を自主的に構成することができる。コントローラ回路1510は、次いで、結合回路1508を強くする(緊密にする)べきか、あるいは弱くする(緩くする)べきかどうかを決定することができる。そのような実施態様では、コントローラ回路1510は、トランスミッタ側1502の結合回路1508に直接指令することができる。
コントローラ回路1510は、次いで、上で説明した方法でセンサ回路1514およびセンサ回路1522の各々から第2のセットの入力(たとえば電力伝達の知覚されたパラメータの指示)を受け取ることができる。コントローラ回路1510は、第1および第2のセットの入力(たとえば電力伝達の知覚されたパラメータの指示)から、電力伝達が改善したか、あるいは低下したかどうかを決定することができる。すでに説明したように、コントローラ1510は、レシーバ側1504の結合回路1528を調整するコマンドまたはメッセージを通信チャネル1520を介してコントローラ回路1524に送ることによって、レシーバ側1504の結合回路1528を間接的に制御することができる。
コントローラ回路1510は、上で説明した方法でセンサ回路1514とセンサ回路1522の両方から第3のセットの入力(たとえば電力伝達の知覚されたパラメータの指示)をさらに受け取ることができる。コントローラ回路1510は、第2および第3のセットの入力を利用して、電力伝達が改善したか、あるいは低下したかどうかを決定することができる。標準の制御ループ技法を使用して、コントローラ回路1510は、結合回路1508および結合回路1528を制御して、最適動作点を達成し、かつ、維持することができる。
レシーバ側1504が一次側の結合および二次側の結合の整合された調整を制御するいくつかの代替実施態様では、コントローラ回路1510、センサ回路1514および通信回路1512の上で説明した動作は、それぞれコントローラ回路1524、センサ回路1522および通信回路1526の動作と交換することができ、その逆についても同様である。結合回路1508および1528は、以下の図16〜図23に関連してより詳細に説明されるように、任意の数の物理的配置のうちの1つを備えることができる。
図16は、一例示的実施態様による、可変抵抗性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。簡潔にするために、図16〜図23の各々に対する以下の説明は、同じタイプの結合回路実施態様が一次側と二次側の両方に使用され、調整は、一次側および二次側に対してなされることを仮定している。電源と一次共振器との間、または二次共振器と負荷との間の調整可能な結合を提供するためのいくつかの実施態様は、ソースまたは負荷をそれぞれの共振器から間隔している可変抵抗を利用している。たとえば、結合回路1600は、一次側すなわちトランスミッタ側の結合回路、および二次側すなわちレシーバ側の結合回路を示している。一次側すなわちトランスミッタ側は、コンデンサ1614に接続された少なくともインダクタ1612を備えた一次共振器に接続された調整可能な抵抗1602を備えることができる。二次側すなわちレシーバ側は、コンデンサ1654に接続された少なくともインダクタ1652を備えた二次共振器に接続された調整可能な抵抗1604を備えることができる。可変抵抗1602および可変抵抗1604を小さい抵抗値に調整することにより、それぞれソースおよび負荷は、ワイヤレス電力伝達システムの動作Qを低くすることができる。これは、一次共振器および二次共振器が互いに近接している場合に有利であり得る。可変抵抗1602および1604を大きい抵抗値に調整すると、それぞれ一次共振器および二次共振器を隔離し、より高いQ値における動作を可能にする。これは、共振器が離れている場合に有利であり得る。しかしながら抵抗を使用する場合の主な欠点は、抵抗によって電力が散逸し、そのために効率が低下することである。
図17は、一例示的実施態様による、可変リアクタンス性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。結合回路1700は、図16に示されている結合回路1600と同様、一次側すなわちトランスミッタ側の結合回路、および二次側すなわちレシーバ側の結合回路を示している。しかしながら調整可能な抵抗1602および1604が調整可能な結合として利用されている図16に示されている解決法よりも有効な解決法にするために、調整可能な抵抗1602および1604がそれぞれ可変無効成分(たとえばインダクタまたはコンデンサ)1702および1704に置き換えられている。無効成分のリアクタンスの大きさは、動作周波数における調整可能な抵抗1602および1604の抵抗の大きさと同じにすることができる。一次側すなわちトランスミッタ側は、コンデンサ1714に接続された少なくともインダクタ1712を備えた一次共振器に接続された調整可能な無効成分(たとえばインダクタまたはコンデンサ)1702を備えることができる。二次側すなわちレシーバ側は、コンデンサ1754に接続された少なくともインダクタ1752を備えた二次共振器に接続された調整可能な無効成分(たとえばインダクタまたはコンデンサ)1704を備えることができる。しかしながらインダクタまたはコンデンサを可変にすることは、場合によっては困難である。インダクタのタップ間、または複数のコンデンサ間での切換えは、そのような実施態様にステップ様の可変リアクタンスを提供することができる。リアクタンス素子の他のもっと複雑な回路網を使用して、調整可能な結合機能ならびにインピーダンス整合および高調波フィルタリングを提供することができる。しかしながらそのような多機能回路網を可変にするためには、場合によっては複雑性およびコストの増加ならびに効率の低下が余儀なくされる。
図18は、一例示的実施態様による、タップ付き誘導性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。いくつかの実施態様では、調整可能な結合を提供する別の方法は、共振器のインダクタ上の複数のタップのうちの1つを選択することである。そのような実施態様は、共振器のすでに一部になっているリアクタンス素子を利用している。たとえば、結合回路1800は、一次側すなわちトランスミッタ側の結合回路、および二次側すなわちレシーバ側の結合回路を示している。一次側すなわちトランスミッタ側は、調整可能なコンデンサ1814に接続されたインダクタ1812を備えることができる。電源の第1の端子は、インダクタ1812の1つの端子に接続することができ、一方、電源の第2の端子は、スイッチ1816を介して、インダクタ1812上の異なる位置に沿って配置された複数のタップのうちの1つに接続されるように構成することができる。同様に二次側すなわちレシーバ側も、調整可能なコンデンサ1854に接続されたインダクタ1852を備えることができる。負荷(または二次側の結合と負荷との間の何らかの反転回路またはモジュール)の第1の端子は、インダクタ1852の1つの端子に接続することができ、一方、負荷(または二次側の結合と負荷との間の何らかの反転回路またはモジュール)の第2の端子は、スイッチ1856を介して、インダクタ1852上の異なる位置に沿って配置された複数のタップのうちの1つに接続されるように構成することができる。インダクタ1812および1852上の高いタップを使用すると、ソースおよび負荷は、近共振器動作のためにシステムの動作Qを低くすることができる。インダクタ1812および1852上の低いタップを使用すると、共振器を隔離し、より離れた動作のためにより高いQにおける動作を可能にする。この実施態様は、高い周波数を提供することができるが、共振器中へのタッピングによって共振周波数が変化するため、共振を調整するための可変コンデンサが必要である(たとえば共振器の共振周波数を一定に維持するために)。また、この方法には、共振器の各々における循環電流を切り換えるので、高電圧、低損失スイッチが必要である。
図19は、一例示的実施態様による、タップ付き容量性結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。結合回路1900は、一次側すなわちトランスミッタ側の結合回路、および二次側すなわちレシーバ側の結合回路を示している。一次側すなわちトランスミッタ側は、調整可能なコンデンサ1914および直列に接続された複数のタップ付きコンデンサ1918、1920、1922(たとえば直列接続コンデンサ)に接続されたインダクタ1912を備えることができる。電源の第1の端子は、インダクタ1912の1つの端子に接続することができ、一方、電源の第2の端子は、スイッチ1916を介して、タップ付きコンデンサ1918、1920、1922の間に配置された複数のタップのうちの1つに接続されるように構成することができる。同様に二次側すなわちレシーバ側も、調整可能なコンデンサ1954および直列に接続された複数のタップ付きコンデンサ1958、1960、1962に接続されたインダクタ1952を備えることができる。負荷(または二次側の結合と負荷との間の何らかの反転回路またはモジュール)の第1の端子は、インダクタ1952の1つの端子に接続することができ、一方、負荷(または二次側の結合と負荷との間の何らかの反転回路またはモジュール)の第2の端子は、スイッチ1956を介して、タップ付きコンデンサ1958、1960、1962の間に配置された複数のタップのうちの1つに接続されるように構成することができる。スタックされたコンデンサ上の高いタップを使用すると、ソースおよび負荷は、近共振器動作のためにシステムの動作Qを低くすることができる。スタックされたコンデンサ上の低いタップを使用すると、共振器を隔離し、より離れた動作のためにより高いQにおける動作を可能にする。この実施態様は、高い周波数を提供することができる。しかしながら共振器中へのタッピングによって共振周波数が変化するため、共振を調整するための可変コンデンサが必要である。さらに、高Q共振器に見られる高電圧に耐えることができ、かつ、必要な大きいキャパシタンス値を提供することができる可変コンデンサは、場合によっては極めて高価である。その上、コンデンサが直列であるので、この実施態様には、インダクタ1912/1952との共振に必要な調整可能なコンデンサ1914/1954よりも値が大きいコンデンサの直列スタックが必要である。また、この実施態様には、共振器中の循環電流を切り換えるので、高電圧、低損失スイッチが必要である。
図20は、一例示的実施態様による、物理的に調整可能な結合を利用した図15の結合回路の一部の略図である。共振器への直接接続を利用する代わりに、いくつかの実施態様は、それぞれ、一次共振器および二次共振器に、また、一次共振器および二次共振器から電力を結合するために誘導結合ループを利用している。そのような実施態様は、図5および図16に示されている装置に直接対応し得る。結合回路2000は、一次側すなわちトランスミッタ側および二次側すなわちレシーバ側を備えることができる。一次側すなわちトランスミッタ側は、コンデンサ2014と直列に接続されたインダクタ2012を備えた共振器を備えることができる。トランスミッタ側は、インダクタ2012およびコンデンサ2014を備えた共振器に近づく方向に、または共振器から離れる方向に物理的に移動されるように構成される結合ループ2016をさらに含むことができる。二次側すなわちレシーバ側は、コンデンサ2054と直列に接続されたインダクタ2052を備えた共振器を備えることができる。レシーバ側は、インダクタ2052およびコンデンサ2054を備えた共振器に近づく方向に、または共振器から離れる方向に物理的に移動されるように構成される結合ループ2056をさらに含むことができる。結合ループ2016/2056は、自己共振であっても、自己共振でなくてもよい。単純なシステムでは、誘導結合ループ2016/2056は非共振であり、より大きいL-C共振器のみが共振である。Qが極めて高いシステムの場合、誘導結合ループ2016/2056は、共振器内におけるそれぞれ極めて高い電圧への逓昇および極めて高い電圧からの逓降のために共振させることができる。
いくつかの実施態様では、誘導結合ループ2016は、一次側の電源に直接接続され、一方、誘導結合ループ2056は、二次側の負荷に直接接続される。したがって誘導結合ループと共振器との間の電気化学的接続は存在しない。誘導結合ループ2016および2056は、磁束が結合ループとそれぞれの共振器との間で共有されるよう、それぞれの共振器の近傍に配置される。誘導結合ループ2016および2056ならびに共振器は、互いに電気化学的に隔離されているので、技術者は、共有される磁束以外の結合またはインピーダンス整合を顧慮することなく自由に各々を最適化することができる。たとえば、インダクタ2012/2052のリアクタンス値とコンデンサ2014/2054のリアクタンス値の比率は、最適磁界を生成し、あるいは受け取るために選択することができ、一方、誘導結合ループ2016/2056は、それぞれソースおよび負荷に対する最良のインピーダンス整合のために設計することができる。誘導結合ループ2016および共振器(たとえばコンデンサ2014と組み合わせたインダクタ2012)は変圧器を形成し、したがって変圧器の巻数比は、共振器およびソースまたは負荷の同様でないインピーダンス整合のために有利であり得る。
高Qワイヤレス電力伝達システムを有用なものにするためには、誘導結合ループ2016/2056とそれぞれの共振器との間の結合を調整可能にしなければならない。調整可能な結合を提供するための方法の1つは、結合ループ2016/2056をそれらのそれぞれの共振器に近づく方向に、または共振器から離れる方向に単純に移動させることである。別の代替は、結合ループ2016/2056の断面が共振器の断面の平面に対して平行ではない平面に存在し、それにより結合を小さくするよう、結合ループ2016/2056を回転させることである。そのような代替は、磁束に対してそれぞれの共振器から「見た」結合ループ2016/2056の実効断面を小さくすることによって結合を小さくしている。しかしながらこのスキームには、ループを移動させるための電動機およびベルトなどの機械部品、ならびに結合ループ2016/2056を前後に移動させるか、あるいは結合ループ2016/2056を回転させるための撓みワイヤおよびクリアランスが必要である。結合ループの他の物理的調整実施態様には、場合によっては、結合ループと共振器との間の結合を調整するためのフェライト材料の移動が必要である。
図21は、一例示的実施態様による、タップ付き結合ループを利用した図15の結合回路の一部の略図である。そのような実施態様も、同じく図5および図15に示されている装置に直接対応し得る。調整可能な結合のための方法は、タップ付き結合ループ構造を利用することができる。実施態様2100は、インダクタ2112およびコンデンサ2114を備えた関連する共振器の上かまたは下に置かれ、かつ、共振器から電気的に隔離されるタップ付き結合ループ2116を備えている。いくつかの実施態様では、共振器は他の物理的接続を有していない。タップ付き結合ループ2116と共振器との間で共有される磁束の量を調整するために、スイッチ2114は、結合ループ2116のターン上の異なる位置に沿って接続された複数のタップのうちの1つにおいてタップ付き結合の1つの端子を接続するように構成することができる。いくつかの実施態様では、結合ループ2116のターンの各々は、互いに実質的に同じ断面積を有することができる。スイッチ2114は、タップ付き結合ループ2116の端子に接続されるように構成される、多数のタップ付き結合ループ2116のターン(たとえばセグメント)を選択する(たとえばループ、ターンまたはセグメントは、電気接続が可能である)。端子は、一次(たとえばトランスミッタ)側の電源に接続するための入力であり、あるいは二次(たとえばレシーバ)側の負荷に接続するための出力である。タップ付き結合ループ2116は、より多くのターンまたはより少ないターン(たとえばセグメント)のためのスイッチ2114の位置を選択することによって、共振器との結合がより緊密になり、あるいはより緩くなるように構成することができる。ターン(たとえばセグメント)が多いほど、より密な結合およびより小さい変圧器巻数比を提供する。ターン(たとえばセグメント)が少ないほど、より疎な結合およびより大きい巻数比を提供する。一次と二次との間の間隔が広い場合、疎な結合および極めて高いQ動作のために単一のターン(たとえばセグメント)を選択することができる。間隔が狭い場合、より密な結合およびより低いQ動作のために複数のターン(たとえばセグメント)を選択して、システムの過結合を回避することができる。
タップ付き結合ループ2116は、共振器2112と共振器2114との間に直接電気接続が存在しないので、共振器2112/2114の共振周波数に対する影響が最も小さい。したがって、結合が共有磁束によるものでしかなく、そのために結合が変化した場合における共振器2112/2114の再同調の必要がない。タップ付き結合ループ2116は、共振器のようには大きい循環電流を運ばないが、その代わりにソースから共振器2112/2114に結合される電流、または共振器2112/2114から負荷に結合される電流しか運ばない。さらに、共振動作時は、タップ付き結合ループ2116中の無効電流が極めて小さく、有効に働く実電流のみを残す。同様に、すべての切換えが、共振器2112/2114において直接実施される代わりに、タップ付き結合ループ2116において実施されるので、高電圧、大電流共振器巻線中にスイッチは存在しない。そのような実施態様の別の利点は、タップ付き結合ループ2116と共振器2112/2114との間の変圧器動作、および最適結合への切換えにより、上で言及した他の結合実施態様と比較すると、端子における電源または負荷から見たインピーダンスの変動範囲がはるかに狭くなることである。したがって共振動作時は、負荷のインピーダンス(同相の電圧および電流)は、負荷と二次共振器との間の結合を介して、空気結合を介して、一次共振器からの結合を介して反射され、実負荷のインピーダンスに極めて近いインピーダンスにおいて電源に提供されることになる。1に近い力率におけるそのような動作には、動作が有効で、構成要素(共振器自体の構成要素を除く)に対する動作応力が小さく、共振器を同調する必要がなく、また、電圧が単純で低く、切り換える電流が小さい利点がある。
図22は、一例示的実施態様による、幾何学的に目盛りが付けられたループサイズを有するタップ付き結合ループを利用した図15の結合回路の一部の略図である。図21に関連して上で説明したタップ付き結合ループ2116は、ほぼ同じサイズのターンを有していた。しかしながら、図22に示されているように、幾何学的に目盛りが付けられたサイズで配置された異なるサイズのターン(たとえばセグメント)を有する結合ループ2216を利用することにより、より広い範囲の結合選択を達成することができる。結合ループ2216の第1のループすなわちセグメントは、断面積すなわちサイズが小さい結合ループになる。第2のループすなわちセグメント(二重のターンが選択される場合)は、第1のループの断面積よりも大きい断面積を有することになる(たとえばいくつかの実施態様では第1のループのほぼ2倍のサイズ)。また、第3のループすなわちセグメントも、第2のループすなわちセグメントよりも大きい断面積を有することができる(たとえばいくつかの実施態様では第2のループの2倍のサイズ)。しかしながら断面すなわちサイズの比率は、結合を調整するために必要な変化を提供する任意の比率にすることができる。したがって複数のセグメントの隣接するセグメントの断面積は、結合ループ2216の最初のセグメントから最後のセグメントにかけて大きくすることができる。タップ付き結合ループ2216と共振器(図22には示されていない)との間の結合の機構は磁束の共有であるため、異なるサイズのターンまたはセグメントが異なる量の磁束をキャプチャする。二重の同じサイズのターンまたはセグメントは、一重のターンまたはセグメントの2倍の磁束をキャプチャする。一番目の2倍のサイズのターンまたはセグメントは、2倍の磁束をキャプチャする。異なる数のターンまたはセグメントおよび異なる比率のサイズを選択することにより、広範囲にわたる結合係数を達成することができる。ステップの分解能が細かい場合、スイッチ(たとえばスイッチ2214および2218)は、ターンの一部(たとえばセグメント)を開放または短絡するために配置することができる。スイッチ2214および2218は、異なる組合せのより大きいターンまたはターンの一部、およびより小さいターンまたはターンの一部の接続または開放を独立して設定することができる。この手法の場合、減結チョークを使用することによって磁界に結合するスイッチの制御線を回避するためには注意が必要である。幾何学的なタップ付き結合ループ2216が動作している間、最も小さいターン(ループすなわちセグメント)は、共振器間の極めて大きい間隔に適応するために、結合が緩く、かつ、変圧器の比率が大きい、極めて高いQ動作を許容することになる。より多くの、また、より大きいターンまたはセグメントを選択すると、結合が緊密になり、また、より低いQおよびより近い共振器間隔距離のために変圧器の比率が小さくなる。
本明細書において説明されている技法および方法は、ワイヤレス電力伝達システムの設計者に、広範囲にわたる動作を提供し、その一方で高い効率、単純で容易な転送回路設計、および構成要素に対する応力が小さい高Q動作を維持するいくつかの代替を提供する。電源と一次共振器との間、および二次共振器と負荷との間の結合の整合された調整により、長い距離にわたって電力を有効に伝達することができ、その一方でより近い共振器間隔距離および/または負荷の変動に同じく適応することができる。
図23は、一例示的実施態様による、一次共振器の上に整列した車両2302の線図である。ワイヤレス電力伝達システム2300は、車両2302がトランスミッタ2304の近くに駐車している場合に、車両2302の充電を可能にする。示されているトランスミッタ2304は、ベースパッド2308から空間的に間隔されているが、本出願はそれには限定されず、トランスミッタ2304は、ベースパッド2308と実質的に同じ場所を含む任意の他の場所に置くことができる。示されている空間は、たとえば図5の一次共振器512に対応することができる一次共振器2306の上に駐車する車両2302のための空間である。一次共振器2306は、ベースパッド2308内に置くことができる。いくつかの実施態様では、トランスミッタ2304は、電力バックボーン2310に接続することができる。トランスミッタ2304は、電気接続2312を介して、ベースパッド2308内に置かれた一次共振器2306に交流(AC)を提供するように構成することができる。図15に関連してすでに説明したように、車両2302は、バッテリ2314、二次共振器2316およびアンテナ2318(たとえば通信モジュールまたは回路の一部として)を含むことができ、それぞれレシーバ2320に接続されている。
いくつかの実施態様では、二次共振器2316は、二次共振器2316が一次共振器2306によって生成されるワイヤレス場(たとえば磁界)内に位置すると、電力を受け取ることができる。いくつかの実施態様では、二次共振器2316は、図5の二次共振器552に対応することができる。ワイヤレス場(図示せず)は、一次共振器2306によって出力される磁気エネルギーを二次共振器2316がキャプチャすることができる領域に対応する。いくつかの事例では、ワイヤレス場は、一次共振器2306の「近距離場」に対応することができる。図15〜図22を参照して上で説明したように、結合の整合された調整は、図23に示されているシステムによって実現することができる。この事例では、車両2302のバッテリ2314を充電するために、1キロワットまたは数キロワット程度の電力を伝達することができる。さらに、図15〜図22を参照して上で説明したように、結合の整合された調整は、上で説明した携帯型電子デバイスに電力を供給し、あるいは充電するための電力をワイヤレスで提供するためのシステムの中で実現することができる。たとえば、そのようなシステムは、パッド上などの充電領域内、または部屋あるいは他の領域内に置かれた1つまたは複数の携帯型デバイスをワイヤレスで充電する、単一または複数のデバイス充電パッドを含むことができる。この事例では、1ワット未満ないし50〜60ワット程度の電力を携帯型電子デバイスに伝達することができる。
図24は、一例示的実施態様による、ワイヤレス誘導電力伝達のための方法2400のフローチャートを示したものである。方法2400は、ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器からの電力を、ワイヤレス電力レシーバの負荷に結合された二次共振器にワイヤレスで伝達するステップを含むブロック2402で開始することができる。たとえば、少なくとも図5および図15に関連してすでに説明したように、ワイヤレス電力は、一次共振器512/1516と二次共振器552/1518との間で伝送することができる。
方法2400は、次いで、ソース電源からのエネルギーを一次共振器に結合するように構成された結合回路を介して、ソース電源と一次共振器との間の第1の量の結合を調整するステップを含むブロック2404へ進行することができ、第1の量の結合を調整するステップは、二次共振器と負荷との間の第2の量の結合の調整と整合される。たとえば、少なくとも図5および図15に関連してすでに説明したように、コントローラ回路1510は、結合回路511/1508を介した電源504/1506と一次共振器512/1516との間の結合の調整を、二次共振器552/1518と負荷560/1532との間の結合の調整と整合させることができる。
図25は、一例示的実施態様による、ワイヤレス誘導電力伝達のための装置2500の機能ブロック図である。装置2500は、少なくとも図5、図15、図24に関して説明した様々な動作のための手段2502、手段2504および手段2506を備えている。装置2500は、電力をワイヤレスで受け取るための手段に電力をワイヤレスで伝達するように構成されたワイヤレス場を生成するための手段2502を含む。電力をワイヤレスで受け取るための手段は、ワイヤレス電力レシーバの負荷に結合することができる。一実施態様では、手段2502は、図24のブロック2402に関して上で説明した機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することができる。様々な実施態様では、手段2502は、一次共振器512/1516(図5/図15)によって実現することができる。
装置2500は、ソース電源からのエネルギーをワイヤレス場を生成するための手段2502に結合するための手段2504をさらに含む。一実施態様では、手段2504は、図24のブロック2402に関して上で説明した機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することができる。様々な実施態様では、手段2504は、結合回路511/1508(図5/図15)によって実現することができる。
装置2500は、エネルギーを結合するための手段2504を介した、ソース電源とワイヤレス場を生成するための手段2502との間の第1の量の結合の調整を、電力をワイヤレスで受け取るための手段とワイヤレス電力レシーバの負荷との間の第2の量の結合の調整と整合させるための手段2506をさらに含む。一実施態様では、手段2506は、図24のブロック2404に関して上で説明した機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することができる。様々な実施態様では、手段2506は、少なくともコントローラ回路1510(図15)によって実現することができる。
図26は、一例示的実施態様による、ワイヤレスによる電力を誘導によって受け取るための方法2600のフローチャートを示したものである。方法2600は、ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器から電力をワイヤレスで受け取るステップを含むブロック2602で開始することができる。たとえば、少なくとも図5および図15に関連してすでに説明したように、ワイヤレス電力は、二次共振器552/1518が一次共振器512/1516から受け取ることができる。
方法2600は、次いで、二次共振器からのエネルギーを負荷に結合するように構成された結合回路を介して、二次共振器と負荷との間の第2の量の結合を調整するステップを含むブロック2604に進行することができ、第2の量の結合を調整するステップは、ソース電源と一次共振器との間の第1の量の結合の調整と整合される。この操作は、たとえば図15に関連してすでに説明したように実施することができる。
図27は、一例示的実施態様による、ワイヤレス電力を誘導によって受け取るための装置2700の機能ブロック図である。装置2700は、少なくとも図5、図15、図26に関して説明した様々な動作のための手段2702、手段2704および手段2706を備えている。装置2700は、ワイヤレス電力トランスミッタ2500のワイヤレス場を生成するための手段2502から電力を受け取るための手段2702を含む。一実施態様では、手段2702は、図26のブロック2602に関して上で説明した機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することができる。様々な実施態様では、手段2702は、二次共振器552/1518(図5/図15)によって実現することができる。
装置2700は、電力を受け取るための手段2702からのエネルギーを負荷に結合するための手段2704をさらに含む。一実施態様では、手段2704は、図26のブロック2602に関して上で説明した機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することができる。様々な実施態様では、手段2704は、結合回路551/1528(図5/図15)によって実現することができる。
装置2700は、エネルギーを結合するための手段2704を介した、電力を受け取るための手段2702と負荷との間の第2の量の結合の調整を、ソース電源と、ワイヤレス電力トランスミッタ2600のワイヤレス場を生成するための手段2502との間の第1の量の結合の調整と整合させるための手段2706をさらに含む。一実施態様では、手段2706は、図26のブロック2604に関して上で説明した機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することができる。様々な実施態様では、手段2706は、少なくともコントローラ回路1524(図15)によって実現することができる。
上で説明した方法の様々な操作は、操作を実施することができる、様々なハードウェアおよび/またはソフトウェア構成要素、回路および/またはモジュールなどの任意の適切な手段によって実施することができる。通常、図に示されているすべての操作は、操作を実施することができる対応する機能手段によって実施することができる。
情報および信号は、任意の様々な異なる技術および技法を使用して表すことができる。たとえば、上記説明全体を通して参照され得る、データ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁粒子、光学場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表すことができる。
本明細書において開示されている実施態様に関連して説明されている様々な例証論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたは両方の組合せとして実現することができる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップは、上では、一般にその機能に関して説明されている。そのような機能がハードウェアとして実現されるか、あるいはソフトウェアとして実現されるかどうかは、特定のアプリケーションおよび総合システムに課される設計制約で決まる。説明した機能は特定の適用例ごとに様々な方法で実現することができるが、そのような実施態様決定は、本発明の実施態様の範囲を逸脱させるものと解釈してはならない。
本明細書において開示されている実施態様に関連して説明されている様々な例証ブロック、モジュールおよび回路は、本明細書において説明されている機能を実施するために設計された、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、書替え可能ゲートアレイ(FPGA)、または他のプログラマブル論理デバイス、離散ゲートまたはトランジスタ論理、離散ハードウェア構成要素、またはそれらの任意の組合せを使用して実現または実施することができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであってもよいが、代替ではプロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態マシンであってもよい。また、プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携した1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実現することもできる。
本明細書において開示されている実施態様に関連して説明されている方法またはアルゴリズムのステップおよび機能は、ハードウェアの中、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールの中、またはそれらの組合せの中で直接具体化することができる。ソフトウェアの中で実現される場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶することができ、あるいは非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信することができる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリメモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD ROM、または当分野で知られている任意の他の形態の記憶媒体中に存在させることができる。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、かつ記憶媒体に情報を書き込むことができるようにプロセッサに結合される。代替では、記憶媒体は、プロセッサと一体にすることができる。本明細書において使用されているディスク(diskおよびdisc)は、コンパクトディスク(disc)(CD)、レーザディスク(disc)、光ディスク(disc)、デジタル汎用ディスク(disc)(DVD)、フロッピーディスク(disk)およびブルーレイディスク(disc)を含み、diskは、通常、データを磁気的に再生し、一方、discは、レーザを使用してデータを光学的に再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に同じく含まれるものとする。プロセッサおよび記憶媒体は、ASICの中に存在させることができる。ASICは、ユーザ端末の中に存在させることができる。代替では、プロセッサおよび記憶媒体は、離散構成要素としてユーザ端末の中に存在させることができる。
以上、本明細書において、本開示を要約する目的で、本発明の特定の態様、利点および新規な特徴について説明した。そのような利点の必ずしもすべてが、本発明の任意の特定の実施態様に従って達成されるとは限らない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書において教示または示唆され得るような他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示される1つの利点または一群の利点を達成または最適化する方法で具現化または実施することができる。
上で説明した実施態様の様々な変更態様は容易に明らかであり、また、本明細書において定義されている一般原理は、本発明の精神または範囲を逸脱することなく他の実施態様に適用することができる。したがって本発明は、本明細書において示されている実施態様に限定されるものではなく、本明細書において開示されている原理および新規な特徴と無矛盾の最も広い範囲が与えられるべきである。
100 インダクタコイルワイヤ
104 表皮の厚さ
106 交番磁界
108 渦電流
200 電気共振器
202、553、1612、1652、1712、1752、1812、1852、1912、1952、2012、2052、2112 インダクタ
204、514、554、1614、1654、1714、1754、1918、1920、1922、1958、1960、1962、2014、2054、2114 コンデンサ
206、208、210 抵抗
300 ベル
302 クラッパ
304 ベルの休止状態の丸い形
306 一撃されたベルの楕円形
400 一例示的共振器の周波数応答曲線
500、1500、2300 ワイヤレス電力伝達システム
502 ソース
504 周波数発生器
510、2304 トランスミッタ
511、1508、1528、1600、1700、1800、1900、2000 結合回路
512、1516、2306 一次共振器
513 コイルループ、インダクタ
515 磁界、磁束
550、2320 レシーバ
551 第2の誘導結合ループ、結合回路
552、1518、2316 二次共振器
560、1532 負荷
602 無効近距離場、近距離場ゾーン
604 移行ゾーン
606 放射遠距離場
702 スピーカ
704 スピーカ702から放出される音の波長よりも小さい寸法を有する部屋
804 スピーカ702から放出される音の波長よりも大きい寸法を有する部屋
902 スペクトルアナライザ
904 第1の共振器
906 第2の共振器
910、912、914、916、918、920 共振器の位置を示すダッシュ線
922 トラッキング発生器の出力
924 スペクトルアナライザ入力
1502 トランスミッタ側
1504 レシーバ側
1506 電源
1510、1524 コントローラ回路
1512、1526 通信回路
1514、1522 センサ回路
1520 通信チャネル
1530 整流器回路
1602、1604 調整可能な抵抗、可変抵抗
1702、1704 可変無効構成要素
1814、1854、1914、1954 調整可能なコンデンサ
1816、1856、1916、1956、2114、2214、2218 スイッチ
2016、2056 結合ループ
2100 実施態様
2116、2216 タップ付き結合ループ
2302 車両
2308 ベースパッド
2310 電力バックボーン
2312 電気接続
2314 バッテリ
2318 アンテナ
2500、2600 ワイヤレス誘導電力伝達のための装置、ワイヤレス電力トランスミッタ
2502、2504、2506、2702、2704、2706 様々な動作のための手段
2700 ワイヤレス電力を誘導によって受け取るための装置

Claims (15)

  1. ワイヤレス誘導電力伝達のための装置であって、
    電力をワイヤレス電力レシーバの負荷に結合された二次共振器にワイヤレスで伝達するように構成された一次共振器と、
    ソース電源からのエネルギーを前記一次共振器に結合するように構成された結合回路と、
    コントローラであって、
    前記ワイヤレス電力レシーバから、前記二次共振器から結合されている電力の少なくとも1つのパラメータの指示を受け取り、
    前記受け取った指示に少なくとも部分的に基づいて、前記ワイヤレス電力レシーバの第2の結合回路を介した前記二次共振器と前記負荷との間の第2の量の結合の調整と連携して、前記結合回路を介した前記ソース電源と前記一次共振器との間の第1の量の結合を調整する
    ように構成されたコントローラと
    を備え、
    前記第1の量の結合の調整と前記第2の量の結合の調整とが、最適動作点を維持するために繰り返される、装置。
  2. 前記第1の量の結合が、前記一次共振器の動作品質係数を変え、前記結合回路によって前記ソース電源に提供される力率、前記負荷に伝達される電力の量、またはそれらの任意の組合せのうちの少なくとも1つを大きくするように調整される、請求項1に記載の装置。
  3. 前記結合回路が、それぞれ前記ソース電源に選択的に電気接続されるように構成された複数のセグメントを備えた第1の結合ループを備え、前記第1の結合ループが前記一次共振器から電気的に隔離され、また、
    前記コントローラが、前記複数のセグメントの少なくともサブセットを前記第1の結合ループに選択的に接続することによって前記第1の量の結合を調整するように構成される、
    請求項1に記載の装置。
  4. 前記複数のセグメントの隣接するセグメントの断面積が前記第1の結合ループの最初のセグメントから最後のセグメントにかけて大きくなる、請求項3に記載の装置。
  5. 前記コントローラが、
    前記第1の結合ループと前記一次共振器との間の結合の係数
    を調整することによって前記第1の量の結合を調整するように構成される、請求項3に記載の装置。
  6. 前記結合回路が、前記ソース電源を、
    それぞれ前記一次共振器の複数の直列接続コンデンサのうちの対応するコンデンサに接続された複数の位置のうちの1つ、または
    前記一次共振器のインダクタ上の複数の位置のうちの1つ
    のいずれかに選択的に接続するように構成されたスイッチを備え、また、
    前記コントローラが、前記ソース電源を前記複数の位置のうちの1つに選択的に接続することによって前記第1の量の結合を調整するように構成される、
    請求項1に記載の装置。
  7. 前記コントローラが、前記ワイヤレス電力レシーバへの、前記第2の量の結合を調整するように前記ワイヤレス電力レシーバに命令するメッセージを送信するように構成される、請求項1に記載の装置。
  8. 前記一次共振器が第1の周波数で共振するように構成され、前記コントローラが、前記一次共振器が前記第1の周波数での共振を維持している間に、前記ソース電源と前記一次共振器との間の前記第1の量の結合を調整するように構成される、請求項1に記載の装置。
  9. 前記一次共振器に結合されている電力の少なくとも1つのパラメータを測定するように構成されたセンサをさらに備え、前記コントローラが、前記第2の量の結合の調整と連携して前記第1の量の結合の調整する際に、
    前記一次共振器に結合されている電力の前記少なくとも1つのパラメータの第1の指示を前記センサから受け取り、また、前記二次共振器から結合されている電力の前記少なくとも1つのパラメータの第1の指示を前記ワイヤレス電力レシーバから受け取り、
    前記第1の量の結合を調整し、かつ、前記第2の量の結合を調整するように前記ワイヤレス電力レシーバに命令し、
    前記一次共振器に結合されている電力の前記少なくとも1つのパラメータの第2の指示を前記センサから受け取り、また、前記二次共振器から結合されている電力の前記少なくとも1つのパラメータの第2の指示を前記ワイヤレス電力レシーバから受け取り、
    前記センサおよび前記ワイヤレス電力レシーバの各々からの前記第1の指示と第2の指示の比較に少なくとも部分的に基づいて、前記第1の量の結合を調整するかどうか、および前記第2の量の結合を調整するように前記ワイヤレス電力レシーバに命令するかどうかを決定する
    ように構成される、請求項1に記載の装置。
  10. ワイヤレス誘導電力伝達のための方法であって、
    ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器からの電力を、ワイヤレス電力レシーバの負荷に結合された二次共振器にワイヤレスで伝達するステップと、
    前記ワイヤレス電力レシーバから、前記二次共振器から結合されている電力の少なくとも1つのパラメータの指示を受け取るステップと、
    前記受け取った指示に少なくとも部分的に基づいて、前記ワイヤレス電力レシーバの第2の結合回路を介した前記二次共振器と前記負荷との間の第2の量の結合の調整と連携して、ソース電源からのエネルギーを前記一次共振器に結合するように構成された結合回路を介したソース電源と前記一次共振器との間の第1の量の結合を調整するステップと
    を含み、
    前記第1の量の結合の調整と前記第2の量の結合の調整とが、最適動作点を維持するために繰り返される、方法。
  11. ワイヤレス電力を誘導によって受け取るための装置であって、
    ワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器から電力をワイヤレスで受け取るように構成された二次共振器と、
    前記二次共振器からのエネルギーを負荷に結合するように構成された第2の結合回路と、
    前記ワイヤレス電力トランスミッタに、前記二次共振器から結合されている電力の少なくとも1つのパラメータの指示を送信するように構成された通信回路と、
    前記送信した指示に少なくとも部分的に基づいて、前記ワイヤレス電力トランスミッタの第1の結合回路を介したソース電源と前記一次共振器との間の第1の量の結合の調整と連携して、前記第2の結合回路を介した前記二次共振器と前記負荷との間の第2の量の結合を調整するように構成されたコントローラと
    を備え、
    前記第1の量の結合の調整と前記第2の量の結合の調整とが、最適動作点を維持するために繰り返される、装置。
  12. 前記第2の結合回路が、それぞれ前記負荷に選択的に電気接続されるように構成された複数のセグメントを備えた第2の結合ループを備え、前記第2の結合ループが前記二次共振器から電気的に隔離され、また、
    前記コントローラが、前記複数のセグメントの少なくともサブセットを前記第2の結合ループに選択的に接続することによって前記第2の量の結合を調整するように構成される、
    請求項11に記載の装置。
  13. 前記複数のセグメントの隣接するセグメントの断面積が前記第2の結合ループの最初のセグメントから最後のセグメントにかけて大きくなる、請求項12に記載の装置。
  14. 前記第2の結合回路が、前記負荷を、
    それぞれ前記二次共振器の全体にわたって接続された複数の直列接続コンデンサのうちの対応するコンデンサに接続された複数の位置のうちの1つ、または
    前記二次共振器のインダクタ上の複数の位置のうちの1つ
    のいずれかに選択的に接続するように構成されたスイッチを備え、また、
    前記コントローラが、前記負荷を前記複数の位置のうちの1つに選択的に接続することによって前記第2の量の結合を調整するように構成される、
    請求項11に記載の装置。
  15. ワイヤレスによる電力を誘導によって受け取るための方法であって、
    二次共振器を使用してワイヤレス電力トランスミッタの一次共振器から電力をワイヤレスで受け取るステップと、
    前記ワイヤレス電力トランスミッタに、前記二次共振器から結合されている電力の少なくとも1つのパラメータの指示を送信するステップと、
    前記送信した指示に少なくとも部分的に基づいて、前記ワイヤレス電力トランスミッタの第1の結合回路を介したソース電源と前記一次共振器との間の第1の量の結合の調整と連携して、前記二次共振器からのエネルギーを負荷に結合するように構成された第2の結合回路を介した前記二次共振器と前記負荷との間の第2の量の結合を調整するステップと
    を含み、
    前記第1の量の結合の調整と前記第2の量の結合の調整とが、最適動作点を維持するために繰り返される、方法。
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