JP7108181B2 - wireless power transmission system - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 平成30年 4月20日発行 2018年電子情報通信学会 無線電力伝送研究会(WPT)信学技報、 vol.118、 no.17、 WPT2018-3、 pp.9-11、 2018年4月. 電子情報通信学会予稿集編集委員会Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Issued on April 20, 2018 IEICE Technical Report of Wireless Power Transfer (WPT), vol. 118, no. 17, WPT2018-3, pp. 9-11, April 2018. IEICE Proceedings Editing Committee
特許法第30条第2項適用 平成30年 4月27日開催 電子情報通信学会 無線電力伝送研究会(WPT) 東京機械振興会館B2F 1号室 Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Held on April 27, 2018 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Wireless Power Transmission Study Group (WPT) Tokyo Kikai Shinko Kaikan B2F Room 1
特許法第30条第2項適用 平成30年 6月3日開催 2018年 IEEE、IEEE MTT学会 WPTC2018大会 ポリテクニーク モントリオール(カナダ ケベック州 モントリオール)Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applied June 3, 2018 IEEE, IEEE MTT Society WPTC 2018 Conference Polytechnique Montreal (Montreal, Quebec, Canada)
特許法第30条第2項適用 平成30年 6月 6日発行 2018年IEEE,IEEE MTT学会 WPTC2018 大会講演予稿集,番号1570438467,IEEE WPTC2018学会予稿集編集委員会Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies June 6, 2018 Issued 2018 IEEE, IEEE MTT Conference WPTC2018 Conference Proceedings, No. 1570438467, IEEE WPTC2018 Conference Proceedings Editing Committee
本発明は、無線電力伝送技術に関する。 The present invention relates to wireless power transmission technology.
送電素子および受電素子の間の無線方式の電力伝送効率の最大化を図る技術が提案されている(非特許文献1~2参照)。 Techniques for maximizing wireless power transmission efficiency between a power transmitting element and a power receiving element have been proposed (see Non-Patent Documents 1 and 2).
しかし、無線電力伝送システムの利便性向上の観点からは、一対一ではなく、一対複数、複数対一または複数対複数という組み合わせの送電素子と受電素子との間の無線方式の電力伝送効率の最大化を図ることが必要である。 However, from the viewpoint of improving the convenience of the wireless power transmission system, the maximum power transmission efficiency of the wireless system between the power transmission element and the power reception element in a one-to-many, multiple-to-one or multiple-to-many combination instead of one-to-one. It is necessary to improve
そこで、本発明は、一対複数、複数対一または複数対複数という組み合わせの送電素子と受電素子との間の無線電力伝送の効率の向上を図りうるシステムを提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a system capable of improving the efficiency of wireless power transmission between power transmitting elements and power receiving elements in one-to-many, multiple-to-one, or multiple-to-many combinations.
本発明の第1態様の無線電力伝送システムは、M個の送電素子Ti(1≦i≦M)と、N個の受電素子Rj(1≦j≦N)と、を備え、MおよびNのうち少なくとも一方は複数である無線電力伝送システムであって、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mに基づき、各送電素子Tiの自己インピーダンスを表わすM×Mの自己インピーダンス行列ZTTと、各受電素子Rjの自己インピーダンスを表わすN×Nの自己インピーダンス行列ZRRと、前記M個の送電素子Tiおよび前記N個の受電素子Rjの相互インピーダンスを表わすM×Nの相互インピーダンス行列ZTRと、前記N個の受電素子Rjおよび前記M個の送電素子Tiの相互インピーダンスを表わすN×Mの相互インピーダンス行列ZRTと、を定める第1演算処理要素と、前記第1演算処理要素により定められた4つのインピーダンス行列ZTT,ZRR,ZTR,ZRTに基づき、前記M個の送電素子から前記N個の受電素子に対する電力伝送効率ηが、関係式(1)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(2)で表わされる固有値問題の解としてM+N個の固有値λおよび最大固有値λmaxを求める第2演算処理要素と、前記第1演算処理要素に対して出力される前記各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、前記各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子をさまざまに変更することにより、前記第2演算処理要素により求められた最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするような前記指定因子の解を探索する第3演算処理要素と、を備えていることを特徴とする。 A wireless power transmission system according to a first aspect of the present invention includes M power transmitting elements T i (1≦i≦M) and N power receiving elements R j (1≦j≦N), and M and A wireless power transmission system in which at least one of N is a plurality, wherein the shape characteristic factor c i , the position p i and the attitude q i of each power transmitting element T i , and the shape characteristic factor c j of each power receiving element R j +M , position p j+M and attitude q j+M , an M×M self-impedance matrix Z TT representing the self-impedance of each power transmitting element T i and an N×M self-impedance matrix representing the self-impedance of each power receiving element R j N self-impedance matrix Z RR , M×N mutual impedance matrix Z TR representing the mutual impedance of the M power transmitting elements T i and the N power receiving elements R j , and the N power receiving elements R j and an N×M mutual impedance matrix Z RT representing the mutual impedances of the M power transmitting elements T i , and four impedance matrices Z TT determined by the first processing element. , Z RR , Z TR , and Z RT , the power transmission efficiency η from the M power transmitting elements to the N power receiving elements is defined as the Rayleigh quotient represented by the relational expression (1). , a second arithmetic processing element that obtains M+N eigenvalues λ and a maximum eigenvalue λ max as a solution to the eigenvalue problem represented by the relational expression (2), and each of the power transmitting elements T that is output to the first arithmetic processing element Of shape characteristic factor c i , position p i and orientation q i of i and shape characteristic factor c j+M , position p j+M and orientation q j+M of each power receiving element R j , unknown a third processing element that searches for a solution of the designated factor that maximizes or exceeds a threshold value the maximum eigenvalue λ max determined by the second processing element by varying the designated factor; characterized by comprising
本発明の第2態様の無線電力伝送システムは、M個の送電素子Ti(1≦i≦M)と、N個の受電素子Rj(1≦j≦N)と、を備え、MおよびNのうち少なくとも一方は複数である無線電力伝送システムであって、使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mに基づき、各送電素子Tiから信号を出力した際に各送電素子Tiに反射する信号、または各送電素子Tiから信号を出力した際に他の送電素子Ti1に通過する信号を表わすM×Mの行列STTと、各受電素子Rjから信号を出力した際に各受電素子Rjに反射する信号、または各受電素子Rjから信号を出力した際に他の受電素子Rj1に通過する信号を表わすN×Nの行列SRRと、M個の送電素子Tiから信号を出力した際にN個の受電素子Rjに通過する信号を表わすM×Nの行列STRと、N個の受電素子Rjから信号を出力した際にM個の送電素子Tiに通過する信号を表わすN×Mの行列SRTと、を定める第1演算処理要素と、前記第1演算処理要素により定められた4つの行列STT,SRR,STR,SRTに基づき、前記M個の送電素子から前記N個の受電素子に対する電力伝送効率ηが、各送電素子Tiへの入射波aTi、各受電素子Rjへの入射波aRj、各送電素子Tiによる反射波bTiおよび各受電素子Rjによる反射波bRjを用いて関係式(3)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(4)で表わされる固有値問題の解としてM+N個の固有値λおよび最大固有値λmaxを求める第2演算処理要素と、前記第1演算処理要素に対して出力される前記使用周波数f、前記各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、前記各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子をさまざまに変更することにより、前記第2演算処理要素により求められた最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするような前記指定因子の解を探索する第3演算処理要素と、を備えていることを特徴とする。 A wireless power transmission system according to a second aspect of the present invention includes M power transmitting elements T i (1≦i≦M) and N power receiving elements R j (1≦j≦N), and M and A wireless power transmission system in which at least one of N is a plurality, and includes a working frequency f, a shape characteristic factor c i of each power transmitting element T i , a position p i and an attitude q i , and a shape of each power receiving element R j Based on the characteristic factor c j+M , the position p j+M , and the orientation q j+M , when the signal is output from each power transmitting element T i , the signal reflected by each power transmitting element T i , or from each power transmitting element T i An M×M matrix S TT representing a signal that passes through another power transmitting element T i1 when a signal is output, and a signal that is reflected by each power receiving element R j when a signal is output from each power receiving element R j , or An N×N matrix S RR representing the signal that passes through the other power receiving element R j1 when the signal is output from each power receiving element R j , and the N matrix S RR when the M power transmitting element T i outputs the signal An M×N matrix S TR representing signals passing through the power receiving elements R j , and an N×M matrix representing signals passing through the M power transmitting elements T i when signals are output from the N power receiving elements R j . A first processing element that defines a matrix S RT , and four matrices S TT , S RR , S TR , and S RT that are determined by the first processing element, from the M power transmitting elements to the N The power transmission efficiency η for the power receiving elements is represented by the incident wave a Ti to each power transmitting element T i , the incident wave a Rj to each power receiving element R j , the reflected wave b Ti by each power transmitting element T i and each power receiving element R According to the model defined as the Rayleigh quotient expressed in relation (3) using the reflected wave b Rj by j , M+N eigenvalues λ and the maximum eigenvalue λ a second arithmetic processing element for obtaining max , the working frequency f output to the first arithmetic processing element, the shape characteristic factor c i , the position p i and the orientation q i of each of the power transmitting elements T i , and Among the shape characteristic factor c j+M , the position p j+M and the attitude q j+M of each power receiving element R j , by variously changing the unknown designated factors, and a third arithmetic processing element that searches for a solution of the specified factor that maximizes the maximum eigenvalue λ max obtained or makes it equal to or greater than the threshold.
本発明の無線電力伝送システムによれば、使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子がさまざまに変更される。これにより、固有値問題の解としての最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするように指定因子の解が探索される。これにより、一対複数(Mが単数である一方でNが複数である場合)、複数対一(Mが複数である一方でNが単数である場合)または複数対複数(MおよびNがともに複数である場合)という組み合わせの送電素子と受電素子との間の無線電力伝送の効率の向上を図ることができる。 According to the wireless power transmission system of the present invention, the operating frequency f, the shape characteristic factor c i of each power transmitting element T i , the position p i and the attitude q i , and the shape characteristic factor c j+M of each power receiving element R j , the position p j+M and the pose q j+M are changed differently. As a result, the solution of the specified factor is searched so as to maximize the maximum eigenvalue λ max as a solution of the eigenvalue problem or to exceed the threshold. This allows one-to-many (where M is singular while N is plural), many-to-one (where M is plural while N is singular) or many-to-many (where M and N are both plural). ), the efficiency of wireless power transmission between the power transmitting element and the power receiving element can be improved.
(構成(第1実施形態))
図1に示されている本発明の一実施形態としての無線電力伝送システムは、M個の送電素子T1,T2,‥TMと、N個の受電素子R1,R2,‥RNと、サーバ100と、を備えている。「M」および「N」のうち少なくとも一方は複数である。各送電素子Ti(i=1,2,‥M)は、例えば、形状特性因子として円周ciを有する円環状導線であると疑似される。各送電素子Tiの位置piは当該円環の中心位置の3次元ベクトルにより表わされ、各送電素子Tiの姿勢qiは当該円環が存在する平面の平面ベクトルにより表わされる。各送電素子Tiには、当該各送電素子Tiに電力を供給し、かつ、当該電力(電流)を制御するための給電ドライバ(図示略)が設けられている。
(Configuration (first embodiment))
A wireless power transmission system as one embodiment of the present invention shown in FIG . 1 includes M power transmitting elements T 1 , T 2 , . N and a
各受電素子Rj(j=1,2,‥N)は、形状特性因子として円周cj+Mを有する円環状導線であると疑似される。各受電素子Rjの位置pj+Mは当該円環の中心位置の3次元ベクトルにより表わされ、各受電素子Rjの姿勢qj+Mは当該円環が存在する平面の平面ベクトルにより表わされる。各送電素子Tiには、当該各送電素子Tiに電力を供給し、かつ、当該電力(電流)を制御するための給電ドライバ(図示略)が設けられている。 Each power receiving element R j (j=1, 2, . . . N) is simulated to be an annular conductive wire having a circumference c j+M as a shape characteristic factor. The position p j+M of each power receiving element R j is represented by a three-dimensional vector of the central position of the ring, and the attitude q j+M of each power receiving element R j is represented by a plane vector of the plane on which the ring exists. represented. Each power transmission element T i is provided with a power supply driver (not shown) for supplying power to each power transmission element T i and for controlling the power (current).
サーバ100は、記憶装置102と、通信装置104と、第1演算処理要素110と、第1演算処理要素120と、第3演算処理要素130と、を備えている。
The
記憶装置102は、第1演算処理要素110、第1演算処理要素120および第3演算処理要素130のそれぞれの演算処理結果などに関するデータのほか、当該演算処理に必要なソフトウェアを記憶保持している。通信装置104は、指定情報を端末装置に送信する。
The
第1演算処理要素110、第1演算処理要素120および第3演算処理要素130のそれぞれは、共通のまたは別個の複数のCPU(マルチコアプロセッサまたはシングルコアプロセッサなど)により構成され、割り当てられた演算処理を実行するように構成されている。すなわち、第1演算処理要素110、第1演算処理要素120および第3演算処理要素130のそれぞれを構成する演算処理装置が、記憶装置102を構成するメモリ等の種々のメモリから必要なデータおよびソフトウェアを読み取り、当該データを対象として当該ソフトウェアにしたがった演算処理を実行するようにプログラムされているまたは設計されている。
Each of the first
第1演算処理要素110は、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mに基づき、各送電素子Tiの自己インピーダンスを表わすM×Mの自己インピーダンス行列ZTTと、各受電素子Rjの自己インピーダンスを表わすN×Nの自己インピーダンス行列ZRRと、M個の送電素子TiおよびN個の受電素子Rjの相互インピーダンスを表わすM×Nの相互インピーダンス行列ZTRと、N個の受電素子RjおよびM個の送電素子Tiの相互インピーダンスを表わすN×Mの相互インピーダンス行列ZRTと、を定める。〇×●の行列とは、〇行●列の行列を意味する。
The first
ZTTは使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ciと送電素子間の配置の関数にしたがって定められる。ZRRは使用周波数f、各受電素子Rjの形状特性因子cj+Mの関数にしたがって定められる。ZTRおよびZRTのそれぞれは、使用周波数f、ck、pkおよびqk(k=1,2,‥M,M+1,M+2,‥M+N)の関数にしたがって定められる。 Z TT is determined according to a function of the operating frequency f, the shape characteristic factor c i of each transmitting element T i and the arrangement between the transmitting elements. Z RR is determined according to the function of the operating frequency f and the shape characteristic factor c j +M of each power receiving element R j . Each of Z TR and Z RT is determined according to a function of the working frequencies f, c k , p k and q k (k=1, 2, . . . M, M+1, M+2, . . . M+N).
第2演算処理要素120は、第1演算処理要素110により定められた4つのインピーダンス行列ZTT,ZRR,ZTR,ZRTに基づき、M個の送電素子TiからN個の受電素子Rjに対する電力伝送効率ηが、関係式(1)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(2)で表わされる固有値問題の解としてM+N個の固有値λおよび最大固有値λmaxを求める。
Based on the four impedance matrices Z TT , Z RR , Z TR , and Z RT determined by the first
関係式(2)の左辺および右辺のそれぞれの行列はエルミート行列である。関係式(1)により表現される電力伝送効率ηは一般化されたレイリー商(Generalized Rayleigh quotient)であり、最大値ηmaxを有する。最大レイリー商は、関係式(2)で表わされる一般化された固有値問題の最大固有値と同等である。 Each matrix on the left and right sides of relational expression (2) is a Hermitian matrix. The power transfer efficiency η expressed by relational expression (1) is a generalized Rayleigh quotient and has a maximum value η max . The maximum Rayleigh quotient is equivalent to the maximum eigenvalue of the generalized eigenvalue problem expressed in relation (2).
ここで、関係式(1)に関して導出過程を説明する。M個の送電素子のそれぞれの電圧を成分とするM次元の送電電圧ベクトルVT、M個の送電素子のそれぞれの電流を成分とするM次元の送電電流ベクトルIT、N個の受電素子のそれぞれの電圧を成分とするN次元の受電電圧ベクトルVR、および、N個の受電素子のそれぞれの電流を成分とするN次元の受電電流ベクトルIRの関係は関係式(5)および(6)により表現される。 Here, the process of deriving the relational expression (1) will be described. An M-dimensional transmission voltage vector V T whose components are voltages of M power transmitting elements, an M-dimensional transmission current vector I T whose components are currents of M power transmitting elements, and N power receiving elements The relationship between the N-dimensional received voltage vector V R whose components are the respective voltages and the N-dimensional received current vector I R whose components are the respective currents of the N receiving elements is represented by relational expressions (5) and (6). ).
電力伝送効率ηは、入力電力Pinに対する出力電圧Poutの比率として関係式(7)にしたがって定義される。 Power transfer efficiency η is defined according to relation (7) as the ratio of output voltage P out to input power P in .
入力電力Pinおよび出力電圧Poutのそれぞれは、関係式(8)および(9)のそれぞれにより表現される。 Input power P in and output voltage P out are respectively expressed by relations (8) and (9).
電力伝送効率ηは、関係式(7)~(9)をまとめて得られる関係式(10)により表現される。 The power transmission efficiency η is expressed by a relational expression (10) obtained by combining the relational expressions (7) to (9).
ここで、RRRはN×Nの自己インピーダンス行列の実部を要素とするN×Nの抵抗行列を表わす。RTTはM×Mの自己インピーダンス行列の実部を要素とするM×Mの抵抗行列を表わす。関係式(10)が変形されることにより、関係式(1)が得られる。 Here, R RR represents an N×N resistance matrix whose elements are the real parts of the N×N self-impedance matrix. R TT represents an M×M resistance matrix whose elements are the real parts of the M×M self-impedance matrix. Relational expression (1) is obtained by transforming relational expression (10).
第3演算処理要素130は、第1演算処理要素110に対して出力される各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子をさまざまに変更することにより、第2演算処理要素120により求められた最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするような指定因子の解を探索する。第3演算処理要素130は、第2演算処理要素120により求められた最大固有値λmaxに対応する固有ベクトルにより表わされる、各送電素子Tiおよび各受電素子Rjのいずれかの電流I=IT,IR
Tが所定の範囲から逸脱している場合、当該最大固有値に対応する指定因子を解から除外する。
The third
(機能(第1実施形態))
例えば、図1に示されているように、ある設備に複数の送電素子Ti(i=1,2,‥M)が設置され、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qiのほか、電流Iiおよび電圧Viが既知である状態で、当該設備に形状特性因子ci+Mを有する受電素子Rjを構成要素とするスマートホンXj(またはタブレット端末等も含む携帯端末)が持ち込まれる場合について考える。当該既知の因子は、記憶装置102に記憶保持されている。
(Function (first embodiment))
For example, as shown in FIG. 1, a plurality of power transmission elements T i (i=1, 2, . . . M) are installed in a facility, and the shape characteristic factor c i of each power transmission element T i and the position p i and posture q i , current I i and voltage V i are known, and smartphone X j ( or tablet terminal Consider the case where a mobile terminal (including mobile terminals such as The known factors are stored and held in the
この場合、設備に設置されているサーバ100の通信装置104とスマートホンXjとの無線通信(例えばWi-Fi通信(「Wi-Fi」は登録商標))により、スマートホンXjが有する受電素子Rjの少なくとも形状特性因子cj+Mが(必要に応じて、電流Ij+Mおよび電圧Vj+Mも)サーバ100の第1演算処理要素110により認識される。その上で、電力伝送効率ηをその最大値ηmaxに至らせるため、未知である受電素子Rjの位置pjおよび姿勢qjが、指定因子としてサーバ100を構成する第3演算処理要素130により、最大電力伝送効率ηmaxを最大化するまたは閾値以上とするような当該指定因子の解が探索される。
In this case, by wireless communication (for example, Wi-Fi communication (“Wi-Fi” is a registered trademark)) between the
具体的には、第3演算処理要素130により、指定因子である受電素子Rjの位置pjおよび姿勢qjが仮決定される。例えば、図3に示されているように、複数の送電素子Tiによる無線電力伝送の対象領域を構成する複数の実空間領域S1~S7が存在する場合、当該複数の実空間領域S1~S7のいずれかに含まれるように受電素子Rjの位置pjが仮決定される。複数の実空間領域は、鳥観図のように2次元領域として定義されてもよく、高さも含む3次元領域として定義されてもよい。
Specifically, the third
受電素子Rjの実空間における位置pjは、計算量低減のため、例えば、0.05m、0.10m、0.20m、0.50m、1mまたは2mなど、離散的な座標値(緯度および経度、または、緯度、経度および高度)によって定義される。受電素子Rjの実空間における姿勢qjは、例えば、5°、10°または15°など、離散的な角度(仰角および方位角、またはオイラー角)によって定義される。 The position p j of the power receiving element R j in the real space is set to discrete coordinate values (latitude and defined by longitude or latitude, longitude and altitude). The attitude q j of the power receiving element R j in real space is defined by discrete angles (elevation and azimuth angles, or Euler angles) such as 5°, 10°, or 15°.
続いて、既知の因子(送受電に用いられる電磁波の周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qiのほか、電流Iiおよび電圧Vi、ならびに、スマートホンXjが有する受電素子Rjの少なくとも形状特性因子cj+M、電流Ij+Mおよび電圧Vj+M)と、仮決定された未知の因子(受電素子Rjの位置pjおよび姿勢qj)と、に基づき、第1演算処理要素110により、前記4つのインピーダンス行列ZTT,ZRR,ZTR,ZRTが定められる(関係式(3)および(4)参照)。 Next, known factors (frequency f of electromagnetic waves used for power transmission and reception, shape characteristic factor c i of each power transmission element T i , position p i and attitude q i , current I i and voltage V i , and smart At least the shape characteristic factor c j+M , the current I j+M and the voltage V j+ M of the power receiving element R j of the phone X j , and the tentatively determined unknown factors (position p j and The four impedance matrices Z TT , Z RR , Z TR , Z RT are determined by the first processing element 110 ( see relations (3) and (4)).
そして、第2演算処理要素120により、第1演算処理要素110により定められた4つのインピーダンス行列ZTT,ZRR,ZTR,ZRTに基づき、M個Tiの送電素子から受電素子Rjに対する電力伝送効率ηが、関係式(1)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(2)で表わされる固有値問題の解として固有値λおよび最大固有値λmaxが求められる。
Then, based on the four impedance matrices Z TT , Z RR , Z TR , and Z RT determined by the first
その後、第3演算処理要素130による指定因子(受電素子Rjの位置pjおよび姿勢qj)の仮決定、第1演算処理要素110による4つのインピーダンス行列ZTT,ZRR,ZTR,ZRTの設定、および、第2演算処理要素120による最大固有値λmaxの導出が繰り返される。当該繰り返しの過程で最大固有値λmaxが徐々に増大するように指定因子の仮決定が繰り返される。例えば、最大固有値λmaxの指定回数にわたる増加率が所定値以下になった場合、最大固有値λmaxが最大化されたとみなして、その際の最大固有値λmaxの基礎として仮決定された指定因子が解として求められてもよい。最大固有値λmaxが閾値以上になった場合、その際の最大固有値λmaxの基礎として仮決定された指定因子が解として求められてもよい。
Thereafter, provisional determination of designation factors (position p j and orientation q j of power receiving element R j ) by third
ここで、最大電力伝送効率ηmaxの最大化または閾値以上の値を実現する探索解としての受電素子Rjの位置pjが、第4実空間領域S4に包含されている場合を考える。この場合、第3演算処理要素130により、設備の間取りを示す地図に重畳させて、当該設備のうち第4実空間領域S4にいけば、スマートホンXjに搭載されているバッテリの充電が円滑に行われる旨のメッセージを含む指定情報が生成される。サーバ100の通信装置104により、指定情報がスマートホンXjに送信され、これに応じて当該スマートホンXjの出力装置(ディスプレイ装置)に図4に示されているように当該メッセージが表示される。これにより、スマートホンXjのユーザを、第4実空間領域S4に配置されている席に誘導することが可能になる。
Here, consider a case where the position p j of the power receiving element R j as a search solution that maximizes the maximum power transmission efficiency η max or achieves a value equal to or higher than the threshold is included in the fourth real space region S 4 . In this case, if the third
(構成(第2実施形態))
本発明の第2実施形態としての無線電力伝送システムは、第1演算処理要素110、第2演算処理要素120および第3演算処理要素130のそれぞれの機能が第1実施形態とは相違している。
(Configuration (second embodiment))
The wireless power transmission system as the second embodiment of the present invention differs from the first embodiment in the functions of the first
第1演算処理要素110は、使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mに基づき、散乱行列Sを定める。
The first
(M+N)行×(M+N)列のインピーダンス行列Zは、(M+N)行×(M+N)列の散乱行列Sを用いて、関係式(11)にしたがって表現される。 The impedance matrix Z of (M+N) rows×(M+N) columns is expressed according to the relational expression (11) using the scattering matrix S of (M+N) rows×(M+N) columns.
関係式(11)において「STT」は、各送電素子Tiから信号を出力した際に各送電素子Tiに反射する信号、または各送電素子Tiから信号を出力した際に他の送電素子Ti1に通過する信号を表わすM×Mの行列である。「SRR」は、各受電素子Rjから信号を出力した際に各受電素子Rjに反射する信号、または各受電素子Rjから信号を出力した際に他の受電素子Rj1に通過する信号を表わすN×Nの行列である。「STR」は、M個の送電素子Tiから信号を出力した際にN個の受電素子Rjに通過する信号を表わすM×Nの行列である。「SRT」は、N個の受電素子Rjから信号を出力した際にM個の送電素子Tiに通過する信号を表わすN×Mの行列である。 In relational expression (11), “S TT ” is a signal reflected by each power transmitting element T i when a signal is output from each power transmitting element T i , or a signal reflected by each power transmitting element T i when a signal is output from each power transmitting element T i . An M×M matrix representing the signal passing through element T i1 . “S RR ” is a signal that is reflected to each power receiving element R j when a signal is output from each power receiving element R j , or a signal that passes through another power receiving element R j1 when a signal is output from each power receiving element R j It is an N×N matrix representing the signal. “S TR ” is an M×N matrix representing the signals that pass through the N power receiving elements R j when the signals are output from the M power transmitting elements T i . “S RT ” is an N×M matrix representing the signals that pass through the M power transmitting elements T i when the signals are output from the N power receiving elements R j .
第2演算処理要素120は、第1演算処理要素110により定められた4つの行列STT,SRR,STR,SRTに基づき、M個の送電素子TiからN個の受電素子Rjに対する電力伝送効率ηが、各送電素子Tiへの入射波aTi、各受電素子Rjへの入射波aRj、各送電素子Tiによる反射波bTiおよび各受電素子Rjによる反射波bRjを用いて関係式(3)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(4)で表わされる固有値問題の解としてM+N個の固有値λおよび最大固有値λmaxを求める。
Based on the four matrices S TT , S RR , S TR , and S RT determined by the
関係式(3)により表現される電力伝送効率ηは一般化されたレイリー商であり、最大値ηmaxを有する。 The power transfer efficiency η expressed by relation (3) is the generalized Rayleigh quotient and has a maximum value η max .
第3演算処理要素130は、第1演算処理要素110に対して出力される使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子をさまざまに変更することにより、第2演算処理要素120により求められた最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするような指定因子の解を探索する。
The third
ここで、図2に示されているように、一の平面に含まれる円環状の2つの受電素子R1およびR2のそれぞれと、当該一の平面に対して平行な他の平面に含まれる円環状の2つの送電素子T1およびT2のそれぞれとが対向して配置されている状況を一例として考察する。送電素子T1およびT2のそれぞれの中心の間隔、ならびに、受電素子R1およびR2のそれぞれの中心間隔はともに10mに設定された。送電素子T1およびT2、ならびに、受電素子R1およびR2のそれぞれの周長は、周波数f=2MHzの電磁波の0.1波長(~15m)に設定された。 Here, as shown in FIG. 2, two annular power receiving elements R 1 and R 2 included in one plane and another plane parallel to the one plane include Consider, as an example, a situation in which two annular transmitting elements T 1 and T 2 are arranged facing each other. The distance between the centers of the power transmitting elements T 1 and T 2 and the distance between the centers of the power receiving elements R 1 and R 2 were both set to 10 m. The perimeter of each of the power transmitting elements T 1 and T 2 and the power receiving elements R 1 and R 2 was set to 0.1 wavelength (˜15 m) of the electromagnetic wave with the frequency f=2 MHz.
この場合、散乱行列Sは電磁界解析シミュレータにより関係式(12)のように正確に算出される。 In this case, the scattering matrix S is accurately calculated by the electromagnetic field analysis simulator as shown in relational expression (12).
ここで、散乱行列Sの各要素は|sij|arg(sij)の形で複素表現されており、例えばS11について「8.48‥E-01」が複素数の絶対値|sij|に相当し、「∠-179.561」が偏角arg|sij|に相当する。 Here, each element of the scattering matrix S is expressed in a complex form |s ij | arg (s ij ) . and "∠−179.561" corresponds to the argument arg|s ij |.
また[Z]行列のデータは式(11)を用いて(13)の[S]行列から計算することができる。更に上記図2に示すモデルの[S]行列データは4ポートネットワークアナライザーを用いて測定から取得も可能である。測定器及び大半の電磁界解析シミュレータが[S]行列に関するデータをしか提供していない観点から、[S]行列を用いた効率の計算がより簡潔的に尚且つ実用的なものと考えられる。 The [Z] matrix data can also be calculated from the [S] matrix of (13) using equation (11). Furthermore, the [S] matrix data of the model shown in FIG. 2 above can also be obtained from measurements using a 4-port network analyzer. In view of the fact that measuring instruments and most electromagnetic field analysis simulators only provide data on the [S] matrix, efficiency calculations using the [S] matrix are considered more concise and practical.
(機能(第2実施形態))
前記構成の無線電力伝送システムによれば、第1実施形態と同様に、第3演算処理要素130による指定因子(受電素子Rjの位置pjおよび姿勢qj)の仮決定、第1演算処理要素110による4つの行列STT,SRR,STR,SRTの設定、および、第2演算処理要素120による最大固有値λmaxの導出が繰り返される。当該繰り返しの過程で最大固有値λmaxが徐々に増大するように指定因子の仮決定が繰り返される。
(Function (second embodiment))
According to the wireless power transmission system having the above configuration, as in the first embodiment, provisional determination of designation factors (position p j and orientation q j of power receiving element R j ) by third
前記のように、最大電力伝送効率ηmaxの最大化または閾値以上の値を実現する探索解としての受電素子Rjの位置pjが、第4実空間領域S4に包含されている場合、第3演算処理要素130により、設備の間取りを示す地図に重畳させて、当該設備のうち第4実空間領域S4にいけば、スマートホンXjに搭載されているバッテリの充電が円滑に行われる旨のメッセージを含む指定情報が生成される。サーバ100の通信装置104により、指定情報がスマートホンXjに送信され、これに応じて当該スマートホンXjの出力装置(ディスプレイ装置)に図4に示されているように当該メッセージが表示される。これにより、スマートホンXjのユーザを、第4実空間領域S4に配置されている席に誘導することが可能になる。
As described above, when the position p j of the power receiving element R j as a search solution that maximizes the maximum power transmission efficiency η max or achieves a value equal to or greater than the threshold is included in the fourth real space region S 4 , The third
(本発明の他の実施形態)
前記実施形態では、指定因子として受電素子Rjの位置pjおよび姿勢qjが繰り返し変更されることにより、電力伝送効率ηの最大値ηmaxを実現するまたは閾値以上の値を実現するような解が探索されたが、その他の因子が未知の指定因子としてその解が探索されてもよい。
(Another embodiment of the present invention)
In the above-described embodiment, the position p j and the orientation q j of the power receiving element R j are repeatedly changed as the designated factors, thereby realizing the maximum value η max of the power transmission efficiency η or achieving a value equal to or greater than the threshold value. A solution has been searched, but other factors may be searched for as unknown specified factors.
例えば、各送電素子Tiの電流Iiおよび電圧Viが指定因子として未知であり、その他の因子(送受信に用いられる信号(電磁波)の周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、スマートホンXjが有する受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+M、姿勢qj+M、電流Ij+Mおよび電圧Vj+M)が既知である状態で、電力伝送効率ηの最大値ηmaxを実現するまたは閾値以上の値を実現するような解が探索されてもよい。 For example, the current I i and the voltage V i of each power transmission element T i are unknown as the designated factors, and other factors (the frequency f of the signal (electromagnetic wave) used for transmission and reception, the shape characteristic factor c i of each power transmission element T i , position p i and orientation q i , and shape characteristic factor c j+M , position p j+M , orientation q j+M , current I j+M and voltage V of power receiving element R j of smart phone X j j+M ) is known, a solution that achieves the maximum value η max of the power transfer efficiency η or achieves a value above the threshold may be searched.
100‥サーバ、102‥記憶装置、104‥通信装置、110‥第1演算処理要素、120‥第2演算処理要素、130‥第3演算処理要素、Rj‥受電素子、Ti‥送信素子、Xj‥スマートホン(端末装置)。
100
Claims (6)
使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mに基づき、各送電素子Tiの自己インピーダンスを表わすM×Mの自己インピーダンス行列ZTTと、各受電素子Rjの自己インピーダンスを表わすN×Nの自己インピーダンス行列ZRRと、前記M個の送電素子Tiおよび前記N個の受電素子Rjの相互インピーダンスを表わすM×Nの相互インピーダンス行列ZTRと、前記N個の受電素子Rjおよび前記M個の送電素子Tiの相互インピーダンスを表わすN×Mの相互インピーダンス行列ZRTと、を定める第1演算処理要素と、
前記第1演算処理要素により定められた4つのインピーダンス行列ZTT,ZRR,ZTR,ZRTに基づき、前記M個の送電素子から前記N個の受電素子に対する電力伝送効率ηが、関係式(1)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(2)で表わされる固有値問題の解としてM+N個の固有値λおよび最大固有値λmaxを求める第2演算処理要素と、
前記第1演算処理要素に対して出力される前記使用周波数f、前記各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、前記各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子をさまざまに変更することにより、前記第2演算処理要素により求められた最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするような前記指定因子の解を探索する第3演算処理要素と、を備えていることを特徴とする無線電力伝送システム。
Use frequency f, shape characteristic factor c i , position p i and attitude q i of each power transmitting element T i , and shape characteristic factor c j+M , position p j+M and attitude q j+ of each power receiving element R j M , an M×M self-impedance matrix Z TT representing the self-impedance of each power transmitting element T i , an N×N self-impedance matrix Z RR representing the self-impedance of each power receiving element R j , and the M An M×N mutual impedance matrix Z TR representing the mutual impedance of the power transmitting element T i and the N power receiving elements R j and the mutual impedance of the N power receiving elements R j and the M power transmitting elements T i are a first processing element that defines an N×M transimpedance matrix Z RT that represents
Based on the four impedance matrices Z TT , Z RR , Z TR , and Z RT determined by the first arithmetic processing element, the power transmission efficiency η from the M power transmitting elements to the N power receiving elements is expressed by the relational expression a second processing element that obtains M+N eigenvalues λ and the maximum eigenvalue λ max as a solution to the eigenvalue problem represented by the relational expression (2) according to the model defined as the Rayleigh quotient represented by (1);
The working frequency f output to the first arithmetic processing element, the shape characteristic factor c i , the position p i and the attitude q i of each of the power transmitting elements T i , and the shape characteristic factor of each of the power receiving elements R j maximizing the maximum eigenvalue λ max obtained by the second arithmetic processing element by varying the unknown specified factors among c j+M , position p j+M and attitude q j+M or a third arithmetic processing element that searches for a solution of the specified factor that makes the specified factor equal to or higher than the threshold.
前記第3演算処理要素が、前記指定因子として、前記N個の受電素子Rjのうち少なくとも1つの受電素子Ruの位置pu+Mおよび姿勢qu+Mのうち少なくとも一方を前記指定因子として前記解を探索することを特徴とする無線電力伝送システム。 In the wireless power transmission system according to claim 1,
The third arithmetic processing element sets at least one of a position p u +M and an orientation q u+M of at least one power receiving element Ru among the N power receiving elements R j as the specifying factor. A wireless power transmission system, wherein the solution is searched for as
前記第3演算処理要素により探索された解に関する指定情報を、前記少なくとも1つの受電素子Ruを構成要素とする端末装置に対して送信する通信装置をさらに備えていることを特徴とする無線電力伝送システム。 In the wireless power transmission system according to claim 2,
Wireless power, further comprising a communication device that transmits specification information about the solution searched by the third arithmetic processing element to a terminal device that includes the at least one power receiving element Ru as a component transmission system.
前記第3演算処理要素が、前記指定因子として、前記少なくとも1つの受電素子Ruの位置pu+Mを前記指定因子として前記解を探索し、相互に区分されている複数の実空間領域のうち、前記解としての前記少なくとも1つの受電素子Ruの位置pu+Mが含まれる一の実空間領域を示す情報を前記指定情報として生成することを特徴とする無線電力伝送システム。 In the wireless power transmission system according to claim 3,
The third arithmetic processing element searches for the solution using the position p u +M of the at least one power receiving element Ru as the specifying factor, and searches for the solution using a plurality of real space regions separated from each other. A wireless power transmission system, wherein information indicating one real space region including the position p u +M of the at least one power receiving element Ru as the solution is generated as the designation information.
前記第3演算処理要素が、前記第2演算処理要素により求められた最大固有値に対応する固有ベクトルにより表わされる、前記各送電素子Tiおよび前記各受電素子Rjのいずれかの電流が所定の範囲から逸脱している場合、当該最大固有値に対応する前記指定因子を前記解から除外することを特徴とする無線電力伝送システム。 In the wireless power transmission system according to any one of claims 1 to 4,
The current of either the power transmitting element T i or the power receiving element R j represented by the eigenvector corresponding to the maximum eigenvalue obtained by the second processing element is within a predetermined range. , the specified factor corresponding to the maximum eigenvalue is excluded from the solution.
使用周波数f、各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mに基づき、各送電素子Tiから信号を出力した際に各送電素子Tiに反射する信号、または各送電素子Tiから信号を出力した際に他の送電素子Ti1に通過する信号を表わすM×Mの行列STTと、各受電素子Rjから信号を出力した際に各受電素子Rjに反射する信号、または各受電素子Rjから信号を出力した際に他の受電素子Rj1に通過する信号を表わすN×Nの行列SRRと、M個の送電素子Tiから信号を出力した際にN個の受電素子Rjに通過する信号を表わすM×Nの行列STRと、N個の受電素子Rjから信号を出力した際にM個の送電素子Tiに通過する信号を表わすN×Mの行列SRTと、を定める第1演算処理要素と、
前記第1演算処理要素により定められた4つの行列STT,SRR,STR,SRTに基づき、前記M個の送電素子から前記N個の受電素子に対する電力伝送効率ηが、各送電素子Tiへの入射波aTi、各受電素子Rjへの入射波aRj、各送電素子Tiによる反射波bTiおよび各受電素子Rjによる反射波bRjを用いて関係式(3)で表わされるレイリー商として定義されているモデルにしたがって、関係式(4)で表わされる固有値問題の解としてM+N個の固有値λおよび最大固有値λmaxを求める第2演算処理要素と、
前記第1演算処理要素に対して出力される前記使用周波数f、前記各送電素子Tiの形状特性因子ci、位置piおよび姿勢qi、ならびに、前記各受電素子Rjの形状特性因子cj+M、位置pj+Mおよび姿勢qj+Mのうち、未知である指定因子をさまざまに変更することにより、前記第2演算処理要素により求められた最大固有値λmaxを最大化するまたは閾値以上にするような前記指定因子の解を探索する第3演算処理要素と、を備えていることを特徴とする無線電力伝送システム。
Use frequency f, shape characteristic factor c i , position p i and attitude q i of each power transmitting element T i , and shape characteristic factor c j+M , position p j+M and attitude q j+ of each power receiving element R j Based on M , a signal reflected by each power transmitting element T i when a signal is output from each power transmitting element T i or a signal passing through another power transmitting element T i1 when a signal is output from each power transmitting element T i and a signal reflected by each power receiving element R j when a signal is output from each power receiving element R j , or another power receiving element R when a signal is output from each power receiving element R j An N×N matrix S RR representing signals passing through j1 and an M×N matrix S TR representing signals passing through N receiving elements R j when signals are output from M transmitting elements T i and an N×M matrix S RT representing the signals that pass through the M power transmitting elements T i when the signals are output from the N power receiving elements R j ;
Based on the four matrices S TT , S RR , S TR , and S RT determined by the first arithmetic processing element, the power transmission efficiency η from the M power transmitting elements to the N power receiving elements is determined by each power transmitting element. Using the incident wave a Ti to Ti , the incident wave a Rj to each power receiving element R j , the reflected wave b Ti by each power transmitting element Ti, and the reflected wave b Rj by each power receiving element R j , the relational expression (3) a second processing element that obtains M+N eigenvalues λ and the maximum eigenvalue λ max as a solution of the eigenvalue problem represented by the relational expression (4) according to the model defined as the Rayleigh quotient represented by
The working frequency f output to the first arithmetic processing element, the shape characteristic factor c i , the position p i and the attitude q i of each of the power transmitting elements T i , and the shape characteristic factor of each of the power receiving elements R j maximizing the maximum eigenvalue λ max obtained by the second arithmetic processing element by varying the unknown specified factors among c j+M , position p j+M and attitude q j+M or a third arithmetic processing element that searches for a solution of the specified factor that makes the specified factor equal to or higher than the threshold.
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