特許 5936622 複数レシーバへのワイヤレス電力伝送

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5936622

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】複数レシーバへのワイヤレス電力伝送

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20160609BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/40

【請求項の数】26

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-547595(P2013-547595)

(86)(22)【出願日】2011年12月23日

(65)【公表番号】特表2014-501488(P2014-501488A)

(43)【公表日】2014年1月20日

(86)【国際出願番号】US2011067207

(87)【国際公開番号】WO2012092205

(87)【国際公開日】20120705

【審査請求日】2014年12月22日

(31)【優先権主張番号】61/428,135

(32)【優先日】2010年12月29日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/330,891

(32)【優先日】2011年12月20日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/428,109

(32)【優先日】2010年12月29日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390020248

【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【上記1名の代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】ジャンパオロ リーシ

(72)【発明者】

【氏名】ジェラルド ジー ソッチ

(72)【発明者】

【氏名】アリ ジャバーリ

(72)【発明者】

【氏名】アリ キアエイ

(72)【発明者】

【氏名】アフマド アール エス バハイ

(72)【発明者】

【氏名】ジェフェリー エイ モローニ

【審査官】 松尾 俊介

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／１１６４４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１４１９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０６３２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−００９５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００３６７７３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／１２ − ５０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

方法であって、
ソースからワイヤレスでエネルギー伝送を受信するように構成される第１のレシーバにおいて、
カウンタを初期化すること、及び増分カウントを開始すること、
前記カウンタが増分されている一方で、
前記第１のレシーバが、別のレシーバが前記ソースからのエネルギー伝送の受信を開始していると判定した場合、前記カウンタを初期化及び再開すること、
前記第１のレシーバが、別のレシーバが前記ソースからのエネルギー伝送の受信を停止していると判定した場合、前記カウントの前記増分を終了すること、
そうでない場合、前記カウンタが予め定義された終了値に到達したとき、前記カウントの前記増分を終了すること、
ランダム又は擬似ランダム期間待機すること、及び
前記第１のレシーバが、前記待機期間中に、いかなる他のレシーバも前記ソースからのエネルギー伝送の受信を開始しなかったと判定した場合、前記第１のレシーバに前記ソースからのエネルギー伝送の受信を開始させること、
を含む方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、
前記第１のレシーバが、予め定義された充電期間の終わりに前記ソースからのエネルギー伝送の前記受信を停止する、方法。

【請求項3】

請求項２に記載の方法であって、
トランスミッタ及び少なくとも１つのレシーバを備えるワイヤレス電力伝送システム内の前記第１のレシーバを含み、前記第１のレシーバが前記少なくとも１つのレシーバの１つであり、更に前記第１のレシーバを前記トランスミッタに磁気的に結合すること、前記第１のレシーバが電力伝送の受信を開始及び停止するときを検出するように前記トランスミッタを構成することを含む、方法。

【請求項4】

請求項３に記載の方法であって、
前記少なくとも１つのレシーバが第２のレシーバを更に含み、前記トランスミッタが、前記トランスミッタ内の電力伝送コイルの電圧の減少又は増加をそれぞれ検出することによって、前記第１のレシーバ又は前記第２のレシーバの１つが電力伝送の受信を開始又は停止するときを検出する、方法。

【請求項5】

請求項４に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、
前記検出からの情報から平均アイドル電圧を判定し、
前記平均アイドルの電圧がアイドルしきい値と交差する場合、前記トランスミッタ回路の少なくとも一部をオフにする、方法。

【請求項6】

請求項５に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、前記平均アイドル電圧が超過しきい値と交差する場合、金属性物体が前記トランスミッタに近接していると判定する、方法。

【請求項7】

請求項４に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、
前記検出からの情報からアイドル電圧範囲を判定し、
前記アイドル電圧の範囲の少なくとも一方の限界がアイドルしきい値と交差する場合、前記トランスミッタ回路の少なくとも一部をオフにする、方法。

【請求項8】

請求項７に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、前記アイドル電圧の範囲の少なくとも一方の限界が超過しきい値と交差する場合、金属性物体が前記トランスミッタに近接していると判定する、方法。

【請求項9】

各々が電力伝送コイルを含む複数のレシーバに対する磁気結合を介する、電力伝送コイルを有する共振回路を含むトランスミッタからのワイヤレス電力伝送に適切な方法であって、適応的タイムシェア発見的方法に基づいてソースからワイヤレスにエネルギーの伝送を受信するように構成される第１のレシーバにおいて利用可能な前記方法が、
所定の持続時間を有するエネルギー伝送検出期間を初期化することと、
前記第１のレシーバが、前記レシーバの電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバが前記トランスミッタからのエネルギーの伝送の受信を開始していると判定する場合に、前記エネルギー伝送検出期間を最初期化することと、
予め定義された持続時間が終了し、前記第１のレシーバが、前記レシーバの電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバが前記トランスミッタからの電力伝送の受信を開始していると判定しない場合に、又は、前記レシーバが、前記レシーバの電力伝送コイルのコイル電圧における増加に基づいて別のレシーバが前記トランスミッタからの電力伝送の受信を停止資すると判定する場合に、電力伝送検出期間の終わりを判定することと、
前記電力伝送検出期間の終わりに、ランダム又は疑似ランダム持続時間で待機期間を開始することと、
前記待機期間の終わりに、前記第１のレシーバが、前記待機期間の間に、どのレシーバも前記トランスミッタからのエネルギーの伝送の受信を開始していないと判定する場合に、前記第１のレシーバが前記トランスミッタからのエネルギーの伝送の受信を開始することと、
を含む、方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法であって、
前記第１のレシーバが予め定義された充電期間の終わりに前記トランスミッタからのエネルギーの伝送の受信を停止することを更に含む、方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、前記第１のレシーバがエネルギーの伝送の受信を開始する又は停止するときを検出するように構成される、方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、前記トランスミッタの電力伝送コイルのコイル電圧の減少又は増加をそれぞれ検出することにより前記第１のレシーバがエネルギーの伝送の受信を開始又は停止するときを検出するように構成される、方法。

【請求項13】

請求項１１に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、平均アイドル電圧がアイドル電圧閾値と交差することを判定すること、又は少なくとも１つのアイドル電圧範囲の限度がアイドル閾値と交差することを判定することの何れかに基づいて前記トランスミッタ内の少なくとも一部の回路をオフするように構成される、方法。

【請求項14】

請求項１１に記載の方法であって、
前記トランスミッタが、平均アイドル電圧がアイドル電圧閾値と交差することを判定するか、又は少なくとも１つのアイドル電圧範囲の限度がアイドル閾値と交差することを判定することの何れかに基づいて金属性物体が前記トランスミッタに近接しているかを判定するように構成され、前記トランスミッタが、前記平均アイドル電圧が超過閾値と交差する場合に金属性物体が前記トランスミッタに近接していると判定する、方法。

【請求項15】

複数のレシーバ回路に対するワイヤレス電力伝送に適切なトランスミッタ回路であって、前記複数のレシーバ回路の各々が前記トランスミッタ回路からワイヤレスに電力伝送を受信するように構成され、
前記トランスミッタ回路が、
交流（ＡＣ）電源と、
電力伝送コイルを含み、前記ＡＣ電源から電力を受け取るように構成される共振回路と、
を含み、
前記トランスミッタ回路が、前記複数のレシーバ回路に対する磁気結合を介して電力を送信するために前記電力伝送コイルからの磁界を発生するように構成され、
各レシーバ回路が、電力伝送コイルを含み、適応的タイムシェア発見的方法に基づいて電力伝送を受信するように構成され、
前記適応的タイムシェア発見的方法が、
予め定義された持続時間を有する電力伝送検出期間を初期化することと、
前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバ回路が前記トランスミッタ回路からの電力伝送を受信していると判定する場合に、前記電力伝送検出期間を再初期化することと、
予め定義された持続時間が終了し、前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバ回路が電力伝送を受信していると判定しない場合に、又は、前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における増加に基づいて別のレシーバ回路が電力伝送の受信を停止すると判定する場合に、前記電力伝送検出期間の終わりを判定することと、
前記電力伝送検出期間の終わりに、ランダム又は疑似ランダム持続時間を有する待機期間を開始することと、
前記待機期間の終わりに、前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバ回路が前記トランスミッタ回路から電力伝送を受信していると判定しない場合に、前記レシーバ回路の電力伝送コイルを介しての前記トランスミッタ回路の電力伝送コイルからの磁気結合に基づいて前記レシーバ回路への電力伝送を開始することと、
を含む、トランスミッタ回路。

【請求項16】

請求項１５に記載のトランスミッタ回路であって、
前記レシーバ回路が、予め定義された充電期間の後に前記トランスミッタ回路からの電力伝送を終了するように構成される、トランスミッタ回路。

【請求項17】

請求項１６に記載のトランスミッタ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、前記レシーバ回路が電力伝送を開始し、終了するときを検出するように構成される、トランスミッタ回路。

【請求項18】

請求項１６に記載のトランスミッタ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、前記トランスミッタ回路の電力伝送コイルのコイル電圧の減少又は増加をそれぞれ検出することにより、前記レシーバ回路が電力伝送を開始する又は終了するときを検出するように更に構成される、トランスミッタ回路。

【請求項19】

請求項１７に記載のトランスミッタ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、平均アイドル電圧がアイドル電圧閾値と交差することを判定すること、又は、少なくとも１つのアイドル電圧範囲の限度がアイドル閾値と交差することを判定することの何れかに基づいて、前記トランスミッタ回路内の少なくとも一部の回路をオフするように更に構成される、トランスミッタ回路。

【請求項20】

請求項１７に記載のトランスミッタ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、平均アイドル電圧がアイドル電圧閾値と交差することを判定すること、又は、少なくとも１つのアイドル電圧範囲の限度がアイドル閾値と交差することを判定することの何れかに基づいて、金属性物体が前記トランスミッタ回路に対して近接しているかを判定するように更に構成される、トランスミッタ回路。

【請求項21】

トランスミッタ回路と複数のレシーバ回路とを含むワイヤレス電力伝送システムでの使用に適切なレシーバ回路であって、前記トランスミッタ回路が、電力伝送コイルを有する共振回路を含み、磁気結合を介して電力を送信するために磁界を発生するように構成され、前記レシーバ回路が、
電力伝送コイルと、
適応的タイムシェア発見的方法に基づいて前記電力伝送コイルを介して電力伝送を受信するように構成される電力伝送回路要素と、
を含み、
前記適応的タイムシェア発見的方法が、
予め定義された持続時間を有する電力伝送検出期間を初期化することと、
前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバ回路が前記トランスミッタ回路からの電力伝送を受信していることを判定する場合に、前記電力伝送検出期間を再初期化することと、
予め定義された持続時間が終了し、前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバ回路が電力伝送を受信していることを判定しない場合に、又は、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における増加に基づいて別のレシーバ回路が電力伝送の受信を停止することを判定する場合に、前記電力伝送検出期間の終わりを判定することと、
前記電力伝送検出期間の終わりに、ランダム又は疑似ランダム持続時間を有する待機期間を開始することと、
前記待機期間の終わりに、前記レシーバ回路が、前記レシーバ回路の電力伝送コイルのコイル電圧における減少に基づいて別のレシーバ回路が前記トランスミッタ回路から電力伝送を受信していることを判定しない場合に、前記レシーバ回路の電力伝送コイルを介して前記トランスミッタ回路の電力伝送コイルからの磁気結合に基づいて前記レシーバ回路への電力伝送を開始することと、
を含む、レシーバ回路。

【請求項22】

請求項２１に記載のレシーバ回路であって、
前記レシーバ回路が、予め定義された持続時間の後に前記トランスミッタ回路からの電力伝送を終了するように構成される、レシーバ回路。

【請求項23】

請求項２２に記載のレシーバ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、前記レシーバ回路が電力伝送を開始し、終了するときを検出するように構成される、レシーバ回路。

【請求項24】

請求項２３に記載のレシーバ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、前記トランスミッタ回路の電力伝送コイルのコイル電圧の減少又は増加をそれぞれ検出することにより、前記レシーバ回路が電力伝送を開始する又は終了するときを検出するように更に構成される、レシーバ回路。

【請求項25】

請求項２３に記載のレシーバ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、平均アイドル電圧がアイドル電圧閾値と交差することを判定すること、又は、少なくとも１つのアイドル電圧範囲の限度がアイドル閾値と交差することを判定することの何れかに基づいて、前記トランスミッタ回路内の少なくとも一部の回路をオフするように更に構成される、レシーバ回路。

【請求項26】

請求項２３に記載のレシーバ回路であって、
前記トランスミッタ回路が、平均アイドル電圧がアイドル電圧閾値と交差することを判定すること、又は、少なくとも１つのアイドル電圧範囲の限度がアイドル閾値と交差することを判定することの何れかに基づいて、金属性物体が前記トランスミッタ回路に対して近接しているかを判定するように更に構成される、レシーバ回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ワイヤレス電力伝送のための装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ワイヤレス電力伝送は、電力送達デバイス（トランスミッタ）内の誘導性構成要素から電力受信デバイス（レシーバ）内の誘導性構成要素にエネルギーを結合することによって達成され得る。代替として、容量性構成要素が結合され得る。

【発明の概要】

【0003】

ワイヤレス電力伝送システムが複数のレシーバを含み得る。共振システムにおいて、電力伝送のためにトランスミッタに結合されるレシーバが多いほど、トランスミッタ電力伝送コイルにおける磁界強度が減少する。磁界強度が減少すると、伝送に用い得る電力が減少する。したがって、或るトランスミッタに複数のレシーバを結合することにより、伝送に用い得る電力をレシーバが必要とする最低レベルよりも減少させてしまう可能性がある。したがって、各レシーバが適切な電力を受信し得るように、複数のレシーバへの電力伝送を管理することが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【0004】

【図1】例示のワイヤレス電力伝送システムを示す。

【0005】

【図2】結合された電力伝送コイルの例示の回路モデルを示す。

【0006】

【図3】結合された電力伝送コイルのインピーダンスマッチングのための例示の回路を示す。

【0007】

【図4】結合された電力伝送コイルの別の例示の回路モデルを示す。

【0008】

【図5】結合された電力伝送コイルのインピーダンスマッチングのための別の例示の回路を示す。

【0009】

【図6】複数のレシーバを用いる例示のワイヤレス電力伝送システムを示す。

【0010】

【図7】複数のレシーバを用い、通信リンク及びパワートラッカーを含む、例示のワイヤレス電力伝送システムを示す。

【0011】

【図8】例示のワイヤレス電力伝送システムを示す。

【0012】

【図9】例示のワイヤレス電力伝送システムの例示の等価回路表現を示す。

【0013】

【図10】ワイヤレス電力伝送レシーバにおける例示の負荷電流の制御を示す。

【0014】

【図11】レシーバ自己管理に関する例示のフローチャートを示す。

【0015】

【図12】レシーバ自己管理に関する別の例示のフローチャートを示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

電力伝送コイルとも呼ばれる誘導性電力伝送構成要素を用いるワイヤレス電力伝送システムの場合、電力は、トランスミッタとレシーバ電力伝送コイルとの間の磁気結合を介して伝送される。幾つかの実装において、電力送達を最大にするために共振回路がトランスミッタ内で用いられ得るか、又は、電力受信を最大にするために共振回路がレシーバ内で用いられ得る。幾つかの実装において、デュアル共振システムが、トランスミッタ及びレシーバの両方内に共振回路を含む。デュアル共振システムにおける電力伝送は、トランスミッタ及びレシーバが同じ周波数で共振するとき最も効率的である。共振回路は、以下で説明するインピーダンスマッチングを介して達成され得る。

【0017】

幾つかの共振回路が高い品質係数（Ｑ値）を有し、結果として、共振周波数付近の狭い帯域幅内で効率的に、他の周波数では大幅に少なく、エネルギーを送達する能力が生じる。

【0018】

レシーバが共振又は共振付近で動作する共振トランスミッタに磁気的に結合される場合、トランスミッタ共振回路の有効Ｑ値はレシーバ負荷によって低減され、それに応じて、トランスミッタ電力伝送コイルによって生成される磁界強度が減少する。したがって、トランスミッタが電力を伝送する能力は減少する。共振トランスミッタ回路は、しばしば、高強度磁界を生成するように設計される。高強度磁界は、電力伝送コイルを介する高電流を用いることによって生成され得る。高強度磁界は、Ｑ値の高いトランスミッタ共振回路を設計及び維持することによっても達成される。

【0019】

しかしながら、たとえ未結合の磁界強度が非常に強い場合であっても、複数の結合されたレシーバの影響によって、効率的な電力伝送にとって導電性でないレベルまで磁界強度を低下させることになる。したがって、複数のレシーバに対する効率的な電力伝送を可能にするためのレシーバ管理が必要となり得る。

【0020】

レシーバ管理は、例えば共振周波数の異なるレシーバを設計するなどの設計によって達成され得る。オペレーションにおいて、複数のレシーバの影響を最小限にするため、異なる周波数の複数のレシーバのそれぞれを強く結合するように、トランスミッタ周波数は異なる周波数にわたって掃引されるか又はステッピングされる。周波数の掃引又はステッピングは更に、内部でレシーバの共振周波数が、経年変化や応力などによってドリフトするレシーバを、効率的に結合する働きもする。

【0021】

レシーバ管理は、レシーバによる自己管理を介して動的に達成され得る。一例において、レシーバは、レシーバが磁界に与える影響を制限するためにその電流ドローを制限する。別の例において、レシーバは、他のレシーバもトランスミッタに結合されるときを識別し、それに応じてトランスミッタからの電力伝送を受け入れる時間を制限し、結果としてレシーバのタイムシェアリングが生じる。レシーバがタイムシェアリング中に電力伝送の受け入れを開始及び停止する際の磁界における変化は、トランスミッタによって検出され得、トランスミッタはこの知識を用いて、レシーバが存在しないとき磁界の生成を停止するか又は生成される磁界を減少させる。磁界における変化を監視することからトランスミッタによって得られる知識は、金属性物体がトランスミッタに近接し、それに応じて反応するときを識別するためにも用いられ得る。

【0022】

図１は、トランスミッタ１１０及びレシーバ１２０を備える例示のワイヤレス電力伝送システム１００を示す。トランスミッタ１１０は、インダクタンスＬ１を有するコイル１３０を含む。レシーバ１２０は、インダクタンスＬ２を有するコイル１４０を含む。コイル１３０及び１４０は、電力伝送コイル間の磁気結合の尺度である結合係数ｋを用いて結合される。結合係数は、少なくとも部分的に、トランスミッタとレシーバとの間の距離及びレシーバに対するトランスミッタの相対的な向きの関数である。電力伝送コイル間の結合係数が減少するとき、それに応じてコイル間で伝送される電力が減少する。結合されたコイル１３０と１４０との間に、少なくとも部分的に結合係数ｋ並びにインダクタンスＬ１及びＬ２の関数として、相互インダクタンスＭが確立される。

【0023】

レシーバは、携帯電話、コンピュータ、又はＧＰＳデバイスなどのワイヤレス充電可能なデバイスであり得る。代替として、レシーバはワイヤレス電源供給されるデバイスであり得る。

【0024】

図２は、図１に示したシステム１００におけるコイルに関する第１の等価電気モデル２００を示す。インダクタ２１０、２２０、及び２４０は、理想トランスフォーマ２３０と共に、図１におけるコイル１３０及び１４０の結合の効果をモデル化する。モデル化されたインダクタ２１０、２２０、及び２４０は、それぞれ式１、２、及び３に示すインダクタンスを有する。
Ｌ_ｋｌ＝（１−ｋ）・Ｌ１ （１）
Ｌ_Ｍ＝ｋ・Ｌ１ （２）
Ｌ_ｋ２＝（１−ｋ）・Ｌ２ （３）

【0025】

図２の等価回路における理想トランスフォーマ２３０は、１：ｎの巻き数比を有するものとして示されており、ここでｎは式４に定義されている。

【数1】

結合係数ｋは式５に定義されている。

【数2】

【0026】

しばしば、エネルギー伝送能力を向上させることが望ましい。例えば、ワイヤレス充電可能なデバイスの充電をより高速にするために、電力伝送レベルを上げることが望ましい場合がある。別の例では、結合係数ｋの低い値を補償することが望ましい場合がある。電力伝送は、トランスミッタコイルにおける電圧を増大させることによって増大され得る。トランスミッタコイルの電圧を増大させる１つの方法は、トランスミッタ電源出力の電圧を増大させることである。トランスミッタコイルにおける電圧を増大させる別の方法は、トランスミッタを共振周波数で動作させることである。加えて、Ｑ値がより高い共振回路は、コイルにおいて一層高い電圧を提供する。

【0027】

電力伝送及び電力伝送効率を増大させることは、トランスミッタ電源によって見られる電気的負荷が純粋に抵抗性を示す場合に達成され得る。システムの反応性構成要素は、抵抗性負荷を提供するためにインピーダンスマッチングされていなければならない。図２において、効率的な回路モデル２００における反応性構成要素は、理想トランスフォーマ２３０並びにインダクタ２１０、２２０、及び２４０である。したがって、図２のモデルに対し純粋に抵抗性の負荷を提供するためには、トランスフォーマ及びコイルをマッチングするためのインピーダンスマッチング回路構成要素を追加しなければならない。

【0028】

図３は、図２の回路モデル２００のための例示のインピーダンスマッチング回路を示す。トランスミッタ側では、電源３１０がω＝２πｆで表される周波数ｆを有する。またトランスミッタ側では、キャパシタＣ１ａが式６で与えられるようなキャパシタンスを有し、キャパシタＣＭが式７で与えられるようなキャパシタンスを有する。レシーバ側では、キャパシタＣ２ａが式８で与えられるようなキャパシタンスを有する。

【数3】

【数4】

【0029】

周波数ω＝２πｆの場合、キャパシタＣ１ａのキャパシタンスはモデル２００インダクタＬｋ１のインダクタンスと大きさが等しく、キャパシタＣＭのキャパシタンスはインダクタＬＭのインダクタンスと大きさが等しく、キャパシタＣ２ａのキャパシタンスはインダクタＬｋ２のインダクタンスと大きさが等しい。したがって、周波数ω＝２πｆで、各キャパシタのリアクタンスの虚部は、その対応するインダクタのリアクタンスの虚部を打ち消し、図３の回路は周波数ω＝２πｆについてインピーダンスマッチングされる。理想的なケースにおいて、システムは電源に対して純粋な抵抗性負荷と見られ、電力伝送を向上させることができる。インピーダンスマッチングは、既知の動作周波数に関する設計段階で、又はシステム条件を変更するためのオペレーション中に、行われ得る。例えば、ＣＭ、Ｃ１ａ、及びＣ２ａの少なくとも１つは、システム条件を変更するためのオペレーション中にインピーダンスマッチングの調整を可能にするために、可変キャパシタとして実装され得る。可変キャパシタ又は他の可変構成要素は、関連付けられた共振回路の共振周波数を調節することも可能である。

【0030】

キャパシタＣＭは、図３のトランスミッタ側に示されている。しかしながら代替として、キャパシタＣＭはレシーバ側に配置することも可能である。

【0031】

図２に示したようなモデル２００は、ワイヤレス電力伝送システムにおけるトランスミッタコイルとレシーバコイルとの間の相互作用に関する１つの等価電気モデルを提供する。代わりに他のモデルも用いられ得る。

【0032】

図４は、図１に示したシステム１００におけるコイルに関する第２の等価電気モデル４００を示す。インダクタ４１０、４２０、及び４４０は、理想トランスフォーマ４３０と共に、図１におけるコイル１３０及び１４０の結合の効果をモデル化する。モデル化されたインダクタ４１０、４２０、及び４４０は、それぞれ式９、１０、及び１１に示すインダクタンスを有する。理想トランスフォーマ４３０の巻き数ｎは、上記の式４で定義された通りである。結合されたコイル１３０と１４０との間の結合係数ｋは、上記の式５で定義された通りである。

【数5】

【数6】

【0033】

図５は、図４の回路モデル４００のための例示のインピーダンスマッチング回路を示す。トランスミッタ側では、電源５１０がω＝２πｆで表される周波数ｆを有する。またトランスミッタ側では、キャパシタＣ１ｂが式１２で与えられるようなキャパシタンスを有し、キャパシタＣＳが式１３で与えられるようなキャパシタンスを有する。レシーバ側では、キャパシタＣ２ｂが式１４で与えられるようなキャパシタンスを有する。

【数7】

【0034】

周波数ω＝２πｆでは、キャパシタＣ１ｂのキャパシタンスはモデル４００インダクタＬ_ｐ１のインダクタンスと大きさが等しく、キャパシタＣＳのキャパシタンスはインダクタＬ_Ｓのインダクタンスと大きさが等しく、キャパシタＣ２ｂのキャパシタンスはインダクタＬ_ｐ２のインダクタンスと大きさがに等しい。したがって、周波数ω＝２πｆで、各キャパシタのリアクタンスの虚部は、その対応するインダクタのリアクタンスの虚部を打ち消し、図５の回路は周波数ω＝２πｆについてインピーダンスマッチングされる。理想的なケースにおいて、システムは電源に対して純粋な抵抗性負荷と見られ、電力伝送を向上させることができる。インピーダンスマッチングは、既知の動作周波数に関する設計段階で、又はシステム条件を変更するためのオペレーション中に、行われ得る。例えば、ＣＳ、Ｃ１ｂ、及びＣ２ｂの少なくとも１つは、システム条件を変更するためのオペレーション中にインピーダンスマッチングの調整を可能にするために、可変キャパシタとして実装され得る。可変キャパシタ又は他の可変構成要素は、関連付けられた共振回路の共振周波数を調節することも可能である。

【0035】

キャパシタＣＳは、図５のトランスミッタ側に示されている。しかしながら代替として、キャパシタＣＳはレシーバ側に配置することも可能である。インピーダンスマッチングに関する他の回路トポロジも可能である。

【0036】

図６は、１つのトランスミッタ６１０とレシーバ６２０＿１から６２０＿ｎとして示される「ｎ」個のレシーバ６２０とを備える、例示のワイヤレス電力伝送システムを示す。トランスミッタ６１０は電力伝送コイル６３０を含む。各レシーバ６２０は、それぞれレシーバ６２０＿１、６２０＿２、及び６２０＿ｎに対応するコイル６４０＿１、６４０＿２、及び６４０＿ｎとして示される、電力伝送コイル６４０を含む。レシーバコイル６４０は、対応する結合係数及び相互インダクタンスを備えるトランスミッタコイル６３０に結合される。例えば、レシーバコイル６４０＿１は、結合係数ｋ１及び相互インダクタンスＭ１を備えるトランスミッタコイル６３０に結合される。

【0037】

電力伝送効率は、トランスミッタ及びレシーバの共振周波数が同じである場合に向上する。図６内のシステムなどのシステムは、トランスミッタ６１０とすべてのレシーバ６２０が同じ共振周波数を有するように設計され得る。しかしながら、このシステムはトランスミッタ６１０及びレシーバ６２０が異なる共振周波数を有するように設計されてもよい。またレシーバ６２０は、全体的なシステム設計とは無関係に設計され得るため、トランスミッタ６１０とは異なる共振周波数を有する可能性がある。したがってトランスミッタ６１０は、共振周波数が特定の周波数帯域内にある任意のレシーバ６２０がトランスミッタ６１０によって充電又は電力供給され得るように、レシーバに依存せず、且つ、その特定の周波数帯域全体にわたって電力を提供するように設計され得る。こうしたシステムでは、非共振レシーバが電力伝送を受信することもできる。

【0038】

トランスミッタ６１０は、複数のレシーバ６２０の共振周波数を判定し得る。その後、トランスミッタ６１０周波数は、複数のレシーバ６２０に順次に電力を伝送するように、一連のレシーバ６２０共振周波数を介してステッピングされ得る。代替として、トランスミッタ６１０周波数は、周波数の或る帯域全体にわたって掃引され得る。ステッピングシーケンス又は掃引シーケンスは、一様に増加する周波数又は減少する周波数を含み得る。例えば、レシーバの数及びそれらの共振周波数が未知である場合、トランスミッタは、トランスミッタの仕様に従い、或る周波数から開始して別の周波数へとステッピング及び掃引し得る。しかしながら、ステッピングシーケンス又は掃引シーケンスは一様に増加又は減少する必要はなく、代わりに、メモリ内に記憶されたシーケンスに従うか又はアルゴリズムに従って増加及び減少してもよく、定期的に又は時折中断されてもよい。例えば、１つのレシーバがオペレーション用の電力伝送を必要とする場合、トランスミッタは、レシーバに一様に電力ソースを提供するように、そのレシーバの共振周波数まで定期的にジャンプし得る。

【0039】

ステッピング及び掃引は、レシーバに並行して電力を伝送するために何回か反復され得るか、又は、各レシーバ又はレシーバのサブセットに対して全電力伝送が順次に実行されるように１回のみ実行され得る。例えば、レシーバがバッテリの再充電に使用される場合、ステッピングは、すべてのレシーバが完全に再充電されるまで、そのステップで電力伝送が発生していないとき除去されるステップで連続して反復され得る。

【0040】

トランスミッタ周波数は、トランスミッタ共振回路の共振周波数を調節することにより、共振回路の動作周波数を調節することにより、又は、トランスミッタの共振周波数及び動作周波数の両方を調節することにより、前述のように調節され得る。幾つかの実装において、トランスミッタの共振周波数及び動作周波数は、ほぼ同じであるように調整される。

【0041】

図７は、１つのトランスミッタ７１０とレシーバ７２０＿１から７２０＿ｎとして示される「ｎ」個のレシーバ７２０とを備える、図６のシステムと同様の例示のワイヤレス電力伝送システムを示す。図７のシステムは、レシーバ７２０＿１とトランスミッタ７１０との間の通信リンクＣｏｍ＿１、レシーバ７２０＿ｎとトランスミッタ７１０との間の通信リンクＣｏｍ＿ｎ、及びオプションのパワートラッカー７５０を更に含む。図７に示されるように、レシーバ７２０＿２はトランスミッタ７１０への通信リンクを有さず、通信リンクがオプションであることを示している。

【0042】

通信リンクは、有線リンク又は無線リンクであり得、情報交換のために標準の又は独自のプロトコルを用い得る。通信リンクは双方向性として示されているが、単向性であってもよい。通信リンクは、例えば、レシーバのタイプ及びその共振周波数を識別するために用いられ得る。

【0043】

各レシーバ７２０の共振周波数は、最大の電力伝送を提供する周波数を見つけるために、トランスミッタ７１０の共振周波数又は電源周波数を変化させることによって通信リンクを用いることなく判定され得る。最大の電力伝送は、例えば、トランスミッタ７１０内の電圧及び電流測定値から観察又は計算され得る。

【0044】

パワートラッカー７５０は、結合されたレシーバ７２０の共振周波数を判定するための回路であり、電気構成要素、ファームウェア、ソフトウェア、又は、電気構成要素、ファームウェア、及びソフトウェアの組み合わせを含み得る。パワートラッカー７５０は、トランスミッタ７１０での測定によって、或いは１つ又は複数の通信リンクを介して、レシーバ７２０の数及びレシーバ７２０の共振周波数を判定し得、更にレシーバ７２０からの他の情報を使用可能ともみなし得る。レシーバからの他の情報は、例えば、デバイスタイプ、レシーバオペレーションに必要な平均電力伝送、必要な最大充電電力、最大コイル電圧、及びデバイス充電優先度などの情報を含み得る。パワートラッカー７５０は、ステッピングシーケンス又は掃引シーケンスを設定するために、レシーバ７２０に関する情報を用い得る。パワートラッカー７５０は、レシーバ７２０からの通知によって、又は何らかの他のトリガメカニズムによって、エリア内でレシーバ７２０に関して更新された情報を時折、定期的に、収集し得る。パワートラッカー７５０は、ステッピングシーケンス又は掃引シーケンスを修正するため、又は、新しいステッピングシーケンス又は掃引シーケンスを作成するために、レシーバ７２０に関する更新された情報を用い得る。

【0045】

前述のようなトランスミッタ周波数のステッピング／掃引を通じたレシーバ管理の代替として又はこれに加えて、レシーバは、トランスミッタによって生成された磁界へのその影響を制限するために、自己管理を実行し得る。レシーバは、例えば、場合に応じて、受信する平均電力をオペレーション又は充電にとっての必要最低限に制限し得る。図１０はこうしたレシーバを示す。対応する説明を伴う図８及び図９は、図１０の実装を理解するためのベースを提供する。

【0046】

図８は、トランスミッタ１１０が構成要素８１０〜８３０で表され、レシーバ１２０が構成要素８４０〜８７０で表される、ワイヤレス電力伝送システム１００の１つの実装である、例示のワイヤレス電力伝送システム８００を示す。

【0047】

トランスミッタ構成要素８１０は、電圧Ｖｓを備える直流電流（ＤＣ）電力ソースである。ソース８１０は、トランスミッタ内の１つ又は複数のバッテリ、或いはトランスミッタに接続された車両バッテリなどのバッテリであり得る。代替としてソース８１０は、１１０Ｖ ＡＣ（交流電流）などの線路電圧を例えば５Ｖ ＤＣなどの低電圧ＤＣに変換する電源の一部であり得る。

【0048】

トランスミッタ構成要素８２０は、トランスミッタ共振回路に電力供給するためにＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するように切り替えられる、スイッチのセットである。一例の構成要素８２０はＨブリッジである。

【0049】

トランスミッタ構成要素８１０及び８２０は共に、トランスミッタ共振回路のためのＡＣ電力ソースの少なくとも一部を形成する。他のＡＣソーストポロジも可能である。

【0050】

トランスミッタ構成要素８３０は、インダクタンスＬ１を備える電力伝送コイル、キャパシタンスＣｐ１を備える並列キャパシタ、及びキャパシタンスＣｓ１を備える直列キャパシタを含む、トランスミッタ共振回路である。直列キャパシタンスＣｓ１は示されるように可変であり得るが、必ずしもそうではない。構成要素８３０は例示の共振回路トポロジを示す。他のトランスミッタ共振回路トポロジも可能である。

【0051】

レシーバ構成要素８４０は、インダクタンスＬ１を備える電力伝送コイル、キャパシタンスＣｐ２を備える並列キャパシタ、及びキャパシタンスＣｓ２を備える直列キャパシタを含む、レシーバ共振回路である。直列キャパシタンスＣｓ２は可変であり得る。他のレシーバ共振回路トポロジも可能である。レシーバ電力伝送コイルは、トランスミッタ電力伝送コイルによって生成される発振磁界を高電圧発振（ＡＣ）信号に変換するために、共振回路に接続される。

【0052】

レシーバ構成要素８５０は、共振回路からのＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換することが可能な整流器である。

【0053】

レシーバ構成要素８６０は、整流プロセスにおいて整流器によって生成される電圧リップルを減少させるために用いられるキャパシタである。キャパシタ８６０の電圧は、レシーバ負荷に提供される出力電圧Ｖｏｕｔである。

【0054】

レシーバ構成要素８７０はＤＣレシーバ負荷を表す。例えば、負荷８７０は出力電圧Ｖｏｕｔによって電力供給されるレシーバの電子回路であり得、或いは、バッテリ充電回路であり得る。負荷８７０は、レシーバ電子回路及びバッテリ充電回路の両方であり得る。負荷８７０は、抵抗Ｒを備えるレジスタで表されているが、これは、電力調整回路、バッテリ、及び電力の吸収又は消散が可能な他のタイプの構成要素を含む、より複雑なＤＣ負荷であり得るものの簡略表現に過ぎないことに留意されたい。

【0055】

レシーバ構成要素８５０、８６０、及び８７０は共に１つのトポロジを表す。他のトポロジも可能である。例えば、構成要素８４０からのＡＣ電圧はレベルシフトされ得、負荷に直接印加され得る。

【0056】

負荷８７０の値は、電圧Ｖｏｕｔによって、及びＤＣ負荷により吸収される電流によって判定されるため、負荷の動作ポイントに応じて変化し得る。例えば、負荷８７０がバッテリ及びバッテリ充電回路である場合、負荷８７０の値は、バッテリの充電状態及びバッテリ充電回路の動作ポイントに依存する。

【0057】

整流器の入力に見られるＡＣ電圧のより高次の高調波が、レシーバの共振ネットワークによって形成される狭帯域フィルタにより抑制され、それによって基本的な正弦波成分のみが考慮に入れられるという仮定の下で、構成要素８５０、８６０、及び８７０（すなわち、整流器、キャパシタ、及び負荷）は共に、等価レジスタＲｅｑによって近似可能であることが示され得る。Ｒｅｑの値は式１５で算出される。
Ｒｅｑ＝Ｒ・（８/π^２） （１５）

【0058】

図９は、システム８００の構成要素８５０、８６０、及び８７０が、説明及び計算の目的で値Ｒｅｑを備える等価負荷９１０で表されている、システム９００を示す。等価負荷９１０を横切る出力電圧は、式１６によって記述されるＶｏｕｔ＿ｅｑであり、ここで「ω」は毎秒当たりのラジアン（ｒａｄ／ｓ）で表される回路の動作周波数であり、「ｔ」は時間である。

【数8】

【0059】

Ｖｏｕｔ＿ｅｑは所与の条件について解くことができる。Ｖｏｕｔ＿ｅｑが、他のパラメータの中でも、電圧Ｖｓ及び結合係数ｋの強い関数であることが示され得る。磁界強度及び／又はコイル間の結合が減少すると、それに応じて電圧Ｖｏｕｔ＿ｅｑも減少する。Ｖｏｕｔ＿ｅｑが、負荷９１０が必要とする最低電圧を下回って低下した場合、電力伝送は停止する。

【0060】

電圧Ｖｏｕｔ＿ｅｑも負荷９１０値Ｒｅｑの関数である。最も実用的な応用において、Ｒｅｑが減少すると、構成要素８３０の電力伝送コイルにおいて反映される等価インピーダンスが減少し、それによって、トランスミッタ共振ネットワークのＱ値の低下、及び最終的に、トランスミッタによって生成される磁界の低下が生じる。Ｖｏｕｔ＿ｅｑは磁界の減少に対応して減少する。

【0061】

トランスミッタ及びレシーバが強く結合されている場合、例えばレシーバ及びトランスミッタが物理的に近接し、互いに整列されている場合、電力伝送は負荷のシンク能力によって制限される。従って、強い結合の場合、負荷９１０の値Ｒｅｑは、負荷が吸収し得る最大電力によって判定される。

【0062】

トランスミッタ及びレシーバが弱く結合されている場合、例えばレシーバがトランスミッタから物理的に離れている場合、電力伝送は結合された電力伝送コイルの伝送能力によって制限され得る。

【0063】

負荷によって制限される最大電力は、本明細書ではＰｌｏａｄ＿ｍａｘと称する。コイルの結合によって制限される最大電力は、本明細書ではＰｃｏｕｐ＿ｍａｘと称する。Ｐｃｏｕｐ＿ｍａｘ＜Ｐｌｏａｄ＿ｍａｘである場合、負荷９１０値Ｒｅｑは、出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｅｑが、レシーバ回路が適切に機能するために必要な最小電圧Ｖｏｕｔ＿ｍｉｎを下回るまで徐々に減少し、下回った地点で電力伝送が停止する。

【0064】

Ｐｃｏｕｐ＿ｍａｘ＜Ｐｌｏａｄ＿ｍａｘの条件でも効率的な電力伝送を可能にするため、レシーバ電力自己管理のためにレシーバにコントローラが含まれ得る。

【0065】

図１０は、レシーバが自己管理コントローラを如何に含み得るかの例として提示されるバッテリチャージャ回路を含む、例示のワイヤレス充電システム１０００を示す。他のトポロジも可能である。システム１０００の構成要素８１０、８２０、８３０、８４０、８５０、及び８６０は、図８に関連して上記で説明した、同様に番号付けされた構成要素と少なくとも同様である。構成要素１０１０は、フリーホイール（free-wheeling）ダイオードを備えるスイッチＱ１である。構成要素１０２０はボディダイオードである。構成要素１０１０及び１０２０は共にバックコンバータを表す。構成要素１０３０はインダクタである。

【0066】

構成要素１０４０は、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ、及び適用可能であれば充電電流Ｉｂａｔｔ、を備える再充電可能なＤＣバッテリである。

【0067】

構成要素１０５０は自己管理電力コントローラである。コントローラ１０５０は、キャパシタ８６０を横切る電圧Ｖｏｕｔ、及びバッテリ１０４０を介する充電電流Ｉｂａｔｔを監視する。この監視に基づき、コントローラ１０５０はスイッチ１０１０を制御し、Ｉｂａｔｔを制御するようにスイッチ１０１０のデューティサイクルを変更する。電圧Ｖｂａｔｔは本来一定であるため、充電電流Ｉｂａｔｔの変化は、レシーバによって吸収される電力の変化を意味する。

【0068】

図１０のバックコンバータ実装の場合、バッテリ１０４０は、電圧Ｖｏｕｔが、レシーバの設計及び条件の関数である最小電圧Ｖｏｕｔ＿ｍｉｎよりも大きい場合にのみ充電される。ブーストコンバータ実装により、より低い値のＶｏｕｔで充電することが可能となり得る。

【0069】

図１０のレシーバ内のコントローラ１０５０は、Ｖｏｕｔ＞Ｖｏｕｔ＿ｍｉｎのときスイッチ１０１０の切り替えを開始する。コントローラは、下記の条件、（ａ）充電電流Ｉｂａｔｔが、バッテリが受け入れ可能な最大電流Ｉｂａｔｔ＿ｍａｘに到達すること、（ｂ）充電電流Ｉｂａｔｔが、更なるデューティサイクルの増加によって充電電流Ｉｂａｔｔの減少を生じさせるようなピークに到達すること、又は（ｃ）ＶｏｕｔがＶｏｕｔ＿ｍｉｎまで減少することの、の１つが発生するまで、スイッチ１０１０のデューティサイクルを増加させる。条件（ａ）の場合、コントローラはデューティサイクルの増加を停止する。条件（ｂ）及び（ｃ）の場合、コントローラは所定の量だけデューティサイクルを減少させる。

【0070】

図１１は、フローチャート１１００により、コントローラ１０５０などのコントローラの前述の機能を示す。フローチャート１１００は図１０の構成要素に関して記述しているが、フローチャート１１００は図１０の例に示したトポロジの適用に限定されない。

【0071】

フローチャート１１００は、Ｖｏｕｔの値が値Ｖｏｕｔ＿ｍｉｎを超えたとき、ブロック１１１０で開始する。これは、Ｖｏｕｔの値の立ち上がり時、例えばトランスミッタ又はレシーバの起動時、又はレシーバが最初にトランスミッタに接近したとき、発生し得る。代替として、フローチャート１１００は、レシーバ及びトランスミッタが安定したオペレーション状態に達した後、ある時点のトリガ時に開始し得る。例えば、バッテリ充電用の電力の伝送を受信するレシーバの場合、フローチャート１１００はバッテリ充電がしきい値を下回って低下するまでトリガされない可能性がある。

【0072】

ブロック１１２０で、スイッチ１０１０のデューティサイクルｄ（ｋ）は最小値ｄｍｉｎに設定され、電流Ｉｂａｔｔ（ｋ）はスイッチデューティサイクルｄ（ｋ）の現在値で測定される。

【0073】

ブロック１１３０で、デューティサイクル増分Δｄが、正の符号を備える予め定義された値「Ｄ」に等しく設定される。

【0074】

ブロック１１４０で、現在の条件が以前の条件として保存され、新しい現在の条件が計算される。具体的には、現在の電流Ｉｂａｔｔ（ｋ）が以前の電流Ｉｂａｔｔ（ｋ−１）として保存され、現在のスイッチデューティサイクルｄ（ｋ）が以前のスイッチデューティサイクルｄ（ｋ−１）として保存され、現在のスイッチデューティサイクルｄ（ｋ）が直前のスイッチデューティサイクルｄ（ｋ−１）に増分Δｄを加えたものとして計算される。

【0075】

ブロック１１５０で、現在の電流Ｉｂａｔｔ（ｋ）及び電圧Ｖｏｕｔ（ｋ）が、スイッチデューティサイクルｄ（ｋ）の現在値で測定される。

【0076】

判定ブロック１１６０で、現在の電圧Ｖｏｕｔ（ｋ）が最小動作電圧しきい値Ｖｏｕｔ＿ｍｉｎと比較され、Ｉｂａｔｔ（ｋ）が最大負荷電流しきい値Ｉｂａｔｔ＿ｍａｘと比較され、デューティサイクルｄ（ｋ）が最大デューティサイクルしきい値ｄｍａｘと比較される。Ｖｏｕｔ（ｋ）がＶｏｕｔ＿ｍｉｎよりも小さいか又は等しい場合、或いはＩｂａｔｔ（ｋ）がＩｂａｔｔ＿ｍａｘよりも大きいか又は等しい場合、レシーバ負荷が増加し過ぎたことを示し、或いは、ｄ（ｋ）がｄｍａｘよりも大きいか又は等しい場合、フローチャート１１００はブロック１１７０で、デューティサイクル増分Δｄを負の符号を備える値「Ｄ」に等しく設定するように継続し、その後、ブロック１１４０に進み、現在の条件を保存し、（Δｄ＝−Ｄを追加することによって）デューティサイクルを減少させる。

【0077】

判定ブロック１１６０で、Ｖｏｕｔ（ｋ）、Ｉｂａｔｔ（ｋ）、及びｄ（ｋ）がそれらのそれぞれのしきい値と交差していない場合、フローチャート１１００はブロック１１８０で継続する。

【0078】

ブロック１１８０で、ｄ（ｋ）が最小デューティサイクルしきい値ｄｍｉｎと比較される。ｄ（ｋ）がｄｍｉｎよりも小さいか又は等しい場合、フローチャートはブロック１１３０で、デューティサイクル増分Δｄを正の符号を備える値「Ｄ」に等しく設定するように継続し、その後、ブロック１１４０に進み、現在の条件を保存し、（Δｄ＝＋Ｄを追加することによって）デューティサイクルを増加させる。判定ブロック１１８０でｄ（ｋ）がｄｍｉｎよりも大きい場合、フローチャート１１００は判定ブロック１１９０で継続する。

【0079】

判定ブロック１１９０で、現在の電流Ｉｂａｔｔ（ｋ）が直前の電流Ｉｂａｔｔ（ｋ−１）よりも小さい場合、フローチャート１１００はブロック１１７０で、デューティサイクル増分Δｄを負の符号を備える値「Ｄ」に等しく設定するように継続し、その後、ブロック１１４０に進み、現在の条件を保存し、（Δｄ＝−Ｄを追加することによって）デューティサイクルを減少させる。そうでない場合、フローチャート１１００はブロック１１４０で、現在の条件を保存し、現在の「Ｄ」の符号に応じてデューティサイクルを増加又は減少させる。

【0080】

デューティサイクルは０％から１００％に物理的に制限され、ｄｍｉｎ＝０％及びｄｍａｘ＝１００％のように、発見的方法（heuristic）でこれらの値に制限され得る。デューティサイクルは、１００％より小さい最大値及び／又は０％より大きい最小値を用いて制限されてもよい。

【0081】

このように、スイッチのデューティサイクルが負荷を介して流れる電流を増加又は減少させるように変更され、それによって負荷を横切る電圧Ｖｏｕｔにわたる制御が可能となる、自己管理されたレシーバについて説明してきた。スイッチデューティサイクルの制御は、Ｖｏｕｔを最小動作電圧より上に保ち、ピーク動作負荷電流を見つけ、負荷電流Ｉｂａｔｔを最大動作電流より下に保つための制御を含む。したがって、スイッチデューティサイクルの制御により、トランスミッタに近接する他のレシーバの存在、付加、又は除去によって生じる条件の変更を含む、システム条件の変更のために、レシーバがその電力ドローを適合し得るように、適応的なレシーバ負荷が可能となる。

【0082】

レシーバの別のタイプの自己管理は、フローチャート１１００中に提供された例に関して上記で説明された自己管理に追加し得るか又は代替とし得る、レシーバによる適応的なタイムシェアリングである。適応的タイムシェアリングを備えるレシーバは、別のレシーバが、それぞれ、伝送された電力の受信を停止又は開始する際に、レシーバ電圧の増加又は減少があるとき、トランスミッタに近接する他のレシーバを認識する。第１のレシーバが、少なくとも１つの他のレシーバが電力の伝送を受信していることを認識すると、第１のレシーバは適応的タイムシェアリングの発見的方法を開始する。例えば、図８の典型的なシステムにおいて、レシーバが、整流器の出力電圧Ｖｏｕｔが急速に減少又は増加することを認識した場合、レシーバは、別のレシーバが電力伝送セッションを開始又は終了したことを判定し得、それに応じて、そのタイムシェアリングを適合し得る。タイムシェアリングを介してレシーバ自己管理を提供するために多くの異なる発見的方法が実装され得る。一実装を図１２に関して説明する。

【0083】

図１２は、適応的タイムシェアリングの発見的方法の例示の実装を示すフローチャート１２００である。フローチャート１２００はブロック１２１０で開始される。

【0084】

ブロック１２１５で、カウントｔがゼロに初期化される（すなわちｔ＝０）。カウントｔは時間の経過を表す。更にブロック１２１５において、持続時間変数Ｔ＿ｅｎｄが値Ｔ＿ｃｈａｒｇｅに設定される。バッテリが充電されているレシーバでは、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅは、１サイクルにおいて中断されない充電のためにレシーバに予め割り当てられるか又は動的に割り当てられる時間である。バッテリをフルに充電するために、複数のサイクルが必要な場合がある。受信した電力が動作電力に用いられるレシーバでは、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅは、１サイクルにおいて中断されない電力伝送のためにレシーバに予め割り当てられるか又は動的に割り当てられる時間である。このようなレシーバでは、レシーバは、レシーバがそのサイクルの電力受信部分にないときレシーバに電力供給するための電力を格納するためのキャパシタなどの一次格納メカニズムを含む。

【0085】

ブロック１２２０で、カウントｔは増分Ｔだけ増加され、この増分は時間に対して直接的又は間接的に関係し得る。例えば、時間に対する直接的関係が、タイマーの満了時にカウントｔに対して増分をトリガすること、又は、既知の頻度及び持続時間のソフトウェアループにおいてカウントｔを増分することによって、確立され得る。別の例の場合、時間に対する間接的関係が、カウントｔに対する増分がソフトウェアループにおいて同じ場所で生じるが、ソフトウェアループは頻度又は持続時間に関して予測不能であるとき生じ得る。

【0086】

判定ブロック１２２５で、Ｖｏｕｔが減少する場合、別のレシーバが電力伝送の受信を開始したことを示し、フローチャート１２００はブロック１２１５で継続し、カウントｔはリセットされ、Ｔ＿ｅｎｄは再度Ｔ＿ｃｈａｒｇｅに等しく設定される。Ｖｏｕｔが減少しなかった場合、フローチャート１２００は判定ブロック１２３０で継続する。

【0087】

判定ブロック１２３０で、Ｖｏｕｔが増加する場合、別のレシーバが電力伝送の受信を停止したことを示し、フローチャート１２００はブロック１２３５をスキップし、以下で説明するブロック１２４０で継続する。Ｖｏｕｔが増加しなかった場合、フローチャート１２００は判定ブロック１２３５で継続する。

【0088】

判定ブロック１２３５で、カウントｔがＴ＿ｅｎｄの値よりも小さい場合、別のレシーバが電力伝送の受信を開始して以来、充電期間Ｔ＿ｃｈａｒｇｅがまだ満了していないことを示し、フローチャート１２００はブロック１２２０で継続し、カウントｔを増分する。しかしながら、カウントｔがＴ＿ｅｎｄの値よりも大きいか又は等しい場合、他のレシーバがその充電期間を完了したか又はほぼ完了したはずであることを示し、フローチャート１２００はブロック１２４０で継続する。

【0089】

ブロック１２４０で、カウントｔがゼロにリセットされ、ランダム値Ｔ＿ｗａｉｔが生成され、Ｔ＿ｅｎｄが、レシーバが電力の受信を開始するまでに待機することになる期間であるＴ＿ｗａｉｔに設定される。Ｔ＿ｗａｉｔに関する値は、レシーバ間の推論を制限するためにランダムである。すべてのレシーバがＴ＿ｗａｉｔについて同じ値を有する場合、すべてのレシーバが電力伝送の受信を同時に開始するよう試みることになり、結果として、トランスミッタ電力伝送コイルの磁界強度においていずれのレシーバも電力を受信できない地点までの低下となる可能性がある。

【0090】

ブロック１２４５で、カウントｔは値Ｔだけ増分される。

【0091】

判定ブロック１２５０で、Ｖｏｕｔが減少している場合、別のレシーバが電力伝送の受信期間を開始したことを示し、フローチャート１２００はブロック１２１５で継続する。そうでない場合、フローチャート１２００は判定ブロック１２５５で継続する。

【0092】

判定ブロック１２５５で、カウントｔがＴ＿ｅｎｄの値よりも小さい場合、待機期間が終了していないことを示し、フローチャート１２００はブロック１２４５で継続し、カウントｔを増分する。そうでない場合、フローチャート１２００はブロック１２６０で継続する。

【0093】

ブロック１２６０で、レシーバは電力伝送の受信を開始する。

【0094】

ブロック１２６で、レシーバが電力伝送を受けている間、カウントｔが割り当てられた時間Ｔ＿ｃｈａｒｇｅに等しくなるまでカウントｔが定期的に又は時折増分される。

【0095】

ブロック１２７０で、レシーバは電力伝送の受信を停止し、レシーバが再度電力伝送を受信するために効率的にキューに入るように、フローチャート１２００はブロック１２１５で継続する。

【0096】

フローチャート１２００は、例えばレシーバがもはや電力の伝送を必要としない場合、又はレシーバがトランスミッタの近隣から除かれた場合など、いつでも停止され得る。フローチャート１２００は追加のブロックを含み得、例えばフローチャート１２００は、レシーバがしきい値時間に等しい時間待機した場合、他の認識されるレシーバの状態に関係なくレシーバが充電を開始するように修正され得る。他の例では、フローチャート１２００は、発見的方法の開始時に、他のいずれのレシーバも電力伝送の受信サイクルを開始又は停止したとして認識されない或る設定期間後にレシーバが充電を開始するように、修正され得る。フローチャート１２００に対する他の修正も成され得る。

【0097】

図１２の例では、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅが一定であるとして説明した。Ｔ＿ｃｈａｒｇｅの可変値に対し別の発見的方法が適合され得る。例えば、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅは充電されることになるレシーババッテリの充電状態に応じて変更され得るか、又は、トランスミッタから動作電力を受信しているレシーバの現在の負荷条件に応じて変更され得る。Ｔ＿ｃｈａｒｇｅは、各レシーバによって異なり得る。Ｔ＿ｃｈａｒｇｅが可変である場合、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅはその可変性によって各レシーバによって異なり得る。Ｔ＿ｃｈａｒｇｅが一定である場合、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅは、予期される用法及び必要性に基づき、異なるレシーバに対して異なって事前定義され得る。多くの例のうちの１つの場合、総充電時間がどちらのレシーバについてもほぼ同じであるように、Ｔ＿ｃｈａｒｇｅは、小容量バッテリを備えるレシーバには短く、大容量バッテリを備えるレシーバには長い可能性がある。

【0098】

フローチャート１２００によって説明した適応的タイムシェアリングの発見的方法は、レシーバのすべてが発見的方法を含むシステムにおいて用いられ得る。しかしながら、たとえトランスミッタに結合された１つ又は複数のレシーバが発見的方法を含まない可能性がある場合でも、発見的方法は、レシーバ負荷の少なくとも一部を経時的に拡散させることによって、トランスミッタがより多くのレシーバに電力伝送できるようにする。

【0099】

他のレシーバがトランスミッタから電力を受信していることをレシーバが識別できるだけでなく、トランスミッタも、１つ（又は複数）のレシーバが電力伝送を受けているときを識別するためにも同様の方法を用い得る。いずれのレシーバも電力伝送を受けていないとき、トランスミッタは電力生成を減少させ得、その電力伝送回路をオフにし得るか、又はトランスミッタ自体をオフにし得る。

【0100】

トランスミッタは、アクティブなレシーバの存在を検出するために、電力伝送コイルの電圧を監視し得る。レシーバが充電を開始するとき、レシーバ負荷がトランスミッタ共振回路の有効Ｑ値の減少を生じさせるため、電力伝送コイルの電圧は減少する。レシーバが充電を停止するとき、レシーバ負荷がないことによりトランスミッタ共振回路の有効Ｑ値の増加が生じさせるため、電力伝送コイルの電圧は増加する。したがって、電力伝送コイルの電圧を監視することにより、トランスミッタはレシーバが充電を開始及び停止していることを認識できる。

【0101】

加えて、各減少時に電力伝送コイル電圧における減少の程度を監視することにより、トランスミッタが、レシーバの負荷の差によって、幾つかの異なるレシーバが或る期間にわたってアクティブであることを認識することが可能となり得る。

【0102】

更に、電力伝送コイル電圧の減少及び増加を監視することにより、いかなるレシーバも電力の伝送を受けていないときアイドル期間が検出され得る。トランスミッタは、各アイドルフェーズの間電力伝送コイル電圧を追跡し得、アイドルに対し典型的な値を表す、平均コイル電圧又はコイル電圧範囲を判定するために、経時的に収集された情報を用い得る。その後、コイル電圧がアイドルフェーズの間の平均又は範囲よりも大幅に低い場合、トランスミッタは、金属性物体が電力伝送コイルの近隣に置かれていたことを判定し得、トランスミッタはそれに応じて反応し得る。代替として、トランスミッタは、アイドルに対し典型的な値を判定する代わりに、アイドルの間のいかなるときでもコイル電圧と予め定義されたしきい値とを比較し得る。

【0103】

このように、トランスミッタが、電力伝送コイル電圧の変化を用いて、アイドルの期間を識別し得、更に、電力を吸収する金属性物体の存在を識別し得る。

【0104】

レシーバからの負荷がトランスミッタ共振回路の電力伝送コイル上に生成される磁界を減少させる、複数のレシーバを備えるワイヤレス電力伝送システムにおいて、これらの複数のレシーバに効率的に電力を提供するためにレシーバ管理が必要とされ得る。

【0105】

一実装において、レシーバ管理は、異なるレシーバに対して異なる共振周波数を用いること、及びトランスミッタの共振周波数及び／又は動作周波数を、異なるレシーバの共振周波数に順次に掃引又はステッピングすることを含む。

【0106】

別の実装において、レシーバ管理は、レシーバ負荷電流デューティサイクルが、複数のレシーバが存在する場合でもレシーバ電圧を維持するように制御される、レシーバ自己管理を含む。

【0107】

別の実装において、レシーバ管理は、他のレシーバが充電中であるときを識別するため、及び別のレシーバが電力伝送の受信を停止するまで電力伝送の受信の開始を待機するために、１つ又は複数のレシーバがタイムシェアリング発見的方法を用いる、レシーバ自己管理を含む。

【0108】

トランスミッタが、アイドル期間中にトランスミッタの一部又はすべてをシャットダウンするため、トランスミッタに結合された幾つかのレシーバを識別するため、並びに、金属性物体がトランスミッタに近接しており、電力伝送コイルから電力を吸収しているときを識別するために、レシーバが電力伝送の受信を開始及び停止するときを識別し得る。

【0109】

本発明の特許請求の範囲内で、説明した実施形態が改変され得ること、及び多くの他の実施形態が実装され得ることも理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】