特開 2023-163166 効率的、且つ、低プロファイルのワイヤレス給電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023163166

(43)【公開日】2023-11-09

(54)【発明の名称】効率的、且つ、低プロファイルのワイヤレス給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20231101BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072227

(22)【出願日】2023-04-26

(31)【優先権主張番号】17/660,944

(32)【優先日】2022-04-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】523157623

【氏名又は名称】エスダブリューアール テクノロジー インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】蕭文卿

(72)【発明者】

【氏名】單聖明

(57)【要約】

【課題】ワイヤレス伝送により、電力を負荷デバイスに提供するシステムを提供する。
【解決手段】システムは、電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)、および、電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)を有する。ＰＴＤＵは、入力電力を受信し、且つ、第一共振器を有する。第一共振器は、入力電力にしたがって、電磁波を提供する。ＰＲＤＵは、負荷デバイスに接続される。ＰＲＤＵは、第二共振器、および、整流器を有する。第二共振器は、電磁波を受信するとともに、電磁波に従って、電力を提供する。整流器は、電力を、直流(ＤＣ)電源に変換して、負荷デバイスに送る。第一共振器は、一次コイルを有し、第二共振器は、二次コイル、および、二次コイルと並列、あるいは、直列で結合される素子を有する。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワイヤレス伝送により、電力を負荷デバイスに提供するシステムであって、
入力電力を受信し、且つ、前記入力電力にしたがって、電磁波を提供する第一共振器を有する電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)と、
前記負荷デバイスに接続され、且つ、前記電磁波を受信するとともに、前記電磁波にしたがって、前記電力を提供する第二共振器、および、前記電力を、直流(ＤＣ)電力に変換して、前記負荷デバイスに送る整流器、を有する電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)と、を有し、
前記第一共振器は、一次コイルを有し、前記第二共振器は、二次コイル、および、前記二次コイルに結合される素子を有し、
前記二次コイルは、第一インピーダンス振幅を有し、
前記素子が、前記二次コイルと前記整流器間に接続されるとき、前記素子の第二インピーダンス振幅は、前記二次コイルの前記第一インピーダンス振幅の五分の一より小さく、
前記素子が、前記二次コイルに並列接続されるとき 前記素子の前記第二インピーダンス振幅は、前記二次コイルの前記第一インピーダンス振幅の五倍より大きい、ことを特徴とするシステム

【請求項2】

前記第一共振器はさらに、前記一次コイルと直列接続される共振コンデンサーを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第一共振器はさらに、前記一次コイルと並列接続される共振コンデンサーを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記一次コイルと前記二次コイル間の結合係数の絶対値は、０．９より大きく、且つ、前記結合係数の前記絶対値は、１より小さい、あるいは、１に等しいことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記一次コイルと前記二次コイル間の結合係数の絶対値は、０より大きく、且つ、０．９より小さいことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記電力受信データユニットはさらに、インピーダンス変換装置を有し、前記インピーダンス変換装置は、前記ＤＣ電力に従って、出力電力を、前記負荷デバイスに提供することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記インピーダンス変換装置は、ＤＣ-ＤＣコンバータであり、且つ、前記ＤＣ-ＤＣコンバータは、前記整流器と前記負荷デバイスの間に結合されることを特徴とする請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記電力の電圧と電流は、同相で前記整流器に入力されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記入力電力は、ＤＣ入力電力であり、且つ、前記電力送信データユニットはさらに、ＤＣ-ＡＣコンバータを有し、且つ、前記ＤＣ-ＡＣコンバータは、前記入力電力を、前記第一共振器を駆動する動作周波数を有する信号に変換することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

さらに、前記電力送信データユニットと前記電力受信データユニット間に設置されるリピーターユニットを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

ワイヤレス伝送により、電力を負荷デバイスに提供するシステムであって、
入力電力を受信し、且つ、前記入力電力にしたがって、電磁波を提供する第一共振器を有する電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)、および、
前記負荷デバイスに接続され、且つ、前記電磁波を受信するとともに、前記電磁波にしたがって、前記電力を提供する第二共振器を有する電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)、を有し、
前記第一共振器は、共振コンデンサーを有し、且つ、前記第二共振器は、コンデンサがないことを特徴とするシステム。

【請求項12】

前記電力受信データユニットはさらに、前記電力を、直流(ＤＣ)電力に変換して、前記負荷デバイスに送る整流器を有することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記第一共振器は、一次コイルを有し、前記第二共振器は、二次コイルを有することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【請求項14】

前記共振コンデンサーは、前記一次コイルと並列、あるいは、直列接続されることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記一次コイルと前記二次コイル間の結合係数の絶対値は、０．９より大きく、且つ、前記結合係数の前記絶対値は、１より小さいか、あるいは、１に等しいことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

【請求項16】

前記一次コイルと前記二次コイル間の結合係数の絶対値は、０より大きく、且つ、０．９より小さいことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。

【請求項17】

前記電力受信データユニットはさらに、インピーダンス変換装置を有し、前記インピーダンス変換装置は、前記ＤＣ電力に従って、出力電力を、前記負荷デバイスに提供することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。

【請求項18】

前記インピーダンス変換装置は、ＤＣ-ＤＣコンバータであり、且つ、前記ＤＣ-ＤＣコンバータは、前記整流器と前記負荷デバイス間に結合されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。

【請求項19】

前記入力電力は、ＤＣ入力電力であり、且つ、前記電力送信データユニットはさらに、ＤＣ-ＡＣコンバータを有し、前記ＤＣ-ＡＣコンバータは、前記入力電力を、前記第一共振器を駆動する動作周波数を有する信号に変換することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【請求項20】

さらに、前記電力送信データユニットと前記電力受信データユニット間に設置されるリピーターユニットを有することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力伝送に関するものであって、特に、ワイヤレス給電システム(wireless power transfer system)に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、電力は、物理的に、一装置と配電網(electrical grid)を接続することにより送られる。近年、新しいシステムが発展して、電磁誘導(electromagnetic induction)により、電力を送信している。ワイヤレス給電において、一般的に、非放射技術が用いられるとともに、電力は、誘導結合(inductive coupling)により磁界を通じて、あるいは、容量結合(capacitive coupling)により電界を通じて、短距離で転送される。電磁誘導による電力の送信は、二装置を必要とし、一つは、電磁波送信器、もうひとつは、電磁波受信器である。電力は、空気、あるいは、別の媒体を通じて、電磁波送信器により、電磁波として送信されるとともに、電磁波受信器により、この電磁波を受信するとともに、電力に再度変換する。送信器、および、受信器はそれぞれ、ある周波数で動作する共振器(resonator)を有する。電力の効率的な送信は、送信器の共振器、および、受信器の共振器に用いられる周波数が、同じであるか、あるいは、互いに狭帯域内にあることが求められる。

【0003】

動作周波数が同じであるか、あるいは、狭帯域内にあることが求められるこの要求は、ワイヤレス給電に制約を加える。よって、ワイヤレス給電を改善するシステムを考え出すことが必要不可欠である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ワイヤレス給電システムの実装に関する制約、重要な障壁を排除することができる、効率的、且つ、低プロファイルのワイヤレス給電システムが提供される。

【課題を解決するための手段】

【0005】

ワイヤレス伝送により、電力を負荷デバイスに提供するシステムの一実施形態が提供される。システムは、電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)、および、電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)を有する。ＰＴＤＵは、入力電力を受信し、且つ、第一共振器を有する。第一共振器は、入力電力にしたがって、電磁波を提供する。ＰＲＤＵは、負荷デバイスに接続される。ＰＲＤＵは、第二共振器、および、整流器を有する。第二共振器は、電磁波を受信するとともに、電磁波にしたがって、電力を提供する。整流器は、電力を直流(ＤＣ)電力に変換して、負荷デバイスに送る。第一共振器は、一次コイルを有し、第二共振器は、二次コイル、および、二次コイルに結合される一素子を有する。二次コイルは、第一インピーダンス振幅を有する。素子が、二次コイルと整流器間に接続されるとき、素子の第二インピーダンス振幅は、二次コイルの第一インピーダンス振幅の五分の一より小さい。素子が、二次コイルに並列接続されるとき、素子の第二インピーダンス振幅は、二次コイルの素子の第一インピーダンス振幅の五倍より大きい。

【0006】

さらに、ワイヤレス伝送により、電力を負荷デバイスに提供するシステムの一実施形態が提供される。システムは、電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)、および、電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)を有する。ＰＴＤＵは、入力電力を受信し、且つ、第一共振器を有する。第一共振器は、入力電力にしたがって、電磁波を提供する。ＰＲＤＵは、負荷デバイスに接続され、且つ、第二共振器を有する。第二共振器は、電磁波を受信し、且つ、電磁波にしたがって、電力を提供する。第一共振器は、共振コンデンサー(resonator capacitor)を有し、第二共振器は、コンデンサーを備えない。

【0007】

添付図面を参照しながら、詳細な記述が、以下の実施形態で与えられる。

【発明の効果】

【0008】

本発明の効率的、且つ、低プロファイルのワイヤレス給電システムにより、ワイヤレス給電システムの実装に対する制約、重要な障壁を排除することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

本発明は、添付図面を参照しながら後続の詳細な説明および実施例を参照することによってさらに十分に理解され得る。

【0010】

【図1A】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システムを示す図である。

【0011】

【図1B】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システムを示す図である。

【0012】

【図2】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電の図式モデルを示す図である。

【0013】

【図3】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電の図式モデルを示す図である。

【0014】

【図4】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システムを示す図である。

【0015】

【図5】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システムを示す図である。

【0016】

【図6】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システムを示す図である。

【0017】

【図7】本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下の記述は本発明を実施する最良の態様を説明するものである。この説明は、本発明の一般原則を説明することを目的としてなされているものであって、限定的な意味で参酌されるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することによって最も規定されるものである。

【0019】

図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システム１００を示す図である。ワイヤレス給電システム１００は、電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)１１０、および、電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)１３０を備える。電力は、ＰＴＤＵ１１０に接続される電源(図示しない)から、負荷デバイス１４０が接続されるＰＲＤＵ１３０まで、ワイヤレスで伝送される。

【0020】

ワイヤレス給電システム１００は、各種アプリケーション、操作、および／または、装置で実行される。たとえば、ワイヤレス給電システム１００は、スマートホーム／オフィスアプリケーション、ウェアラブル装置、無人システム (航空、地上、海上)の自律運行、５Ｇ無線アクセスアプリケーション、ロボット工学充電運転、自動車用途、危険な環境におけるＩＯＴセンサーの全天候型電力ソリューション、電動自転車／電動バイク充電運転、電気自動車(ＥＶ)充電運転等に用いられる。携帯装置、たとえば、スマートフォンにおいて、ＰＲＤＵ１３０は、スマートフォン内部に実装される。負荷デバイス１４０、たとえば、家電、自動車のアクセサリ(たとえば、暖房装置、オーバーヘッドディスプレイ、安全装置)、および、充電システム、あるいは、工場機械などにおいては、ＰＲＤＵ１３０は、負荷デバイス１４０から分離されるとともに、電力は、ワイヤー、あるいは、ケーブルを通じて、ＰＲＤＵ１３０から、負荷デバイス１４０(たとえば、家電)に伝送するようにすることもできる。

【0021】

いくつかの実施形態においては、電力を負荷デバイス１４０に伝送する一方、データも、負荷デバイス１４０とＰＲＤＵ１３０間のデータリンクにより交換可能である。負荷デバイス１４０からのデータは、負荷デバイス１４０の識別情報であってもよい。データは、ＰＲＤＵ１３０からも送信可能であり、当該データは、ＰＲＤＵ１３０からのワイヤレス伝送の状態(負荷デバイス１４０により引き出される電流／電圧)を示す。ＰＲＤＵ１３０は、ＰＴＤＵ１１０にデータを送信するとともに、ＰＴＤＵ１１０からデータを受信するように構成される。ＰＲＤＵ１３０とＰＴＤＵ１１０間のデータリンクは、無線通信を手段とする。このような無線通信の一例は、ＩＳＭバンド(工業、科学、および、医学無線帯域)によるものであり、データは、帯域外通信により転送される。また、その他の通信プロトコルを、ＰＴＤＵ１１０とＰＲＤＵ１３０間の通信にも用いることもできる。

【0022】

ワイヤレス給電システム１００において、ＰＴＤＵ１１０は、電源(図示しない)から、入力電力Pin を受信するとともに、電力Pinを、電磁波により、ＰＲＤＵ１３０に送る。ＰＴＤＵ１１０は、ＤＣ-ＡＣコンバータ１１２、および、共振器１１４を有する。このような実施形態において、入力電力Pinは、ＤＣ電力信号である。いくつかの実施形態において、入力電力Pinは、ＡＣ電力信号である。ＤＣ-ＡＣコンバータ１１２は、入力電力 Pinを、信号ＶＰＡに変換して、共振器１１４を駆動する。このような実施形態において、信号ＶＰＡは、ＡＣ信号である。共振器１１４は、信号ＶＰＡを受信するとともに、信号ＶＰＡに対応して、電磁波を生成する。記述を簡潔にするため、ＰＴＤＵ１１０とＰＲＤＵ１３０間で交換されるデータ(たとえば、電源制御情報、および、ユーザーデータ)に関連するＰＴＤＵ１１０中の回路、および、素子は省略される。

【0023】

ＰＲＤＵ１３０は、ＰＴＤＵ１１０から、電磁波により、電力を受信するとともに、出力電力Poutを、負荷デバイス１４０に提供する。ＰＲＤＵ１３０は、共振器１３２、および、整流器１３４を有する。共振器１３２は、電磁波を受信するとともに、電磁波を、信号ＶＰＢに変換する。このような実施形態において、信号ＶＰＢは、ＡＣ信号である。整流器１３４は、信号ＶＰＢを、ＤＣ電力(あるいは、電圧)ＶＤに変換する。ＰＲＤＵ１３０は、ＤＣ電力ＶＤを、出力電力Poutとして、負荷デバイス１４０に提供する。さらに、出力電力Poutは、直接、負荷デバイス１４０により用いられる、あるいは、負荷デバイス１４０内部の充電ユニットを充電するのに用いられる。さらに、負荷インピーダンスＺＬは、整流器１３４の入力で見られる等価インピーダンス、たとえば、整流器１３４で見られる入力インピーダンスを示す。記述を簡潔にするため、ＰＴＤＵ１１０とＰＲＤＵ１３０間で交換されるデータ(たとえば、電源制御情報、および、ユーザーデータ)に関連するＰＲＤＵ１３０中の回路、および、素子は省略される。

【0024】

いくつかの実施形態において、ＰＲＤＵ１３０はさらに、整流器１３４と負荷デバイス１４０間に結合されるインピーダンス変換装置、たとえば、図１ＢのＤＣ-ＤＣコンバータ１３６を有する。インピーダンス変換装置は、最適な負荷抵抗ＲＬ(すなわち、負荷インピーダンスＺＬの実部)が得られるように構成される。

【0025】

ＰＴＤＵ１１０中の共振器１１４は、共振周波数ｆ１を有し、ＰＲＤＵ１３０中の共振器１３２は、共振周波数ｆ２を有する。共振周波数ｆ１は、共振周波数ｆ２と異なっていてもよい。ＰＴＤＵ１１０中の共振器１１４は、ＤＣ-ＡＣコンバータ１１２からの信号ＶＰＡにより駆動されるとともに、信号ＶＰＡは、周波数ｆｓで動作する。ＰＴＤＵ１１０は、ＤＣ-ＡＣコンバータ１１２にとって、ベストの動作周波数(あるいは、駆動周波数)を決定することができる。いくつかの実施形態において、周波数ｆ１と周波数ｆ２間に関係がない。いくつかの実施形態において、周波数ｆｓは、周波数ｆ１、および、周波数ｆ２と無関係である。

【0026】

ＰＴＤＵ１１０が、ＰＲＤＵ１３０から離れて位置するとき、ワイヤレス給電を正しく機能させるため、リピーターユニット(ＲＵ)が用いられる。ＲＵは、ＰＴＤＵ１１０からの電力を受信するとともに、ＰＲＤＵ１３０に送信する。ＲＵはさらに、双方向の通信をサポートするとともに、ＰＴＤＵ１１０とＰＲＤＵ１３０間のデータを中継する。ワイヤレス給電システム１００において、ＰＲＤＵ１３０が、物理的に、ＰＴＤＵ１１０から近い距離に位置しているとき、ＲＵは省略することができる。

【0027】

ＲＵの有無にかかわらず、ＰＴＤＵ１１０とＰＲＤＵ１３０間の電力伝送の効率は、伝送ポート(Port１)と受信ポート(Port２)のインピーダンス、および、伝達インピーダンスに基づく。ＰＴＤＵ１１０とＰＲＤＵ１３０間の伝達は、ボックス１２０で示され、且つ、インピーダンスは以下のように示される。
Z11 = R11 + jX11
Z12 = R12 + jX12
Z21 = R21 + jX21
Z22 = R22 + jX22
Z= R + jX は、Impedance (Z) = Resistance (R) + j*Reactance (X)を意味する。Z11= Port１で見られるインピーダンス、Z12 = Port２からPort１への伝達インピーダンス。Z22= Port２で見られるインピーダンス、Z21 = Port１からPort２への伝達インピーダンス。R11= Port１で見られる抵抗、R12 = Port２からPort１への伝達抵抗。R22= Port２で見られる抵抗、R21= Port１からPort２への伝達抵抗。X11= Port１で見られるリアクタンス、X12 = Port２からPort１への伝達リアクタンス、および、X22= Port２で見られるリアクタンス、X21 = Port１からPort２への伝達リアクタンス。

【0028】

上記のＺマトリクスは、一般的な２-portモデル１２２であり、且つ、任意のシステムを表す。一般的状況において、２-portモデル１２２は、ＰＴＤＵ共振器、ＰＲＤＵ共振器、および、ＰＴＤＵとＰＲＤＵ共振器間の任意のデバイス(たとえば、ＲＵ)を表す。よって、それは、任意の回路、機構ハウジング、空気、木、ガラス、および、ＰＴＤＵ共振器とＰＲＤＵ共振器間のその他の媒体を意味する。Rij、Zij、および、Xijは、ＰＴＤＵとＰＲＤＵ共振器、および、ＰＴＤＵとＰＲＤＵ共振器間の任意の装置(たとえば、ＲＵ)の等価パラメータ値を表す。

【0029】

ＰＴＤＵ共振器の入力中のPort１とＰＲＤＵ共振器の出力中のPort２間のワイヤレス給電は、図２に示される配置図２００により簡略化される。配置図２００は、“変圧器 + 直列コンデンサ”モデルとして知られる。配置図２００において、ＰＴＤＵ共振器 (たとえば、図１Ａ、および、図１Ｂの共振器１１４)は、一次コイルＬ１、および、共振コンデンサーＣＳ１を有し、且つ、共振コンデンサーＣＳ１、および、一次コイルＬ１は、直列接続される。さらに、ＰＴＤＵ共振器中の等価抵抗素子は、抵抗Ｒ１１として表示される。さらに、ＰＲＤＵ共振器(たとえば、図１Ａ、および、図１Ｂの共振器１３２)は、二次コイルＬ２、および、共振コンデンサーＣＳ２を有する。共振コンデンサーＣＳ２、および、二次コイルＬ２は、直列接続されるとともに、共振コンデンサーＣＳ２はさらに、負荷インピーダンスＺＬ(ZL=RL+j*XL)に接続される。(ZL=RL+j*XL)の式中、負荷抵抗ＲＬは、負荷インピーダンスＺＬの実部であり、負荷リアクタンスＸＬは、負荷インピーダンスＺＬの虚部である。さらに、ＰＲＤＵ共振器中の等価抵抗素子は、抵抗Ｒ２２として示される。

【0030】

このような実施形態において、共振コンデンサーＣＳ１のキャパシタンスは、一次コイルＬ１のインダクタンス、および、共振周波数ｆ１の角周波数ω1(たとえば、ω1 =2πf1)に従って得られ、すなわち、

である。さらに、共振コンデンサーＣＳ２のキャパシタンスは、二次コイルＬ２のインダクタンス、および、共振周波数ｆ２の角周波数ω２に従って得られ(たとえば、ω2 =2πf2)、すなわち、

である。

【0031】

このモデル中で、最大効率になる最適な角周波数 ω2_optは、方程式(１)として示される。

(１)
式中、ｋは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間の結合係数を表し、ωs は、ＰＴＤＵ(たとえば、図１Ａ、および、図１Ｂ中のＰＴＤＵ１１０)中の、動作周波数ｆｓの角周波数であり、たとえば、ωs =2πfsである。このような実施形態において、結合係数kの絶対値は、０より大きく、且つ、１以下、すなわち、0 < |k| ≦ 1である。いくつかの実施形態において、結合係数ｋの絶対値は、０より大きく、且つ、０．９より小さい、すなわち、 0<|k|<0.9である。いくつかの実施形態において、結合係数ｋの絶対値は、０．９より大きく、且つ、１以下、すなわち、0.9 < |k| ≦ 1である。

【0032】

最適な角周波数ω2において、効率は、方程式 (２)として示される。

(２)
効率は、その他の設計変数と連動する負荷抵抗ＲＬの関数である。

【0033】

既知の(あるいは、選択された)角周波数ωs、および、結合係数において、素子値(ＸＬ、Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１１、Ｒ１２)の組み合わせは、以下の方程式(３)を満たすように選択される。

(３)
よって、方程式(３)を方程式 (１)に代入することにより、最適な角周波数 ω2_opt は、０に等しくなる(たとえば、ω2_opt=0)。つまり、共振コンデンサーＣＳ２が無限に等しいとき、換言すれば、共振コンデンサーＣＳ２を設けないとき、最大電力伝送効率が得られる。つまり、ＰＴＤＵ共振器の直列共振周波数 (すなわち、ω1)が、０に等しくないか否かにかかわらず、ＰＲＤＵ共振器の直列共振周波数(すなわち、ω2)は、０に等しくなる。

【0034】

負荷リアクタンスＸＬが、０に等しいとき(たとえば、信号ＶＰＢの電圧と電流が、整流器１３４への入力において、同相であるとき)、方程式(３)はさらに、方程式(４)として簡略化される。

(４)
これにより、適切な一次コイルＬ１、二次コイルＬ２、抵抗Ｒ１１、および、抵抗Ｒ１２を設計することにより、所定の結合係数ｋにおいて、共振コンデンサーＣＳ２なしで、全動作周波数の電力伝送効率を維持することができる。

【0035】

さらに、角周波数ω2 が、最適な角周波数 ω2_optに等しい場合、最適な角周波数 ω2_opt が、０に等しいか否かにかかわらず、最大電力伝送効率にとって、最適な負荷抵抗ＲＬ(任意の所定の負荷リアクタンスＸＬ下で、XL=0の条件を含む)は、方程式(５)として表現される。

(５)
さらに、対応する効率は、方程式 (６)として示される。

(６)。

【0036】

いくつかの実施形態において、最適な負荷抵抗ＲＬは、ＰＲＤＵ共振器と負荷デバイスの間のインピーダンス変換装置(たとえば、図１ＢのＤＣ-ＤＣコンバータ１３６)を用いることにより得られる。いくつかの実施形態において、ＤＣ-ＤＣコンバータのパルス幅変調(ＰＷＭ)操作を制御することにより、負荷抵抗ＲＬが調整されて、電力伝送効率をさらに改善する。

【0037】

Port１とPort２間のワイヤレス給電は、図３に示される配置図３００により簡略化される。配置図３００は、“変圧器 + 並列コンデンサ”モデルとして知られる。配置図３００において、ＰＴＤＵ共振器(たとえば、図１Ａ、および、図１Ｂの共振器１１４)は、一次コイルＬ１、および、共振コンデンサーＣＰ１を有する。共振コンデンサーＣＰ１と一次コイルＬ１は、並列接続される。さらに、ＰＴＤＵ共振器中の等価抵抗素子は、抵抗Ｒ１１として表示される。さらに、ＰＲＤＵ共振器(たとえば、図１Ａ、および、図１Ｂの共振器１３２)は、二次コイルＬ２、および、共振コンデンサーＣＰ２を有する。共振コンデンサーＣＰ２と二次コイルＬ２は、並列接続される。さらに、ＰＲＤＵ共振器中の等価抵抗素子は、抵抗Ｒ２２として表示される。

【0038】

このような実施形態において、共振コンデンサーＣＰ１のキャパシタンスは、一次コイルＬ１のインダクタンス、および、共振周波数ｆ１の角周波数ω1 (たとえば、ω1 =2πf1)に従って得られ、すなわち、

である。さらに、共振コンデンサーＣＰ２のキャパシタンスは、二次コイルＬ２のインダクタンス、および、共振周波数ｆ２の角周波数ω2 (たとえば、 ω2 =2πf2)に従って得られ、すなわち、

である。

【0039】

配置図３００において、最適な角周波数ω2_opt は、方程式 (７)として表現される:

(７)。
さらに、効率は、方程式(２)として示される。方程式(３)、あるいは、方程式(４)を満たす所定の結合係数kに、適切な一次コイルＬ１、二次コイルＬ２、抵抗Ｒ１１、および、抵抗Ｒ１２を設計することにより、最適な角周波数ω2_opt は、無限に等しくなる。つまり、共振コンデンサーＣＰ２が、０に等しいとき、換言すると、共振コンデンサーＣＰ２を設けないとき、最大電力伝送効率が得られる。これにより、ＰＴＤＵ共振器の並列共振周波数(すなわち、ω1)が、無限に等しくないかどうかにかかわらず、ＰＲＤＵ共振器の並列共振周波数(すなわち、ω2)は、無限に等しくなる。

【0040】

図４は、本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システム１００Ａを示す図である。ワイヤレス給電システム１００Ａは、ＰＴＤＵ１１０Ａ、および、ＰＲＤＵ１３０Ａを有する。ＰＴＤＵ１１０Ａにおいて、共振器１１４Ａは、直列接続された一次コイルＬ１、および、共振コンデンサーＣＳ１を有する。ＰＲＤＵ１３０Ａにおいて、共振器１３２Ａは、二次コイルＬ２だけを有する。共振器１１４Ａと比較すると、共振器１３２Ａ中に、共振コンデンサー(たとえば、図２中の共振コンデンサーＣＳ２、および、図３中の共振コンデンサーＣＰ２)が存在しない。つまり、二次コイルＬ２は、直接、整流器１３４に接続される。上記のように、“変圧器 + 直列コンデンサ”モデルにおいて、適当な素子値を選択して、方程式(３)、あるいは、方程式(４)を満たすことにより、最適な角周波数ω2_optは０に等しく、これにより、共振コンデンサーＣＳ２を設けることなく、最大電力伝送効率が得られる。

【0041】

ＰＴＤＵ１１０Ａにおいて、直列共振周波数ω1(すなわち、共振周波数ｆ１の角周波数)は、０に等しくてもよいし、あるいは、０に等しくなくてもよい。いくつかの実施形態において、直列共振周波数ω2(すなわち、共振周波数ｆ２の角周波数)は、ＰＲＤＵ１３０Ａ(すなわち、“変圧器 + 直列コンデンサ”モデル)で、０に等しい。いくつかの実施形態において、並列共振周波数ω2(すなわち、共振周波数ｆ２の角周波数)は、ＰＲＤＵ１３０Ａ(すなわち、“変圧器 + 並列コンデンサ”モデル)において、無限に近い。

【0042】

図５は、本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システム１００Ｂを示す図である。ワイヤレス給電システム１００Ｂは、ＰＴＤＵ１１０Ａ、および、ＰＲＤＵ１３０Ｂを有する。ＰＲＤＵ１３０Ｂは、共振器１３２Ｂ、および、整流器１３４を有する。図４の共振器１３２Ａと比較すると、図５の共振器１３２Ｂはさらに、直列素子１５０(あるいは、直列装置)を有する。つまり、直列素子１５０は、二次コイルＬ２と整流器１３４間に結合される。

【0043】

いくつかの実施形態において、直列素子１５０は、一つ以上の受動素子、たとえば、レジスタ、コンデンサ、および／または、インダクタにより形成される。さらに、動作周波数ｆｓにおいて、直列素子１５０のインピーダンス振幅は、二次コイルＬ２のインピーダンス振幅の五分の一より小さい。

【0044】

図６は、本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システム１００Ｃを示す図である。ワイヤレス給電システム１００Ｃは、ＰＴＤＵ１１０Ａ、および、ＰＲＤＵ１３０Ｃを有する。ＰＲＤＵ１３０Ｃは、共振器１３２Ｃ、および、整流器１３４を有する。図４の共振器１３２Ａと比較して、図６の共振器１３２Ｃはさらに、並列素子１６０(あるいは、並列装置)を有する。つまり、並列素子１６０は、二次コイルＬ２と並列接続される。

【0045】

いくつかの実施形態において、並列素子１６０は、一つ以上の受動素子、たとえば、レジスタ、コンデンサ、および／または、インダクタにより形成される。さらに、動作周波数ｆｓにおいて、並列素子１６０のインピーダンス振幅は、二次コイルＬ２のインピーダンス振幅の五倍より大きい。

【0046】

図７は、本発明のいくつかの実施形態によるワイヤレス給電システム１００Ｄを示す図である。ワイヤレス給電システム１００Ｄは、ＰＴＤＵ１１０Ｂ、および、ＰＲＤＵ１３０Ａを有する。ＰＴＤＵ１１０Ｂにおいて、共振器１１４Ｂは、並列接続された一次コイルＬ１、および、共振コンデンサーＣＰ１を有する。ＰＲＤＵ１３０Ａにおいて、共振器１３２Ａは、二次コイルＬ２だけを有する。共振器１１４Ｂと比較して、共振器１３２Ａ中に、共振コンデンサー(たとえば、図２中の共振コンデンサーＣＳ２、および、図３中の共振コンデンサーＣＰ２)が存在しない。つまり、二次コイルＬ２は、整流器１３４に直接、接続される。

【0047】

ＰＴＤＵ１１０Ｂにおいて、並列共振周波数ω１(すなわち、共振周波数ｆ１の角周波数)は、無限に等しくてもよいし、あるいは、無限に等しくなくてもよい。いくつかの実施形態において、直列共振周波数ω2 (すなわち、共振周波数ｆ２の角周波数)は、ＰＲＤＵ１３０Ａ(すなわち、“変圧器 + 直列コンデンサ”モデル)において、０に等しい。いくつかの実施形態において、並列共振周波数ω２(すなわち、共振周波数ｆ２の角周波数)は、ＰＲＤＵ１３０Ａ(すなわち、“変圧器 + 並列コンデンサ”モデル)において、無限に近い。

【0048】

いくつかの実施形態において、ワイヤレス給電システム１００ＤのＰＲＤＵ１３０Ａは、図５のＰＲＤＵ１３０Ｂで代替することができ、二次コイルＬ２は、直列素子１５０により、整流器１３４に結合される。さらに、動作周波数ｆｓにおいて、直列素子１５０のインピーダンス振幅は、二次コイルＬ２のインピーダンス振幅の五分の一より小さい。

【0049】

いくつかの実施形態において、ワイヤレス給電システム１００ＤのＰＲＤＵ１３０Ａは、図６のＰＲＤＵ１３０Ｃで代替され、二次コイルＬ２は、並列素子１６０、および、整流器１３４と並列接続される。さらに、動作周波数ｆｓにおいて、並列素子１６０のインピーダンス振幅は、二次コイルＬ２のインピーダンス振幅の五倍より大きい。

【0050】

いくつかの実施形態において、直列、および／または、並列共振コンデンサーが、ＰＲＤＵ共振器中に存在しない。いくつかの実施形態において、二次コイルＬ２のインピーダンスと特定の関係を有するインピーダンスを有する並列素子、あるいは、直列素子が、ＰＲＤＵ共振器中に用いられる。ＰＲＤＵ共振器中の共振器キャパシタンスを消去することにより、低プロファイルワイヤレス給電システムの実装における重要な障壁を排除することができる。

【0051】

好ましい実施形態を参照しながら本発明を記述してきたが、本発明は、それらの詳細な記述に制限されないことを理解されたい。各種代替や修正を、前述の記述中で提示してきたが、当業者であれば、その他の代替や修正を想到することができる。これにより、このようなすべての代替や修正は、請求項で定義される本発明の範囲に含まれる。異なる図面で示される特徴、および、異なる実施形態中の記述は、本発明の範囲中で、簡単に組み合わせることができることを理解されたい。本明細書で開示されるシステムの各構成要素は、ソフトウェア、および、ハードウェアの組み合わせにより実装可能であることを理解されたい。本発明の明細書中で記述される負荷デバイスは、スマート装置、あるいは、任意のその他の電子装置である。

【0052】

本発明の範囲を逸脱しない限り、上述したシステム、および、方法に、修正、追加、あるいは、省略を実施することができる。上述したシステム、および、方法の各構成要素は、特定の要求にしたがって、統合したり、分離することができる。さらに、上述したシステム、および、方法の操作は、本発明の範囲を逸脱しない限り、さらに多くの、より少ない、あるいは、その他の構成要素により実行することができる。

【0053】

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。当業者には明らかなように、本発明の範囲は、各種の修正、同様の構成を含むものである。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような全ての修正、同様の構成を含むように、最大限に広く解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0054】

１００、１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｄ…ワイヤレス給電システム
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ…電力送信データユニット(ＰＴＤＵ)
１１２…ＤＣ-ＡＣコンバータ
１１４、１１４Ａ、１１４Ｂ、１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ…共振器
１２０…箱
１２２…２-portモデル
１３０、１３０Ａ、１３０Ｃ…電力受信データユニット(ＰＲＤＵ)
１３４…整流器
１３６…ＤＣ-ＤＣコンバータ
１４０…負荷デバイス
１５０…直列素子
１６０…並列素子
２００、３００…配置図
Ｌ１…一次コイル
Ｌ２…二次コイル
ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＰ１、ＣＰ２…共振コンデンサー
Ｒ１１、Ｒ２２…抵抗
ＲＬ…負荷抵抗
ＺＬ…負荷インピーダンス
ＸＬ…負荷リアクタンス

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】