(57)【要約】      （修正有）【課題】送電装置から充電すべき受電装置への無線周波数信号を用いて効率的にエネルギを伝達するワイヤレス充電装置を提供する。【解決手段】システム１００において、ワイヤレス充電装置（送電ユニット１０１）は、少なくとも１つの送電アンテナ１１０に結合され、少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させるように動作可能な送電器１１３と、電磁放射を充電ゾーン１３０に閉じ込めるように適合される導電構造と、送電器と少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを検出するためのＳ１１モニタ１１６と、インピーダンス不整合の度合が閾値を下回るように応答する適応インピーダンス整合ユニット１１８を備える。【選択図】図３
2019050728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの送電アンテナに結合され、前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させるように動作可能な送電器と、
前記電磁放射を充電ゾーンに閉じ込めるように適合される導電構造と、
前記送電器と前記少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを検出するための検出器と
を備え、
前記検出器からの前記インピーダンス不整合の度合いを示す少なくとも１つの信号を受信するように前記検出器に結合されるコントローラを更に備え、
前記コントローラは、周波数範囲にわたり前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる送電周波数を変化させること、および前記周波数範囲全域の複数の周波数における前記インピーダンス不整合の度合いを測定することによって、前記インピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、前記装置に、前記充電ゾーン内の非充電可能な寄生負荷の存在を表示させることによって、前記複数の周波数のうち少なくともいくつかにおいて前記インピーダンス不整合の度合いが前記閾値を下回ることに応答するように適合される、ワイヤレス充電装置。
【請求項２】
少なくとも１つの送電アンテナに結合され、前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させるように動作可能な送電器と、
前記電磁放射を充電ゾーンに閉じ込めるように適合される導電構造と、
前記送電器と前記少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを検出するための検出器と
を備え、
前記検出器からの前記インピーダンス不整合の度合いを示す少なくとも１つの信号を受信するように前記検出器に結合されるコントローラを更に備え、
前記コントローラは、周波数範囲にわたり前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる送電周波数を変化させること、および前記周波数範囲全域の複数の周波数における前記インピーダンス不整合の度合いを測定することによって、前記インピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、充電プロセスを開始することによって前記周波数範囲よりも狭い周波数領域内の前記複数の周波数のセットの各々において前記インピーダンス不整合の度合いが前記閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、前記充電プロセスの開始時、前記インピーダンス不整合の度合いがピークを示す電力レベルを決定するために前記インピーダンス不整合の度合いを監視し、その後前記電力レベルをその値に設定すると同時に、前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記電力レベルを修正するように更に適合される、ワイヤレス充電装置。
【請求項３】
少なくとも１つの送電アンテナに結合され、前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させるように動作可能な送電器と、
前記電磁放射を充電ゾーンに閉じ込めるように適合される導電構造と、
前記送電器と前記少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを検出するための検出器と
を備え、
前記検出器からの前記インピーダンス不整合の度合いを示す少なくとも１つの信号を受信するように前記検出器に結合されるコントローラを更に備え、
前記コントローラは、周波数範囲にわたり前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる送電周波数を変化させること、および前記周波数範囲全域の複数の周波数における前記インピーダンス不整合の度合いを測定することによって、前記インピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、充電プロセスを開始することによって前記周波数範囲よりも狭い周波数領域内の前記複数の周波数のセットの各々において前記インピーダンス不整合の度合いが前記閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、前記充電プロセス中、前記インピーダンス不整合の度合いを監視し、
ａ）前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記電力レベルを変化させること、
ｂ）前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記周波数を変化させること、
ｃ）前記送電器および前記送電アンテナのインピーダンスを整合するために前記送電器および前記送電アンテナに結合される適応インピーダンス整合ユニットを制御すること、および
ｄ）アンテナアレイの少なくとも１つのアンテナを前記送電器に結合すること、および／または前記送電器に結合される適応インピーダンスアンテナのインピーダンスを適合させること
を含む方法の少なくとも１つによって前記インピーダンス不整合の度合いにおける変動に応答するように適合され、
前記コントローラは更に、前記充電プロセスの開始時、前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記周波数を、前記インピーダンス不整合がピークを示す各セット内の周波数値の間の値に設定するように適合される、ワイヤレス充電装置。
【請求項４】
少なくとも１つの送電アンテナに結合され、前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させるように動作可能な送電器と、
前記電磁放射を充電ゾーンに閉じ込めるように適合される導電構造と、
前記送電器と前記少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを検出するための検出器と
を備え、
前記検出器からの前記インピーダンス不整合の度合いを示す少なくとも１つの信号を受信するように前記検出器に結合されるコントローラを更に備え、
前記コントローラは、周波数範囲にわたり前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる送電周波数を変化させること、および前記周波数範囲全域の複数の周波数における前記インピーダンス不整合の度合いを測定することによって、前記インピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、充電プロセスを開始することによって前記周波数範囲よりも狭い周波数領域内の前記複数の周波数のセットの各々において前記インピーダンス不整合の度合いが前記閾値を下回ることに応答するように適合され、
前記コントローラは、前記充電プロセス中、前記インピーダンス不整合の度合いを監視し、
ａ）前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記電力レベルを変化させること、
ｂ）前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記周波数を変化させること、
ｃ）前記送電器および前記送電アンテナのインピーダンスを整合するために前記送電器および前記送電アンテナに結合される適応インピーダンス整合ユニットを制御すること、および
ｄ）アンテナアレイの少なくとも１つのアンテナを前記送電器に結合すること、および／または前記送電器に結合される適応インピーダンスアンテナのインピーダンスを適合させること
を含む方法の少なくとも１つによって前記インピーダンス不整合の度合いにおける変動に応答するように適合され、
前記コントローラは更に、前記送電器が前記少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる前記周波数を、前記２つのピークの１つに他方よりも近い値に調整することによって、インピーダンス不整合における変化に応答するように適合される、ワイヤレス充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本ＰＣＴ出願は、２０１３年８月１５日に出願された“Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｏｆ  Ｕｓｅ”と題された米国特許仮出願第６１／８６６，３３７号、および２０１４年６月１日に出願された“Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ  Ｏｆ  ＲＦ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｉｎ  Ａ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ”と題された米国特許仮出願第６２／００６，２０９号に対する優先権を主張し、それらの出願日および開示全体は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、装置のワイヤレス充電に関し、特に、送電装置から充電すべき受電装置への無線周波数信号を用いて効率的にエネルギを伝達することに関する。本発明はまた、ワイヤレス充電装置とともに用いるための受電器、およびワイヤレス充電装置および受電器を備えるワイヤレス充電システムにも関する。
【背景技術】
【０００３】
ワイヤレス充電システムは、送電ユニットと受電ユニットとの間の無線周波数電磁界によるエネルギの伝搬を利用するものであり、充電可能な装置内に組み込まれ、あるいは充電が必要な時にそのような装置に結合され得る。受電ユニットは、電磁界における電力レベルの変動、および送電ユニットとの距離の変化に対応しなければならない。
【０００４】
通常、受電ユニットのインピーダンスは、変動する電力レベル、および／または、受電ユニットと送電ユニットとの間の距離の変化によってもたらされ得る受電アンテナにおけるインピーダンスの変化を補正するために変化する。受電装置は、充電プロセスを通して充電の電流および電圧を制御するための充電管理ユニットを含むこともある。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によると、少なくとも１つの送電アンテナに結合され、少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させるように動作可能な送電器と、電磁放射を充電ゾーンに閉じ込めるように適合される導電構造と、送電器と少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを検出するための検出器とを備えるワイヤレス充電装置が提供される。
【０００６】
送電器と少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いを測定することによって、送電器は、ワイヤレス充電システム全体にわたるインピーダンス不整合を検出し得る。それによって、受電器自体の知能を必要とせずに、例えばバッテリ充電状態における変化に起因して受電器に生じる変動を考慮することが可能である。従って、所望によっては、受電器は完全に非能動的であってよい。
【０００７】
本明細書において「閉じ込める」とは、電磁放射が、自由空間において伝搬するように充電ゾーンを越えて自由に伝搬しないことを意味する。それは必ずしも、充電ゾーンを越えて伝搬する電磁放射がないことを意味するものではなく、例えば導電構造がファラデーケージである場合などもあり得る。
【０００８】
一実施形態において、導電構造は、その中に少なくとも１つの送電アンテナが位置付けられる無線周波数遮蔽構造であり、充電ゾーンは無線周波数遮蔽構造の内側容積内に位置する。
【０００９】
無線周波数遮蔽構造は、充電ゾーン内に充電すべき装置を挿入することができる取り外し可能部分を有してよい。無線周波数構造はファラデーケージであってよい。充電ゾーンは、内部容積全体か、あるいはその一部のみを占めてよい。充電すべき装置は通常、無線周波数遮蔽構造の内部容積内に挿入される前に、電磁放射を受け取るための受電器に結合されることになる。
【００１０】
別の実施形態において、導電構造は、その中に少なくとも１つの送電アンテナが位置付けられる部分的に閉じられた容積を定め、それは、部分的に閉じられた容積内に充電すべき装置を挿入することを可能にする開領域を有し、充電容積がその部分的に閉じられた容積の少なくとも一部を占める。
【００１１】
（以下で「充電ゾーン」とも称される）充電容積は、その全体が部分的に閉じられた容積内に位置するか、あるいは例えば開領域の近傍など部分的に閉じられた容積を越えて広がり得る。
【００１２】
また別の実施形態において、導電構造は、その上に少なくとも１つの送電アンテナが位置付けられる平面構造であり、それによって充電ゾーンは少なくとも１つの送電アンテナを取り巻く容積を占める。
【００１３】
充電すべき装置は、充電ゾーン内の平面構造上に載置され得る。充電ゾーンは、その全体が平面構造の上にあってよい。あるいは充電ゾーンは平面構造の端部に、またはそれを越えて広がり得る。
【００１４】
充電ゾーンは好適には、充電ゾーンの残りと比べて電磁放射が集中する領域が含まれる。この領域は最大エネルギ容積（ＭＥＶ）と称し、本明細書の後半部分で説明するが、ＷＯ２０１３／１７９２８４として公開されたＰＣＴ出願に詳しく示されており、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる。
【００１５】
少なくとも１つのアンテナはアンテナのアレイを備えてよく、その各々は、充電ゾーンを修正するための電磁放射を放出するために選択され得る。
【００１６】
アレイ内の各アンテナは、送電器内の専用電力増幅器に結合され得る。あるいはアレイ内の各アンテナは、単一の電力増幅器に切換え可能に結合され得る。充電ゾーンの修正は、充電ゾーンの位置および／または形状に対する修正を含んでよい。
【００１７】
少なくとも１つのアンテナは適応インピーダンス送電アンテナであってよく、そのインピーダンスは、充電ゾーンを修正するために可変である。
【００１８】
充電ゾーンの修正は、充電ゾーンの位置および／または形状に対する修正を含んでよい。
【００１９】
上述したような充電ゾーンの修正は、送電アンテナと受電器との結合の度合いに影響を及ぼす。従って、装置は、送電アンテナに対して受電器を正確に配置する必要なく、例えば周囲温度の変化や充電ゾーン内の寄生（すなわち、非充電可能）負荷の存在など他の要因を考慮に入れるように、送電器と受電器との結合の強度を高めることができる。
【００２０】
検出器は通常、少なくとも１つの送電アンテナへ伝送される入射電力および少なくとも１つの送電アンテナから受け取る反射電力を監視し、それらの比は、送電器と少なくとも１つの送電アンテナとのインピーダンス不整合を示す。
【００２１】
反射電力と入射電力との比は、反射係数Ｓ１１と同じである。比は、コントローラによって計算されるか、あるいは検出器自体によって導出されてよく、振幅および／または位相、またはその両方で称され得る。
【００２２】
ワイヤレス充電装置は通常、検出器からのインピーダンス不整合の度合いを示す信号を受け取るように検出器に結合されるコントローラを更に備える。
【００２３】
コントローラは、インピーダンス不整合の度合いから反射係数Ｓ１１を計算し、反射係数Ｓ１１が閾値を上回る場合、充電ゾーン内に充電すべき装置が不在であることを装置に表示させるように適合され得る。インピーダンス不整合が減少すると、Ｓ１１の値は増加し、ゼロデシベルに近づく傾向がある。これは、それが反射エネルギと伝送エネルギとの比の対数であるためである。これら２つの数が近づくと、Ｓ１１の値はゼロデシベルに近づく傾向がある。
【００２４】
コントローラは、周波数範囲にわたって送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる送電周波数を変化させること、および周波数範囲全域の複数の周波数でインピーダンス不整合の度合いを測定することによって、インピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され得る。
【００２５】
閾値は所定の値であり、充電装置の設定の一部であってよい。あるいは閾値は、充電セッションの状態に従ってコントローラによって設定され得る。
【００２６】
Ｓ１１パラメータは、様々な方法で文献に示される。本発明によると、Ｓ１１は、反射電力と入射電力との対数比として表される。従って、閾値もまた対数目盛として表され、閾値を下回る、または上回る値に対して設けられる基準も同じ対数目盛を参照する。従って、反射係数Ｓ１１は通常、インピーダンス不整合の度合いの測定値として用いられることになる。
【００２７】
コントローラは、充電ゾーン内の非充電可能な寄生負荷の存在を装置に表示させることによって、複数の周波数の少なくともいくつかにおいてインピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され得る。このように、コントローラはこの方法で、複数の周波数の各々においてインピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され得る。
【００２８】
コントローラは、充電プロセスを開始することによって周波数範囲よりも狭い周波数領域内の複数の周波数のセットの各々においてインピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され得る。周波数領域は、周波数範囲内の周波数の連続的波及を定める。
【００２９】
この場合、コントローラは、充電プロセスの開始時、インピーダンス不整合の度合いがピークを示す電力レベルを決定するためにインピーダンス不整合の度合いを監視し、その後電力レベルをその値に設定すると同時に、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる電力レベルを修正するように更に適合され得る。
【００３０】
更に、コントローラは、充電プロセス中、インピーダンス不整合の度合いを監視し、ａ）送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる電力レベルを変化させること、ｂ）送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる周波数を変化させること、ｃ）送電器および送電アンテナのインピーダンスを整合するために、送電器および送電アンテナに結合される適応インピーダンス整合ユニットを制御すること、およびｄ）アンテナアレイの少なくとも１つのアンテナを送電器に結合すること、および／または適応インピーダンスアンテナのインピーダンスを適合させることを含む方法の少なくとも１つによって、インピーダンス不整合の度合いにおける変化に応答するように適合され得る。
【００３１】
一例として、ワイヤレス充電装置に電磁的に結合される受電器に接続されたバッテリの充電が進行すると、通常、インピーダンス不整合は増加し、コントローラは、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる電力レベルおよび／または適応インピーダンス整合を変更／修正することによってこれに応答し得る。
【００３２】
コントローラは、複数の周波数の２つのセットの各々においてインピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合されてよく、各セットは、複数の装置の充電プロセスを開始することによって周波数範囲よりも狭い周波数領域内にある。
【００３３】
この場合、コントローラは、充電プロセスの開始時、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる周波数および電力レベルを、インピーダンス不整合がピークを示す各セット内の周波数値の間の値に設定するように更に適合され得る。周波数および電力レベルの変更に加え、コントローラは更に、送電器と送電アンテナとの適応インピーダンス不整合を調整してよく、および／または、適応インピーダンスアンテナが充電装置内に組み込まれる場合、適応インピーダンスアンテナのインピーダンスを更に適合させてよい。
【００３４】
コントローラは更に、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる周波数および電力レベルを、２つのピークの１つに他方よりも近い値に調整すること、および／または適応インピーダンスアンテナのインピーダンスを適合させることによって、インピーダンス不整合における変化に応答するように適合され得る。
【００３５】
コントローラは更に、電力レベルを開始値に戻す前の所定の期間、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる電力レベルを開始値から減少させるように適合され得る。
【００３６】
これは、後に詳述するように、ワイヤレス充電装置と受電器との間に相互作用が一切なくとも、全てがワイヤレス充電装置による挿入ロスＳ２１の測定を可能にする。
【００３７】
本発明の第２の態様において、充電可能ユニットを充電するためのワイヤレス充電装置が提供され、装置は、充電可能ユニットへエネルギを伝送するための送電アンテナに結合される電力送電器と、送電アンテナの反射係数Ｓ１１を監視するためのモニタと、ａ）電力送電器が送電アンテナにエネルギを伝送させる電力レベルを変化させること、ｂ）電力送電器が送電アンテナにエネルギを伝送させる周波数を変化させること、ｃ）送電器および送電アンテナのインピーダンスを整合するために電力送電器および送電アンテナに結合される適応インピーダンス整合ユニットを制御すること、およびｄ）アンテナアレイの少なくとも１つのアンテナを電力送電器に結合すること、および／または電力送電器に結合される適応インピーダンスアンテナのインピーダンスを適合させることを含む方法の少なくとも１つによって、監視されたＳ１１値に応答するように適合されるコントローラとを備える。
【００３８】
本発明の第３の態様において、第１および第２の態様のいずれかに係るワイヤレス充電装置と併用するための受電器が提供され、受電器は、受電アンテナと、受電アンテナからの電気信号を受け取り、電気信号を負荷への充電すなわち電力供給に適した形式に調整するように適用される電力調整回路と、使用中、電力調整回路を負荷に結合するためのコネクタとを備える。
【００３９】
通常、電力調整回路は、交流（ＡＣ）電気信号をバッテリの充電に適した直流（ＤＣ）に調整する。
【００４０】
電力調整回路は、受動電気部品のみを有するインピーダンス整合回路を備え得る。
【００４１】
受電器は更に、電力調整回路によって受電アンテナからの電気出力を受け取ることを中断するためのスイッチを備え得る。
【００４２】
これは、後に詳述するように、ワイヤレス充電装置と受電器との相互接続が一切なくとも、全てがワイヤレス充電装置による挿入ロスＳ２１の測定を可能にする別の方法である。
【００４３】
本発明の第４の態様において、第１および第２の態様のいずれかに係るワイヤレス充電装置と、第３の態様に係る少なくとも１つの受電器とを備えるワイヤレス充電システムが提供される。
【００４４】
充電ゾーンは、充電ゾーンの残りと比べて電磁放射が集中する領域を含む。
【００４５】
この領域は、上述の最大エネルギ容積である。これは、充電ゾーン内の受電ユニットの位置に伴って、受電器によって受け取られる電力レベル（これは受電器内の電力調整回路の動作点による）および送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる周波数や送電器と送電アンテナとのインピーダンス不整合の度合いの変化に伴って、および／または充電プロセス中の適応インピーダンスアンテナの適合されたインピーダンスによって、（充電ゾーンに伴って）移動し、および／または形状を変化させる。
【００４６】
ワイヤレス充電装置内のコントローラは更に、インピーダンス不整合の度合いの変化を監視することによって受電器に結合される充電可能ユニット内のバッテリの充電状態を監視し、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる電力レベルおよび／または周波数を変化させ、および／または適応インピーダンスアンテナを適合させ、および／または送電器および送電アンテナのインピーダンスを整合するために送電器および送電アンテナに結合される適応インピーダンス整合ユニットを制御するように適合され得る。
【００４７】
ワイヤレス充電装置内のコントローラは更に、電力レベルを開始値に戻す前の所定の期間、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに電磁放射を放出させる電力レベルを開始値から減少させるように適合され得る。
【００４８】
これは、後に詳述するように、ワイヤレス充電装置と受電器との間に相互作用が一切なくとも、全てがワイヤレス充電装置による挿入ロスＳ２１の測定を可能にする。
【００４９】
ワイヤレス充電装置内のコントローラは、所定の期間中および所定の期間より前のＳ１１の値の差と、所定の期間より前のＳ１１の値との比を計算することによって、挿入ロスＳ２１値を決定するように適合され得る。所定の期間中および所定の期間より前のＳ１１の値の差は、充電中の装置によって実際に受け取られるエネルギの表示を提供し、この差と所定の期間より前のＳ１１の値との比の計算の結果、挿入ロスＳ２１の表示がもたらされる。
【００５０】
本発明は、（通常、送電電力および反射電力を監視および分析することによって）インピーダンス不整合の度合いを検出することによって、充電ユニットと受電器との最適な結合を保証するために受電器に伝送されるエネルギの周波数および／または電力を制御してよく、それによって、充電ユニットから受電器への効率的な電力伝送を保証する。
【００５１】
これらの問題および現在使用可能な解決策に関する他の起こり得る問題に対処するために、本主題事項の１または複数の実装は、考えられる利点の中でもとりわけ、受電ユニット内のあらゆる能動部品（ＣＰＵ、コントローラなど）の必要性を排除する充電可能装置および充電ユニットに関する非能動的基本設計を提供し得る方法、システム、物品、または製品などを提供する。システムおよび方法は、受電ユニット内に能動ユニットや制御ユニットを含む必要性がなく受動的かつ基本的な受電ユニットを使用し得る。本主題事項の実装の利点は、エネルギ転送効率の向上、電力消費の低減、および充電すべき装置や充電ユニットの回路および設計のサイズおよび複雑性の低減を含み得る。
【００５２】
本明細書に組み込まれ、その一部をなす添付図面は、本明細書に開示される主題事項の特定の態様を示し、その説明とともに、開示される実装に関連する原理の一部を説明する助けとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】装置をワイヤレス充電するためのワイヤレス充電システムの構成要素を示す略図である。
【図２】充電ゾーン内に位置する、充電不足の装置またはバッテリを備える、図１のワイヤレス充電システムを示す略図である。
【図３】詳細な構成要素の表現を伴う、図１のワイヤレス充電システムを示す略図である。
【図４Ａ】図３の閉導電ワイヤレス充電装置を示す略図である。
【図４Ｂ−１】充電ゾーンのサイズ、形状、および位置や最大エネルギ容積に周囲の環境要因が及ぼし得る影響を示す略図である。
【図４Ｂ−２】充電ゾーンのサイズ、形状、および位置や最大エネルギ容積に周囲の環境要因が及ぼし得る影響を示す略図である。
【図４Ｃ−１】充電ゾーンのサイズ、形状、および位置や最大エネルギ容積に周囲の環境要因が及ぼし得る影響を示す略図である。
【図４Ｃ−２】充電ゾーンのサイズ、形状、および位置や最大エネルギ容積に周囲の環境要因が及ぼし得る影響を示す略図である。
【図５】２つの送電サブユニットおよび２つの送電アンテナを有する送電ユニットを備える充電システムを示す略図である。
【図６】受電アンテナからの同じ距離を維持しつつアンテナのサイズおよびインピーダンスを変化させることができるように構成される適応インピーダンス送電アンテナを備えるワイヤレス充電システムを示す略図である。
【図７】図１の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図８】図１の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図９】図１の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１０】図１の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１１】図１の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１２】充電不足の装置が充電ゾーン内に位置する図２の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１３】充電不足の装置が充電ゾーン内に位置する図２の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１４】充電不足の装置が充電ゾーン内に位置する図２の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１５】充電不足の装置が充電ゾーン内に位置する図２の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１６】充電不足の装置が充電ゾーン内に位置する図２の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１７Ａ】図１７Ａおよび図１７Ｂは、それぞれ図１および図２に示す２つの構成に係る、図３の充電システムの送電ユニットと受電ユニットとの間のエネルギ転送効率を示すグラフである。
【図１７Ｂ】図１７Ａおよび図１７Ｂは、それぞれ図１および図２に示す２つの構成に係る、図３の充電システムの送電ユニットと受電ユニットとの間のエネルギ転送効率を示すグラフである。
【図１８】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１９】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２０】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２１】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２２】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２３】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２４】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２５】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２６】２つの送電サブユニットを伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示し、両方のユニットが充電ゾーン内に位置し、かつ送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が存在する場合の、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２７Ａ】送電ユニットと受電ユニットとの間のエネルギ転送効率を示す略図である。
【図２７Ｂ】送電ユニットと受電ユニットとの間のエネルギ転送効率を示す略図である。
【図２８】図６の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図２９】図６の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図３０】図６の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図３１】図６の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図３２】図６の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図３３】送電ユニットと受電ユニットとの間のエネルギ転送効率を示すグラフである。
【図３４】システムの電磁パラメータが全て設定された後に実行される適応インピーダンス整合プロセスの後の図１のワイヤレス充電システムの略図である。
【図３５】システムの電磁パラメータが全て設定された後に実行される適応インピーダンス整合プロセスの後の図１のワイヤレス充電システムの略図である。
【図３６】システムの電磁パラメータが全て設定された後に実行される適応インピーダンス整合プロセスの後の図１のワイヤレス充電システムの略図である。
【図３７】システムの電磁パラメータが全て設定された後に実行される適応インピーダンス整合プロセスの後の図１のワイヤレス充電システムの略図である。
【図３８】システムの電磁パラメータが全て設定された後に実行される適応インピーダンス整合プロセスの後の図１のワイヤレス充電システムの略図である。
【図３９】充電シナリオ下にある複数の装置における２つの受電器に関するリターンロスを示すグラフである。
【図４０】充電シナリオ下にある複数の装置における２つの受電器に関するリターンロスを示すグラフである。
【図４１】送電ユニットリターンロスを示すグラフである。
【図４２】リターンロス図における両方の受電ユニットに理想的な共通コンプライアンス点を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
実用に際して、同様の参照番号は同様の構成、特徴、または要素を表す。
【００５５】
本明細書で説明される主題事項は、装置をワイヤレス充電するためのシステムおよび方法に関する。無線周波数エネルギは、装置に電力を供給するためにワイヤレス伝達され得る。電磁エネルギは、充電ユニットから伝送され、充電中の装置で受け取られ、装置のバッテリを充電するために適した直流（ＤＣ）電圧に変換され得る。エネルギ転送および充電プロセス中のエネルギロスを最小化するために、ワイヤレス充電システムにおける電力転送効率を向上させる必要がある。これは、ワイヤレス充電中の装置への充電を実行しているユニットによってエネルギ転送プロセスを制御し適合させることによって実現され得る。
【００５６】
電力転送効率は、電磁エネルギを受け取る装置のアンテナにおけるインピーダンスを様々な入力電力レベルに調整するために用いられ得る適応インピーダンス整合回路を用いて向上させることができる。適応インピーダンス整合は、ＲＦからＤＣへの変換効率を最大に維持するために充電ユニットをその最適動作点に保つために、能動手順を必要とする。
【００５７】
当業界において、ワイヤレス充電に用いられる装置および構成要素の複雑性を最小限にし、また、充電すべき装置内の受信回路の電力消費を最小化するという需要がある。
【００５８】
以下は、本主題事項を実際に実行する１つの方法を、単に例示として、図式的表現である添付図面を参照して説明するものである。
【００５９】
図１は、装置をワイヤレス充電するためのワイヤレス充電システム１００の構成要素を示す略図である。システム１００は、少なくとも送電ユニット１０１および少なくとも１つの受電ユニット１０２を含んでよい。
【００６０】
送電ユニット１０１は、別の装置をワイヤレス充電するために用いられる充電装置であってよい。あるいは送電ユニット１０１は、充電装置の構成要素であってよい。送電ユニット１０１は、少なくとも送電アンテナ１１０および送電サブユニット１１２を含んでよい。送電サブユニット１１２は、周波数範囲内の異なる様々な周波数で無線周波数（ＲＦ）信号を生成し、送電アンテナ１１０へＲＦ信号を転送するように構成され、動作可能であってよい。送電アンテナ１１０はその後、充電ゾーン内に物理的に存在する受電アンテナ１２０へＲＦ信号を伝送してよい。
【００６１】
受電ユニット１０２は、充電可能な装置である。あるいは受電ユニット１０２は、充電され得る装置（充電不足の装置「ＤＵＣ」）３００の構成要素であるか、またはそれに結合され得る。受電ユニット１０２は、少なくとも受電アンテナ１２０および受電サブユニット１２２を含んでよい。受電ユニット１０２は、任意選択的な二次電池すなわちバッテリ１２４に機能的に接続され得る。受電ユニット１０２および二次電池１２４は、好適には、充電不足の装置（ＤＵＣ）３００内に位置する。代替的な実装では、受電ユニット１０２および二次電池１２４は、充電不足の装置３００の外側に位置してよく、ケーブルやコネクタなどによって充電不足の装置３００に物理的に接続され得る。受電サブユニット１２２は、受電アンテナ１２０からのＲＦ信号を受け取るように構成され動作可能であってよく、それをＤＣ電力に変換し得る。
【００６２】
「受電ユニット」という用語は、送電ユニットから伝送される電磁エネルギを受け取り、受け取ったエネルギを、二次電池を充電する、および／または電子装置を動作させるのに適したＤＣ電圧に変換するように構成され動作可能なユニットおよび回路を指す。
【００６３】
図１において、装置３００およびバッテリ１２４は、ワイヤレス充電システム１００の充電ゾーン１３０の外側に配置されるように示される。この構成において、受電ユニット１０２を含む装置３００は、主に送電アンテナ１１０に関して定められ得る充電ゾーン１３０の外側に位置する。このシナリオでは、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との結合は存在せず、アンテナ間の相互作用が存在しない。その結果、機能的な充電は生じないであろう。
【００６４】
図２は、充電不足の装置３００（またはバッテリ）が充電ゾーン１３０内に配置された、図１のワイヤレス充電システムの一部を示す略図である。このシナリオでは、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間に結合および相互影響が存在する。このように、充電ユニットからの無線周波数エネルギは、近接場および／または結合領域内の受電ユニットに接続されたバッテリのエネルギ転送および充電プロセスを監視、調整、および制御する機能を備える受電ユニットに伝送され得る。充電ユニット内の送電ユニット１０１、および充電不足の装置に取り付けられ／装置内に備えられる受電ユニット１０２が、互換性ワイヤレス充電プロトコルを用いて実装される限り、受電ユニットは、充電のためのインタフェースおよび互換コネクタを接続する必要なく充電され得る。代わりに、非能動受電ユニットは、ワイヤレス充電ゾーン１３０内に配置されることのみが必要である。
【００６５】
受電ユニット１０２は、能動／適応型／プログラム素子の必要性を充電すべき装置の受電ユニット１０２から排除してよいように実装され得る。送電ユニット１０１から受電ユニット１０２へのエネルギ転送、および受電ユニットによる二次電池の充電プロセスは、送電プロファイルをシステム全体の条件および要件に適合させることによって全体的に制御および管理され得る。
【００６６】
ワイヤレス充電システムにおける送電ユニット１０１から受電ユニット１０２へのエネルギ転送プロセスは、送電ユニット内、好適にはワイヤレス充電装置内に機能的に配置される制御ユニットを介して、受電ユニットによって二次電池の充電プロセス全体を監視するために制御および適合され得る。
【００６７】
エネルギ転送効率は、充電プロセス中、所与の状況に関して、送電ユニットと受電ユニットとの間の最大電力転送効率をリアルタイムで維持することによって向上し得る。従って、充電プロセスはリアルタイムで更新され得る。
【００６８】
電力消費は、電源回路の動作に必要な受電ユニット内の能動ユニットを排除することによって低減され得る。能動ユニットが存在する場合、受電器は、バッテリを充電するために必要な電力量を上回る電力を消費し得る。従って、非能動受電部品は、電力消費が大幅に低減されることを可能にし得る。更に、充電プロセスは必ずしも一定の電力量を用いて実行されるわけではないので、電力消費が低減され得る。むしろ充電は、リアルタイムでバッテリ充電プロファイルおよび条件を調整してそれに従い、供給される電力は、特定の時点で必要な電力量丁度である。それによって、余分な電力が浪費されずエネルギが節約される。
【００６９】
多くの更に小さな装置内に収まるように、受電ユニット１０２は可能な限り小さい必要がある。例えば、人間の耳に収まり得る補聴器に取り付けられるほど小さい。能動部品は、管理のためのコントローラ／ＣＰＵを必要とするため、小さな回路や小さなチップに能動部品を設計および実装することは困難である。従って、受動受電部品を用いると、回路およびチップのサイズ要件が低減され得る。
【００７０】
図３は、詳細な構成要素の表現を伴う、図１のワイヤレス充電システムを示す略図である。送電ユニット１０１の送電サブユニット１１２は、少なくとも送電器１１３、コントローラ１１４、（例えば双方向結合器などの）反射係数／リターンロス（Ｓ１１）モニタ１１６、およびＡＩＭ（適応インピーダンス整合）ユニット１１８を含んでよい。Ｓ１１モニタ１１６は、送電器１１３に動作可能に接続されてよく、送電器１１３からの信号およびデータを受け取り得る。Ｓ１１モニタはまた、ＡＩＭユニット１１８に動作可能に接続されてよく、ＡＩＭユニット１１８からの信号およびデータを受け取り、またＡＩＭユニット１１８へ信号およびデータを伝送し得る。Ｓ１１モニタはその後、送電器リターンロスＳ１１を測定および監視するために送電器１１３および／または送電アンテナ１１０から受け取る信号およびデータを用い得る。Ｓ１１モニタ１１６はまた、コントローラ１１４に動作可能に接続され得る。またコントローラ１１４およびＡＩＭユニット１１８は互いに動作可能に接続されてよく、それによってＳ１１モニタ１１６と、コントローラ１１４と、ＡＩＭユニット１１８との間のフィードバックループを生成し、それによってＳ１１モニタ１１６、ＡＩＭユニット１１８、およびコントローラ１１４は、インピーダンスを適合させ、従って送電器１１３のＳ１１リターンロスを適合させ得る。送電器１１３、Ｓ１１モニタ１１６、コントローラ１１４、およびＡＩＭユニット１１８は、プロセッサおよびプログラム可能命令を含む１つの演算装置に実装され得ることが理解される。あるいは、上記の構成要素は、各々がプロセッサおよびプログラム可能命令を含む複数の接続された演算装置に実装され得る。
【００７１】
更に詳細には、送電サブユニット１１２は、Ｓ１１モニタ１１６（双方向結合器）および適応インピーダンス整合ユニット１１８を介して送電アンテナ１１０に結合された送電器１１３を備える。（適切に構成されたマイクロコントローラやフィールドプログラマブルゲートアレイなどの）コントローラ１１４は、Ｓ１１モニタ１１６からのＳ１１の値を示す信号を受け取り、送電器１１３によって送電アンテナ１１０および結果的に適応インピーダンス整合ユニット１１８へ発行される信号の周波数および電力を制御する。
【００７２】
コントローラ１１４は、送電アンテナ１１０がアンテナのアレイである場合、送電器１１３からの信号を伝送するために異なるまたは追加の送電アンテナ素子を選択してもよい。同様に、アンテナ１１０のインピーダンスは、それが適応インピーダンスアンテナである場合、変化し得る。いずれの場合も、それは、充電ゾーンの形状およびサイズの制御をもたらす。
【００７３】
Ｓ１１の値、および周波数および／または電力によるその変動を監視することによって、コントローラ１１４は、充電ゾーン内の装置が寄生負荷であるか、充電されることができる正規装置、すなわち受電ユニット１０２であるかを判定し得る。
【００７４】
受電ユニット１０２は、（それが充電ゾーン内にある場合）送電ユニット１０１から伝送される電磁エネルギを受け取り、それを、受電器１２３内の二次電池１２４を充電するために適した形式に変換する。受電器１２３は、この機能を実行する電力調整回路を備える。通常、電力調整回路は、受電アンテナ１２０のインピーダンスを二次電池１２４の充電のための充電回路のインピーダンスと整合するための受動回路を備える。充電回路は通常、アンテナ１２０から受け取った交流信号を整流し、二次電池１２４の充電に適した直流に変換するために、例えば整流ダイオードなどの能動回路を備える。
【００７５】
受電ユニット１０２の受電サブユニット１２２は、少なくとも受電器１２３を含んでよい。受電サブユニット１２２は、受電アンテナ１２０に接続され得る。受電ユニット１０２は、二次電池／バッテリ１２４に機能的に接続され得る。またこの図には充電ゾーン１３０も示され、充電不足の装置３００の充電を可能にするためにゾーン内に受電アンテナが存在しなければならない。
【００７６】
送電ユニット１０１の設計に含まれ得る構成要素は、それぞれのインピーダンスを有し得る。例えば、送電アンテナ１１０は「Ｚｔａ」で表されるインピーダンスを有し、送電器１１３は「Ｚｔｒａｎ」で表されるインピーダンスを有し得る。送電ユニット１０１は、「Ｚｔｘ」で表されるトータルインピーダンスを有し得る。送電ユニット１０１の一部であり得る様々な構成要素間のインピーダンスの不整合や他の要因の結果、送電ユニット１０１は、送電ユニット１０１から信号を伝送する際、「Ｓ１１」で表されるリターンロスを有し得る。すなわち「Ｓ１１」は、信号または電力を伝送する際の送電ユニット１０１のリターンロス全体を表し得る。
【００７７】
同様に、受電ユニット１０２の設計に含まれ得る構成要素は、それぞれのインピーダンスを有し得る。例えば、受電アンテナ１２０は「Ｚｒａ」で表されるインピーダンスを有し、（バッテリ１２４を含む）受電器１２３は「Ｚｒｅｃｖ」で表されるインピーダンスを有し得る。受電ユニット１０２は、「Ｚｒｘ」で表されるトータルインピーダンスを有し得る。受電ユニット１０２の一部であり得る様々な構成要素間のインピーダンスの不整合や他の要因の結果、受電ユニット１０２は、信号を受け取る際、「Ｓ２２」で表されるリターンロスを有し得る。すなわち「Ｓ２２」は、信号または電力を受け取る際の受電ユニット１０２のリターンロス全体を表し得る。
【００７８】
充電装置は、実際にＳ２２の測定値を出すのではなく、Ｓ１１の測定値のみによって機能することに留意することが重要である。Ｓ２２の測定は、受電ユニット１０２における追加の機能、および送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との間の通信を必要とするであろう。充電ゾーン内に受電ユニット１０２が存在しない場合、送電器１１３から伝送されるエネルギ全体が反射される。しかし、充電ゾーン内に受電ユニット１０２が存在する場合、それが送電器１１３からのエネルギを受け取り、反射エネルギの量は著しく低減する。これは、送電サブユニット１１２内のＳ１１モニタ１１６を用いてＳ１１のみから検出可能である。従って、Ｓ２２を測定する必要はないが、その作用はＳ１１の測定値から（本明細書に示されるように）推測され得る。
【００７９】
内部送電ユニット１０１ロス（Ｓ１１）および内部受電ユニット１０２ロス（Ｓ２２）に加えて、信号が送電ユニット１０１から受電ユニット１０２へ伝送される際、送電ユニット１０１トータルインピーダンス（Ｚｔｘ）と受電ユニット１０２トータルインピーダンス（Ｚｒｘ）との不整合インピーダンスに起因する追加のロスが存在し得る。これらの挿入ロスは、それぞれ「Ｓ２１」および「Ｓ１２」と表され得る送電ユニットと受電ユニットとの間の信号の転送効率に影響を及ぼす。
【００８０】
充電プロセスの開始時、送電ユニット１０１は、ある特定の周波数、および受電ユニット１０２の周波数に整合するように構成され得る。この動作状態において、リターンロスＳ１１およびＳ２２の値は、伝送信号から反射している戻り波が小さいために小さくなり得る。従って、伝送された信号が全て、あるいはほぼ全て転送され、受電アンテナ１２０によって受け取られるため、転送効率Ｓ２１およびＳ１２の値は高い。二次電池１２４が電荷を蓄積し抵抗を得る充電プロセス中、受電器１２３のインピーダンスは変化し得るので、その結果、受電ユニット１０２のトータルインピーダンス（Ｚｒｘ）も変化し、それに伴い受電ユニットロスＳ２２の値が変化する。システム１００において受電ユニット１０２および送電ユニット１０１は互いに非常に近接して動作するので、受電ユニットロスＳ２２の値における変化は、転送効率Ｓ２１およびＳ１２の値、および送電ユニットロスＳ１１の値に影響を及ぼす。その結果、システム１００はインピーダンス不整合になるので、伝送された信号の跳ね返りを招くことがあり、ロスが増加し、充電プロセスの効率の低下がもたらされる。
【００８１】
受電ユニット１０２のトータルインピーダンス（Ｚｒｔ）は、多数の要因によって影響を及ぼされ得る。それらの要因は、充電負荷（二次電池１２４）のあらゆる状態変化、あるいは、動作的または電気的変化（例えば、電流、電圧、またはインピーダンス）や機械的変化（例えば、温度や、その存在を理由としてアンテナインピーダンス（Ｚｒａ）における変化をもたらし得る受電アンテナの近傍に配置される他の物理的対象物）による受電ユニット１０２のあらゆるオフセットを含んでよい。このように、受電ユニットのトータルインピーダンス（Ｚｒｔ）に生じるあらゆる変化が、受電ユニットのリターンロス（Ｓ２２）における変化をもたらし得る。
【００８２】
更に、受電ユニット１０２リターンロス（Ｓ２２）の変化は、アンテナとユニット全体との間の転送効率（Ｓ２１）に関する結合係数を変化させ得る。変更された結合係数（Ｓ２１’）は送電ユニット１０１へ反映されてよく、その結果、リターンロス（Ｓ１１’）および送電ユニット１０１のインピーダンス（Ｚｔｘ’）を変化させ得る。よって、変更された送電ユニットリターンロス（Ｓ１１’）に起因する送電ユニットのインピーダンス（Ｚｔｘ’）の変化は、送電器インピーダンス（Ｚｔｒａｎ）と送電アンテナ（Ｚｔａ）とのインピーダンス不整合を招き得る。
【００８３】
この不整合インピーダンス状態を防ぐため、またシステム１００を整合した高い転送効率状態に保つために、方法は、送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との作用的電磁接続を復号することによって二次電池１２４の充電プロセスを監視および制御するために、本主題事項に従って実行され得る。これは、送電器インピーダンス（Ｚｔｒａｎ）と送電アンテナインピーダンス（Ｚｔａ）とのインピーダンス不整合を招く送電ユニットリターンロス（Ｓ１１およびＳ１１’）を監視する送電ユニット１０１のコントローラによって実現され得る。コントローラは、二次電池１２４、受電器１２３、および受電アンテナ１２０のロス、および受電ユニット１０２の全体の状態を監視し得る。
【００８４】
充電プロセス中Ｓ１１モニタ１１６によって測定されるＳ１１の値は、このパラメータの値における変化を検出すると、Ｓ１１およびＳ２２の値が減少するように送電ユニット１０１のインピーダンスを整合するために適応インピーダンス整合（ＡＩＭ）ユニット１１８を制御することができるコントローラ１１４へ伝達され得る。その結果、結合係数は、高い転送効率（Ｓ２１／Ｓ１２）状態に戻され得る。コントローラ１１４は更に送電器１１３に接続され、検出された充電プロセスの状態および二次電池１２４の特定の需要およびその充電プロファイルに従って送電プロファイルを制御するように構成され得る。
【００８５】
従って、得られた情報に基づいて、コントローラ１１４は、送電器１１３インピーダンス（Ｚｔｒａｎｓ’）と送電アンテナ１１０インピーダンス（Ｚｔａ’）との間のインピーダンス整合ネットワークにおける必要な変更を追跡および実行し得る。このように、受電ユニット１０２は、自身の新たな条件／要件に従って二次電池１２４を充電するために必要な電力量を供給されてよく、送電ユニットと受電ユニット、および送電アンテナと受電アンテナとの間で最も高い転送効率係数（Ｓ２１）が実現され（強い結合係数を維持し）得る。
【００８６】
図４Ａは、図３の閉導電ワイヤレス充電装置の実装を示す略図である。システム４００は、送電アンテナ１１０を有する図３の送電ユニット１０１（不図示）を含む、閉充電装置４１０を含む。充電ゾーン１３０は円柱容積として示される。最適な充電容積である、最大エネルギ容積（ＭＥＶ）１３２が示される。充電ゾーンは、充電が生じ得る面積または容積（すなわち、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との結合）である。閉充電装置４１０において、装置４１０の寸法および形状は、送電周波数に基づいて、充電ゾーン１３０を定め得る。充電ゾーン１３０内で、最大エネルギ容積（ＭＥＶ）１３２が生じてよく、これは、送電アンテナによって伝送される総エネルギから最大エネルギが集中し得る容積である。従って、充電ゾーン１３０内で充電が生じ得る間、最大エネルギ容積（ＭＥＶ）１３２は、充電が物理的に生じ得る機能領域である。ＭＥＶ１３２は、使用されているアンテナの種類、すなわち、それらのインピーダンスやアンテナ間の距離、および充電の頻度にも影響される。
【００８７】
充電プロセスは、参照によって本明細書に組み込まれる、同発明者のＷＯ２０１３／１７９２８４号に示されるように、閉ワイヤレス充電装置４１０において実行され得る。本発明の他の態様によると、充電は、図４Ｂ−１、図４Ｂ−２、図４Ｃ−１、および図４Ｃ−２に示すような半閉ワイヤレス充電装置または開充電台で行われてよい。これらの図は、同じ送電アンテナ１１０および受電アンテナ１２０の構成に関して、周囲の環境要因が充電ゾーン１３０のサイズ、形状、および位置や最大エネルギ容積ＭＥＶ１３２にもたらし得る影響を示す略図である。図４Ｂ−１および図４Ｂ−２は半閉充電装置４２０を示し、図４Ｂ−２は充電ゾーン１３０の位置を示す。図４Ｃ−１および図４Ｃ−２は充電台４４０を示し、図４Ｃ−２は複数の充電ゾーン１３０の位置を示す。閉充電装置では、半閉充電装置および開充電台と比べて、充電ゾーンの寸法がワイヤレス充電装置のサイズによって制限される。図４Ｂ−２および図４Ｃ−２は、充電ゾーン１３０内で充電すべき装置の様々な位置に対応するようにコントローラ１１４によってなされる調整の影響を受けて充電ゾーン１３０がどのように移動し、および／または容積を変化させ得るかを示す。
【００８８】
閉電磁導電充電装置４１０において、次の３つの基本的配慮が考慮され得る。閉充電装置の内部空間設計（すなわち、サイズおよび形状）が送電周波数に適さなければならず、閉充電装置４１０が二次電池または充電不足の装置３００に適合する寸法を有さなければならず、閉充電装置４１０の内部空間の寸法が充電ゾーン１３０に対応するように適さなければならない。
【００８９】
配慮され得る別のパラメータは、送電アンテナ１１０および受電アンテナ１２０の特性に関する。これらのアンテナ特性は、送電ユニット１０１から受電ユニット１０２へＲＦエネルギを伝達するために選択される周波数で動作可能であること、および、充電ゾーン内でアンテナが互いに相互影響を有し得るように、充電ゾーン１３０内で動作可能であることを含んでよい。
【００９０】
本主題事項の別の実装によると、送電ユニット１０１は、充電ゾーン１３０内の少なくとも１つの充電すべき装置を認識し得る。従って、本主題事項のシステムおよび方法は、充電装置４１０が空であるか、あるいは充電すべき装置が充電ゾーン１３０内に存在するかを認識し得る。
【００９１】
送電ユニット１０１および受電ユニット１０２が互いに隣接しない場合、送電器１１３がＲＦエネルギを伝送させず、受電器１２３がＲＦエネルギを受け取らず、リターンロスパラメータＳ１１およびＳ２２の値はいずれも０ｄｂになることがある。
【００９２】
送電器１１３が送電アンテナ１１０に接続される場合、充電ゾーン１３０は、送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との間で可能な接続が確立され得る容積によって定められ得る。この電位量は、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間の「有効距離」に依存する。本明細書で用いられる「有効距離」とは、受電アンテナ１２０の存在が送電アンテナ１１０に電磁的に影響を及ぼし得る、またその逆も同様の、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間の最大距離を意味する。有効距離は、充電ゾーン１３０を定める外周である。アンテナの充電ゾーンは、アンテナの周囲環境によって影響を及ぼされることもあり、同じアンテナが様々な環境において様々な充電ゾーンを生じ得る。例えば様々な環境は、それぞれ図４Ａ〜図４Ｃに示すような閉金属ボックス、半閉金属ボックス、および開充電ボックスを含んでよい。この送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との相互影響は、周囲環境における様々な条件を識別するために用いられ得る。
【００９３】
送電ユニット１０１を含むが、充電不足の装置３００（ＤＵＣ）または別の対象物を内部に有さない（すなわち、受電ユニット１０２が存在しない）閉充電装置４１０において、送電アンテナ１１０のインピーダンス（Ｚｔａ）は不整合である。送電アンテナ１１０インピーダンス（Ｚｔａ）は非常に低くなり、ゆえに送電ユニットリターンロスＳ１１はゼロになる傾向がある。
【数１】
2019050728.tif 000003
式中、Ｐｆは伝送される順方向電力であり、Ｐｂは送電ユニット１０１へ反射されて戻る逆方向電力である。（すなわち、送電アンテナ１１０は任意の消費装置に結合されていないので、送電ユニット１０１と不整合になり得る）。従って、伝送されるべき入射電力（順方向）全てが送電ユニット１０１へ（逆方向に）反射される。このシナリオでは、充電不足の装置（ＤＵＣ）３００は、充電装置４１０の外側に配置される。従って、受電アンテナ１２０は任意の送電アンテナ１１０に結合されないので、受電アンテナのインピーダンス（Ｚｒａ）は不整合である。受電アンテナインピーダンスＺｒａは非常に高くなり、
【数２】
2019050728.tif 000004
である。
【００９４】
送電ユニットリターンロスＳ１１値がゼロである場合、送電ユニット１０１のコントローラ１１４は、この状況を、近傍における充電すべき装置の不在と解釈する。更に、コントローラ１１４は、送電ユニットリターンロスＳ１１の値がゼロに等しいと判定すると、充電すべき装置３００が充電ゾーン１３０の外側にある（Ｓ２２＝０ｄｂ）と判断し得る。
【００９５】
充電不足の装置（ＤＵＣ）３００または受電ユニット１０２に接続されたバッテリを閉充電装置４１０内に載置すると、送電ユニット１０１から受電ユニット１０２へのＲＦエネルギの伝送が可能になる。送電アンテナ１１０および受電アンテナ１２０は互いに相互影響を有してよく、それらのインピーダンスＺｔａおよびＺｒａは変化し得る。アンテナ間の結合が確立されてよく、以下のようにユニット間の最大エネルギ転送を可能にし得る送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との整合条件をもたらし得る。
【００９６】
一旦、アンテナ間の相互影響に起因して送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との結合が生じると、各アンテナのインピーダンスは変化し得る。送電アンテナ１１０インピーダンスＺｔａおよび受電アンテナ１２０インピーダンスＺｒａは、開／短絡回路としてではなく、アンテナ間の整合条件の生成をもたらし得るインピーダンスとして反映され得る。
【００９７】
この送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との整合条件は、エネルギ経路の挿入ロス（
【数３】
2019050728.tif 000005
）を減少させ得る。従って、受電アンテナ端子で受け取られる出力電力と、送電アンテナ端子に伝達される入力電力との比（
【数４】
2019050728.tif 000006
）は、Ｓ２１値（ｄｂ）がより小さい負の値（→０ｄｂ）になり得るように増加し得る。
【００９８】
新たな送電アンテナインピーダンス条件Ｚｔａは、送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２との整合条件をもたらし得る。この整合条件は、送電ユニット１０１全体のリターンロスＳ１１を減少させ得る。従って、反射電力（逆方向）と入射電力（順方向）との比（
【数５】
2019050728.tif 000007
）は、反射される電力量の低減によって減少し得る。送電ユニット１０１リターンロスＳ１１値（ｄｂ）は、より大きな負の値（＜＜０ｄｂ）になってよく、送電ユニット１０１から送電アンテナ１１０へより多くのエネルギが転送され得る。
【００９９】
新たな受電アンテナインピーダンスＺｒａは、電力調整回路がその動作点を満たす場合のみ、受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との整合条件をもたらし得る。この整合条件は、受電ユニット１０２全体のリターンロスを減少させ得る。従って、反射受電電力（逆方向）と入射受電電力（順方向）との比は、反射される電力の低減によって減少し得る。従ってＳ２２（ｄｂ）値は、より大きな負の値（＜＜０ｄｂ）になり、受電アンテナから受電サブユニットへより多くのエネルギが転送され得る。
【０１００】
送電ユニット１０１を含む充電装置４１０、４２０、または４４０に受電ユニット１０２を挿入すると、最初は２つのユニット間の結合は不良であり得る。このシナリオでは、２つのユニット間で効率的にエネルギを伝達することはできないだろう。送電器１１３のコントローラ１１４による制御（例えば、送電の電力および／または周波数）および／またはアンテナのアレイ内の異なるまたは追加のアンテナの選択により２つのユニット間の相互影響が確立すると、および／または、適応インピーダンス整合ユニット１１８によって、アンテナのインピーダンスを調整および／または送電器１１３とアンテナのインピーダンスを整合すると、エネルギの効率的な転送が可能になり得る。
【０１０１】
本主題事項の別の実装によると、送電ユニット１０１は、充電可能装置と非充電可能装置とを判別し得る。送電ユニット１０１は、受電ユニット１０２を備える充電可能装置３００の存在を認識してよく、そのような充電可能装置と、本主題事項のシステムおよび方法に係る充電に適さない他の装置とを判別し得る。
【０１０２】
充電すべき装置３００が充電ゾーン１３０内に配置される場合、パラメータＳ１１およびＳ２２の両方は、それぞれ図１４および図１６に示すような周波数プロファイルを有する。各プロファイルは、それぞれ受電ユニットおよび送電ユニットからの応答に対応する。図示するように、Ｓ１１およびＳ２２は、通常２．４〜２．４８３５ＧＨｚの範囲内である動作周波数にピークを有するが、異なる実施形態では、異なる周波数を中心とする可能性がある、より広いまたはより狭い範囲が用いられてよい。
【０１０３】
非充電可能装置が充電ゾーン内に配置されるシナリオでは、Ｓ１１プロファイルは、送電周波数または他の周波数のいずれかにピーク値を有してもよい。あるいは、物体が伝送されるエネルギを吸収する場合、プロファイルは、周波数依存ではなく一定であってよい。送電ユニット１０１は、周波数のスペクトルを介して信号を伝送することによる掃引を実行することによって識別プロセスを実行し得る。具体的には、送電ユニット１０１のコントローラ１１４は、送電器が少なくとも１つの送電アンテナに周波数範囲にわたり電磁放射を放出させる送電周波数を変化させること、および周波数範囲全域の複数の周波数でインピーダンス不整合の度合いを測定することによって、インピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合される。これは、得られた信号が、送電ユニット１０１に対応するように定められた範囲内にあることに基づいて、装置が充電可能受電ユニット１０２を含むかを識別するために実行される。
【０１０４】
このように、Ｓ１１パラメータを監視することによって充電可能装置と非充電可能装置とを判別することが可能である。充電ゾーン１３０が空である場合、Ｓ１１パラメータは図９に示すとおりである。充電すべき装置が充電ゾーン１３０内に載置されると、Ｓ１１は変化する。充電ゾーン１３０内に載置された装置が非充電可能装置である場合、可能な２つのシナリオが起こり得る。第１に、Ｓ１１が、周波数範囲全域にわたり、同じか、または実質的に同じ値を有することになる。この場合、装置は、周波数範囲全域における全ての周波数で同様に動作し、周波数および送電電力レベルに関わらず電力を受け取る。これを判定するために、コントローラ１１４は送電器１１３に、周波数によってＳ１１が変化するかを確かめるために周波数掃引を実行させ、電力レベルの変化に従ってＳ１１が変化するかを確かめるために送電器１１３の電力レベルを増加させる。受電ユニット１０２は、インピーダンスが受電電力レベルに依存する整流ユニットを含むので、整流ユニットに導電を開始させる送電電力レベルの変化はＳ２２を低減し、その結果Ｓ１１も低減される。しかし、Ｓ１１の値が周波数および電力によって変化しない場合、コントローラ１１４は、充電ゾーン内の装置が非充電可能でありただの寄生負荷であると判定し得る。
【０１０５】
第２のシナリオは、Ｓ１１の測定値が、充電ゾーン内の装置が充電可能であることを示す応答を示す（図１４）（すなわち、Ｓ１１の値が周波数および／または電力によって変化する）場合である。この場合、コントローラ１１４は送電器１１３に、最適なＳ１１の結果をもたらす周波数で電力掃引を適用させる。装置が充電可能である場合、受電ユニット１０２の導電において整流器は受電電力レベルに依存することになり、そのためＳ２２の値は電力レベルによって変化することになる。これは、充電ゾーン内の装置が充電可能であることを裏付ける、Ｓ１１の変動としてコントローラ１１４によって検出され得る。
【０１０６】
得られた信号が、受電ユニット１０２のプロファイルに適した所定の範囲内である場合、識別プロセスに追加のステップが存在する。このステップは、２つのパラメータに基づいてよい。
【０１０７】
第１のパラメータは、Ｓ１１のコンプライアンス範囲である。Ｓ１１のコンプライアンス範囲を見出すために、コントローラ１１４は、ピークイベントがどこに位置するか（すなわち、ピークの周波数範囲はどこか）を検査し得る。
【０１０８】
送電ユニット１０１内のコントローラ１１４は、インピーダンス不整合の度合いによる反射係数Ｓ１１に応答し、反射係数Ｓ１１が所定の閾値を上回る場合、充電ゾーン内に充電すべき装置が不在であることを充電装置に表示させるように適合される。上述したように、Ｓ１１は、デシベルで表される反射エネルギと伝送エネルギとの比であるため、（充電ゾーン内に充電すべき装置が存在しない場合に生じるように）伝送されたエネルギのより多くが反射されるほど、Ｓ１１の値はゼロに近づく傾向がある。
【０１０９】
Ｓ１１と閾値とを比較すると、コントローラ１１４は、２つの方法のうち１つで動作する。初めに、Ｓ１１の周波数プロファイルにおけるピークを検出するために、Ｓ１１の値が所定の閾値と比較される。この場合、コントローラ１１４は、送電器１１３に、動作周波数帯域（通常２．４ＧＨｚ〜２．４８３５ＧＨｚ）にわたり掃引させ、所定の閾値を下回るＳ１１の測定値を受信した場合。ピークの検出の精度を高めるために、コントローラ１１４によるＳ１１値との比較のために用いられ得るいくつかの異なる所定の閾値レベルがあってよい。
【０１１０】
最初の比較が行われピークが検出された後、コントローラ１１４は送電器１１３に、動作周波数帯域にわたって掃引させ、現在のＳ１１値と以前の値とを比較させる。この場合、システムは、Ｓ１１周波数プロファイルにおけるピークを検出するために、Ｓ１１値の変化を探索している。
【０１１１】
このように、Ｓ１１値と閾値との比較は、充電すべき装置が充電ゾーン内に存在するかを判定し、更に、送電アンテナ１１０による送電の周波数および／または電力、（適応インピーダンス整合ユニット１１８を用いる）送電器１１３と送電アンテナ１１０とのインピーダンス整合、およびアンテナインピーダンスの制御および／またはアンテナアレイにおけるアンテナの選択の観点から充電プロセスのために正しい条件を検出（し、それらへの適合を可能に）するために用いられ得る。
【０１１２】
閾値は、Ｓ１１値と以前の値とを比較し続けることによって初期条件に従ってリアルタイムで適合され得る。
【０１１３】
第２のパラメータは、以下の方法で決定される、周波数に関するコンプライアンスの持続期間である。Ｓ１１パラメータがコンプライアンス範囲全域にわたって散在する場合、これは、送電周波数に依存せず定期的なエネルギの不在があることを意味する。具体的には、送電ユニット１０１のコントローラ１１４は、複数の周波数の各々におけるＳ１１リターンロスに関してインピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合され、それによって装置に、充電ゾーン内の非充電可能な寄生負荷の存在を表示させる。そのような作用は、プラスチックおよび／または金属の塊に適しており、充電に関係がない。
【０１１４】
更に、コントローラ１１４は、充電プロセスを開始することによって周波数範囲よりも狭い周波数領域内の複数の周波数のセットの各々においてインピーダンス不整合の度合いが閾値を下回ることに応答するように適合される。
【０１１５】
システムは特定の電力で動作するように構成されるので、受電アンテナ１２０は、最適動作点を有する。従って、他の周波数と比べて受電ユニット１０２がより多くのＲＦエネルギを受け取るように構成される特定の周波数が存在する。すなわち、システムは周波数依存であり、ゆえに特定の周波数においてのみ、システムは最適動作点に至るのである。受電アンテナ１２０が充電ゾーン１３０内に入ると、Ｓ１１パラメータの変化が生じ、それに応答して、送電ユニット１０１は送電電力を引き上げてよく、それがＳ１１値の増加をもたらす。これは、転送効率の向上をもたらす電力調整回路の能動化の結果として生じる。（その結果、Ｓ２２パラメータの値も増加する。）この点における順方向電力と反射電力との差は最大になる。電力値に依存するＳ１１およびＳ２２の変化は、充電ゾーン内に挿入された充電すべき物体が本主題事項の有効な受電ユニット１０２を備える場合のみ起こり得る。他の全ての非充電可能な物体において、Ｓ１１の値は変化しないままである。
【０１１６】
本主題事項の別の実装によると、システム１００は、送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との間のエネルギ伝達を監視し得る。これは、Ｓ１１値を監視および分析することによって実行することができ、Ｓ１１の値が低いほど、伝達されるエネルギ量は多く、エネルギ転送の効率が良い。Ｓ１１パラメータは、充電効率を測定するために、提案される主題方法に従って用いられ得る。このように、伝送されるＲＦエネルギが受電ユニットに到達すること、および充電ゾーン内の別のユニット（寄生負荷）によって吸収されないことを確実にする必要がある。これは、Ｓ１１パラメータが、総送電電力に対する（充電不足の装置を含む）システム全体によって受け取られる電力量の表示を提供するためである（システムによって受け取られる電力は送電器に反射し戻らない電力であり、Ｐｒｅｃｅｉｖｅ＝Ｐｔｏｔａｌ−Ｐｒｅｆｌｅｃｔである。）本主題事項は、受電ユニット１０２によって機能的に受け取られるエネルギの監視を可能にし得る２つの例示的な構成および方法を提供し得る。
【０１１７】
第１の構成において、Ｓ１１は、専らコントローラによって送電ユニットにおける電力を変化させることによって監視され、それにより、受電ユニット１０２内のダイオードや他の整流ユニットは（受電ユニット１０２が、受け取ったＲＦエネルギを、バッテリを充電するためのＤＣに効率的に変換することができる）自身の動作点に到達する。この構成では、受電ユニット１０２が、システムのインピーダンスが整合する自身の動作点に到達した後、コントローラは、送電電力を大幅に低下させることを送電ユニットに指示し得るように、切換えユニットとして機能するように構成され得る。それによって、所定の期間、ダイオードが自身の動作点から抜け出すこと（Ｓ２２＝０ｄｂ）が確実になる。この構成では、測定されたＳ１１の値は、システムのトータルロスの表示を提供する（ロスは、機能的に接続が切られた受電ユニット以外の充電不足の装置（ＤＵＣ）の構成要素の結果として生じる充電装置の取り込み（ロスの発生）によって生じる）。得られた値は、最大送電電力において得られたＳ１１値と比較されてよく、２つの値の差は、受電ユニットによって受け取られる実際のエネルギ量の大きさを提供する。
【０１１８】
第２の構成において、Ｓ１１値は、受電ユニット内の電力管理集積回路（ＰＭＩＣ）またはコントローラを用いて受電アンテナをスイッチオフすることによって監視される。この構成では、受電ユニットが最適動作モードに到達し（ダイオードが動作点に到達し）、システムのインピーダンスが整合すると、受電ユニット内のＰＭＩＣまたは他のコントローラは、受電アンテナをスイッチオフするように動作される。この時点で得られた新たなＳ１１’値は、システムのトータルロスを反映し得る（ロスは、充電装置の取り込みに起因して、および機能的に接続を切られた受電ユニット以外の充電不足の装置（ＤＵＣ）の構成要素によって生じる）。得られたＳ１１’値は、最大送電電力において得られたＳ１１値と比較されてよく、２つの値の差は、受電ユニットによって受け取られる実際のエネルギ量を提供する。
【０１１９】
本主題事項によると、充電装置の寸法は、それが閉導電ボックスであるか半閉ボックスであるか開充電台であるかに関わらず、予め定められるので、定数パラメータと見なされてよい。従って、アンテナのインピーダンスは、それらの相互影響およびインピーダンスに影響を及ぼし得る送電アンテナと受電アンテナとの間の距離に主に基づいて決定される。これは、アンテナインピーダンスへの電磁的影響を及ぼし得る周囲環境における例えば金属や誘電体などの周囲環境要因に加えたものであってよい。例えば、充電ゾーンの内側の導電性部品や誘導体部品の存在は、アンテナインピーダンスおよびアンテナ間の結合係数Ｓ１２およびＳ２１に影響を及ぼし得る。導電性部品および誘導体部品の影響は、定数と見なされてもよい。アンテナのインピーダンスに生じるあらゆる変化は、送電ユニット１０１および受電ユニット１０２のトータルインピーダンスに影響し得る。これらの変化は、送電ユニット１０１のコントローラによって一定条件として解釈され、送電サブユニット１１２の適応インピーダンス整合ユニットへ提供され得る。適応インピーダンス整合ユニット１１８は、送電ユニット１０１のインピーダンスを受電ユニット１０２に適合させ整合する際、自身が受け取る一定条件を考慮に入れる。送電ユニット１０１および受電ユニット１０２が最適に整合すると、充電不足の装置（ＤＵＣ）３００内に位置する受電ユニット１０２の周囲に最大エネルギ容積（ＭＥＶ）が生じ、充電不足の装置３００は、この位置で最も効率的に充電される。
【０１２０】
このように、充電の効率を決定する最も有力なパラメータは、充電装置の送電アンテナ１１０と、充電不足の装置３００の受電アンテナ１２０との結合係数Ｓ１２およびＳ２１であってよい。
【０１２１】
最大エネルギ転送（充電効率）を得るために、次の３つの相互作用が考慮され得る。送電サブユニットのインピーダンスと送電アンテナのインピーダンスとの相互作用Ｚｔｒ⇔Ｚｔａ、受電アンテナと整流ユニットとの相互作用Ｚｒａ⇔Ｚｒｅｃ、および送電ユニット１０１のインピーダンスと受電ユニット１０２との相互作用Ｚｔｘ⇔Ｚｒｘ。
【０１２２】
最適なエネルギ転送および充電を得るために充電システムを適合させる能力は、相互影響効果を用いて送電アンテナと受電アンテナとの結合係数Ｓ２１およびＳ１２を変化させる能力によって実現され得る。本主題事項の実施形態によると、これは、例えばアンテナアレイを用いて、あるいは調整可能インピーダンスアンテナを用いてなど、様々な方法を用いて実現され得る。２つのアンテナ間の結合を修正し得る他の方法もまた、以下で詳述されるように本主題事項の範囲内であることが理解される。
【０１２３】
図５は、２つの送電サブユニット１１２および１１２’を有する送電ユニットを備える充電システム５００を示す略図である。送電サブユニットの各々は、ＲＦ信号を生成し、それぞれ送電サブユニット１１２および１１２’に接続される送電アンテナ１１０および１１０’にそれらを転送するように構成され得る。充電ゾーン１３０は、それぞれ送電アンテナ１１０および送電アンテナ１１０’に対応して定められ得る。充電システム５００は更に、充電不足の装置（ＤＵＣ）３００内に位置する、受電サブユニット１２２を含む受電ユニット１０２（不図示）を含む。充電不足の装置ＤＵＣ３００は、充電ゾーン１３０内に載置される。送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間、および送電アンテナ１１０’と受電アンテナ１２０との間には結合および相互影響が存在し得る。
【０１２４】
送電ユニットがアンテナアレイ（この例では送電アンテナ１１０および１１０’）を備え得る構成では、アレイ内の各アンテナの距離が異なるため、あるいはアンテナの異なる特性に起因して、アレイ内の各アンテナは受電ユニットに関して異なるインピーダンス（Ｚ）値を有し得る。充電不足の装置（ＤＵＣ）３００が閉、半閉、または開充電台に挿入されると、充電システムは、アレイ内の各アンテナのそれぞれのＳ１１リターンロスインピーダンスを測定し得る。（適応インピーダンス整合（ＡＩＭ）ユニット１１８による、周波数、電力レベル、およびインピーダンスの調整後）最も低いＳ１１値を提供するアンテナが、ＲＦエネルギを伝送するために選択され得る。
【表１】
2019050728.tif 000008
【０１２５】
図６は、受電アンテナ１２０からの同じ距離を維持しつつ送電アンテナ１１０’’のサイズおよびインピーダンスを変更することができるように構成された適応インピーダンス送電アンテナ１１０’’（修正された送電アンテナ）を備えるワイヤレス充電システム６００を示す略図である。これは、充電不足の装置３００の充電の効率を最適化し得るエネルギ転送を実現することができる。送電サブユニット１１２は、ＲＦ信号を生成し、それを送電アンテナ１１０’’へ転送する。充電ゾーン１３０は、送電アンテナ１１０’’に対応してそれぞれ定められ得る。充電不足の装置３００は、受電アンテナ１２０からＲＦ信号を受け取ることができる受電サブユニット１２２を含む。
【０１２６】
調整可能送電アンテナ１１０’’を用いる構成は、充電を向上させることができ、より正確にＳ１１値を調整し得る。本明細書で用いられる「修正された送電アンテナ」という用語は、アンテナの様々なインピーダンス特性を生成するために動作可能に接続および接続を切断され得る複数の部分から構成され得る送電アンテナを指す。送電アンテナ１１０’’のサイズを変更することによって、送電アンテナのインピーダンス（Ｚｔａ）は変化し得る。更に、送電アンテナ１１０’’は、機能的に他のブランチに付随し、あるいは他のブランチから切り離され得るブランチを備えてよく、「ブランチ」の任意の組み合わせが、様々なインピーダンス値（Ｚｔａ）を伴う送電アンテナを提供し得る。
【０１２７】
要するに、送電アンテナ１１０’’と受電アンテナ１２０との結合、およびそれに伴う充電不足の装置３００の充電効率は、（最適なＳ１１値およびＳ２１値を得るための）送電アンテナの選択および調整によって向上し得る。充電効率はまた、最適なＳ１１（およびＳ２１）値を得るために各送電アンテナ構成に関して送電サブユニット１１２間のインピーダンス整合を調整することによっても向上し得る。このように、充電装置（閉、半閉、開）内に充電不足の装置（ＤＵＣ）３００を配置すると、コントローラ１１４は、充電システム内で使用可能なアンテナ（送電アンテナアレイまたは単一の送電アンテナのいずれか）の全ての可能な組み合わせをスウィフト（ｓｗｉｆｔ）し、アンテナの各々にインピーダンスを適合させ得る。得られた最適なＳ１１値はその後、充電不足の装置（ＤＵＣ）３００へＲＦエネルギを伝送するそれぞれのアンテナを選択するためにコントローラによって用いられ得る。
【０１２８】
図１、図２、図５、および図６に提供される充電システム構成に関する送電および受電アンテナインピーダンスは、添付図面の図７〜図３２に示され、それらを参照して説明されるようなスミスチャートおよびユニットリターンロスグラフとして図示され得る。
【０１２９】
図７〜図１１は、図１の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。図７は、送電アンテナ１１０および受電アンテナ１２０の条件を示し、図中、Ｚｔａ１４２は送電アンテナ１１０の入力インピーダンスを示し、Ｚｒａ１４４は受電アンテナ１２０の入力インピーダンスを示す。図７において、受電ユニット１０２は、充電ゾーン１３０の外側に位置する。各アンテナのインピーダンスは、図８および図１０のスミスチャートによってグラフ表示され得る。スミスチャートは、伝送路および整合回路に関する問題の解決を支援するために、無線周波数（ＲＦ）工学を専門とする電気電子技術者のために設計されたグラフ支援すなわちモノグラムである。スミスチャートの使用は、問題解決支援としてのみならず、１または複数の周波数で様々なＲＦパラメータがどのように作用するかを示すグラフデモンストレータとしても更に広く用いられる。スミスチャートは、機械振動分析を含む、インピーダンス、アドミタンス、反射係数、Ｓnn散乱パラメータ、雑音指数円、ゲイン一定輪郭および無条件安定性に関する領域を含む複数のパラメータを表示するために用いられ得る。スミスチャートは、単一半径領域において、またはその内側で最も頻繁に用いられる。
【０１３０】
図８および図１０では、図１に示す構成に係り、Ｚｔａインピーダンス１４２１は送電アンテナ１１０のインピーダンスを表し、Ｚｒａインピーダンス１４４１は受電アンテナ１２０のインピーダンスを表す。送電ユニット１０１および受電ユニット１０１の両方がインピーダンスを整合するように設計されると仮定すると、スミスチャートは、両方のアンテナが充電ゾーン内に位置しアンテナ間の結合および相互影響が生じる場合に得られるような適切なエネルギ転送および充電に関して、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１をグラフ表示する。しかし、受電アンテナが充電ゾーンの外側に位置する場合、Ｚｔａインピーダンス１４２１は、所与の周波数帯域に関して短絡回路として特徴付けられ得る。更に、Ｚｒａインピーダンス１４４１は、それぞれ図８および図１０に示すような所与の周波数帯域に関して開回路として特徴付けられ得る。それらのアンテナのインピーダンス条件は、送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２との間に不整合条件があり、かつ受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との間に別の不整合があることを示す。
【０１３１】
図９は、送電ユニット１０１における、送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２との不整合条件を示す。送電ユニットリターンロスＳ１１  １４２５は、所与の周波数帯域に関する送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２とのインピーダンス不整合に起因する、送電アンテナから反射されて戻る反射電力と送電ユニットによって伝達される入射電力との比としてデシベル単位でグラフ表示される。
【０１３２】
図１１は、受電ユニット１０２における、受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との不整合条件を示す。受電ユニットリターンロスＳ２２ １４４５は、所与の周波数帯域に関する受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２とのインピーダンス不整合に起因する、受電ユニットから反射されて戻る反射電力と受電アンテナによって伝達される入射電力との比としてデシベル単位でグラフ表示される。
【０１３３】
図１２〜図１６は、図２の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートであり、図中、充電不足の装置（ＤＵＣ）３００は充電ゾーン１３０内に位置する。図１２は、送電アンテナ１１０および受電アンテナ１２０の条件を示す。図１２に示すように、Ｚｔａ１４２は送電アンテナ１１０の入力インピーダンスを示し、Ｚｒａ１４４は受電アンテナ１２０の入力インピーダンスを示す。アンテナの各々のインピーダンスはスミスチャートによってグラフ表示される。Ｚｔａインピーダンス１４２１は、送電アンテナ１１０インピーダンスのグラフ表示である。Ｚｒａインピーダンス１４４１は、同じシステム構成における受電アンテナ１２０インピーダンスのグラフ表示である。送電ユニット１０１および受電ユニット１０２が、ユニット間の適切なエネルギ転送および充電に関してスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１によってグラフに示すＺ０のインピーダンス値を整合するように設計されたとする場合、送電アンテナと受電アンテナとの結合および相互影響が生じる。従って、Ｚｔａインピーダンス１４２１は、所与の周波数帯域に関するスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１との整合と特徴付けられ（図１３）、Ｚｒａインピーダンス１４４１は、所与の周波数帯域に関するスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１との整合として特徴付けられる（図１５）。図１３および図１５におけるアンテナのインピーダンス条件に関しては（ユニット１０１および１０２の両方が、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１としてグラフ表示される特定のインピーダンスを整合するように設計されるという仮定に基づいて）、送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２との整合条件、および受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との整合条件が生じる。
【０１３４】
送電ユニット１０１における整合は、デシベル単位のリターンロスＳ１１  １４２５値（図１４）によって表現される。リターンロスは、送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２とのインピーダンス整合に起因する、送電アンテナから反射して戻る反射電力と、送電サブユニットによって伝達される入射電力との比である。
【０１３５】
受電ユニット１０２における整合は、デシベル単位のリターンロス（Ｓ２２）１４４５値（図１６）によって表現され、受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２とのインピーダンス整合に起因する、受電サブユニットから反射して戻る反射電力と、受電アンテナによって伝達される入射電力との比として表される。
【０１３６】
図１７Ａおよび図１７Ｂは、それぞれ図１および図２に示す２つの構成に係る、図３の充電システムの送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との間のエネルギ転送効率を示すグラフである。（すなわち、充電ゾーン１３０の外側に配置されるＤＵＣ３００（不整合システム（図１７Ａ））および充電ゾーン１３０内に配置されるＤＵＣ３００（整合システム（図１７Ｂ）））。これらの図に示すように、挿入ロス（Ｓ２１）１４５０として示されるエネルギ転送効率は、受電電力と送電電力との比、すなわち受電ユニット１０２によって受け取られるエネルギ量と送電ユニット１０１によって伝送される電力量との比の表示を提供する。送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間に結合および相互影響条件が存在しない不整合条件では、挿入ロス１４５０値は図１７Ａにグラフ表示するように非常に高く、すなわち、エネルギ転送効率Ｓ２１が非常に低い。しかし、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間に結合および相互影響条件が存在する整合条件では、挿入ロス１４５０値は（図１７Ｂに示すように）非常に低く、すなわち、エネルギ転送効率Ｓ２１が非常に高い。
【０１３７】
図１８〜図２２は、２つの送電アンテナ１１０および１１０’を伴う送電アンテナアレイを有する充電システムを示す、図５の充電システム構成のユニットリターンロスを示すグラフおよびアンテナインピーダンスを示すスミスチャートである。また、アレイ内の送電ユニットの各々の動作によって得られる挿入ロス値も示される（図２７Ａおよび図２７Ｂ）。充電不足の装置の最も効率的な充電をもたらすエネルギ転送を実現するために、本主題事項の充電システムの送電ユニットは、説明されるとおり可変である。送電アンテナアレイは様々な数の送電ユニットおよびそれらの種類を備え得ることが理解される。
【０１３８】
図５に提供されるこの構成では、図５の構成に係る送電アンテナ１１０、送電アンテナ１１０’、および受電アンテナ１２０の条件が図１８に示される。図１８に示すように、Ｚｔａ１  １４２は送電アンテナ１１０の入力インピーダンスを示し、Ｚｔａ２  １４２’は送電アンテナ１１０’の入力インピーダンスを示し、Ｚｒａ１４４は受電アンテナ１２０の入力インピーダンスを示す。この例において受電ユニットは充電ゾーン１３０内に位置する。
【０１３９】
図１９および図２１は、アンテナの各々のインピーダンスを示すスミスチャート図であり、図中、図５で説明されるシステム構成に従って、Ｚｔａ１インピーダンス１４２１−１は、所与の周波数帯域に関してスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１に整合する送電アンテナ１１０のインピーダンスを表し、Ｚｒａインピーダンス１４４１−１は、同じ所与の周波数帯域に関してスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１に整合する受電アンテナ１２０のインピーダンスを表しており、送電ユニットおよび受電ユニットの両方は、適切なエネルギ転送および充電の場合、すなわち両方のユニットが充電ゾーン内に位置し送電アンテナと受電アンテナとの間に結合および相互影響が生じる場合、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１によって示されるインピーダンスを整合するように設計されていると仮定する。
【０１４０】
この構成におけるアンテナのインピーダンス条件に関して、全てのユニットが、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１としてグラフ表示される特定のインピーダンスを整合するように設計されるという仮定に基づいて、アンテナアレイの送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２、および受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との間に安定した整合条件は生じない。送電ユニット１０１における送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２との整合条件は、図２０に示される。デシベル単位で測定されるリターンロス（Ｓ１１）１４２５−１は、送電アンテナ１１０と送電サブユニット１１２との不適切なインピーダンス整合に起因する、送電アンテナから反射して戻る反射電力と送電ユニットによって伝達される入射電力との比である。図２２に示す受電ユニットリターンロス（Ｓ２２）１４４５−１は、受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との不適切なインピーダンス整合に起因する、受電サブユニットから反射して戻る反射電力と受電アンテナによって伝達される入射電力との比である。
【０１４１】
図２３および図２５は、それぞれ送電アンテナ１１０’のインピーダンスＺｔａ２  １４２１−２および受電アンテナ１２０のインピーダンスＺｒａ１４４１−２を示すスミスチャートであり、送電ユニット１０１’および受電ユニット１０２の両ユニットは、適切なエネルギ転送および充電の場合、すなわち、両方のユニットが充電ゾーン内に位置しアンテナ間の結合および相互影響が生じる場合、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１によってグラフに示されるインピーダンスを整合するように設計される。すなわち、図５に示す構成に関して、それぞれ図２３および図２５に示すように、Ｚｔａ２インピーダンス１４２１−２は、所与の周波数帯域に関してスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１との整合として特徴付けられ、Ｚｒａインピーダンス１４４１−２は、所与の周波数帯域に関してスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１との整合として特徴付けられる。図５に示されるシナリオに係る図２３および図２５のアンテナのインピーダンス条件は、ユニット１０１’および１０２の両方が、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１としてグラフ表示される特定のインピーダンスを整合するように設計されており、送電アンテナ１１０’と送電サブユニット１１２’、および受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２との整合条件が生じるという仮定に基づく。
【０１４２】
送電ユニット１０１’における送電アンテナ１１０’と送電サブユニット１１２’との整合条件は、図２４に示される。送電ユニット１０１’リターンロス１４２５−２（デシベル単位）は、送電アンテナ１１０’と送電サブユニット１１２’とのインピーダンス整合に起因する、送電アンテナから反射して戻る反射電力と送電ユニットによって伝達される入射電力との比である。図２６に示される受電ユニットリターンロス１４４５−２（デシベル単位）は、受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２とのインピーダンス整合に起因する、受電ユニットから反射されて戻る反射電力と受電アンテナによって伝達される入射電力との比である。
【０１４３】
上述したように、図２７Ａおよび図２７Ｂは、図５に示す充電システム構成に関する、送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との間のエネルギ転送効率および送電ユニット１０１’と受電ユニット１０２との間のエネルギ転送効率を図示する。エネルギ転送効率は、受電電力と送電電力との比、すなわち、それぞれ受電ユニット１０２によって受け取られるエネルギ量と送電ユニット１０１によって伝送される電力量との比に関して示す挿入ロス１５２−１としてグラフに示される。図２０および図２２に示す不適切な整合条件によると、送電アンテナ１１０と受電アンテナ１２０との間に適切な結合および相互影響が存在しない場合、挿入ロス１５２−１は図２７Ａに示すようにさほど低くなく、すなわちエネルギ転送効率Ｓ２１はさほど高くない。
【０１４４】
図２３および図２５に示す整合条件によると、送電アンテナ１１０’と受電アンテナ１２０との間に結合および相互影響が存在する場合、挿入ロス１５２−２は図２７Ｂに示すように非常に低く、すなわちエネルギ転送効率Ｓ２１が非常に高い。その場合、充電システム５００のコントローラは、送電ユニット１０１’が受電ユニット１０２へＲＦエネルギを転送することを決定するであろう。
【０１４５】
図２８〜図３２は、図６の充電システム構成のユニットリターンロスおよびアンテナインピーダンスのスミスチャート表示を示す。図２８は、図６の構成における送電アンテナ１１０’’および受電アンテナ１２０の条件を示す。受電ユニット１０２が充電ゾーン１３０内に位置するシナリオによると、Ｚｔａａｉ１４６は、特定の調整されたインピーダンス状態における送電アンテナ１１０’’の入力インピーダンスを示し、Ｚｒａ１４４は受電アンテナ１２０の入力インピーダンスを示す。
【０１４６】
図２９および図３１は、それぞれアンテナの各々のインピーダンスのスミスチャート図であり、図中、Ｚｔａａｉインピーダンス１４６１は、図６を参照して示されるシナリオに係る送電アンテナ１１０’’の多数のインピーダンス調整状態のグラフ表示である。Ｚｒａａｉインピーダンス１４４１は、送電ユニット１０１および受電ユニット１０２の両方が、適切なエネルギ転送および充電の場合、すなわち両方が充電ゾーン内に位置しアンテナ間の結合および相互影響が生じる場合、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１によってグラフに示されるインピーダンスを整合するように設計されると仮定する、図６に示されるシナリオに係る送電アンテナ１１０’’の状態に対するそれぞれ受電アンテナ１２０インピーダンス状態のグラフ表示である。
【０１４７】
Ｚｔａａｉインピーダンス１４６１は、所与の周波数帯域に関する特定のアンテナ適応インピーダンス状態におけるスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１との整合と特徴付けられ、Ｚｒａａｉインピーダンス１４４１は、それぞれ所与の周波数帯域に関する送電アンテナ１１０’’の適応インピーダンス状態に対するスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１との整合と特徴付けられる。
【０１４８】
図２９および図３１におけるアンテナのインピーダンス条件は、図６の構成に従って、かつ両方のユニットがスミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１としてグラフに示される特定のインピーダンスを整合するように設計されたという仮定に基づき、送電アンテナ１１０’’と送電サブユニット１１２、および受電アンテナ１２０と受電サブユニット１２２とのいくつかの整合条件が生じる。
【０１４９】
送電ユニット１０１における送電アンテナ１１０’’と送電サブユニット１１２とのいくつかの整合条件は、図３０に示される。送電ユニット（Ｔｘａａｉ）リターンロス１５２ａａｉは、送電アンテナ１１０’’と送電サブユニット１１２とのいくつかのインピーダンス整合状態に起因する、送電アンテナから反射されて戻る反射電力と送電ユニットによって伝達される入射電力との比である。受電ユニットリターンロス１４４５は、それぞれ送電アンテナ１１０’’の適応インピーダンス状態に対する、受電アンテナ１２０と受電ユニット１２２とのいくつかのインピーダンス整合状態に起因する、受電ユニットから反射して戻る反射電力と受電アンテナによって伝達される入射電力との比である（図３２）。
【０１５０】
図３３は、図６に示す充電シナリオに関する、それぞれ送電アンテナ１１０’’の適応インピーダンス状態に対する送電ユニット１０１と受電ユニット１０２との間のエネルギ転送効率を示すグラフである。エネルギ転送効率Ｓ２１は挿入ロス１４４８としてグラフ表示され、受電電力と送電電力との比、すなわち、送電アンテナ１１０’’のいくつかの適応インピーダンス状態においてと送電ユニット１０１によって伝送される電力量に対してそれぞれ受電ユニット１０２によって受け取られるエネルギ量の比を示す。図２９および図３１に示すいくつかの整合状態条件によると、それぞれ送電アンテナ１１０’’の適応インピーダンス状態に対して送電アンテナ１１０’’と受電アンテナ１２０との間にいくつかの結合および相互影響条件が存在する場合、送電アンテナ１１０’’の特定の適応インピーダンスの状態に関して挿入ロス１４４８は図３３にグラフ表示するように非常に低く、すなわちエネルギ転送効率Ｓ２１が非常に高い。充電システム６００のコントローラは、最も高いエネルギ転送効率Ｓ２１値を提供した修正されたアンテナ１０１’の組み合わせを受電ユニット１０２へのＲＦエネルギ転送に決定するであろう。
【０１５１】
図３４〜図３８は、システムの電磁パラメータが全て設定された後に実行される適応インピーダンス整合プロセスの後の図３のワイヤレス充電システム１００の略図である。これらの図に示される充電システムのインピーダンス整合は、ワイヤレス充電システムの電磁部品構成に従って選択された好適な構成において充電プロセスの最大効率を可能にするように、ワイヤレス充電システムの電気部品の最終適合を提供するように構成される。
【０１５２】
図３４は、インピーダンス整合の前後の送電ユニットのインピーダンス条件のスミスチャート表示である。このグラフ表示では、送電ユニットのインピーダンスＺｔｘａｉｍは、適切なエネルギ転送および充電に関して、すなわち、送電ユニット１０２および受電ユニット１０２の両ユニットが充電ゾーン内に位置しアンテナ間の結合および相互影響が生じる場合、かつインピーダンス整合Ｚｔｘ１４９１がＺ０点を取り巻く点線円１４９０内に位置付けられる前、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１によってグラフに示されるインピーダンスに整合する。同様に、インピーダンス整合Ｚｒａｉｍの前後の受電ユニットのインピーダンス条件が図３６に示される。受電ユニットのインピーダンスＺｒａｉｍは、適切なエネルギ転送および充電に関して、すなわち、送電ユニット１０２および受電ユニット１０２の両ユニットが充電ゾーン内に位置しアンテナ間の結合および相互影響が生じる場合、かつインピーダンス整合Ｚｒｘ１４９５がＺ０点を取り巻く点線円１４９０内に位置付けられる前、スミスチャートの中心点Ｚ０  １４０１によってグラフに示されるインピーダンスに整合する。
【０１５３】
図３５および図３７は、ユニットの適応インピーダンス整合後（実線）、かつその前の様々な部分整合状況下（点線）における、それぞれ送電ユニットＴｘのリターンロスＳ１１および受電ユニットＲｘのリターンロスＳ２２の略図である。図示するように、ユニット間でインピーダンスを整合すると、Ｓ１１およびＳ２２の（デシベル単位の）レベルは、ワイヤレス充電システムの特定の構成におけるエネルギ転送および充電プロセスが最適になるように向上する。図から分かるように、送電アンテナと受電アンテナとが結合すると、送電パターンがピークとして特徴付けられるように非常に狭い周波数帯域で送電ユニットから受電ユニットへエネルギが転送する。システム内の一定ロスは、通常、ロスを反映する広域周波数帯（−ｄＢ）値によって定数として表現される。受電ユニット１０２は特定の電力に適合される、すなわち、挿入される電力がシステムインピーダンスに整合する場合のみ所望の効率が得られることになる。そのようなシナリオでは、システムのコンプライアンスは、受電ユニットがエネルギを取り込むことができる電力調整回路のダイオードの開点に至るまで段階的である。ダイオードの開通前、充電装置およびＤＵＣの一定ロスはどの送電値においても小さい。ダイオードが開通すると、Ｓ１１の絶対値は、システムの最適動作点を反映するフル通電に達するまで増加する。
【０１５４】
充電プロセス中、システムが最大エネルギ転送条件（実線）を得ていた間、いくつかの変化が生じ得る（点線）。二次電池のインピーダンスは、充電プロセス中に変化し、それらのインピーダンス変化は、受電アンテナと受電ユニットとの整合条件を反映し、もたらす。すなわち、Ｓ２２は、受電アンテナから受電ユニットへの反射電力の増加に起因して変化する（点線）。Ｓ２２に生じる変化は、アンテナ間の結合条件に起因して転送効率Ｓ２１および送電ユニットのリターンロスＳ１１を減少させることによってＳ２１を反映し、それに影響する。リターンロスＳ１１における変化（点線）は、このシナリオにおける送電アンテナと送電サブユニットとの不整合を招き、送電ユニット内の適応インピーダンスユニットは、受電ユニットとの最大エネルギ転送効率条件を維持および復元するために、送電サブユニットおよび送電アンテナを新たな条件に調整する。
【０１５５】
図３８は、最適なインピーダンス整合が実現されるまでのユニットの適応インピーダンス状態に対する送電ユニットと受電ユニットとの間のエネルギ転送効率をそれぞれ示す。エネルギ転送効率は挿入ロス１４４８としてグラフ表示され、受電電力と送電電力との比、すなわち、それぞれ受電ユニット１０２によって受け取られるエネルギ量と、送電アンテナのいくつかの適応インピーダンス状態において送電ユニット１０１によって伝送される電力量との比である。図３８にグラフ表示するように、最適な適応インピーダンス整合に達すると、挿入ロス１４４８は非常に低く、すなわちエネルギ転送効率Ｓ２１が非常に高い。
【０１５６】
図３９および図４０は、充電シナリオ下にある複数の装置における、２つの充電ユニットに関するリターンロスを示すグラフである。このシナリオでは、充電ゾーン内に複数の受電ユニット１０２が存在し得る。送電ユニットは、（２つの異なる受電ユニットに関して図３９および図４０に示される）各受電ユニットのコンプライアンス状態（周波数およびインピーダンス）を個別に認識してよく、認識した値を保存し得る。その後、上述した方法を用いて、送電ユニットのインピーダンスは、両方の受電器に理想的な共通コンプライアンス点を生成し得る。図４１は、送電ユニットリターンロスＳ１１を示すグラフである。図４２は、リターンロス図上の、両方の受電ユニットに理想的な共通コンプライアンス点を示すグラフである。この点において、２つの受電ユニットは、送電ユニットがＳ１１値における変化を検出するまでの充電を開始し得る。そのような変化が生じると、送電ユニットは再び、（図３９および図４０に示すような）受電ユニットの各々のコンプライアンスを個別に検査し始めてよく、それらの各々における変化（受電ユニットの各々のＳ１１値に基づくそれらの充電状態）を分析し得る。受電器の各々のために必要な電力量を維持するために、送電ユニットは、他方よりも多くの電力を必要とする受電ユニットの方への共通コンプライアンス点の変更および切替えを実行し得る。送電ユニット１０２内のコントローラ１１４は、インピーダンス不整合の度合いが、複数の周波数の２つのセットの各々における閾値を下回ることに応答して適合され、各セットは複数の装置の充電プロセスを開始することによって周波数範囲よりも狭い周波数領域内にある。
【０１５７】
送電ユニットは、受電器の各々に関して必要な電力を一斉に伝送するために、個別に受電器の各々の２つのコンプライアンス点の間に生じる重複エリアにおける共通送電の特質を適合させ得る。送電ユニットが変化を測定する度に、各特定の充電不足の装置（ＤＵＣ）における変化を観察し各受電ユニットのために必要な充電期間を分析するために、受電ユニットの各々について（同じ受電ユニットの過去の測定で得られたデータに従って）個別に測定が行われる。分析に従って、送電ユニットは、共通コンプライアンス点から、より多くの電力を必要とする受電ユニットのコンプライアンス点へ送電パラメータを変更し、他の受電ユニットの要求に従ってそれらに対する低電力の伝送を維持する。
【０１５８】
本明細書において説明される実施形態および添付図面の説明は、本発明をより良く理解する目的のみのために提供され、その範囲を限定するものではないことが明らかである。また、当業者は、本明細書の読了後、添付図面および上述した実施形態に調整または修正を加えることができ、それらもまた本主題事項によって包括されることが明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ−１】
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【図４Ｂ−２】
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【図４Ｃ−１】
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【図４Ｃ−２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【外国語明細書】
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