(57)【要約】  共振誘導結合に基づく従来の無線電力伝達（ＷＰＴ）システムは、通常、エネルギー伝達率を犠牲にしてピーク電力効率で動作する。インピーダンス整合回路は、エネルギー伝達率を増加させることができるが、ＷＰＴシステムの複雑さ、波形率、および重量を増やす傾向がある。これらの欠点を克服するために、統合されたインピーダンス整合を持つ共振回路を含む、ＷＰＴシステムが本明細書に記載されている。共振回路は、第一のコイルと、第一のコイルと直列の第一のコンデンサと、第一のコイルおよび第一のコンデンサと直列の第二のコイルと、第一のコイルおよび第一のコンデンサと並列の第二のコンデンサとを含む。インダクタコイルおよび静電容量は、電圧利得を増加させ、それゆえ、エネルギー伝達率も増大するように適合する。インダクタコイルはまた、電力を伝送しまたは受け取り、それゆえ、エネルギー伝達率および電力効率が高まる。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線電力受信機は、
無線磁気共鳴充電によって、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの共振周波数で、約１．０の電圧利得および少なくとも９５％の効率で、無線電力送信機から電力を受け取る共振回路を備え、前記共振回路が、
第一のコイルと、
前記第一のコイルと直列に接続された第二のコイルであって、前記第一のコイルおよび前記第二のコイルが、前記電力を受け取るように構成されている、第二のコイルと、
前記第一のコイルと直列に接続された第一のコンデンサと、
前記第一のコイルおよび前記第一のコンデンサと並列に接続された、第二のコンデンサと、を備える、無線電力受信機。
【請求項２】
前記第一のコイルおよび前記第二のコイルは、前記無線電力送信機の中の第三のコイルおよび第四のコイルから、エネルギーを受け取るように構成される、請求項１に記載の無線電力受信機。
【請求項３】
前記第一のコイルが、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有し、
前記第一のコンデンサが、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有し、
前記第二のコイルが、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有し、
前記第二のコンデンサが、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有する、請求項１に記載の無線電力受信機。
【請求項４】
前記第一のコイルが、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有し、
前記第一のコンデンサが、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有し、
前記第二のコイルが、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有し、
前記第二のコンデンサが、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有する、請求項１に記載の無線電力受信機。
【請求項５】
電力を無線で伝達する方法であって、
約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの共振周波数、約１．０の電圧利得、および少なくとも９５％の効率で、第一のコイルおよび前記第一のコイルと直列の第二のコイルによって、少なくとも一つのコイルから前記電力を受け取ることを含む、方法。
【請求項６】
前記第一のコイルを、前記少なくとも一つのコイルの約５０ｍｍ以内に配置することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一つのコイルが、前記第一のコイルと整合する第三のコイルと、前記第三のコイルと直列で前記第二のコイルと整合する第四のコイルとを備え、
前記第三のコイルおよび前記第四のコイルに、第一の電流を通すことであって、前記第一の電流が、前記第一のコイルおよび前記第二のコイルを通る、第二の電流を誘導することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第三のコイルの前記第一の電流と、前記第四のコイルの前記第一の電流との位相差は、約２０度未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第三のコイルの前記第一の電流と、前記第四のコイルの前記第一の電流との位相差は、約１０度未満である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
第一のコイルと、
前記第一のコイルと直列の第二のコイルと、
前記第一のコイルおよび前記第二のコイルと直列の、第一のコンデンサと、
前記第一のコイルおよび前記第一のコンデンサと並列の、第二のコンデンサとを備える、無線電力受信機。
【請求項１１】
前記無線電力受信機の前記共振周波数が、約８７ｋＨｚである、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項１２】
前記無線電力受信機が、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの周波数帯にわたって、約１．０の電圧利得を有する、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項１３】
前記無線電力受信機が、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの周波数帯にわたって、少なくとも９５％の電力伝達効率を有する、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項１４】
前記第一のコイルが、前記第二のコイルと同心円をなす、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項１５】
前記第一のコイルが、前記第二のコイルと同一平面上にある、請求項１４に記載の無線電力受信機。
【請求項１６】
前記第一のコイルが、前記第二のコイルに積み重なる、請求項１４に記載の無線電力受信機。
【請求項１７】
前記第一のコイルが第一のフラットスパイラルコイルであり、前記第二のコイルが第二のフラットスパイラルコイルである、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項１８】
前記第一のコイルおよび前記第二のコイルが、２２０ｍｍ以下の外径を有する、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項１９】
前記第二のコイルが、前記第一のコイルと前記第一のコンデンサとの間に直列に接続される、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項２０】
前記第一のコンデンサが、前記第一のコイルと前記第二のコイルとの間に直列に接続される、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項２１】
前記第一のコイルが、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有し、
前記第一のコンデンサが、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有し、
前記第二のコイルが、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有し、
前記第二のコンデンサが、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有する、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【請求項２２】
前記第一のコイルが、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有し、
前記第一のコンデンサが、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有し、
前記第二のコイルが、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有し、
前記第二のコンデンサが、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有する、請求項１０に記載の無線電力受信機。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連特許出願に対する相互参照
本出願は、米国特許法１１９条（ｅ）の下、２０１８年１月２６日に出願された「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＷＰＴＳ）ｗｉｔｈ  Ｄｕａｌ  Ｃｏｉｌｓ」と題する米国特許出願第６２／６２２，２８８号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
無線電力伝達（ＷＰＴ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）システムは、電磁波の放射および吸収に基づいて、送信機から受信機へ電力を伝達する。ＷＰＴシステムの送信機および受信機は、物理的に接続する必要はなく、そのため、電子装置の充電および／または電源供給時の配線に対する必要性が排除される。ＷＰＴシステムには、電気自動車、電車、またはバスの電池充電、照明、テレビ、および空調装置など、家庭用品への電力供給、自律型ロボットまたはドローンの充電、生物医学装置、特に人体に移植される機器の充電を含むがこれらに限定されない、幅広い用途に対する実用性がある。
【０００３】
長年にわたって、送信機を受信機に結合する方法によって、部分的に差別化された、様々なタイプのＷＰＴシステムが開発されてきた。例えば、ＷＰＴシステムは、動作周波数、低電力／高電力の両立性、および作動距離の点で異なる利点ならびに欠点を有する、誘導結合、静電結合、および電磁力学的結合に基づいて開発されてきた。誘導結合に基づくＷＰＴシステムは、商業用途、特に、より高いエネルギー伝達率（「電力レベル」とも呼ばれる）が好ましい（例えば、１ｋＷより大きい）用途で最も広く使用されているものの一つである。
【発明の概要】
【０００４】
共振誘導結合に基づく従来のＷＰＴシステムは、通常、最大エネルギー伝達率およびピーク電力効率を、異なる動作周波数で呈する。これは周波数分離効果と呼ばれる。周波数分離効果の結果として、従来のＷＰＴシステムは、最大エネルギー伝達率およびピーク電力効率を同時に両立して動作することはできない。一部の従来のＷＰＴシステムでは、インピーダンス整合回路は、共振周波数で動作するとき、周波数分離効果によって生じるエネルギー伝達率の低下を部分的に補うように使用される。しかしながら、従来の整合回路は、通常、ＷＰＴシステムの複雑さ、サイズ、および重量を増やす、大型のかさばる回路部品（例えば、インダクタ、コンデンサ）を含む。
【０００５】
したがって、本開示は、統合された（integrated）インピーダンス整合を伴う共振回路を利用する、無線電力伝達（ＷＰＴ）システムを対象とする。共振回路は、送信機および／または受信機の電圧利得を増加させ、それによりエネルギー伝達率を増大することによって、周波数分離効果を相殺するように構成されたインダクタコイルならびにコンデンサを含む。昇圧機能性を共振回路に統合することによって、ＷＰＴシステムの高電圧部品は、エネルギーを伝送するように使用される回路、または受信機のエネルギーに拘束される。これにより、送信機駆動回路、電池、および電気的接続に使用される任意の配線など、ＷＰＴシステムに結合された他の電気部品で使用される電圧を実質的に減少させ（例えば、従来の電気自動車（ＥＶ）の４００Ｖから６７Ｖ未満へ）、ＷＰＴシステム全体の安全性を向上させる。
【０００６】
インダクタコイルはまた、送信機と受信機との間のエネルギーを無線で交換するために使用され、エネルギー伝達率および電力効率の両方を増加させる。このように、共振回路によって、ＷＰＴシステムが、ピーク電力効率で、かつ従来のシステムよりも高いエネルギー伝達率で動作することが可能になる。さらに、共振回路により提供される統合された機能性は、ＷＰＴシステムで使用される個別の部品の数を減少させ、より小さな波形率およびより軽量のシステムを可能にする。ＷＰＴシステムを使用する方法も、本開示に記載される。
【０００７】
一つの例示的な設計では、無線電力受信機は共振回路を含む。共振回路は、第一のコイルと、第一のコイルと直列に接続された第一のコンデンサとを含む。共振回路はまた、第一のコイルおよび第一のコンデンサと直列に接続された第二のコイルと、第一のコイルおよび第一のコンデンサと並列に接続された第二のコンデンサとを含む。第一のコイルおよび第二のコイルは両方とも、所望の動作周波数で共振回路の電圧利得を増加させる、インピーダンス整合を提供しうる。第一のコイルおよび第二のコイルはまた、送信機の中の一つ以上のコイルからエネルギーを受け取るように構成される。また、無線電力受信機は、送信機から電力を受け取る負荷に、電気的に結合される。
【０００８】
例示的な無線電力送信機は、上記の無線電力受信機と実質的に類似し、負荷と電源との交換が主要な相違である設計を有してもよい。送信機はまた、送信機の電圧利得を増加させるように構成された、インダクタコイルおよびコンデンサを持つ、共振回路を含んでもよい。送信機のインダクタコイルはまた、受信機の第一のコイル／第二のコイルに、エネルギーを伝送してもよい。
【０００９】
ＷＰＴシステムは、したがって、無線電力受信機および無線電力送信機のうちの一つまたは両方を含みうる。一つの例示的な設計では、送信機および受信機の両方の中のインダクタコイルは、磁気的に結合され、それによってエネルギー伝達率および電力効率を高めてもよい。加えて、送信機および／または受信機の共振周波数を、電力効率を高めるために、ＷＰＴシステムの動作周波数と整合するように同調されてもよい。
【００１０】
例示的な無線電力受信機は、無線磁気共鳴充電によって、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの共振周波数で、約１．０の電圧利得および少なくとも９５％の効率で、無線電力送信機から電力を受け取る共振回路を含みうる。共振回路は、第一のコイルと、第一のコイルと直列に接続された第二のコイルであって、第一のコイルおよび第二のコイルが、電力を受け取るように構成されている、第二のコイルと、第一のコイルと直列に接続された第一のコンデンサと、第一のコイルおよび第一のコンデンサと並列に接続された、第二のコンデンサとを含みうる。第一のコイルおよび第二のコイルは、無線電力送信機の中の第三のコイルおよび第四のコイルから、エネルギーを受け取るように構成されうる。第一のコイルは、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有してもよく、第一のコンデンサは、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有してもよく、第二のコイルは、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有してもよく、第二のコンデンサは、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有してもよい。一部の設計では、第一のコイルは、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有してもよく、第一のコンデンサは、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有してもよく、第二のコイルは、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有してもよく、第二のコンデンサは、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有してもよい。
【００１１】
電力を無線で伝達する例示的な方法は、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの共振周波数、約１．０の電圧利得、および少なくとも９５％の効率で、第一のコイルおよび第一のコイルと直列の第二のコイルによって、少なくとも一つのコイルから電力を受け取ることを含みうる。方法はさらに、第一のコイルを、少なくとも一つのコイルの約５０ｍｍ以内に配置することを含みうる。方法における少なくとも一つのコイルは、第一のコイルと整合する第三のコイルと、第三のコイルと直列で第二のコイルと整合する第四のコイルとを含みうる。方法はさらに、第三のコイルおよび第四のコイルに、第一の電流を通すステップを含んでもよく、第一の電流は、第一のコイルおよび第二のコイルを通る、第二の電流を誘導する。第三のコイルの第一の電流と、第四のコイルの第一の電流との位相差は、約２０度未満または約１０度未満でありうる。
【００１２】
別の例示的な無線電力受信機は、第一のコイルと、第一のコイルと直列の第二のコイルと、第一のコイルおよび第二のコイルと直列の第一のコンデンサと、第一のコイルおよび第一のコンデンサと並列の、第二のコンデンサとを含みうる。無線電力受信機の共振周波数は、約８７ｋＨｚでありうる。無線電力受信機は、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの周波数帯にわたって、約１．０の電圧利得を有しうる。無線電力受信機は、約８０ｋＨｚから約９０ｋＨｚの周波数帯にわたって、少なくとも９５％の電力伝達効率を有しうる。第一のコイルは、第二のコイルと同心円をなしてもよい。第一のコイルは、第二のコイルと同一平面上にあってもよい。第一のコイルは、第二のコイルに積み重なりうる。第一のコイルは、第一のフラットスパイラルコイルであってもよく、第二のコイルは、第二のフラットスパイラルコイルであってもよい。第一のコイルおよび第二のコイルは各々、２２０ｍｍ以下の外径を有しうる。第二のコイルは、第一のコイルと第一のコンデンサとの間に直列に接続されうる。第一のコンデンサは、第一のコイルと第二のコイルとの間に直列に接続されうる。第一のコイルは、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有してもよく、第一のコンデンサは、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有してもよく、第二のコイルは、約０．１μＨから約１００μＨのインダクタンスを有してもよく、第二のコンデンサは、約０．０１μＦから約１００μＦの静電容量を有してもよい。一部の設計では、第一のコイルは、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有してもよく、第一のコンデンサは、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有してもよく、第二のコイルは、約１μＨから約２０μＨのインダクタンスを有してもよく、第二のコンデンサは、約０．０５μＦから約２μＦの静電容量を有してもよい。
【００１３】
当然のことながら、前述の概念および以下でより詳細に考察する追加的概念のすべての組み合わせは（このような概念は相互に矛盾していないという前提で）、本明細書に開示する本発明の主題の一部であると考えられる。特に、本開示の最後に現れる、特許請求の範囲に記載する主題のすべての組み合わせは、本明細書に開示する発明主題の一部であると考えられる。また当然のことながら、参照により組み込まれるあらゆる開示において、本明細書で明示的に用いられる用語には、本明細書に開示する特定の概念と最も一致する意味を与える必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
当業者であれば、図面が主として例示的な目的であること、そして本明細書に記載する本発明の主題の範囲を制限することを意図していないことを理解するだろう。図面は必ずしも一定の比率ではなく、一部の例では、本明細書に開示する本発明の主題の様々な態様は、異なる特徴の理解を容易にするために、図面内で誇張または拡大されて示されうる。図面では、同様の参照文字は概して、同様の特徴（例えば、機能的に類似したおよび／または構造的に類似した要素）を意味する。
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、従来の無線電力伝達（ＷＰＴ）システムの回路図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの従来のＷＰＴシステムについて、電圧利得対周波数のグラフを示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａの従来のＷＰＴシステムについて、電力効率対周波数のグラフを示す。
【図２Ａ】図２Ａは、π整合回路網を持つ従来のＷＰＴシステムの回路モデルを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ＬＣ整合回路網を持つ従来のＷＰＴシステムの回路モデルを示す。
【図３Ａ】図３Ａは、送信機の中に二つのエネルギー結合および整合コイルと、受信機の中に二つのエネルギー結合および整合を持つ、例示的なＷＰＴシステムの回路モデルを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、共振回路の中にある共振コンデンサおよび第一のコイルの配置が入れ替わった、別の例示的なＷＰＴシステムの回路モデルを示す。この回路モデルではまた、タップ付きインダクタコイルを使用してもよい。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂの回路モデルに基づいて、タップ付きインダクタコイルを使用する、別の例示的なＷＰＴシステムの回路モデルを示す。
【図４Ａ】図４Ａは、例示的な第一のコイルおよび第二のコイルを、フラットスパイラルコイルとして示し、第二のコイルは、第一のコイルの中心に配置され、第一のコイルと同心円をなす。
【図４Ｂ】図４Ｂは、例示的な第一のコイルおよび第二のコイルを、フラットスパイラルコイルとして示し、第一のコイルは、第二のコイルの中心に配置され、第二のコイルと同心円をなす。
【図４Ｃ】図４Ｃは、例示的な第一のコイルおよび第二のコイルを、フラットスパイラルコイルとして示し、第二のコイルは、第一のコイル上に配置され、第一のコイルと同心円をなす。
【図５】図５は、フラットスパイラルコイルから成る送信機および受信機を持つ、例示的なＷＰＴシステムを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、図５に示す例示的なＷＰＴシステムの電圧利得対周波数のグラフを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５に示す例示的なＷＰＴシステムの電力効率対周波数のグラフを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、図５に示す例示的なＷＰＴシステムについて、放射軸Ｘに沿った関数のコイル位置ずれとして電力効率のグラフを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図５に示す例示的なＷＰＴシステムについて、軸方向の線（ａｘｉａｌ  ａｘｉｓ）Ｚに沿ったコイル間隔の関数として電力効率のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
誘導結合に基づく従来のＷＰＴシステムは、通常、送信機および受信機それぞれの中に、磁界結合によって電力を交換するインダクタコイルを含む。エネルギー伝達率、電力効率、および動作範囲を増大するために、ＷＰＴシステムの送信機および受信機は多くの場合、共振で動作するように構成される。
【００１７】
図１Ａは、共振誘導結合を伴う従来のＷＰＴシステム１００を示す。ＷＰＴシステム１００は、送信機１１０および受信機１２０を含む。送信機１１０は、電源１１５（Ｖｉ）に直列で電気的に接続された、エネルギー結合コイル１１１および共振コンデンサ１１２（Ｃｔ）を含む。受信機１２０は同様に、負荷１２５に直列で電気的に接続された、エネルギー結合コイル１２１および共振コンデンサ１２２（Ｃｒ）を含む。エネルギー結合コイル１１１（１２１）は、巻線抵抗Ｒｔ（Ｒｒ）およびインダクタンスＬｔ（Ｌｒ）によって表される。
【００１８】
電源１１５は電圧を供給し、電圧でエネルギー結合コイル１１１を通る電流を駆動し、それによって磁界を生成する。次に、磁界が、エネルギー結合コイル１２１によって少なくとも一部吸収され、その後、負荷１２５を流れる電流を生み出しうる。このように、電力は、送信機１１０と受信機１２０との間を無線で伝達される。共振コンデンサ１１２および１２２は、通常、入出力インピーダンスを実質的に減少させるように適合し、したがって、送信機１１０と受信機１２０との間のエネルギー伝達率が増加する。
【００１９】
典型的なＷＰＴシステムの電力効率は、以下のように定義されうる。
η＝ＰＲ／ＰＴ                （１）
式中、ηは電力効率であり、ＰＲは、時間間隔Δｔにわたって、受信機１２０のエネルギー結合コイル１２１によって受け取られる総エネルギーであり、ＰＴは、時間間隔Δｔにわたって、送信機１１０のエネルギー結合コイル１１１によって伝送される総エネルギーである。エネルギー伝達率は、電力、すなわち、受信機１２０のエネルギー結合コイル１２１によって受け取られる、単位時間当たりのエネルギーの伝達率として定義されうる。したがって、エネルギー伝達率の大きさは、エネルギー結合コイル１１１によって伝送される電力に一部依存する。エネルギー伝達率は、送信機１１０と受信機１２０との間の電圧利得（負荷１２５の出力電圧Ｖｏ、および電源１１５の入力電圧Ｖｉの比率として定義される）に比例する。したがって、エネルギー伝達率の増加は、電圧利得の増加と相関がある。
【００２０】
エネルギー結合コイル１１１と１２１との結合は、電磁結合係数ｋによって特徴付けられてもよい。概して、ｋは、エネルギー結合コイル１１１および１２１の直径を増加させること、および／またはエネルギー結合コイル１１１と１２１との間のギャップもしくは距離を減少させることによって増加しうる。電磁結合係数ｋが増加し、および／またはエネルギー結合コイル１１１と１２１との間のギャップが減少すると、電力効率は通常、増加する。したがって、エネルギー結合コイル１２１は、より強力な結合によって、エネルギー結合コイル１１１によって伝送されるエネルギーのより多くを受け取ることができる。しかしながら、過結合された状態の下では、エネルギー伝達率は通常減少し、これはエネルギー結合コイル１１１によって伝送されるエネルギー量の減少を示す。
【００２１】
受信機１２０のエネルギー結合コイル１２１によって引き起こされる、送信機１１０のエネルギー結合コイル１１１における誘導電圧は、送信機１１０と受信機１２０との間の結合が増大するにつれて増加する。この誘導電圧は、電源１１５からの印加電圧と反対の極性を持ち、そのため、送信機１１０を流れる入力電流を妨げ、電圧利得およびエネルギー伝達率の減少をもたらす。この望ましくない電圧は、エネルギー結合コイル１２１を流れる電流、および電磁結合係数ｋに比例し、ギャップのサイズに反比例する。例えば、ＷＰＴシステム１００が共振周波数で動作し、エネルギー結合コイル１１１と１２１との間のギャップが減少すると、受信機１２０のエネルギー結合コイル１２１の電流が増加する。これによって、次にエネルギー結合コイル１１１にて大きな電圧が誘発され、そのため、電圧利得およびエネルギー伝達率が減少する。言い換えれば、コイル間にギャップを作ることで、電力伝達効率が増加し、エネルギー伝達率が減少する。
【００２２】
図１Ａに示すＷＰＴシステム１００を参照すると、ＷＰＴシステム１００は、エネルギー結合コイル１１１および共振コンデンサ１１２（ならびにエネルギー結合コイル１２１および共振コンデンサ１２２）によって形成される直列ＬＣ回路の中で、共振周波数をサポートするように構成されてもよく、エネルギー結合コイル１１１および共振コンデンサ１１２は、ＷＰＴシステム１００の動作周波数に同調されてもよい。図１Ａに示すように、Ｅｔは、受信コイルの電流により生成される磁界によって誘発される、送信コイルの電圧を表す。Ｅｒは、送信コイルの電流により生成される磁界によって誘発される、受信コイルの電圧を表す。上記のように、より強い結合（例えば、より大きい電磁結合係数ｋ）は、ＷＰＴシステム１００の電力効率を高めうる。しかしながら、より強い結合はまた、より強い周波数分離効果をもたらす。
【００２３】
図１Ｂおよび１Ｃは、磁気結合係数ｋの様々な値で、ＷＰＴシステム１００の電圧利得および電力効率をそれぞれ示す。図１Ｂでは、電圧利得は二つのピークを呈し、共振モードが偶奇モードに分かれることを示す。示すように、結合係数ｋが増加すると、偶／奇モードは、共振周波数ｆｒに対してより小さい／より大きい周波数に変わり、共振周波数での電圧利得の減少につながる。図１Ｃでは、電力効率は共振周波数でピークを呈し、結合係数が増加するにつれて増大する。電力効率は、偶奇モードに対応する非共振周波数で減少する傾向がある。結果として、電圧利得によって示されるように、電力効率およびエネルギー伝達率は、異なる周波数で発生するピーク値を呈する。したがって、従来のＷＰＴシステム１００は、この周波数分離効果により、最大エネルギー伝達率およびピーク電力効率を同時に両立して動作することはできない。
【００２４】
ＷＰＴシステム１００で、上記の周波数分離効果を克服しようと、いくつかのアプローチが開発されてきた。一例では、エネルギー結合コイル１１１および１２１は、電磁結合係数ｋを減少させるために、異なる電気特性を有するよう意図的に構成され、そのため、エネルギー結合コイル１１１の誘導電圧を減少させる。具体的には、エネルギー結合コイル１２１の直径は、直径の比率が実質的に単一性から逸脱するように、エネルギー結合コイル１１１の直径よりも実質的に小さいか、または大きくなるように選ばれた。しかしながら、このように、電磁結合係数ｋの減少によって、ＷＰＴシステムのエネルギー伝達率および電力効率が減少する。
【００２５】
別の例では、アクティブな整合同調回路が送信機１１０に統合される。アクティブな整合同調回路は、送信機１１０の共振周波数を調整して、ＷＰＴシステム１００の動作周波数と整合し、そのため、ＷＰＴシステム１００がピーク電力効率で動作することが可能になる。しかしながら、電圧利得、およびそれゆえエネルギー伝達率が、周波数分離効果によってこの設計では犠牲となる。加えて、高電圧および高電流の操作用に格付けされたスイッチならびにコンデンサが、共振回路に使用され、それらは、ＷＰＴシステム１００の費用、サイズ、重量、複雑さ、および電力損失を実質的に増大させうる。したがって、このアプローチは、電気車両（ＥＶ）の電池充電など、特に高電力用途には望ましくない。
【００２６】
さらに別の例では、代わりにＷＰＴシステム１００の動作周波数が、ピーク電力効率と整合するために、共振周波数と整合するように調整される、周波数追跡方法が使用される。このアプローチには、可変コンデンサ、または数々の高電力定格の同調コンデンサおよびスイッチの使用は含まれず、したがって、ＷＰＴシステム１００を大幅に単純化し、コストを削減する。しかしながら、電圧利得、およびそれゆえエネルギー伝達率が、周波数分離効果によってこの設計では再び犠牲となる。さらに、このアプローチは、動作周波数が、共振周波数を含まない特定の範囲に限定される用途では、実現できない場合がある。例えば、ＥＶ電池充電用のＷＰＴシステム１００は、８１．３８ｋＨｚから９０ｋＨｚの範囲の周波数で動作してもよく、共振周波数は８１．３８ｋＨｚ未満、または９０ｋＨｚよりも大きい。
【００２７】
さらに別の例では、インピーダンス整合回路は、エネルギー伝達率および電力効率の両方を増加させるために、送信機１１０および／または受信機１２０に統合されうる。図２Ａは、ＷＰＴシステム２００、送信機２１０の中の第一のπ構成インピーダンス整合回路２１７、および送信機２２０の中の第二のπ構成インピーダンス整合回路２２７を示す。図２Ｂは、ＷＰＴシステム２０２、送信機２１３の中の第一のＬＣ構成インピーダンス整合回路２１９、および送信機２２３の中の第二のＬＣ構成インピーダンス整合回路２２９を示す。
【００２８】
各整合回路２１７、２１９（２２７、２２９）は、エネルギー結合コイル２１１（２２１）および共振コンデンサ２１２（２２２）と直列のインダクタコイルを含む。各整合回路２１７、２１９（２２７、２２９）はまた、回路構成（例えば、π構成、ＬＣ構成）に応じて、エネルギー結合コイル２１１（２２１）および共振コンデンサ２１２（２２２）と並列の一つ以上のコンデンサも含みうる。電源２１５は、送信機２１０、２１３の中で直列に接続され、負荷２２５は、受信機２２０、２２３の中で直列に接続される。インピーダンス整合回路２１７（２１９）および２２７（２２９）のインダクタならびにコンデンサによって、共振周波数で電圧利得を増加させて、周波数分離効果を相殺する。したがって、ＷＰＴシステム２００および２０２は、電圧利得およびエネルギー伝達率に対する実質的な減少なしに、ピーク電力効率と整合するように、共振周波数で動作しうる。
【００２９】
しかしながら、これらＷＰＴシステム２００および２０２のインピーダンス整合回路２１７、２１９、２２７、および２２９は、通常、別個の配線でエネルギー結合コイル２１１および２２１ならびに共振コンデンサ２１２および２２２に接続される、個別の電気部品である。また、インピーダンス整合回路２１７、２１９、２２７、および２２９が大きな重量インダクタコイルを含むことも一般的である。したがって、これらのインピーダンス整合回路２１７、２１９、２２７、および２２９によって、ＷＰＴシステム２００および２０２のサイズ、複雑さ、ならびに重量が増大する傾向がある。
【００３０】
共振回路が統合インピーダンス整合を有するＷＰＴシステム
ＷＰＴシステムの中で統合インピーダンス整合回路を使用することによって、ＷＰＴシステムのサイズまたは波形率を過度に増やすことなく、エネルギー伝達率および電力効率の両方が増加する。回路には、電圧利得を増加させるインダクタコイルおよびコンデンサが含まれ、それによって、上記の周波数分離効果によって引き起こされるエネルギー伝達率の減少を補う。インピーダンス整合に使用されるインダクタコイルはまた、送信機および受信機それぞれの中で電力を伝送し受け取るために、互いに近接して配置されてもよく、または単一のインダクタコイル（例えば、タップ付きインダクタコイル）として統合されてもよい。共振回路にインピーダンス整合の機能性を統合することによって、従来のＷＰＴシステムで使用されるインピーダンス整合回路は排除され、使用される個別電子部品の数が実質的に減少し、それゆえ、ＷＰＴシステムの波形率および重量が減少しうる。
【００３１】
本明細書に記載するＷＰＴシステムは、いくつかの利点を有しうる。例えば、ＷＰＴシステムは、より小さな動作領域を有してもよく、したがって、送信機と受信機との間に不注意に配置されうる物体の望ましくない加熱に関連する、潜在的な安全上の危険性が低下する。より小さくより軽量のＷＰＴシステムはまた、ＥＶのサイドパネルもしくはバンパー、ドローンもしくはロボット用の充電台、または車両トレーラーの閉鎖空間など、厳しい空間および重量要件を持つシステム上へ取り付けも可能にしうる。一つの例示的な用途では、一つ以上のＷＰＴシステムが、ＥＶの車台、サイドパネル、および／または前部／後部バンパーに取り付けられてもよい。これらのＷＰＴシステムは、ＥＶが車庫もしくは駐車場に止まっているとき、またはＥＶが信号の前で静止しているときに、ＥＶの電池を充電するために使用されうる。加えて、ＷＰＴシステムはまた、道路上の二台の車両間で電力を伝達するように使用しうる。
【００３２】
図３Ａは、ＷＰＴシステム１０００の例示的な設計を示す。ＷＰＴシステム１０００は、送信機１１００および受信機１２００を含みうる。送信機１１００は、第一のコイル１１１０と、第一のコイル１１１０へ直列に接続する第一のコンデンサ１１２０（Ｃｂ）と、第一のコイル１１１０および第一のコンデンサ１１２０へ直列に接続する第二のコイル１１３０と、第一のコイル１１１０および第一のコンデンサ１１２０へ並列に接続する第二のコンデンサ１１４０（Ｃａ）とを持つ、共振回路１１０２を含みうる。共振回路１１０２は、ＷＰＴシステム１０００の中でエネルギーを供給する電源１１５０に、電気的に接続されてもよい。第一のコイル１１１０は、巻線抵抗（Ｒｂ）および自己インダクタンス（Ｌｂ）によって表されうる。第二のコイル１１３０は、巻線抵抗（Ｒａ）および自己インダクタンス（Ｌａ）によって表されうる。ＲａおよびＬａは、電源１１５０を第二のコイル１１３０に接続する、ワイヤの抵抗およびインダクタンスをそれぞれ含みうる。
【００３３】
同様に、受信機１２００は、第三のコイル１２１０と、第三のコイル１２１０へ直列に接続する第三のコンデンサ１２２０（Ｃｄ）と、第三のコイル１２１０および第三のコンデンサ１２２０へ直列に接続する第四のコイル１２３０と、第三のコイル１２１０および第三のコンデンサ１２２０へ並列に接続する第四のコンデンサ１２４０（Ｃｃ）とを持つ、共振回路１２０２を含みうる。共振回路１２０２は、ＷＰＴシステム１０００の中でエネルギーを受け取る負荷１２５０に、電気的に接続されてもよい。第三のコイル１２１０は、巻線抵抗（Ｒｄ）および自己インダクタンス（Ｌｄ）によって表されうる。第四のコイル１２３０は、巻線抵抗（Ｒｃ）および自己インダクタンス（Ｌｃ）によって表されうる。ＲｃおよびＬｃは、負荷１２５０を第四のコイル１２３０に接続する、ワイヤの抵抗およびインダクタンスをそれぞれ含みうる。
【００３４】
ＷＰＴにおける電子特性の共依存
電力の伝達中、ＷＰＴシステム１０００のインダクタは、すべて磁気的に互いに結合し、システム中の他のインダクタコイルからの寄与により、各インダクタコイルで誘導電圧を生じさせうる。図３Ａに示すように、第一のコイル１１１０にわたる電圧降下はまた、第二のコイル１１３０（Ｅｂａ）、第三のコイル１２１０（Ｅｂｄ）、および第四のコイル１２３０（Ｅｂｃ）を流れる電流によって、第一のコイル１１１０で生じる誘導電圧を含む。同様に、第二のコイル１１３０にわたる電圧降下は、第一のコイル１１１０（Ｅａｂ）、第三のコイル１２１０（Ｅａｄ）、および第四のコイル１２３０（Ｅａｃ）からの誘導電圧を含む。第三のコイル１２１０にわたる電圧降下は、第一のコイル１１１０（Ｅｄｂ）、第二のコイル１１３０（Ｅｄａ）、および第四のコイル１２３０（Ｅｄｃ）からの誘導電圧を含む。最後に、第四のコイル１２３０にわたる電圧降下は、第一のコイル１１１０（Ｅｃｂ）、第二のコイル１１３０（Ｅｃａ）、および第三のコイル１２１０（Ｅｃｄ）からの誘導電圧を含む。
【００３５】
ＷＰＴシステム１０００中のインダクタコイルが、磁気的に互いに結合しているため、インダクタコイルおよびコンデンサの電子特性ならびに構造特性は共依存しており、ＷＰＴシステム１０００のエネルギー伝達率および電力効率の両方を増加させるように、まとめて同調されるべきである。これは、送信機または受信機の中の整合回路の電子特性が、通常、送信機および受信機の他の電子部品とは独立して同調される、インピーダンス整合回路を持つ従来のＷＰＴシステムとは全く対照的である。
【００３６】
例えば、送信機１１００の第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０を流れる電流の位相差が小さくなるように、同調されるべきである。より小さい位相差は、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０によって生成される磁界間の、より少ない弱め合う干渉に対応し、そのため、より大きな電力伝送をもたらす。ＷＰＴシステム１０００について、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０（または受信機１２００の第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０）を流れる電流の位相差は、好ましくは、約２０度未満（例えば、１５度、１０度、５度など）であるべきである。
【００３７】
別の例では、ＷＰＴシステム１０００は、送信機１１００および受信機１２００のインダクタコイル間の特定の距離で、動作するように設計されうる。第一のコイル１１１０／第二のコイル１１３０および第三のコイル１２１０／第四のコイル１２３０は、エネルギー伝達率および効率を高めるように、まとめて同調されうる。特定のギャップに対してインダクタコイルが同調されると、それに続くギャップへの変化（例えば、より大きいまたは小さいギャップ）によって、エネルギー伝達率が減少しうる。
【００３８】
ＷＰＴシステムにおける動作パラメータおよび電子特性
ＷＰＴシステム１０００のエネルギー伝達率および電力効率は、概して、共振回路１１０２および１２０２中にある部品の電子特性、ならびにＷＰＴシステム１０００の間隔ギャップおよびサイズ制限など、所望の動作条件に依存しうる。ＷＰＴシステム１０００のエネルギー伝達率は、低電力および／または高電力用途に適合してもよい。原則として、ＷＰＴシステム１０００は、いかなる電力レベルでも動作するように適合しうる。例えば、エネルギー伝達率は、約１Ｗから約５００ｋＷの間で異なりうる。概して、ＷＰＴシステム１０００の電力効率は、約１％から約１００％の間で異なりうる。ＷＰＴシステム１０００では、負荷１２５０（例えば、電池）の充電時間の減少、負荷１２５０（例えば、モータ）へのより多くの電力の供給、および電源１１５０により生成される電力量の減少を含むがこれらに限定されないいくつかの理由で、より高い電力効率が概して好ましい。しかしながら、所望の電力効率もまた、用途によって異なりうる。例えば、電気自動車の充電には、少なくとも８５％（例えば、９０％、９５％、またはそれ以上）の電力効率が好ましい。
【００３９】
送信機１１００および受信機１２００のインダクタコイル間の距離は、概して、約０．１ｃｍから約１ｍの間で異なりうる。一部の用途では、間隔ギャップの範囲は実質的により小さくてもよい。例えば、電気自動車で使用されるＷＰＴシステム１０００は、約１０ｍｍから約２００ｍｍの範囲である間隔ギャップを有しうる。より小さい間隔ギャップによって、（１）より大きい電磁結合係数ｋ、およびそれゆえ、より高い電力効率、（２）インダクタコイルの縁部にあるフリンジ磁界による、環境中のより少ないＥＭＩ、ならびに（３）物体、小さい子供、または動物が、送信機１１００と受信機１２００との間に入るのを防止することによる、より高い安全性を含む、いくつかの利点を提供する。
【００４０】
ＷＰＴシステム１０００の動作周波数はまた、約２０ｋＨｚと約２０ＭＨｚとの間で変化しうる。しかしながら、一部の用途では、動作周波数は、業界標準ガイドラインに基づいて、特定の周波数帯に限定されうる。例えば、ＥＶで動作周波数は、軽量プラグイン車／ＥＶにおける無線電力伝達について、Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＳＡＥ）のガイドラインによって記載されるように、約８０ｋＨｚと約９０ｋＨｚとの間（例えば、８７．５ｋＨｚ）でありうる。
【００４１】
上記のように、ＷＰＴシステム１０００の電子特性は共依存しており、所望のエネルギー伝達率、電力効率、間隔ギャップ、および動作周波数などの一つ以上の動作パラメータに基づいて異なりうる。送信機１１００について、第一のコイル１１１０は、約０．１μＨから約１００μＨの範囲である、インダクタンスを有しうる。第二のコイル１１３０は、約０．１μＨから約１００μＨの範囲である、インダクタンスを有しうる。第一のコンデンサ１１２０は、約０．０１μＦから約１００μＦの範囲である、静電容量を有しうる。第二のコンデンサ１１４０は、約０．０１μＦから約１００μＦの範囲である、静電容量を有しうる。
【００４２】
受信機１２００もまた、同様のパラメータ範囲を呈しうる。第三のコイル１２１０は、約０．１μＨから約１００μＨの範囲である、インダクタンスを有しうる。第四のコイル１２３０は、約０．１μＨから約１００μＨの範囲である、インダクタンスを有しうる。第三のコンデンサ１２２０は、約０．０１μＦから約１００μＦの範囲である、静電容量を有しうる。第四のコンデンサ１２４０は、約０．０１μＦから約１００μＦの範囲である、静電容量を有しうる。
【００４３】
一部の用途では、第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０のインダクタンスは各々、ＷＰＴシステム１０００の任意の漂遊インダクタンスよりも実質的に大きくなるように適合しうる。例えば、第二のコイル１１３０を電源１１５０に、または第四のコイル１２３０を負荷１２５０に接続するために使用される配線は、ＷＰＴシステム１０００の共振周波数に影響を与えうる、漂遊インダクタンスを有しうる。第二のコイル１１３０および／または第四のコイル１２３０のインダクタンスが、漂遊インダクタンスよりも実質的に大きい（例えば、コイルのインダクタンスが、漂遊インダクタンスよりも１０倍大きい）場合、共振周波数への効果は無視できるほどでありうる。しかしながら、以下に記載するように、大きなインダクタンスによって、望ましくない電圧利得がもたらされうるため、過度に大きなインダクタンスもまた、望ましくない場合がある。
【００４４】
第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０は各々、空心インダクタ、鉄心インダクタ、フェライトコアインダクタ、ボビンベースのインダクタ、トロイダルインダクタ、フラットスパイラルインダクタ、多層セラミックインダクタ、および当業者に既知の任意の他のインダクタを含むがそれらに限定されない、様々なタイプのインダクタであってもよい。一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０は、ＷＰＴシステム１０００中の一つ以上の他のインダクタコイルと実質的に類似する形状、寸法、および／またはインダクタンスを有してもよい。一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０は各々、形状、寸法、および／またはインダクタンスの点で実質的に異なってもよい。
【００４５】
第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０の形状ならびに寸法は、下支え構造の形状に適合するために異なりうる。例えば、ＥＶの車台に取り付けられるインダクタコイルは、実質的に平坦であってもよい。別の例では、ＥＶのバンパーの中に取り付けられるインダクタコイルは、バンパーまたは車両のフレームに適合するように湾曲していてもよい。
【００４６】
一部のＷＰＴシステム１０００について、送信機１１００および／または受信機１２００の動作領域は、コイルの形状および寸法によって決定される。概して、第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０は、約１００ｍｍから約１５ｍの間の異なる特徴的な寸法（例えば、直径）を有しうる。一部の用途では、動作領域、およびそれゆえインダクタコイルのサイズは、限定されうる。例えば、インダクタコイルのサイズは、車両の車台のサイズによって限定されてもよい。
【００４７】
第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０は、銅、アルミニウム、前述の任意の合金、または当業者に既知の任意の他の導電体を含むがこれらに限定されない、様々な導電体から形成されうる。また、リッツ線による配線、多重撚り線による配線、錦糸線配線、または当業者に既知の任意の他の配線を含むがこれらに限定されない、様々なタイプの配線も、インダクタコイルを形成するように使用されうる。
【００４８】
第一のコンデンサ１１２０、第二のコンデンサ１１４０、第三のコンデンサ１２２０、および第四のコンデンサ１２４０は各々、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、超コンデンサ、または当業者に既知の任意の他のコンデンサを含むがこれらに限定されない、様々なタイプのコンデンサであってもよい。一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコンデンサ１１２０、第二のコンデンサ１１４０、第三のコンデンサ１２２０、および第四のコンデンサ１２４０は、（１）共振周波数を同調させ、および／または（２）単一のコンデンサに対する定格電圧／電流が十分でない場合、より高いエネルギー伝達率をサポートするために、直列および／または並列に接続される二つ以上のコンデンサから形成されうる。
【００４９】
一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコンデンサ１１２０、第二のコンデンサ１１４０、第三のコンデンサ１２２０、および第四のコンデンサ１２４０は、ＷＰＴシステム１０００の中の一つ以上の他のコンデンサと実質的に類似する形状、寸法、および／またはインダクタンスを有してもよい。一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコンデンサ１１２０、第二のコンデンサ１１４０、第三のコンデンサ１２２０、および第四のコンデンサ１２４０は各々、形状、寸法、および／または静電容量の点で実質的に異なってもよい。
【００５０】
ＷＰＴシステムの同調性
ＷＰＴシステム１０００の共振回路１１０２および１２０２は、概して、共振周波数、電圧利得、エネルギー伝達率、および電力効率を含むがこれらに限定されない、ＷＰＴシステム１０００の様々な動作パラメータを調整するように同調されうる。同調は、第一のコイル１１１０および／もしくは第二のコイル１１３０のインダクタンス、ならびに／または第一のコンデンサ１１２０および／もしくは第二のコンデンサ１１４０の静電容量を調整することによって、一部達成されうる。一部のＷＰＴシステム１０００について、これら電子パラメータの一部は、組み立て中に固定されてもよく、したがって、コイルの厚さおよび／または巻数によって決定されうる、コイルのインダクタンスなど、ＷＰＴシステム１０００が完全に組み立てられると変更できない。しかしながら、一部のＷＰＴシステム１０００では、これらの電子パラメータは、コンデンサの静電容量など、ＷＰＴシステム１０００の組み立て後に同調可能でありうる。
【００５１】
例えば、ＷＰＴシステム１０００は、用途に応じて動作中に変化しうる、幅広い動作周波数にわたって動作するように構成されうる。第一のコンデンサ１１２０および第二のコンデンサ１１４０は、機械的または電子的に変更されうる静電容量を持つコンデンサである、可変コンデンサであってもよい。したがって、ＬＣ共振周波数は、高電力効率を維持するために、ＷＰＴシステム１０００の中の各コンデンサそれぞれの静電容量を調整して、動作周波数と整合することによって同調されうる。例えば、ＷＰＴシステム１０００は、受信機１２００のみを含みうる。受信機１２００は、異なる周波数で動作しうる、他の送信機（例えば、上記の従来の送信機）から電力を受け取ってもよい。高電力効率および高エネルギー伝達率を維持するために、受信機１２００の共振周波数は、送信機の動作周波数と整合するように同調されうる。エネルギー伝達率および電力効率は、受信機１２００が送信機１１００に結合されている場合と比較して、より低くてもよいものの、それにもかかわらず、受信機１２００はまだ、電力を受け取り負荷１２５０へ伝達することができる。
【００５２】
別の例では、ＷＰＴシステム１０００の電源１１５０と負荷１２５０との間の電圧利得は、用途に応じて調整されてもよい。例えば、ＷＰＴシステム１０００によって、約０．０１から約１００の範囲の電圧利得を提供しうる。上記のように、共振回路１１０２および１２０２のインピーダンス整合の機能性は、周波数分離効果を補うために、ＷＰＴシステム１０００の中で電圧利得を増加させるように使用される。しかしながら、一部の用途では、ＷＰＴシステム１０００が、可能な限りで最高の電圧利得で動作することが望ましくない場合がある。例えば、車両間の無線電力伝送が関与する用途では、ＷＰＴシステム１０００は、好ましくは、車両が別の車両に対して同じ電圧および電流レベル受け取る、または伝送する、対称システムであるべきである。言い換えれば、電圧利得は、好ましくは、約１．０であるべきである。別の例では、車両は、壁コンセントから供給される電力を使用して充電されうる。コンセントの電圧は、自動車用電池の電圧よりも実質的に高くてもよく、したがって、好ましい電圧利得は１．０未満としうる。
【００５３】
さらなる考慮事項
ＷＰＴシステム１０００はまた、送信機１１００と受信機１２００との間に配置される、空気、水、塩水、雪、および氷を含むがこれらに限定されない、様々な媒体で動作するように構成されうる。一部のＷＰＴシステム１０００について、共振回路１１０２および１２０２の電子特性は、異なる複素誘電率を持つ異なる媒体を収容して、エネルギー伝達率および電力効率の望ましくない減少を回避するように適合しうる。一部のＷＰＴシステム１０００は、代わりに、ＷＰＴシステム１０００が使用中の時に、送信機１１００と受信機１２００との間の媒体の変化に反応しにくいように構成されうる。例えば、送信機１１００および受信機１２００のインダクタコイル間の間隔ギャップは、媒体が動作中に変化する（例えば、雪または氷が、送信機１１００と受信機１２００との間に堆積する）場合であっても、媒体中の磁界の任意の低下は無視できるほどであるように、充分に小さく保たれてもよい。媒体の複素誘電率は、概して周波数に依存する。したがって、動作周波数および共振周波数はまた、媒体の損失が低く、好ましくは無視できるほどの周波数で、動作するように同調されてもよい。例えば、氷は、約５〜６ｋＨｚの周波数で吸収損失のピークを呈し、５〜６ｋＨｚの範囲外では、より低周波数およびより高周波数で単調に減少する。したがって、動作周波数および共振周波数は、より低損失の周波数（例えば、氷については、５〜６ｋＨｚの範囲外）に同調されてもよく、送信機１１００と受信機１２００との間のギャップ、ＷＰＴシステム１０００の許容損失、および動作周波数範囲または共振周波数範囲に課される制限に応じて異なってもよい。
【００５４】
ＷＰＴシステム１０００は、概して、図３Ａに示す共振回路１１０２および１２０２において、前に記載した回路部品に限定されない。共振回路１１０２および／または１２０２は、概して、ＷＰＴシステム１０００のエネルギー伝達率および／または電力効率をさらに増加させるように、追加のインダクタおよび／またはコンデンサを含みうる。一部のＷＰＴシステム１０００について、各追加のインダクタには、対応するコンデンサが付随しうる。これら追加の電子部品は、図３Ａに示す設計と比較して、電圧利得をさらに増加させ、および／またはより多くの電力を伝送する／受け取るように使用されうる。
【００５５】
上記のように、送信機１１００および／または受信機１２００は、他の受信機および送信機それぞれと共に使用されうる。例えば、一部のＷＰＴシステム１０００は、様々な従来の受信機と共に使用されるように、送信機１１００のみを含みうる。同様に、一部のＷＰＴシステム１０００は、様々な従来の送信機と共に使用されるように、受信機１２００のみを含みうる。送信機１１００または受信機１２００と他のシステムとの互換性が追加されたことで、既に現場に配備された送信機および受信機を利用することによって、ＷＰＴシステム１０００のより広範な使用が許容されうる。エネルギー伝達率および電力効率の増加は、送信機１１００および受信機１２００の両方を含むＷＰＴシステム１０００と比較して、それほど大きくはない場合があるが、それにもかかわらず、送信機１１００または受信機１２００は、他のシステムから無線で電力を供給しまたは受け取りうる。上記のように、送信機１１００および受信機１２００は、従来の受信機および送信機それぞれを収容するように同調されうる。例えば、共振周波数は、従来の受信機および送信機の動作周波数と整合するように同調されてもよい。
【００５６】
送信機１１００および受信機１２００は、電源１１５０および負荷１２５０への接続によってのみ、区別されうる。共振回路１１０２および１２０２は、ＷＰＴシステム１０００が、双方向に電力を伝送し受け取るのを可能にする、送信機または受信機としての機能にとらわれない。例えば、共振回路１１０２は、電源１１５０と負荷とを切り替えるスイッチに、電気的に結合されてもよい。同様に、共振回路１２０２は、負荷１２５０と電源とを切り替えるスイッチに、電気的に結合されてもよい。別の例では、電源１１５０および負荷１２５０は両方ともに、動作モードに応じて電力を供給し、および／もしくは電力を受け取るように構成された、電池ならびに／または超コンデンサであってもよい。一動作モードでは、電力が共振回路１１０２から共振回路１２０２へ伝達されるように、共振回路１１０２は電源１１５０に結合され、共振回路１２０２は負荷１２５０に結合されてもよい。別の動作モードでは、電力が共振回路１２０２から共振回路１１０２へ伝達されるように、共振回路１１０２は負荷に結合され、共振回路１２０２は電源に結合されてもよい。このように、どの共振回路が送信機および受信機に対応するのかという指定は、ＷＰＴシステム１０００の動作モードに完全に依存する。したがって、ＷＰＴシステム１０００の共振回路１１０２または１２０２は、送信機および受信機のいずれかとして使用され、費用を削減し、空間／重量を節約することができる。
【００５７】
ＷＰＴシステムの例示的設計
図３Ｂおよび３Ｃは、異なるＷＰＴ設計を示す。図３Ｂは、図３Ａに関する代替的な回路装置を持つＷＰＴシステム１００２を示し、第一のコンデンサ１１２０は、電源１１５０と第一のコイル１１１０との間に直列に接続されている。言い換えれば、第一のコンデンサ１１２０および第一のコイル１１１０の場所が、共振回路１１０２の中で入れ替わっている。第三のコンデンサ１２２０もまた、負荷１２５０と第三のコイル１２１０との間に直列に接続されている。図３Ｂに示すＷＰＴシステム１００２は、図３Ａに示すＷＰＴシステム１０００と実質的に類似して機能してもよい。図３Ｂに示すＷＰＴシステム１００２はまた、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０の代わりに、タップ付きインダクタコイルも使用しうる。
【００５８】
図３Ｃは、送信機１１００の第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０が、タップ付きインダクタコイル１１６０によって交換された、ＷＰＴシステム１００３を示す。インダクタコイル１１６０のタップは、図３Ｃに示すように、第二のコンデンサ１１４０に接続されうる。同様に、受信機１２００の第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０もまた、第四のコンデンサ１２４０に接続されたタップを持つ、タップ付きインダクタコイル１２６０によって交換されてもよい。タップ付きインダクタコイルの使用は、共振回路１１０２および１２０２の中で別個のインダクタコイルの使用を排除することによって、ＷＰＴシステム１００３をさらに単純化する。
【００５９】
送信機および／または受信機に対する例示的なコイル組立品
図４Ａ〜４Ｃは、送信機１１００中の第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０の例示的な組立品ならびに設計を示す。これらの組立品および設計はまた、受信機１２００中の第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０にも適用されうる。示すように、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は各々、空芯コイルの一種である、フラットスパイラルコイルであってもよい。フラットスパイラルコイルは、一巻以上および中心開口部を持つ螺旋形状を形成するように湾曲した、一本以上のワイヤから成りうる。螺旋は実質的に平坦でありうる。一部のＷＰＴシステム１０００について、フラットスパイラルコイルの使用によって、ギャップが、送信機１１００と受信機１２００との間で、実質的に均一であることが可能になる（例えば、送信機１１００および受信機１２００は、並列配列である）。このようにギャップを限定することによって、ギャップが送信機１１００および受信機１２００の領域にわたって空間的に変化する場合と比較して、共振回路１１０２のその他の構造特性および電子特性の同調を簡略化しうる。
【００６０】
図４Ａ〜４Ｃに示すように、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、両方のインダクタコイルが、実質的に類似する間隔ギャップで受信機に電力を伝送するのを可能にするために、互いに極めて近接して（例えば、１ｍｍ未満）配置されてもよい。例えば、図４Ａは、第二のコイル１１３０が、第一のコイル１１１０の中心開口部の中に配置される、例示的な組立品を示す。図４Ｂは、第一のコイル１１１０が、第二のコイル１１３０の中心開口部の中に配置される、別の例示的な組立品を示す。図４Ｃは、第二のコイル１１３０が、同心円をなして第一のコイル１１１０に積み重なる、更に別の例示的な組立品を示す。一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、第一のコイル１１１０および対応する第三のコイル１２１０が、第二のコイル１１３０および第四のコイル１２３０よりも近くなるように配列されうる。一部のＷＰＴシステム１０００について、第一のコイル１１１０および第三のコイル１２１０は、第二のコイル１１３０および第四のコイル１２３０と比較して、より広い間隙を介してもよい。この組立品では、第一のコイル１１１０または第三のコイル１１３０の厚さもまた、送信機１１００と受信機１２００との間の配列に応じて、間隔ギャップに影響を与えうる。
【００６１】
第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０のそれぞれの端部は、図３Ａに示す回路図に従って電気的に結合されうる。例えば、図３Ａでは、第二のコイル１１３０の最も内側の端部、および第一のコイル１１１０の最も外側の端部が、電源１１５０に接続されうる。第二のコイル１１０３の最も外側の端部、および第一のコイル１１１０の最も内側の端部は、第一のコンデンサ１１２０および第二のコンデンサ１１４０の両方に接続されうる。
【００６２】
フラットスパイラルコイルのインダクタンスは、巻数、中心開口部の内径、外径、螺旋の中で隣接する巻線間の距離、ワイヤの直径／厚さ、および配線の断面形状を含むがこれらに限定されない、いくつかの調節可能な構造パラメータに依存しうる。加えて、フラットスパイラルコイルを形成するために使用される配線は、一本以上の撚り線（例えば、多心導線、リッツ線）を含みうる。また、銅、アルミニウム、前述の任意の合金、または当業者に既知の任意の他の導電性材料を含むがこれらに限定されない、様々な導電性材料も、フラットスパイラルコイルを形成するために使用されうる。図４Ａ〜４Ｃは、実質的に円形として第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０を示すものの、楕円、正方形、長方形、三角形、または当業者に既知の任意の他の多角形形状を含むがそれらに限定されない、他の形状を使用しうる。
【００６３】
これらのパラメータは、様々な動作範囲で低電力または高電力用途をサポートするために調整されうる。例えば、より大きなエネルギー伝達率をサポートするために、フラットスパイラルコイルの直径は増大してもよく、配線をより厚くしてもよい。また、これらのパラメータによって、送信機１１００と受信機１２００との間のより大きな間隔ギャップにわたる動作が可能になりうる。しかしながら、また、より大きな外径コイルによって、より大きくより重いＷＰＴシステム１０００をもたらし、空間および重量の節約が重要な特定の用途には望ましくない場合がある。
【００６４】
フラットスパイラルコイルを使用した例示的なＷＰＴシステム
図５は、第一のコイル１１１０、第二のコイル１１３０、第三のコイル１２１０、および第四のコイル１２３０がすべてフラットスパイラルコイルである、プロトタイプのＷＰＴシステム１０００の図を示す。この例示的なプロトタイプでは、第一のコイル１１１０は、第二のコイル１１３０の中心開口部の中に配置される。同様に、第三のコイル１２１０は、第四のコイル１２３０の中心開口部の中に配置される。示すように、第二のコイル１１３０および第四のコイル１２３０の外径は２１５ｍｍである。第一のコイル１１１０および第三のコイル１２１０の内径は１１０ｍｍである。各フラットスパイラルコイルは、表皮効果によって引き起こされる、望ましくない導通損失を減少させるために、リッツ線から形成される。第一のコイル１１１０および第三のコイル１２１０で使用される配線は、互いと電気的に並列に接続された二本のワイヤを含む。第二のコイル１１３０および第四のコイル１２３０で使用される配線は、電気的に並列に接続された四本のワイヤを含む。リッツ線の各個々の繊維の直径は約０．１ｍｍである。その他の設計では、フラットスパイラルコイルは、プリント回路基板、または当業者に既知の他のタイプの配線上に形成されうる。第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、間隔ギャップＺによって、第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０から分離される。
【００６５】
示すように、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０と同一である。したがって、原則として、第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０、または第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０の一方は、送信機および受信機として使用されうる。第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、図３Ａまたは３Ｂに示す回路モデルに基づいて、第一のコンデンサ１１２０（図示せず）、第二のコンデンサ１１４０（図示せず）、および電源１１５０（図示せず）に接続される。同様に、第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０は、図３Ａに示すように、第三のコンデンサ１２２０（図示せず）、第四のコンデンサ１２４０（図示せず）、および負荷１２５０（図示せず）に接続される。
【００６６】
この例示的な設計では、インダクタンスおよび静電容量は、間隔ギャップ５０ｍｍおよび共振周波数８７ｋＨｚ用に同調されていた。第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０のインダクタンスは、それぞれ１０μＨおよび２μＨである。第一のコンデンサ１１２０および第二のコンデンサ１１４０の静電容量は、それぞれ０．０６７μＦおよび１μＦである。同様に、第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０のインダクタンスは、それぞれ１０μＨおよび２μＨである。第三のコンデンサ１２２０および第四のコンデンサ１２４０の静電容量は、それぞれ０．０６７μＦおよび１μＦである。インダクタンスはこの設計において固定されるが、静電容量は変動してもよく、したがって、共振周波数の同調性が可能となる。
【００６７】
図６Ａおよび６Ｂは、上記のＷＰＴシステム１０００に対する動作周波数の関数として、それぞれ電圧利得および電力効率を示す。図６Ａに示すように、電圧利得は、共振周波数８７ｋＨｚで１よりも大きい。電圧利得の３ｄＢ帯域幅は、約３１ｋＨｚである。これは、電磁結合係数ｋ＝０．０５を持つ、従来のＷＰＴシステム１００よりも実質的に大きく、図１Ｂに示すように、約５ｋＨｚの３ｄＢ帯域幅を有する。加えて、図６Ｂは、共振周波数では３１ｋＨｚの３ｄＢ帯域幅にわたり、電力効率が９５％よりも大きいことを示す。
【００６８】
送信機１１００と受信機１２００との間の配列および間隔ギャップの関数として、電力効率の感度を評価するために、プロトタイプのＷＰＴシステム１０００上で追加の実験を行った。これらの実験では、送信機１１００の中の第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０は、８７ｋＨｚで動作するフルブリッジ電力変換器によって励起された。第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０にて誘導されるＡＣ電圧は、同期整流器によって整流された。送信機１１００の第一のコイル１１１０および第二のコイル１１３０、ならびに受信機１２００の第三のコイル１２１０および第四のコイル１２３０によって生成される磁界は、フェライト板および金属板によって遮断された。
【００６９】
図７Ａおよび７Ｂは、コイル位置ずれＸおよび間隔ギャップＺそれぞれの関数としての電力効率を示す。コイル位置ずれは、送信機１１００および受信機１２００の中心間の横方向距離（同心円配列からの横方向偏差）である。図７Ａに示すように、電力効率は、約４０ｍｍ未満のコイル位置ずれＸに対して、９１％よりも大きいままである。図７Ｂに示すように、電力効率は、５０ｍｍの好ましい間隔ギャップを中心としたピークを呈す。上記のように、ＷＰＴシステム１０００のインダクタンスおよび静電容量は、特定の間隔ギャップに対して適合しうる。間隔ギャップが、好ましい間隔ギャップから逸脱すると、準最適な誘導結合が起こり、それゆえ電力効率が低下しうる。それにもかかわらず、図７Ｂの電力効率は、４０ｍｍと７０ｍｍとの間の間隔ギャップＺに対して、９１％よりも大きいままである。そのため、このデータは、プロトタイプのＷＰＴシステム１０００によって、送信機１１００および受信機１２００の中のインダクタコイルがずれ、間隔ギャップが好ましい間隔ギャップから逸脱するときでも、高電力効率を達成できることを示す。さらに、プロトタイプのＷＰＴシステム１０００は、高電力用途に格付けされた同調コンデンサおよびスイッチを含み、ＷＰＴシステム１０００のサイズ、重量、および費用を実質的に削減する。
【００７０】
結論
本明細書に記載するすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示であり、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、発明の教示が使用される一つのまたは複数の特定の用途に依存する。前述の実施形態は、主に例として提示されており、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内では、発明に関する実施形態は、具体的に記載および請求される以外の形で実践されうることを理解されたい。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載する個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【００７１】
また、様々な発明の概念が、一つ以上の方法として具現化されてもよく、そのうちの少なくとも一例を提供してきた。方法の一部として行われる行為は、一部の例では異なる方法で順序付けられてもよい。したがって、一部の発明に関する実施では、所与の方法のそれぞれの行為が、具体的に例示するものとは異なる順序で行われてもよく、一部の行為を同時に行うことを含みうる（こうした行為が、例示的実施形態に連続する行為として示される場合であっても）。
【００７２】
本明細書で言及するすべての出版物、特許出願、特許、および他の参考文献は、参照によりそれらの全体が組み込まれる。
【００７３】
本明細書で定義および使用するすべての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文書の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。
【００７４】
本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明確にそうでないと示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。
【００７５】
本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、「および／または」という語句は、結合された要素の「いずれかまたは両方」を意味し、すなわち、一部の場合には接続的に存在し、他の場合には離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」で挙げられる複数の要素は、同じ形式、すなわち、等位接続される要素のうちの「一つ以上」と解釈されるべきである。具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に識別される要素以外に、他の要素が随意に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「備える」などの制限のない語法と連動して使われるときに、一実施形態においては、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡとＢと両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。
【００７６】
本明細書および特許請求の範囲において使用する場合、「または」は、上で定義した「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離するとき、「または」または「および／または」は包括的なもの、すなわち、多数の要素または要素のリスト、および随意にリストに無い追加の項目のうちの少なくとも一つを含むが、二つ以上も含むと解釈されるものとする。それとは反対であると明確に指示される用語のみ、例えば、「のうちの一つのみ」もしくは「のうちのまさに一つ」、または特許請求の範囲において使用するときの「から成る」は、多数のまたは列挙された要素のうちのまさに一つの要素を包含することを指す。概して、本明細書で使用する場合、「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、または「のうちのまさに一つ」など、排他的な用語が先行するときには、排他的な選択肢（すなわち「両方ではなく一方または他方」）を示すとのみ解釈されるものとする。「から基本的に成る」は、特許請求の範囲で使用する場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有するものとする。
【００７７】
本明細書および特許請求の範囲で使用する場合、一つ以上の要素のリストに関連する「少なくとも一つ」という語句は、要素のリストの中の要素のいずれか一つ以上から選択される、少なくとも一つの要素を意味するが、要素のリスト内で具体的に列挙したありとあらゆる要素のうちの、少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストのいかなる要素の組み合せも除外するものではない、と理解されるべきである。この定義はまた、「少なくとも一つ」という語句が指す、要素のリスト内で具体的に識別される以外の要素が、具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意に存在しうることを許容する。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうち少なくとも一つ」（または、等価的に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも一つ」、もしくは、等価的に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一つ」）は、一実施形態においては、Ｂは存在せず、任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においては、Ａは存在せず、任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態においては、任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ、および任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。
【００７８】
特許請求の範囲、ならびに上記の明細書で、すべての移行句、例えば、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「持つ（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保つ（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」、および類似のものは制限がないと理解され、すなわち、含むがそれに限定はされないということを意味する。「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「から基本的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という移行句のみが、米国特許局の特許審査手続便覧、セクション２１１１．０３に記載されている、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句であるものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2021511774.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2021511774.tif 000007
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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