(57)【要約】本開示は、電力を無線送信するように構成された電力送信装置と、電気負荷に接続されて、電力送信装置から電力を受信するように構成された電力受信装置と、電力送信装置に接続されて、電力送信装置内の電源における出力電圧波形と出力電流波形との間の位相差に関する情報を受信して、測定された位相差に基づいて送信電力の周波数を調節するように構成された制御部と、を含むワイヤレス電力伝送システムを特徴とする。
2016534698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を無線送信する電力送信装置と、
電気負荷に接続されて、前記電力送信装置から電力を受信する電力受信装置と、
前記電力送信装置に接続され、前記電力送信装置の電源における出力電圧波形と出力電流波形との間の位相差に関する情報を受信し、測定された前記位相差に基づいて送信される前記電力の周波数を調節する制御部と、
を備える、ワイヤレス電力伝送システム。
【請求項２】
前記電力受信装置は電動車両に搭載される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記負荷は、電動車両の少なくとも１つのバッテリを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記負荷は、車両の電気回路または電気システムを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御部は、前記位相差を最小化するために前記周波数を調節する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御部はさらに、前記電力送信装置の目標出力電力に基づいて、前記電源のバス電圧を調節する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記制御部はさらに、前記目標出力電力に基づいて、前記電源の位相制御を調節する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御部は、前記周波数を繰り返し調節し、各繰り返しの後に、前記周波数の前記調節によって前記位相差が増加したか減少したかを判断する、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御部は、前記ワイヤレス電力伝送システムの公称動作周波数の最大で５％の大きさで前記周波数を調節する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
電気負荷に接続されて前記負荷に電力を供給する電力受信装置へ、選択された周波数で電力を無線伝送するために、電力送信装置を使用するステップと、
前記電力送信装置内の電源によって生成された出力電圧波形と出力電流波形との間の位相差に関する情報を受信するステップと、
前記位相差に基づいて前記周波数を調節するステップと、
を含む、ワイヤレス電力伝送方法。
【請求項１１】
前記電力受信装置は電動車両に搭載される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記負荷は、電動車両の少なくとも１つのバッテリを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記負荷は、車両の電気回路または電気システムを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記位相差の最小値を判断するために前記周波数を調節するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記電力送信装置の目標出力電力に基づいて、前記電力送信装置の電源のバス電圧を調節するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記電源の位相制御値を前記目標出力電力に基づいて調節するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記周波数を繰り返し調節し、各繰り返しの後に、前記周波数の前記調節により前記位相差が増加したか減少したかを判断するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記無線電力送信装置によって伝送される前記電力の公称動作周波数の最大で５％の大きさで前記周波数を調節するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ワイヤレス電力伝送システムで使用するための検出器であって、
第１電気信号を受信する第１入力端子と、
第２電気信号を受信する第２入力端子と、
前記第１入力端子と前記第２入力端子とに接続されて、前記第１電気信号と前記第２電気信号とに基づいて第１出力波形を生成する第１論理部と、
前記第１論理部に接続されて、前記第１出力波形に基づいて第２出力波形を生成する第２論理部と、
を備え、
前記第２出力波形は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との間の時間オフセットに対応する幅を有するパルスを含む、
検出器。
【請求項２０】
前記第１電気信号は、前記システムの増幅器における電流を示す波形に対応する、請求項１９に記載の検出器。
【請求項２１】
前記電流は、前記増幅器の出力電流に対応する、請求項２０に記載の検出器。
【請求項２２】
前記第２電気信号は、前記システムの増幅器における電圧を示す波形に対応する、請求項２０に記載の検出器。
【請求項２３】
前記電圧は、前記システムに結合する負荷の電圧に対応する、請求項２２に記載の検出器。
【請求項２４】
前記第２出力波形は、前記システムの前記増幅器における前記電流波形と前記電圧波形との間の時間オフセットに対応する幅を有するパルスを含む、請求項２２に記載の検出器。
【請求項２５】
前記パルスは方形波形を有する、請求項１９に記載の検出器。
【請求項２６】
前記第１論理部はＡＮＤゲートを備える、請求項１９に記載の検出器。
【請求項２７】
前記第２論理部はＸＯＲゲートを備える、請求項１９に記載の検出器。
【請求項２８】
前記第２論理部は前記第１論理部に接続された第１端子と、第２端子とを備え、前記第１端子で前記第１出力波形を受信し、前記第２端子で前記第２電気信号を受信する、請求項２２に記載の検出器。
【請求項２９】
前記第２論理部に接続された第１端子を備える測定部をさらに備え、前記測定部は前記第１電気信号と前記第２電気信号との間の前記時間オフセットに対応する出力値を生成する、請求項１９に記載の検出器。
【請求項３０】
前記測定部は第２端子を備え、前記第２端子において、一定の時間間隔によって分離された複数のパルスを備えるクロック信号を受信する、請求項２９に記載の検出器。
【請求項３１】
前記出力値は複数の前記一定の時間間隔における前記時間オフセットに対応する、請求項３０に記載の検出器。
【請求項３２】
前記測定部は、前記測定部の前記第１端子で前記第２出力波形を受信し、前記第２出力波形が正に評価された時にクロック信号パルスのカウンタをインクリメントする、請求項３０に記載の検出器。
【請求項３３】
ワイヤレス電力伝送システムにおける電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値を決定する方法であり、
第１出力波形を生成するために、前記ワイヤレス電力伝送システムの前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、
第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記ワイヤレス伝送システムの前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、
前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、
を含む、方法。
【請求項３４】
前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記時間オフセット値を決定するために前記方形波形の前記幅を測定するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記方形波形の前記幅を測定するステップは、
前記方形波形の前記幅に対応するインターバルの間に、複数の信号パルスをカウントするステップと、
前記時間オフセット値に対応する、前記信号パルスのカウント数を出力するステップと、
を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
無線電源の運転状態を評価する方法であり、
前記無線電源が容量性モードで動作しているか否かを判断するステップと、
前記無線電源が容量性モードで動作している場合に、前記電源の出力電力を低減させるステップと、
を含む、方法。
【請求項３８】
前記無線電源が容量性モードで動作しているか否かを、前記電源の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値に基づいて判断するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記電流波形は、前記電源の増幅器の出力電流に対応する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記電圧波形は、前記無線電源に結合された負荷の電圧に対応する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
（ａ）前記時間オフセット値を決定するステップと、
（ｂ）測定された前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、
（ｃ）前記時間オフセット値が前記第１閾値未満である場合に、前記電源が容量性モードで動作していると判断するステップと、
をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記ステップ（ａ）から（ｃ）を繰り返すステップと、
前記電源が容量性モードで動作していると連続して判断した回数を判断するステップと、
前記電源が容量性モードで動作していると連続して判断した回数を、第２閾値と比較するステップと、
前記回数が前記第２閾値を越えた場合に前記電源の出力電力を低減させるステップと、
をさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記時間オフセット値を決定するステップは、
第１出力波形を生成するために、前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、
第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、
前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、
を含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含み、前記方法は前記時間オフセット値を決定するために前記方形波形の前記幅を測定するステップをさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記方形波形の前記幅を測定するステップは、前記方形波形の前記幅に対応するインターバルの間に複数の信号パルスをカウントするステップを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記無線電源に結合された負荷に基づいて、前記第１閾値を選択するステップをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】
前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するステップと、
前記無線電源がリアクタンス性モードで動作している場合に、前記電源の前記出力電力を低減させるステップと、
をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４８】
前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを、前記電源の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値に基づいて判断するステップをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記電源の増幅器によって生成された電圧が極性を変更する時に、前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを、前記電源の前記増幅器の出力電流の大きさに基づいて判断するステップをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを、前記増幅器のバス電圧に基づいて判断するステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記時間オフセット値を決定するステップと、
前記増幅器によって生成された前記電圧が極性を変更する時に、前記出力電流の大きさを決定するステップと、
前記増幅器のバス電圧を決定するステップと、
前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、
前記出力電流の前記大きさを第２閾値と比較するステップと、
前記バス電圧を第３閾値と比較するステップと、
前記時間オフセット値、前記増幅器によって生成された前記電圧が極性を変更する時の前記出力電流の前記大きさ、および前記増幅器の前記バス電圧が、それぞれ前記第１閾値、前記第２閾値、および前記第３閾値を超えた場合に、前記電源がリアクタンス性モードで動作していると判断するステップと、
をさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記時間オフセット値を決定するステップは、
第１出力波形を生成するために、前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、
第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、
前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、
を含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含み、前記方法は前記時間オフセット値を決定するために前記方形波形の前記幅を測定するステップをさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
ソース共振器と受信共振器との間で電力を伝送するための方法であって、
前記ソース共振器に対するインピーダンスと出力電力レベルとを設定するステップと、
前記ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを判断するステップと、
前記ソース共振器が容量性モードで動作している場合に前記出力電力レベルを低減させるステップと、
前記ソース共振器と前記受信共振器との間の電力伝送効率を判断するステップと、
前記電力伝送効率を効率閾値と比較するステップと、
前記電力伝送効率が前記効率閾値未満である場合に、前記ソース共振器のインピーダンスを調節するステップと、
を含む、方法。
【請求項５５】
前記ソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するステップと、
前記ソース共振器がリアクタンス性モードで動作している場合に前記出力電力レベルを低減させるステップと、
をさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記ソース共振器の前記インピーダンスを調節するステップは、同調可能インダクタのインダクタンスを電気的に変更するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記ソース共振器の前記インピーダンスを調節するステップは、同調可能インダクタのインダクタンスを機械的に変更するステップを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５８】
前記ソース共振器と前記受信共振器との間で１ｋＷ以上の電力を伝送するステップをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記ソース共振器と前記受信共振器との間で３．３ｋＷ以上の電力を伝送するステップをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６０】
前記ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを判断するステップは、
前記ソース共振器内の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値を決定するステップと、
測定された前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、
前記時間オフセット値が前記第１閾値未満である場合に、前記ソース共振器が容量性モードで動作していると判断するステップと、
を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６１】
前記時間オフセット値を決定するステップは、
第１出力波形を生成するために、前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、
第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、
前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、
を含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記第２出力波形は前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含み、前記方法は、前記時間オフセット値を決定するために前記方形波形の前記幅を測定するステップをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記ソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するステップは、
前記ソース共振器内の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値を決定するステップと、
増幅器によって生成された電圧が極性を変更する時に、前記ソース共振器内の前記増幅器の出力電流の大きさを決定するステップと、
前記増幅器のバス電圧を決定するステップと、
前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、
前記出力電流の前記大きさを第２閾値と比較するステップと、
前記バス電圧を第３閾値と比較するステップと、
前記時間オフセット値、前記増幅器によって生成された前記電圧が極性を変更する時の前記出力電流の前記大きさ、および前記増幅器の前記バス電圧がそれぞれ前記第１閾値、前記第２閾値、および前記第３閾値を超えた場合に、電源がリアクタンス性モードで動作していると判断するステップと、
を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６４】
請求項１９の前記検出器と、
誘電材料の少なくとも１つのループを有するコイルを備えるソース共振器と、
電流を生成する増幅器と、を備え、
動作中に、システムは、２ｋＷ以上の電力を受信共振器に伝送する、
ワイヤレス電力伝送システム。
【請求項６５】
前記システムは前記受信共振器に４ｋＷ以上の電力を伝送する、請求項６４に記載のシステム。
【請求項６６】
動作中に、前記システムは受信共振器に結合されたバッテリを充電するために、車両内に配置された前記受信共振器に電力を伝送する、請求項６４に記載のシステム。
【請求項６７】
コイルを備え、受信共振器に電力を伝送するソース共振器と、
前記ソース共振器に結合されて、前記コイル内に電流を生成する電流発生器と、
前記電流発生器によって生成された前記電流に対応する第１波形を受信する第１入力端子と、
システム内の電圧に対応する第２波形を受信する第２入力端子と、
前記第１波形と前記第２波形との間の時間オフセットに対応する幅を有するパルスを含む出力波形を生成する、少なくとも１つの論理部と、を備える、
検出器と、
前記検出器に接続された電子プロセッサと、を備え、
動作中に、前記電子プロセッサは、前記出力波形を受信し、前記ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを前記出力波形に基づいて決定する、
ワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１４年１月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／９２７４５２号、２０１３年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／８６５９１０号、および２０１４年７月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／０２４９９３号の優先権を主張するものであり、各出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、ワイヤレス電力伝送に関する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギーまたは電力は、様々な既知の放射性または非近接場、および非放射性または近接場技術を用いて無線伝送することができる。例えば、無線およびセルラー通信方式や家庭用コンピュータネットワークなどに用いられる低指向性アンテナを使用した放射性ワイヤレス情報伝送は、ワイヤレス電力伝送であるといえる。しかしながら、この方式の放射性伝送は、供給電力または放射電力のごく一部、つまり受信機の方向にあり、かつ、受信機に重複する部分のみが拾われるため、非常に非効率的である。電力の大半は、他のすべての方向へ放射され、自由空間に消失する。このような非効率的な電力伝送は、データ伝送には許容可能かもしれないが、電気装置への電力供給または充電などの仕事を目的とした有用な量の電気エネルギーの伝送には実用的ではない。
【０００４】
いくつかの放射エネルギー伝送方式の伝送効率を向上させる１つの方法は、指向性アンテナを使用して、放射エネルギーを制限しつつ、受信機へ優先的に向けることである。しかしながら、これらの指向性放射方式は、移動送信機および／または受信機の場合は、遮断されることのない照準線や、潜在的に複雑なトラッキング・ステアリング機構を必要とすることがある。また、このような方式は、中から高程度の量の電力を送信した場合に、ビームを横切るまたは交差する物や人に危険をもたらす可能性がある。既知の非放射性または近接場無線エネルギー伝送方式は、しばしば誘導または従来的誘導と呼ばれるが、（意図的に）電力を放射するのではなく、一次コイルを通過する振動電流を利用して、近接した受信コイルまたは二次コイルに電流を誘導する振動磁気近接場を発生させる。従来の誘導方式は、中から高程度の量の電力伝送を実証するものの、非常に短い距離にわたる伝送でしかなく、かつ主電源装置と副受信装置との間のオフセット公差は非常に小さなものである。このような既知の近距離・近接エネルギー伝送方式を利用する装置としては、例えば電気変圧器および近接充電器がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
中距離またはアライメントオフセットにわたって有用な量の電力を伝送可能なワイヤレス電力伝送方式が必要である。そのようなワイヤレス電力伝送方式は、放射伝送方式に固有の制限やリスクなしで、従来の誘導方式で実現されるものよりも長い距離やアライメントオフセットにわたって有用なエネルギー伝送を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
概して、第一の観点において、本開示は、電力を無線送信する電力送信装置と、電気負荷に接続されて、前記電力送信装置から電力を受信する電力受信装置と、前記電力送信装置に接続され、前記電力送信装置の電源における出力電圧波形と出力電流波形との間の位相差に関する情報を受信し、測定された前記位相差に基づいて送信される前記電力の周波数を調節する制御部と、を有するワイヤレス電力伝送システムを特徴とする。
【０００７】
本システムの実施形態は、以下の特徴のうちの任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【０００８】
前記電力受信装置は、電動車両に搭載可能である。前記負荷は、電動車両の少なくとも１つのバッテリを有してもよい。前記負荷は、車両の電気回路または電気システムを有してもよい。
【０００９】
前記制御部は、前記位相差を最小化するために前記周波数を調節してもよい。前記制御部は、前記電力送信装置の目標出力電力に基づいて、前記電源のバス電圧を調節してもよい。前記制御部は、前記目標出力電力に基づいて、前記電源の位相制御を調節してもよい。
【００１０】
前記制御部は、前記周波数を繰り返し調節し、各繰り返しの後に、前記周波数の前記調節によって前記位相差が増加したか減少したかを判断してもよい。前記制御部は、前記ワイヤレス電力伝送システムの公称動作周波数の最大で５％の大きさで前記周波数を調節してもよい。
【００１１】
本システムの実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示した特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他の特徴も有する。
【００１２】
他の観点において、本開示は、電気負荷に接続されて前記負荷に電力を供給する電力受信装置へ、選択された周波数で電力を無線伝送するために、電力送信装置を使用するステップと、前記電力送信装置内の電源によって生成された出力電圧波形と出力電流波形との間の位相差に関する情報を受信するステップと、前記位相差に基づいて前記周波数を調節するステップと、を含む、ワイヤレス電力伝送方法を特徴とする。
【００１３】
前記方法の実施形態は、以下の特徴のうち、任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【００１４】
前記電力受信装置は、電動車両に搭載されてもよい。前記負荷は、電動車両の少なくとも１つのバッテリを有してもよい。前記負荷は、車両の電気回路または電気システムを有してもよい。
【００１５】
前記方法は、前記位相差の最小値を判断するために前記周波数を調節するステップを含んでもよい。前記方法は、前記電力送信装置の目標出力電力に基づいて、前記電力送信装置の電源のバス電圧を調節するステップを含んでもよい。前記方法は、前記電源の位相制御値を前記目標出力電力に基づいて調節するステップを含んでもよい。
【００１６】
前記方法は、前記周波数を繰り返し調節し、各繰り返しの後に、前記周波数の前記調節により前記位相差が増加したか減少したかを判断するステップを含んでもよい。前記方法は、無線電力送信装置によって伝送される前記電力の公称動作周波数の最大で５％の大きさで前記周波数を調節するステップを含んでもよい。
【００１７】
前記方法の実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示したステップおよび特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他のステップまたは特徴も有する。
【００１８】
さらなる観点において、本開示は、ワイヤレス電力伝送システムにおいて使用するための検出器を特徴とするものであり、前記検出器は、第１電気信号を受信する第１入力端子と、第２電気信号を受信する第２入力端子と、前記第１入力端子と前記第２入力端子とに接続されて、前記第１電気信号と前記第２電気信号とに基づいて第１出力波形を生成する第１論理部と、前記第１論理部に接続されて、前記第１出力波形に基づいて第２出力波形を生成する第２論理部と、を有し、前記第２出力波形は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との間の時間オフセットに対応する幅を有するパルスを含む。
【００１９】
前記検出器の実施形態は、以下の特徴のうち、任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【００２０】
前記第１電気信号は、前記システムの増幅器における電流を表す波形に対応してもよい。前記電流は、前記増幅器の出力電流に対応してもよい。
【００２１】
前記第２電気信号は、前記システムの増幅器における電圧を示す波形に対応してもよい。前記電圧は、前記システムに結合する負荷の電圧に対応してもよい。
【００２２】
前記第２出力波形は、前記システムの前記増幅器における前記電流波形と前記電圧波形との間の時間オフセットに対応する幅を有するパルスを含んでもよい。前記パルスは、方形波形を有してもよい。
【００２３】
前記第１論理部は、ＡＮＤゲートを有してもよい。前記第２論理部は、ＸＯＲゲートを有してもよい。
【００２４】
前記第２論理部は、前記第１論理部に接続された第１端子と、第２端子とを有し、前記第１端子で前記第１出力波形を受信し、前記第２端子で前記第２電気信号を受信する。
【００２５】
前記検出器は、前記第２論理部に接続された第１端子を有する測定部を有し、前記測定部は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との間の前記時間オフセットに対応する出力値を生成してもよい。前記測定部は、第２端子を有し、前記第２端子において一定の時間間隔によって分離された複数のパルスを有するクロック信号を受信してもよい。前記出力値は、複数の前記一定の時間間隔における前記時間オフセットに対応してもよい。
【００２６】
前記測定部は、前記測定部の前記第１端子で前記第２出力波形を受信してもよい。前記測定部は、前記第２出力波形が正に評価された時にクロック信号パルスのカウンタをインクリメントしてもよい。
【００２７】
前記検出器の実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示した特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他の特徴も有する。
【００２８】
別の観点において、本開示は、ワイヤレス電力伝送システムにおける電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値を決定する方法を特徴とし、本方法は、第１出力波形を生成するために、前記ワイヤレス電力伝送システムの前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記ワイヤレス伝送システムの前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、を含んでもよい。
【００２９】
前記方法の実施形態は、以下の特徴のうち、任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【００３０】
前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含んでもよい。前記方法は、前記時間オフセット値を決定するために、前記方形波形の前記幅を測定するステップを含んでもよい。前記方形波形の前記幅のを測定するステップは、前記方形波形の前記幅に対応すインターバルの間に、複数の信号パルスをカウントするステップと、前記時間オフセット値に対応する、前記信号パルスのカウント数を出力するステップと、を含んでもよい。
【００３１】
前記方法の実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示したステップおよび特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他のステップまたは特徴を含んでもよい。
【００３２】
さらなる観点において、本開示は、無線電源の運転状態を評価する方法を特徴とし、前記方法は、前記無線電源が容量性モードで動作しているか否かを判断するステップと、前記無線電源が容量性モードで動作している場合に、前記電源の出力電力を低減させるステップと、を含む。
【００３３】
前記方法の実施形態は、以下の特徴のうち、任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【００３４】
前記方法は、前記無線電源が容量性モードで動作しているか否かを、前記電源の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値に基づいて判断するステップを含んでもよい。前記電流波形は、前記電源の増幅器の出力電流に対応してもよい。前記電圧波形は、前記無線電源に結合された負荷の電圧に対応してもよい。
【００３５】
前記方法は、（ａ）前記時間オフセット値を決定するステップと、（ｂ）測定された前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、（ｃ）前記時間オフセット値が前記第１閾値未満である場合に、前記電源が容量性モードで動作していると判断するステップと、を含んでもよい。前記方法は、前記ステップ（ａ）から（ｃ）を繰り返すステップと、前記電源が容量性モードで動作していると連続して判断した回数を判断するステップと、前記電源が容量性モードで動作していると連続して判断した回数を、第２閾値と比較するステップと、前記回数が前記第２閾値を越えた場合に前記電源の出力電力を低減させるステップと、を含んでもよい。
【００３６】
前記時間オフセット値を決定するステップは、第１出力波形を生成するために、前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、を含んでもよい。
【００３７】
前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含み、前記方法は、前記時間オフセット値を決定するために、前記方形波形の前記幅を測定するステップを含んでもよい。方形波形の前記幅を測定するステップは、前記方形波形の前記幅に対応するインターバルの間に複数の信号パルスをカウントするステップを含んでもよい。前記方法は、前記無線電源に結合された負荷に基づいて、前記第１閾値を選択するステップを含んでもよい。
【００３８】
前記方法は、前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するステップと、前記無線電源がリアクタンス性モードで動作している場合に、前記電源の前記出力電力を低減させるステップと、を含んでもよい。前記方法は、前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを、前記電源の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値に基づいて判断するステップを含んでもよい。前記方法は、前記電源の増幅器によって生成される電圧が極性を変更する時に、前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを、前記電源の前記増幅器の出力電流の大きさに基づいて判断するステップを含んでもよい。前記方法は、前記無線電源がリアクタンス性モードで動作しているか否かを、前記増幅器のバス電圧に基づいて判断するステップを含んでもよい。
【００３９】
前記方法は、時間オフセット値を決定するステップと、前記増幅器によって生成された前記電圧が極性を変更する時に、前記出力電流の大きさを決定するステップと、前記増幅器のバス電圧を決定するステップと、前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、前記出力電流の前記大きさを第２閾値と比較するステップと、前記バス電圧を第３閾値と比較するステップと、前記時間オフセット値、前記増幅器によって生成された前記電圧が極性を変更する時の前記出力電流の前記大きさ、および前記増幅器の前記バス電圧が、それぞれ前記第１閾値、前記第２閾値、および前記第３閾値を超えた場合に、前記電源がリアクタンス性モードで動作していると判断するステップと、を含んでもよい。
【００４０】
前記時間オフセット値を決定するステップは、第１出力波形を生成するために、前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、を含んでもよい。前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含んでもよく、前記方法は、前記時間オフセット値を決定するために方形波形の前記幅を測定するステップを含んでもよい。
【００４１】
前記方法の実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示したステップおよび特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他のステップまたは特徴を含んでもよい。
【００４２】
別の観点において、本開示は、ソース共振器と受信共振器との間で電力を伝送するための方法を特徴とし、前記方法は、前記ソース共振器に対するインピーダンスと出力電力レベルとを設定するステップと、前記ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを判断するステップと、前記ソース共振器が容量性モードで動作している場合に、前記出力電力レベルを低減させるステップと、前記ソース共振器と前記受信共振器との間の電力伝送効率を判断するステップと、前記電力伝送効率を効率閾値と比較するステップと、前記電力伝送効率が前記効率閾値未満である場合に、前記ソース共振器のインピーダンスを調節するステップと、を含んでもよい。
【００４３】
前記方法の実施形態は、以下の特徴のうちの任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【００４４】
前記方法は、前記ソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するステップと、前記ソース共振器がリアクタンス性モードで動作している場合に前記出力電力レベルを低減させるステップと、を含んでもよい。前記ソース共振器の前記インピーダンスを調節するステップは、同調可能インダクタのインダクタンスを電気的に変更するステップを含んでもよい。前記ソース共振器の前記インピーダンスを調節するステップは、同調可能インダクタのインダクタンスを機械的に変更するステップを含んでもよい。
【００４５】
前記方法は、前記ソース共振器と前記受信共振器との間で１ｋＷ以上（例えば、３．３ｋＷ以上）の電力を伝送するステップを含んでもよい。
【００４６】
前記ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを判断するステップは、前記ソース共振器内の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値を決定するステップと、測定された前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、前記時間オフセット値が前記第１閾値未満である場合に、前記ソース共振器が容量性モードで動作していると判断するステップ、を含んでもよい。前記時間オフセット値を決定するステップは、第１出力波形を生成するために、前記電流波形と前記電圧波形とに対して、ＡＮＤ演算に対応する第１論理演算を行うステップと、第２出力波形を生成するために、前記第１出力波形と前記電圧波形とに対して、ＸＯＲ演算に対応する第２論理演算を行うステップと、前記第２出力波形に基づいて前記時間オフセット値を決定するステップと、を含んでもよい。
【００４７】
前記第２出力波形は、前記時間オフセット値に対応する幅を有する方形波形を含み、前記方法は、前記時間オフセット値を決定するために前記方形波形の前記幅を測定するステップを含んでもよい。
【００４８】
前記ソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するステップは、前記ソース共振器内の電流波形と電圧波形との間の時間オフセット値を決定するステップと、増幅器によって生成された電圧が極性を変更する時に、前記ソース共振器の前記増幅器の出力電流の大きさを決定するステップと、前記増幅器のバス電圧を決定するステップと、前記時間オフセット値を第１閾値と比較するステップと、前記出力電流の前記大きさを第２閾値と比較するステップと、前記バス電圧を第３閾値と比較するステップと、前記時間オフセット値、前記増幅器によって生成された前記電圧が極性を変更する時の前記出力電流の前記大きさ、および前記増幅器の前記バス電圧がそれぞれ前記第１閾値、前記第２閾値、および前記第３閾値を超えた場合に、前記電源がリアクタンス性モードで動作していると判断するステップと、を含んでもよい。
【００４９】
前記方法の実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示したステップおよび特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他のステップまたは特徴を含んでもよい。
【００５０】
さらなる観点において、本開示は、本明細書に開示された検出器のいずれかと、誘電材料の少なくとも１つのループを有するコイルを備えるソース共振器と、電流を生成する増幅器と、を有するワイヤレス電力伝送システムを特徴とし、前記システムは、動作中に、２ｋＷ以上（例えば、４ｋＷ以上）の電力を受信共振器に伝送する。
【００５１】
前記システムの実施形態は、以下の特徴のうちの任意の少なくとも１つを含んでもよい。
【００５２】
動作中、前記システムは、受信共振器に結合されたバッテリを充電するために、車両内に配置された前記受信共振器に電力を伝送してもよい。
【００５３】
前記システムの実施形態はまた、適切な任意の組合せにおいて、異なる実施形態に関連して開示した特徴を含めて、本明細書に開示した任意の他の特徴を含んでもよい。
【００５４】
別の観点では、本開示は、コイルを備え、受信共振器に電力を伝送するソース共振器と、前記ソース共振器に結合され、前記コイル内に電流を生成する電流発生器と、前記電流発生器により生成された前記電流に対応する第１波形を受信する第１入力端子と、システム内の電圧に対応する第２波形を受信する第２入力端子と、前記第１波形と前記第２波形との間の時間オフセットに対応する幅を有するパルスを含む出力波形を生成する、少なくとも１つの論理部と、を備える検出器と、前記検出器に接続された電子プロセッサと、を有し、動作中に、前記電子プロセッサは、前記出力波形を受信し、前記ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを前記出力波形に基づいて決定する、ワイヤレス電力伝送システムを特徴とする。
【００５５】
前記システムの実施形態は、適切な任意の組合せにおいて、本明細書に開示した任意の実施形態に関連して開示した特徴を含めて、本明細書に開示した任意の少なくとも１つの特徴を含んでもよい。
【００５６】
本明細書に開示された実施形態では、磁気共振器はインダクタとコンデンサの組合せを含んでもよい。コンデンサ、インダクタ、抵抗器、スイッチ等の付加的な回路素子を、磁気共振器と電源との間、および／または磁気共振器と電力負荷との間に挿入してもよい。本開示では、共振器の導電性コイルは、インダクタおよび／または誘導性負荷と呼ぶことができる。前記誘導性負荷はまた、他のシステムや外部のオブジェクトに（相互インダクタンスを介して）無線結合された場合は、インダクタを参照することができる。本開示では、前記誘導性負荷以外の回路素子は、インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）の一部であるとすることができる。本開示では、インピーダンス整合ネットワークの一部とされるすべてまたはいくつかは前記磁気共振器の一部であってよく、またはいずれも前記磁気共振器の一部でなくてもよい。どの素子が共振器の一部であり、どの素子が共振器から分離されているかは、特定の磁気共振器と無線エネルギー伝送システムの設計による。
【００５７】
本明細書に記載された無線エネルギー伝送システムでは、電力は、少なくとも二つの共振器の間で無線交換することができる。共振器は、エネルギーを供給、受信、貯蓄、伝送、および配布することができる。無線電力のソースは、ソースまたは供給と呼ぶことができ、無線電力の受信機は、デバイス、受信機および／または電力負荷と呼ぶことができる。共振器は、ソース、デバイス、または同時にその両方であってもよく、および／または制御された様式で、ある機能から別の機能へ変化してもよい。電源やパワードレンへ有線接続されておらず、エネルギーを貯蓄または分配するように構成された共振器は、中継器と呼ぶことができる。
【００５８】
本明細書に開示された無線エネルギー伝送システムの共振器は、共振器の大きさに比べて長距離にわたって電力を伝送することができる。すなわち、共振器のサイズが、共振器構造を囲むことができる最小の球の半径によって特徴付けられる場合、本明細書に開示された無線エネルギー伝送システムは、共振器の特徴的サイズより大きい距離にわたって電力を伝送することができる。異なる特性的サイズを有し、そして誘導性素子が異なるサイズと形状を有し、および／または異なる材料から形成される共振器の間で、前記システムはエネルギーを交換することができる。
【００５９】
本明細書に開示された無線エネルギー伝送システムは、それぞれ電源、電力負荷、またはその両方に結合される、もしくはそのいずれにも結合されない、二つ以上の共振器を含むことができる。無線供給されるエネルギーは、電気または電子機器への電力供給、電池の充電、および／またはエネルギー貯蔵部の充電に使用可能である。複数のデバイスに同時に充電もしくは電力供給することができ、または複数のデバイスへの電力供給を直列化して、１つ以上のデバイスがしばらくの間電力を受け、その後に電力供給が他の装置に切り替えられるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、複数のデバイスが同時に、または時間多重化方式で、または周波数多重化方式で、または空間多重化方式で、または配向多重化方式で、または時間および／または周波数および／または空間と方向多重化のいずれかの組合せで、１つ以上のソースからの電力を共有することができる。複数のデバイスは、少なくとも１つのデバイスが連続的、断続的、定期的、時折、または一時的に無線電源として動作するように再構成された場合、互いに電力を共有することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、ワイヤレス電力伝送に適合するシステムは、誘導性負荷を駆動し、また変化するインピーダンスを有する同調可能な共振増幅回路を含んでもよい。前記回路は、可変デューティサイクルと、誘導性負荷と、前記誘導性負荷と少なくとも１つの同調可能な構成要素を有するスイッチング増幅器との間における接続と、前記少なくとも１つの同調可能な構成要素と前記増幅器のデューティサイクルとを調整するためのフィードバックループとを有するスイッチング増幅器を含んでもよい。前記フィードバックループは、誘導性負荷の異なる負荷条件下で増幅器の出力において実質的なゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングを維持するために、増幅器のデューティサイクルと前記少なくとも１つの同調可能な構成要素とを調整することができる。前記少なくとも１つの同調可能な構成要素は、同調可能コンデンサおよび／または同調可能インダクタを含んでもよい。前記同調可能コンデンサおよび／またはインダクタは、誘導性負荷と直列または並列であってもよい。誘導性負荷とスイッチング増幅器との間の接続は、少なくとも１つの同調可能な構成要素を含んでもよい。前記スイッチング増幅器は、可変スイッチング周波数を使用することができる。前記スイッチング増幅器のバス電圧は可変であってもよく、誘導性負荷に供給される電力の量を制御するために使用することができる。
【００６１】
前記フィードバックループは、インピーダンス測定機能を含んでもよい。前記フィードバックループは、スイッチング増幅器の出力におけるインピーダンスを監視し、ゼロ電圧スイッチングが実質的に維持されるようにスイッチング増幅器の可変デューティサイクルの調整を計算するように構成されたプロセッサを含んでもよい。前記プロセッサは、ゼロ電流スイッチングが実質的に維持されるように、少なくとも１つの同調可能な構成要素に対する第２調整を計算するように構成することができる。前記誘導負荷は、高Ｑ磁気共振器を含んでもよい。前記回路は、ワイヤレス電力伝送システムにおけるソースとして使用することができる。
【００６２】
別段の定義がない限り、本明細書中で使用される全ての技術的および科学的用語は、本開示が属する技術における当業者によって理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載された方法および材料と類似または同等の方法および材料は、本明細書に記載の発明の要旨の実施または試験において用いることができるが、好適な方法および材料は以下に記載される。本明細書で言及される全ての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、その全体が参考として援用される。矛盾する場合、本定義を含む本明細書が規制する。さらに、材料、方法、および実施例は単なる例示であり、限定することを意図するものではない。
【００６３】
１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明に記載する。他の特徴および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】ワイヤレス電力伝送システムの概略図である。
【図２】図２Ａは、インピーダンス整合ネットワークを有しないワイヤレス電力伝送システムの概略図である。図２Ｂは、インピーダンス整合ネットワークを有するワイヤレス電力伝送システムの概略図である。図２Ｃは、同調可能な発電装置とインピーダンス整合ネットワークとを有するワイヤレス電力伝送システムの概略図である。
【図３】ハーフブリッジスイッチング電力増幅器を含む電源の概略図である。
【図４】フルブリッジスイッチング増幅器を含む電源の概略図である。
【図５】Ｄ級電力増幅器の概略図である。
【図６】電流波形と電圧波形、および電流波形と電圧波形との間のオフセットの測定を示すグラフである。
【図７】ソース共振器における容量性モードでの動作を検出するための一連のステップを示すフローチャートである。
【図８】電流波形と電圧波形、および電圧切り替え時間の出力電流の測定を示すグラフである。
【図９】ソース共振器におけるリアクタンス性モードでの動作を検出するための一連のステップを示すフローチャートである。
【図１０】ワイヤレス電力伝送システムにおけるソース共振器のインピーダンス同調を実行するための一連のステップを示すフローチャートである。
【図１１】モード検出器の概略図である。
【図１２】モード検出器を有する電力増幅器の概略図である。
【図１３】ワイヤレス電力伝送システムの一部分の概略図である。
【図１４】図１４Ａおよび１４Ｂは、同調可能インダクタの概略図である。図１４Ｃは、図１４Ｂのコイルのインダクタンスを示す概略グラフである。
【図１５】図１５Ａおよび１５Ｂは、同調可能インダクタにおける磁性材料の一例を示す概略図である。
【図１６Ａ】図１３のワイヤレス電力伝送システムの別の図を示す概略図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａに示すワイヤレス電力伝送システムの一部分の概略図である。
【図１７】図１７Ａないし１７Ｄは、図１３のワイヤレス電力伝送システムのインピーダンス同調を示す画像である。
【図１８】他の実施形態における同調可能インダクタの概略図である。
【図１９】図１９Ａおよび１９Ｂは、さらに他の実施形態における同調可能インダクタの概略図である。
【図２０】他の実施形態における同調可能インダクタの画像である。
【図２１】システムの共振器のインピーダンスを調整するための同調可能素子を特徴とする電力伝送システムの一部の概略図である。
【図２２】ソースと受信共振器間に異なる変位を有する２つのワイヤレス電力伝送システムの概略図である。
【図２３】インピーダンス整合ネットワークトポロジの概略図である。
【図２４−１】図２４Ａ〜図２４Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における性能指数（ＦＯＭ）値を示すグラフである。
【図２４−２】図２４Ｃ〜図２４Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における性能指数（ＦＯＭ）値を示すグラフである。
【図２４−３】図２４Ｅ〜図２４Ｆは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における性能指数（ＦＯＭ）値を示すグラフである。
【図２５−１】図２５Ａ〜図２５Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における同調パラメータの最適値を示すグラフである。
【図２５−２】図２５Ｃ〜図２５Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における同調パラメータの最適値を示すグラフである。
【図２５−３】図２５Ｅは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における同調パラメータの最適値を示すグラフである。
【図２６−１】図２６Ａ〜図２６Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるバス電圧（Ｖｂｕｓ）の値を示すグラフである。
【図２６−２】図２６Ｃ〜図２６Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるバス電圧（Ｖｂｕｓ）の値を示すグラフである。
【図２６−３】図２６Ｅ〜図２６Ｆは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるバス電圧（Ｖｂｕｓ）の値を示すグラフである。
【図２７−１】図２７Ａ〜図２７Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における入力位相（φ）の値を示すグラフである。
【図２７−２】図２７Ｃ〜図２７Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における入力位相（φ）の値を示すグラフである。
【図２７−３】図２７Ｅ〜図２７Ｆは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における入力位相（φ）の値を示すグラフである。
【図２８−１】図２８Ａ〜図２８Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における結合コイル間伝送およびインピーダンス整合ネットワーク効率の値を示すグラフである。
【図２８−２】図２８Ｃ〜図２８Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における結合コイル間伝送およびインピーダンス整合ネットワーク効率の値を示すグラフである。
【図２８−３】図２８Ｅ〜図２８Ｆは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域における結合コイル間伝送およびインピーダンス整合ネットワーク効率の値を示すグラフである。
【図２９−１】図２９Ａ〜図２９Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるソースで消費される電力の値を示すグラフである。
【図２９−２】図２９Ｃ〜図２９Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるソースで消費される電力の値を示すグラフである。
【図２９−３】図２９Ｅ〜図２９Ｆは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるソースで消費される電力の値を示すグラフである。
【図３０−１】図３０Ａ〜図３０Ｂは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるデバイスで消費される電力の値を示すグラフである。
【図３０−２】図３０Ｃ〜図３０Ｄは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるデバイスで消費される電力の値を示すグラフである。
【図３０−３】図３０Ｅ〜図３０Ｆは、図２３のインピーダンス整合ネットワークトポロジに対する異なる同調方法のために計算されたｋ−Ｖｌｏａｄ領域におけるデバイスで消費される電力の値を示すグラフである。
【図３１】電動車両で使用するワイヤレス電力伝送システムの概略図である。
【図３２】無線電力送信機と無線電力受信機の概略図である。
【図３３】別のワイヤレス電力伝送システムの概略図である。
【図３４】ワイヤレス電力伝送システムにおける周波数同調を実施するための一連のステップを示すフローチャートである。
【図３５】ワイヤレス電力伝送装置の電源で測定された電圧、電流、および位相差の波形を示すグラフである。
【図３６】ワイヤレス電力伝送システムの出力電力を所定の電力レベルに制御するための一連のステップを示すフローチャートである。
【図３７】ワイヤレス電力伝送システムにおいて周波数の最適化を実施するための一連のステップを示すフローチャートである。
【図３８】ワイヤレス電力伝送システムにおけるインピーダンス整合ネットワークの例を示す概略図である。
【００６５】
様々な図面における同様の参照記号は同様の素子を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
（はじめに‐ワイヤレス電力伝送システム）
本開示は、結合電磁共振器を用いたワイヤレス電力伝送に関する。共振器に基づいて電力を伝送するために重要な事項は、共振器効率および共振器結合などである。ワイヤレス電力伝送に影響を与える要因、例えば、結合モード理論（ＣＭＴ）、結合係数および結合因子、品質係数（Ｑ値とも呼ばれる）、ならびにインピーダンス整合は、例えば米国特許出願公開第２０１０／０２３７７０９号、２０１０／０１８１８４３号、および２０１２／０１１９５６９号に記載されており、これらの各々の全内容をここに参照のために取り込む。
【００６７】
本開示の目的のために、共振器は、少なくとも２つの異なる形態でエネルギーを貯蓄することができる共振構造として定義してもよく、貯蓄されたエネルギーは、２つの形態間で振動する。共振構造は、共振（モーダル）周波数ｆ、および共振（モーダル）フィールドを有する所定の振動モードを有する。共振角周波数ωは、ω=２πｆと定義でき、共振周期ＴはＴ＝１／ｆ＝２π／ωと定義することができる。共振波長λは、λ=ｃ／ｆと定義することができ、ｃは関連するフィールド波（電磁共振器に対しては光）の速度である。損失メカニズム、結合メカニズム、または外部エネルギー供給メカニズムもしくは流出メカニズムの非存在下では、共振器によって蓄積されたエネルギーの総量Ｗは固定されたままであるが、エネルギーの形態は、共振器によってサポートされる二つの形態の間で振動し、他方の形態が最小であるとき、一方の形態は最大であり、その逆もある。
【００６８】
例えば、共振器は、蓄積されるエネルギーの二つの形態が、磁気エネルギーおよび電気エネルギーであるように構成してもよい。さらに、共振器は、電場によって蓄積された電気エネルギーが主に構造内に制限されて、磁場によって蓄えられた磁気エネルギーが主に共振器の周辺領域にあるように、構成してもよい。換言すると、電気エネルギーの総量と磁気エネルギーの総量は等しくなるが、その局在は異なる。このような構造を用いて、少なくとも２つの構造間でのエネルギー交換は、少なくとも２つの共振器の共振磁気近接場により媒介される。これらのタイプの共振器を、磁気共振器と呼ぶことができる。
【００６９】
ワイヤレス電力伝送システムで使用される共振器の重要なパラメータは、共振器の品質係数、またはＱ値、またはＱであり、エネルギー減衰を特徴付け、共振器のエネルギー損失に反比例する。これは、Ｐが定常状態で失われた時間平均電力であるとして、Ｑ＝ω＊Ｗ／Ｐとして定義することができる。すなわち、高Ｑを有する共振器は比較的低い固有損失を有し、比較的長期間、エネルギーを貯蓄することができる。共振器は、その固有の減衰レート２Γでエネルギーを失うため、固有Ｑとも呼ばれるそのＱは、Ｑ＝ω／２Γによって与えられる。品質係数はまた振動周期Ｔの数を示し、共振器のエネルギーはｅ倍で減衰する。なお、共振器の品質係数または固有品質係数またはＱは、固有損失メカニズムに対してのみ与えられるべきものである点に留意する。発電装置ｇまたは負荷ｌに接続もしくは結合された共振器のＱは、「負荷品質係数」または「負荷Ｑ」と呼ばれることもある。エネルギー伝送システムの一部であるものとしない外来物の存在下における共振器のＱは、「摂動品質係数」または「摂動Ｑ」と呼ばれることもある。
【００７０】
実質的に同一の共振周波数を有し、近接場の任意の部分を介して結合した共振器は、相互作用およびエネルギー交換を行うことができる。限定としてではなく例として、Ｑｓを有するソース共振器とＱｄを有するデバイス共振器を想像してほしい。高Ｑ無線エネルギー伝送システムは、高Ｑである共振器を利用することができる。各共振器のＱは高くてもよい。共振器Ｑの幾何平均
2016534698.tif 000003
もまた高くてもよいし、それに代えて高くてもよい。
【００７１】
結合係数ｋは、０≦ｋ≦１の間の数であり、ソース共振器およびデバイス共振器がサブ波長の距離に置かれている場合は、これらの共振周波数から独立（またはほぼ独立）していてもよい。むしろ、結合係数ｋは、たいていの場合、相対的幾何学形状と、ソース共振器とデバイス共振器との間の距離とにより決定され、それらの結合を媒介するフィールドの物理的な減衰則が考慮される。ＣＭＴにて使用される結合係数κ=k
2016534698.tif 000004
は、共振器構造の他の特性同様に、共振周波数の強力な関数であってもよい。
【００７２】
共振器の近接場を利用する無線エネルギー伝送の用途では、放射により失われる電力が最小になるように、共振器のサイズが共振波長よりはるかに小さいことが望ましい。いくつかの実施形態では、高Ｑ共振器は、サブ波長構造である。いくつかの実施形態では、高Ｑ共振器構造は、５０ｋＨｚよりも高い共振周波数を有するように設計される。ある実施形態では、共振周波数は１ＧＨｚ未満であってもよい。例えば、車の充電のようなある一定の用途では、共振周波数は５０ｋＨｚから５００ｋＨｚである。家庭用電化製品の充電などの他の用途においては、共振周波数は、例えば１ＭＨｚから１ＧＨｚである。
【００７３】
サブ波長共振器によって非近接場に放射される電力は、いくつかの実施形態においては、共振器の共振周波数と、システムの動作周波数とを下げることによって、さらに低減させることができる。ある実施形態では、非近接場放射は、２つ以上の共振器の非近接場が弱め合うように干渉するような配置によって低減できる。
【００７４】
ワイヤレス電力伝送システムにおいて、共振器は、無線電源、無線電力捕捉装置、中継器、またはそれらの組合せとして使用することができる。いくつかの実施形態において、共振器は、電力伝送、電力受信、および／または電力中継を交互に行うことができる。ワイヤレス電力伝送システムでは、少なくとも１つの磁気共振器は電源に接続されてもよく、振動磁気近接場を生成するように通電されてもよい。振動磁気近接場内にある他の共振器は、これらの場を捕捉して、負荷への通電や充電に使用可能な電気エネルギーに電力を変換することができ、これにより有用な電力のワイヤレス伝送を可能にする。
【００７５】
有用な電力交換における、いわゆる「有用な」電力とは、許容可能なレートで、デバイスへの通電や充電をするよう送信された電力である。有用な電力交換に対応する伝送効率は、システムまたは用途により左右される。例えば、キロワットの電力を伝送する高出力車両充電用途が有用な量の電力を供給するためには、少なくとも８０％の効率が必要であり、その結果、伝送システムの様々な構成要素を大幅に加熱することなく車両のバッテリを再充電するのに十分な有効エネルギー交換をもたらす。一部の家庭用電子機器用途では、有用な電力交換は、１０％を越える任意の電力伝送効率、または充電池を「満たし」、長期間の稼働を維持するための任意の他の許容可能量を含んでもよい。埋め込み医療機器用途においては、有用な電力交換は、患者に悪影響を及ぼさずに、バッテリの寿命を延長するか、または、センサ、モニタ、もしくは刺激装置を起動する任意の交換である。このような用途では、１００ｍＷまたはそれ以下の電力が有用である。分散感知用途では、マイクロワットの電力伝送が有用であり、伝送効率が１％を十分に下回ってもよい。
【００７６】
本明細書に開示された実施形態では、共振器は、ソース共振器、デバイス共振器、第１共振器、第２共振器、中継共振器等と呼ばれることがある。実施形態は、３つ以上の共振器を含んでもよい。例えば、単一のソース共振器は、複数のデバイス共振器および／または複数のデバイスに電力を伝送することができる。電力は、第１デバイスから第２デバイスへ伝送され、その後第２デバイスから第３デバイスへ伝送され、以下同様に伝送することができる。複数のソースは、単一のデバイス、または単一のデバイス共振器に接続された複数のデバイス、または複数のデバイス共振器に接続された複数のデバイスに電力を伝送することができる。
【００７７】
共振器は、ソースやデバイスとして交互にまたは同時に機能することができる、および／または、一箇所にあるソースから他の場所にあるデバイスへと電力を中継するために使用することができる。中間電磁共振器は、ワイヤレス電力伝送システムの距離範囲を拡大するために、および／または集中磁気近接場領域を生成するために使用することができる。複数の共振器は、互いにデイジーチェーン接続されて、長距離にわたり、そしてソースおよびデバイスの広い範囲で電力を交換することができる。例えば、ソース共振器は、数台の中継共振器を介してデバイス共振器に電力を伝送することができる。ソースからのエネルギーは、第１中継共振器へ伝送され、第１中継共振器は第２中継共振器へ電力を伝送し、そして第２中継共振器から第３中継共振器へといった具合に、最後の中継共振器がデバイス共振器へ電力を伝送するまで伝送が行われる。この点において、ワイヤレス電力伝送の範囲または距離は、中継共振器を追加することによって拡張および／または調整することができる。高電力レベルは、複数のソース間で分割され、複数のデバイスに伝送され、および／または離れた場所で再結合することができる。
【００７８】
図１は、ワイヤレス電力伝送システムの実施例の概略図である。本システムは、電源１０２に結合され、また任意でセンサおよび制御部１０８に結合された、少なくとも１つのソース共振器（Ｒ１）１０４（および任意で他のソース共振器Ｒ６、１１２）を有する。電源１０２は、ソース共振器１０４を駆動するために使用可能な電気エネルギーに変換することが可能な任意のタイプの電力源とすることができる。電源は、バッテリ、ソーラーパネル、電気本管、風力もしくは水力タービン、電磁共振器、および／または発電機とすることができる。磁気共振器を駆動するために使用される電力は、共振器によって振動磁場に変換される。振動磁場は、他の共振器によって捕捉することができ、この共振器は必要に応じてパワードレン１１０に結合されるデバイス共振器（Ｒ２）１０６および（Ｒ３）１１６とすることができる。
【００７９】
振動場は、ワイヤレス電力伝送トポロジを拡張または調整するように構成された中継共振器（Ｒ４、Ｒ５）に任意で結合することができる。デバイス共振器は、ソース共振器（複数可）、中継共振器および他のデバイス共振器の近傍で磁場を捕捉することができ、これらをパワードレンによって使用される電力に変換することができる。パワードレン１１０は、電気的エネルギーを受け取るように構成された電気的、電子的、機械的または化学的装置等であってもよい。中継共振器は、ソース、デバイス、および中継共振器（複数可）の近傍で磁場を捕捉することができ、他の共振器への電力を伝送することができる。
【００８０】
ワイヤレス電力伝送システムは、電源１０２に結合された単一のソース共振器１０４と、パワードレン１１０に結合された単一のデバイス共振器１０６とを含んでもよい。いくつかの実施例では、ワイヤレス電力伝送システムは、少なくとも１つの電源に結合された複数のソース共振器と、少なくとも１つのパワードレンに結合された複数のデバイス共振器とを含んでもよい。
【００８１】
電力は、ソース共振器１０４とデバイス共振器１０６との間に直接伝送されてもよい。または、電力は、少なくとも１つのソース共振器１０４および１１２から少なくとも１つのデバイス共振器１０６および１１６へ、デバイス共振器、ソース共振器、および／または中継共振器などの任意の数の中間共振器を介して伝送されてもよい。電力は、例えばトークンリング、メッシュ、およびアドホック等のトポロジの任意の組合せで配置されたサブネットワーク１１８および１２０を含むことができる、共振器１１４のネットワークまたは配置を介して伝送することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、ワイヤレス電力伝送システムは、集中型感知・制御システム１０８を有することができる。共振器と、電源と、パワードレンと、ネットワークトポロジのパラメータ、および動作パラメータは、システムの特定の動作基準を満たすように、制御システム１０８内の少なくとも１つのプロセッサを使用して監視および調整することができる。例えば、少なくとも１つの中央制御プロセッサは、グローバル電力伝送効率を最適化するために、および／または伝送される電力の量を最適化するために、システムの個々の構成要素のパラメータを調整してもよい。
【００８３】
いくつかの実施形態では、ワイヤレス電力伝送システムは、感知および制御を、各共振器または共振器のグループ、電源、およびパワードレンに組み込むことが可能な、分散型感知・制御システムを有してもよい。分散型感知・制御システムは、例えば、供給される電力を最大にするために、および／またはそのグループの電力伝送効率を最大にするために、グループ内の個々の構成要素のパラメータを調整するように構成してもよい。
【００８４】
ある実施形態では、ワイヤレス電力伝送システムの構成要素は、無線または有線のデータ通信インターフェースおよび／または、デバイス、ソース、中継器、電源、および共振器などの他の構成要素へのリンクを有することができる。構成要素は、分散型または集中型の感知・制御を可能にするために使用することができるリンクおよび／またはインターフェースを使用してデータを送信および／または受信することができる。無線通信チャネルは、無線エネルギー転送チャネルとは別個の物、または両方の機能を実行するために使用することができる同一のチャネルであってもよい。いくつかの実施形態では、電力交換に使用される共振器は、情報を交換するためにも使用することができる。例えば、情報は、ソースまたはデバイス回路の構成要素を調節し、ポートパラメータまたは他の監視装置に付随する変化を感知することによって交換することができる。共振器は、同調、変更、変化、ディザリング等によって、相互に信号を送ることができ、共振器のインピーダンス等の共振器パラメータは、システム内の他の共振器の反射インピーダンスに影響を与えることがある。本明細書で開示されるシステムおよび方法は、ワイヤレス電力伝送システムにおける共振器間の電力および通信信号の同時送信、および、ワイヤレス電力伝送時に使用される同一の磁場を使用して、異なる時間周期および／または異なる周波数で、電力および通信信号の伝送を可能にする。ある実施形態では、本明細書に開示されたシステムの構成要素間の無線通信は、例えば、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、および赤外線チャネルといった個別の無線通信チャネルを介して行うことができる。
【００８５】
（ワイヤレス電力伝送システムにおけるインピーダンス整合）
様々な要因が、無線で伝送できる電力量と、電力が１つの共振器から別の共振器へ伝送される効率とに影響を与える。特に、結合された高Ｑ磁気共振器間の電力伝送効率は、共振器が共振周波数にどれだけ厳密に一致しているか、およびそれらのインピーダンスがどれだけ上手くシステム内の電力供給と電力消費物（すなわち、パワードレン）に一致しているかによって影響される。外来物および／またはシステム内の他の共振器の相対的な位置を含む様々な外的要因や、それらの相対位置の変化などは、高Ｑ磁気共振器の共振周波数および／または入力インピーダンスを変化させることがあるため、ワイヤレス電力伝送システムは、様々な環境または動作シナリオで電力伝送の目標レベルを維持するために、システム内の共振器のインピーダンスを調整する同調部を含んでもよい。
【００８６】
ワイヤレス電力伝送を提供するシステム内のインピーダンス同調は、システムの誘導性素子を調整することによって達成することができる。本説明の目的のために、誘導性素子は、磁性材料（ギャップまたはギャップなし）からなるコアを有するまたは有しない導電性材料の任意のコイルまたはループ構造（「ループ」）であってもよく、これはまた、誘導的または他の任意の非接触方法にて、他のシステムへ結合される。素子のインピーダンスは、正のリアクタンスＸ、および抵抗Ｒを有しているため、素子は誘導性である。
【００８７】
一例として、誘導性素子が接続された、駆動回路、駆動負荷、または送電線などの外部回路を考慮されたい。外部回路（例えば、駆動回路）は、誘導性素子に電力を供給することができ、誘導性素子は、外部回路（例えば、駆動負荷）に電力を供給することができる。所望の周波数における誘導性素子と外部回路との間に供給される電力の効率と量は、外部回路の特性に対する誘導性素子のインピーダンスに左右される。インピーダンス整合ネットワークと外部回路制御技術は、所望の周波数ｆで、外部回路と誘導性素子との間の電力供給を調節するために使用することができる。
【００８８】
一般的に、ソースのインピーダンスＺ０が受信機のインピーダンスＺ０*の複素共役であるとき、最大電力がソースから受信機（例えば、負荷）に伝送される。ただし、電力伝送の最大効率を達成するためには、ソースおよび受信機のインピーダンスの共役整合を必要としない。典型的には、例えば、ワイヤレス電力伝送のために使用されるスイッチ増幅器等の電源は、非常に低いインピーダンスを有する。
【００８９】
従って、多くの用途において、誘導性素子に接続されたインピーダンス整合ネットワークは、増幅器の効率が高くなるように入力インピーダンスを調整するために使用され、増幅器は、外部回路（例えば、受信機）へ目標量の電力を伝送する。すなわち、インピーダンス整合ネットワークは、増幅器（例えば、クラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＤＥ、Ｅ、Ｆ等の増幅器）が目標量の電力を受信機（例えば、受信共振器）へ効率的に伝送するように、Ｚ０を調整する。供給される電力の量は、電力伝送周波数におけるインピーダンス整合ネットワークと誘導性素子との組合せのインピーダンスの複素比を調整することによって、制御することができる。
【００９０】
一般的に、誘導性素子に接続されたインピーダンス整合ネットワークは、磁気共振器を形成することができる。強結合磁気共振器を使用したワイヤレス電力伝送等のいくつかの用途においては、高Ｑの共振器が望ましい場合がある。従って、誘導性素子は、低損失（例えば、高Ｘ／Ｒ）を有するように構成してもよい。整合回路は、共振器内部の損失の付加的ソースを含むことができるので、整合回路の構成要素は、低損失を有するように選択することもできる。さらに、高出力用途で、および／または高Ｑ共振器により、大きな電流が共振器回路の一部の動作中に存在してもよく、大きな電圧が、共振器内のいくつかの回路素子にわたって存在してもよい。このような電流および電圧は、特定の回路素子に対する所定の許容範囲を超える可能性があり、高すぎるために特定の構成要素は耐えられないこともある。場合によっては、ある用途のための高Ｑおよび高電力共振器設計を実現するのに十分なサイズ、コストおよび性能（損失および電流／電圧定格）仕様を有する、例えば同調可能なコンデンサなどの構成要素を見出すまたは実装することは困難であるかもしれない。しかしながら、適切に構成されたインピーダンス整合ネットワークは、磁気共振器のための高Ｑを維持することができ、また低損失および／または高電流/電圧定格のための構成要素の要件も緩和できる。
【００９１】
例えば、インピーダンス整合回路トポロジは、整合回路のいくつかの素子の損失および電流定格の要件を緩和あるいは最小化するために実装することができる。低損失の誘導性素子を目標インピーダンスＺ０に整合させる回路のトポロジは、その構成要素の一部が外部回路と直列で関連する高Ｑ共振器の外側に位置するように、実装することができる。従って、これらの構成要素の低直列損失または高電流定格の要件を緩和させることができる。回路素子における低直列損失および／または高電流定格の要件を緩和することは、素子が可変および／または大きい電圧定格を有する場合、特に有用なことがある。
【００９２】
別の例では、インピーダンス整合回路トポロジは、整合回路の構成要素の一部の電圧定格要件を緩和あるいは最小化するために実装することができる。低損失の誘導性素子を目標インピーダンスＺ０に整合させる回路のトポロジは、その構成要素の一部がＺ０と並列することで関連する高Ｑ共振器の外側に位置するように、選択することができる。その結果、これらの構成要素の低並列損失および／または高電圧定格の要件を緩和させることができる。回路素子における低並列損失および／または高電圧の要件を緩和することは、素子が可変であること、ならびに／または大電流定格および／もしくは低直列損失を有することを必要とする場合に、特に有用なことがある。
【００９３】
低損失の誘導性素子を特定の目標インピーダンスＺ０に整合させる回路のトポロジは、関連する共振モードと、すなわちその高Ｑが、共振器の外部インピーダンスへの結合の際に保持されるように、選択することができる。そうでない場合、所望の共振モードへの非効率的な結合が発生（他の所望しない共振モードへの結合に潜在的に起因）し、共振器のＱを実効的に低減させる結果となる。
【００９４】
低損失誘導性素子または外部回路がばらつきを示す用途の場合、誘導性素子を所望の周波数ｆで目標インピーダンスＺ０と一致させるように、整合回路の動的な調節を行うことができる。典型的には、所望の周波数ｆでインピーダンスＺ０の実部と虚部両方を一致させるまたは制御するという、二つの同調の目的があるため、整合回路内に２つの可変素子が存在してもよい。誘導性素子の場合、整合回路は、少なくとも１つの可変容量性素子を含む必要がある。
【００９５】
いくつかの実施形態では、低損失の誘導性素子は、２つの可変コンデンサまたは可変コンデンサの２つのネットワークを使用したトポロジによって一致してもよい。可変コンデンサは、例えば、同調可能なバタフライ型コンデンサであってよく、具体的には、接地または電源もしくは負荷の他のリードに接続するための中心端子と、同調可能なバタフライ型コンデンサの容量を変化または同調させることが可能な少なくとも１つの他の端子と、を有する。また、可変コンデンサは、ユーザが設定可能な可変容量を有する任意の他のコンデンサであってもよい。
【００９６】
ある実施形態では、低損失誘導性素子は、１つ以上の可変コンデンサまたはそのネットワークと、１つ以上の可変インダクタまたはそのネットワークとを使用してトポロジにより一致させることができる。いくつかの実施形態では、低損失誘導性素子は、誘導性素子を外部回路または他のシステムのいずれかへトランス結合させる、１つ以上の可変コンデンサまたはそのネットワークと、１つ以上の可変相互インダクタンスまたはそのネットワークとを使用してトポロジにより一致させることができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、高Ｑ、高電力、および潜在的に高速で同調可能な共振器設計を実現するために十分なサイズ、コスト、および性能仕様を備えた同調可能な集中素子を見出すまたは実装することが困難な場合がある。可変誘導性素子を外部回路に整合させる回路のトポロジは、外部回路内でトランジスタ、ダイオード、スイッチ等に印加される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクル等を変化させることによって、変動の一部が外部回路に割り当てられるように、設計することができる。
【００９８】
ある実施形態では、共振周波数における誘導性素子の抵抗ＲおよびインダクタンスＬの変動は、部分的にのみ補償できるか、または全く補償されない。従って、適切なシステムの性能は、他のシステムコンポーネントまたは仕様に設計された公差によって維持することができる。より少ない同調可能な構成要素もしくは同調性能の劣る構成要素を用いることで実現する部分的な調整でも十分である。
【００９９】
いくつかの実施形態では、高出力条件下でのインピーダンス整合回路の所望の可変性を達成する一方で、その同調可能な素子の電圧／電流定格の要件を最小限に抑えてより微細な（すなわち、より正確には、より高解像度の）全体的同調性を達成する、インピーダンス整合回路構成が実装される。同調可能な誘導性素子を目標インピーダンスＺ０に整合させる回路のトポロジは、これにより、可変構成要素の電圧／電流要件が緩和されて所望の同調範囲がより微細な同調解像度でカバーされるように、固定および可変素子の適切な組合せと配置を含むことができる。このようにして、電圧／電流性能要件は、可変でない構成要素に対して緩和することができる。
【０１００】
一般的には、インピーダンス整合ネットワーク構成は、下記を含む様々な目標を達成するために実装することができる。
（１）電源（複数可）（例えば、電力駆動の発電機）からのソース低損失誘導性素子（および無線でそれらに結合された他のシステム）に供給される電力の増加または最大化、および／またはソース低損失誘導性素子間におけるインピーダンス不整合の軽減あるいは最小化
（２）デバイス低損失誘導性素子（および無線でそれらに結合された任意の他のシステム）と電力駆動する負荷とから供給される電力の増加または最大化、および／またはその両者間におけるインピーダンス不整合の軽減あるいは最小化
（３）ソース低損失誘導性素子（および無線でそれらに結合された任意の他のシステム）と電力駆動する発電機とに対する制御された量の電力供給、または両者間の一定のインピーダンス関係の達成
（４）電力駆動する負荷に対するデバイス低損失誘導性素子（および無線でそれらに結合された任意の他のシステム）からの制御された量の電力供給、またはデバイス低損失誘導性素子間の一定のインピーダンス関係の達成
【０１０１】
上述したように、無線電源は電源に結合された少なくとも１つの共振器コイルを含むことができ、該電源はＤ級増幅器、もしくはＥ級増幅器またはそれらの組合せ等のスイッチング増幅器であってもよい。このような構成では、共振器コイルは、実効的に、電源に対する電力負荷である。いくつかの実施形態では、無線電力装置は電力負荷に結合された少なくとも１つの共振器コイルを含むことができ、該共振器コイルはＤ級整流器、もしくはＥ級整流器またはそれらの組合せ等のスイッチング整流器であってもよい。このような構成では、共振器コイルは、実効的に、電力負荷に対する電源であり、負荷のインピーダンスは、共振器コイルからの負荷の作業ドレナージレートにも直接関連する。
【０１０２】
一般的に、これらのいずれの構成においても、電源と電力負荷との間の電力伝送の効率は、電力負荷の入力インピーダンスが、電源を効率的に駆動することができるインピーダンスにどの程度厳密に一致するかに影響される。最大電力伝送効率を得るために、電源および／または電力負荷インピーダンスを設計および／または調整することは、一般的に「インピーダンス整合」と呼ばれ、ワイヤレス電力伝送システムの有用電力対損失電力の割合の最適化に相当する。
【０１０３】
上述したように、インピーダンス整合は、電源と電力負荷との間にインピーダンス整合ネットワークを形成するために、ネットワーク、もしくは、コンデンサ、インダクタ、変圧器、スイッチ、抵抗等の素子の集合を追加することによって行うことができる。その後、インピーダンス整合は、機械的調整および素子の位置変更を介して達成される。可変負荷に対しては、インピーダンス整合ネットワークは、負荷に面した電源端子のインピーダンスおよび電源の特性インピーダンスが、動的環境と動作シナリオにおいても、実質的に互いの複素共役のままであることを保証するよう動的に調整された可変構成要素を有してもよい。
【０１０４】
より一般的には、電源と負荷との間のインピーダンス整合を達成するために、各種の異なる調整を行うことができる。いくつかの実施形態では、例えば、インピーダンス整合は、デューティサイクル、位相、および電源の駆動信号の周波数のうち少なくとも１つを同調することによって達成することができる。ある実施形態において、インピーダンス整合は、コンデンサ等の電源内の物理的な構成要素を同調することによって達成することができる。このような整合機構は、有利であるといえる。なぜなら、このような整合機構は、例えば、同調可能なインピーダンス整合ネットワークを使用せずに、もしくはより少ない同調可能な構成要素を有するように簡略化された同調可能なインピーダンス整合ネットワークを用いて、電源と負荷との間のインピーダンス整合を可能にすることができるからである。電源に対する駆動信号のデューティサイクルおよび／または周波数および／または位相を同調することにより、拡張された同調範囲または精度、より高い電力、電圧および／または電流容量、より高速な電子制御、および／またはより少ない外付け部品を有する動的インピーダンス整合システムを得ることができる。
【０１０５】
ワイヤレス電力伝送システムが設計または設定されるときの電力負荷と電源との間のインピーダンス整合を提供することに加えて、インピーダンス同調は、システムの動作中に発生するインピーダンスの変化を考慮するために、システムのインピーダンス特性の動的調整を可能にする。例えば、いくつかのワイヤレス電力伝送システムでは、周囲の物体、温度、方位、および他の共振器の数や位置などの環境条件によって、インダクタンス等の共振器のパラメータが影響を受けることがある。共振器の動作パラメータの変化は、共振器間の電力伝送の効率などのある一定のシステムパラメータを変更することができる。一例として、共振器の近くに位置する高導電性材料が、共振器の共振周波数をシフトさせて、他の共振物体から離調してもよい。システムがそのような環境の変化に対応できるように、リアクタンス性元素（例えば、誘導性素子または容量性素子）を変化させることによって共振器の共振周波数を補正する共振器フィードバック機構を実装してもよい。
【０１０６】
同調可能な構成要素を含み、ある一定のシステムコンポーネントの動作環境および動作パラメータを監視するアクティブ同調回路を、ある一定のワイヤレス電力伝送システムに組み込むことができる。監視回路は、構成要素のパラメータの変化を能動的に補償するための信号を生成してもよい。例えば、システムの容量における予想される変化を計算するために、または、以前に測定されたシステムの容量の値を示すために、温度計測を行うことができ、これにより、温度範囲にわたって所望の容量を維持するために他のコンデンサへの切り替えまたはコンデンサを同調することによって、補正が可能となる。ある実施形態では、ＲＦ増幅器のスイッチング波形は、システム内の構成要素の値または負荷の変化を補償するように調整することができる。いくつかの実施形態では、ある構成要素のパラメータ値の変化は、能動冷却、加熱、活性環境コンディショニング等で補償することができる。
【０１０７】
上述の概念を、図２Ａ〜２Ｃに概略的に示す。説明したように、発電装置と電力負荷との間の電力伝送の効率は、負荷の入力インピーダンスが発電機の所望のインピーダンス（例えば、発電機が高い、あるいは最大の効率で電力を供給するインピーダンス）にどれだけ厳密に一致するかにより影響されることがある。図２Ａに示すワイヤレス電力伝送システムの実施例において、負荷６０４の入力インピーダンスが発電装置６０２（電力増幅器でもよい）の所望のインピーダンスに等しい場合、発電装置６０２から電力負荷６０４まで電力を最大可能効率で伝送することができる。発電装置６０２と電力負荷６０４との間のインピーダンス整合は、同調可能なインピーダンス整合ネットワーク６０６（少なくとも１つのサブネットワークおよび／または、コンデンサ、抵抗器、インダクタ、変圧器、スイッチ等の素子の集合を含んでもよい）を、図２Ｂに示すように発電装置と電力負荷との間に挿入することによって行うことができる。
【０１０８】
さらに上述したように、いくつかの実施形態では、素子の配置の機械的調整および／または変更を、インピーダンス整合を達成するために使用することができる。インピーダンス整合ネットワーク６０６は、動的環境と動作シナリオにおいても、電力負荷に面する発電機端子でのインピーダンスが発電装置の所望のインピーダンスに実質的に等しいままであることを保証するために、このように動的に調整される可変構成要素を有してもよい。図２Ｃに示すように、動的インピーダンス整合は、同調可能発電装置６０８の駆動信号のデューティサイクルおよび／または位相および／または周波数を同調することによって、および／または、同調可能発電装置内の物理的構成要素を同調することによって、達成することができる。図２Ｃに示すように、同調可能発電装置６０８が実装される場合、発電装置と電力負荷との間の同調可能インピーダンス整合ネットワーク６０６を用いて、または用いることなく、インピーダンス整合を行うことができる。インピーダンス整合ネットワークが存在する場合、インピーダンス整合ネットワークは、ある実施形態においては、例えばより少ない同調可能な構成要素を含むことによって、図２Ｂに示す同調可能インピーダンス整合ネットワークに対して簡略化することができる。さらに、発電装置に対する駆動信号のデューティサイクルおよび／または周波数および／または位相を同調することにより、拡張された同調範囲または精度、より高い電力、電圧および／または電流容量、より高速な電子制御、および／またはより少ない外付け部品を有する動的インピーダンス整合システムを得ることができる。
【０１０９】
多くの他の考慮事項も、ワイヤレス電力伝送システムにおけるインピーダンス整合のために重要である。このようなシステムでは、低損失誘導性素子は、典型的には、例えば中継共振器などの少なくとも１つのデバイス共振器または他の共振器に結合されたソース共振器のコイルである。誘導性素子のインピーダンスＲ＋ｊωＬは、ソース共振器のコイルにおける他の共振器の反射インピーダンスを含んでもよい。誘導性素子のＲおよびＬの変動は、ソース共振器および／または他の共振器の近傍における外部摂動、および／または構成要素の熱ドリフトによって生じることがある。誘導性素子のＲおよびＬの変動はまた、ワイヤレス電力伝送システムの通常の使用中に、ソースに対する機器と他の共振器の相対的な動きに起因して、発生することもある。ソースに対するこれらのデバイスや他の共振器の相対的な動き、もしくは他のソースの相対運動または位置は、デバイスのソースへの結合を変化させる（従って、反射インピーダンスをも変化させる）ことにつながる。さらに、誘導性素子のＲおよびＬの変動はまた、ワイヤレス電力伝送システムの通常の使用中に、他の結合された共振器内における、それらの負荷の消費電力の変化等の変化に起因して、発生することもある。本明細書で開示される方法およびシステムは、誘導性素子とそれを駆動する外部回路との間の動的インピーダンス整合を実施することによって、そのような変動を補償することが可能である。
【０１１０】
例えば、抵抗性負荷を駆動するデバイス共振器のデバイスコイルに誘導的に結合された低損失ソースコイルを含むソース共振器を考慮されたい。いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合は、ソース回路で実現できる。ある実施形態では、動的インピーダンス整合はまた、デバイス回路で実現できる。ソース誘導性素子の実効抵抗（すなわち、ソースコイルの抵抗Ｒｓとデバイスからの反射インピーダンスとの足し合わせ）は、コイルの相互インダクタンスに左右される。同様に、デバイス誘導性素子の実効抵抗もまた、相互インダクタンスに左右される。動きに起因するコイル間の相互インダクタンスの動的変化は、実効インピーダンスの動的変化という結果になる。従って、ソースとデバイスの両方が動的に同調される場合、相互インダクタンスの変動は、ソース誘導性素子抵抗Ｒにおける変動としてソース回路側から現れる。なお、このタイプの変動では、Ｌが変化しないため、共振器の共振周波数は実質的に変化しない点に注意する。従って、動的インピーダンス整合のために本明細書に開示される方法およびシステムは、ワイヤレス電力伝送システムのソース回路に使用することができる。
【０１１１】
なお、可能なワイヤレス電力伝送効率はまた、Ｕとともに増加する点に注意する。デバイスに送信されるほぼ一定レベルの電力を達成するために、ソースの出力電力は、Ｕの増加につれて減少する必要がある。動的インピーダンス整合が、増幅器パラメータのいくつかを同調することによって実施される場合、増幅器の出力電力は、それに応じて変化してもよい。いくつかの実施形態では、出力電力の自動変化は、一定のデバイス電力要件と一致するように、Ｒとともに単調に減少することが好ましい。出力電力レベルが発電装置のＤＣ駆動電圧を調整することによって達成される実施形態においては、Ｒに対抗して出力電力を単調に減少させる同調可能パラメータのインピーダンス整合セットを使用することで、ＤＣ駆動電圧の中程度の調整のみで、デバイス内の電力負荷において一定の電力を維持することが可能となる。出力電力レベルの調整が、スイッチング増幅器またはインピーダンス整合ネットワーク内の構成要素のデューティサイクルＤＣまたは位相の調節を介して起こる実施形態においては、Ｒに対抗して出力電力を単調に減少させる同調可能パラメータのインピーダンス整合セットを使用することで、デューティサイクルまたは位相の中程度の調整のみで、デバイス内の電力負荷において一定の電力を維持することが可能となる。
【０１１２】
図３は、ハーフブリッジスイッチング電力増幅器および関連する測定、同調、および制御回路素子を含む電源のブロック図である。図４は、フルブリッジスイッチング増幅器および関連する測定、同調、および制御回路素子を含む電源のブロック図である。図３に示すハーフブリッジシステムトポロジは、少なくとも１つの制御アルゴリズムを実行する処理部３２８を含む。処理部３２８は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等であってもよい。処理部は、単一の装置であってもよいし、装置のネットワークとして実施されてもよい。制御アルゴリズム（複数可）は、処理部の任意の部分において動作してもよい。アルゴリズム（複数可）は、ある一定の用途のためにカスタマイズすることができ、アナログおよびデジタル回路および信号の組合せを含んでもよい。アルゴリズム（複数可）は、電圧信号と電圧レベル、電流信号と電流レベル、信号位相、デジタルカウント設定等を測定および調整することができる。
【０１１３】
図３に示すシステムはまた、任意のソース／デバイスおよび／または無線通信回路素子３１２に結合されたソース／他の共振器の通信制御部３３２を有してもよい。任意のソース／デバイスおよび／またはソース／他の共振器の通信制御部３３２は、制御アルゴリズム（複数可）を実行するものと同一の処理部の一部であってもよく、マイクロコントローラ３０２内の回路の一部であってもよく、ワイヤレス電力伝送モジュールの外部にあってもよく、また、ワイヤ給電またはバッテリ駆動用途で使用される通信制御部と実質的に類似するが、ワイヤレス電力伝送を促進またはサポートするために、新規および／または異なる機能を有するよう適合することができる。
【０１１４】
システムは、少なくとも２つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合され、処理部３２８で実施される制御アルゴリズムによって制御される、パルス幅変調（ＰＷＭ）発電機３０６を有する。２つのトランジスタゲートドライバ３３４は、インピーダンス整合ネットワーク構成要素３４２を介してソース共振器コイル３４４を駆動する２つのパワートランジスタ３３６に、直接またはゲート駆動変圧器を介して結合される。パワートランジスタ３３６は調節可能ＤＣ電源３０４に結合されて通電されることができ、調節可能ＤＣ電源３０４は、可変バス電圧Ｖｂｕｓによって制御することができる。Ｖｂｕｓ制御部３２６は、制御アルゴリズムによって制御されてもよく、マイクロコントローラ３０２または他の集積回路の一部であってもよいし、そこに統合されていてもよい。Ｖｂｕｓ制御部３２６は調節可能ＤＣ電源３０４が出力する電圧を制御し、調節可能ＤＣ電源３０４は増幅器の電力出力と、共振器コイル３４４に供給される電力とを順に制御する。
【０１１５】
図３に示すシステムはまた、信号をプロセッサへの入力前に成形、変更、フィルタリング、処理、およびバッファリングすることができる信号フィルタリング・バッファリング回路３１８と３２０、および／または、例えばアナログからデジタルへ変換するコンバータ（ＡＤＣ）３１４と３１６のようなコンバータを有する任意の感知回路素子および測定回路素子も含む。ＡＤＣ３１４および３１６等のプロセッサおよびコンバータは、マイクロコントローラ３０２に統合することができ、または処理コア３３０に結合することができる別個の回路として実装することができる。測定された信号に基づいて、制御アルゴリズムは、ＰＷＭ生成器３０６、通信制御部３３２、Ｖｂｕｓ制御部３２６、ソースインピーダンス整合制御部３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８および３２０、コンバータ３１４よび３１６、および共振器コイル３４４のいずれの動作も生成、制限、開始、消却、制御、調整、および／または変更することができる。インピーダンス整合ネットワーク３４２と共振器コイル３４４は、コンデンサ、スイッチ、および／またはインダクタ等の、電気的に制御可能、可変、および／または、同調可能な構成要素を含んでもよく、これらの構成要素は、それらの成分値または動作点を、ソースインピーダンス整合制御部３３８から受信する信号に従って調整させることができる。
【０１１６】
構成要素は、共振器に送出される電力、共振器によって送出される電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のＱ、および任意の他の結合システムを含む共振器の動作と特性を調節するように同調することができる。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料を有する平面共振器、およびそれらの組合せを含む種々の異なるタイプまたは構造の共振器とすることができる。
【０１１７】
図４に示すフルブリッジシステムトポロジは、マスタ制御アルゴリズムを実行する処理部３２８を有してもよい。処理部３２８は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等であってもよい。システムは、ソース／デバイス、および／または、無線通信回路素子３１２に結合されたソース／他の共振器通信制御部３３２を有してもよい。ソース／デバイス、および／または、ソース／他の共振器通信制御部３３２は、マスタ制御アルゴリズムを実行するものと同一の処理部の一部、またはマイクロコントローラ３０２内の回路の一部であってもよく、またはワイヤレス電力伝送モジュールの外部にあってもよく、ワイヤ給電やバッテリ駆動用途で使用される通信コントローラと実質的に同様であってもよいが、ワイヤレス電力伝送を促進またはサポートするための新規のおよび／または異なる機能を有するように適合される。
【０１１８】
図４のシステムは、マスタ制御アルゴリズムから生成される信号によって制御することができる少なくとも４つのトランジスタゲートドライバ３３４に結合された少なくとも二つの出力を有するＰＷＭ発生器４１０を含む。４つのトランジスタゲートドライバ３３４は、４つのパワートランジスタ３３６に直接、またはインピーダンス整合ネットワーク３４２を介してソース共振器コイル３４４を駆動することができるゲート駆動変圧器を介して、結合することができる。パワートランジスタ３３６は、調節可能ＤＣ電源３０４に結合されて通電されてもよく、電源３０４は、マスタ制御アルゴリズムによって順に制御されるＶｂｕｓ制御部３２６によって制御される。Ｖｂｕｓ制御部３２６は、増幅器の電力出力と共振器コイル３４４に送出される電力とを制御する調節可能ＤＣ電源３０４の電圧出力を調整する。
【０１１９】
図４のシステムは、信号がプロセッサおよび／またはアナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３１４および３１６等のコンバータに入力される前に、信号の成形、変更、フィルタリング、処理、およびバッファリングを行うことができる信号フィルタリングおよびバッファリング回路３１８と３２０および差動／シングルエンド変換回路素子４０２、４０４を含む検知回路素子および測定回路素子を任意で有してもよい。プロセッサおよび／またはＡＤＣ３１４および３１６のようなコンバータは、マイクロコントローラ３０２に統合することができ、または処理コア３３０に結合された別個の回路として実装することができる。
【０１２０】
測定された信号に基づいて、マスタ制御アルゴリズムは、ＰＷＭ発生器４１０、通信制御部３３２、Ｖｂｕｓ制御部３２６、ソースインピーダンス整合制御部３３８、フィルタリング／バッファリング素子３１８および３２０、差動／シングルエンド変換回路素子４０２および４０４、コンバータ３１４および３１６、および共振器コイル３４４のいずれの動作も生成、制限、開始、消却、制御、調節、および／または変更することができる。
【０１２１】
インピーダンス整合ネットワーク３４２と共振器コイル３４４は、コンデンサ、スイッチ、およびインダクタ等の、電気的に制御可能、可変、および／または、同調可能な構成要素を有しても良く、これらの構成要素は、その構成要素の値または動作点を、ソースインピーダンス整合制御部３３８から受信した信号に応じて調整させることができる。構成要素は、共振器へ送出される電力、共振器によって送出される電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のＱ、および任意の他の結合システムを含む、共振器の動作および特性の同調を可能にするために同調されてもよい。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料を有する平面共振器、およびそれらの組合せを含む、様々な異なるタイプまたは構造の共振器であってもよい。
【０１２２】
図３および図４に示すように、インピーダンス整合ネットワーク３４２は、コンデンサ、インダクタ、およびそのような構成要素のネットワーク等の固定値構成要素を含んでもよい。インピーダンス整合ネットワークの一部は、インダクタ、コンデンサ、変圧器、およびそのような構成要素の直列および並列の組合せを含んでもよい。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合ネットワークの一部は空（即ち、短絡）であってもよい。
【０１２３】
図４に示すフルブリッジトポロジは、同一のＤＣバス電圧を使用して、図３に示すハーフブリッジトポロジと比較してより高い出力電力レベルでの動作を可能にする。図３のハーフブリッジトポロジは、シングルエンド駆動信号を供給することができ、一方、図４のフルブリッジトポロジは、ソース共振器３０８に差動駆動信号を供給することができる。いくつかのワイヤレス電力伝送の用途では、駆動される負荷は、それが接続された外部駆動回路の所望インピーダンスとは非常に異なるインピーダンスを有してもよい。さらに、駆動される負荷は、共振ネットワークでなくてもよい。図３および４のインピーダンス整合ネットワーク３４２は、インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）回路と負荷とによって構成されるネットワークの入力におけるインピーダンスを制御する。ＩＭＮ回路は、駆動周波数に近い共振を生成することによって、この制御を達成することができる。このようなＩＭＮ回路は、発電機から負荷（共振およびインピーダンス整合、スイッチング増幅器のＺＶＳおよびＺＣＳ）への電力伝送効率を増加または最大化するために必要ないくつかまたはすべての条件を達成するため、ＩＭＮ回路は駆動回路と負荷との間で使用することができる。
【０１２４】
負荷が可変であり、および／または、システム内の共振器のインダクタンスが、共振器の相対位置の変化などの環境要因、共振器を攪乱する他の要素の存在、および、共振器の素材特性を変化させる温度などの物理的条件の変化により変化する場合、負荷と、線形またはスイッチング電力増幅器などの外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、負荷の変化および／または共振器特性の変化に応じて調整可能な、ＩＭＮ回路の調整／同調可能な構成要素を用いて達成することができる。インピーダンスの実部と虚部の両方を調整するために、ＩＭＮ回路における２つの（または、より一般的には、複数の、例えば２つ以上の）同調可能／可変素子を使用することができる。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、負荷は、インピーダンスＲ＋ｊωＬを有して（例えば、共振器コイルのように）誘導的であってもよく、ＩＭＮ回路内の２つの同調可能な素子が、２つの同調可能な容量ネットワーク、または１つの同調可能な容量ネットワークと１つの同調可能なインダクタンスネットワーク、または１つの同調可能な容量ネットワークと１つの同調可能な相互インダクタンスネットワークであってもよい。
【０１２６】
さらに、いくつかの実施形態では、線形またはスイッチング電力増幅器のためのインピーダンス整合は、増幅器回路の調整可能／同調可能な構成要素またはパラメータを使用することによって達成することができ、これらは、増幅器の所望のインピーダンスをＩＭＮ回路と負荷（ＩＭＮ＋負荷）とから構成されるネットワークの変化する入力インピーダンスに一致させるように調節することができる。図２Ｃに示すように、ＩＭＮ回路も同調可能であってもよい。インピーダンスの実部と虚部の両方を一致させるために、増幅器とＩＭＮ回路内の２つの同調可能／可変素子またはパラメータの合計を使用することができる。上述したように、ＩＭＮ回路における同調可能／可変素子の数は、これらの素子を増幅器に組み入れることによって、減少あるいは完全に除去することが可能である。例えば、電力増幅器内の１つの同調可能な素子およびＩＭＮ回路内の１つの同調可能な素子を、インピーダンス整合のために使用することができる。別の例として、電力増幅器内の２つの同調可能な素子（そしてＩＭＮ回路内にはゼロ）を、インピーダンス整合のために使用することができる。電力増幅器内の同調可能な素子またはパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオード、および他の回路素子に印加される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、およびデューティサイクルを含んでもよい。
【０１２７】
図５は、Ｄ級電力増幅器８０２、インピーダンス整合ネットワーク８０４、および誘導負荷８０６の簡略回路図を示す。スイッチング増幅器８０４は、電源８１０、スイッチング素子８０８、およびコンデンサを含む。インピーダンス整合ネットワーク８０４は、インダクタおよびコンデンサを有し、負荷８０６は、インダクタと抵抗として表される。増幅器８０２は、スイッチング周波数ｆで動作してＩＭＮ８０４を介して低損失誘導性素子Ｒ＋ｊωＬを駆動するハーフブリッジまたはフルブリッジのＤ級増幅器のいずれかに対応してもよい。
【０１２８】
いくつかの実施形態では、ＩＭＮ８０４の誘導性素子のインダクタンスＬ´は、同調可能であってもよい。Ｌ´は、例えば、インダクタの可変タップ点を介して、または同調可能なコンデンサをインダクタに対して直列または並列に接続することにより、同調することができる。いくつかの実施形態において、Ｃ０は、同調可能であってもよい。ハーフブリッジトポロジの場合、Ｃ０は１つまたは両方のコンデンサを変化させることによって同調することができるが、これはこれらのコンデンサの並列和のみが増幅動作において重要だからである。フルブリッジトポロジの場合、Ｃ０は１つ、２つ、３つ、またはすべてのコンデンサを変化させることによって同調することができるが、これはそれらの組合せのみ（ブリッジの２等分に関連する２つの並列和の直列和）が増幅動作において重要だからである。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、ＩＭＮ８０４の２つの構成要素は同調可能であってもよい。例えば、Ｌ´およびＣ２の両方が同調可能であってもよい。図６は、誘導性素子の変化するＲおよびＬの関数としてインピーダンス整合を達成するために使用することができるＬ´およびＣ２の値と、ｆ＝２５０ｋＨｚ、ｄｃ＝４０%、Ｃ０＝６４０ｐＦ、およびＣ１＝１０ｎＦとした増幅器の（所与のＤＣバス電圧における）出力電力の関連する変化とを示す。ＩＭＮ８０４は常に増幅器の固定された所望のインピーダンスに調整するので、誘導性素子が変化するとき、出力電力は一定である。
【０１３０】
（容量性およびリアクタンス性動作モード）
インピーダンス同調は、ソース共振器と受信共振器の位置が互いに対して変化するワイヤレス電力伝送の用途において特に重要である。そのような用途の１つには、車両充電用の電力の無線伝送がある。車両内の受信共振器は、車両の電力伝送用に構成されたソース共振器に対してほぼ同じ位置に配置されているが、ソース共振器と受信共振器の相対位置は、それらが互いに対して位置合わせされる度（例えば、車両の運転者が車両をソース共振器上に停車させる時）にさらに変化する。ソース共振器と受信共振器間の相対位置のこれらの変動は、ソース共振器と受信共振器との間のインピーダンス不整合を招く可能性がある。
【０１３１】
インピーダンス不整合の原因を理解するために、車両のワイヤレス電力伝送システムが最初に設計されるときに、ソース共振器と受信共振器との間の特定の分離および相対方位を設計が想定することを考慮されたい。この仮定に基づいて、ソースと受信機のインピーダンスを整合する。操作中に、ソース共振器と受信共振器の相対的な向きが想定方向と異なる場合、それらの間で電力を伝送する効率が低減することがある。
【０１３２】
他の要因も、ソース共振器と受信共振器との間の電力伝送効率を低減させることがある。車両充電用途において、ソース共振器および受信共振器の概して近傍に土石が存在することがあり、これは共振器のインピーダンスを変える可能性がある。さらに、環境条件の変化（例えば、温度や湿度の変化）は、ソース共振器と受信共振器を形成する素材の特性の変化をもたらすことがあり、このことが共振器のインピーダンスの変化を同様にもたらすことがある。さらにまた、例えば車両の電池が充電後の容量に近づくなど、受信共振器によって表される負荷の変動も発生することがあり、これにより、効率が充電開始時より高い場合でも、ソース共振器と受信共振器との間の電力伝送効率が充電中に低下する。
【０１３３】
本明細書に開示されたインピーダンス整合のためのシステムおよび方法は、ソース共振器と受信共振器との間の効率的なワイヤレス電力伝送を得るために、ソース内の目標インピーダンスを達成するために特に有用である。高効率を達成することにより、特定の時間内に伝送することができる電力の量も増加する。
【０１３４】
大量の電力を効率的に伝送することは、車両充電用途を含む多くの用途において重要な考慮事項である。車両のバッテリは、ほとんどの従来の電子機器に見られる電池に比べて大容量である。さらに、消費者の好みや使用パターンは、典型的には、実質的に枯渇した場合であっても、車両のバッテリが比較的短い時間内で再充電されることを要する。本明細書に開示された、インピーダンス整合のためのシステムおよび方法は、大量の電力がソース共振器と受信共振器との間に高効率で伝送されることを可能にすることにより、車両の充電などの高電力用途におけるワイヤレス電力伝送を可能にする。
【０１３５】
特に車両の充電などの高出力用途において、ソース共振器と受信共振器との間のワイヤレス電力伝送の効率と量に影響を与える別の観点は、ソース共振器および／または受信共振器が動作しているモードである。以下の説明は、ソース共振器に焦点を当てるが、議論の観点および特徴は、ワイヤレス電力伝送システムにおける受信共振器にも適用可能であることを理解されたい。
【０１３６】
共振器（例えば、ソース共振器）のインピーダンスは、特に、例えば伝送される電力の量が１ｋＷ以上（例えば、２ｋＷ以上、３．３ｋＷ以上、４．５ｋＷ以上、５．５ｋＷ以上、６．４ｋＷ以上）である車両用充電などの高出力用途において同調される。この時、特定の目標インピーダンスを達成するためのインピーダンス整合は、ソース共振器と受信共振器との間の大量の電力の効率的伝送に影響を与える唯一の基準ではない。インピーダンスモードも、ソース共振器と受信共振器間の電力伝送に大きな影響を与えることがある。
【０１３７】
一般的に、ソース共振器と受信共振器間の結合が増加すると、ソース共振器の複素インピーダンスの実数成分も増加する一方で、複素インピーダンスの虚数成分が減少する。虚数成分がゼロより大きい場合、ソース共振器は「誘導性」または「リアクタンス性」モードで動作し、逆に、虚数成分が０未満である場合、ソース共振器は「容量性」モードで動作する。
【０１３８】
高電力ワイヤレス電力伝送の用途に対して、容量性モードでソース共振器（例えば、増幅器）を動作すると、ある問題につながる可能性がある。具体的には、ソース共振器の容量性モードにおける長期間にわたる動作は、過剰なスイッチング損失および／または考えられるコンポーネント障害、特に、インバータパワースイッチの故障につながる可能性がある。ソース共振器への潜在的な壊滅的被害は、このようなコンポーネントの障害に起因することがある。
【０１３９】
逆に、過剰な誘導性またはリアクタンス性であるモードでソース共振器を動作することもまた、非効率的な電力伝送を招くことがある。リアクタンス性モードの動作は、ソースコイルと受信コイルの相対位置がソース（例えば、増幅器）の出力回路素子における大循環電流をもたらすときに生じることがある。これらの大電流は増幅器の過度の電力損失をもたらし、受信共振器に伝送される電力量を大幅に低減させる。
【０１４０】
ソース共振器が容量性モードで動作しないことを確実にするために、本明細書に開示されたシステムは、ソース共振器の起動中（例えば、電力増幅器の起動時）に、可能性のある容量性モードの動作を検出する。一般的に、種々な異なる方法を、容量性モードの動作を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態では、容量性モードの動作を検出するために、システムは、電力増幅器の出力電圧と電流波形との間の時間差を測定するモード検出器を有する。電圧波形および電流波形が互いに近接しすぎる場合（例えば、それらの位相オフセットの大きさが十分でない場合）、ソース共振器が容量性モードで動作していると判断される。
【０１４１】
図６は、電力増幅器から出力された電圧と電流の波形を示す概略図である。本明細書に開示されたシステムおよび方法では、モード検出器は、電流波形と電圧波形との間の時間差１０１０（または同等に、位相差）を測定するために使用される。容量性モードの動作は、次に、測定された時間差に基づいて検出することができる。特に、図６に示すように、電流波形と電圧波形の時間差１０１０が小さすぎる場合、電力増幅器が容量性モードで動作していると判断される。
【０１４２】
図７は、電力増幅器などのソース共振器における容量性モードの動作を検出するための一連のステップを示すフローチャート１１００である。ステップ１１０２において、システム内のモード検出器は、電圧・電流の時間差測定の準備のために初期化される。いくつかの実施形態では、例えば、初期化はカウンタの値をゼロに設定（または再設定）することによって行うことができる。カウンタは、その後、電圧・電流の時間差を判断するために使用される。例えば、電圧波形と電流波形との間のオフセットを、それぞれが時間間隔を表すカウンタの増分で測定することができる。
【０１４３】
ステップ１１０２において、容量性モードカウンタの値がゼロに設定される。容量性モードカウンタは、ソース共振器の容量性モードの動作が検出された時間の回数をカウントする。
【０１４４】
次に、ステップ１１０４において、モード検出器は、ソース共振器（例えば、電力増幅器）における電圧および電流の出力波形との間のオフセットを判断するために使用される。オフセットは、種々の方法で測定することができる。オフセットを測定するための方法および構成要素の例は、後のセクションで説明する。しかし、オフセットは、様々な形式で測定することができる点に留意されたい。いくつかの実施形態では、上述したように、オフセットは、各カウンタの増分が特定の時間周期（例えば、ソース共振器の内部クロックサイクル）に対応する場合、カウンタの増分で測定することができる。ある実施形態では、オフセットは、オフセットの直接測定によって、またはカウンタの増分に対応するオフセットを、単一のカウンタの増分に対応する期間で乗算することによって、時間を単位として測定することができる。いくつかの実施形態では、オフセットは、例えば電流波形と電圧波形との間の位相角差として、角度を単位として測定することができる。
【０１４５】
ステップ１１０６において、測定されたオフセットは、容量性動作を示す閾値オフセット値と比較される。閾値は、測定されたオフセットと同じ単位で表示される（例えば、カウンタの増分、時間の単位、位相角の差）。オフセット値が閾値オフセット値よりも大きい場合は、電流波形および電圧波形が互いに十分なオフセットで離れているため、ソース共振器は容量性モードで動作していないと判断される。制御は、任意のステップ１１０８に進み、ソース共振器の出力電力（例えば、受信共振器に無線で伝送される電力）を増加させる。次に、モード検出器はステップ１１１０でリセットされ（例えば、オフセット値がゼロにリセットされる）、制御は電流電圧オフセットの別の測定を行うためにステップ１１０４に戻る。
【０１４６】
ステップ１１１６でオフセット値が閾値オフセット値より小さい場合、電流波形と電圧波形とが比較的少量だけ互いにオフセットしているため、ソース共振器が容量性モードで動作していると判断される。制御はステップ１１１２へ進み、ソース共振器の出力が維持される。次に、ステップ１１１４において、容量性モードカウンタの値がインクリメントされる。上述したように、容量性モードカウンタは、ソース共振器の容量性モードの動作が検出された時間の回数をカウントする。
【０１４７】
次に、ステップ１１１６において、容量性モードカウンタの値を、連続する容量性モードの閾値と比較する。連続する容量性モードの閾値は、ソース共振器の動作が変更される前に、ソース共振器の容量性モードの動作を検出することができる時間の回数の制限を表す。容量性モードカウンタの値が連続する容量性モードの閾値を超えている場合（例えば、ソース共振器の容量性動作が検出された連続した時間の回数が連続した容量性モードの閾値で表される閾値を超える場合）、ステップ１１１８にてソース共振器の出力電力を低減させる、もしくはソース共振器の動作を停止する。出力電力が、ソース共振器の動作を停止させることなく単に低減された場合、制御はステップ１１０２に任意で戻ることができる。
【０１４８】
あるいは、ステップ１１１６において、容量性モードカウンタの値が連続容量性モード閾値未満である場合、制御はステップ１１１０に進んでモード検出器をリセットし、その後ステップ１１０４に進んで電圧電流オフセットの別の測定を行う。
【０１４９】
フローチャート１１１０のステップ１１１６において、ソース共振器は、電圧電流のオフセットを容量性モードの閾値と比較することによって、容量性モードの動作につき評価される。いくつかの実施形態では、容量性モードの閾値は、ソース共振器と受信共振器の異なる動作条件に対して固定されたままである。しかしながら、より一般的には、容量性モードの閾値は、１つまたは動作パラメータまたはワイヤレス電力伝送システムの条件に応じて可変である。例えば、ある実施形態では、容量性モードの閾値は、負荷電圧（例えば、受信共振器に接続されたデバイス全体のソース共振器によって維持される電圧）に基づいて可変である。表１は、負荷電圧の関数としての容量性モードの閾値の例のリストである。
【０１５０】
【表１】
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【０１５１】
本明細書に開示されたワイヤレス電力伝送システムは、ソース共振器（例えば、電力増幅器）のリアクタンス性モードの動作を検出することができる。リアクタンス性モードの動作の検出は、容量性モードの動作も検出するシステム、あるいは、容量性モードの動作の検出が発生しないシステムで行うことができる。上述のように、ワイヤレス電力伝送システムのソース共振器が、リアクタンス性が高すぎる（例えば、誘導性が高すぎる）モードで動作する場合、ソース共振器で過度の電力消費が発生することがあり、これはソース共振器から受信共振器へのワイヤレス電力伝送効率を著しく低下させる可能性がある。
【０１５２】
図８は、電力増幅器からの出力電圧と電流波形を示す概略図である。容量性モードの動作を検出する目的で、電流波形と電圧波形の間の時間差（または位相差）を測定するものと同一のモード検出器はまた、１２１０での電圧切り替え時間に、ソース共振器（例えば、増幅器）の出力電流を測定するために使用することができる。次いで、電流電圧オフセット、電圧スイッチング時間１２１０での出力電流、およびソース共振器（例えば、増幅器）のバス電圧は、ソース共振器のリアクタンス性モードの動作を検出するために使用することができる。
【０１５３】
図９は、電力増幅器等のソース共振器内のリアクタンス性モードの動作を検出するための一連のステップを示すフローチャート１３００である。ステップ１３０２において、図７に関連して上述したように、モード検出器が初期化される。次に、ステップ１３０４において、モード検出器は、ソース共振器（例えば、電力増幅器）の出力電流と電圧波形との間のオフセット（例えば、位相差）を測定するために使用される。一般的には、オフセットは、ステップ１３０４において、図７のステップ１１０４と同様の方法で測定される。
【０１５４】
ステップ１３０６において、電圧切り替え時間の出力電流が、モード検出器またはシステム内の他のセンサによって測定される。図８に示すように、電圧切り替え時間は、電圧スイッチの符号が切り替わる時間である。モード検出器または他のセンサは、電圧極性が変化する時の出力電流を測定する。
【０１５５】
図９に戻り、ステップ１３０８において、ソース共振器（例えば、電力増幅器）のバス電圧を、モード検出器またはシステム内の他のセンサまたは素子によって測定する。
【０１５６】
ソース共振器がリアクタンス性モード（例えば、インダクタンスがかなり高いために顕著な電力消費が発生するモード）で動作しているか否かを判断するために、ステップ１３１０において、測定されたバス電圧がバス電圧閾値と比較される。測定されたバス電圧がバス電圧閾値未満である場合は、ステップ１３２０において、ソース共振器がリアクタンス性モードで動作していないと判断され、手順はステップ１３２２にて終了する。あるいは、測定されたバス電圧がバス電圧閾値よりも大きい場合は、ソース共振器がリアクタンス性モードで動作することが可能であるため、制御はステップ１３１２に進む。
【０１５７】
ステップ１３１２において、測定された電流電圧オフセットは、容量性モード検出閾値と比較される。電流電圧オフセットが容量性モード検出閾値未満である場合、ステップ１３２０にて、ソース共振器はリアクタンス性モードで動作していないと判断され、手順はステップ１３２２で終了する。しかしながら、電流電圧オフセットが容量性モード検出閾値よりも大きい場合、ソース共振器がリアクタンス性モードで動作することが可能であるため、制御はステップ１３１４に進む。
【０１５８】
ステップ１３１４において、電圧切り替え時間に測定された出力電流は、電圧切り替え時間の出力電流の閾値と比較される。測定された出力電流が電流閾値よりも小さい場合、ステップ１３２０において、ソース共振器はリアクタンス性モードで動作していないと判断し、手順はステップ１３２２で終了する。しかしながら、ステップ１３１４において、電圧切り替え時間の測定出力電流が電流閾値よりも大きい場合（このことはまた、ステップ１３１０において、測定バス電圧がバス電圧閾値よりも大きいこと、およびステップ１３１２において、測定された電流電圧オフセットが容量性モード検出閾値よりも大きいことを意味する）、ステップ１３１６においてソース共振器（例えば、電力増幅器）がリアクタンス性モードで動作していると判断される。
【０１５９】
任意のステップ１３１８において、ソース共振器が低リアクタンス性モードで動作するように、ソース共振器の出力電力を低減させることができる。その後、手順はステップ１３２２で終了する。
【０１６０】
電圧切り替え時間における、バス電圧閾値、容量性モード検出閾値、出力電流閾値は、様々な方法で取得可能である。いくつかの実施形態では、例えば、閾値は、システムの論理プロセッサ（複数可）にハードコーディングすることができる。ある実施形態では、閾値の一部または全ては、記憶部に記憶され、システムの電源投入時に取得することができる。いくつかの実施形態では、閾値の一部または全ては、システムのオペレータによって供給することができる。
【０１６１】
一般的に、各々の閾値は、システムの構成要素の耐久力および動作限界、システムの動作環境、ならびにワイヤレス電力伝送用途等の要因に基づいて、種々の値を有することができる。さらに、上述のように、各々の閾値は、負荷電圧や出力電力等のある一定の動作パラメータに応じて複数の値を持つことができる。例えば、いくつかの実施形態では、バス電圧が４００Ｖの閾値を超えた場合、電流電圧オフセットが８５７．１ナノ秒の容量性モード検出閾値を超えた場合、および電圧切り替え時間の出力電流が２０Ａの閾値を超えた場合に、ソース共振器がリアクタンス性モードで動作していると判断する。
【０１６２】
容量性モードの検出および／またはリアクタンス性モードの検出は、本明細書に開示されたシステムを含む様々なワイヤレス電力伝送システムの制御アルゴリズムに組み込むことができる。一般的に、容量性モードおよび／またはリアクタンス性モードでの動作の検出は、ソース共振器と受信共振器との間のインピーダンスができるだけ厳密に一致することを確実にすると同時に、過剰に容量性モードまたはリアクタンス性モードで動作することを避けるために、インピーダンス同調中またはその後に起こる。容量性および／またはリアクタンス性モード検出と連動してインピーダンス同調を行うことで、ソース共振器と受信共振器との間に高効率で電力を無線伝送することができると同時に、ソース共振器の構成要素（例えば、インバータスイッチ）の故障を避けることができる。
【０１６３】
図１０は、ワイヤレス電力伝送システムにおけるソース共振器のインピーダンス同調を実行するための一連のステップを示すフローチャート１４００である。最初のステップ１４０２において、初期の周波数、インピーダンス、およびソース共振器の出力電力が設定される。これらの動作パラメータの各々の初期値は、例えば、記憶された情報（例えば、記憶されパラメータの値）、および／またはユーザ入力に応じて設定することができる。
【０１６４】
次に、任意のステップ１４０４において、システムは、ソース共振器が容量性モードで動作しているか否かを判断する。図７に関連して開示されたステップのいくつかまたは全部は、電流電圧オフセット値の測定と、測定されたオフセット値と容量性モード検出閾値との比較を含めて、この判断に使用することができる。
【０１６５】
ステップ１４０６において、ソース共振器が容量性モードで動作しているとシステムが判断した場合、制御はステップ１４０８に進み、システムは、インバータスイッチ等の共振器の構成要素の故障が起こらないことを確実にするために、ソース共振器の出力電力を低減させる。制御は、次にステップ１４０４に戻り、システムは、ソース共振器がさらに低い出力電力で依然として容量性モードで動作しているか否かを判断する。
【０１６６】
ソース共振器が容量性モードで動作していないとシステムが判断した場合、制御は任意のステップ１４１０に進み、システムは、ソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断する。電流電圧オフセット値の測定、電圧切り替え時点での出力電流の測定、およびバス電圧の測定、およびソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断するためにこれらの動作パラメータの測定値を使用することを含めて、図９に関連して開示されたステップのいくつかまたはすべては、この判断のために使用することができる。
【０１６７】
ステップ１４１２において、ソース共振器がリアクタンス性モードで動作しているとシステムが判断した場合、制御はステップ１４１に進み、共振器がより小さい誘導性負荷を表すように、システムは、ソース共振器の出力電力を低減させる。次に制御はステップ１４０４に戻り、システムは、ソース共振器がより低い出力電力で容量性モード（およびリアクタンス性モード）で動作しているか否かを判断する。
【０１６８】
システムが、ソース共振器はリアクタンス性モード（または容量性モード）のいずれでも動作していないと判断した場合、ステップ１４１６において、システムは、ソース共振器と受信共振器との間の電力伝送の効率を判断する。効率は、様々な方法で判断することができる。いくつかの実施形態では、例えば、受信共振器は、電子プロセッサまたはシステムに対して、受信共振器によって受信された電力量に関する情報を含む信号を送信する。電子プロセッサは、電力伝送の効率を判断するために、ソース共振器の出力電力に関する情報と共に、この情報を使用することができる。
【０１６９】
ステップ１４１８において、電力伝送の効率は伝送効率閾値と比較される。電力伝送の効率が閾値より大きい場合、電力伝送は、適切な効率で発生し、手順はステップ１４２２で終了する。電力伝送の効率が閾値よりも小さい場合、電力伝送効率を向上させるために、ステップ１４２０にてソース共振器のインピーダンスが（例えばより高い電力伝送効率につながる目標インピーダンス値により一致するように）調整される。次に、制御はステップ１４０４に戻り、システムは、ソース共振器が調整されたインピーダンス値で容量性モードまたはリアクタンス性モードで動作しているか否かを判断する。
【０１７０】
いくつかの実施形態では、本明細書で説明された目標インピーダンス値は、設計仕様、および／または様々な動作条件およびジオメトリのためのワイヤレス電力伝送システムの校正から、予め知られる。ある実施形態では、目標インピーダンス値は、不明であるが、その代わりに、電力伝送効率などのフィードバック基準に基づいてシステムを繰り返し調整することによって達成される。いずれの状況においても、システムのインピーダンスは、ソース（例えば、電力増幅器）から受信機（例えば、受信共振器）への効率的な電力伝送のための目標インピーダンスに一致するように調整される。
【０１７１】
（モード検出器）
前述の説明では、モード検出器は、電流電圧オフセット値などの動作パラメータの測定に使用され、ソース共振器が容量性モードまたはリアクタンス性モードで動作しているか否かをシステムが決定することを可能にする。一般的に、種々の異なるモード検出器をこの目的のために使用することができ、原理的には、電流電圧オフセットを正確かつ迅速に測定する任意のモード検出器を使用することができる。
【０１７２】
図１１は、モード検出器１５００の一例の概略図を示す。モード検出器１５００は、信号処理部１５０２とオフセット測定部１５０４とを有する。信号処理部１５０２は、ゼロ交差検出器（ＺＣＤ）などの検出器または回路からの電流波形を受信する第１入力端子と、パルス幅変調（ＰＷＭ）検出器などの検出器または回路からの電圧波形を受信する第２入力端子とを有する。電流波形および電圧波形は、ＡＮＤ論理ゲート１５０６に供給され、ＡＮＤ論理ゲート１５０６は、ＸＯＲ論理ゲート１５０８の一方の入力端子に供給される出力信号を生成する。電圧波形は、ＸＯＲゲート１５０８の他方の入力端子に供給される。ＸＯＲゲート１５０８からの出力波形１５１０は、ＡＮＤゲート１５０６の入力端子に供給される電流波形と電圧波形との間の時間オフセットに対応する時間幅１５１２を有する正の値のみの方形波形である。
【０１７３】
波形１５１０は、オフセット測定部１５０４の一方の入力端子に供給される。クロック信号は、オフセット測定部１５０４の他方の入力端子に供給される。クロック信号は、一定の時間間隔で離間する一連のパルスにより構成され、信号発生器、マイクロコントローラ１５１４のようなマイクロコントローラ、システム内の他の論理部もしくは回路、またはシステムコントローラによって供給される。
【０１７４】
オフセット測定部１５０４は、各追加のクロック信号パルスがオフセット測定部１５０４の第２入力端子で受信される度にインクリメントする内部カウンタＣＮＴを実装する。波形１５１０は、オン・オフゲート信号として機能し、その間にカウンタＣＮＴがインクリメントされる。波形１５１０の時間幅１５１２に一致する電流波形と電圧波形との間の時間オフセットを測定するために、オフセット測定部１５０４によってＣＮＴの値が最初にゼロにリセットされる。ＣＮＴの値は、オフセット測定部１５０４の第１入力端子で波形１５１０の前端が検出されるまでゼロのまま維持され、前端検出時に波形１５１０の幅の時間測定が開始される。波形１５１０の幅の測定中、クロック信号パルスがオフセット測定部１５０４の第２入力端子で検出される度に、ＣＮＴの値がインクリメントされる。ＣＮＴへの蓄積は、波形１５１０の後端が第１入力端子で検出されるまで続き、後端検出時に波形１５１０の幅の時間測定は終了する。ＣＮＴの値は、電流波形と電圧波形との間の時間オフセットにクロックサイクルの単位で一致し、オフセット測定部１５０４の出力端子に設けられる。時間単位の時間オフセットは、ＣＮＴがクロックサイクルの間の一定の時間間隔により乗じられる後続の乗算動作を（例えば、オフセット測定部１５０４内、または、電子プロセッサのような他の論理部内で）行うことによって得ることができる。
【０１７５】
一般的に、モード検出器１５００は、ソース共振器（例えば、電力増幅器）内に配置される。ソース共振器内のモード検出器の種々の異なる構成を使用することができる。図１２は、モード検出器１５００を含む電力増幅器１６００の一例を示す概略図である。図１２において、統合コントローラ１６２０は、増幅器１６００の種々の異なる機能を制御する。特に、コントローラ１６２０は、インピーダンス整合ネットワーク１６３０を使用して、ソースコイル１６４０のインピーダンスを調整する。ゼロ交差検出器１６５０は、出力電流に一致する電流波形を測定し、パルス波変調検出器（「ＰＷＭ」として概略的に表示）は電圧波形を測定する。電流波形と電圧波形は、モード検出器１５００の入力端子に供給される。ＡＮＤ論理ゲート１５０６およびＸＯＲ論理ゲート１５０８を図１２に示す。
【０１７６】
図１１において、ＸＯＲゲート１５０８からの出力波形１５１０は、モード検出器１５００の一部であるオフセット測定部１５０４に供給される。しかし、いくつかの実施形態では、モード検出器１５００は、オフセット測定部を含まない。図１２に、このような実施形態を示す。図１２において、出力波形１５１０は、統合コントローラ１６２０へ直接供給される。統合コントローラ１６２０はまた、クロック信号（図１２には図示せず）を受信し、オフセット測定部１５０４について上述した手順と同様の方法で、ゼロ交差検出器１６５０とＰＷＭ検出器によってそれぞれ測定された電流波形と電圧波形との間の時間オフセットを測定するためのゲート信号として、出力波形１５１０を使用する。
【０１７７】
図１２に示すように、増幅器１６００はまた、電流センサ１６１０を有してもよい。センサ１６１０は、２つの入力端子にて、ゼロ交差検出器１６５０によって測定された電流波形とＰＷＭ検出器によって測定された電圧波形とを受信する。電流センサ１６１０は、電圧切り替え時点での出力電流に対応する出力信号１６６０を生成する。この信号は、統合コントローラ１６２０に供給される。
【０１７８】
図１２は、入力波形をモード検出器１５００に供給するための、電流信号および電圧信号の測定の一例を示す。電流および／または電圧信号はまた、モード検出器へ入力波形を供給するために、他の時点でソース共振器内にて測定することができる。例えば、シングルエンドトポロジと差動増幅器トポロジの両方（それぞれ、図３および図４に図示）において、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合ネットワーク３４２への入力電流を、コンデンサ３２４全体の電圧を測定することによって、またはあるタイプの電流センサを介して得ることができる。図３に例示するシングルエンド増幅器トポロジの場合、電流は、インピーダンス整合ネットワーク３４２から接地リターンパスで感知することができる。図４に例示する差動電力増幅器の場合、共振器コイル３４４を駆動するインピーダンス整合ネットワーク３４２への入力電流は、コンデンサ３２４の端子間の差動増幅器を用いて、またはあるタイプの電流センサを介して、測定することができる。図４の差動トポロジでは、コンデンサ３２４は、ソース電力増幅器の負出力端子で複製することができる。
【０１７９】
両方のトポロジにおいて、ソース共振器およびインピーダンス整合ネットワークへの入力電圧と入力電流とを表すシングルエンド信号を取得した後、信号波形の所望の部分を得るために信号をフィルタリングすることができる。例えば、信号の基本波成分を得るために信号をフィルタリングすることができる。行うことができるフィルタの種類は、例えば、ローパス、バンドパス、およびノッチを含む。フィルタのトポロジは、例えば、楕円法、チェビシェフ法、およびバターワース法を含む。
【０１８０】
（同調可能な回路素子）
種々の異なる同調可能な回路素子は、インピーダンス整合ネットワークにおいて、ソース共振器および／または受信共振器のインピーダンスを調整するために使用することができる。図１３は、ワイヤレス電力伝送システム３０００の一部を示す概略図である。システム３０００は、電力送信装置と電力受信装置とを含む。図１３において、電力送信装置と電力受信装置の一部をそれぞれ、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２として模式的に示す。
【０１８１】
ソース側回路３００２は、インダクタ３００４とコンデンサ３００５〜３００８を含んでもよい。インダクタ３００４のインダクタンスは、システム３０００内の電力伝送装置のソース共振器のインダクタンスと一致してもよい。いくつかの実施形態では、コンデンサ３００５〜３００８のいずれも、ソース側回路３００２のインピーダンスを同調するために使用される可変コンデンサであってもよい。
【０１８２】
ある実施形態では、ソース側回路３００２はまた、同調可能インダクタ３０１０と３０１４とを含んでもよい。同調可能インダクタ３０１０は、同調可能インダクタの端子３０１１と３０１２とによりソース側回路３００２に接続される。同調可能インダクタ３０１４は、同調可能インダクタの端子３０１５と３０１６とによりソース側回路３００２に接続される。図１３に示す例では、同調可能インダクタ３０１０および３０１４は、ソース側回路３００２に直列接続される。他の実施形態では、同調可能インダクタ３０１０および３０１４は、ソース側回路３００２に並列接続される。
【０１８３】
受信側回路３０３２は、インダクタ３０３４とコンデンサ３０３５〜３０３６とを含んでもよい。インダクタ３０３４のインダクタンスは、システム３０００内の電力受信装置の受信共振器のインダクタンスと一致してもよい。いくつかの実施形態では、コンデンサ３０３５〜３０３６のいずれも、受信側回路３０３２のインピーダンスを同調するために使用される可変コンデンサであってもよい。ある実施形態においては、受信側回路３０３２は、受信側回路３０３２のインピーダンスを同調するために使用される同調可能インダクタ３０４０を有してもよい。
【０１８４】
ソース側回路３００２の端子３０２０および３０２１は、ソース側回路３００２が電源回路からのＡＣ電圧および電流を受け取ることができるように、電源回路（図示せず）に接続してもよい。いくつかの実施形態では、電源回路は、電力増幅器を含むことができる。受信したＡＣ電圧および電流は、インダクタ３００４を介して、交番電磁場を発生させることができ、交番電磁場は、インダクタ３０３４を介して受信側回路３０３２に電力を伝送するために使用される。
【０１８５】
一般的に、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２は、図１３には明確化のために図示されていない抵抗器および他の回路素子を含むことができる。さらに、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２内のコンデンサやインダクタの一構成を図１３に示すが、より一般的には、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２の両方が、コンデンサおよびインダクタの他の構成を含むことができる。
【０１８６】
同調可能コンデンサおよび同調可能インダクタの両方が、本明細書中に開示されるシステムおよび方法におけるソース共振器と受信共振器のインピーダンスを調整するために使用することができるが、同調可能インダクタは、高電力用途においてある一定の利点を提供することができる。例えば、大量の電力を無線で伝送する場合、コンデンサを用いてインピーダンスを同調することは、適切な同調範囲を提供するために、コンデンサバンクを切り替えることを伴ってもよい。しかし、コンデンサバンクの切り替えは、無視できない電力損失を頻繁に招く。低電力用途の場合、このような電力損失は許容可能である。高電力用途の場合、このような電力損失は、電力を伝送するために必要な時間の量に大きな影響を与えるため、より重要となりえる。一例として、コンデンサバンクの切り替えは、車両のバッテリを充電するための電力を供給する際には容認できない電力損失を発生することがある。
【０１８７】
高電力レベルでコンデンサバンクを切り替えることは、非効率的な結合にもつながることがある。特に、インピーダンス同調を提供するためにコンデンサバンクを切り替える場合、ソース共振器と受信共振器の高いＱの動作を維持すると同時に、高電圧および電流レベルの下で動作することは困難である。別のコンデンサバンクを選択するためのスイッチも、高い電力伝送レートでは故障しやすい。
【０１８８】
同調可能インダクタは、ワイヤレス電力伝送システムにおけるインピーダンス整合の目的で、同調可能コンデンサに代わるものを提供する。さらに、ある一定の種類の同調可能インダクタは、その構成のため、高電力伝送レートでの動作に特によく適している。従って、これらのインダクタは、同調可能コンデンサおよび他のタイプの同調可能インダクタがある一定の欠点を有する車両充電などの高出力用途によく適している。以下のセクションでは、種々の異なる同調可能インダクタを開示しており、その各々はインピーダンス整合回路およびネットワークに含有されることに適しており、また、ワイヤレス電力伝送を伴う高電力用途に特によく適している。
【０１８９】
図１４Ａおよび１４Ｂは、図１３に関連して説明した同調可能インダクタ３０１０および３０１４として使用することができる同調可能インダクタ３１００の一例を示す概略図である。例えば、同調可能インダクタ３０１０および３０１４の各々は、同調可能インダクタ３１００に対応することができる。
【０１９０】
図１４Ａと１４Ｂで説明する例において、同調可能インダクタ３１００のインダクタンスは、広い範囲にわたって電気的に調整することができる。図１４Ａに、同調可能インダクタ３１００の磁性材料の構成を概略的に示す。同調可能インダクタ３１００の他の素子（例えば、導線）は示していない。この例では、同調可能インダクタ３１００は、２つの磁性材料３１０２および３１０４を有する。磁性材料３１０２および３１０４はそれぞれ、「Ｅ字形」構造を有する。磁性材料３１０２は、磁性材料３１０２の基部３１０３から「脚部」として突出した部分３１１０、３１１２、および３１１４を含み、これにより磁性材料３１０２はＥ字形状を有する。同様に、磁性材料３１０４は、磁性材料３１０４の基部３１０５から脚部として突出した部分３１２０、３１２２、および３１２４を含む。
【０１９１】
部分３１１０と３１２０は、互いに対面してギャップ３１３０を形成する。同様に、部分３１１２と３１２２は、互いに対面してギャップ３１３２を形成し、部分３１１４と３１２４は、互いに対面してギャップ３１３４を形成する。いくつかの実施形態では、ギャップ３１１２、３１３２、および３１３４のいずれかは、空気を含んで「エアギャップ」を形成することができる。ある実施形態では、ギャップ３１１２、３１３２、および３１３のいずれかは、少なくとも１つの紙のような誘電体材料を含むことができる。これらのギャップは、磁性材料３１０２および３１０４内に発生する磁場流動のインピーダンスとして作用する。このようなインピーダンスは、同調可能インダクタ３１００のインダクタンス値に影響を与えることがある。従って、ギャップ３１１２、３１３２、および３１３４内に設けられた材料の種類は、所望のインピーダンス値に基づいて選択することができる。例えば、材料は、インダクタ３１００のための同調可能インダクタンスの範囲の中間値に対応するインダクタンス値を提供するように選択することができる。
【０１９２】
いくつかの実施形態では、同調可能インダクタ３１００は、ギャップ３１３０、３１３２、および３１３４で磁性材料３１０２および３１０４を互いに相対的に保持する支持体を有してもよい。例えば、支持構造（図示せず）は、ギャップ３１３０、３１３２、および３１３４を維持しながら基部３１０３および３１０５から突出する脚部を保持するために使用することができる。
【０１９３】
図１４Ｂは、図１４Ａに示す同調可能インダクタ３１００の別の図を示す概略図である。同調可能インダクタ３１００は、部分３１１２、３１２２およびギャップ３１３２に巻回されたコイル３１５０を含む。同調可能インダクタ３１００が図１３に示すソース側回路３００２に導入される場合、コイル３１５０の端子３１５１と３１５２は、端子３０１１と３０１２にそれぞれ接続されるか、または端子３０１５と３０１６にそれぞれ接続される。従って、同調可能インダクタ３１００内のコイル３１５０のインダクタンスは、同調可能インダクタ３０１０のインダクタンス値または同調可能インダクタ３０１４のインダクタンス値に対応することができる。
【０１９４】
図１４Ｂを参照すると、制御回路３１４０は、本明細書では「励磁コイル」と呼ぶことができるコイル３１４２に接続されている。コイル３１４２は、部分３１１０と３１２０およびギャップ３１３０とに巻回される。この例では、コイル３１４２は、さらに、部分３１１４と３１２４およびギャップ３１３４とに巻回され、制御回路３１４０に接続される。制御回路３１４０は、コイル３１４２を通してＤＣ電流を送ることにより、磁性材料３１０２と３０１４とにＤＣバイアスを供給するように構成することができる。例えば、制御回路３１４０は、所定の時間にＤＣ電流３１０２を図１４Ｂに示す方向に送ることができる。コイル３１４２を流れるＤＣ電流３１０２は、方向３１７５に磁場を生成し、これは磁性材料３１０２および３１０４の実効透磁率を電力伝送の動作周波数で変更する。部分３１１２と３１２２およびギャップ３１３２に巻回されたコイル３１５０のインダクタンスは、磁性材料３１０２および３１０４の実効透磁率に左右されるため、実効透磁率の変化は、同調可能インダクタ３１００内のコイル３１５０のインダクタンスを変化させる。実効透磁率およびインダクタンスの変化の大きさは、ＤＣ電流３１０２の大きさに左右される。従って、電流３１０２は、磁性材料３１０２と３１０４とを磁化するために使用することができ、これにより同調可能インダクタ３１００のインダクタンスを調整する。電流３１０２の大きさは、前述のように、電力伝送の特定のレートと、ソース共振器と受信共振器との相対位置などの所与の要因を達成するための所望のインダクタンスの変化から決定することができる。
【０１９５】
さらに、コイル３１４２はまた、部分３１１４と３１２４およびギャップ３１３４に巻回されているので、実効透磁率とインダクタンスの変化を、コイル３１４２が部分３１１２と３１２２およびギャップ３１３２にのみ巻回されている場合と比較して２倍にすることができる。いくつかの実施形態では、インダクタンスの変化を制御するために、コイル３１４２に印加される電圧を固定または調節することができる。ある実施形態において、コイル３１４２は、より高い解像度の同調およびより低い電流レベルを提供する複数のタップを有してもよい。
【０１９６】
一般的に、ギャップ３１３０、３１３２、および３１３４の大きさは、巻線内の電流レベルと、材料３１０２と３１０４の飽和とに基づいて選択される。いくつかの実施形態において、例えば、ギャップは１ｍｍから１０ｍｍの間である。
【０１９７】
同調可能インダクタ３０１０および３１０４は、ソース側回路に直列または並列に接続することができる。制御回路３１４０は、同調可能インダクタ３０１０および３０１４のインダクタンスを同時に電気的に同調するように構成することができる。同調可能インダクタ３０１０および３０１４に同調のために印加される電圧の位相は、コイル３１４２全体の電圧が制御回路３１４０の電圧定格を最小化することを打ち消すように調整することができる。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、制御回路３１４０は、短絡スイッチを介してコイル３１４２に接続することができる。同調の必要がない場合、制御回路３１４０がコイル３１４２に電流を流さないよう、スイッチを開くことができる。同調が必要なときは、スイッチが閉じて、制御回路３１３０がコイル３１４２に電流を供給することができる。
【０１９９】
図１４Ｃは、コイル３１５０のインダクタンスを図１４Ｂの例のＨ（アンペアターン／ｃｍ）の関数として示す概略グラフ３１８０である。この例において、ＨはＨ＝（２ＮＩ）／Ｌで示すことができ、Ｎは部分３１１０と３１２０およびギャップ３１３０の周りの巻き数であり、Ｌは磁束経路の長さである。Ｉは電流３１０２の大きさであり、Ｌはコイル３１４２の巻回の長さ３１７０である。２の因子は、コイル３１４２の巻き数Ｎが、部分３１１０と３１２０およびギャップ３１３０、ならびに部分３１１４と３１２４およびギャップ３１３４と同じであるという事実に起因して生じる。いくつかの実施形態では、巻き数Ｎは９以上（例えば、１５以上、２５以上、３５以上、４５以上）とすることができる。コイル３１５０の巻き数Ｎの巻きターンとの比は１：１でもよい。ある実施形態においては、巻き数Ｎが大きいと、コイル３１４２と３１５０との間の結合が大きくなり、少ない巻き数を有する実施形態に比べて、より大きなインダクタンス変化を提供することができる。
【０２００】
グラフ３１８０の軸３１８２は、Ｈ（アンペアターン／ｃｍ）である。グラフ３１８０の軸３１８４は、コイル３１５０のインダクタンスである。Ｈの閾値３１９０未満では、インダクタンスは、閾値３１９０を越えるライン３１８８と比べると、ライン３１８６に示すように実質的に平坦である。ライン３１８８の線形依存性は、コイル３１５０のインダクタンスと電力とが直線的に調整可能であることを示す。より一般的には、ある一定の同調可能インダクタでは、ライン３１８６および３１８８は、完全な直線ではなく、湾曲していてもよい。
【０２０１】
図１４Ｃに示すように、コイル３１５０のインダクタンスは、制御回路３１４０を使用して、電流３１０２の大きさ（Ｉ）を調節することによって同調できる。特に、インダクタンスは閾値３１９０を超えて効果的に同調することができる。この手法では、同調可能インダクタ３１００のインダクタンスは、制御回路３１４０によって供給される電流の量を調節することによって、電気的に同調することができる。
【０２０２】
図１３に戻り、システム３０００は、２つの同調可能インダクタ３０１０と３０１４とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、同調可能インダクタ３０１０と３０１４のインダクタンスは、それらのインダクタンスの値が実質的に同じになるように同調することができる。ある実施形態では、同調可能インダクタ３０１０と３０１４のインダクタンスは、それぞれのインダクタンス値が互いのより大きな値に対して１％以内（例えば３％以内５％以内、１０％以内）になるように同調することができる。同調可能インダクタ３０１０と３０１４とのインダクタンス値を実質的に同じにすることにより、ソース側回路３００２のインピーダンス同調のバランスをとることができる。このようなバランスは、同調可能インダクタ３０１０および３０１４によって生成される電磁誘導または電磁放射が互いに相殺されるため、ソース側回路３００２によって生成される電磁干渉（ＥＭＩ）を低減させることができる。ＥＭＩは、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２との間の無線通信に影響を与えることがある。
【０２０３】
いくつかの実施形態では、同調可能インダクタ３０１０および３０１４のインダクタンスは、別個の制御回路３１４０を用いて同調することができる。あるいは、いくつかの他の実施形態では、単一の制御回路３１４０は、同調可能インダクタ３０１０と３０１４とに接続可能である。例えば、単一の制御回路３１４０は、同調可能インダクタ３０１０内のコイル３１４２に流れる電流を、同調可能インダクタ３０１４のコイル３１４２に供給することができる。この手法では、同調可能インダクタ３０１０内のコイル３１４２の一端が、同調可能インダクタ３０１４のコイル３１４２の一端に接続している。この手法は、同調可能インダクタ３０１０と３０１４両方のインダクタンスを制御する１つの制御回路３１４０を使用するため、有利である。同調可能インダクタ３０１０と３０１４を流れる電流は同じであるため、同調可能インダクタ３０１０と３０１４のインダクタンスの変化は同じであり、かつ、バランスのとれた同調を実現することができる。
【０２０４】
単一の直列制御の巻線と単一の制御回路３１４０とを使用した両方のインダクタのバランスのとれた同調は、ある一定の用途において特に有利になりえる。特に、インダクタが同調されている間、両方のインダクタで同じ電流励起を使用することにより、同調中におけるインダクタンスの不整合の可能性のない、バランスのとれたインダクタの同調が保証される。
【０２０５】
ある実施形態では、制御回路３１４０は、図１４Ｂに示すものと逆方向にＤＣ電流３１０２を送信することもできる。このようなＤＣ電流３１０２の双極方向は、ＤＣ電流を一方向のみに送信する場合と比べてより広い範囲におけるインダクタンスの同調を提供することができる。
【０２０６】
一般的に、同調可能インダクタ３０１０および３０１４は、受信側回路３０３２のインピーダンスをバランスのとれた方法で同調するために、受信側回路３０３２で使用することができる。
【０２０７】
図１５Ａと１５Ｂは、図１４Ａないし１４Ｃに関連して説明した同調可能インダクタ３１００に用いることができる、Ｅ字型構造を有する磁性材料の一例を示す概略図である。いくつかの実施形態では、寸法３２０１〜３２０８はそれぞれ５６．２ｍｍ、２７．６ｍｍ、２４．６１ｍｍ、１８．５ｍｍ、３７．５ｍｍ、１７．２ｍｍ、９．３５ｍｍ、および１０．１５ｍｍとすることができる。寸法３２０３は、図１５Ａに示すように、磁性材料の厚さである。いくつかの実施形態では、寸法３２０１から３２０８はそれぞれ５６．１ｍｍ、２３．６ｍｍ、１８．８ｍｍ、１４．６ｍｍ、３８．１ｍｍ、１８．８ｍｍ、９．５ｍｍ、および９．０３ｍｍとすることができる。磁性材料は、ＦｅおよびＮｉなどのフェライト、および電力用途のために設計された他のソフトフェライト材料を含むことができる。磁性材料は、１ｋＷ以上（例えば、２ｋＷ以上、３．３ｋＷ以上、４．５ｋＷ以上、５．５ｋＷ以上、６．４ｋＷ以上）のワイヤレス電力伝送のために使用することができる。
【０２０８】
図１６Ａは、図１３に関連して説明した電力伝送システム３０００を示す別の概略図である。図１６Ａにおいて、システム３０００のコンデンサ（例えば、可変コンデンサ）やインダクタの一部を整合回路３３０４と３３０２として概略的に示す。ソース側回路３００２は、インダクタ３００４を介して電磁場を交互に発生するためのスイッチモード電源を含むことができる電源回路３３０２に接続される。電源回路３３０２は、それぞれ端子３３１１と３３１２によって、同調可能インダクタ３０１０および３０１４に接続することができる。本開示では、負荷３０５０の端子３３１５と３３１６にわたる電圧３３１４を、負荷電圧（Ｖｌｏａｄ）と呼ぶ。さらに、バス電圧（Ｖｂｕｓ）は、典型的には増幅器への入力電圧または力率補正器から生成される電圧であり、端子３３１１と３３１２にわたる二乗平均平方根電圧３３１０は、増幅器の出力電圧である。
【０２０９】
図１６Ｂは、図１６Ａに示す電力伝送システム３０００の一部を示す概略図である。ソース側回路３００２において、端子３３２０と３３２１とを有するインダクタ３００４（例えば、コイル）は、磁性材料３３３０に巻回される。受信側回路３０３２において、端子３３１５と３３１６とを有するインダクタ３０３４（例えば、コイル）は、磁性材料３３３２に巻回される。この例では、磁性材料３３３０と３３３２は平面磁性材料であり、インダクタ３００４と３０３５は、それぞれ平面磁性材料の面内で磁気双極子モーメントを生成することができる。本開示においては、磁性材料３３３０と３３３２の間の距離３３３６を「Ｚ距離」と呼ぶ。
【０２１０】
図１７Ａないし１７Ｄは、同調可能インダクタ３０１０および３０１４のインダクタンスが、インピーダンス整合条件を調整するために同調され、距離３３３６が１２ｃｍであるようなシステム３０００の動作の一例を示す画像である。ある測定では、電源回路３３０２は、電圧３３１４を調整する間、２．５ｋＷの電力を負荷３０５０に供給した。電圧３３１４の調整により、受信側回路３０３２のインピーダンスが変化した。例えば、このような変化は、時間をかけて充電される時に、バッテリ負荷の電圧変化をシミュレートすることができる。この測定では、負荷３０５０を電流モードではなく電圧モードで動作させながら、電圧３３１４を２５０Ｖと３６０Ｖの間で調整した。
【０２１１】
同調可能インダクタ３０１０および３０１４は、電圧３３１４の調整によって受信側回路３０３２のインピーダンスが変化する間、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２との間のインピーダンス整合を最適化するように電気的に同調された。インダクタ３０１０および３０１４の同調により、２４０Ｖから３８０Ｖの電圧３３１４がおよそ２．５ｋＷ±１０％の電力で伝送された。対照的に、インダクタンスを同調することなく、それを越えるとほぼ一定の電力供給が可能となる負荷電圧範囲は、およそ６０Ｖである。従って、それ以上では電力伝送レートの実質的な変化が発生しなかった電圧３３１４の範囲は（例えば、電力伝送レートが２．５ｋＷ±１０％に維持された）、それ以上で同調可能インダクタ３０１０と３０１４の同調なしで電力伝送レートが維持される電圧の範囲よりも、約２．５倍大きかった。
【０２１２】
別の測定では、電圧３３１４を、２４０Ｖと３８０Ｖの間で調整した時に、１０％未満の変化で３ｋＷの電力伝送を達成した。電圧３３１０は、約２９０Ｖであった。電圧３３１０は、同調可能インダクタ３０１０と３０１４が力率補正器（ＰＦＣ）の動作範囲内で動作するように、これらの入力インピーダンスを増加させることによって増大する。
【０２１３】
図１７Ａは、上述の測定中のシステム３０００の測定されたパラメータを示す画像である。「Ｕｒｍｓ１」とラベル表示されたディスプレイ３４０２は、電源回路３３０２の端子３３１１と３３１２にわたる二乗平均平方根電圧３３１０を示す。「Ｉｒｍｓ１」とラベル表示されたディスプレイ３４０４は、端子３３１１を通過する二乗平均平方根電流を示す。このような電流は、電流センサによって測定することができる。「Ｐ１」とラベル表示されたディスプレイ３４０６は、電源回路３３０２により供給される電力を示す。「Ｓ１」とラベル表示されたディスプレイ３４０８は、電圧と電流の積（例えば、４１９６ＶＡ）を示す。ＡＣ電源の場合、電圧と電流の積は、ソースが所与の負荷に対してどの程度の電力を供給する必要があるのかについての尺度である。「Ｐ２」とラベル表示されたディスプレイ３４１０は、負荷３０５０により受信された電力を示す。「λ１」とラベル表示されたディスプレイ３４１２は、力率を示す。「η１」とラベル表示されたディスプレイ３４１４は、Ｐ１に対するＰ２の割合（％）を示す。「Ｕｄｃ２」とラベル表示されたディスプレイ３４１６は、負荷３０５０にわたる電圧３３１４を示す。
【０２１４】
図１７Ａに示す測定において、制御回路３０４０は、同調可能インダクタ３０１０および３０１４に電流を印加しない。図１７Ｂは、この測定中に、オシロスコープを用いて観察された電圧と電流を示す画像３３２０である。トレース３４２２は、電圧３４２２の軌跡を示しており、トレース３４２４は、ディスプレイ３４０４に表示された電流Ｉｒｍｓ１の軌跡を示す。トレース３４２２とトレース３４２４との間の位相差３４５０は、システム３０００が、容量性動作に近づいて動作していることを示す。トレース３４２６は、制御回路３０４０によって同調可能インダクタ３０１０および３０１４に供給された電流の軌跡を示す。トレース３４２８は、制御回路３０４０によって同調可能インダクタ３０１０および３０１４に供給された電圧の軌跡を示す。
【０２１５】
図１７Ｃは、別の動作状態におけるシステム３０００の測定されたパラメータを示す画像３３３０である。電源回路３３０２によって提供される電力は、図１７Ａおよび１７Ｂに示した動作における電力と比べて約３．６ｋＷに増加した。従って、ディスプレイ３４０６は、電源回路３３０２によって供給される電力は、約３．６ｋＷであることを示している。ディスプレイ３４１０は、負荷３０５０による受信電力が約３．２ｋＷであることを示している。ディスプレイ３４１６は、負荷３０５０にわたる電圧３３１４が約３８０Ｖであることを示している。この動作の間、制御回路３０４０は、同調可能インダクタ３０１０および３０１４のインダクタンスを電気的に同調するために、同調可能インダクタ３０１０および３０１４に電流を印加した。同調可能インダクタ３０１０および３０１４は、Ｐ１が３ｋＷから３．６ｋＷまで変化し、またＵｄｃ２が２４０Ｖから３８０Ｖまで変化する間に、ディスプレイ３４１４のη1が約９０％に維持されるよう、ソース側回路３００２と受信側回路３０３２との間のインピーダンス整合を最適化するように同調された。これらの測定結果は、Ｕｄｃ２の変化によるインピーダンスの変化が同調可能インダクタ３０１０および３０１４を同調することによって整合できることを実証した。Ｕｄｃ２によって示される電圧３３１４は、電圧３３１０を５％以上調節することなく１４０Ｖまで拡張された。ある実施形態では、電圧３３１０は電圧３３１４を増加させるように調整することができる。
【０２１６】
図１７Ｃに示す測定において、制御回路３０４０は、インダクタのインダクタンスを同調するための同調可能インダクタ３０１０および３０１４に電流を印加した。図１７Ｄは、この測定中に、オシロスコープを用いて観察された電圧と電流を示す画像３４４０である。トレース３４２２とトレース３４２４との間の位相差３４５２は、増幅器の負荷が誘導性である一方で、同調なしでの誘導性よりも低い誘導性を持つよう同調されたことを示している。トレース３４２６は、同調可能インダクタ３０１０および３０１４に制御回路３０４０が電流を供給したことを示す。電流は、約３Ａであった。電流は、励磁コイルの巻き数Ｎを増加させることによって低減できる。トレース３４２８は、ゼロに近かった。上記の測定では、電流３１０２が０Ａから４Ａに変化する時、同調可能インダクタ３０１０および３１０４のインダクタンスは、約３３μＨから約２２μＨに変化した。
【０２１７】
図１７Ａないし１７Ｄに関して説明した測定は、同調可能インダクタ３３１０および３３１４のインダクタンスを同調することによって、負荷電圧３３１４の広い範囲で高電力伝送が達成可能であることを実証する。この測定結果は、電力伝送の動作周波数を変化させずに達成された。いくつかの実施形態では、制御回路３０４０は、同調可能インダクタ３３１０および３３１４の励起巻線へ調整可能な電流または電圧を供給するための簡単な回路とすることができる。単一の制御回路３０４０は、同調可能インダクタ３３１０および３３１４の両方を同調することができる。ある実施形態では、制御回路３０４０は、インピーダンス整合条件が、インダクタ３００４と３０３４との間の相対位置（例えば、ｘオフセット、ｙオフセット、ｚオフセット）および／または向き（回転、傾き）の変化により変化するときに、同調可能インダクタ３３１０および３３１４を同調することができる。
【０２１８】
ある実施形態では、電力伝送の動作周波数が調整される場合、可変周波数動作は、システム３０００における同調可能インダクタの同調と共に利用することができる。上記の手法は広い範囲（例えば、１８０Ｖや２００Ｖ）の負荷電圧が許容されるよう、Ｖｂｕｓの調整とともに実施することができる。また、上記の手法は、磁気増幅器のために使用される特殊な磁性材料を使用することなく実施することができる。いくつかの実施形態では、酸化鉄を含むフェライトなどの磁性材料を使用することができる。
【０２１９】
図１８は、上述した同調可能インダクタ３０１０および３０１４に使用することができる同調可能インダクタ３５００の別の例を示す概略図である。この例では、同調可能インダクタ３５００は、互いに対向する２つのＥ字型部分として形成された磁性材料３５０２を含む。磁性材料３５０２は、互いに対向してギャップ３５０８を形成する脚部３５０４と３５０６とを含む。図１４Ｂで説明した同調可能インダクタ３１００と同様に、コイル３１５０（図示せず）は、部分３５０４と３５０６およびギャップ３５０８の周りに巻回されている。制御回路３１４０（図示せず）に接続されたコイル３１４２（図示せず）は、同調可能インダクタ３１００と同様の態様で部分３５１０および３５２０の周りに巻回されている。
【０２２０】
いくつかの実施形態では、同調可能インダクタは、ギャップ（例えば、空隙）を有するトロイド状磁性材料を含んでもよい。コイル３１５０はそのギャップの周りに同様に巻かれており、コイル３１４２は、図１４Ｂに関連する説明と類似する方法で、トロイド状磁性材料の周りに、その実効透磁率を調整するために巻回されてもよい。
【０２２１】
同調可能インダクタ３０１０と３０１４は、整合回路３３０４のインダクタンス値よりも小さなインダクタンス値を有してもよい。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合用に、付加的な小型インダクタを同調可能インダクタ３０１０および３０１４に直列に接続することができる。
【０２２２】
ある実施形態では、インダクタンス値の電気的同調は、インダクタンス値の機械的同調よりも有利でありえる。なぜなら、機械的同調は振動や汚染に対してより脆弱であり、従って、ある一定の用途において堅牢性が低いからである。また、機械的同調において、磁性材料のギャップ領域内の磁束変化は、性能を低下させることがある。例えば、ギャップのサイズが大きくなるよう機械的に変更する場合、ワイヤの同調が著しい磁束を提供してワイヤと磁性材料が加熱することがある。加熱は、同調可能インダクタの短絡または損傷をもたらすことがある。
【０２２３】
それにもかかわらず、いくつかの実施形態では、機械的に同調されたインダクタを、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、インピーダンス整合のために使用することができる。図１９Ａおよび図１９Ｂは、同調可能インダクタ３０１０および３０１４に使用することができる同調可能インダクタ３６００の別の例の概略図である。図１９Ａを参照すると、同調可能インダクタ３６００は、磁性材料３６０２の周りに巻回されたコイル３６０８を含むことができる。磁性材料は、ギャップ３６０５を形成するように互いにずれた二つの部分３６０３および３６０４を含む。この例において、ギャップは空隙を形成する空気を含む。図１９Ａにおいて、ギャップ３６０５は、離隔距離３６３８有する。コイル３６０８の一端は、例えば、端子３０１１と、図１３に示す端子３０１２のもう一方の端に接続することができる。所与の時間において、コイル３６０８の部分３６０９における電流は、描画面の外向きの方向（「点」により表示）に流れることができ、部分３６１０の電流は、描画面の内向きの方向（「十字」により表示）に流れることができる。電流は、電力伝送のため、ソース側回路３００２のソース共振器に送出することができる。
【０２２４】
同調可能インダクタ３６００は、磁性材料３６０２の部分３６０４をずらすためのアクチュエータ３６１９を含んでも良く、これによりギャップ３６０５の距離３６３８を変更する。このような変更は、コイル３６０８から見た磁性材料３６０２の実効透磁率の変化をもたらす。実効透磁率の変化は、コイル３６０８のインダクタンスを変化させる。従って、同調可能インダクタ３６００のインダクタンスは、距離３６３８の機械的変化によって同調することができる。
【０２２５】
アクチュエータ３６１９は、変形可能素子３６２１を含んでもよい。例えば、変形可能素子３６２１は、電流が流れるとその形状を変えることができる形状記憶合金（ＳＭＡ）であってもよい。いくつかの実施形態では、形状記憶合金を流れる電流は形状記憶合金を加熱し、それによりその形状を変形させる。ある実施形態では、変形可能素子３６２１は、ＳＭＡワイヤまたはＳＭＡ箔であってもよい。ＳＭＡは、例えばニチノール（ニッケルチタン）材料、銅・アルミニウム・ニッケル、または亜鉛、銅、金、鉄の合金を含むことができる。
【０２２６】
いくつかの実施形態では、変形可能素子３６２１は、図１９Ａに示すように、バネ構造を有してもよい。変形可能素子３６２１の一端は、支持構造３６２０に固定され、変形可能素子３６２１の他端は、支持構造３６２２に固定される。支持構造３６２２は、方向３６２８に沿って基部３６２４を介して導かれる。
【０２２７】
図１９Ａに示す例では、アクチュエータ３６１９は、一方の端部が保持部材３６２５（例えば、プラスチックキャップ）に固定されたバイアスバネ３６３０を含む。保持部材３６２５は、一端が部分３６０４に固定され、他端が保持部材３６２５に固定された固定素子３６３１を移動させることによって部分３６０４を移動するように構成される。
【０２２８】
変形可能素子３６２１は、支持構造３６２２に方向３６３４の力を加えることができる。一方、バイアスバネ３６３０は、保持部材３６２５と支持構造３６２２に、方向３６３２の力を加えることができる。支持構造３６２２の両端に加わる力は、固定素子３６３１が部分３０６４を固定位置に保持できるように、互いに相殺することができる。いくつかの実施形態では、変形可能素子３６２１は、例えば、変形可能素子に電流を通すことによって、変形させることができる。例えば、変形可能素子３６２１は、電流によって加熱されると収縮してもよい。他の実施例では、変形可能素子３６２１は、電流によって加熱されると膨張してもよい。これらの手法では、変形可能素子３６２１は、支持構造３６２２に様々な力を加えることができる。
【０２２９】
図１９Ｂは、変形可能素子３６２１を介して電流を印加した後の、図１９Ａに示す同調可能インダクタ３６００の概略図である。この例では、変形可能な素子３６２１は、距離３６３８が減少するように収縮している。その結果、同調可能インダクタ３６００のインダクタンスが変化している。変形可能素子３６２１の長さ３６３９は、変形可能素子３６２１に印加する電流の大きさおよび持続時間を調整することにより制御することができる。この手法では、同調可能インダクタ３６００のインダクタンスは、ユーザが長さ３６３９を調整することによって同調することができる。
【０２３０】
ある実施形態では、同調可能インダクタ３６００は、複数のバイアスバネを有してもよい。あるいは、いくつかの実施形態では、同調可能インダクタ３６００は、バイアスバネを有さず、変形可能素子３６２１がバイアスバネを使用せずに距離３６３８を調整してもよい。
【０２３１】
一般的に、単一のアクチュエータは、少なくとも１つの変形可能素子３６２１を含むことができる。
【０２３２】
図２０は、磁性材料３６０２を含む同調可能インダクタ３７０１の例を示す画像３７００である。磁性材料３６０２は、２つの部分３６０３および３６０４を含み、ギャップ３６０５が、部分３６０２と３６０４との間に形成されている。この例では、２つの部分３６０２および３６０４は、それぞれＥ字型構造を形成する。２つの部分３６０２および３６０４は、長さ３７０８を可変にするばね（図示せず）を有する支持構造３７０２によって保持される。図１４Ｂに示すコイル３１５０と同様の方法で、部分３６０２および３６０４のＥ字型構造の中央脚部にコイルが巻回されている。コイルと中央脚部は、支持構造３７０２内に含まれている。電極３７１０および３７１１を経由して電流がコイルを通るよう、コイルの一端は電極３７１０に接続され、他端は電極３７１１に接続されている。いくつかの実施形態では、同調可能インダクタ３７０１は、コイルが同調可能インダクタとして機能するように、ソース側回路または受信側回路のいずれかで使用可能である。例えば、電源回路は、電極３７１０および３７１１、そしてソース側回路に含まれるソース共振器に電流を供給することができる。
【０２３３】
いくつかの実施形態では、同調可能インダクタ３７０１は、電極３７０４および３７０６を含んでもよい。制御回路は、変形可能素子３６２１を介して電極３７０４から電極３７０６に電流を印加するために使用してもよい。この例では、電流は変形可能素子３６２１を加熱することができ、この加熱が、２つの部分３６０２と３６０４との間の分離を調整するように変形可能素子３６２１の長さを変更してもよい。前述のように、調整可能な分離は、同調可能インダクタ３７０１の調整可能なインダクタンス値をもたらすことができる。この手法では、同調可能インダクタ３７０１のインダクタンスは、制御回路によって供給される電流を印加することによって機械的に調整することができる。
【０２３４】
いくつかの実施形態では、変形可能素子３６２１の温度を制御する、隣接する加熱または冷却素子に電圧を印加することにより、変形可能素子３６２１を変形させることができる。
【０２３５】
同調可能インダクタの上記の例では、磁性材料はハードフェライトまたはソフトフェライトを含んでもよい。磁性材料は、Ｆｅまたは他の鉄系材料を含むことができる。ある実施形態では、磁性材料は、Ｎｉ、ＦｅおよびＭｏからなる磁性粉末コアを含んでもよい。コイルは、銅やアルミニウムなどを材料とする中実または中空のワイヤを含んでもよい。いくつかの実施形態では、コイルは、リッツ線を含んでもよい。例えば、磁性粉末コアとリッツ線は、それらが低損失性であるため、８５ｋＨｚの動作周波数でワイヤレス電力伝送に使用することができる。
【０２３６】
いくつかの実施形態では、容量同調機能を有する少なくとも１つの同調可能な素子は、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、インピーダンス同調のために使用することができる。このような同調可能な素子は、インダクタンス値の代わりに容量値を同調することによって、システムの回路のインピーダンスを同調することができる。このような同調可能な素子は、電力伝送システム３０００および３３００における同調可能インダクタ３０１０および３０１４の代わりに使用することができる。
【０２３７】
図２１は、容量同調機能を備えた同調可能な素子３８０２の例を含む電力伝送システムの部分３８００の概略図である。部分３８００は、ソース側回路または受信側回路の一部に対応することができる。この例では、部分３８００は、ソース側回路の一部に対応する。部分３８００は、ソース側回路の所望のインピーダンス値を提供するために、固定容量値を有することもできるし、もしくは可変コンデンサであってもよいコンデンサ３６０４、３６０６、および３６０８を含むことができる。
【０２３８】
同調可能な素子３８０２は、２つの異なるタイプの半導体材料の間のｐｎ接合を含んでもよい。同調可能な素子３８０２の容量は、逆バイアスされたｐｎ接合の非線形空乏静電容量を調整することによって同調することが可能である。例えば、これを達成するために、同調可能な素子３８０２は、図２１に示すように背中合わせに接続された２つのダイオード３８１０および３８１１を含むことができ、各ダイオードは、ｐｎ接合を含む。ダイオード３８１０および３８１１のアノードは互いに接続される。この構成では、ダイオード３８１０および３８１１を組合せた容量は同調可能な素子３８０２全体に印加される電圧に左右される。ＡＣ電圧が同調可能な素子３８０２に印加されると、ダイオード３８１０および３８１１は整流器として作用し、それぞれの空乏静電容量を、ＡＣ電圧に比例した逆バイアスＤＣ電位にチャージする。従って、印加するＡＣ電圧を調整することにより、同調可能な素子３８０２の容量を同調することができる。
【０２３９】
いくつかの実施形態では、同調可能な素子３８０２は、非線形静電容量を示すｐｎ接合を有するＭＯＳＦＥＴ等の他の素子を含んでもよい。ＭＯＳＦＥＴ等の素子は、インピーダンスの自動調整に対して、および／またはそれらのインピーダンスを制御するためにＭＯＳＦＥＴのゲートに印加される制御回路からの制御信号の使用と共に、使用することができる。このような技術は、マイクロコントローラまたは複雑な制御方式を用いることなく同調可能な素子３８０２の容量同調のために用いることができる。なぜなら、同調可能な素子３８０２全体のＡＣ電圧（およびそれに応じて、逆バイアスＤＣ電圧）の大きさを調整することは、容量の変化を招くからである。例えば、ＡＣ電圧の大きさが増加すると、容量の低下を招く。これにより、同調可能な素子３８０２は、受信側回路における所望の電圧および／または負荷の保護電圧に応じて、自動的にその容量を同調することができる。
【０２４０】
前述のデバイスおよび技術は、ソース側回路と受信側回路のいずれかまたは両方におけるインダクタンス同調や容量同調のために使用することができる。電力伝送の動作周波数は、例えば、８５ｋＨｚとすることができる。いくつかの実施形態では、動作周波数は８５ｋＨｚの１％以内（例えば、３％以内、５％以内、１０％以内）とすることができる。ある実施形態では、動作周波数は、８５ｋＨｚ以上とすることができる。
【０２４１】
いくつかの実施形態では、電力伝送の動作周波数は１４５ｋＨｚとすることができる。動作周波数は１４５ｋＨｚの１％以内（例えば、３％以内、５％以内、１０％以内）とすることができる。ある実施形態では、動作周波数は、１４５ｋＨｚ以上とすることができる。
【０２４２】
（インピーダンス整合ネットワーク）
前述のセクションで開示された同調可能インダクタは、ワイヤレス電力伝送システムにおける広範囲のインピーダンス整合ネットワークにおいて使用することができる。図１３は、ソース共振器と受信共振器の両方におけるそのようなインピーダンス整合ネットワークの一例を示す。しかしながら、より一般的には、本明細書に開示された同調可能インダクタは、多くの異なるネットワークで使用することができる。インピーダンス整合ネットワークのさらなる例は、米国特許出願公開第２０１０／０３０８９３９に記載されており、その全内容を参照のため本明細書に取り込む。
【０２４３】
（インピーダンス整合ネットワークの調整と最適化）
インピーダンス整合ネットワークは、多様な異なるネットワーク構成要素（例えば、コンデンサ、インダクタ、抵抗器、整流器、電圧源）、電力伝送の仕様、および動作条件を構成するために、調整、変更、および／または最適化することができる。様々な動作パラメータの適切な値を判断するために、および／または、ワイヤレス電力伝送システムの重要なシステム動作特性の様々な観点（共振器間における磁気結合係数ｋ、作業効率、伝送可能な最大電力、電圧、および電流）を調整する効果を判断するために、システムをシミュレートおよび最適化することができる。
【０２４４】
図２２は、２つの異なるワイヤレス電力伝送システムの概略図を示す。図２２の左側のシステムでは、無線で電力を受け取るデバイス共振器は、無線で電力を送信するソース共振器から垂直方向に変位され、これらの共振器間の間隔は１４０ｍｍから１７０ｍｍの間である。この範囲内の垂直方向の間隔は、例えば、電気自動車無線充電システムにおけるソース共振器と車載デバイス共振器との間の隙間に対応する。図２２の右側は、１５０ｍｍから２２０ｍｍの間隔によってソース共振器から垂直に変位したデバイス共振器を示し、この間隔は、例えば電動トラックまたは他の大型電動車両のワイヤレス電力伝送システムにおけるソース・デバイス間の間隔に一致する。
【０２４５】
図２３ないし３０は、インピーダンス整合ネットワークシミュレーション、調整および／または最適化の一例を示す。図２３は、システムのソース側とデバイス側の両方にネットワークを含むシミュレートされたインピーダンス整合ネットワークトポロジの概略図を示す。ソース側は、ソース側からデバイス側へ電力を伝送するために、結合定数ｋでデバイス側のインダクタＬＤに無線結合するインダクタＬｓを含む。ソースインピーダンス整合ネットワークは、コンデンサＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３と、インダクタＬＳ３とを含む。コンデンサＣＳ３とインダクタＬＳ３はともに同調可能なリアクタンスＸ３を形成する。
【０２４６】
デバイス側は、コンデンサＣＤ１、ＣＤ２、ＣＤ３と、ＡＣ負荷ＲＡＣとを含む。図２３に示すトポロジは一例である。より一般的には、多種多様な異なるトポロジをシミュレート、調整、および／または最適化することができる。例えば、いくつかの実施形態では、デバイス側は、ＤＣ負荷と、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するように構成された少なくとも１つの整流器とを含んでもよい。デバイス側はまた、整流器（複数可）に結合された少なくとも１つのインダクタを含んでもよい。代替的なコンデンサ構成は、「ｐｉ」コンデンサネットワークとしても使用することができる。
【０２４７】
図２３に示すシステムにおいて、ＬＳおよびＬＤは、シミュレーションの目的で、それぞれ５８．５μＨと３３．２μＨであると仮定したが、これらのパラメータは、特定のシステム構成に応じて任意の値をとってもよい。ソース共振器とデバイス共振器のＱ値は、それぞれ３００と２５０であると仮定し、また結合定数ｋは、０．１２と０．３１との間の値に制限した。ＬＳ、ＬＤ、およびＱ値はさらに、ｋから独立していると仮定した。上記のように、一般的に、Ｑおよびｋの値は、特定のシステム構成に応じて好きなように選択できる。
【０２４８】
図２３に示すシステム（より一般的には、広い範囲のトポロジを有するシステム）を最適化するために、インピーダンス整合ネットワークは、性能指数（ＦＯＭ）の全体を最大化するように調整することができる。ＦＯＭは、様々な方法で定義することができる。図２３に示すシステムの場合、ＦＯＭは次のように定義される。
【０２４９】
【数１】
2016534698.tif 000006
【０２５０】
なお、ηはシステムの効率、Ｖｂｕｓはシステムのバス電圧、φはソース内の増幅器への複素入力インピーダンスの位相である。
【０２５１】
上記のＦＯＭの式では、括弧内の３つの項は、ｔｒｕｅの場合は１の値を持ちｆａｌｓｅの場合は０の値を持つブールテストに対応してもよい。従って、例えばη≦０．９１の場合、Ｖｂｕｓは３４０Ｖから４３０Ｖの範囲外であり、またはφは５°から４５°の範囲外であり、ＦＯＭはゼロである。これらのブール条件は、η、Ｖｂｕｓ、およびφの値の範囲を効果的に制限し、それ以上の範囲では、他のすべて箇所においてＦＯＭ＝０に設定することでシステムをシミュレートする。これらのパラメータの値が上記範囲内にあるとき、ＦＯＭ=ηが成り立ち、ＦＯＭ=１は最大ＦＯＭ値である。
【０２５２】
いくつかの実施形態では、ＦＯＭの等式における括弧内の３つの項は、１と０の制限値の間でよりスムーズな（例えば、個別のブールよりも連続的な）遷移を有するテストに対応する。なぜなら、テストされたパラメータ値は、厳密なブールテストではなく、テストを満足させるものからそうでないものへ変わるからである。例えば、Ｖｂｕｓが３４０Ｖ超から３４０Ｖ未満へ変わると、ＦＯＭのテスト関数の値が所望の電圧範囲を越えて１から０にスムーズに変わることができる。なお、一般的に、η、Ｖｂｕｓ、およびφの値の範囲は、様々な構成のシステムを最適化するために好きなように選択することができる。
【０２５３】
システムを最適化するために、ＦＯＭは、ｋ−Ｖｌｏａｄ空間の各点で評価され、Ｖｌｏａｄは、デバイス側で接続された負荷にシステムが与える電圧の範囲を表す。ＦＯＭ全体は、その後、０．１２５≦ｋ≦０．３２５と３００Ｖ≦Ｖｌｏａｄ≦４００Ｖに定義されたｋ−Ｖｌｏａｄ空間の領域にわたる積分として計算され、領域内の各点は等しい重みを有する。図２４ないし３０に示すグラフでは、この領域を、破線のボックスで囲む。
【０２５４】
図２３に示すインピーダンス整合ネットワークの調整および最適化のための種々の異なる方法が調査された。図２４Ａないし２４Ｆの各グラフは、インピーダンス調整の異なるタイプについて計算されたＦＯＭを示す。図２４Ａのグラフは、同調なしで固定されたインピーダンス整合ネットワークに対応する。図中２４Ｂと２４Ｃのグラフは、それぞれ、８０〜９０ｋＨｚの範囲と８２．５〜８７．５ｋＨｚの範囲で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークに対応する。
【０２５５】
図２４Ｄのグラフは、Ｘ３がソース側で連続的に同調可能な場合のインピーダンス整合ネットワークに対応する。図２４Ｅのグラフは、コンデンサＣ２がソース側で２つの離散値の間で同調可能な場合のインピーダンス整合ネットワークに対応する。図２４Ｆのグラフは、デバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを有する固定インピーダンス整合ネットワークに対応する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、図２４Ｆでｋのみが変化するように、Ｖｌｏａｄのばらつきをゼロに減少させる。図２４Ａないし２４Ｆのグラフから明らかなように、固定インピーダンス整合ネットワークを用いた周波数同調により、ｋ−Ｖｌｏａｄ空間の大きな領域にわたって高いＦＯＭ値（図２４Ｂおよび２４Ｃ）が得られる。
【０２５６】
図２５Ａないし２５Ｅは、図２４Ａないし２４Ｆに関連して説明した様々なインピーダンス整合ネットワークの同調方法に対する同調パラメータの最適値を示すグラフである。図２５Ａは、８０〜９０ｋＨｚの帯域で周波数同調を行うための同調周波数の最適値を示す。図２５Ｂは、８２．５〜８７．５ｋＨｚの帯域で周波数同調を行うための同調周波数の最適値を示し、図２５Ｃは、ソース側の連続的なＸ３の同調のためのリアクタンスの変化の最適値を示し、図２５Ｄは、ソース側の２つの値の間での、離散Ｃ２容量同調のためのＣ２容量の最適値を示し、図２５Ｅはデバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを備える固定インピーダンス整合ネットワークのためのＶｌｏａｄの最適値を示す。
【０２５７】
図２６Ａないし２６Ｆは、上記のインピーダンス整合ネットワークの同調方法のための、バス電圧Ｖｂｕｓの値を示すグラフである。特に、図２６Ａは、同調なしで固定されたインピーダンス整合ネットワークのためのＶｂｕｓの値を示し、図２６Ｂは、８０〜９０ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのためのＶｂｕｓの値を示し、図２６Ｃは、８２．５〜８７．５ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのためのＶｂｕｓの値を示し、図２６Ｄは、ソース側の連続的なＸ３同調のためのＶｂｕｓの値を示し、図２６Ｅは、２つの離散値間でのソース側離散Ｃ２同調のためのＶｂｕｓの値を示し、図２６Ｆは、デバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを備える固定インピーダンス整合ネットワークのためのＶｂｕｓの値を示す。図２６Ｂおよび２６Ｃに示すように、周波数同調によるネットワークの最適化により、ｋ−Ｖｌｏａｄ領域の広い範囲にわたって一定のＶｂｕｓ値を得る。
【０２５８】
図２７Ａないし２７Ｆは、上述したインピーダンス整合ネットワークの同調方法のための、入力位相φの値を示すグラフである。具体的には、図２７Ａは、同調なしで固定されたインピーダンス整合ネットワークのためのφの値を示し、図２６Ｂは、８０〜９０ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのためのφの値を示し、図２６Ｃは、８２．５〜８７．５ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのためのφの値を示し、図２６Ｄは、ソース側の連続的なＸ３同調のためのφの値を示し、図２６Ｅは、２つの離散値の間でのソース側離散Ｃ２同調のためのφの値を示し、図２６Ｆは、デバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを備える固定インピーダンス整合ネットワークのためのφの値を示す。
【０２５９】
図２８Ａないし２８Ｆは、（結合）コイル間送信と、上述したインピーダンス整合ネットワークの同調方法のための、インピーダンス整合ネットワーク効率との値を示すグラフである。図２８Ａないし２８Ｆに示す計算された効率値は、インバータや整流器等の他のシステムコンポーネントにおける効率損失を考慮していない。具体的には、図２８Ａは同調なしで固定されたインピーダンス整合ネットワークのための効率値を示し、図２８Ｂは、８０〜９０ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのための効率値を示し、図２８Ｃは、８２．５〜８７．５ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのための効率値を示し、図２８Ｄは、ソース側の連続的なＸ３同調のための効率値を示し、図２８Ｅは、２つの離散値の間におけるソース側離散Ｃ２同調のための効率値を示し、図２８Ｆは、デバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを備える固定インピーダンス整合ネットワークのための効率値を示す。図２８Ｂおよび２８Ｃに示すように、周波数同調によって、ｋ−Ｖｌｏａｄ領域の広い範囲にわたって比較的高い効率値を達成することができる。
【０２６０】
図２９Ａないし２９Ｆは、上述したインピーダンス整合ネットワークの同調方法のためのソースで消費される電力の値を示すグラフである。具体的には、図２９Ａは、同調なしで固定されたインピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示し、図２９Ｂは、８０〜９０ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示し、図２９Ｃは、８２．５〜８７．５ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示し、図２９Ｄは、ソース側の連続的なＸ３同調のために消費される電力を示し、図２９Ｅは、２つの離散値の間におけるソース側離散Ｃ２同調のために消費される電力を示し、図２９Ｆは、デバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを備える固定インピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示す。図２９Ｂおよび２９Ｃに示すように、周波数同調によって、ｋ−Ｖｌｏａｄ領域の広い範囲にわたってソースにおける電力消費を最小化することができる。
【０２６１】
図３０Ａないし３０Ｆは、上述したインピーダンス整合ネットワークの同調方法の装置で消費される電力の値を示すグラフである。具体的には、図３０Ａは、同調なしで固定されたインピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示し、図３０Ｂは、８０〜９０ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示し、図３０Ｃは、８２．５〜８７．５ｋＨｚの帯域で周波数同調した固定インピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示し、図３０Ｄは、ソース側の連続的なＸ３同調のために消費される電力を示し、図３０Ｅは、２つの離散値の間でのソース側離散Ｃ２同調のために消費される電力を示し、図３０Ｆは、デバイス側にＤＣ−ＤＣコンバータを備える固定インピーダンス整合ネットワークのために消費される電力を示す。
【０２６２】
（無線エネルギー伝送システムにおける周波数同調）
電動車両を充電するための無線電力を供給するとき、さまざまな課題が存在する。図３１は、車両の下側に取り付けられた（例えば、車両のシャーシに取り付けられた）無線電力受信機３１０２を有する電動車両３１０３を示す概略図である。無線電力送信機３１０１は、車両３１０３が駐車されたときに、電力送信機３１０１と電力受信機３１０２とが整列して電力送信機３１０１から電力受信機３１０２へ電力が伝送されるように、地面または建造物の床（例えば、車道やガレージ内）に配置される。電力受信機３１０２は、典型的には、車両のバッテリと電気システムの少なくとも１つに接続され、無線で伝送された電力は、車両のバッテリを充電するために、および／または車両の電気システムに電力を供給するために、使用することができる。
【０２６３】
参考のために、以下の説明では、特に明記しない限りは、図３１に示す座標系を適用する。この座標系において、無線電力送信機３１０１と無線電力受信機３１０２は、車両３１０３が送信機３１０１上に駐車しているときに、ｚ軸に沿って分離している。車両３１０３はまた、ｘ方向とｙ方向のいずれかに沿っても、電力送信機３１０１から変位可能である。つまり、車両３１０３は、電力送信機３１０１が配置される地面または床の面で、電力送信機３１０１と相対的に変位可能である。実施形態では、電力送信機３１０１に相対した車両３１０１のいずれの座標方向における変位も、電力送信機３１０１と電力受信機３１０２との間におけるワイヤレス電力伝送の効率に影響を与える。
【０２６４】
特に、車両が電力送信機３１０１上に繰り返し駐車された場合、電力送信機に対する車両の位置にかなりの変動が存在する。電力送信機３１０１に対する車両の位置がｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向に変化すると、電力受信機３１０２からの出力電力と出力電圧の範囲も変化する。車両３１０３がｘ方向および／またはｙ方向に十分に離れて変位する場合（例えば、電力受信機３１０２が電力送信機１０１の鉛直上方（例えば、ｚ方向）に位置しないように）、電力受信機３１０２からの出力電力および出力電圧の範囲は大幅に制限される。このことは、効率的に車両のバッテリに充電電力を供給するワイヤレス電力伝送システムの性能を制限し、充電サイクルにわたって様々な電圧を必要とし得る。一例として、ｘｙ平面で整列し、ｚ方向に１２．５ｃｍ変位した電力送信機と電力受信機の場合、無線電力受信機は、３００〜３６０Ｖの出力ＤＣ電圧範囲にわたってフル電力を供給することができる。もし電力送信機と電力受信機が互いにｙ方向に６ｃｍずれた場合、無線電力受信機のＤＣ電圧範囲が３００〜３１５Ｖに減少する。この電圧範囲の減少を補償するためには、電力受信機３１０２内の整流器からの出力電圧範囲を広げるために、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用することができる。しかしながら、そのようなコンバータの使用は、電力受信機３１０２の全体的な効率を著しく低下させる可能性がある。
【０２６５】
図３２は、無線電力送信機３１０１と無線電力受信機３１０２の概略図である。無線電力送信機３１０１は、典型的には、電源３２０６に結合された少なくとも１つのコイル３２０２を含む。図３２に示すように、いくつかの実施形態においては、コイル３２０２は、任意のインピーダンス整合ネットワーク３２０４を介して電源３２０６に結合することができる。制御部（例えば、典型的には少なくとも１つの電子プロセッサを含む）は、電源３２０６およびインピーダンス整合ネットワーク３２０４に接続される。
【０２６６】
無線電力受信機３１０２は、任意のインピーダンス整合ネットワーク３２１２を介して、負荷３２１４に結合された、少なくとも１つのコイル３２１０を有してもよい。負荷３２１４は、少なくとも１つの車両バッテリ、車両電気システムまたは回路、または電力を引き出す任意の他の車両構成要素であってもよい。
【０２６７】
コイル（複数可）３２０２は、無線電力送信機３１０１内の電力送信共振器の一部を形成し、コイル（複数可）３２１０は、無線電力受信機３１０２内の電力受信共振器の一部を形成する。動作中、電源３２０６は、コイル（複数可）３２０２に電力を供給し、これにより制御部３２０８の制御下で、電源１１０６により決定される周波数で、磁場が発生する。周波数は、典型的には、磁場がコイル（複数可）３２１０の電流を誘導するよう、無線電力受信機３１０２の電力受信共振器の周波数に共振するように選択され、これにより電力が負荷３２１４に伝送される。
【０２６８】
電力送信機３１０１と電力受信機３１０２は、ｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向に互いに変位しているため、電力送信共振器と電力受信共振器間の結合値ｋが減少し、これによって、電源３２０６から見た負荷３２１４に接続された電力受信共振器の反射インピーダンスが変化する。さらに、負荷３２１４はまた、動作中に変化し、例えばバッテリ電圧は充電サイクル中に変更すると、電源３２０６から見た反射インピーダンスを変化させることがある。電源３２０６の増幅器内のバス電圧が最大値に限定されており、電源によって供給される電流が最大値に限定されているため、反射インピーダンスの変化は、典型的には、負荷３２１４に伝送可能な電力と電圧の範囲を制限する。任意の座標方向において大きな変位がある場合、電源３２０６がフル稼働していても、負荷３２１４においてある一定の電圧を達成できない可能性がある。
【０２６９】
いくつかの車両充電の用途では、電力伝送の周波数は、名目上は固定されており、例えば８５ｋＨｚである。しかしながら、固定周波数システムにおいては、反射インピーダンスは周波数に左右され、電力を供給する周波数を変更することにより、電源３１０６から見た負荷３２１４を有する電力受信共振器の反射インピーダンスを調整することができる。したがって、電力送信機３１０１と電力受信機３１０２との間の電力伝送の周波数を調整または「同調」することによって、制御部３２０８は、任意の座標方向において電力送信機３１０１と電力受信機３１０２との間の相対変位に起因して生じる結合の変化、および負荷３２１４内の変化を補償することができ、これにより、負荷３２１４でより高い出力電圧が達成される。上記で簡潔に述べたように、負荷３２１４での比較的広い範囲の出力電圧を維持することは、典型的には充電サイクルにわたって様々な電圧を必要とする車両用電池などの負荷に対して重要である。
【０２７０】
従って、電力を伝送する周波数を同調することは、多くの重要な動作上の利点を提供する。例えば、わずか±５％以下で周波数を調整することは、いくつかのワイヤレス電力伝送システムにおいて、負荷３２１４における電圧範囲を１００Ｖも増加させることになる。また、周波数同調なしでは電力送信機３１０１の動作範囲外となる電源３２０６から見たインピーダンスを、送信機の動作範囲内になるように変更することができる。周波数調整なしでは負荷３２１４への効果的な電力伝送に対しては大きすぎるであろう、電力送信機３１０１と電力受信機３１０２との間の変位で、電力伝送が達成され、以前に達成可能な変位での既存の電圧範囲を広げることができる。
【０２７１】
いくつかの実施形態では、負荷３２１４で利用可能な電圧の範囲の拡張はまた、全体的なシステム効率を高める。ある一定のワイヤレス電力伝送システムは、より高い電圧で動作する場合に、より効率的である。そのようなシステムがＤＣ−ＤＣコンバータを含む場合であっても、周波数の同調によって、より高い電圧の範囲を得ることができ、それによりシステムの効率を向上させる。
【０２７２】
図３３は、電力送信機３１０１と電力受信機３１０２とを有するシミュレートされたワイヤレス電力伝送システムの概略図である。ｚ方向への１０ｃｍおよびｘ方向への±１５ｃｍの相対変位において、３３００Ｗの電力を伝送するとき、電力受信機３１０２に結合された負荷で達成可能な電圧範囲は、周波数同調なしでは３４０〜４００Ｖであり、周波数同調ありでは２６０〜４００Ｖである。ｚ方向への１０ｃｍおよびｙ方向への±７．５ｃｍの相対変位において、３３００Ｗの電力を送信するとき、電力受信機３１０２に結合された負荷で達成可能な電圧範囲は、周波数同調なしでは３４０〜４００Ｖ、周波数同調ありでは２６０〜４００Ｖである。
【０２７３】
ｚ方向への１２．５ｃｍの相対変位およびｘ方向への±１２．５ｃｍの相対変位の場合、３３００Ｗの電力を送信する時の、周波数同調なしでの電圧範囲は３００〜３１５Ｖであり、周波数同調ありでの電圧範囲は２６０〜４００Ｖである。ｘ方向への変位がより小さい場合（例えば、±１０ｃｍ以下）、３３００Ｗの電力を送信する時の、周波数同調なしでの電圧範囲は３００〜３６０Ｖであり、周波数同調ありでの電圧範囲は２６０〜４００Ｖである。
【０２７４】
ｚ方向への１２．５ｃｍの相対変位およびｙ方向への±６ｃｍの相対変位の場合、３３００Ｗの電力を送信する時の、周波数同調なしでの電圧範囲は３００〜３６０Ｖであり、周波数同調ありでの電圧範囲は２６０〜４００Ｖである。ｙ方向への変位がより小さい場合（例えば、±４．５ｃｍ以下）、３３００Ｗの電力を送信する時の、周波数同調なしでの電圧範囲は３００〜３６０Ｖであり、周波数同調ありでの電圧範囲は２６０〜４００Ｖである。
【０２７５】
ｚ方向へのより大きな１５ｃｍの相対変位の場合でさえ、ｘ方向の±１２．５ｃｍまたは±１０ｃｍの変位に対しては、周波数同調なしで達成できる電圧範囲はもはやないが、３３００Ｗの電力を送信する時、周波数同調により、それぞれ２６０〜３５０Ｖの電圧範囲と２６０〜４００Ｖの電圧範囲を達成可能である。ｘ方向への変位がより小さい場合（例えば、±５ｃｍ以下）、３３００Ｗの電力を送信する時の、周波数同調なしでの電圧範囲は２６０〜２７０Ｖであり、周波数同調ありでの電圧範囲は２６０〜４００Ｖである。
【０２７６】
ｚ方向へ１５ｃｍおよびｙ方向へ±６ｃｍまたは±４．５ｃｍの相対変位の場合、周波数同調なしでは達成可能な電圧範囲はもはやないが、３３００Ｗの電力を送信する時、周波数同調により、それぞれ２６０〜３５０Ｖの電圧範囲と２６０〜４００Ｖの電圧範囲を達成可能である。ｙ方向への変位がより小さい場合（例えば、±３ｃｍ以下）、３３００Ｗの電力を送信する時、周波数同調なしで２６０〜２７０Ｖの電圧範囲を達成可能である。周波数同調ありでの電圧範囲は、２６０〜４００Ｖである。
【０２７７】
上記の測定結果は、ワイヤレス電力伝送システムにおける出力電圧範囲を、周波数同調技術を使用して大幅に拡張できることを実証する。いくつかの実施形態では、これらの技術は、周波数同調なしでは電力送信機と電力受信機の間の比較的大きな変位のため起こり得ないようなワイヤレス電力伝送さえ可能にする。別の考え方をすると、周波数同調方法の使用は、ワイヤレス電力伝送システムにおける電力送信機と電力受信機との間のより広範な位置合わせ許容誤差を可能にする。位置合わせ許容誤差に関する柔軟性は、電力送信機と電力受信機との間の位置合わせが頻繁に変化する車両の充電用途において、特に重要である。
【０２７８】
図３４は、ワイヤレス電力伝送システムにおける周波数同調を実施するための例示的な一連のステップを含むフローチャート３４００を示す。すべてのステップが、フローチャート４００で必要とされるわけではなく、例示は、周波数同調の機能的実装を説明するためにのみ示されている。実施形態では、制御部（例えば、制御部３２０８）は、図３４に示すステップを実行する。いくつかの実施形態では、制御部３２０８は、オペレータからの人為的フィードバックまたは入力なしで、自動的にステップを実行することができる。
【０２７９】
本明細書で開示される周波数同調方法は、典型的には、周波数調整中にフィードバックするために、これ以降「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ」信号と呼ばれる測定信号を使用する。ＣａｐＤｅｔｅｃｔ信号は、ワイヤレス電力伝送システムが容量性モードで動作しているか否か、すなわち電源から見たインピーダンスが負のリアクタンスを有しているか否かを決定するために使用することができ、電源３２０６内の増幅器のスイッチング端と増幅器からの出力共振電流のゼロ交差との間の測定時間に対応する。換言すれば、ＣａｐＤｅｔｅｃｔ信号は、電源３２０６からの電圧出力信号および電流出力信号の位相差に対応する。実施形態では、無線電力送信機は、特定の周波数に対して異なるＣａｐＤｅｔｅｃｔ値の範囲で動作するように構成される。測定されたＣａｐＤｅｔｅｃｔ信号の値が許容範囲を外れると、制御部３２０８は、無線電力送信機をシャットダウンするように（例えば、過熱による内部構成要素への損傷を防ぐために）構成することができる。
【０２８０】
図３５は、無線電力送信機からの一連の測定信号を示す。特に、信号３５０２は電源３２０６内の増幅器からの出力電圧に対応し、信号３５０４は増幅器からの出力電流に対応し、信号３５０６は信号３５０２と３５０４との間の位相差に対応する測定されたＣａｐＤｅｔｅｃｔ信号である。
【０２８１】
図３４に戻り、最初のステップ３４０２において、ワイヤレス電力伝送システムは、周波数同調のために初期化される。初期化は、例えば、最小周波数（例えば、８５ｋＨｚのシステムに対して最小周波数８１．３８ｋＨｚ）で動作するよう電力送信機を設定するステップと、増幅電力制御位相を最小値に設定するステップと（例えば、電源３２からの最小電力出力に低減させるステップ）、および／または最小内部バス電圧で動作するように電源３２０６を設定するステップと、を含んでもよい。
【０２８２】
次に、ステップ３４０４で、ＣａｐＤｅｔｅｃｔパラメータの測定値に基づくシャットダウンチェック手順が存在する場合は、それを無効にする。次に、ステップ３４０６で、最大値であるか否かを判断するために、電源３２０６内の電力制御位相をチェックする。電力制御位相が最大値でない場合、電力制御位相は、ステップ３４０８で増加され、ステップ３４０６で最大値になったかを判断するために再度チェックされる。電源制御位相が既に最大値である場合、ＣａｐＤｅｔｅｃｔに基づくシャットダウンチェック手順は、ステップ３４１０で再作動される。
【０２８３】
次に、ステップ３４１２において、電力送信機が目標量の電力を負荷（例えば、無線電力受信機３１０２に接続された負荷３２１４）へ供給しているか否かを判断するために、電力出力を測定する。目標出力電力レベルに達している場合、制御は３４１４に進み、制御部３２０８は、目標電力レベルで電源３２０６を制御する。目標出力電力レベルに達していない場合、ステップ３４１６において、制御部３２０８は、出力電力が所定の最小電力レベルＰｍｉｎ（例えば、５００Ｗ）よりも大きいか否かを判断する。出力電力レベルがＰｍｉｎ未満である場合、制御部３２０８は、（例えば、コイル（複数可）３２０２に供給される電流の周波数を増加させることによって）電力送信機３１０１によって生成される振動磁場の周波数を増加させ、制御はステップ３４１６に戻って、出力電力レベルを再びチェックする。
【０２８４】
出力電力レベルがＰｍｉｎより大きくなった後に、ステップ３４２０でフィールドの周波数を最適化する。この最適化ステップについては、後により詳細に説明する。
【０２８５】
次に、最適化された周波数での出力電力をステップ３４２２で測定し、目標出力電力と比較する。出力電力レベルが目標電力レベルに一致する場合、制御はステップ３４１４に進み、出力電力が制御部３２０８によって目標レベルに制御される。そうでない場合は、制御部３２０８は、ステップ３４２４で電源３２０６内のバス電圧を増加させ、出力電力レベルを再び測定し、ステップ３４２６で目標電力レベルと比較する。目標電力レベルに達している場合、制御はステップ３４１４に進む。
【０２８６】
目標電力レベルに達していない場合、ステップ３４２８において制御部３２０８はバス電圧をチェックし、所定の閾値バス電圧Ｖｔｈよりも大きいか否かを判断する（例えば、いくつかの実施形態では、Ｖｔｈは４００Ｖであってもよい）。バス電圧がＶｔｈ未満のままである場合は、制御はステップ３４２４に進み、バス電圧を再び増加させる。バス電圧がＶｔｈに達している場合は、ステップ３４３０で別の周波数の最適化を行う。
【０２８７】
ステップ３４３０に続いて、出力電力を再び測定し、ステップ３４３２にて目標出力電力レベルと比較される。目標電力レベルに達している場合、制御はステップ３４１４に進む。そうでない場合は、制御部３２０８はステップ３４３４にてバス電圧を上昇させ、制御はステップ３４３２に戻る。
【０２８８】
図３６は、所定の電力レベル（例えば、目標出力電力レベルの±１００Ｗ以内）で出力電力を制御するための一連のステップを示すフローチャート３６００である。手順は、ステップ３６０２において開始し、制御部３２０８は、ステップ３６０４で出力電力レベルをチェックし、所定の最大電力レベルよりも大きいか否かを決定する。所定の最大電力レベルよりも高い場合、制御部３２０８は、ステップ３６０６でバス電圧をチェックし、最小値であるか否かを決定する。バス電圧が最小値よりも大きい場合、ステップ３６０８でバス電圧を低減し、制御はステップ３６０４に戻る。
【０２８９】
あるいは、バス電圧が最小値である場合、周波数が最小値に達したか否かを決定するために、制御部３２０８は、周波数をチェックする。そうでない場合、ステップ３６１２で周波数を低減し、制御はステップ３６０４に戻る。周波数が所定の最小値に達した場合、制御部３２０８は、電力制御位相が最小値に達したか否かを決定するために、ステップ３６１４でチェックをする。電力制御位相が最小値に達していない場合、ステップ３６１６で電力制御位相を減少させる。その後、制御はステップ３６１４またはステップ６１６のいずれかからステップ３６０４に戻る。
【０２９０】
ステップ３６０４で出力電力が最大値を超えていない場合、出力電力レベルが所定の最小値を超えているか否かを決定するためにステップ３６１８で出力電力レベルをチェックする。出力電力レベルが最小値を下回っていない場合は、制御はステップ３６０４に戻る。出力電力が最小値を下回った場合、ステップ３６２０で周波数最適化ステップが発生する。次に、ステップ３６２２において、最適化された周波数での出力電力を、所定の最小値に対してチェックする。電力がもはや最小値よりも低くない場合は、制御はステップ３６０４に戻る。しかしながら、出力電力が低いままであれば、制御はステップ３６２４へ進み、制御部３２０８は最大電力制御位相値に達したか否かを決定するためにチェックする。
【０２９１】
電力制御位相がまだ最大値でない場合、ステップ３６２６で電力制御位相を減少させ、制御はステップ３６２２に戻る。あるいは、最大電力制御位相値に達した場合は、制御部３２０８は、ステップ３６２８にて、所定の最大バス電圧に達成したか否か決定するためにチェックする。バス電圧が最大バス電圧未満である場合、ステップ３６３０でバス電圧を上昇させ、制御はステップ３６２２に戻る。ステップ３６２８にて、最大バス電圧に達した場合、制御はステップ３６０４に戻る。
【０２９２】
フローチャート３４００および３６００の両方とも、周波数最適化ステップを含む。図３７は、磁場が電力送信機３１０１によって生成される周波数（および、従って、電力受信機３１０２に接続された負荷３２１４に電力が伝送される周波数）を最適化するための一連のステップを含むフローチャート３７００を示す。
【０２９３】
実施形態では、フローチャート３７００に示す手順は、ＣａｐＤｅｔｅｃｔの測定値が明確な最小値を通過する時点までは、周波数の増加を緩めて、ＣａｐＤｅｔｅｃｔパラメータの対応する値を測定することにより、周波数を最適化する。その時点で、最小ＣａｐＤｅｔｅｃｔ値を生成する周波数設定が決定されると、手順が終了する。
【０２９４】
ステップ７３０２において、制御部３２０８は、周波数が現在小さい場合は、最小値に等しくなるように周波数を調整することによって、および周波数が現在大きい場合は、最大値に等しくなるように周波数を調整することによって、周波数が所定の最小値と最大値の間に確実にあるようにする。次に、ステップ３７０４で、制御部３２０８は現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値を保存し、ＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が低下していないことを示すためにｆａｌｓｅの値にフラグ（以下、「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ減少」フラグ）を設定し、そして、ＣａｐＤｅｔｅｃｔの値が所定の高い値の制限を超えた時間の回数をカウントするカウンタ（以下、「ＨｉｇｈＣａｐ」カウンタ）をゼロの値に設定する。
【０２９５】
次に、ステップ３７０６において、周波数が所定の最大値未満である場合、制御部３２０８は周波数を増加させる。その後、ステップ３７０８にてＣａｐＤｅｔｅｃｔの値を測定し、ステップ３７１０にて、制御部３２０８は、所定の高い周波数限界に達したか否かを決定するためにチェックする。この決定は、ＣａｐＤｅｔｅｃｔの現在値が直前に測定された値以下であるか否か、現在の周波数が最大周波数値に達したか否か、ＨｉｇｈＣａｐカウンタが限界値を超えているか否か（例えば、３）を決定するステップを含む。ｔｒｕｅの場合、手順はステップ３７１２で終了する。
【０２９６】
そうでない場合、次のステップ３７１４で、制御部３２０８は、ＣａｐＤｅｔｅｃｔの現在値が直前に測定された値よりも大きく、ＣａｐＤｅｔｅｃｔ減少フラグの値がｔｒｕｅであるか否か、および、ＨｉｇｈＣａｐカウンタが制限値を超えているか否かを判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ１」チェックを行う。ｔｒｕｅの場合、ステップ３７１６で周波数を低減して手順を終了する。
【０２９７】
そうでない場合、手順はステップ３７１８に進み、制御部３２０８はＣａｐＤｅｔｅｃｔの現在値が直前に測定された値よりも大きいか否か、およびＨｉｇｈＣａｐカウンタが制限値以下であるか否かを決定するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ２」チェックを行う。ｔｒｕｅの場合、ＨｉｇｈＣａｐカウンタはステップ３７２０で増加され、制御はステップ３７０８に戻る。
【０２９８】
ＣａｐＤｅｔｅｃｔ２チェックがｆａｌｓｅ値を返した場合、制御部３２０８はステップ３７２２で、現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が直前に測定された値以下であるか否か、および現在の周波数が所定の最大周波数値未満であるか否かを判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ３」チェックを行う。ｔｒｕｅの場合、制御部３２０８は、ステップ３７２４にて周波数を増加し、ステップ３７２６でＨｉｇｈＣａｐカウンタをゼロに設定し、ＣａｐＤｅｔｅｃｔ減少フラグをｔｒｕｅに設定し、そして現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値を保存する。その後、制御はステップ３７０８に戻る。
【０２９９】
ＣａｐＤｅｔｅｃｔ３チェックがｆａｌｓｅ値を返す場合、制御部３２０８は、現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が直前に測定された値よりも大きいか否か、測定されたＣａｐＤｅｔｅｃｔが減少したか否か（すなわち、ＣａｐＤｅｔｅｃｔ減少がｆａｌｓｅであるか否か）、およびＨｉｇｈＣａｐカウンタが制限値よりも大きいか否か、を判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ４」チェックをステップ３７２８で行う。ｔｒｕｅの場合、ステップ３７３０で周波数を低減し、ステップ３７３２でＣａｐＤｅｔｅｃｔの値を保存し、ＨｉｇｈＣａｐカウンタをゼロに設定する。
【０３００】
次に、制御はステップ３７３４に進み、制御部３２０８は、ＣａｐＤｅｔｅｃｔ値を再度測定する。ステップ３７３６において、制御部３２０８は、現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が直前に測定された値以下であるか否か、および、現在の周波数が所定の最小値未満であって、ＨｉｇｈＣａｐカウンタが制限値を超えたか否か、を判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ５」チェックを行う。ｔｒｕｅ場合、手順を終了する。
【０３０１】
ｆａｌｓｅの場合、制御部３２０８は、ステップ３７３８にて、現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が直前に測定された値より大きいか否か、および、ＨｉｇｈＣａｐカウンタが制限値より大きいか否か、を判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ６」チェックを行う。ｔｒｕｅの場合、ステップ３７４０で周波数を増加させて、手順を終了する。
【０３０２】
そうでない場合、制御部３２０８は、ステップ３７４２にて、現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が直前に測定された値より大きいか否か、および、ＨｉｇｈＣａｐカウンタが制限値以下であるか否かを判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ７」チェックを行う。ｔｒｕｅの場合、ステップ３７４４でＨｉｇｈＣａｐカウンタがインクリメントされ、制御はステップ３７３４に戻る。
【０３０３】
ｆａｌｓｅの場合、制御部３２０８は、ステップ３７４６にて、現在のＣａｐＤｅｔｅｃｔ値が直前に測定された値以下であるか否か、および、現在の周波数が所定の最大周波数の値よりも大きいか否かを判断するステップを含む「ＣａｐＤｅｔｅｃｔ８」チェックを行う。ｆａｌｓｅの場合、制御はステップ３７３４に戻る。
【０３０４】
ｔｒｕｅの場合、ステップ３７４８で周波数を下げ、ステップ３７５０において制御部３２０８はＣａｐＤｅｔｅｃｔ値を保存してＨｉｇｈＣａｐカウンタをゼロに設定する。その後、制御はステップ３７３４に戻る。
【０３０５】
したがって、ＣａｐＤｅｔｅｃｔの値（すなわち、電源３２０６によって生成される出力電圧および電流信号の間の位相差）を測定することによって、電力が供給される周波数を同調することができる。上述したように、周波数を同調することによって、電力送信機３１０１と電力受信機３１０２との間の相対的変位の補償が可能になり、このことは車両の充電用途に特に有用である。
【０３０６】
また、周波数同調は、電力受信機３１０２に接続された負荷に供給される出力電圧範囲の大幅な拡大を可能にする。より広い出力電圧範囲での動作は、ワイヤレス電力伝送システムの効率を向上させることができる。さらに、より広い出力電圧範囲での動作は、典型的には電力消費中または充電サイクル中に電圧の範囲を求める、車両のバッテリ等のある一定の種類の負荷への電力供給を可能にする。
【０３０７】
（周波数同調と性能指数）
ワイヤレス電力伝送システムでは、システムのために定義された性能指数（ＦＯＭ）を最大にするためのある一定のシステムコンポーネントを選択するために非線形最適化を行うことができる。ＦＯＭは、ある一定のシステム要件（例えば、指定範囲内にはない電圧または位相）が満たされない場合は、ゼロまたは小さい数値である。そうでない場合、ＦＯＭは、システムの効率の尺度を表すことができる。コンデンサ、インダクタ、ダイオード、電子スイッチ等の部品の電流または電圧などの特定のシステムのために重要であり得る他のシステムパラメータも、ＦＯＭの定義に含むことができる。前述したように、一般的には、ＦＯＭは二次元のｋ−Ｖｌｏａｄ空間（すなわち、ソース共振器と受信共振器との間の磁気結合係数ｋの座標系で定義された空間と、受信共振器に結合された負荷の電圧）で評価および最適化される。様々なシステム変数がｋ−Ｖｌｏａｄ空間で変化可能である。例えば、共振器のインダクタンスは、ｋの関数として変化する。ＦＯＭは、空間内の各点で評価されるため、これらの変更をＦＯＭの最適化に組み込むことができる。
【０３０８】
ＦＯＭを評価するために、インピーダンス整合ネットワークトポロジが選択され、種々のシステムパラメータおよび制約が定義される。例えば、図３８に示すように、Ｃ１／Ｃ２／Ｃ３／Ｌ３整合ネットワークは、電力送信装置（「ソース」ネットワーク）で使用することができ、Ｃ２／Ｃ３整合ネットワークは、電力受信装置（「デバイス」ネットワーク）で使用することがでる。パラメータＶｌｏａｄは、例えば、２９０〜３５３Ｖの範囲内に制限することができ、電力送信装置におけるバス電圧Ｖｂｕｓは、例えば３９０〜４４０Ｖの範囲に制限することができる。送信電力の周波数は、例えば、８１．８８〜８９．５ｋＨｚの範囲内に制限することができる。制限の適切な使用によって、ＦＯＭは次のように評価することができる。
【０３０９】
【数２】
2016534698.tif 000007
【０３１０】
前述のように、ηはシステムの効率であり、Ｖｂｕｓはシステムのバス電圧であり、φはソース内の増幅器への複素入力インピーダンスの位相である。なお、上記のＦＯＭの等式は、ηのための異なるテスト値が最初の括弧内の項で使用されていること、２番目の括弧内の項で、一般的な限定であるＶｂｕｓ＿ｍｉｎとＶｂｕｓ＿ｍａｘとをこれらのパラメータの特定の値の代わりに使用しているという点で、前述のＦＯＭ等式とはわずかに異なる。一般的には、多種多様な構成を有するワイヤレス電力伝送システムをシミュレート、調整および最適化するために、括弧内のテスト項における種々のパラメータの特定の値を、好きなように選択することができる。
【０３１１】
また、上述したように、ＦＯＭの最適化技術は、ワイヤレス電力伝送システムが高効率で動作することを確実にするために、本明細書に開示される周波数同調方法と組合せることが可能である。システムを最適化するために、例えば、ＦＯＭの計算を繰り返し行うことができる。最適化プロセスの各反復において、インピーダンス整合ネットワークが選択され、その後ｋ−Ｖｌｏａｄ空間の各点に対して、動作周波数が選択される。ｋ−Ｖｌｏａｄ空間の各点において、ＦＯＭを計算し、個々のＦＯＭを共に平均化する（または中央値の計算および／または他の制約を適用することなどによる他の方法で組合せる）ことができる。
【０３１２】
動作周波数の選択方法は、ＦＯＭをベースとした最適化の結果に影響を与えることがある。いくつかの実施形態では、選択された周波数は、計算されたＦＯＭを最大化するものである。しかし、その周波数値を決定することは実際には困難なことがある。したがって、ある実施形態では、ＦＯＭの最適化のために選択される周波数は、電源３２０６の位相を最小にする周波数（すなわち、図３７に関連して説明したように、最小ＣａｐＤｅｔｅｃｔ値になる周波数）である。この方法で選択された周波数値は、典型的には、周波数に基づく純粋な最適化から導出されたものとほぼ同じ大きさのＦＯＭ値になる。
【０３１３】
（ハードウェアとソフトウェアの実装）
インダクタンス同調、信号の生成および検出、および論理動作のための種々の方法に関連して上述したステップは、電気回路、論理部、および／または、標準的なプログラミング技術を用いて生成されたコンピュータプログラムを実行する少なくとも１つの電子プロセッサに実装することができる。このようなプログラムは、それぞれ電子プロセッサ、データ記憶システム（メモリおよび／またはストレージ素子を含む）、少なくとも１つの入力装置、および、ディスプレイやプリンタなどの少なくとも１つの出力デバイスなどをそれぞれ備える、プログラム可能なコンピュータ、プロセッサ、または特別に設計された集積回路上で実行するように設計される。プログラムコードは、本明細書に記載の機能を実行し、出力情報（例えば、制御信号）を生成するために、同調可能インダクタ、信号生成器、および検出器などの１つ以上の回路の構成要素に印加される入力データ（例えば、測定および／または生成された信号）に適用される。このような各コンピュータプログラムは、高レベルの手順またはオブジェクト指向プログラミング言語、またはアセンブリ言語または機械言語に実装することができる。さらに、言語は、コンパイラ型言語またはインタープリタ型言語であってもよい。このような各コンピュータプログラムは、コンピュータが読み取るときに本明細書に記載された分析および制御機能をコンピュータのプロセッサに実行させることができるコンピュータ可読記憶媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭまたは磁気フロッピーディスク）に記憶することができる。電子プロセッサは、一般的に、本明細書に開示された任意の方法ステップ、分析機能、および制御機能を実行するよう、ソフトウェア命令を介して構成することができる。
【０３１４】
（その他の実施形態）
前述の開示は、ワイヤレス電力伝送システムにおけるソース共振器の属性と特徴とに大きく注目しているが、本明細書に開示される特徴、ステップ、システム、および装置は、一般的に、ワイヤレス電力伝送システムにおける受信共振器にも適用可能である。例えば、受信共振器は、本明細書に開示された任意の同調可能インダクタを有する、少なくとも１つのインピーダンス整合ネットワークを含んでもよい。
【０３１５】
インピーダンス同調を実施するワイヤレス電力伝送システムのさらなる特徴および例は、例えば米国特許出願公開第２０１１／０１９３４１６号に開示されており、その全内容をここに参照のために取り込む。
【０３１６】
多くの実施形態を記載したが、種々の改変が、本開示の精神および範囲から逸脱することなく可能であることに留意されたい。したがって、他の実施形態は以下の特許請求の範囲内にある。
【図１】
2016534698.tif 000008
【図２】
2016534698.tif 000009
【図３】
2016534698.tif 000010
【図４】
2016534698.tif 000011
【図５】
2016534698.tif 000012
【図６】
2016534698.tif 000013
【図７】
2016534698.tif 000014
【図８】
2016534698.tif 000015
【図９】
2016534698.tif 000016
【図１０】
2016534698.tif 000017
【図１１】
2016534698.tif 000018
【図１２】
2016534698.tif 000019
【図１３】
2016534698.tif 000020
【図１４Ａ】
2016534698.tif 000021
【図１４Ｂ】
2016534698.tif 000022
【図１４Ｃ】
2016534698.tif 000023
【図１５Ａ】
2016534698.tif 000024
【図１５Ｂ】
2016534698.tif 000025
【図１６Ａ】
2016534698.tif 000026
【図１６Ｂ】
2016534698.tif 000027
【図１７Ａ】
2016534698.tif 000028
【図１７Ｂ】
2016534698.tif 000029
【図１７Ｃ】
2016534698.tif 000030
【図１７Ｄ】
2016534698.tif 000031
【図１８】
2016534698.tif 000032
【図１９Ａ】
2016534698.tif 000033
【図１９Ｂ】
2016534698.tif 000034
【図２０】
2016534698.tif 000035
【図２１】
2016534698.tif 000036
【図２２】
2016534698.tif 000037
【図２３】
2016534698.tif 000038
【図２４−１】
2016534698.tif 000039
【図２４−２】
2016534698.tif 000040
【図２４−３】
2016534698.tif 000041
【図２５−１】
2016534698.tif 000042
【図２５−２】
2016534698.tif 000043
【図２５−３】
2016534698.tif 000044
【図２６−１】
2016534698.tif 000045
【図２６−２】
2016534698.tif 000046
【図２６−３】
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【図２７−１】
2016534698.tif 000048
【図２７−２】
2016534698.tif 000049
【図２７−３】
2016534698.tif 000050
【図２８−１】
2016534698.tif 000051
【図２８−２】
2016534698.tif 000052
【図２８−３】
2016534698.tif 000053
【図２９−１】
2016534698.tif 000054
【図２９−２】
2016534698.tif 000055
【図２９−３】
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【図３０−１】
2016534698.tif 000057
【図３０−２】
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【図３０−３】
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【図３１】
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【図３２】
2016534698.tif 000061
【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
2016534698.tif 000064
【図３６】
2016534698.tif 000065
【図３７−１】
2016534698.tif 000066
【図３７−２】
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【図３８】
2016534698.tif 000068
【国際調査報告】
2016534698.tif 000069
2016534698.tif 000070
2016534698.tif 000071
2016534698.tif 000072
2016534698.tif 000073