JP2018148619A - ワイヤレス給電制御装置、送電器および受電器 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な給電制御を行うことができる。
【解決手段】ワイヤレス給電制御装置は、複数の第１アンテナを有する１つ以上の送電器から複数の受電器にワイヤレスで電力を送電する制御を行うワイヤレス給電制御装置であって、前記送電器または前記複数の受電器から、前記送電器と前記複数の受電器との間の伝搬路情報を受信し、かつ前記複数の受電器が要求する要求電力に関する要求電力情報を前記複数の受電器から受信する第１通信部と、前記伝搬路情報と前記要求電力情報とに基づいて、前記複数の受電器のうち前記要求電力を上回る受電器の数が所定個以上になるように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ワイヤレス給電制御装置、送電器および受電器に関する。

複数の受電器から電力要求を受信し、その要求に応じた無線電力を送電器から複数の受電器に時分割で送信する技術が提案されている。

この技術では、時間毎に送電器の指向性等を変化させ、給電対象とする受電器を時間的に切り替えながら複数の受電器に給電を行う。ところが、ある時間において給電対象とされる受電器には効率的に給電可能であるものの、その他の受電器では必ずしも十分な電力が供給されるとは限らない。また送電器より放射される無線電力の一部は不要な方向へ拡散し、有効活用されず、結果としてシステム全体としての給電効率が低下してしまう。

このように、送電器から受電器にワイヤレス給電を行う従来のシステムでは、適切な給電制御を行っていたとは言えない。

特表２０１６−５１２６７７号公報

本発明の一実施形態では、適切な給電制御を行うことが可能なワイヤレス給電制御装置、送電器および受電器を提供するものである。

本実施形態では、複数の第１アンテナを有する１つ以上の送電器から複数の受電器にワイヤレスで電力を送電する制御を行うワイヤレス給電制御装置であって、
前記送電器または前記複数の受電器から、前記送電器と前記複数の受電器との間の伝搬路情報を受信し、かつ前記複数の受電器が要求する要求電力に関する要求電力情報を前記複数の受電器から受信する第１通信部と、
前記伝搬路情報と前記要求電力情報とに基づいて、前記複数の受電器のうち前記要求電力を上回る受電器の数が所定個以上になるように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える、ワイヤレス給電制御装置が提供される。

第１の実施形態によるワイヤレス給電システムの概略構成を示すブロック図。 送電器の内部構成の第１例を示すブロック図。 受電器の内部構成の第１例を示すブロック図。 送電器の内部構成の第２例を示すブロック図。 受電器の内部構成の第２例を示すブロック図。 図２の送電器と図３の受電器との間で伝搬路情報の推定を行って電力の送電を行う処理手順を示すフローチャート。 図６の各ステップの処理を行う際の、送電器、受電器および制御器の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図。 図６の各ステップの処理を行う際の、送電器、受電器および制御器の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図。 図６の各ステップの処理を行う際の、送電器、受電器および制御器の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図。 図４の送電器と図５の受電器との間で伝搬路情報の推定を行って電力の送電を行う処理手順を示すフローチャート。 図８の各ステップの処理を行う際の、送電器、受電器および制御器の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図。 図８の各ステップの処理を行う際の、送電器、受電器および制御器の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図。 図８の各ステップの処理を行う際の、送電器、受電器および制御器の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図。 第１の実施形態による制御器が行う制御指針を概念的に示す図。 第１の実施形態による制御器が行う制御指針をより具体的に示す図。 送電器の複数の第１アンテナから送信される電力波のビームパターンを模式的に示した図。 第２の実施形態によるワイヤレス給電システムの制御指針を示す図。 第３の実施形態によるワイヤレス給電システムの制御指針を示す図。 第４の実施形態による制御指針を示す図。 第５の実施形態による制御指針を示す図。 第４の実施形態と第５の実施形態の制御指針を組み合わせた制御指針を示す図。 第１の実施形態と第４の実施形態の制御指針を組み合わせた制御指針を示す図。 第１の実施形態と第５の実施形態の制御指針を組み合わせた制御指針を示す図。 第１の実施形態と、第４の実施形態と、第５の実施形態との制御指針を組み合わせた制御指針を示す図。 第２の実施形態と第５の実施形態の制御指針を組み合わせた制御指針を示す図。 第１の実施形態と、第２の実施形態と、第５の実施形態との制御指針を組み合わせた制御指針を示す図。 第７の実施形態による制御指針を示す図。 第７の実施形態の第１変形例の制御指針を示す図。 第７の実施形態の第２変形例の制御指針を示す図。 第８の実施形態による制御指針を示す図。 第８の実施形態の第１変形例の制御指針を示す図。 第８の実施形態の第２変形例の制御指針を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態によるワイヤレス給電システム１の概略構成を示すブロック図である。図１のワイヤレス給電システム１は、ワイヤレス給電制御装置（以下、制御器と呼ぶ）２と、１つ以上の送電器３と、複数の受電器４とを備えている。図１では、複数の送電器３を備えているが、送電器３は１つ以上であればよく、特に台数に制限はない。受電器４は、２つ以上であればよく、特に台数に制限はない。

送電器３は複数の第１アンテナを有する。送電器３は、複数の第１アンテナを介して、複数の受電器４にワイヤレスで電力を送電する。送電器３と制御器２との間の通信路と、受電器４と制御器２との間の通信路は、無線通信路でもよいし、有線通信路でもよい。また、これらの通信路の接続確立の手法は特に問わず、例えばインターネットを経由して行ってもよい。

図１では、複数の送電器３を設けて、各送電器３が１つの第１アンテナを有する例を示しているが、単一の送電器３が複数の第１アンテナを有していてもよいし、複数の送電器３のそれぞれが１つ以上の第１アンテナを有していてもよい。複数の受電器４のそれぞれは、送電器３側の複数の第１アンテナから送信された電力を受電する。

複数の第１アンテナは電磁波または音波を送信する。複数の受電器４は、電磁波または音波に含まれる送電電力を受電する。複数の第１アンテナと複数の受電器４との間で送受される電磁波または音波の周波数帯は任意であり、例えば１００ＭＨｚ以上の周波数帯の電磁波または１６〜２０ｋＨｚ以上の音波（超音波）が利用される。本明細書では、送電に利用される電磁波または音波を電力波とも呼ぶ。

制御器２は、第１通信部５と、制御部６とを有する。第１通信部５は、送電器３または複数の受電器４から、送電器３と複数の受電器４との間の伝搬路情報を受信し、かつ複数の受電器４が要求する要求電力に関する情報を複数の受電器４から受信する。制御部６は、伝搬路情報と要求電力情報とに基づいて、複数の受電器４にて要求電力を同時に上回るように、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する。

このとき、伝搬路情報に基づき、いくつかの受電器４において要求電力を上回る電力を供給することが不可能であると判断された場合、当該受電器４を上記制御の対象からあらかじめ除外しても良い。また制御の結果、要求電力に満たない受電器４が存在した場合、そのまま継続して給電を行っても良いし、当該受電器４を上記制御の対象から除外し、再計算の上、制御を行っても良い。これらの場合、制御器６は、伝搬路情報と要求電力情報とに基づいて、複数の受電器４のうち要求電力を上回る受電器４の数が所定個以上にように、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御すればよい。所定個とは、複数の受電器４のうち、種々の理由で要求電力に満たない可能性のある受電器４のすべてを除外した残りの受電器４の総数である。

送電器３または複数の受電器４は、送電器３と複数の受電器４との間の伝搬路情報を推定する機能を有する。送電器３または複数の受電器４のどちらで伝搬路情報を推定するかによって、送電器３と受電器４の内部構成が異なる。

図２は送電器３の内部構成の第１例を示すブロック図である。図２の送電器３は、伝搬路情報を推定する機能を有する。図２の送電器３は、複数の第１アンテナ１１と、第１スイッチ１２と、電力源１３と、分配器１４と、複数の可変位相器１５と、複数の可変増幅器１６と、第２通信部１７と、複数の第１位相振幅検出器１８とを有する。

可変位相器１５と、可変増幅器１６と、第１位相振幅検出器１８は、複数の第１アンテナ１１のそれぞれに対応づけて設けられている。

第１スイッチ１２は、複数の第１アンテナ１１にて送信を行うか、受信を行うかを切り替えるために設けられている。第１スイッチ１２の代わりにアイソレータを用いてもよい。

図２の送電器３内の各部は、送電系統と伝搬路情報推定系統とに分けることができる。図２の送電器３における送電系統は、複数の第１アンテナ１１と、第１スイッチ１２と、電力源１３と、分配器１４と、複数の可変位相器１５と、複数の可変増幅器１６とを有する。電力源１３は、制御器２からの指示により、送電電力の電力値を設定する。分配器１４は、各受電器４の要求電力を同時に上回るように、電力源１３から出力された送電電力を複数の第１アンテナ１１向けに分配する。複数の可変位相器１５は、制御器２からの指示により、分配された送電電力の位相を設定する。複数の可変増幅器１６は、制御器２からの指示により、分配された送電電力の振幅を設定する。

図２の送電器３における伝搬路情報推定系統は、複数の第１アンテナ１１と、第１スイッチ１２と、複数の第１位相振幅検出器１８と、第２通信部１７とを有する。複数の第１位相振幅検出器１８は、複数の第１アンテナ１１と第１スイッチ１２を介して、任意の受電器４が送信したパイロット信号（基準信号）を受信し、パイロット信号が辿った伝搬路の位相および振幅に関する伝搬路情報を推定する。複数の第１位相振幅検出器１８で推定された伝搬路情報は、第２通信部１７を介して制御器２に送信される。

制御器２は、送電器３からの伝搬路情報に基づいて、送電器３における送電電力の電力値を制御するとともに、分配後の送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御し、これらの制御信号を送電器３に送信する。送電器３は、制御器２からの制御信号に基づいて、上述したように、電力源１３にて送電電力の電力値を設定し、複数の可変位相器１５にて、分配後の送電電力の位相を設定し、複数の可変増幅器１６にて、分配後の送電電力の振幅を設定する。

図３は受電器４の内部構成の第１例を示すブロック図である。図３の受電器４は、パイロット信号を送電器３に送信する機能を有する。図３の受電器４は、第２アンテナ２１と、第２スイッチ２２と、整流器２３と、負荷２４と、演算部２５と、第３通信部２６と、パイロット信号送信部２７とを有する。第２アンテナ２１は、送電器３から送電された送電電力を受電するとともに、パイロット信号送信部２７で生成したパイロット信号を送信する。第２スイッチ２２は、第２アンテナ２１の送受信を切り替える。整流器２３は、受電された送電電力を直流電力に変換して、負荷２４に蓄電する。負荷２４は、例えば、充電池、キャパシタ、スーパーキャパシタなどで構成されている。演算部２５は、負荷２４の状態、例えば充電残量や消費電力などに基づいて、受電器４が必要とする要求電力を算出する。要求電力に関する情報は、第３通信部２６を介して、制御器２に送信される。

図４は送電器３の内部構成の第２例を示すブロック図である。図４の送電器３は、図２における複数の第１位相振幅検出器１８が省略されている。第２通信部１７は、接続する第１アンテナ１１を順次切り替えながら、伝搬路情報推定用のパイロット信号を複数の受電器４に送信する。図４の送電器３における送電系統の構成および動作は、図２と同様である。

図５は受電器４の内部構成の第２例を示すブロック図である。図５の受電器４は、図３におけるパイロット信号送信部２７が省略されている代わりに、第２位相振幅検出器２８を有する。第２位相振幅検出器２８は、第２アンテナ２１で受信された送電器３からのパイロット信号に基づいて、伝搬路情報を推定する。推定された伝搬路情報は、第３通信部２６を介して制御器２に送信される。

図６は図２の送電器３と図３の受電器４との間で伝搬路情報の推定を行って電力の送電を行う処理手順を示すフローチャートである。図６のフローチャートは、制御器２、送電器３および受電器４の処理手順を時系列的に示したものである。また、図７Ａ〜図７Ｃは、図６の各ステップの処理を行う際の、送電器３、受電器４および制御器２の間で行われる信号や電力の流れを矢印で明示した図である。

まず、受電器４からパイロット信号を送信し、そのパイロット信号を送電器３にて受信する。また、複数の受電器４は、制御器２に対して要求電力情報を送信する（ステップＳ１、図７Ａ）。次に、送電器３は、パイロット信号に基づいて、伝搬路情報を推定する（ステップＳ２）。次に、送電器３は、伝搬路情報を制御器２に送信する（ステップＳ３、図７Ｂ）。制御器２は、伝搬路情報と各受電器４の要求電力情報に基づいて、送電電力の電力値を計算するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅を計算する（ステップＳ４、図７Ｂ）。そして、送電電力の電力値を制御するとともに、各第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御するための制御信号を送電器３に送信する（ステップＳ５）。そして、送電器３は、制御器２からの制御信号に基づいて、送電電力の電力値を設定するとともに、分配後の送電電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定し、設定された電力を複数の第１アンテナ１１に給電して、複数の受電器４に向けて送電を行う（ステップＳ６、図７Ｃ）。

図８は図４の送電器３と図５の受電器４との間で伝搬路情報の推定を行って電力の送電を行う処理手順を示すフローチャートである。また、図９Ａ〜図９Ｃは、図６の各ステップの処理を行う際の、送電器３、受電器４および制御器２の間での信号や電力の流れを矢印で明示した図である。

まず、送電器３からパイロット信号を送信し、そのパイロット信号を複数の受電器４にて受電する（ステップＳ１１、図９Ａ）。次に、各受電器４は、パイロット信号に基づいて、伝搬路情報を推定する（ステップＳ１２）。次に、各受電器４は、伝搬路情報と要求電力情報を制御器２に送信する（ステップＳ１３、図９Ｂ）。その後は、図６のステップＳ４〜Ｓ６と同様の処理を行う（ステップＳ１４〜Ｓ１６、図９Ｃ）。

図１０は第１の実施形態による制御器２が行う制御指針を概念的に示す図である。図１０に示すように、第１の実施形態による制御器２は、複数の受電器４の要求電力を同時に上回る受電電力が得られるように、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、送電器３の各第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。このような制御は、送電器３の送電電力と、各第１アンテナ１１に給電される電力の位相と、各第１アンテナ１１に給電される電力の振幅と、のすべての組合せを総当たり的に探索して、複数の受電器４の要求電力を同時に上回る組合せを特定してもよい。あるいは、送電器３の送電電力を任意の電力値に設定した上で、各第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅のすべての組合せを総当たり的に探索して、複数の受電器４の要求電力を同時に上回る組合せを特定してもよい。

図１１は第１の実施形態による制御器２が行う制御指針をより具体的に示す図である。図１１に示すように、第１の実施形態による制御器２は、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつワイヤレス給電システム１全体の給電効率が最大になるように、送電器３の送電電力値と、各第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅を制御する。給電効率を最大にする理由は、省電力化を考慮に入れたためである。

給電効率とは、送電器３の総送電電力に対する複数の受電器４の合計受電電力の比で表される。より詳細には、制御部６は、この比が、この比の最大値を複数の受電器４の数で割った値以上になるように、すなわち、給電効率が給電効率の最大値を受電器４の数で割った値以上になるように、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する。送電器３から複数の受電器４への給電効率の最大値を受電器４の数で割る理由は、給電効率を正確に最大にするのは困難なためである。給電効率を最大にしようとしても、実際には必ず給電効率の最大値よりも小さい値になるはずである。そこで、給電効率の最大値を受電器４の数で割った値を給電効率の下限値として、この下限値以上に給電効率がなるように、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する。このような制御により、給電効率ができるだけ高くなるようにして、送電器３から受電器４に送電電力を送電できる。

本実施形態による送電器３の複数の第１アンテナ１１は、利得向上と指向性の可変性向上の観点から、数十から数百個程度のアンテナ（第１アンテナ１１）を有するフェーズドアレーアンテナで構成可能である。この場合、フェーズドアレーアンテナのアンテナ数分の位相と振幅の全組合せを総当たり的に探索して、送電電力の電力値と、各第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅を制御しようとすると、膨大な計算時間を要するため、効率的とはいえない。このため、本実施形態では、予め推定された伝搬路情報に基づいて、送電器３の送電電力値を所定値に設定するとともに、各第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を設定する。

ここで、説明の簡略化のため、Ｎ_Ｔ個の第１アンテナ１１を有する単一の送電器３と、Ｎ_Ｒ個の受電器４から構成されるワイヤレス給電システム１を想定する。実際には、互いに同期している複数の送電器３が存在していたとしても、各送電器３のアンテナ数を足し合わせたアンテナ数を有する単一の送電器３とみなすことができる。よって、以下の説明は、複数の送電器３を有する場合にも適用可能である。

まず、送電器３のＮ_Ｔ個のアンテナとＮ_Ｒ個の受電器４間の伝搬路行列をＨと定義する。ここで、伝搬路行列ＨはＮ_Ｒ行Ｎ_Ｔ列の複素行列となり、第ｉ行、第ｊ列目の行列成分ｈ_ｉｊは、以下の（１）式に示すように、送電器３のアレーの第ｊアンテナと第ｉ番目の受電器４との間の伝搬路情報を表す。

ｈ_ｉｊ＝ａｅ^ｊθ …（１）
（１）式において、ｅはネイピア数であり、ａは当該の伝搬路の振幅、θは当該の伝搬路の位相を表す。この伝搬路行列Ｈは、特異値分解により以下の（２）式のように分解することができる。

Ｈ＝ＵΣＶ^Ｈ …（２）
（２）式において、ＶとＵはそれぞれＮ_Ｔ次、Ｎ_Ｒ次の複素行列であり、伝搬路Ｈの送信、受信正規直交基底行列である。なお添え字Ｈは、行列の複素共役転置を表す。ここでＶはＮ_Ｔ個の列ベクトルからなり、以下の（３）式のように表すことができる。

ここで、ｖ_ｋは第ｋ送電ウェイト、各ウェイトの第ｋ要素は、送電器３の第ｋ番目の第１アンテナ１１に設定される位相および振幅値に相当する。また、ΣはＨの特異値を対角項に持つ対角行列であり、第ｋ特異値をσ_ｋと表し、特異値の最も大きなものを第１特異値と定義する。ここで、特異値σ_ｋの二乗は、第ｋウェイトｖ_ｋに基づいて送電器３の位相と振幅を設定して給電を行った場合のシステム全体の給電効率に相当する。特に、第１特異値σ１の二乗は、当該の伝搬路状態において達成されるシステム全体の最大給電効率となる。

また、送電器３のアンテナ数Ｎ_Ｔが受電器４の数Ｎ_Ｒより大きい場合（Ｎ_Ｒ≦Ｎ_Ｔ）、伝搬路行列Ｈは以下のように特異値分解を行うことができる。

上式において、行列ΔはＮ_Ｒ個の特異値を含むＮ_Ｒ次の対角行列、行列ＯはＮ_Ｒ行（Ｎ_Ｔ−Ｎ_Ｒ）列の零行列である。また、区分行列Ｖ_ΔおよびＶ_Ｏはそれぞれ行列ΔおよびＯに対応する直交基底行列であり、それぞれＮ_Ｒ個、（Ｎ_Ｔ−Ｎ_Ｒ）個のウェイトから成る。概念的には、各ウェイトは送電器３のフェーズドアレーアンテナが形成する指向性に対応し、ウェイト毎に異なる指向性を形成する。ここで、Ｖ_Δの各ウェイトは０以上の特異値（給電効率≧０）に対応するため、給電に寄与する指向性を形成する。一方、Ｖ_Ｏの各ウェイトはヌル空間（給電効率＝０）に対応するため、給電に寄与しない指向性を形成する。よって、給電の観点から言えば、前者のウェイトのみ、送電器３に設定される位相および振幅の組み合わせの候補として採用し、後者のウェイトは候補からあらかじめ除外することが好ましい。

このように、制御部６は、伝搬路行列を分解して得られる直交基底行列に基づいて、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する。より具体的には、制御部６は、直交基底行列のうち給電効率に寄与する直交基底に基づいて、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する。すなわち、制御部６は、直交基底行列のうち給電効率に寄与しない直交基底を除去した後の直交基底に基づいて、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する。

図１２は送電器３の複数の第１アンテナ１１から送信される電力波のビームパターンを模式的に示した図である。本実施形態では、給電に寄与しないウェイトを除外し（破線枠ｗ１）、給電に寄与するウェイトを採用する（破線枠ｗ２）。

具体例として、送電器３に与えるウェイトｗは、Ｖ_Δに含まれるウェイトのうち、真に給電に寄与するウェイト同士の重み付け合成により、以下の（５）式で表される（図１２の破線枠ｗ３）。

ここでｒは伝搬路行列Ｈの階数（ランク）を表し、ｒ≦Ｎ_Ｒである。

なお、区分行列Ｖ_Δ’は、以下の（６）式で表される。

ここで、（５）式において、ｃ_ｋは第ｋウェイトｖ_ｋに乗ぜられる重み付け（複素）係数であり、ｃはｒ個の重み付け係数からなる複素ベクトルとなる。特に、第１ウェイトｖ_１は最大の特異値ｃ_１に対応するため最大給電効率を実現する指向性を形成する。そのため、単純に給電効率最大化の観点からすれば、第１ウェイトｖ_１に対応する複素係数ｃ_１のみ有限の値とし、その他の係数は０とすることが望ましい。

しかしながら、複数の受電器４のうち、「位置的に孤立した受電器４が存在する場合」や「距離的に離れた受電器４が存在する場合」は、第１ウェイトｖ_１は「まとまって存在する複数の受電器４」または「距離的に近い受電器４」に対して優先的に給電を行うような指向性を形成し得る。結果として、「位置的に孤立した受電器４」や「距離的に離れた受電器４」に対しては十分な給電がなされず、これらの受電器４の要求電力を満たすことが困難となる。

また、各受電端末の要求電力値に大小の偏りがある場合、第１ウェイトｖ_１が形成する指向性が、必ずしも要求電力の大小の偏りを考慮したものであるとは限らない。そこで、第１ウェイトｖ_１以外のウェイトも使用し、それらを適切に重み付け合成したウェイトに基づき位相および振幅を制御することにより、複数の受電器４の要求電力を同時に満足するような任意形状の指向性を形成可能とする。（図１２の破線枠ｗ４）

ここで、上述した方法において、設定が必要な重み付け係数ｃ_ｋの数はｒとなる（なお、ｒ≦Ｎ_Ｒ≦Ｎ_Ｔ）。したがって単純に送電器３のアンテナ数Ｎ_Ｔ分の位相および振幅を計算するよりも、はるかに効率的に適切な位相と振幅の組み合わせを探索することができる。

重み付け係数ベクトルｃについては、下記のように計算してもよい。例えば図１１に示す制御指針は、「システム全体の給電効率の最大化すること」を目的とし、「複数の受電器４の要求電力を上回る電力を供給すること」を制約とする、制約付き最適化問題として解釈できる。制約付き最適化問題の解法は複数存在するが、その一つである「ペナルティ法」を用いても良い。「ペナルティ法」では、本来の目的関数に対して制約関数の項（ペナルティ）を課した新たな目的関数を定義することで、制約付き最適化問題を制約無し最適化問題へと変換することができる。

具体的には、上記の重み付け係数ベクトルｃを変数とし、目的関数ｆ（ｃ）を以下の（７）式のように定義できる。

（７）式において、後半の項は（５）式に示すウェイトを用いて給電した場合のシステム全体の給電効率に対応する。前述の通り、当該の伝搬路状態において達成される最大給電効率は第１特異値σ１の二乗で与えられるため、（７）式の目的関数ｆ（ｃ）は０〜１の値をとる。

次に制約関数について、まず（５）式に示すウェイトを用いた場合の第ｉ番目の受電器４の受電電力ｐ_ｉは、以下の（８）式で表される。

ここで、ｈ_ｉは伝搬路行列Ｈのうち、第ｉ番目の受電器４に対する伝搬路ベクトルを表す。そして第ｉ番目の受電器４に対する制約関数ｇ_ｉを以下の（９）式のように定義できる。

（９）式において、ｐ_{ｍｉｎ，ｉ}は第ｉ番目の受電器４の要求電力を表している。第ｉ番目の受電器４に対する制約関数ｇ_ｉは、受電電力が要求電力以上の場合（ｐ_{ｍｉｎ，ｉ}≦ｐ_ｉ）、０の値をとり、受電電力が要求電力より小さい場合（ｐ_{ｍｉｎ，ｉ}＞ｐ_ｉ）、（１−ｐ_ｉ／ｐ_{ｍｉｎ，ｉ}）^２となり０〜１の値をとる。

（７）式の目的関数および（９）式の制約関数から、新たな目的関数φ（ｃ）を以下の（１０）式のように定義できる。

式（１０）の新たな目的関数φ（ｃ）は、本来の目的関数ｆ（ｃ）から、ペナルティ係数μが乗ぜられた制約関数ｇ_ｉ（ｃ）の総和を減算した形式で与えられ、φ（ｃ）を最大化することで等価的に本来の制約付き最適化問題の近似解を得ることができる。実際には、最初はμを小さな値（例えば１など）に設定し、φ（ｃ）の最適解が得られたら、μを更新し（通常１０の冪乗）、μ更新後のφの最適解を再度計算する。以上の計算を、制約関数の項が限りなく０に近づくまで繰り返す。ここで新たな目的関数φ（ｃ）は変数ｃで微分可能な関数となるため、勾配法を用いて最適化を行っても良い。

このように、第１の実施形態では、送電器３または複数の受電器４にて推定された伝搬路情報と、複数の受電器４の要求電力情報とに基づいて、送電器３の送電電力値を設定するとともに、送電器３の複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。これにより、各受電器４には要求電力以上の電力が同時に供給され、かつシステム全体としての給電効率も向上できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、送電電力の最小化を目的とするものである。

図１３は第２の実施形態によるワイヤレス給電システム１の制御指針を示す図である。第２の実施の形態では、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ送電電力が最小になるように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。

ワイヤレス給電においては、省電力化と与干渉の低減化の観点から、送電電力を小さくすることが好ましい。そこで、本実施形態では、送電電力を最小化することを目的としつつ、複数の受電器４の要求電力を上回る電力を供給することを制約とする、制約付き最適化問題の解に基づいて、各パラメータを設定しても良い。例えば、（５）式のウェイトを用いた場合の送電電力Ｐ_Ｔは、以下の（１１）式で表される。（１１）式を目的関数としても使用しても良い。

Ｐ_Ｔ＝ｃ^Ｈｃ …（１１）
送電器３の総送電電力を最小値に設定することは現実には容易ではない。実際上は、送電器３の総送電電力を最小値よりも高い値に設定することになる。そこで、制御部６は、送電器３の総送電電力が、送電器３の送電電力の最小値に複数の受電器４の数を乗じた値以下になるように制御する。送電器３の送電電力の最小値に受電器４の数を乗じることで、送電器３の送電電力の最小値に、受電器４の数分だけのマージンを与えることになる。この乗算値以下になるように送電電力を制御することで、送電器３の送電電力をできるだけ小さくすることができる。

このように、第２の実施形態では、送電電力を最小化しつつ、各受電器４の要求電力を上回るように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定するため、各受電器４に要求電力以上の電力を供給しつつ、省電力化を図ることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、給電効率の最大化と送電電力の最小化を目的とするものである。

図１４は第３の実施形態によるワイヤレス給電システム１の制御指針を示す図である。第３の実施形態では、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ送電電力が最小になるように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。

ワイヤレス給電においては、システム全体の給電効率を向上させることと、送電器３の送電電力を低減することが望ましい。第１の実施形態と同様の手法にて、システム全体の給電効率が最大になるように、送電器３の送電電力値と、複数の第１アンテナ１１の位相と振幅の少なくとも一方を設定すると、各受電器４の受電電力は、要求電力値以上の値になることが想定される。ここで、各受電器４における受電電力に対する要求電力の割合を求め、その中で最大の割合を低減率と定義する。受電電力が送電電力に単純に比例すると仮定すると、送電電力に低減率を乗じた値まで送電電力を低減しても、各受電器４の受電電力は要求電力を超えると考えられる。よって、本実施形態の制御部６は、送電器３の送電電力を、低減前の送電電力に上述した低減率を乗じた値まで下げるようにしている。これにより、各受電器４に要求電力以上の電力を供給しつつ、給電効率を最大化した上で、送電電力を最小化することができる。

このように、第３の実施形態では、各受電器４に要求電力以上の電力を供給し、かつ給電効率をできるだけ高くし、かつ送電電力をできるだけ低くするように、送電器３の送電電力値を設定するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。このため、各受電器４の要求電力を満足するだけでなく、給電効率の最大化と送電電力の最小化を図ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、送電器３の送電電力に上限を設定するものである。

図１５は第４の実施形態による制御指針を示す図である。本実施形態では、送電電力の上限を設定し、この上限を超えない範囲で、送電器３の送電電力値を設定するとともに、複数の第１アンテナ１１の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。電波型ワイヤレス給電においては、法律および条令等により送電電力そのものまたは等価等方輻射電力に制限が設けられており、これらを遵守しなければならない。そこで、本実施形態の制御部６は、送電電力の上限と受電器４の要求電力を制約関数とする制約つき最適化問題の解に基づいて、上述したパラメータを適当な値に設定する。例えば、（５）式のウェイトを用いた場合の送電電力は（１１）式で与えられ、送電電力の上限値をＰ_{Ｔ，ｍａｘ}とすると、送電電力に関する制約関数ｇ_Ｔ（ｃ）は、以下の（１２）式のように定義できる。

（１２）式において、送電電力に関する制約関数ｇ_Ｔ（ｃ）は、送電電力が送電電力の上限値以下の場合（ｐ_Ｔ≦ｐ_{Ｔ，ｍａｘ}）、０の値をとり、送電電力が送電電力の上限値より大きな場合（ｐ_Ｔ＞ｐ_{Ｔ，ｍａｘ}）、（１− ｐ_{Ｔ，ｍａｘ} ／ ｐ_Ｔ）^２となり０〜１の値をとる。

このように、第４の実施形態では、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。これにより、各受電器４の受電電力が要求電力を下回るおそれがなくなり、かつ送電器３の送電電力が上限を超えなくなる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないようにするものである。

図１６は第５の実施形態による制御指針を示す図である。本実施形態の制御部６は、各受電器４に許容受電電力を設定し、各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。

受電器４の内部の整流器２３は、トランジスタ等の回路部品によって構成されており、これらの回路部品には、入力電圧に定格値が存在し、入力電圧が定格値を超えると、性能の飽和や回路部品の破損を招いてしまう。本実施形態では、許容受電電力と受電器４の要求電力を制約関数とする制約つき最適化問題の解に基づいて、上述したパラメータを適当な値に設定する。受電器４に許容受電電力に関する制約関数については、式（９）や（１２）式と同様の形式で定義することができる。

このように、第５の実施形態では、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定する。これにより、各受電器４の電気的特性の劣化や破損を防止できる。

（第６の実施形態）
上述した第１〜第５の実施形態で説明した制御指針は、任意に組み合わせることができる。例えば、図１７は第４の実施形態と第５の実施形態の制御指針を組み合わせたものであり、送電器３の送電電力に上限を設定するとともに、各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないようにするものである。

図１７の制御指針によれば、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、かつ各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定することができる。

図１８は、第１の実施形態と第４の実施形態の制御指針を組み合わせたものである。図１８の制御指針によれば、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定することができる。

図１９は第１の実施形態と第５の実施形態の制御指針を組み合わせたものである。図１９の制御指針によれば、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定することができる。

図２０は第１の実施形態と、第４の実施形態と、第５の実施形態との制御指針を組み合わせたものである。図２０の制御指針によれば、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、かつ各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定することができる。

図２１は第２の実施形態と第５の実施形態の制御指針を組み合わせたものである。図２１の制御指針によれば、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ送電器３の送電電力が最小になり、かつ各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定することができる。

図２２は、第１の実施形態と、第２の実施形態と、第５の実施形態との制御指針を組み合わせたものである。図２２の制御指針によれば、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ送電器３の送電電力が最小になり、かつ各受電器４の受電電力が許容受電電力を超えないように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定することができる。

このように、上述した第１〜第５の実施形態の制御指針を任意に組み合わせた制御指針に基づいて、送電器３から送電電力値と、複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方とを設定することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、１つ以上の受電器４の受電電力を最大化するものである。

図２３は第７の実施形態による制御指針を示す図である。制御部６は、図２３の制御指針に従って、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、かつ１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を制御し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。

受電器４は、充電残量が極めて少ないとき、あるいは消費電力が著しく大きいとき、より大きな受電電力を必要とする。そこで、本実施形態では、受電電力を目的関数、送電電力の上限、許容受電電力を制約関数とする制約付き最適化問題の解に基づいて、上述したパラメータを適当な値に設定することができる。例えば、（８）式で与えられる第ｉ番目の受電器４の受電電力値を目的関数として使用しても良い。ここで複数の受電器４の受電電力の最大化が必要な場合、それぞれの受電電力を適当な比率で合計したものを目的関数としても良い。

なお、受電器４の受電電力が最大か否かを判定するのは現実的には困難である。そこで、制御部６は、複数の受電器４の受電電力が、複数の受電器４における最大受信可能電力を複数の受電器４の数で割った値以上になるように、送電器３の送電電力を所定値に制御するとともに、複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御してもよい。

図２４は第７の実施形態の第１変形例の制御指針を示す図である。制御部６は、図２４の制御指針に従って、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ受電器４の受電電力が許容受電電力を上回らないように、かつ１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を制御し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。

図２５は第７の実施形態の第２変形例の制御指針を示す図である。制御部６は、図２５の制御指針に従って、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、かつ受電器４の受電電力が許容受電電力を上回らないように、かつ１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を制御し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。

このように、第７の実施形態では、１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を設定し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を設定するため、消費電力の大きい受電器４にできるだけ多くの受電電力を供給できる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態は、第１〜第７の実施形態の制御指針を任意に組み合わせた制御指針を採用するものである。

図２６は第８の実施形態による制御指針を示す図である。制御部６は、図２６の制御指針に従って、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、かつ１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を制御し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。

図２７は第８の実施形態の第１変形例の制御指針を示す図である。制御部６は、図２７の制御指針に従って、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ受電器４の受電電力が許容受電電力を上回らないように、かつ１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を制御し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。

図２８は第８の実施形態の第２変形例の制御指針を示す図である。制御部６は、図２８の制御指針に従って、各受電器４の受電電力が要求電力を上回り、かつシステム全体の給電効率が最大になり、かつ送電器３の送電電力が上限を超えないように、かつ受電器４の受電電力が許容受電電力を上回らないように、かつ１つ以上の受電器４の受電電力が最大になるように、送電器３の送電電力値を制御し、かつ複数の第１アンテナ１１に給電される電力の位相と振幅の少なくとも一方を制御する。

図２６〜図２８は、第１〜第７の実施形態の制御指針の組合せの一例であり、第１〜第７の実施形態の制御指針を任意に組み合わせてもよい。

なお、図１では、送電器３と受電器４とは別個に制御器２を設ける例を示したが、制御器２を送電器３または受電器４の内部に配置してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ワイヤレス給電システム、２ ワイヤレス給電制御装置、３ 送電器、４ 受電器、５ 第１通信部、６ 制御部、１１ 第１アンテナ、１２ 第１スイッチ、１３ 電力源、１４ 分配器、１５ 可変位相器、１６ 可変増幅器、１７ 第２通信部、１８ 第１位相振幅検出器、２１ 第２アンテナ、２２ 第２スイッチ、２３ 整流器、２４ 負荷、２５ 演算部、２６ 第３通信部、２７ パイロット信号送信部、２８ 第２位相振幅検出器

Claims (13)

1. 複数の第１アンテナを有する１つ以上の送電器から複数の受電器にワイヤレスで電力を送電する制御を行うワイヤレス給電制御装置であって、
   前記送電器または前記複数の受電器から、前記送電器と前記複数の受電器との間の伝搬路情報を受信し、かつ前記複数の受電器が要求する要求電力に関する要求電力情報を前記複数の受電器から受信する第１通信部と、
   前記伝搬路情報と前記要求電力情報とに基づいて、前記複数の受電器のうち前記要求電力を上回る受電器の数が所定個以上になるように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える、ワイヤレス給電制御装置。
2. 前記制御部は、前記送電器の総送電電力に対する前記複数の受電器の合計受電電力の比が、前記比の最大値を前記複数の受電器の数で割った値以上になり、かつ前記複数の受電器にて前記要求電力を同時に上回るように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項１に記載のワイヤレス給電制御装置。
3. 前記制御部は、前記伝搬路情報から生成される伝搬路行列を分解して得られる直交基底行列に基づいて、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項１または２に記載のワイヤレス給電制御装置。
4. 前記制御部は、前記直交基底行列のうち給電効率に寄与する直交基底に基づいて、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項３に記載のワイヤレス給電制御装置。
5. 前記制御部は、前記直交基底行列のうち給電効率に寄与しない直交基底を除去した後の直交基底に基づいて、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項４に記載のワイヤレス給電制御装置。
6. 前記制御部は、前記送電器の総送電電力が、前記送電器の送電電力の最小値に前記複数の受電器の数を乗じた値以下になり、かつ前記複数の受電器にて前記要求電力を同時に上回るように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される送電電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のワイヤレス給電制御装置。
7. 前記制御部は、前記送電器の総送電電力が所定の閾値を超えないように、かつ前記複数の受電器にて前記要求電力を同時に上回るように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のワイヤレス給電制御装置。
8. 前記制御部は、前記複数の受電器の中に、受電電力の許容制限値が決められている受電器が存在する場合には、前記許容制限値を超えないように、かつ前記複数の受電器にて前記要求電力を同時に上回るように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のワイヤレス給電制御装置。
9. 前記制御部は、前記複数の受電器のうち少なくとも１つの受電器の受電電力が、当該受電器における最大受信可能電力を前記複数の受電器の数で割った値以上になるように、かつ前記複数の受電器にて前記要求電力を同時に上回るように、前記送電器の送電電力を所定値に制御するとともに、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相および振幅の少なくとも一方を制御する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のワイヤレス給電制御装置。
10. 前記複数の第１アンテナと、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載のワイヤレス給電制御装置と通信を行うとともに、前記複数の第１アンテナを介して送受される信号を処理する第２通信部と、
    前記制御部からの制御信号に基づいて、前記所定値の送電電力を生成する電力源と、
    前記電力源で生成された前記送電電力を前記複数の第１アンテナ向けに分配する分配器と、
    前記制御部からの制御信号に基づいて、前記複数の第１アンテナに給電される電力の位相を設定する可変位相器と、
    前記制御部からの制御信号に基づいて、前記複数の第１アンテナに給電される電力の振幅を設定する可変増幅器と、を備える、送電器。
11. 前記複数の受電器から前記複数の第１アンテナおよび前記第２通信部を介して受信された基準信号に基づいて、前記複数の受電器との間の伝搬路情報を検出する第１伝搬路検出部を備え、
    前記第２通信部は、前記伝搬路情報を前記ワイヤレス給電制御装置に送信する、請求項１０に記載の送電器。
12. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のワイヤレス給電制御装置と通信を行う第３通信部２６と、
    前記送電器から送電された送電電力を受電する第２アンテナと、
    前記第２アンテナで受電された送電電力を整流する整流器と、を備える、受電器。
13. 前記送電器から前記第２アンテナおよび前記第３通信部を介して受信された基準信号に基づいて、前記送電器との間の伝搬路情報を検出する第２伝搬路検出部を備え、
    前記第３通信部は、前記伝搬路情報を前記ワイヤレス給電制御装置に送信する、請求項１２に記載の受電器。