JP6921246B2 - ワイヤレス電力供給方法およびシステム - Google Patents
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Description
本出願は、2017年6月6日に出願された米国仮出願第62/515,962号、並びに、2017年6月7日に出願された米国仮出願第62/516,572号の利益を主張するものであり、それぞれの全体が、引用により本明細書に援用されるものとする。
ワイヤレス電力供給のためのシステムは、(例えば、図1A〜図1Dに示すように)1または複数の送信機および受信機を含むことができる。ワイヤレス電力供給のための方法は、送信機−受信機の近接度を判定するステップS100と、伝送パラメータ値を決定するステップS200と、(例えば、図2Aに示すように)伝送パラメータ値に基づいて電力を伝送するステップS300とを含むことができる。しかしながら、本システムおよび本方法は、追加的または代替的には、他の任意の適切な要素を含むことができる。本方法は、好ましくは、上述したシステムを使用して実行されるが、追加的または代替的には、他の任意の適切なシステムを使用して実行することもできる。
本方法は、許容可能なかつ/または望ましい送電設定を決定するのに必要な時間を大幅に短縮することができる。第一に、本方法は、局所探索または確率的グローバル探索の実行を含むことができ、通常、決定論的グローバル探索よりも遥かに短い時間で十分な解を見つけることができる。この探索時間の短縮により、多くの場合(例えば、要素の向きが変化するシステムにおいて)、非常に優れたエネルギー伝送結果が得られる。
本システムの送信機は、1または複数のアンテナ(例えば、RFおよび/またはマイクロ波電力のような電磁放射を伝送するように構成されるアンテナ)を含むことができ、好ましくは、制御可能な(例えば、アダプティブ)アンテナアレイ(例えば、線形アレイ、平面アレイ、3Dアレイなど;フェーズドアレイ、電子的に制御可能なアレイなど)を規定する。
として定義される電気的面積Aeを示すことができ、ここで、λは放射波長であり、Gはその波長におけるアンテナ利得であり、それらの物理的面積(例えば、フットプリント)よりも遥かに大きい。アンテナがサブ波長構造を規定する(例えば、放射波長より短い長さスケールを定義する)第1の例では、当該構造が、Ae/Aとして定義される、2〜100の開口効率(例えば、6.5〜10、10〜15、15〜22、22〜35、6.5未満、25超など)と、100〜5,000,000の品質係数(例えば、500〜5000、5000〜50,000、50,000〜750,000、500未満、750,000超など)とを示すことができる。アンテナが超波長構造を規定する(例えば、放射波長よりも長い長さスケールを定義する)第2の例では、当該構造が、1〜10の開口効率(例えば、1.5〜1.6、1.6〜1.7、1.7〜1.8、1.8〜1.9、1.9〜2、2〜2.15、1.5未満、2.15超など)と、10〜5,000,000の品質係数(例えば、50〜500、500〜5000、5000〜50,000、50,000〜750,000、500未満、750,000超など)とを示すことができる。しかしながら、それら構造は、追加的または代替的には、他の任意の適切な開口効率および/または品質係数を規定することができる。
4.1 送信機−受信機の近接度の判定
送信機−受信機の近接度を判定するステップS100は、(例えば、送信機から受信機への)ワイヤレス電力供給の機会を示すように機能することができる。例えば、S100は、1または複数の受信機が送信機の送信範囲(例えば、効率的な電力伝送、実質的な電力伝送、任意の測定可能な電力伝送などを可能にする範囲)内にあることの判定を含むことができる。送信機−受信機の近接度は、好ましくは、無線通信を使用して(例えば、送信機および受信機の無線通信モジュールを使用して)判定される。例えば、一方のデバイスは、他方のデバイスが近くにあることを、それらの間の無線通信の確立、無線通信信号強度(例えば、RSSI)、無線接続を介して通信される情報、および/または他の任意の適切な示度に基づいて判定することができる。
伝送パラメータ値の決定S200は、(例えば、送信機から受信機への)効率的な電力伝送を可能にすることができる伝送パラメータ値を探索するように機能することができる。伝送パラメータ値は、好ましくは、送信機−受信機の近接度の判定S100に応答して決定される(S200)が、追加的または代替的には、他の任意の適切な時間に実行され得る。伝送パラメータは、1または複数のアンテナの伝送位相(例えば、基準アンテナの伝送位相のような基準位相に対する)および/または伝送振幅、ビーム方向などのビームフォーミングパラメータ(例えば、方位角および極角のようなビーム方向を説明する角度)、スーパーゲイン受信機の種類、位置および/または向きなどのスーパーゲイン励起パラメータ、1または複数のアンテナに結合された抵抗、キャパシタンスおよび/またはインダクタンスなどのパッシブアンテナパラメータ(例えば、電気コンポーネント結合パラメータ)および/または他の任意の適切なパラメータを含むことができる。第1の例では、伝送パラメータが、1または複数のアクティブアンテナおよび/またはアンテナグループ(例えば、ハードウェア定義のグループ、ソフトウェア定義のグループなど)の伝送位相および/または振幅、好ましくは(例えば、位相アンテナアレイまたは他のアダプティブアンテナアレイのようなアンテナアレイの)送信機の各アクティブアンテナの伝送位相および/または振幅を含む。第2の例では、伝送パラメータが、アンテナによって規定される1または複数のビームフォーミングネットワーク(例えば、Rotmanレンズ、Butlerマトリックスなど)に関連するビームフォーミングパラメータを含む(例えば、ソフトウェア定義のアンテナグループのような1または複数のアンテナグループは、各々が別個のビームフォーミングネットワークを規定する)。第3の例では、伝送パラメータが、送信機(例えば、ハードウェアおよび/またはソフトウェア定義のアンテナグループなどの1または複数のアンテナグループが、それぞれ別個のスーパーゲイン構造を定義する)および/または受信機のアンテナによって規定される1または複数のスーパーゲイン構造(例えば、アンテナ、アレイなど)に関連するスーパーゲイン励起パラメータを含む。しかしながら、伝送パラメータは、追加的または代替的には、他の任意の適切なパラメータを含むことができる。
ここで、fiは受信機iに関連する目的関数値であり、f* iはfiの最適(例えば、観察、推定等)値(例えば、fiが最適化される伝送パラメータの下でのfiの値)であり、wiは受信機iに関連付けられた重み付けであり、Piは受信機iに関連付けられたペナルティ関数である。重み付けおよび/またはペナルティ関数は、異なる受信機に対して同等および/または異なるものであってもよい。第1の例では、1または複数の受信機に関連付けられた性能は、関連付けられた重み付けおよび/またはペナルティ関数をゼロに設定することによって無視される(または部分的に無視される)。第2の例では、1または複数の受信機に関連する性能は、それらの関連する目的関数が理想値の閾値距離Ti内(例えば、f* iの部分量、例えば、1%、2%、5%、10%、15%、20%、25%、50%、75%、90%、95%、0〜5%、5〜15%、15〜45%、45〜75%、75〜95%、95〜100%など)にとどまる場合にのみ無視され、関連する重み付けはゼロに等しく設定され、関連するペナルティ関数はTi未満の引数ではゼロであり、Ti以上の引数では無限大である。第3の例では、目的関数が、各受信機における受信電力の合計または平均とすることができる(例えば、すべてのiについて、wi=1またはwi=1/nであり、Pi=0である)。
初期パラメータ値の決定S210は、最適探索のための初期推測および/または開始点を提供するように機能することができる。
候補の伝送パラメータ値の評価S220は、候補の伝送パラメータ値に関連する目的関数値を決定するように機能することができる。候補値の評価S220は、候補値に基づく伝送S221、伝送結果の測定S222、および/または測定値に基づく目的関数の評価S223を含むことができる。S220は、追加的または代替的には、(例えば、履歴データに基づいて、プロキシ関数を評価するなどして)目的関数値を推定することを含むことができる。候補の伝送パラメータ値の評価S220は、定期的に、評価トリガイベント発生時(例えば、電力伝送領域内の物体の動きを検出したとき)に、かつ/または他の任意の適切な時間に実行することができる。
局所最適探索の実行S230は、潜在的パラメータ値(例えば、初期パラメータ値セットの近くの最適パラメータ値セットなど、局所的に最適化されたパラメータ値セット)を迅速に決定するように機能することができる。例えば、初期伝送パラメータ値周辺の探索空間が凸/準凸であり、その凸領域/準凸領域が満足のいく目的関数値(例えば、グローバル最適値、最小閾値を超える値または最大閾値未満の値、グローバル最適値または理論的限界などの限界の閾値内の値など)を含む場合、局所最適探索で十分であり得る。局所最適探索が十分である場合(例えば、満足のいく目的関数値を見つけた場合)、本方法は、グローバル最適探索を用いる場合よりも遥かに迅速に実行することができる。
グローバル最適探索の実行S240は、優れた伝送パラメータ値(例えば、最適化パラメータ値セット)を決定するように潜在的に機能することができる。グローバル探索は、好ましくは、初期局所探索の完了に応答して実行(S240)される(例えば、局所探索によって発見された最適パラメータ値で探索を開始する)が、追加的または代替的には、初期パラメータ値の決定S210に応答して(例えば、初期パラメータ値で探索を開始する)、かつ/または他の任意の適切な時間に実行されるようにしてもよい。
のような因子を項が含む)を含み、探索中に早期収束を低減するように機能することができる。PSOアルゴリズムは、追加的または代替的には、他の任意の適切な特徴を含むことができる。
伝送パラメータ値に基づく電力の伝送S300は、受信機に無線で電力を供給するように機能することができる。電力は、好ましくは、伝送パラメータ値の決定S200に応答して伝送されるが(S300)、追加的または代替的には、他の任意の適切な時間に実行することができる。電力は、好ましくは、送信機の範囲内の受信機の滞留時間全体にわたって伝送される(S300)が、追加的または代替的には、断続的に、スケジュールに従って、受信機動作パラメータ(例えば、充電状態)に基づいて、かつ/または他の任意の適切なタイミングで伝送されるものであってもよい。電力は、好ましくは、1または複数の純音(または、閾値帯域幅未満の帯域幅を規定するような実質的に純音)信号として伝送される(例えば、1または複数のスーパーゲイン構造および/または他の狭帯域幅アンテナを使用する実施形態において有益となり得る)が、追加的または代替的には、他の任意の適切な形式で伝送されるようにしてもよい(例えば、より広い帯域幅のアンテナを使用する実施形態、通信信号が電力と共に送信される実施形態など)。第1の具体例では、放射がGHzスケールの周波数である(例えば、5〜10GHz、例えば、5.8GHzおよび/または5.8GHzを超える)。第2の具体例では、放射が数百MHzスケールの周波数である(例えば、100〜500MHz、例えば、433MHzおよび/または433MHz未満である)。しかしながら、電力は、追加的または代替的には、他の任意の適切な形態で受け取ることができる。
Claims (22)
- ワイヤレス電力伝送のための方法であって、
・アダプティブアンテナアレイを含む送信機において、受信機が前記送信機の伝送範囲内にあることを判定するステップと、
・前記受信機が伝送範囲内にあると判定したことに応答して、電力供給の最適化のための確率的グローバル探索を実行するステップであって、前記確率的グローバル探索が前記アダプティブアンテナアレイに関連した伝送パラメータ空間において実行され、前記伝送パラメータ空間が:1または複数のアンテナの伝送位相および/または伝送振幅;ビーム方向に関するビームフォーミングパラメータ;スーパーゲイン受信機の種類、位置および/または向きに関するスーパーゲイン励起パラメータ;パッシブアンテナ電気コンポーネント結合パラメータ;のうちの1つ以上を含むものであるステップと、
・前記確率的グローバル探索に基づいて、前記伝送パラメータ空間における最適化されたパラメータ値セットを決定するステップと、
・前記送信機において、前記最適化されたパラメータ値セットに基づく伝送によって、前記受信機に電力をワイヤレスで伝送するステップと、を含み、
前記確率的グローバル探索を実行するステップが、前記伝送パラメータ空間内の複数の点を反復して評価するステップを含み、前記伝送パラメータ空間内のそれぞれの点はそれぞれのパラメータ値セットに関連しており、前記伝送パラメータ空間内の1つの点におけるパラメータ値セットが前記最適化パラメータ値セットであり、
前記伝送パラメータ空間内の1つの点を評価するステップが、
・前記送信機において、それぞれの時間間隔を通して、それぞれの前記パラメータ値セットに基づいて電力を伝送するステップと、
・前記受信機において、前記それぞれの時間間隔の間に、前記送信機によって伝送された電力を受信するステップと、
・前記それぞれの時間間隔の間に前記受信機において受信されたそれぞれの電力量を測定するステップと、含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記確率的グローバル探索を実行するステップの前に、さらに、
・受信機が伝送範囲内にあると判定したことに応答して、前記電力供給の最適化のために、前記伝送パラメータ空間にわたって局所探索を実行するステップと、
・前記局所探索に基づいて、前記伝送パラメータ空間における局所的に最適化されたパラメータ値セットを決定するステップと、
・前記局所的に最適化されたパラメータ値セットが不十分な電力供給の実行に関連するものであることを判定するステップであって、当該局所的に最適化されたパラメータ値セットが不十分な電力供給の実行に関連するものであると判定されたことに応じて、前記確率的グローバル探索が実行されるステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
・前記確率的グローバル探索がafに等しい目的関数に基づいて実行され、aが比例定数であり、fが前記電力量であり、
・前記確率的グローバル探索を実行するステップが、一連のパラメータ値セットのうちの第1のパラメータ値セットを含む伝送パラメータ空間の領域において、前記目的関数の局所近似を求めるステップをさらに含み、
・前記複数の点を反復して評価するステップが、前記第1のパラメータ値セットに関連する第1の点を評価した後で、前記局所近似に基づいて次の点を選択するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項3に記載の方法において、
前記局所近似を求めることは、
・前記目的関数に基づいて、前記領域にわたって局所探索を実行するステップと、
・前記局所探索に基づいて、前記目的関数に関連する局所最適値を求めるステップとを含み、
前記領域内の目的関数値の前記局所近似が、前記領域にわたって実質的に一定であり、前記局所最適値に実質的に等しいことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
・前記受信機が前記送信機の伝送範囲内にある間に、前記送信機において、第2の受信機が前記送信機の伝送範囲内にあることを判定するステップと、
・前記受信機に電力をワイヤレスで伝送しながら、前記最適化されたパラメータ値セットに基づく伝送によって、前記第2の受信機に電力をワイヤレスで伝送するステップとをさらに含み、
・前記伝送パラメータ空間内の1つの点を評価するステップが、さらに、
−前記第2の受信機において、前記それぞれの時間間隔の間に、前記送信機によって伝送された電力を受信するステップと、
−前記それぞれの時間間隔の間に前記第2の受信機において受信されたそれぞれの第2の電力量を測定するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の方法において、
・前記伝送パラメータ空間内の1つの点を評価するステップが、さらに、
−前記受信機において、前記それぞれの電力量を示す第1のデータセットを前記送信機に伝送するステップと、
−前記第2の受信機において、前記それぞれの第2の電力量を示す第2のデータセットを前記送信機に伝送するステップと、
−前記送信器において、前記第1および第2のデータセットに基づいて前記1つの点を評価するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項6に記載の方法において、
・前記送信機において、前記第1のデータセットの受信に応答して、前記第1のデータセットに関連付けられた情報を記憶するステップと、
・前記受信機に電力をワイヤレスで伝送している間に、前記第2の受信機が前記送信機の伝送範囲内にないことを判定するステップと、
・前記第2の受信機が前記送信機の伝送範囲内にないと判定したことに応答して、前記送信機において、前記情報に基づいて、修正されたパラメータ値セットを決定するステップと、
・前記送信機において、修正されたパラメータ値セットを決定したことに応答して、前記修正されたパラメータ値セットに基づく伝送によって前記受信機に電力をワイヤレスで伝送するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の方法において、
前記確率的グローバル探索が目的関数に基づいて実行され、当該目的関数がw1f1+P1(|f1−f* 1|)+w2f2+P2(|f2−f* 2|)に等しく、ここで、w1は前記受信機に関連付けられた受信機の重み付け、f1は前記電力量、f* 1は前記受信機に供給可能であると予測される最大電力量、P1は前記受信機に関連付けられたペナルティ関数、w2は前記第2の受信機に関連付けられた第2の受信機の重み付け、f2は前記第2の電力量、f* 2は前記第2の受信機に供給可能であると予測される第2の最大電力量、P2は前記第2の受信機に関連付けられた第2のペナルティ関数であることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
・前記最適化されたパラメータ値セットに基づいて伝送している間に、前記受信機で受信された電力が低下したことを判定するステップと、
・前記受信機で受信された電力が低下したと判定したことに応答して、電力供給の最適化のために、前記伝送パラメータ空間における1つの領域で局所探索を実行するステップと、
・前記局所探索に基づいて、局所的に最適化されたパラメータ値セットを決定するステップとをさらに含み、
前記局所的に最適化されたパラメータ値セットが、前記伝送パラメータ空間における前記1つの領域での局所的に最適化された点に関連していることを特徴とする方法。 - 請求項9に記載の方法において、
・前記局所的に最適化されたパラメータ値セットが、不十分な電力供給の実行に関連するものであることを判定するステップと、
・前記局所的に最適化されたパラメータ値セットが、不十分な電力供給の実行に関連すると判定されたことに応じて、前記伝送パラメータ空間において、最新の電力供給の最適化のために、第2の確率的グローバル探索を実行するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記確率的グローバル探索が、粒子群最適化アルゴリズムを使用して実行されることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記伝送パラメータ空間が、前記アダプティブアンテナアレイの複数のアクティブアンテナのうちの各アクティブアンテナについて、それぞれの伝送位相を含むことを特徴とする方法。 - ワイヤレス電力伝送のための方法であって、
・アダプティブアンテナアレイを有する送信機において、受信機が前記送信機の伝送範囲内にあることを判定するステップと、
・前記受信機が伝送範囲内にあると判定したことに応答して、電力供給の最適化のために局所探索を実行するステップであって、前記局所探索が前記アダプティブアンテナアレイに関連した伝送パラメータ空間において実行され、前記伝送パラメータ空間が:1または複数のアンテナの伝送位相および/または伝送振幅;ビーム方向に関するビームフォーミングパラメータ;スーパーゲイン受信機の種類、位置および/または向きに関するスーパーゲイン励起パラメータ;パッシブアンテナ電気コンポーネント結合パラメータ;のうちの1つ以上を含むものであるステップと、
・前記局所探索に基づいて、前記伝送パラメータ空間における最適化されたパラメータ値セットを決定するステップと、
・前記最適化されたパラメータ値セットが十分な電力供給の実行に関連するものであることを判定するステップとを含み、
・前記最適化されたパラメータ値セットが十分な電力供給の実行に関連するものであると判定されたことに応じて、前記送信機において、前記最適化されたパラメータ値セットに基づく伝送によって、前記受信機に電力をワイヤレスで伝送するステップと、を含み、
前記局所探索を実行するステップが、前記伝送パラメータ空間内の複数の点を反復して評価するステップを含み、前記伝送パラメータ空間内のそれぞれの点はそれぞれのパラメータ値セットに関連しており、前記伝送パラメータ空間内の1つの点におけるパラメータ値セットが前記最適化パラメータ値セットであり、
前記伝送パラメータ空間内の1つの点を評価するステップが、
・前記送信機において、それぞれの時間間隔を通して、それぞれの前記パラメータ値セットに基づいて電力を伝送するステップと、
・前記受信機において、前記それぞれの時間間隔の間に、前記送信機によって伝送された電力を受信するステップと、
・前記それぞれの時間間隔の間に前記受信機において受信されたそれぞれの電力量を測定するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において、
前記局所探索が勾配のない探索アルゴリズムを使用して実行されることを特徴とする方法。 - 請求項14に記載の方法において、
前記勾配のない探索アルゴリズムが、Nelder−Meadアルゴリズムおよびアダプティブメッシングアルゴリズムのうちの1つ以上を含むことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において、
・前記受信機が前記送信機の伝送範囲内にある間に、前記送信機において、第2の受信機が前記送信機の伝送範囲内にあることを判定するステップと、
・前記受信機に電力をワイヤレスで伝送しながら、前記最適化されたパラメータ値セットに基づく伝送によって、前記第2の受信機に電力をワイヤレスで伝送するステップとをさらに含み、
・前記伝送パラメータ空間内の1つの点を評価するステップが、さらに、
−前記第2の受信機において、前記それぞれの時間間隔の間に、前記送信機によって伝送された電力を受信するステップと、
−前記それぞれの時間間隔の間に前記第2の受信機において受信されたそれぞれの第2の電力量を測定するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
・前記伝送パラメータ空間内の1つの点を評価するステップが、さらに、
−前記受信機において、前記それぞれの電力量を示す第1のデータセットを前記送信機に伝送するステップと、
−前記第2の受信機において、前記それぞれの第2の電力量を示す第2のデータセットを前記送信機に伝送するステップと、
・前記送信器において、前記第1および第2のデータセットに基づいて前記1つの点を評価するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
前記局所探索が目的関数に基づいて実行され、当該目的関数がw1f1+P1(|f1−f* 1|)+w2f2+P2(|f2−f* 2|)に等しく、ここで、w1は前記受信機に関連付けられた受信機の重み付け、f1は前記電力量、f* 1は前記受信機に供給可能であると予測される最大電力量、P1は前記受信機に関連付けられたペナルティ関数、w2は前記第2の受信機に関連付けられた第2の受信機の重み付け、f2は前記第2の電力量、f* 2は前記第2の受信機に供給可能であると予測される第2の最大電力量、P2は前記第2の受信機に関連付けられた第2のペナルティ関数であることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において、
前記伝送パラメータ空間が、前記アダプティブアンテナアレイの複数のアクティブアンテナのうちの各アクティブアンテナについて、それぞれの伝送位相を含むことを特徴とする方法。 - 請求項19に記載の方法において、
前記伝送パラメータ空間が、前記複数のアクティブアンテナの各々について、それぞれの伝送振幅をさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項19に記載の方法において、
前記伝送パラメータ空間が、前記アダプティブアンテナアレイの複数のパッシブアンテナの各々について、それぞれのパッシブアンテナ電気コンポーネント結合パラメータをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において、
前記受信機がスーパーゲイン構造を備えることを特徴とする方法。
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