Genetic Algorithm-Based Design of Receiver Arrays for 2-D Wireless Power Transfer

(a) An receiver resonator array designed by the proposed method. (b) The transmitter array to mobile device wireless power system premised in the study. (c) The circuit model used in our proposed method.

Resonator design methods play an important role in realizing efficient wireless power transfer via magnetic resonant coupling (WPT-MRC) systems. In WPT-MRC systems, transmitting (Tx) resonator arrays are often used to extend the range of the power supply. However, it is difficult to design a receiving (Rx) resonator that prevents significant drops in transfer efficiency across the Tx resonator array owing to the complexity that stems from fluctuating coupling coefficients. In order to resolve this difficulty, this paper proposes a genetic algorithm-based Rx resonator array design method. Using the proposed design method, the computed minimum transfer efficiency of a power supply system using a Tx resonator array increased from 3.8% to 42.6%, and the computed results were verified by simulations and measurements.

磁界共振結合型無線電力伝送において，給電が可能な領域の拡大や給電効率の向上等，様々な特性を得るために，送受電共振器のアレイ化を含めた形状の提案が行われてきた．しかし，これらの提案は設計者の直感や解析的手法によるものが多く，共振器同士の位置関係が可変である場合など，より複雑な状況に対しては適用が困難であると考えられる．給電用の共振器の設計と同様に電磁界を扱う問題であるアンテナの設計においては，このような複雑な問題に対して，遺伝的アルゴリズム等の進化的アルゴリズムを用いた最適化手法の有効性が示されてきた．

送電共振器アレイを用いた給電システムにおいて単独の受電共振器を用いると，送電共振器アレイの境界上などに送受電共振器間の結合が弱まり，給電効率が著しく低下する位置が存在すると考えられる．スマートフォンなどの携帯型電子機器への給電を想定した場合，このような位置の存在は機器が持つ利便性を大きく損ねてしまう．そこで本研究では，送電共振器アレイを用いた給電システムにおける，最も効率が悪化する位置での給電効率の向上，すなわち最低給電効率の向上という目的に対して，遺伝的アルゴリズムを用いた受電共振器アレイの設計を行った．そして提案手法により設計された受電共振器アレイを用いることで，最低給電効率が3.8%から42.6%に向上することを示し，実験により結果を検証した．

Publications

  1. Takuya Sasatani, Yoshiaki Narusue, and Yoshihiro Kawahara, “Genetic Algorithm-Based Receiving Resonator Array Design for Wireless Power Transfer,” IEEE Access, vol. 8, pp. 222385-222396, Dec. 2020.

  2. Takuya Sasatani, Yoshiaki Narusue, Yoshihiro Kawahara, and Tohru Asami, “Genetic Algorithm-Based Design of Receiving Resonator Arrays for Wireless Power Transfer via Magnetic Resonant Coupling,” Proceedings of IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC) 2016, pp. 1-4, Aveiro, Portugal, May 2016.

  3. 笹谷拓也，成末義哲，川原圭博，浅見徹，”磁界共振結合型無線電力伝送における遺伝的アルゴリズムを用いた受電共振器アレイの設計，” 電子情報通信学会 総合大会，B-21-22，March 2016．

  4. 笹谷拓也，成末義哲，川原圭博，浅見徹，”送電共振器アレイを用いた無線電力伝送における給電効率向上のための受電共振器アレイ形状の検討，” 電子情報通信学会 ソサイエティ大会，B-21-6，Sept. 2015．