CN101981780A

CN101981780A - 感应功率传输

Info

Publication number: CN101981780A
Application number: CN2008801272557A
Authority: CN
Inventors: J·R·迪本; W·H·莱门斯; D·J·霍夫; H·肯努德特; J·德克勒克
Original assignee: Access Business Group International LLC
Current assignee: Access Business Group International LLC
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2011-02-23
Also published as: US20110285210A1; RU2010129840A; AU2008339692A1; US20140333146A1; JP2011507481A; EP2238666A1; KR20150085095A; JP5426570B2; RU2517435C2; MY154347A; US20180191200A1; RU2010129842A; WO2009081126A1; CN103259344B; CN101978571B; JP2011507482A; AU2008339692B2; US20110291491A1; US20150054354A1; KR101687126B1

Abstract

一种在感应功率传输系统的初级单元中使用的检测方法，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于该初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该方法包括：驱动所述初级单元以使得在驱动状态中供应给所述初级单元中的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值从第一值变化成第二值；评估这种驱动对所述初级单元的电特性的影响；以及根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在。

Description

感应功率传输

技术领域

本发明涉及用于例如为便携式电气或电子设备供电的感应功率传输(inductive power transfer)方法、装置和系统。

背景技术

适合于为便携式设备供电的感应功率传输系统可以包括两个部分：

·具有至少一个初级线圈的初级单元，所述初级单元通过所述初级线圈来驱动交变电流，从而创建随时间改变的磁通量。

·与所述初级单元分离的次级单元，所述次级单元具有次级线圈。

当将所述次级线圈放在由所述初级线圈产生的随时间改变的通量附近时，变化的通量在次级线圈中感应出交变电流，并且因此可以将功率从初级单元感应地传输到次级单元。

一般来说，次级单元将所传输的功率供应给外部负载，并且次级单元可以被承载到包括负载的主对象(host object)(次级设备)中或者由之承载。例如，主对象可以是具有可充电电池组(battery)或电池的便携式电气或电子设备。在这种情况下，负载可以是用于为电池组或电池充电的电池组充电器电路。可替换地，该次级单元可以连同合适的电池组充电器电路一起结合在这样的可充电电池或电池组(次级设备)中。

在GB-A-2388716中描述了一类这样的感应功率传输系统。这类系统的显著特性是从物理上来说初级单元的磁系统的“开放”性质；磁路径的重要部分通过空气。这准许初级单元将功率供应给不同形状和大小的次级单元，并且同时供应给多个次级单元。在GB-A-2389720中描述了这样的“开放”系统的另一个实例。尽管现在将注意力放在这样的“开放”且“多设备”系统上，但是这仅以实例的方式并且将会认识到本发明可以扩展到所有感应系统，例如扩展到基本上“封闭”的系统，在所述“封闭”系统中初级单元与次级单元之间存在近似1∶1的关系，具有很少的放置自由性。

返回到“开放”系统，这种系统会遭受许多问题。第一个问题是初级单元不可能100％有效。例如，甚至在不存在次级单元或者不存在需要充电的次级单元时电子设备中的切换损耗以及初级线圈中的I²R损耗会耗散功率。这会浪费能量，所以可能期望初级单元在这种情况下进入低功率“待机模式”。

这种系统的第二个问题是通常不可能机械地阻止将外来对象(foreign object)(由金属制成)放在初级线圈附近并且与该线圈耦合。由金属制成的外来对象可能使得在其中感应出涡流。这样的涡流倾向于起到排除通量的作用，但是因为材料具有电阻，所以流动的涡流可以引起I²R损耗，这可以引起对对象的加热。

可能除了别的之外，存在两个这种加热会很显著的特定情况：

·在任何金属的电阻都高的情况下，例如如果它是不纯的或薄的。

·在材料是铁磁的情况下，例如包括钢。这种材料具有高的导磁率，促进材料中的高通量密度，并且引起高涡流且因此引起高的I²R损耗。

在本申请中，这种引起功率泄漏的外来对象被称为“寄生负载(parasitic load)”。可选地，在存在寄生负载时，初级单元将进入“停机模式(shutdown mode)”，以避免加热它们。

先前已考虑了解决这两个问题的各种方法。

先前所考虑的用于解决第一个问题(即当次级单元不需要充电时不必浪费功率)的方法包括下述各项：

·在第一种方法中，次级单元在充电期间调制其感应负载，引起从初级单元取得的功率的相应变化，以便将信息传送回到初级单元。这向初级单元指示它应该不要处于待机状态。

·在第二种方法中，初级单元基于流入初级线圈的电流和/或该初级线圈上出现的电压的变化来确定是否存在次级单元或外来对象。如果检测到需要充电的次级单元，则初级单元可以不处入待机状态。

·在第三种方法中，初级单元改变其驱动频率，并且因此改变调谐次级单元的耦合因子(coupling factor)(即归因于谐振)。如果次级单元没有取得功率，则在扫频时所取得的功率基本上不存在差别，并且因此初级单元进入待机状态。

·在第四种方法中，初级单元测量流入初级线圈的功率，并且如果该功率低于阈值则进入脉冲待机状态(pulsing standby state)。

·在第五种方法中，初级单元包含检测线圈，所述检测线圈根据次级单元的位置而使功率耦合回它们中。如果不存在设备，则初级单元进入待机模式。

·在第六种方法中，次级单元具有与初级单元中的插槽适配的机械突出物，从而激活它。

·在第七种方法中，初级单元驱动两个线圈，并且在次级单元中存在两个对应的功率接收次级线圈。初级单元测量从每个初级线圈递送的功率并且如果该功率低于阈值则进入待机模式。

·在第八种方法中，初级单元包括谐振回路(resonant tank)和控制电路，所述控制电路用于在该谐振回路中维持比通过感应链路供应功率所需的能量要稍微更多的能量。如果对功率的需要减少，则该控制电路用于停止进一步在该谐振回路中聚集能量。

·在第九种方法中，初级单元包括检测初级线圈的平均电流并且将它与基准相比较的比较器。如果该平均电流低于基准水平，则假设该初级单元处于无载状态。

·在第十种方法中，初级单元在测量阶段期间使初级线圈处于无驱动谐振状况以使得它起到谐振回路的作用，并且测量该谐振回路中的能量衰减以确定从它移除多少能量。使得次级单元将不同负载放在用于不同的这些测量阶段的初级线圈上，并且因此如果存在次级单元则将检测到从初级单元汲取的功率中的差别。在不存在次级单元的情况下，初级单元可以进入待机模式。

·在第十一种方法中，(一个或多个)次级单元被设置成在测量阶段期间处于无载状态，在该时间期间初级单元测量从其初级线圈汲取的功率。如果在进入测量阶段时从初级线圈汲取的功率基本上没有变化，则假设不存在需要功率的次级单元并且初级单元可以进入待机状态。

·在第十二种方法中，(一个或多个)次级单元将与它们的功率需求有关的信息传达给初级单元。然后，初级单元测量从其初级线圈汲取的功率并且将其与功率需求相比较。如果没有接收到这样的信息，则初级单元可以确定不存在次级单元并且可以进入待机模式。

先前所考虑的对第二问题(即寄生负载)的解决方案包括：

·在第十三种方法中，初级单元改变其驱动频率。在该系统中，调谐次级单元，所以该频率变化将导致从初级单元取得的功率的变化。如果作为替代，负载是一块金属，则改变频率将没有显著效果并且初级单元将进入停机状态。

·在第十四种方法中，次级单元中的键(key)激活初级单元。假设如果存在次级单元，则这在物理上将排除任何外来对象。

·在第十五种方法中，初级单元通过驱动两个初级线圈来将功率供应给次级单元。如果由这两个线圈供应的功率量不同，则初级单元假设负载不是有效的次级单元并且进入停机模式。

·在第十六种方法中，初级单元包括比较器，其用于检测初级单元的线圈中的电压和电流的不平衡。这样的不平衡被认为是指示外来体的检测。

·在第十七种方法中，次级单元在充电期间调制其感应负载，引起从初级单元取得的功率的相应变化，以便将信息传送回到初级单元。假设如果在初级单元中没有接收到这样的信息，则或者不存在次级单元或者存在外来对象。

·在第十八种方法中，初级单元基于流入初级线圈的电流和/或该初级线圈上出现的电压的变化来确定是否存在次级单元或外来对象。如果检测到外来对象，则初级单元可以进入停机模式。

·在第十九种方法中，初级单元在测量阶段期间使初级线圈处于无驱动谐振状况。实施一系列测量阶段，在所述测量阶段期间(一个或多个)次级单元将不同负载放置在初级线圈上。测量阶段被配置成使得初级单元可以确定是否存在不期望的寄生负载(即外来对象)。如果确定存在外来对象，则初级单元可以进入停机模式。

·在第二十种方法中，(一个或多个)次级单元被设置成在测量阶段期间处于无载状态，在该时间期间初级单元测量从其初级线圈汲取的功率。如果在测量阶段期间从初级线圈汲取的功率例如高于阈值，则确定存在外来对象并且初级单元可以进入停机模式。

·在第二十一种方法中，(一个或多个)次级单元将与它们的功率需求有关的信息传达给初级单元。然后，初级单元测量从其初级线圈汲取的功率并且将其与功率需求相比较。如果所汲取的功率超过所需功率多于阈值，则确定存在外来对象并且初级单元可以进入停机模式。

许多这些方法假设初级单元与次级单元之间有1∶1的关系。因此，对于诸如在GB-A-2388716中描述的那些的系统这是不够的，其中在GB-A-2388716中可以同时存在多于一个次级单元(或次级设备)。例如，当存在两个次级单元时(一个需要充电而另一个不需要充电)，它们可能不工作。

在存在有效的次级单元时，这些方法中的某些方法不能处理外来对象(例如一块金属)。许多这些方法假设有效次级单元的物理或电气存在暗示次级单元从物理上排除所有外来对象。在特别是次级单元可以关于初级单元任意定位的情况下，这是不一定的，如在GB-A-2388716中描述的那些。

就EMC(电磁兼容性)性能来说，不期望这些方法中的某些方法。例如，上述第三和第十种方法包括频率变化，并且这种变化可以引起与其它系统的干扰。典型地，感应设备被设计成在所分配的频率“通道(chimney)”或“窗口”内操作，也就是说在与其它系统所使用的频率范围分离的某个频率范围内。通过变动或改变操作频率，感应系统可能会增加与EMC需求相冲突的风险。因此，这些方法将被认为是更详细地突出它们可能的缺点。

在第三种方法中，系统在次级侧上谐振，但是不会在初级侧上谐振。因此，当将有效次级设备放在初级单元附近时，整个电路将具有谐振频率。因此，变化驱动频率将变化递送到次级侧的功率，并且因此还变化初级感测电阻器中的电流。当不存在有效次级设备时，该系统不会谐振，并且因此就一阶而言驱动频率中的变化可能没有显著效果。

不具有谐振初级侧可能是不利的。在不存在与电感器的阻抗相对的电容的情况下，存在难以驱动的高阻抗负载。系统因此是低效率的。在谐振系统中，随着瞬时电压的变化能量在电感器和电容器之间循环。在不存在电容的情况下，流出电感器的能量将简单地耗散到驱动器电子设备中。

如果将谐振电容器添加到初级线圈中，则系统可能不会如下面这样适当地运行。如果非谐振外来体在初级侧附近，则因为谐振初级侧的原因，在所递送的功率还有感测电流中仍将存在随着频率的变化。外来体可以以不可预测的方式变化电感和谐振频率。如果在初级线圈和次级线圈之间存在非常强的耦合，则在初级线圈上没有电容器的情况下，可以因为次级上的电容器而使初级电路谐振。然而，这对在其中至少一部分磁路中存在空气的无接触系统不实用。

先前所考虑的第三种方法使用10％的频率调制来得到足够的信噪比。10％实际上是频谱项中频率的非常大的变化。典型地，存在允许辐射的某些“通道”，并且它们不能足够宽以容纳这样的频率变化。另一个考虑是调制本身可以生成多谐波，所述多谐波可以在频率上从基波(fundamental)任一侧扩展得很远。频率的变化还导致在某些时间间隔期间递送的较低的功率；负载可能必须能够处理可用功率的这一周期性减少。

转向先前所考虑的第十种方法，系统通过允许初级单元立即停止将功率递送给初级线圈来运行。这允许系统中的能量衰减到零，并且有可能通过测量衰减率来测量系统中的损耗。进行三个测量来从负载损耗和“友好的寄生损耗(friendly parasitic loss)”(例如包括在有效次级单元中的金属部件)中隔离寄生损耗。该特定方法的主要缺点是功率被暂停，也就是说当功率没有被主动地(actively)传输时在无驱动状态下进行测量。因此，期望在次级设备中具有大的电容器。这样的电容器可以是物理上大的，并且因此不期望集成到诸如移动电话之类的现代次级设备中。然而，一个缺点是突然切断功率引起产生宽的频率谱(参考阶跃响应的傅立叶变换)的瞬态。当在电感器和电容器之间循环的能量衰减时，从可以被暴露在开放系统中的初级线圈辐射该能量。该辐射功率的宽频谱对于EMC来说可能是问题。

先前考虑的其中(一个或多个)次级单元被设置成在测量阶段期间处于无载状态的第二十种方法可能需要在每个次级单元中使用大的保持(holdup)电容器，以维持在测量阶段期间的功率传输。就成本和大小来说这是不利的。

先前考虑的其中(一个或多个)次级单元将与它们的功率需求有关的信息传达给初级单元的第二十一种方法需要实施通信链路。这可能是复杂的技术并且例如在存在多个次级单元的情况下可能需要一定程度的冲突检测。

期望解决某些或所有上面提到的问题。

发明内容

根据本发明第一方面的实施例，提供一种在感应功率传输系统的初级单元中使用的检测方法，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该方法包括：驱动初级单元以使得在驱动状态中供应给初级单元的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值从第一值变化成第二值；评估这种驱动对初级单元的电特性的影响；以及根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在。

初级单元的电特性可以是从初级单元汲取的功率电平(level ofpower)，或者例如根据所汲取的功率电平而变化的特性。

在本发明的实施例中，在与无驱动状态相对的驱动状态中完成评估(例如测量)。也就是说，可以不必暂停功率传输，并且次级单元中可能不需要相当大的存储电容器。此外，本发明的实施例不依赖于频率变化技术，就系统容量和EMC性能来说这都是有利的。“驱动状态”可以被解释成意味着驱动信号被主动供应而不是被动(passively)供应的时候。初级单元可以例如通过临时主动供应驱动信号来进入这种驱动状态，即使它处于“待机”或“停机”模式。

有利地，有可能通过以这种方式驱动初级单元来检测该初级单元附近的一个或多个次级单元和/或外来对象。也就是说，本方法使得能够处理初级单元与次级单元和/或外来对象之间的“1∶多”关系，以及1∶1关系。

这种方法包括驱动初级单元以使得信号幅值显著变化。期望这种变化是显著的(即实质变化)以使得补偿所汲取的功率中的噪声或其它小变化。一种以这种方式来驱动初级单元的可能的方式是变化初级单元的一个或多个初级线圈上的电压电平，这在下文中将变得显而易见。

这种方法可以适于检测需要或不需要功率的次级单元的存在，以及可选地在它们之间加以区别。这种方法可以适合于控制在这种感应功率传输系统中的感应功率传输，并且可以包括在检测到外来对象的情况下和/或在没有检测到需要功率的次级单元的情况下限制或停止来自初级单元的感应功率供应。

这种驱动包括控制初级单元以便将供应给初级单元的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值从第一值变化成第二值。变化驱动信号的幅值是相对直接的驱动方法，因此就成本和复杂性来说它是有利的。相反，变化与驱动信号有关的其它参数可能是复杂的并且具有不期望的负面影响。例如，变化驱动信号的频率可以导致差的EMC(电磁兼容性)性能。在一个实施例中，有可能慢慢地缓升或缓降驱动信号的幅值，而不是分段变化幅值，以便回避与瞬态有关的问题。

第一和第二值可以表征电驱动信号。例如驱动信号可以是波动信号或交变信号。其幅值本质上随着时间变化，并且这些值可以表征波动信号或交变信号(例如就其峰值或RMS值而言)。

这些值可以是在初级单元的一个或多个初级线圈上供应的交变电位差的峰值或均方根(root-mean-square)值。类似地，这些值可以是通过初级单元的一个或多个初级线圈的交变电流的峰值或均方根值。这种类型的值相对来说比较容易控制和维持。

如果这种初级单元的初级线圈中的信号的幅值变化了，则可以花费时间来稳定(settle)它。可选地，因此该方法包括维持所述第一和第二值平稳达足够长的时间以便该初级单元的操作稳定。

该第二值可以比第一值大，或者相反，该第二值可以比第一值小。第二值可以比第一值大或小5％到50％之间(例如10％)。在一个实施例中，可以期望第二值比第一值大，旨在引起所汲取的功率量的增加，例如在存在外来对象的情况下。次级单元中的功率调节可以通过降压调节器来进行，当降压调节器的输入电压接近其输出电压时，所述降压调节器的操作通常是更高效的。降压调节器通常仅可以下转换电压。可以上转换的升压转换器通常比降压转换器的效率低。通过旨在增加所汲取的功率量，也就是说在测量阶段期间通过升高电压，电压在大多数时间将是较低的电压，并且效率将更好。在一个实施例中，可以期望使用升压转换器，而不是降压转换器/调节器。

初级单元可以包括DC-AC转换装置(例如逆变器或其它DC到AC转换器)，其用于将DC电驱动信号转换成随时间改变的电驱动信号，以供应给所涉及的一个或多个初级线圈。在这种情况下，这种驱动可以包括控制转换装置的操作。转换装置的操作可以由占空比支配，在这种情况下驱动可以包括控制DC-AC转换装置的占空比。

初级单元还可以包括用于根据DC输入信号来输出DC电驱动信号的DC-DC转换装置。在这种情况下，这种驱动可以包括控制DC-DC转换装置的操作。该DC-DC转换装置的操作可以由占空比来管理，在这种情况下驱动可以包括控制DC-DC转换装置的占空比。

与控制DC-AC转换装置相比，更优选地是控制DC-DC转换装置。DC-AC转换装置的非50％占空比可以导致偶次和奇次谐波。与奇次谐波相比，谐振电路可能不会很好地滤波偶次(例如2次)谐波，因为在频率范围中更接近该奇次谐波。

可以认为这种驱动包括将初级单元的操作从变化之前的现有状态重新配置成变化之后的变化后状态，这两个状态都是该初级单元的驱动状态。因此，这种评估可以包括获得处于现有状态和变化后状态的初级单元的电特性水平的测量，例如所汲取的功率电平，或者根据所汲取的功率电平而变化的特性。该方法可以包括在现有状态期间维持第一值以及在变化后状态期间维持第二值。这可以有利地包括确保维持第一和第二值足够长的时间以获得有效测量。

这种评估可以包括就初级线圈信号进行电压和电流测量。不需要直接在初级线圈处进行这种测量，并且所述这种测量例如可以是就上面提到的DC电驱动信号的电压和/或电流测量。可以直接在初级线圈处进行这种测量，或者至少在这种转换装置的AC侧进行这种测量，在这种情况下，它们可以是就上面提到的随时间改变的电驱动信号的电压和电流测量。

该方法可以包括取得所述电压和电流的一系列样本，并且这种评估基于样本系列。这些样本可以被平均化或者以某一其它方式结合以改进这种评估的可靠性。对于进一步的这种改进，可以认为驱动和评估形成一组方法步骤，并且该方法可以包括实施多个这样的组并且这种检测基于两个或更多这样的组。可以以这种方式使用其它平均化。

如果确定初级单元的电特性由于这种驱动而已显著变化，则可以确定在所述初级单元附近存在所述外来对象。如果(例如)(一个或多个)初级线圈上的电压显著增加，则外来对象(例如一串钥匙或一块金属)可以汲取显著更多的功率，或者如果该电压显著降低则汲取显著更少的功率。

可选地配置该系统的所述次级单元或每个所述次级单元，以使得当该次级单元在初级单元附近并且从其感应地接收到功率时，其电特性以期望的方式(例如它是调节的次级设备)响应于这种驱动，该方法还包括根据这种评估的结果以及这种期望响应或每个这种期望响应来确定所述次级单元和/或外来对象是否存在于所述初级单元附近。例如可以将所述结果与期望响应或每个期望响应相比较。

对于次级单元或每个次级单元来说，该次级单元的电特性可以是其从初级单元汲取的功率，或者例如根据其从初级单元汲取的功率而变化的特性。

如果所述评估的结果至少部分与所述期望响应或任何所述期望响应无关(或者不与其相对应、或者不与其相映射、或者不承载其特征)，则可以确定存在外来对象。如果所述评估的结果至少部分与所述期望响应或一个所述期望响应有关，则可以确定存在次级单元。对于所述次级单元或至少一个次级单元来说，该期望响应可能是这样的，其电特性不会响应于这种驱动而显著变化。例如，次级单元可以被调节，以使得它们从初级单元汲取相同功率量，只要该功率量是可用的。

一个所述次级单元的期望响应可以不同于其它这种次级单元的期望响应。这种期望响应可以是不同的，因为所涉及的次级单元的类型不同，以及/或者因此该次级单元被结合到不同类型的次级设备中。

鉴于此，该方法还包括在初级单元中、从处于功率需求状态的次级单元或每个次级单元接收与对所涉及的次级单元的期望响应有关的信息。该信息不必直接详述相关的期望响应。例如，该信息可以仅标识所涉及的次级单元的类型，并且该方法可以还包括基于所涉及的次级单元的所标识类型来确定期望响应。例如，初级单元可以存储(或访问)详述不同类型的次级单元的期望响应的信息。

可选地，该方法包括当实施检测时，使用与次级单元或每个次级单元施加到初级单元上的寄生负载有关的次级单元补偿信息，以便补偿该次级单元或每个次级单元的所述寄生负载。例如，有可能以这种方式来补偿存在于期望要存在并且因此不可避免的(一个或多个)次级单元中的金属(或某一其它寄生负载)。在没有该补偿的情况下，有可能可以在(一个或多个)次级单元中检测到作为构成外来体的实质寄生负载。初级单元可以从次级单元或每个次级单元中接收这种次级单元补偿信息。

在初级单元中从一个或多个次级单元接收的一部分或所有这种信息可以经由通信链路接收，该通信链路与感应功率的传输所构成的链路分离，例如通过RFID链路或某些其它分离的通信链路、无线电或其它方式。例如，可以使用红外或超声通信。可以经由感应功率的传输所构成的感应通信链路接收一部分或所有这种信息。可以使用通信链路的任何组合。

该方法还可以包括：当实施这种检测时使用与初级单元本身的损耗有关的初级单元补偿信息，以便补偿所述损耗。例如，有可能以这种方式来补偿存在于期望要存在并且因此不可避免的初级单元中的金属(或某一其它寄生负载)。在没有该补偿的情况下，有可能可以在该初级单元自身中检测到作为构成外来体的实质寄生负载。当有效地处于电磁隔离中时，可能从初级单元进行的测量得到一部分或所有这种初级单元补偿信息。

在检测到初级单元附近的外来对象之后，该方法可以包括限制或停止来自初级单元的感应功率供应。这可以被称为进入“停机”操作模式。在检测到一个或多个需要功率的次级单元之后，该方法可以包括维持或调整来自初级单元的感应功率供应以满足这种需要。这可以被称为进入“操作”或“正常”操作模式。在不存在一个或多个需要功率的次级单元的情况下检测到一个或多个不需要功率的次级单元之后，该方法可以包括限制或停止来自该初级单元的感应功率供应。这可以被称为进入“待机”操作模式。

可能期望除了检测何时进入停机模式之外还检测进入待机模式的条件。例如，在本方法的第一个方面中，在没有检测到需要功率的次级单元的期望行为的情况下有可能限制或停止感应功率供应，这可能是所有存在的不需要功率的次级单元的结果(而不是存在外来对象的结果)。初级单元可以被配置成需要用户输入以退出停机模式，但是不需要用户数输入以退出待机模式。

在一些实施例中，本发明可以有助于驱动单个初级线圈，并且在其它实施例中，可以有助于驱动多个不同初级线圈。例如，一个实施例可以包括在利用第一幅值的信号驱动的一个初级线圈到利用第二幅值的信号驱动的第二初级线圈之间的切换，或者例如同时在驱动第一数目的初级线圈(例如一个)和驱动第二数目的初级线圈(例如两个或更多个)之间的切换，所述第二数目不同于所述第一数目。

根据本发明的第二个方面的实施例，提供一种在感应功率传输系统中使用的初级单元，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该初级单元包括：驱动装置(例如驱动电路)，在操作中驱动所述初级单元以使得其附近的纯电阻性负载从初级单元汲取的功率量将显著变化；用于评估这种驱动对初级单元的电特性的影响的装置(例如电路)；以及用于根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在的装置(例如电路)。

根据本发明的第三个方面的实施例，提供一种感应功率传输系统，其包括初级单元和至少一个次级单元，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的至少一个所述次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该系统包括：驱动装置(例如驱动电路)，在操作中驱动所述初级单元以使得其附近的纯电阻性负载从初级单元汲取的功率量将显著变化；用于评估这种驱动对初级单元的电特性的影响的装置(例如电路)；以及用于根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在的装置(例如电路)。

根据本发明的第四个方面的实施例，提供一种计算机程序，当在初级单元的计算设备上执行所述计算机程序时，使得所述初级单元实施根据前面提到的本发明的第一个方面所述的检测方法。这种计算机程序可以被存储在任何适合的载体介质上，并且可以通过通信链路作为载体信号而传送，这种链路例如是互联网的一部分。

根据本发明的第五个方面的实施例，提供一种用于通过电磁感应将功率从初级单元传输到与该初级单元可分离的次级单元的系统；所述初级单元包括：初级线圈；与所述初级线圈耦合的交变电压或电流源；用于在至少两个电平之间调整所述初级线圈的电压或电流的装置(例如电路)；用于确定由所述初级线圈汲取的功率的装置(例如电路)；所述次级单元包括：次级线圈；电压或电流转换器；其中所述电压或电流调节器起作用以使得从该次级线圈汲取的功率是电压或电流输入电平的已知函数；其中所述初级单元测量由所述初级线圈在至少两个初级线圈电压或电流电平下汲取的功率，并且根据此来停止或限制到所述初级线圈的功率。

根据本发明的第六个方面的实施例，提供一种初级单元，其用于通过电磁感应将功率传输到与该初级单元可分离的次级单元；所述初级单元包括：初级线圈；与所述初级线圈耦合的交变电压或电流源；用于在至少两个电平之间调整所述初级线圈的电压或电流的装置(例如电路)；用于确定由所述初级线圈汲取的功率的装置(例如电路)；其中所述初级单元测量由所述初级线圈在至少两个初级线圈电压或电流电平下汲取的功率，并且根据此来停止或限制到所述初级线圈的功率。

根据本发明的第七个方面的实施例，提供一种用于通过电磁感应将功率从初级单元传输到与该初级单元可分离的次级单元的方法；所述方法包括下述步骤：将交变电流或电压供应给初级单元的初级线圈；在所述初级单元中对所汲取的功率进行第一测量；变化供应给所述初级单元的电流或电压的幅值；在所述初级单元中对所汲取的功率进行第二测量；根据第一和第二测量的结果停止或限制供应给所述初级单元中的初级线圈的交变电流或电压的幅值。

根据本发明的第八个方面的实施例，提供一种用于通过电磁感应将功率从初级单元传输到与该初级单元可分离的次级单元的系统；所述初级单元包括：初级线圈；与所述初级线圈耦合的交变电压或电流源；用于在至少两个电平之间调整所述初级线圈的电压或电流的装置(例如电路)；用于确定由所述初级线圈汲取的功率的装置(例如电路)；所述次级单元包括：次级线圈；电压或电流转换器；其中所述电压或电流转换器起作用以使得从该次级线圈汲取的功率与该次级线圈的电压或电流基本无关；其中所述初级单元测量由所述初级线圈在至少两个初级线圈电压或电流电平下汲取的功率，并且如果存在显著差别则停止或限制功率。

根据本发明的第九个方面的实施例，提供一种初级单元，其用于通过电磁感应将功率传输到与该初级单元可分离的次级单元；所述初级单元包括：初级线圈；与所述初级线圈耦合的交变电压或电流源；用于在至少两个电平之间调整所述初级线圈的电压或电流的装置(例如电路)；用于确定由所述初级线圈汲取的功率的装置(例如电路)；其中所述初级单元测量由所述初级线圈在至少两个初级线圈电压或电流电平下汲取的功率，并且如果存在显著差别则停止或限制功率。

根据本发明的第十个方面的实施例，提供一种用于通过电磁感应将功率从初级单元传输到与该初级单元可分离的次级单元的方法；所述方法包括下述步骤：将交变电流或电压供应给初级单元的初级线圈；在所述初级单元中对所汲取的功率进行第一测量；变化供应给所述初级单元的电流或电压的幅值；在所述初级单元中对所汲取的功率进行第二测量；如果第一和第二测量之间存在显著差别则停止或限制给初级单元中的初级线圈的电流或电压的供应。

根据本发明的第十一个方面的实施例，提供一种在感应功率传输系统的初级单元中使用的检测方法，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该方法包括：驱动所述初级单元以使得其附近的纯电阻性负载(或未经调节的负载、或基本上仅包括纯电阻性负载的测试单元，或在初级单元操作频率附近的频率处不谐振的负载)从初级单元汲取的功率量将显著变化；评估这种驱动对初级单元的电特性(例如从该初级单元汲取的功率电平)的影响；以及根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在。

根据本发明的第十二个方面的实施例，提供一种在感应功率传输系统的初级单元中使用的电压和/或电流模式检测方法，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该方法包括：驱动所述初级单元以使得其附近的纯电阻性负载(或未经调节的负载、或基本上仅包括纯电阻性负载的测试单元，或在初级单元操作频率附近的频率处不谐振的负载)从初级单元汲取的功率量将显著变化；评估这种驱动对初级单元的电特性(例如从该初级单元汲取的功率电平)的影响；以及根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在。

根据本发明的第十三个方面的实施例，提供一种在感应功率传输系统的初级单元中使用的检测方法，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该方法包括：驱动所述初级单元以使得在驱动状态中其附近的纯电阻性负载(或未经调节的负载、或基本上仅包括纯电阻性负载的测试单元，或在初级单元操作频率附近的频率处不谐振的负载)从初级单元汲取的功率量将显著变化；评估这种驱动对初级单元的电特性(例如从该初级单元汲取的功率电平)的影响；以及根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在。

设想本发明的其它方面(或由此的实施例)，例如是在前面提到的各方面中的一个，其中所述次级单元具有电压调节器、电流调节器、电压和电流调节的组合、或功率调节器。

各个方法方面可以通过类推而应用于初级单元方面、系统方面以及计算机程序方面，并且反之亦然。

附图说明

现在将以实例的方式参考附图，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的感应功率传输系统的元件的示意图；

图2是表示根据本发明的一个实施例的方法的流程图；

图3是图1的系统1的另一个示意图；

图4是说明图1的系统中的操作的不同模式以及在这些不同模式之间进行切换的条件的示意图；

图5(A)至图5(E)说明选择图4的模式的条件；

图6是根据本发明的一个实施例的另一个系统的示意图；

图7示出初级线圈和谐振电容器的等效电路以示出从初级线圈来看外来体对等效电路可能具有的影响；

图8示出一组三个图表，分别示出电压V_d、电流I_d和所汲取的功率P的波形；

图9至图11示出与图8所示的那些相似的图表；

图12是图8(a)的放大版本，意图提供关于何时可进行测量的实例；

图13(a)至图13(c)示出在不同条件下图6的系统的时序图；

图14是根据本发明的一个实施例的另一个方法的流程图；

图15是根据本发明的一个实施例的另一个系统的示意图；

图16示出用于为锂离子电池组充电的典型电流和电压分布(profile)；

图17是可以代替系统中的次级单元的次级单元的示意图；

图18和图19是其它次级单元的示意图；

图20是根据本发明的一个实施例的另一个初级单元的示意图；

图21至图23分别是初级单元810、910和1010的示意图；

图24和图25是根据本发明的一些实施例的初级单元的充电表面上的可能线圈布局的示意图；以及

图26是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施例的感应功率传输系统1的元件的示意图。该系统1包括初级单元10和至少一个次级单元20。该初级单元10本身也体现本发明。

初级单元10包括初级线圈12和连接到该初级线圈12以对其应用电驱动信号的电驱动单元14，以便生成电磁场。控制单元15连接到该电驱动单元14，并且包括调整单元16、评估单元17和检测单元18。

调整单元16连接到电驱动单元14以调整或控制应用于初级线圈12的电驱动信号或至少一个电驱动信号。评估单元17连接到电驱动单元14以评估经由所生成的电磁场从初级线圈汲取的功率量。检测单元18连接到评估单元17以根据由该评估单元17完成的评估来检测在初级单元附近的实体的存在，如下文进一步讨论的。

检测单元18可选地连接到调整单元16以使得能够根据检测来控制应用于初级线圈12的电驱动信号。例如，可以根据检测来控制初级单元10的操作模式，例如使初级单元10处于“充电”、“待机”和“停机”操作模式之一。

如上文所提到的那样，初级单元10被配置成生成电磁场，并且可以在初级线圈12附近感应出该场(作为相对于初级单元的功率传输表面或充电表面的水平场或垂直场)。在系统1中使用这样的电磁场以将功率传输到位于初级单元10附近的一个或多个需要功率的次级单元20，以及/或者相反地将功率传输到也位于该附近的一个或多个外来对象30。可以认为一块金属是这样的一个外来对象。可以认为(如上所提到)这样的外来对象是实质“寄生负载”。

初级单元10可以具有任何适合的形式，例如具有形成功率传输表面的平坦的平台，次级单元20或每个次级单元20可放在其上或其附近。在一种情况下，电磁场可以分布在该表面的功率传输区域上，如在GB-A-2388716中描述的那样，通过参考将其整个内容结合于此。将会认识到这种形式的初级单元可以允许一个或多个次级单元20和一个或多个外来对象30同时位于该初级单元附近以从其接收功率。将会认识到许多其它形式的初级单元10可以允许一个或多个次级单元20和一个或多个外来对象30同时位于初级单元附近以从其接收功率。初级单元10的另一个可能的形式是支架(shelf)，可以将次级单元20放在其上以接收功率。这种形式可能是有利的，允许将部分次级设备置于磁场之外。

次级单元20与初级单元10可分离，并且包括次级线圈22，当该次级单元20在该初级单元10附近时所述次级线圈22与由初级单元10生成的电磁场耦合。以这种方式，可以将功率从初级单元10感应传输到次级单元20，而不需要它们之间的直接导电连接。

初级线圈12以及次级线圈22或每个次级线圈22可以具有任何适合的形式，而是例如可以是缠绕在高导磁率线圈架(former)(例如铁氧体或无定形金属)上的铜线。利兹线(Litz wire)是可以在这些情况下使用的特定类型的线。利兹线具有多股绕在一起的线，并且可以帮助降低趋肤效应和邻近效应。初级线圈12和次级线圈22可以是彼此不同，例如在大小、匝数、芯类型以及物理布局等方面不同。可以使用多个初级线圈和次级线圈。初级线圈和次级线圈的数目可以彼此不同。

次级单元20可以连接到外部负载(未示出，在本文中也被称为次级单元的“实际负载”)，并且可以被配置成将感应接收的功率供应给该外部负载。次级单元20可以被承载在需要功率的对象(次级设备)中或者由之承载，所述需要功率的对象例如便携式电气或电子设备或可充电电池组或电池。可以在(上文中参考的)GB-A-2388716中找出关于次级单元20和可以由该次级单元20供电的对象(次级设备)的可能设计的其它信息。在GB-A-2388716中，这样的次级单元被称为次级设备。

在本发明的上下文中，次级单元(和/或包括这种单元的次级设备)可以认为是需要功率的任何电气或电子设备，并且可以是可便携的，诸如例如(即非排他性地)移动电话、PDA(个人数字助理)、膝上型计算机、个人音响设备、MP3播放器等等之类的设备、无线耳机、车辆充电单元、诸如厨房电器之类的家用电器、诸如信用卡之类的个人卡以及用于跟踪货物的无线标签。

在使用中，初级单元10可进入测量阶段，在该测量阶段期间调整单元16用来驱动单元以便变化供应给初级单元的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值，例如从(表征信号的)第一值变化成(表征信号的)第二值。这样的驱动可以被认为是变化在其附近的预定纯电阻性负载、或未经调节的负载、或基本上仅包括纯电阻性负载的测试单元从初级单元汲取的功率量。评估单元17评估这种变化对从初级单元汲取的功率电平的影响。尽管可能还需要考虑所谓的“(如下文进一步讨论的)“友好”寄生负载中的损耗，但是一般来说，这些功率可被次级单元20和/或外来对象30汲取。检测单元18可以基于在评估单元17中进行的评估来检测在初级单元附近的次级单元20和/或外来对象30的存在。

如果检测到外来对象30，则初级单元10可以进入停机模式。如果没有检测到这样的外来对象30，则在检测到需要功率的次级单元20的情况下初级单元10可以进入(或保持在)充电模式，或者在没有检测到这样的需要功率的次级单元20的情况下初级单元10可以进入待机模式。例如如果存在次级单元20但是它不需要功率，则可以进入待机模式。

可以认为本发明的实施例基于下面的概念而操作。在一个实施例中，次级单元20被配置成响应于由初级单元10的调整单元16实现的变化而具有已知的功率需求特性。在另一个实施例中，次级单元20被调节以从初级单元10汲取基本上恒定的功率量(这是优选的、这种功率需求特性)，而不管由调整单元16实现的变化。相反，外来对象通常是未调节的负载，并且因此由该外来对象30所汲取的功率可与由调整单元16实现的变化相一致地变化。只要次级单元20的功率需求特性(即具有所汲取的基本上恒定的功率，或者某一其它这样的特性)与外来对象的功率需求特性显著不同，初级单元10就可以通过在评估单元17中评估从初级单元汲取的功率来在检测单元18中检测次级单元20和/或外来对象30的存在。

图2是表示根据本发明的一个实施例的方法40的流程图。方法40可以在初级单元10中实施。方法40包括步骤S2、S4和S6。

同时或者通常并行地高效地实施步骤S2和S4。在步骤S2中，变化供应给初级单元10的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值。这可以由调整/控制单元16来实施。在步骤S4中，评估所述变化对从初级单元汲取的功率的影响。这可以通过评估单元17来实施。

在步骤S2和S4之后实施步骤S6。在步骤S6中，基于在步骤S4中确定的所评估的影响来检测次级单元20和/或外来对象30的存在。这可以由检测单元18来实施。

尽管未在图2中示出，但是在步骤S6的检测之后，初级单元可以置于充电、待机或停机操作模式中。

如上文所提到的那样，初级单元10可以采用平板的形式或者使得例如多个次级单元20能够同时从其接收功率的其它形式。这样的形式将使得单个次级单元20能够从相对于初级单元10的多个不同位置或定向接收功率。对于如何建立这种形式的初级单元的示例，读者可以关注GB-A-2388716。图3是由上文看出的指示这种可能性的系统1的示意图。初级单元10具有搁置在其功率传输表面上用于从其感应地接收功率的三个次级单元20(被示出为结合在便携式电气/电子设备中)。示出了不同类型/种类(和/或结合在不同类型/种类的设备中)的三个次级单元20，但是它们可以彼此相同。初级单元10还具有搁置在其功率传输表面上的外来对象30，其可以是诸如一串钥匙之类的金属对象。在这种情况下，对外来对象30的检测可以使得初级单元进入停机模式。

在待机和停机模式中，通过感应从初级单元供应的功率可以被限制或停止以节省功率和/或避免加热外来对象。初级单元可以保持在停机模式直到以某一方式重置它为止。这样的重置可以通过初级单元10的用户手动启动，或者可替换地，控制单元15将定期、或时常开始再次供应感应功率并且通过重复图2的方法40的步骤来实施测量阶段。也就是说，可以时常实施测量阶段以确定外来对象30是否已从初级单元10的附近移除。这些测量阶段还可以检测是否存在需要功率的次级单元20。

图4是说明系统1中的不同操作模式以及在这些不同的模式之间进行切换的条件的示意图。所示出的三个操作模式是操作模式(或充电模式)60、停机模式62和待机模式64。将会认识到，在一个实施例中可以存在其它操作模式，例如“配置”模式。

在操作模式60中，初级单元10大部分时间处于充电状态(即供应感应功率)，但是如上述那样定期进入测量阶段66、68。如果测量阶段66的结果是确定没有次级单元20需要功率，则初级单元10进入待机模式64。如果测量阶段68的结果是确定存在显著的寄生负载(即外来对象30)，则初级单元10进入停机模式62。

在待机模式64中，电驱动单元14大部分时间是停止的，因此消耗很少功率。初级单元10定期地或时常进入充电状态(即感应地供应功率)，并且实施测量阶段70、72以检查它是应该进入操作模式60还是停机模式62。否则，它保持在待机模式64。

停机模式在功能上与待机模式相同，具有相应的测量阶段74、76。然而，这两个模式可以通过提示用户移除任何实质寄生负载(即外来对象30)的某些用户界面特征(例如LED)来区分。

图5(A)至图5(B)说明在系统1中选择图4的模式的条件。在图5(A)中，在初级单元10附近不存在次级单元20。在这种情况下，初级单元10处于待机模式64。在图5(B)中，在初级单元10附近不存在次级单元20但是存在实质寄生负载(即外来对象30)。在这种情况下，初级单元10处于停机模式62。在图5(C)中，在初级单元10附近同时存在次级单元20和实质寄生负载二者。在这种情况下，初级单元处于停机模式62。在图5(D)中，在初级单元10附近存在次级单元20，但是连接到次级单元20的负载(实际负载)当前时间不需要任何功率。在这种情况下，初级单元10处于待机模式64。最后，在图5(E)中，存在初级单元20，并且其负载需要充电或操作的功率。因此，初级单元10处于操作模式60。

图6是根据本发明的一个实施例的系统100的示意图。系统100可以被认为是图1的系统1的同等物，并且因此包括具有初级线圈12的初级单元10和具有次级线圈22的次级单元20。以与上文参考系统1所解释的基本上相同的方式来通过电磁感应将功率从初级线圈12传输到次级线圈22。

尽管未在图6中示出，但是将会认识到系统100可以包括多个次级单元20并且所述这些次级单元20可以同时从初级单元10接收感应功率。此外，可以与这样的次级单元20同时存在外来对象30(也未在图6中示出)。

除了初级线圈12之外，系统100的初级单元10还包括DC/DC转换器102、逆变器104、电容器106、电阻器108、差分放大器110、缓冲器112和114、以及微处理器单元(MPU)116。除了次级线圈22之外，系统100的次级单元20还包括整流器118、DC/DC转换器120、负载122、电容器124、以及差分放大器126。缓冲器114可以被认为是峰值检测器，并且用来测量线圈12上的峰值电压。

从图6将会认识到，次级单元20示出为结合在便携式设备中，其是需要功率的对象。为了简单起见，便携式设备被示出为与次级单元20相同，然而，该次级单元20可以是便携式设备的组成部分(例如可移除的)。因此，负载122可以被认为是次级单元20的实际负载，尽管它可以与初级单元20分离。系统100的初级单元10被示出为充电器，其在操作中通过电磁感应为便携式设备20充电。

在系统100的初级单元10中，连接DC/DC转换器102以接收外部DC输入，并且该DC/DC转换器102在操作中将所接收到的DC输入下转换成较低的DC电压V_d。为了高的效率，DC/DC转换器102可以是切换模式(switch-mode)降压转换器。连接该DC/DC转换器102以驱动逆变器104，所述逆变器104在其输出端生成AC电压。该逆变器104可以是从基准振动器(未示出)驱动的MOSFET半桥。

逆变器104输出的AC电压被用来驱动初级感应线圈12。电容器106与初级线圈12串联连接，并且线圈/电容器组合被配置成使得它在逆变器104的操作频率处谐振。为了降低存在于驱动初级线圈的电驱动信号(即逆变器104的输出)中的谐波，可以期望在逆变器104和初级线圈12之间提供LC镇流器电路(未示出)。初级线圈12的峰值线圈电压V_pc通常比DC电压V_d大得多，因为逆变器之后的电路(即包括初级线圈12和电容器106)被配置成谐振的。

在本实施例中，操作频率被认为是恒定的并且因此不需要进一步评论。然而，因为效率的原因，操作频率当然可以变化(即可调的)。的确，可以以调节线圈电压(即线圈中的电驱动信号的幅值)的方式调谐频率。例如，如果初级线圈被配置成谐振的，则有可能通过改变频率来改变驱动信号的幅值。

在系统100的次级单元20(便携式设备)中，次级线圈22连接到与电容器124串联的整流器118的输入端，再次使得线圈/电容器组合谐振。在使用中，次级线圈22表示具有经由电磁感应从初级线圈12接收的AC电压的整流器。整流器118整流该AC电压以将DC电压输出给DC/DC转换器102。该DC/DC转换器102下转换来自线圈的经过整流的电压以与负载122所需的输入电压相匹配。

DC/DC转换器102可以是切换模式转换器(类似于转换器102)，而不是线性转换器。切换模式转换器通常能够从一个DC电压转换到另一个DC电压，远比线性转换器有效。此外，一般来说，切换模式转换器的输入电压的效率要比线性转换器的效率变化小。线性转换器降低电阻上的任何过压。因此，输入电压和输出电压之间的差越大，效率就越低。这一输入电压的效率的变化可以致使由系统100的次级单元20汲取的功率取决于输入电压，这使得更难以实施本发明的实施方式。

次级单元20的DC/DC转换器120可选地被配置成将恒定电压递送给负载122。通过包括差分放大器126的反馈回路来维持该恒定电压。实质上，DC/DC转换器120的输出电压被用来控制DC/DC转换器120的占空比，以维持所需的负载122的输入电压V_load，而不管DC/DC转换器120的输入电压的变化。

负载122的电压需求可以随着时间而变化，例如如果负载122是具有充电周期的电池组。因此DC/DC转换器120可以被配置成将所需的负载电压V_load维持在不同的电平处以用于这种充电周期的不同部分。然而，所需的负载电压V_load通常以相对缓慢的时间标度(timescale)变化，以使得它在特定测量阶段或测量阶段组上看起来相对恒定。

系统100的初级单元10将初级线圈电压V_pc调节在预定的电压电平。这通过包括缓冲器(峰值检测器)114和微处理器单元116的反馈回路来实现。如图6所示，初级线圈电压基本上被缓冲器114缓冲并且被输入到微处理器单元116中。基于初级线圈电压，微处理器单元116可以控制DC/DC转换器102的占空比以便维持V_pc的预定电平。反馈可以是用于快速响应的模拟反馈和针对大动态范围经由微处理器单元116的数字反馈的组合。初级单元10被配置成维持该预定初级线圈电压V_pc，而不管由次级单元20(和/或任何其它这样的次级单元20或外来对象30)所表示的负载。

系统100的初级单元10还能够确定经由初级线圈12汲取的功率量。在该实施例中，这通过测量从DC/DC转换器102汲取的电压V_d和电流I_d二者来实现。经由缓冲器112将电压电平V_d输入到微处理器单元116，从而提供适当的电平偏移(level-shifting)和缓冲。电阻器108连接在DC/DC转换器102和逆变器104之间以使得电流I_d从其中通过。因此，通过利用差分放大器110测量电阻器108上的电压来测量该电流I_d，并且差分放大器110的输出被输入到微处理器单元116。这时测量电压和电流的优点是信号是DC的。在微处理器单元116中，使用模拟到数字转换器(ADC)来采样电压并且低通滤波所述电压以降低噪声。平均化可以用作这种滤波的一部分。在本实施例中，在微处理器单元116内确定电压V_d和电流I_d的值并且将它们相乘以确定所汲取的功率。

如上面所提到的那样，当金属对象(即外来对象30)与由初级线圈12所感应的电磁场耦合时，在金属表面感应出电涡流。因为这些涡流限于金属表面(由趋肤深度确定)，所以它们具有流通在其中的减小的横截面并且因此可以经受相对高的AC电阻。因此，金属对象表现为电阻性负载，电阻的值取决于材料的类型、几何结构和操作频率(即通过初级线圈12的AC电流的频率)。

图7示出初级线圈12和谐振电容器106的等效电路，以示出从初级线圈12来看外来体30对该等效电路可能具有的影响。

图7(a)示出具有初级线圈12和谐振电容器106的初级电路，其中外来体30非常接近所述初级电路。认为在图7(b)至图7(d)的每个图中也存在外来体，但是为了简单未示出。在图7(a)中，认为外来体没有影响，也就是说就像它不存在。因此，图7(a)的等效电路与图6中的电路相同。

在实际电路中，电感器12和电容器106将具有寄生现象，以使得它们不是纯的电容和电感(例如电容器电串联电阻、电感器电阻和互绕电容等等)。

图7(b)示出当外来体30是导体(例如铜或铝)时的电等效电路。在体30中感应出流通的涡流。这些作用以降低电感。金属也将具有AC电阻，这取决于导体的厚度、其电阻率以及磁场的频率。这将导致附加的损耗。该效应好像是电感132和电阻134的串联组合与初级线圈12并联。例如在相对低的频率下，作为外来体30的厚铜块将对电感变化具有支配性的影响。然而，作为外来体30的薄铜块将对电阻变化有支配性的影响。一般来说，导体的影响是降低电感并增加初级电路的谐振频率。损耗将导致功率被消耗，并且加热外来体30。可以达到非常高的温度，特别在体30不那么大并且因此不能高效地耗散热量的情况下。因此，存在这样的金属可以看作是从电源汲取的功率的增加。

图7(c)示出当存在作为外来体30的非传导(nonconductive)或低导磁材料(例如铁氧体)时的电等效电路。磁材料的存在变化整个磁路的磁阻。这对增加有效电感有影响。然而，将会引入可以由串联电阻表示的损耗。该效应就好像是电感132和电阻134的串联组合与初级线圈12串联。因此，磁性材料的存在将增加电感并且降低初级电路的谐振频率。电阻134的存在将引入损耗，其接着将增加从电源汲取的功率。

图7(d)示出当存在具有磁和传导特性二者的外来体30(例如硅钢)时的电等效电路。该效应好像是电感132和电阻134的串联组合与初级线圈12并联，并且另一个这样的串联组合与初级线圈串联。这样的材料可以增加或降低电感，这取决于其组分。或者可替换地，如果两个电感变化是相似的，则电感实际上可能未变化。因此，谐振频率可能降低、增加或保持不变。然而，电阻134的存在将引入损耗，其接着将增加从电源汲取的功率。

因此，检查谐振频率的变化可能不是存在外来体的可靠指示。可以考虑作为外来体的磁材料不可能与该系统接触的观点。然而，仍有以下可能性：可以存在同时作为合理(legitimate)次级设备的传导外来体。合理次级设备通常将具有缠绕在磁芯上的线圈或可替换地在其后面具有磁屏蔽的平面线圈。存在与设备相关联的磁材料可以增加电感，而存在传导外来体可以降低电感。取决于相对幅值，将存在电感的增加、降低或不发生变化，但是通常合理设备的电感变化将占支配地位。实际上可能很难隔离外来体的影响以便以这种方式可靠地检测它。

图8示出一组三个图表，分别示出电压V_d、电流I_d和从初级单元10汲取的功率P的波形。通过将电压V_d的波形和电流I_d的波形相乘来得到所汲取的功率P的波形。对于图8，假设需要功率的次级单元20在初级单元10附近并且不存在外来对象30。

对于绝大部分时间来说，初级单元10处于“正常”状态，并且将恒定的电压V_d提供给逆变器104的输入端。定期地或时常实施测量阶段。在该阶段期间，变化电压电平V_d，在这种情况下使它增加大约10％。其中电压V_d已增加10％的阶段将被称为“升压”状态，并且如图8中那样被标识。从图8可以认识到，第二次变化在电压电平V_d从升压状态返回到正常状态时出现。因此，将认为已出现了两个测量阶段，然而，出于本目的，将专注于第一次变化，即从正常状态到升压状态。

该测量阶段被用来检查外来对象30的存在。响应于在升压状态期间电压电平V_d的增加，AC线圈电压Vpc也被升高。结果，次级单元20中的AC线圈电压也增加并且接着由整流器118输出的经过整流的DC电压也会增加。然而，如上文所解释的那样，次级单元20中的DC/DC转换器120可以经由反馈回路来适配，以便继续在负载122处提供恒定电压V_load。这接着可以意味着DC/DC转换器120汲取较少的电流，以使得由次级线圈122汲取的总功率近似恒定(忽略整流器118和DC/DC转换器120二者的输入电压的效率的相对不显著变化)。相应地，初级线圈12可以汲取较少的电流并且因此电流I_d可以如图8(b)所示那样减小。因此，尽管电压V_d在升压状态中增加，但是可存在电流I_d的相应的减小以使得从初级单元10中的DC/DC转换器102汲取的功率P保持近似恒定，如图8(c)所示的那样。

图9类似于图8，除了图9的图表表示当在初级线圈12附近存在金属对象(外来对象30)并且不存在需要功率的次级单元20时的情况之外。初级单元10以图8那样的相同方式升高电压电平V_d，也就是说从正常状态到升压状态。然而，在这种情况下，作为对存在汲取恒定功率的调节负载的代替，存在等同于图7(b)至7(d)中示出的那些负载的电阻性负载。这种电阻性负载没有调节，并且相应地当电压V_d增加时，电流I_d也因此如图9(b)所示出的那样增加大约10％，且所汲取的功率P相应地增加大约21％。

在实际的系统中，可能存在某些非线性并且这可能需要考虑。例如，如果在整流器118中使用二极管，则这些二极管上降低的电压通常将不会显著变化，以使得整流器的效率在较高的电压处(即在升高的电压处)增加。此外，DC/DC转换器120的效率实际上将随着输入电压的变化而变化。因此，期望将图9(c)中功率变化与阈值水平相比较，并且要求功率差高于该阈值以证实(establish)存在外来对象(假设功率差低于阈值可由这种非线性引起的)。

图10和图11类似于图8和图9，除了现在假设同时存在需要功率的次级单元20和一块金属(外来对象30)二者之外。在这种情形下，当电压V_d增加时次级单元20的经过调节的负载将导致电流I_d的降低，但是当电压V_d增加时金属(外来对象30)将导致电流I_d的增加。图10示出归因于次级单元20的电流变化大于归因于金属的电流变化的情况，并且图6示出归因于金属的电流变化大于归因于次级单元20的电流变化的情况。将会认识到，因为在不调节的情况下一块金属构成电阻性负载，所以如果存在金属则所汲取的功率P应该增加。

基于上述内容，将会认识到通过在电压电平V_d变化时评估所汲取的功率P的变化，有可能确定在初级单元10附近是否存在需要功率的次级单元20和/或外来对象30。实施这一评估的一个实例方式是在该变化之前和之后进行测量。图12是图8(a)的放大版本，意图提供关于何时可进行这样的测量的实例。可以首先在正常状态中测量所汲取的功率P。允许足够的时间S1来使系统从可能已经发生的任何其它事件稳定下来。在该时间S1期间，可以重置滤波器。然后，在正常状态期间可以在测量时间间隔A上采样电流I_d和电压V_d，并且得到平均值或经过滤波的值。如上面所提到的那样，通过将电压V_d和电流I_d值一起相乘来计算所汲取的功率P。接下来，电压电平V_d增加10％从而进入升压状态。在来自先前测量的另一个稳定时段S2之后，电流和电压被再次采样并且在第二测量时间间隔B期间被平均化/滤波。再次，通过将电压和电流值一起相乘来计算在升压状态中汲取的功率P。

从技术上来说，有可能在一个实施例中仅测量电流(在电压被控制时)来评估功率电平。也就是说，在某种程度上测量电压并且使电压乘以电流是多余的。本发明可以通过设置一个电压并测量电流并且然后设置另一个电压并测量电流来以简单的形式体现。也就是说，没有必要特别获得功率值，而是仅需要获得功率电平的“测量”或“指示符”。因此应该相应地解释本文所公开的实施例。

如果在升压状态中汲取的功率P超过在正常状态中所汲取的功率达预定量(例如超过阈值量)，则可以确定在初级单元附近存在外来对象。然而，在一个实施例中，有可能在两次测量之间变化次级单元中的负载，例如在负载122(例如电池组)的充电周期从一个区变到下一区的情况下。因此，期望连续实施两组测量。可以认为这些组包括不同的测量阶段或者可以一起考虑这些组以形成单个测量阶段。如果这两个测量组是一致的，则可以确定确实存在外来对象30。

图13示出在不同条件下系统100的时序图。图13(a)示出当初级单元10附近存在次级单元20且不存在外来对象30时处于正常操作的系统100。如上所述，初级单元10通过升高电压电平V_d并且进行一组两次测量定期或时常检查来看是否存在任何外来对象30。如果两次测量的结果在某个容限内，则系统可以推断出不存在外来对象30，并且可能没有必要进行另一组测量。然后，系统在实施另一组这样的测量之前等待预定时段。在图13(a)所示的实例中，在每一组这样的测量之间存在500毫秒的实例时段，并且升压状态维持例如10毫秒的时段。

图13(b)示出当检测到外来对象30时的系统。在这里，假设第一测量组示出功率电平的显著差别，所以立即接着是第二组这样的测量。如果两组测量彼此一致，则系统将功率供应降低为零，以防止功率被递送到外来对象30中并且加热它。可以认为这与上面所讨论的进入停机状态的系统等同。

图13(c)示出当存在外来对象30时的系统。因此，假设系统处于停机模式，并且系统时常检查来看是否已移除了外来对象30。因此，在绝大部分时间期间，不存在电压(即电压电平V_d为零)，以便防止加热外来对象。在可以进行测量之前，定期将电压电平V_d提升到正常状态。如果仍存在外来体30，则初级单元10将进行两组测量，并且然后再次将电压电平V_d降到零。然而，如果已移除了外来对象30，则第一组功率测量将基本上与另一组相同并且可以恢复正常操作状态。可以认为这与离开停机模式并且进入操作的操作模式的系统等同。

如果应用(比正常和升压状态电压)更低的电压，则在某种情况下次级设备负载调节有可能将起作用。在这种情况下，有可能以二者都低于(或其中一个低于)正常和升压状态的两个电压电平进行测量。

图14是根据本发明的一个实施例的方法200的流程图。方法200包括步骤S200到S244，并且可以由系统100来使用。

在步骤S200中，功率(即电压电平V_d)被设置成“正常”状态，并且然后在步骤S202中允许系统稳定，在这种情况下稳定10ms。在步骤S204中，测量所汲取的功率P并且在步骤S206中将其存储为值P1。在步骤S208中，进行检查来看所汲取的功率P1是否大于某一阈值功率电平X。如果所汲取的功率P1小于或等于X，则假设不存在需要功率的设备并且在步骤S210中关断功率(即电压电平V_d被设置成零)。如果不存在需要功率的次级单元，则在步骤S212中系统将在返回到步骤S200之前等待预定的时间量(在这种情况下等待500ms)来看是否已出现次级单元。可能如下面所考虑的那样，存在次级单元(例如结合在次级设备中)，但是该次级单元不需要功率。

如果在步骤S208中，确定所汲取的功率P1大于X，则在步骤S214中将功率(即电压电平V_d)提高到“升压”状态。然后，在步骤S216中允许系统再次稳定10ms。在步骤S218中，测量所汲取的功率P并且在步骤S220中将其存储为值P2。然后，在步骤S222中使功率返回到“正常”状态。

在步骤S224中，确定P2和P1之间的差(即P2-P1)是小于还是等于给定的阈值Y。如果是这种情况，认为值P2和P1基本上彼此相同，并且因此假设不存在金属(即没有外来对象30)。在这种情况下，该方法将功率留在“正常”状态并且继续到步骤S212，在该步骤S212中系统将在返回到步骤S200之前等待预定的时间量，在这种情况下等待500ms。

如果确定P2-P1大于阈值Y，则可以意味着存在金属(即外来对象30)，或者将意味着本次级单元20的实际负载已在两次测量之间变化。为了解决这样的不确定性，对“正常”状态和“升压”状态的每一个都进行两次更多的测量。

在这一点上，方法继续到步骤S226，在该步骤S226中，允许系统稳定在“正常”状态中，在这种情况下为10ms。在步骤S228中，测量汲取的功率P并在步骤S230中将其存储为值P3。在步骤S232中，然后将功率(即电压电平V_d)提升到“升压”状态，并且然后在步骤S234中允许系统再次稳定10ms。在步骤S236中，测量所汲取的功率P并且在步骤S238中将其存储为值P4。然后，在步骤S240中使功率返回到“正常”状态。

在步骤S242中，确定P4和P3之间的差(即P4-P3)是小于还是等于阈值Y。这类似于在步骤S224中进行的确定，并且因此将会认识到可以以这种方式将第二组测量(P3、P4)与第一组测量(P1、P2)相比较。

如果第二组测量也指示差大于Y，则系统确定存在金属(即外来对象30)并且通过继续到步骤S210来将功率设置成“断(Off)”。否则，该方法将功率留在“正常”状态中，并且继续到步骤S212，在该步骤S212中系统将在返回到步骤S200之前等待预定的时间量，在这种情况下等待500ms。系统通过返回到步骤S200再次检查来看是否已存在任何变化(例如将某些金属放在充电器线圈附近)。

需要阈值水平Y足够大来适应由因系统中的任何不确定性和存在的噪声而引起的任何误差。有可能降低不确定性，这将允许检测较低水平的寄生损耗。

系统中的损耗可以被分配为：

1.固定的焊盘(pad)损耗(即在初级单元10中)

2.可变的焊盘损耗(即在初级单元10中)

3.固定的接收机损耗(即在次级单元20中，或在次级设备中)

4.可变的接收机损耗(即在次级单元20中，或在次级设备中)

5.负载(即在实际负载122中)

6.“寄生”损耗(即在外来金属对象中)

7.“友好寄生”损耗(即在存在于次级单元或设备中的金属中)

应该在测量之间使固定损耗(1、3)保持相同，而不管是处于“正常”状态还是“升压”状态。也应该在测量之间保持负载相同(第二组测量用来处理测量之间负载显著变化的情况)。可变损耗(2、4)添加测量的不确定性。有可能通过相对于线圈电压针对效率校准系统来补偿这一不确定性。结果产生的测量将检测“寄生”损耗(6)和“友好寄生”损耗(7)的组合。有可能确定“友好寄生“(7)来降低不确定性。例如，便携式设备(次级单元20或结合次级单元20的次级设备)可以在启动时将什么是其“友好寄生”传达给充电器(初级单元10)(或者它可以传达表示该信息的代码诸如设备类型)。因此，通过使用这样的附加信息，有可能改进系统的精确性和鲁棒性。

图15是根据本发明的一个实施例的系统300的示意图。可以认为系统300等同于系统1和100，并且因此包括具有初级线圈12的初级单元10和具有次级线圈22的次级单元20。以基本上与上文参考系统1所解释的相同方式来通过电磁感应将功率从初级线圈12传输到次级线圈22。

尽管未在图15中示出，但是将会认识到系统300可以包括多个次级单元20并且这些次级单元20可以同时从初级单元10接收感应功率。此外，可以在与该次级单元20的同时存在外来对象30(也未在图6中示出)。

系统300非常类似于系统100，并且因此为了简单起见使用相同的参考标记并且省略重复的描述。系统300不同于系统100之处在于通过测量初级线圈12处的电压和电流来确定所汲取的功率P。这具有的优点是测量更精确，因为直接在初级线圈12处，而不是如系统100那样在逆变器104的输入端处。然而，与系统100相比系统300可能不那么有利，因为i)在初级线圈12处测量的电压和电流是AC的，并且因此可能更难以确定，尤其在波形失真的情况下；ii)可以期望确定电压和电流之间的相角以证实所汲取的功率与存储在包括初级线圈12和电容器106的谐振电路中的能量不同；iii)初级线圈12处的电压比逆变器104的输入端处的电压高的多。

在系统300中，利用峰值检测器来测量初级线圈12处的电压(由缓冲器114来实施)，并且利用电流互感器/传感器302(经由缓冲器312)来测量电流。同等地，如在系统100中那样，将使用串联感测电阻器来测量电流。为了确定由线圈12汲取的功率P，微处理器单元316(等同于系统100中的微处理器单元116)测量初级线圈12上的rms AC电压V_ac(等同于电压V_pc)；测量通过初级线圈12的rms AC电流I_ac；以及确定它们之间的相差φ。然后，所汲取的功率由P＝V_acI_ac|cosφ|给出。在测量AC电流和电压时，可期望使用锁定(lock-in)放大器(微处理器316内的数字放大器或者微处理器316外部的模拟放大器)。这可以使用在逆变器104中使用的基准振荡器来对所需的信号进行“锁定”，并且显著改进信噪比(SNR)。

参见系统100和300，在其它实施例中有可能测量电压和电流，期望用于确定在这些系统中的各个其它点处(例如在DC/DC转换器120的输入端处)所汲取的功率P。

在上述实施例中，所考虑的主要配置是将恒定电压供应给负载122。然而，在其它实施例中有可能直接为电池组充电。图16示出用于为锂离子电池组充电的典型电流和电压分布(对于锂聚合物电池组和其它衍生物的分布是相似的)。最初，如果电池组被充分充电，则以低的电平(大约最大值的10％)供应恒定电流，并且这通常被称为涓流充电(trickle charging)。继续这样直到电池组达到大约3V为止。在这之后，以最大电平供应恒定电流直到电池组达到4.2V为止。这时，输出电压被调节到4.2V并且电流逐渐减小直到充电电流约为最大值的7％。因此，在充电周期期间可以在不同的点处使用恒定电流调节和恒定电压调节二者。

图17是可以代替系统1、100和300中的次级单元20以形成本发明的其它实施例的次级单元420的示意图。相应地，次级单元420中的已经在上文中参考次级单元20所描述的那些元件由相同的参考标记表示，并且省略重复的描述。

次级单元420具有作为其实际负载的电池组422(即代替负载122)。充电控制器424布置在整流器118和电池组422之间，并且包括DC/DC转换器424、差分(或偶运算(even operational))放大器428、430和432，以及电阻器434。DC/DC转换器424以与次级单元20中的DC/DC转换器120相似的方式连接在整流器118和电池组422之间，即下转换由整流器118输出的电压以供应给电池组422。电阻器434连接在DC/DC转换器426和电池组422之间，以使得流入电池组的电流I_load在其间流过。连接差分放大器428和430以按电阻器434上的电压测量该电流并且将电流I_load的测量结果(电流感测)输入到DC/DC转换器426中。连接运算放大器432以测量供应给电池组422的电压V_load，并且也将(电压感应的)该测量结果输入到DC/DC转换器426中。返回参见图16，在恒定电压阶段期间旨在调节电压，并且在恒定电流阶段期间旨在调节电流。

来自差分(或运算)放大器428、430、432的两个路径的输出被用来控制DC/DC转换器的占空比。变化占空比将变化输入电压和输出电压的比值。同样地，在给定的时刻处，在输出端处将有某种形式的负载，因此可以调整DC/DC电压输出以给出所需的电流。将认为次级单元420具有控制单元，其将来自两个路径的输出用作输入，并且相应地调整DC/DC转换器的占空比。控制功能可以以许多不同的方式体现，例如作为包括用于控制MOSFET的适当的逻辑电路的电子芯片。

顺便地，注意在本发明的任何实施例中的DC/DC转换器可以是代替下转换器的上转换器(升压转换器)或上/下转换器(降压-升压转换器)。然而，下转换器趋向于更有效。

在恒定电流阶段期间，电流感测主要用于将电流I_load调节成恒定的。当初级单元10中的电压V_d增加时，接收机线圈22上的电压将存在相应的增加，并且因此经过整流的、输入到DC/DC转换器426的电压将存在相应的增加。在没有反馈的情况下，V_load和I_load都将增加。然而，来自电流感测的反馈用来确保负载电流I_load保持恒定。这导致降低接收机线圈(次级线圈)22中的电流。因此，初级线圈12中的电流减小。由此，在忽略电压电平或其它可变损耗的效率的任何变化的情况下，由初级线圈汲取的功率P应该保持近似相同。

在电压调节模式和电流调节模式二者中，由充电器控制器424汲取的功率可以近似与次级线圈22的电压无关。次级线圈电压中的任何变化可以在次级线圈电流的变化中反映。充电控制器424的功率需求将随时间而变化，但是与在上述本发明的实施例的使用期间进行的测量相比这将相对较慢。因此，当初级线圈电压增加时，初级线圈电流将相应地降低，以使得所汲取的总功率保持近似相同。

已发现，某些充电控制器424已重复在涓流充电阶段期间出现的电流的尖峰。如果这些尖峰的时段正好与进行测量的时段相一致，则它可能产生错误的结果。这可以通过进行三组测量而不是两组，并且通过确保第二组和第三组之间的时间完全不同于第一组和第二组之间的时间来克服。

将会认识到，没有必要在恒定电流或恒定电压的条件下操作DC/DC转换器120、426。如果由次级单元汲取的功率P不会随着次级线圈22上的输入电压而变化(或者可预测地变化，即以某一预定方式变化)，则该系统将适当地操作。这与供应给负载122、422什么电压或电流无关。

图18和图19是次级单元520和620的示意图，其分别被配置成使得系统(还包括初级单元)能够将重点放在调节所汲取的功率P，而不是特别供应给负载122、422的电压或电流。次级单元520和620可以代替次级单元20和420以形成本发明的其它实施例。

参考图18，(除了由与图6的次级单元20相同的参考标记所表示的那些元件之外)次级单元520还包括：运算放大器502、电阻器504、电压感测点505和控制单元506。通过与图6相比较将会认识到，连接运算放大器502、电阻器504和电压感测点505来提供电压和电流测量给控制单元506，代表输入到DC/DC转换器120的电压和电流。控制单元506在操作中调整DC/DC转换器120的操作以更改输入电流，以使得在输入电压变化时从初级单元汲取的总功率P保持恒定。

参考图19，(除了由与图6的次级单元20相同的参考标记所表示的那些元件之外)次级单元620还包括：AC电流感测点602、缓冲器604、AC电压感测点605和控制单元606。通过与图15相比较将会认识到，连接AC电流感测点602、缓冲器604和AC电压感测点605来提供AC电压和电流测量给控制单元606，代表输入到整流器118的AC电压和电流。控制单元606在操作中监控AC线圈电压并且调整DC/DC转换器120的操作以使得所汲取的总功率P与(初级或次级)线圈电压无关。

图20是根据本发明的一个实施例的初级单元710的示意图，除了在逆变器104与初级线圈12和电容器106之间存在LC镇流器电路702之外，所述初级单元710与图6的初级单元10一样。因此，在初级单元710和10之间共用的那些元件由相同的参考标记表示，并且省略重复的描述。LC镇流器电路702包括连接以形成低通滤波器的串联电感器704和并联电容器706。有利地是，提供了LC镇流器电路702，因为低通滤波具有减少来自逆变器104的谐波的结果。这是有帮助的，因为不需要的谐波可以在其它设备(例如无线电接收机)中引起干扰，或者阻止系统遵循调节发射(regulatory emission)。

图21至图23分别是初级单元810、910和1010的示意图，它们中的每一个都与上述初级单元非常相似，并且因此形成本发明的另一个实施例。因此，上文已经描述的初级单元810、910和1010的那些元件用相同的参考标记表示，并且省略重复的描述。

初级单元810、910和1010之间的公共特征是它们每一个都具有多个初级线圈12A、12B、12C、...，而不是单个初级线圈12。有可能使用多个初级线圈以使得可以同时为多个次级单元(或结合这些次级单元的次级设备)充电。初级线圈12A、12B、12C被配置成彼此并联。出于不同于处理多个次级单元的原因，可以存在多个初级单元。例如，出于冗余原因可提供多个初级线圈，或者使得单个次级设备可以在相对于初级单元的任何许多位置(由不同初级线圈限定)中接收功率。此外，代替通过改变供应给唯一初级线圈的电压(或某一其它信号的幅值)来实现可用功率中的变化，将有可能从以第一电压操作的一个初级线圈切换到以不同于该第一电压的第二电压操作的第二初级线圈。也就是说，“正常”和“升压”状态之间的差别可用通过在初级线圈之间切换，或者通过改变同时有效的初级线圈的数目，或者改变供应给各个初级线圈的信号的幅值，或者这些方法的某些组合来实现。

当使用初级单元810、910和1010时，可以以相同的方式来使用上述体现本发明的方法，一个差别是存在初级线圈的并联组合而不是单个这样的初级线圈。将会认识到，初级单元810类似于图6的初级线圈10，其中在逆变器104之前测量所汲取的功率P，并且初级单元910类似于图15的初级单元10，其中在逆变器104之后测量功率。

在该布置中，还可以在谐振电容器之前的节点处进行测量，以便降低相位误差并且改进功率测量的精确性。并不是对于所有线圈都具有单个电流感测，在一个实施例中可有利的是在每个单个的线圈上具有电流感测，如图23所示的那样。这可便于推断出所汲取的功率总量，特别在存在广泛改变的负载时或者在某些线圈具有被供电的设备而其它线圈不具有的情况下。不同的初级线圈例如可以彼此远离定位，尽管它们可以相对紧密地定位在一起，例如以阵列的方式定位。

顺便地，对于AC电流测量来说，可以使用如图22中的电流互感器(电流感测)或如图23中的感测电阻器。任何一种方法都可以包括用于测量的平均器(averager)或峰值检测器。电流感测的一个优点是它引入比电阻器少的损耗。然而，电流感测通常比电阻器更昂贵。如果如图23中那样存在大的线圈阵列，则对使用感测电阻器来说它有可能是节约成本的。

图24和图25是本发明的一些实施例的初级单元的充电表面上的可能线圈布局的示意图。在一些这样的实施例中，次级单元可以被放在要被充电的这种充电表面上的任何地方或基本上任何地方上。在所示出的每一种情况下，所涉及的初级单元包括多个初级线圈。在图24中，充电表面具有缠绕铁氧体芯1100的阵列，即铁氧体背板1102上的缠绕线圈1100的阵列。在图25中，充电表面具有蚀刻在PCB(印刷电路板)1202上的印刷的六边形螺旋线圈1200的阵列，所述PCB(印刷电路板)1202可以具有铁氧体和/或金属屏蔽底层。在图25中，可以认为每个六边形装置1200是单个线圈。矩形1204表示要被充电的(即从其感应地接收功率)、放在所涉及的初级单元的充电表面上的次级单元或结合这种次级单元的次级设备的可能的印迹(footprint)。将会认识到，在一个实施例中，次级单元的印迹可以比充电表面上的充电区域更小，以使得可以同时为多个次级单元充电。

体现本发明并且具有多个初级线圈12A、12B、12C、...的初级单元可以被配置成通过将电流供应给那些初级线圈(对于那些初级线圈而言，在其附近存在次级单元的次级线圈22)，以及通过不将电流供应给其它初级线圈(以便于保存功率)来进行操作。因此，可以在这样的初级单元中使用上述体现本发明的方法。也就是说，可以认为存在电学上并联的初级线圈的阵列，而不是仅单个线圈。然而，在这种情况下，初级单元可以被配置成使得每个初级线圈可以“接入电路和从电路断开”，以使得仅激活适当的线圈。图26是这种初级单元1310的示意图。

初级单元1310非常类似于上述图21的初级单元810。因此，上文已描述的初级单元1310的那些元件由相同的参考标记表示，并且省略重复的描述。初级单元810包括分别与初级线圈12A、12B、12C、...串联连接的开关SW-A、SW-B、SW-C、...，并且在操作中将它们各自的初级线圈接入电路和从电路断开。可以认识到，也可以实施等同于图22和23所示的那些的模拟初级单元。

可以期望确保总电感保持相同以使系统继续保持谐振。这可以通过使初级单元中的单独电感器用作“虚设线圈(dummy coil)”来实现。因此，如果使少于最大数目的初级线圈通电(接入到电路中)，则所需数目的附加“虚设线圈”可以被接入到电路中以使总电感保持相同。

在本发明的一些实施例中，有可能使用许多不同类型的DC/DC转换器，其包括许多不同拓扑结构的降压转换器、升压转换器和降压-升压转换器。有可能使体现本发明的次级单元包括负载(甚至多个负载)，其可以是恒定电流负载、恒定电压负载或者二者的一些其它组合。例如，除了充电控制器为电池组充电所需的功率之外，便携式设备(结合次级单元的次级设备)还可以需要用于其内部功能的功率。

在本发明的一些实施例中，在次级单元中执行的调节不一定是恒定电流或恒定电压的。在由便携式设备所汲取的功率P不随着输入电压(例如初级单元中的电压V_d)而变化的情况下，体现本发明的系统可以操作。这与供应给次级单元中的负载什么电压或电流无关。调节也可以不是恒定功率的，并且该调节可以被配置成具有所汲取的功率P相对于输入电压的已知依赖性。在这种情形下，初级单元(充电器)可以在两个初级线圈电压电平下进行功率测量(从而构成经过测量的功率需求改变)。使用初级线圈和次级线圈之间的耦合的知识，由此可以确定两个相应的次级线圈电压。使用功率需要随次级单元的输入电压改变的知识，由此可以确定对于两次测量的期望功率需求改变。如果所测量的功率需求改变基本上不同于(例如大于)所期望的功率需求改变，则充电器推断必定存在金属(即外来对象)。可以期望接收机(次级单元)将与充电器和接收机之间的耦合程度有关的信息传达给充电器(初级单元)或者直接传达所接收的电压。可以期望执行多于两次测量并且拟合多项式。可以使用其它导出信息(例如导出物)来确定是否存在外来对象。

尽管上述实施例将DC电压输出给负载，并且因此在便携式设备(次级单元)中具有整流器，但是不是必须是这种情况。例如，有可能将AC电压供应给负载。在这种情况下，将仍有可能实施本发明，也就是说确保由次级单元汲取的功率P保持恒定或者在不存在外来对象的情况下已知对输入电压的依赖性。

本发明的一些实施例是有利的，因为便携式设备(次级单元)和充电器(初级单元)之间的通信不是必须的，也就是说是可选的。因此本发明的一些实施例的成本可以比其中通信是必须的系统更低。本发明的一些实施例能够在存在有效便携式设备(次级单元)的情况下检测金属(外来对象)。本发明的一些实施例还不会被钢或硅钢“所欺骗”，也就是说它们可以区别次级单元和这样的外来对象，因为它们不依靠相位/频率偏移测量。就硬件来说，本发明的一些实施例还可以节约成本，因为本发明的许多方面可以以微处理器内的软件来实施。

在本发明的任何上述方面中，特别在方法方面中，可以以硬件或按运行在一个或多个处理器上的软件模块来实施各种特征。一个方面的特征可以应用于任何其它方面。

本发明还提供了用于实施本文所描述的任何方法的计算机程序或计算机程序产品，以及在其上存储有用于实施本文所述的任何方法的程序的计算机可读介质。体现本发明的计算机程序可以被存储在计算机可读介质上，或者例如它可以是诸如从互联网网址提供的可下载数据信号之类的信号形式，或者它可以是任何其它形式。

Claims

1.一种在感应功率传输系统的初级单元中使用的检测方法，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于该初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该方法包括：

驱动所述初级单元以使得在驱动状态中供应给所述初级单元中的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值从第一值变化成第二值；

评估这种驱动对所述初级单元的电特性的影响；以及

根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其中所述初级单元的电特性是从所述初级单元汲取的功率电平。

3.根据权利要求1或2所述的检测方法，其中所述值表征电驱动信号。

4.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中所述值是在所述初级单元中的一个或多个初级线圈上供应的交变电位差的峰值或均方根值。

5.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中所述值是通过所述初级单元中的一个或多个初级线圈的交变电流的峰值或均方根值。

6.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，包括维持所述第一和第二值平稳达足够长的时间以便所述初级单元的操作稳定。

7.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中所述第二值比所述第一值大。

8.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中所述初级单元包括转换装置，该转换装置用于将DC电驱动信号转换成随时间改变的电驱动信号，以供应给所涉及的一个或多个初级线圈，并且其中这种驱动包括控制所述转换装置的操作。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其中所述转换装置的操作由占空比支配，并且其中这种驱动包括控制所述转换装置的占空比。

10.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中这种驱动包括将所述初级单元的操作从所述变化之前的现有状态重新配置成所述变化之后的变化后状态，并且其中这种评估包括获得处于现有状态和变化后状态的初级单元的电特性的测量。

11.根据权利要求10所述的检测方法，包括在现有状态期间维持所述第一值以及在变化后状态期间维持所述第二值。

12.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中这种评估包括关于初级线圈信号进行电压和/或电流测量。

13.当权利要求12被读作从属于权利要求8时，根据权利要求12所述的检测方法，还包括关于DC电驱动信号进行所述电压和/或电流测量。

14.当权利要求12或13被读作从属于权利要求8时，根据权利要求12或13所述的检测方法，还包括关于随时间改变的电驱动信号进行所述电压和/或电流测量。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的检测方法，包括取得所述电压和/或电流的一系列样本，并且这种评估基于所述一系列样本。

16.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中所述驱动和评估形成一组方法步骤，并且该方法包括实施多个这样的组并且这种检测基于两个或更多这样的组

17.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，包括如果确定所述初级单元的电特性作为这种驱动的结果而已显著变化，则确定在所述初级单元附近存在所述外来对象。

18.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，其中配置系统的所述次级单元或每个所述次级单元，以使得当所述次级单元在所述初级单元附近并且从其感应地接收到功率时，所述次级单元的电特性以期望的方式响应于这种驱动，该方法还包括根据这种评估的结果以及这种期望响应或每个这种期望响应来确定所述次级单元和/或外来对象是否存在于所述初级单元附近。

19.根据权利要求18所述的检测方法，其中对于所述次级单元或每个所述次级单元来说，该次级单元的电特性可以是其从初级单元汲取的功率。

20.根据权利要求18或19所述的检测方法，包括如果所述评估的结果至少部分与所述期望响应或任何所述期望响应无关，则确定存在外来对象。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的检测方法，包括如果所述评估的结果至少部分与所述期望响应或一个所述期望响应有关，则确定存在次级单元。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的检测方法，对于所述次级单元或至少一个所述次级单元来说，所述期望响应在于它的电特性不会响应于这种驱动而显著变化。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的检测方法，其中一个所述次级单元的期望响应不同于其它这种次级单元的期望响应。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的检测方法，还包括在所述初级单元中从处于功率需求状态的次级单元或每个次级单元接收与所涉及的次级单元的所述期望响应有关的信息。

25.根据权利要求24所述的检测方法，其中所述信息标识所涉及的次级单元的类型，并且其中该方法还包括基于所涉及的次级单元的所标识类型来确定期望响应。

26.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，还包括当实施所述检测时，使用与次级单元或每个次级单元施加到所述初级单元上的寄生负载有关的次级单元补偿信息，以便补偿所述次级单元或每个次级单元的所述寄生负载。

27.根据权利要求26所述的检测方法，包括从次级单元或每个次级单元中接收这种次级单元补偿信息。

28.根据权利要求24至27中任一项所述的检测方法，经由与感应功率的传输所构成的链路分离的通信链路接收一部分或所有所述信息。

29.根据权利要求28所述的检测方法，其中所述通信链路是RFID链路。

30.根据权利要求24至29中任一项所述的检测方法，其中经由感应功率的传输所构成的感应通信链路接收一部分或所有所述信息。

31.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，还包括当实施这种检测时使用与初级单元本身的损耗有关的初级单元补偿信息，以便补偿所述损耗。

32.根据权利要求31所述的检测方法，还包括当在电磁隔离中有效时，从初级单元进行的测量得到一部分或所有所述初级单元补偿信息。

33.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，还包括在检测到所述初级单元附近的外来对象之后，限制或停止来自所述初级单元的感应功率供应。

34.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，还包括在检测到一个或多个需要功率的次级单元之后，维持或调整来自所述初级单元的感应功率供应以满足这种需要。

35.根据前述任一项权利要求所述的检测方法，还包括在不存在一个或多个需要功率的次级单元的情况下检测到一个或多个不需要功率的次级单元之后，限制或停止来自所述初级单元的感应功率供应。

36.一种在感应功率传输系统中使用的初级单元，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的该系统中的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该初级单元包括：

驱动装置，在操作中驱动所述初级单元以使得在驱动状态中供应给所述初级单元中的一个或多个初级线圈的电驱动信号的幅值从第一值变化成第二值；

用于评估这种驱动对初级单元的电特性的影响的装置；以及

用于根据所评估的影响来检测位于所述初级单元附近的所述次级单元和/或外来对象的存在的装置。

37.根据权利要求36所述的初级单元，其中所述初级单元的电特性是从所述初级单元汲取的功率电平。

38.一种感应功率传输系统，包括初级单元和至少一个次级单元，所述初级单元在操作中通过电磁感应将功率无线传送给位于初级单元附近的至少一个次级单元和/或位于所述附近的外来对象，该系统包括：

用于评估这种驱动对初级单元的电特性的影响的装置；以及

39.根据权利要求38所述的感应功率传输系统，其中所述初级单元的电特性是从所述初级单元汲取的功率电平。

40.根据权利要求38或39所述的感应功率传输系统，其中该系统的所述次级单元或每个所述次级单元被配置成使得当在所述初级单元附近并且从其感应地接收功率时，该次级单元的电特性以期望的方式响应于这种驱动，所述检测装置在操作中根据这种评估的结果和这种期望响应或每个这种期望响应来确定所述次级单元和/或外来对象是否存在于所述初级单元附近。

41.根据权利要求40所述的感应功率传输系统，其中对于所述次级单元或每个所述次级单元，该次级单元的电特性是其从所述初级单元汲取的功率。

42.根据权利要求40或41所述的感应功率传输系统，其中对于所述次级单元或至少一个所述次级单元，所述期望响应在于它的电特性不会响应于这种驱动而显著变化。

43.基本上在上文中参考附图所描述的一种检测方法、一种初级单元或一种感应功率传输系统。