CN106489082B - 无线能量传送系统中的异物检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测无线电力传送系统周围的异物的系统和方法，该无线电力传送系统包括：多个检测器，其中各检测器特征在于一个或多个导电材料回路，以及控制器，其配置成测量各检测器中的电压和电流至少之一并且基于测量结果来判断无线电力传送系统周围是否存在异物，其中该多个检测器中的至少一些检测器包括第一数量的导电材料回路，以及该多个检测器中的至少一些检测器包括大于第一数量的第二数量的导电材料回路。

Description

无线能量传送系统中的异物检测
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年5月7日提交的美国临时专利申请第61/989,799号和 2014年10月30日提交的美国临时专利申请第62/072,992号的优先权，这两项专利申请各自的全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及无线能量传送和用于检测无线电力传送系统附近的异物 (FOD)的方法。
背景技术
可以使用例如在内容通过引用包含于此的以下专利申请中详细描述的各种已知的辐射或远场的和非辐射或近场的技术来无线传送能量或电力： 2010年5月6日作为US2010/010909445公布的标题为“Wireless Energy Transfer Systems”的共同拥有的美国专利申请12/613,686、2010年12月9日作为2010/0308939公布的标题为“IntegratedResonator-Shield Structures”的美国专利申请12/860,375、2012年3月15日作为2012/0062345公布的标题为“Low Resistance Electrical Conductor”的美国专利申请13/222,915以及2012年10月4 日作为2012/0248981公布的标题为“Multi-Resonator WirelessEnergy Transfer for Lighting”的美国专利申请13/283,811。
发明内容
2012年10月19日提交的美国临时专利申请第61/716,432号、2013年8月16 日提交的美国临时专利申请第61/866,703号以及2013年9月13日提交的美国临时专利申请第61/877,482号的全部内容以及2013年10月21日提交的现在作为美国专利申请公布第2014/0111019号公布的美国专利申请第14/059,094号的全部内容通过引用包含于此。
通常，在第一方面，本发明的特征在于无线电力传送系统，其包括：特征在于至少一个谐振器的电力源；特征在于至少一个谐振器的电力接收器，其中所述电力接收器被配置为接收由电力源无线发送来的电力；特征在于一个或多个导电材料回路的第一检测器，其中所述第一检测器被配置为基于所述电力源和所述电力接收器之间的磁场来生成电信号；特征在于导电材料的第二检测器；以及耦合至所述第一检测器和所述第二检测器的控制电子设备，其中在所述系统的工作期间，所述控制电子设备被配置为：测量所述第一检测器的电信号，将所述第一检测器的测量到的电信号与所述第一检测器的基线电信息进行比较，以确定与异物是否处于所述电力源和所述电力接收器之间有关的信息；测量所述第二检测器的电信号，其中所述第二检测器的电信号与所述第二检测器的电容相关；以及将所述第二检测器的测量到的电信号与所述第二检测器的基线电信息进行比较，以确定与活体是否处于所述电力源和所述电力接收器之间有关的信息。
系统的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
电源可以是车辆充电站的组件。电力接收器可以是车辆的组件。
第一检测器所生成的电信号可以包括电压和电流中的至少一个。第二检测器的电信号可以包括电压和电容中的至少一个。
在没有异物处于电源和电力接收器之间的情况下，第一检测器的基线电信息可以对应于第一检测器的电信号。在没有活体处于电力源和电力接收器之间的情况下，第二检测器的基线电信息可以对应于第二检测器的电信号。
确定与异物是否处于电力源和电力接收器之间有关的信息可以包括将异物处于电力源和电力接收器之间的可能性值与阈值进行比较。控制电子设备可以被配置为通过计算第一检测器的基线电信息的平均值和协方差矩阵，以及基于平均值和协方差矩阵确定该可能性值，来确定可能性值。确定与活体是否处于电力源和电力接收器之间有关的信息可以包括将第二检测器的测量到的电信号与阈值进行比较。
第一检测器可以包括处于电力源和电力接收器之间的至少第一平面中的多个导电材料回路。第二检测器可以包括处于电力源和电力接收器之间的至少第二平面中的一定长度的导电材料。第一平面和第二平面可以是平行的。第一平面和第二平面可以是相同的平面。
电力源在第二平面中所产生的磁场可以具有半高全宽的最大横截面分布，并且环绕第二平面中的第二检测器的最小尺寸的圆形周界具有半高全宽最大横截面分布的100％或更多(例如，110％或更多、120％或更多、130％或更多、140％或更多、150％或更多、175％或更多、200％或更多)的封闭面积。
一定长度的导电材料可以在第二平面中形成蜿蜒路径。一定长度的导电材料可以包括大致沿共通方向延伸的多个区段，并且至少一些区段之间的间距可以在与共通方向垂直的方向上变动。电力源在第二平面的第一区域中产生的磁通密度可以大于第二平面的第二区域中的磁通密度，并且第一区域中的连续区段之间的间距可以小于第二区域中的连续区段之间的间距。
第一检测器可以包括第一平面中彼此间隔开的多个回路，并且邻接回路之间的间距可以变动。电力源在第一平面的第一区域中产生的磁通密度可以大于第一平面的第二区域中的磁通密度，并且第一区域中的邻接回路之间的间距可以小于第二区域中的邻接回路之间的间距。第一平面和第二平面可以比电力源更靠近电力接收器。
电力接收器的至少一个谐振器的总横截面积可以是电力源在电力接收器的位置处产生的磁场的半高全宽横截面积的80％或更大(例如，90％或更大、100％或更大、120％或更大、140％或更大、150％或更大、175％或更大)。
电力源可以被配置为向电力接收器传送1kW或更多(例如，2kW或更多、 3kw或更多、4kw或更多、6kw或更多、8kw或更多、10kw或更多、15kw或更多、20kW或更多)的电力。
电力源可以被配置为以多个不同的能量传送速率向电力接收器传送电力。控制电子设备可以被配置为：调整电力源以按多个不同的能量传送速率中所选择的能量传送速率来传送电力；并获得与所选择的能量传送速率相对应的基线电信息。
获得基线电信息可以包括从电子存储单元检索信息。控制电子设备可以被配置为通过以下操作来测量基线电信息：在电力源附近没有异物的情况下激活电力源，以产生通过第一检测器的磁通；以及响应于所述磁通测量所述第一检测器的电信号。控制电子设备可以被配置为在电力源和电力接收器至少部分对准的情况下激活电力源并且测量第一检测器的电信号。控制电子设备可以被配置为在电力源和电力接收器之间没有发生电力传送的情况下激活电力源并且测量第一检测器的电信号。
电力源可以被配置为在电力源和电力接收器之间的位置处产生至少 6.25μT(例如，至少7μT、至少8μT、至少10μT、至少15μT、至少20μT、至少 30μT、至少50μT)的磁通。
第一检测器可以包括多个回路，并且控制电子设备可以被配置为测量该多个回路中的至少一些回路所生成的电信号，以基于所测量到的电信号确定与电力源和电力接收器之间的失准有关的信息。该多个回路中的至少一些回路可以处于与电力源的边缘邻接的位置。控制电子设备可以被配置为通过比较该多个回路中的至少一些回路所生成的电信号来确定与失准有关的信息。
控制电子设备可以被配置为使得如果与异物是否处于电力源和电力接收器之间相对应的可能性值超过阈值，则控制电子装置中断电力源和电力接收器之间的无线电力传送。控制电子设备可以被配置为使得如果与异物是否处于电力源和电力接收器之间相对应的可能性值超过阈值，则控制电子设备减小电力源和电力接收器之间的能量传送速率。控制电子设备可以被配置为使得如果与异物是否处于电力源和电力接收器之间相对应的可能性值超过阈值，则控制电子设备向无线电力传送系统的用户提供警告指示。
控制电子设备可以被配置为使得如果第二检测器的测量到的电信号超过阈值，则控制电子设备中断电力源和电力接收器之间的无线电力传送。控制电子设备可以被配置为使得如果第二检测器的测量到的电信号超过阈值，则控制电子设备减小由电力源产生的磁场的大小。控制电子设备可以被配置为使得如果第二检测器的测量到的电信号超过阈值，则控制电子设备向无线电力传送系统的用户提供警告指示。
电力源中的各谐振器可以是具有谐振频率f(f＝ω/2π)、固有损耗率Γ和Q 因数(Q＝ω/(2Γ))的电磁谐振器，并且电力源中的谐振器至少之一的Q因数可以大于100。电力源中的各谐振器可以具有定义谐振频率f的电容和电感。电力源中的谐振器至少之一的Q因数可以大于300。
电力接收器中的各谐振器可以是具有谐振频率f(f＝ω/2π)，固有损耗率Γ和Q因数(Q＝ω/(2Γ))的电磁谐振器，并且电力接收器中的谐振器至少之一的 Q因数可以大于100。电力接收器中的各谐振器可以具有定义谐振频率f的电容和电感。电力接收器中的谐振器至少之一的Q因数可以大于300。
系统的实施例还可以适当地以任何组合的形式包括这里所公开的任何其它特征。
在另一方面，本发明的特征在于包括以下方法：测量第一检测器所生成的电信号，其中所述第一检测器的特征在于处于无线电力传送系统中的电力源和电力接收器之间的一个或多个导电材料回路；将所测量到的所述第一检测器所生成的电信号与所述第一检测器的基线电信息进行比较，以确定与异物是否处于所述电力源和所述电力接收器之间有关的信息；测量特征在于导电材料的第二检测器所生成的电信号，其中所述第二检测器的电信号与所述第二电测器的电容相关；以及将所测量到的所述第二检测器所生成的电信号与所述第二检测器的基线电信息进行比较，以确定与活体是否处于所述电力源和所述电力接收器之间有关的信息。
该方法的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
电力接收器可以是车辆的组件，并且该方法可以包括使用电力源将电力传送至车辆。在没有异物处于电力源和电力接收器之间的情况下，第一检测器的基线电信息可以对应于第一检测器的电信号。在没有活体处于电力源和电力接收器之间的情况下，第二检测器的基线电信息可以对应于第二检测器的电信号。
确定与异物是否处于电力源和电力接收器之间有关的信息可以包括将异物处于电力源和电力接收器之间的可能性值与阈值进行比较。所述方法可以包括通过计算第一检测器的基线电信息的平均值和协方差矩阵来确定该可能性值，以及基于平均值和协方差矩阵来确定该可能性值。确定与活体是否处于电力源和电力接收器之间有关的信息可以包括将第二检测器的测量到的电信号与阈值进行比较。
该方法可以包括使用电力源向电力接收器传送1kW或更多(例如，2kW或更多、3kW或更多、4kW或更多、6kW或更多、8kW或更多、10kW或更多、 15kW或更多、20kW或更多)的电力。
电力源可以被配置为以多个不同的能量传送速率向电力接收器传送电力，并且该方法可以包括调整电力源以按该多个不同的能量传送速率中所选择的能量传送速率来传送电力，并且获得与所选择的能量传送速率相对应的基线电信息。获得基线电信息可以包括从电子存储单元检索信息。
该方法可以包括在电力源附近没有异物的情况下激活电力源以产生通过第一检测器的磁通，并且响应于该磁通测量第一检测器的电信号，来获得第一检测器的基线电信息。该方法可以包括在电力源和电力接收器至少部分对准的情况下激活电力源并且测量第一检测器的电信号。该方法可以包括在电力源和电力接收器之间没有发生电力传送的情况下激活电力源并测量第一检测器的电信号。
该方法可包括在电力源和电力接收器之间产生6.25μT或更大(例如，7μT 或更大、8μT或更大、10μT或更大、15μT或更大、20μT或更大、30μT或更大、 50μT或更大)的磁通。
该方法可以包括测量第一检测器的多个回路所生成的电信号，以及基于所测量到的电信号确定与电力源和电力接收器之间的失准有关的信息。所述方法可以包括通过比较多个回路所生成的电信号来确定与失准有关的信息。
该方法可以包括：如果与异物是否处于电力源和电力接收器之间相对应的可能性值超过阈值，则中断电力源和电力接收器之间的无线电力传送。该方法可以包括：如果与异物是否处于电力源和电力接收器之间相对应的可能性值超过阈值，则减小电力源和电力接收器之间的能量传送速率。该方法可以包括：如果与异物是否处于电力源和电力接收器之间相对应的可能性值超过阈值，则提供警告指示。
该方法可以包括：如果第二检测器的测量到的电信号超过阈值，则中断电力源和电力接收器之间的无线电力传送。该方法可以包括：如果第二检测器的测量到的电信号超过阈值，则降低电力源和电力接收器之间的能量传送速率。该方法可以包括：如果第二检测器的测量到的电信号超过阈值，则提供警告指示。
所述方法还可以适当地以任何组合的形式包括这里所公开的任何其它步骤和/或特征。
在另一方面，本发明的特征在于一种用于检测异物和活体的装置，所述装置包括：特征在于一个或多个导电材料回路的第一检测器，其中所述第一检测器被配置为基于无线电力传送系统的电力源和电力接收器之间的磁场生成电信号；特征在于导电材料的第二检测器；以及耦合至所述第一检测器和所述第二检测器的控制电子设备，其中在所述无线电力传送系统的工作期间，所述控制电子设备被配置为：测量所述第一检测器的电信号；将所述第一检测器的测量到的电信号与所述第一检测器的基线电信息进行比较，以确定与异物是否处于所述无线电力传送系统的电力源和电力接收器之间有关的信息；测量所述第二检测器的电信号，其中所述第二检测器的电信号与所述第二检测器的电容相关；以及将所述第二检测器的测量到的电信号与所述第二检测器的基线电信息进行比较，以确定与活体是否处于所述无线电力传送系统的电力源和电力接收器之间有关的信息。
该装置的实施例可以包括这里所公开的任何特征，这些特征包括适当地以任何组合的形式结合任何系统公开的任何特征。
在另一方面，本公开的特征在于一种无线电力传送系统，其包括：特征在于至少一个谐振器的电力源；特征在于至少一个谐振器的电力接收器，其中所述电力接收器被配置为接收由电力源无线发送来的电力；处于所述电力源和所述电力接收器之间的检测器，其中所述检测器被配置为基于所述电力源和所述电力接收器之间的磁场生成电信号；以及耦合至所述电力源和所述检测器的控制电子设备，其中所述控制电子设备被配置为：激活所述电力源以在所述电力源和所述电力接收器之间产生磁场；测量所述检测器的电信号；以及通过将基线信息与所测量到的电信号进行比较来判断异物是否处于所述电力源和所述电力接收器之间，其中所述基线信息包括与没有异物处于所述电力源和所述电力接收器之间的情况下所述检测器所生成的电信号有关的信息，以及所述控制电子设备被配置为通过确定所述基线信息的平均值和协方差矩阵来将所述基线信息与所测量到的信号进行比较，并且基于所述平均值和协方差矩阵来判断异物是否处于所述电力源和所述电力接收器之间。
该系统的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
控制电子设备可以被配置为基于平均值和协方差矩阵计算异物处于电力源和电力接收器之间的可能性值。控制电子设备可以被配置为基于可能性值计算异物处于电力源和电力接收器之间的0～1之间的概率值。控制电子设备可以被配置为通过将可能性值与阈值可能性值进行比较来判断异物是否处于电力源和电力接收器之间。
控制电子设备可以被配置为获得基线信息。控制电子设备可以被配置为通过从电子存储单元检索信息来获得基线信息。控制电子设备可以被配置为通过在电力源附近没有异物的情况下激活电力源以产生通过检测器的磁通并响应于该磁通测量检测器的电信号，来获得基线信息。控制电子设备可以被配置为在电力源和电力接收器至少部分对准的情况下激活电力源并且测量检测器的电信号。控制电子设备可以被配置为在电力源和电力接收器之间没有发生电力传送的情况下激活电力源并测量检测器的电信号。
基线信息可以包括与检测器所产生的与系统的不同操作状态相对应的电信号有关的信息。不同的操作状态可以对应于电力源和电力接收器之间的不同能量传送速率。不同的操作状态对应于电力源和电力接收器之间的不同对准。不同的操作状态可以对应于沿着与电力源的至少一个谐振器所定义的平面正交的方向测量的电力源和电力接收器之间的不同间距。
控制电子设备可以被配置为通过响应于磁通多次测量检测器的电信号来获得基线信息，并且平均值和协方差矩阵可以包括来自电信号的多个测量的贡献。控制电子设备可以被配置为生成对应于各不同操作状态的平均值和协方差矩阵。控制电子设备可以被配置为通过将检测器的测量到的电信号与对应于各不同操作状态的平均值和协方差矩阵进行比较来确定系统的操作状态。
电力源可以是车辆充电站的组件。电力接收器可以是车辆的组件。
检测器所生成的电信号可以包括电压和电流中的至少一个。检测器可以包括处于电力源和电力接收器之间的多个导电材料回路。多个回路可以在平面中彼此间隔开，并且邻接回路之间的间距可以变动。
电力源在平面的第一区域中产生的磁通密度可以大于平面的第二区域中的磁通密度，并且在第一区域中的邻接回路之间的间距可以小于在第二区域中的邻接回路之间的间距。
检测器可以比电力源更靠近电力接收器。电力接收器的至少一个谐振器的总横截面积可以是电力源在电力接收器的位置处所产生的磁场的半高全宽横截面积的80％或更大(例如，90％或更大、100％或更大、120％或更大、 140％或更大、150％或更大、175％或更大)。
电力源被配置为向电力接收器传送1kW或更大(例如，2kW或更大、3kW 或更大、4kW或更大、6kW或更大、8kW或更大、10kW或更大、15kW或更大、20kW或更大)的电力。
控制电子设备可以被配置为将测量到的信号与对应于系统的操作状态的基线信息的一部分进行比较。
电力源可以被配置为在电力源和电力接收器之间产生6.25μT或更大(例如，7μT或更大、8μT或更大、10μT或更大、15μT或更大、20μT或更大、30μT 或更大、50μT或更大)的磁通。
检测器可以包括多个导电材料回路，其中各导电材料回路被配置为在电力源产生磁场的情况下生成电信号，并且控制电子设备可以被配置为测量该多个回路中的至少一些回路所生成的电信号，并且基于所测量到的电信号确定与所述电力源和所述电力接收器之间的失准有关的信息。该多个回路中的至少一些回路可以处于与电力源的边缘邻接的位置。控制电子设备可以被配置为通过比较该多个回路中的至少一些回路所生成的电信号来确定与失准有关的信息。控制电子设备可以被配置为使得如果异物处于电力源和电力接收器之间，则控制电子设备中断电力源和电力接收器之间的无线电力传送。
控制电子设备可以被配置为使得如果异物处于电力源和电力接收器之间，则控制电子设备减小电力源和电力接收器之间的能量传送速率。控制电子设备可以被配置为使得如果异物处于电力源和电力接收器之间，则控制电子设备向无线电力传送系统的用户提供警告指示。
电力源中的各谐振器可以是具有谐振频率f(f＝ω/2π)、固有损耗率Γ和Q 因数(Q＝ω/(2Γ))的电磁谐振器，并且电力源中的谐振器至少之一的Q因数可以大于100。电力源中的各谐振器可以具有定义谐振频率f的电容和电感。
电力源中的谐振器至少之一的Q因数可以大于300。
系统的实施例还可以适当地以任何组合的形式包括任何其它特征。
在另一方面，本发明的特征在于包括以下方法：激活电力源以在无线电力传送系统的电力源和电力接收器之间产生磁场；测量处于电力源和电力接收器之间的检测器所生成的电信号；以及通过将基线信息与所测量到的电信号进行比较来判断异物是否处于电力源和电力接收器之间，其中所述基线信息包括与没有异物位于电力源与电力接收器之间的情况下检测器所生成的电信号有关的信息，以及将所述基线信息与所测量到的信号进行比较包括确定所述基线信息的平均值和协方差矩阵以及基于所述平均值和协方差矩阵判断异物是否处于电力源和电力接收器之间。
该方法的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
该方法可以包括基于平均值和协方差矩阵来确定异物处于电力源和电力接收器之间的可能性值。该方法可以包括基于该可能性值确定异物处于电力源和电力接收器之间的0～1之间的概率值。该方法可以包括通过将该可能性值与阈值可能性值进行比较来判断异物是否处于电力源和电力接收器之间。
所述方法可以包括通过从电子存储单元检索信息来获得基线信息。该方法可以包括通过在电力源附近没有异物的情况下激活电力源以产生通过检测器的磁通并响应于该磁通测量检测器的电信号，来获得基线信息。该方法可以包括在电力源和电力接收器至少部分地对准的情况下激活电力源并测量检测器的电信号。该方法可以包括在电力源和电力接收器之间没有发生电力传送的情况下激活电力源并测量检测器的电信号。
基线信息可以包括与检测器所生成的与系统的不同操作状态相对应的电信号有关的信息。不同的操作状态可以对应于以下内容至少之一：电力源和电力接收器之间的不同的能量传送速率、电力源和电力接收器之间的不同对准、以及沿着与所述电力源的所述至少一个谐振器所定义的平面正交的方向测量的电力源和电力接收器之间的不同间距。该方法可以包括通过响应于磁通而多次测量检测器的电信号来获得基线信息，其中平均值和协方差矩阵包括来自电信号的多个测量的贡献。
该方法可以包括生成与各不同的操作状态相对应的平均值和协方差矩阵。该方法可以包括通过将检测器的测量到的电信号与对应于各不同的操作状态的平均值和协方差矩阵进行比较来确定系统的操作状态。
该方法可以包括使用电力源将电力传送至车辆中的电力接收器。该方法可以包括使用电力源来向电力接收器传送1kW或更多(例如，2kW或更多、 3kW或更多、4kW或更多、6kW或更多、8kW或更多、10kW或更多、15kW 或更多、20kW或更多)的电力。
该方法可以包括将测量到的信号与对应于系统的操作状态的基线信息的一部分进行比较。
该方法可以包括使用电力源在电力源和电力接收器之间产生6.25μT或更大(例如，7μT或更大、8μT或更大、10μT或更大、15μT或更大、20μT或更大、30μT或更大、50μT或更大)的磁通。
该方法可以包括如果异物处于电力源和电力接收器之间，则中断电力源和电力接收器之间的无线电力传送。该方法可以包括如果异物处于电力源和电力接收器之间，则减小电力源和电力接收器之间的能量传送速率。该方法可以包括如果异物处于电力源和电力接收器之间则提供警告指示。
该方法的实施例还可以适当地以任何组合的形式包括这里所公开的任何其它步骤或特征。
在另一方面，本发明的特征在于用于检测异物的设备，所述设备包括：检测器，其中所述检测器被配置为使得在所述检测器处于无线电力传送系统的电力源和电力接收器之间的情况下，所述检测器基于所述电力源和所述电力接收器之间的磁场生成电信号；以及耦合至所述检测器的控制电子设备，其中所述控制电子设备被配置为：响应于所述电力源和所述电力接收器之间的磁场，测量所述检测器的电信号；以及通过将基线信息与所测量到的电信号进行比较来判断异物是否处于电力源和电力接收器之间，其中基线信息包括与电力源和电力接收器之间没有异物的情况下检测器所生成的电信号有关的信息，以及所述控制电子设备被配置为通过确定所述基线信息的平均值和协方差矩阵来将所述基线信息与所测量到的信号进行比较，并且基于所述平均值和协方差矩阵来判断异物是否处于所述电力源和所述电力接收器之间。
所述设备的实施例可以包括这里所公开的任何特征，这些特征包括适当地以任何组合的形式结合任何系统公开的任何特征。
在另一方面，本发明的特征在于用于检测无线电力传送系统周围的异物的设备，所述设备包括：多个检测器，各检测器特征在于一个或多个导电材料回路；以及控制器，其被配置为测量各检测器中的电压和电流至少之一，并且基于测量结果来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物，其中所述多个检测器中的至少一些检测器包括第一数量的导电材料回路，并且所述多个检测器中的至少一些检测器包括大于所述第一数量的第二数量的导电材料回路。
该设备的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
所述多个检测器中的至少一些检测器可以包括一个回路，并且所述多个检测器中的至少一些检测器可以包括两个或更多个回路。所述多个检测器中的至少一些检测器可以包括三个或更多个回路。
在工作期间，所述设备可以处于使得无线电力传送源所产生的磁通穿过所述多个检测器的位置，并且特征在于第一数量的回路的检测器可以处于与特征在于第二数量的回路的检测器所处于的区域相比磁通更大的区域中。
所述多个检测器可以形成阵列。所述阵列中的至少一些邻接检测器之间的间距可以不同。所述阵列中的至少一些检测器的横截面积可以与所述阵列中的至少一些其它检测器的横截面积不同。
该设备的实施例还可以包括这里所公开的任何其它特征和方面，这些特征和方面包括适当地以任何组合的形式结合不同实施例公开的特征和方面。
在另一方面，本发明的特征在于用于检测无线电力传送系统周围的异物的方法，所述方法包括：测量多个检测器各自的电压和电流至少之一；以及基于测量结果判断无线电力传送系统周围是否存在异物，其中各检测器包括一个或多个导电材料回路，以及所述多个检测器中的至少一些检测器包括第一数量的导电材料回路，所述多个检测器中的至少一些检测器包括大于所述第一数量的第二数量的导电材料回路。
该方法的实施例可以包括这里所公开的任何一个或多个步骤和特征，这些步骤和特征包括适当地以任何组合的形式结合不同实施例所公开的步骤和特征。
在另一方面，本发明的特征在于无线电力传送系统，其包括：无线电力传送源，其被配置成以第一频率产生源磁场以向无线电力接收器传送电力；辅助磁场源，其被配置成以第二频率产生辅助磁场；至少一个检测器，其被配置为响应于所述辅助磁场源所产生的磁场的扰动而生成电信号；以及控制器，其被配置为基于所述电信号来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物。
该系统的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
该系统可以包括至少一个辅助线圈和至少一个放大器。第一频率可以等于第二频率，或者不同于第二频率。该系统可以包括电源，其耦合至无线电传送源并且被配置为提供用以驱动无线电力传送源的电力，其中在所述辅助磁场源产生辅助磁场的情况下，可以断开所述电源。
该系统可以包括多达四个辅助线圈和多达四个放大器。所述系统可以包括缠绕第一区域的源谐振器线圈，并且所述至少一个辅助线圈可以被配置为缠绕所述第一区域。所述至少一个辅助线圈可以包括串联连接的两组导体绕线，所述两组导体绕线中的各组分别缠绕第二区域和第三区域其中之一。所述第二区域和所述第三区域的和可以大致等于所述第一区域。所述至少一个辅助线圈可以包括串联连接的四组导体绕线，所述四组导体绕线中的各组分别缠绕第二区域、第三区域、第四区域和第五区域其中之一。所述第二区域、所述第三区域、所述第四区域和所述第五区域的和可以大致等于所述第一区域。所述辅助磁场可以在所述源谐振器线圈中感应出电流，并且所述源谐振器线圈中的电流可以产生强度大于所述辅助磁场的磁场。该系统可以包括至少一个辅助线圈，其中所述至少一个辅助线圈可以使导体绕线的第一部分处于第一电路板上且所述导体绕线的第二部分处于第二电路板上，其中所述第一电路板和所述第二电路板之间的连接器可以提供所述导体绕线的第一部分和第二部分之间的电气连接。
该系统的实施例还可以包括这里所公开的任何其它特征和方面，这些特征和方面适当地以任何组合的形式包括结合不同实施例公开的特征和方面。
在另一方面，本发明的特征在于无线电力传送系统，其包括：源谐振器；功率放大器，其耦合至所述源谐振器并且被配置为驱动所述源谐振器以按第一频率产生用以向无线电力接收器传送无线电力的磁场；辅助放大器，其能够选择性地连接至所述源谐振器以及与所述源谐振器断开，并且被配置为驱动源谐振器以按与所述第一频率不同的第二频率产生与所述无线电力接收器不谐振的磁场；以及控制器，其被配置为以两种操作模式中的一种操作模式来操作所述系统，其中在第一操作模式中，所述功率放大器驱动所述源谐振器，并且向无线电力接收器传送电力，以及在第二操作模式中，所述辅助放大器驱动所述源谐振器并且所述控制器被配置为判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物。
该系统的实施例可以包括以下特征中的任何一个或多个。
该系统可以包括用于在辅助放大器连接至源谐振器的情况下将功率放大器与辅助放大器隔离的槽电路。该系统可以包括一个或多个检测器，各检测器被配置为基于辅助放大器驱动源谐振器的情况下所产生的磁场来生成电信号，其中控制器被配置为基于各电信号来判断无线电力传送系统周围是否存在异物。
系统的实施例还可以包括这里所公开的任何其它特征和方面，这些特征和方面适当地以任何组合的形式包括结合不同实施例所公开的特征和方面。
在另一方面，本发明的特征在于无线电力传送系统，所述无线电力传送系统包括：无线电力传送源，其被配置为产生磁场以向无线电力接收器发送电力；一个或多个检测器，各检测器的特征在于处于无线电力传送源附近的线圈；以及控制器，其被配置为检测一个或多个线圈各自的电感的变化，并且基于所述变化来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物。
该系统的实施例可以包括任何一个或多个这里所公开的特征和方面，这些特征和方面适当地以任何组合的形式包括结合不同实施例所公开的特征和方面。
根据示例性且非限制性的实施例，异物检测系统可以使用磁场传感器和 /或梯度计来测量无线能量传送系统的谐振器周围的电磁场的扰动。传感器和 /或梯度计可以处于无线能量传送系统的电磁场中。传感器和/或梯度计可以处于大致覆盖应该检测到FOD的区域。在针对车辆的无线电力传送系统的实施例中，应当检测到FOD的区域可以包括车辆底侧的区域或车辆的整个底侧、或者大于车辆底侧的区域、或者可能不在车辆底侧的区域。传感器和/或梯度计可以包括导线回路和/或如下的印刷导体迹线：其中这些印刷导体迹线形成回路、8字形回路和/或包括一个或多个回路的结构，该导线回路和/或印刷导体迹线产生与穿过一个和/或多个回路所包围的表面区域的磁通量成比例的电信号。该一个或多个回路可以连接至高输入阻抗读出电路。该读出电路可以测量回路中的电压和/或电流以及/或者电压和/或电流的相对相位。在实施例中，系统可以包括多层回路以增加FOD的检测概率。在实施例中，回路可以被设计为在不显著影响无线电力传送系统的特性(诸如谐振器的扰动质量因数、能量传送的效率、传送的电力的量和系统所产生的热量等)的情况下工作。
在本发明中，应当理解，梯度计是一种传感器。梯度计可以包括一个或多个检测器。例如，可以使用一个或多个检测器来检测检测器周围的磁场通量。
根据示例性且非限制性的实施例，异物检测系统可以使用电场传感器和 /或梯度计来测量能量传送系统的谐振器周围的电场的扰动。传感器和/或梯度计可以处于无线能量传送系统的电磁场中。传感器和/或梯度计可以包括一定长度的导线和/或印刷导体迹线和/或任何类型的导电路径，并且它们可以包括单个或多个导电路径。一个或多个导电路径可以被构造为大致覆盖可能需要检测FOD的区域。在实施例中，电场传感器可以是在FOD表面上来回行进的单个导电路径，并且在另一实施例中，可以存在多个大致直的导电路径，这些导电路径横穿FOD表面，并且单独地或者在并联电气连接之后和/或以多路复用的方式被感测到。电场传感器和/或梯度计可以连接至高输入阻抗读出电路。该读出电路可以测量传感器中的电压和/或电流以及/或者电压和/或电流的相对相位。在实施例中，系统可以包括多层传感器以增加FOD的检测概率。在实施例中，传感器可以被设计为在不显著影响无线电力传送系统的特性(诸如谐振器的扰动质量因数、能量传送的效率、传送的电力的量和系统所产生的热量等)的情况下工作。
根据示例性且非限制性的实施例，提供一种无线能量传送系统，其可以包括至少一个异物检测系统。该系统可以包括被配置为产生振荡磁场的至少一个无线能量传送源。异物可以由处于振荡电磁场中的场传感器所检测。可以使用读出电路来测量场传感器的电压和/或电流，并且可以使用基于来自传感器的读数的反馈回路来控制无线能量传送源的参数。
在本发明中，“FOD”用于指代异物。应当理解，检测FOD可以被称为异物检测和/或活体检测(LOD)。在产业中，将检测活体称为LOD而非FOD变得越来越常见，但是也普遍认识到FOD包括各种各样的材料和物体。在本发明中，应当理解，异物可以包括活物体。因此，尽管使用了术语“FOD”和“LOD”这两者，但应当理解，LOD可以被认为是检测FOD。关于检测FOD所公开的技术适用于LOD，反之亦然。例如，FOD传感器可以用作LOD传感器，并且使用FOD传感器的方法可以适用于LOD传感器。此外，在本发明中，“活体”是至少部分地由活的有机组织(例如，细胞)组成的物体。活体可以是整个生物体(例如，人、动物、植物)。活体还可以是生物体的一部分(例如，人、动物或植物的一个或多个肢体或身体部分)。活体还可以包括至少部分地由曾经存活但是现在已死亡的有机组织(例如，树的肢体、动物的身体)组成的物体(或其一部分)。
附图说明
图1是示出具有提供被动FOD减轻的谐振器盖的谐振器的侧视图的示意图。
图2是示出两个导线回路的示意图，其中这两个导线回路可以用作个体场传感器并且可以制成用于感测由这两个个体场回路所捕获到的磁通的差的梯度计。
图3A是示出被设置为具有相对的磁偶极子的两个小导体回路的双瓣配置(这样的结构可以被称为磁四极)的示意图。
图3B是示出对准的磁四极的4瓣配置的示意图。
图3C是示出相对的四极(有时称为八极)的4瓣配置的示意图。
图3D是示出在线性维度上延伸的导体回路的4瓣配置的示意图。
图4A是示出包括具有大致正方形形状的回路以实现高面积填充因数的 FOD检测器阵列的示意图。
图4B是示出具有两个偏移阵列的FOD检测器的实施例的示意图，其中这两个偏移阵列是可用于消除盲点的设置。
图5是示出连接至读出电路的示例性FOD检测器的示意图。
图6是示出连接至读出电路的示例性FOD检测器的阵列的示意图。
图7是示出连接至读出电路和同步或参考回路的FOD检测器的阵列的示意图。
图8是示出FOD检测器回路的示例实施例的示意图。
图9A～9C是示出来自8字形梯度计传感器的电压测量曲线的图。
图10是示出示例性EV充电器系统的块图的示意图。
图11A～11C是示出具有不同形状的非对称传感器的示意图。
图12是示出FOD传感器的对称设置的示意图。
图13是示出FOD传感器的非对称设置的示意图。
图14是示出FOD传感器的另一非对称设置的示意图。
图15是示出FOD传感器的又一非对称设置的示意图。
图16是示出FOD检测传感器板的示例性布局的示意图。
图17是示出具有屏蔽迹线的FOD检测传感器板的示例性布局的示意图。
图18A～18F是示出传感器的不同设置的示意图。
图19A～19E是示出传感器的不同设置的示意图。
图20A～20C是示出传感器的不同设置的示意图。
图21A～21D是示出传感器的不同设置的示意图。
图22是示出FOD传感器的设置的示意图。
图23是示出使用场传感器来检测高场的一系列步骤的流程图。
图24是示出针对独立FOD检测的一系列步骤的流程图。
图25是示出用于实现FOD检测系统的不同操作模式的一系列步骤的流程图。
图26是组合的异物和活体检测系统的实施例的示意图。
图27是包括用于检测异物和/或活体的计算机系统的控制电子设备的实施例的示意图。
图28是示出无线电力传送系统的示例设置的示意图。
图29是示出源线圈和装置线圈之间的示例对准的示意图。
图30是FOD传感器板所获得的模拟结果的一组图。
图31是示出图30的模拟结果减去基线图案的一组图。
图32是具有重新缩放的颜色条的模拟结果的一组图。
图33是FOD传感器板所获得的模拟结果的一组图。
图34是示出图33的模拟结果减去基线图案的一组图。
图35是具有重新缩放的颜色条的模拟结果的一组图。
图36是FOD传感器板所获得的模拟结果的一组图。
图37是FOD传感器板所获得的模拟结果的一组图。
图38是具有重新缩放的颜色条的模拟结果的一组图。
图39是示出图37的模拟结果减去基线图案的一组图。
图40是无线电力传送系统的示意图。
图41是FOD传感器板所获得的模拟结果的一组图。
图42是源的示意图。
图43A是LOD传感器设置的示意图。
图43B是LOD传感器的一组示意图。
图44是示出两个传感器的示例测量结果的一组示意图。
图45是源的示意图。
图46是示出用于在无线电力传送系统的一个操作模式中检测FOD的一系列步骤的流程图。
图47是示出用于在无线电力传送系统的第二操作模式中检测FOD的一系列步骤的流程图。
图48是示出用于在无线电力传送系统的第三操作模式中检测FOD的一系列步骤的流程图。
图49是无线电力传送系统的源线圈的等距视图。
图50是无线电力传送系统的源线圈和接收器线圈的示意图。
图51是与图49的源线圈的平面平行且相对于该平面偏离的平面中的磁场强度的图。
图52是图51的图的一个象限中的磁场强度的图。
图53是个体检测器包括不同数量的回路的检测器阵列的示意图。
图54是包括辅助磁场源的无线电力传送系统的示意图。
图55是包括功率放大器和可切换辅助放大器的无线电力源的示意图。
图56是通过测量检测器线圈的电感的变化来检测FOD的设备的示意图。
图57A和57B是FOD检测系统的实施例的示意图。
图58A和58B是无线电力源和FOD检测系统的实施例的示意图。
图59A和59B是FOD检测系统所用的一个或多个辅助线圈的实施例的示意图。
图59C是用于FOD检测系统的一个或多个辅助线圈的一部分的实施例的示意图。
图59D是FOD检测系统和无线电力源所用的一个或多个辅助线圈的实施例的示意图。
图60A和60B是FOD检测系统所用的一个或多个辅助线圈的实施例的示意图。
图61是FOD检测系统所用的一个或多个辅助线圈的实施例的示意图。
图62是FOD检测系统所用的一个或多个辅助线圈的实施例的示意图。
图63A和63B是FOD检测系统所用的一个或多个辅助线圈的部分的实施例的示意图。
各种附图中的相同的附图标记表示相同的元件。应当理解，即使没有声明，附图也示出示例性实施例。
具体实施方式
依赖于两个耦合的谐振器之间的振荡磁场的无线电力传送系统可以是高效的，无辐射的且安全的。插入谐振器之间的非磁性和/或非金属物体可以大致上不与无线能量传送所使用的磁场相互作用。在一些实施例中，无线电力传送系统的用户可能希望检测这些“异物”的存在，并且可能希望控制、调小、关闭无线电力传送系统以及使无线电力传送系统报警等。插入在谐振器之间的金属物体和/或其它物体可以以使得这些金属物体和/或其它物体扰动无线能量传送和/或大幅发热的方式与无线电力传送系统的磁场相互作用。在一些实施例中，无线电力传送系统的用户可能希望检测这些“异物”的存在，并且可能希望控制、调小、关闭无线电力传送系统以及使无线电力传送系统报警等。在某些实施例中，用户可以检测无线电力传送系统的发热并且为了安全操作而控制、调小、关闭系统、设置系统的警报。例如，在内容各自通过引用包含于此的2012年9月10日提交的标题为“ForeignObject Detection in Wireless Energy Transfer Systems的共同拥有的美国专利申请13/608,956、2011 年9月9日提交的标题为“Foreign Object Detection in WirelessEnergy Transfer Systems”的美国临时申请61/532,785、2010年10月6日提交的标题为“Vehicle Charger Safety System and Method”的美国专利申请12/899,281以及2009年9月 25日提交的标题为“Wireless Energy Transfer Systems”的美国专利申请 12/567,716中，描述了无线电力传送用的检测异物的存在或检测无线电力传送系统的发热的技术。
处于无线电力传送系统附近的异物(FOD)可以是无害的和/或可以以无害的方式与能量传送所使用的场相互作用。无害FOD的示例可以包括可能不与低频磁场显著相互作用的污垢、沙子、叶、枝、雪、油脂、油、水和其它物质。在实施例中，FOD可以包括能够以无害的方式与无线电力传送所使用的场相互作用的物体，但是由于感知危险或者从谨慎的优势，这可能限制于非常靠近无线传送系统的谐振器的区域。这种类型的FOD的常见示例是可能希望在无线车辆充电系统的谐振器和/或谐振器线圈之间睡眠的猫。虽然不太可能，但是一些人类特别是儿童可以感知到自身处于高电力系统中的谐振器之间的可能性，其中在高电力系统中，人类暴露效应可能超过某些暴露指南和规定。在一些情况下，人类、动物和有机材料等可以是无线电力传送系统中的一种FOD。在一些实施例中，对诸如猫和人等的活体的检测可以被称为活体检测(LOD)。在实施例中，一些FOD可以以可能扰动能量传送所使用的谐振器的特性、可能阻挡或减少能量传送所使用的磁场或者可能产生火灾和 /或燃烧危险的方式与磁场相互作用。在一些应用中，可能需要特殊的预防措施，以避免可燃金属物体变得足够热而在高电力充电期间点燃。一些金属物体可以发热并且具有足够的热容量，导致在这些金属物体仍然热的情况下引起可能拾起它们的人的烧伤或不适。示例包括工具、线圈、金属片、苏打汽水罐、钢丝绒、食品(口香糖、汉堡包等)的包装和具有金属箔的香烟包装等。
因此，需要用于检测或减轻无线电力传送系统附近的FOD的影响的方法和设计。
减轻FOD风险的方法可以分为被动减轻技术和主动减轻技术。被动减轻技术可以用于防止FOD进入或留在高电磁场(例如，磁场、电场)的区域内。被动减轻技术可以降低FOD与电磁场发生危险相互作用的可能性。可以使用主动减轻技术来检测FOD的存在并对FOD的存在做出反应。
在本发明中，从一个线圈(例如，谐振器线圈)向另一线圈(例如，另一谐振器线圈)的“无线能量传送”是指传送能量以进行有用功(例如机械功)，诸如向电子装置、车辆供电、点亮灯泡或向电池充电等。类似地，从一个线圈(例如，谐振器线圈)向另一谐振器(例如，另一谐振器线圈)的“无线电力传送”是指传送电力以进行有用功(例如，机械功)，诸如向电子装置、车辆供电、点亮灯泡或向电池充电等。无线能量传送和无线电力传送均是指能量的传送 (或等同地，能量的传输)，以提供将会以其它方式通过至电力源的连接(诸如至主电压源的连接等)来提供的工作电力。因此，具有上述理解，表达“无线能量传送”和“无线电力传送”在本发明中可互换地使用。还应当理解，“无线电力传送”和“无线能量传送”可以伴随信息的传送，也就是说，信息可以经由电磁信号与用以进行有用功的能量或功率一起传送。
在一些实施例中，无线电力传送系统可以利用源谐振器将电力无线地发送至接收器谐振器。在某些实施例中，无线电力传送可以通过多个源谐振器和/或多个装置谐振器和/或多个中间方(也称为“中继器”谐振器)来扩展。谐振器可以是能够将能量储存在电磁场(例如，电场、磁场)中的电磁谐振器。这些谐振器中的任一谐振器可以具有谐振频率f(其中，f＝ω/2π)，固有损耗率Γ和Q因数(其中，Q＝ω/(2Γ))(在本发明中也称为“固有”Q因数)，其中ω是角谐振频率。例如，系统的电力源或电力接收器中的谐振器的谐振频率f可以具有限定谐振器的谐振频率f的电容和电感。
在一些实施例中，源、接收器、中继器谐振器中的任何一个可以具有作为高Q因数(其中Q>100(例如，Q>100、Q>200、Q>300、Q>500、Q>1000)) 的Q因数。例如，无线电力传送系统可以包括具有一个或多个源谐振器的电力源，并且这些源谐振器中的至少一个源谐振器的Q因数为Q1(其中，Q1> 100(例如，Q1>100、Q1>200、Q1>300、Q1>500、Q1>1000)。无线电力传送系统可以包括具有一个或多个接收器谐振器的电力接收器，并且这些接收器谐振器中的至少一个接收器谐振器的Q因数为Q2(其中，Q2>100(例如， Q2>100、Q2>200、Q2>300、Q2>500、Q2>1000)。该系统可以包括Q因数为Q3(其中，Q3>100(例如、Q3>100、Q3>200、Q3>300、Q3>500、Q3> 1000)的至少一个接收器谐振器。利用高Q因数谐振器可引起无线电力传送系统中的至少一些或所有谐振器之间的大的能量耦合。高Q因数可引起谐振器之间的强耦合，使得谐振器之间的“耦合时间”短于谐振器的“损耗时间”。在该方法中，能量可以以与由于谐振器的损耗(例如，发热损耗、辐射损耗)而导致的能量损耗速率相比更快的速率在谐振器之间有效地传送。在某些实施例中，几何平均
Figure BDA0001204713070000251
可以大于100(例如
Figure BDA0001204713070000252
Figure BDA0001204713070000253
其中i和j指代源-接收器谐振器、源-中继器谐振器或中继器-接收器谐振器的对(例如，i＝1,j＝2、i＝1,j＝3或i＝2,j＝3)。这些谐振器中的任何之一可以包括在以下部分中描述的线圈。例如，在内容通过引用包含于此的2009年9月25日提交的标题为“Wireless EnergyTransfer Systems”的共同拥有的美国专利申请12/567,716中描述了用于利用高Q谐振器的技术。
被动减轻技术
可以使用被动减轻技术来防止FOD进入谐振器之间的区域或高电磁场的特定区域，从而防止FOD与电磁场的相互作用。
通过附加的示例性实施例，无线电力传送系统中的谐振器盖的设计可以提供被动FOD减轻技术。在实施例中，源谐振器和/或装置谐振器和/或中继器谐振器的外壳可以成形为防止FOD接近电磁场可能较大的谐振器和/或谐振器线圈的区域。在实施例中，谐振器外壳可以足够厚以防止外部物体与相对于谐振器或谐振器线圈的指定距离相比更靠近。例如，该外壳可以包括谐振器线圈和谐振器的外表面之间的额外的外壳材料和/或气隙和/或灌封材料和/或其它的物体和/或材料。在实施例中，从谐振器线圈表面到外壳表面的距离可以是0.5mm、1mm、5mm等。在实施例中，顶部谐振器线圈表面和顶部外壳表面与底部谐振器线圈表面和底部外壳表面之间的距离可以不同。在实施例中，谐振器线圈可以大致处于谐振器外壳的最薄尺寸的中间。在其它实施例中，谐振器线圈可以大致处于偏离谐振器外壳的最薄尺寸的中间的位置。在实施例中，谐振器线圈可以大致处于离开可以暴露于FOD的表面的位置。在实施例中，谐振器外壳可以包括提供FOD和谐振器组件之间的最小距离的禁入区。禁入区可以足够大以确保禁入区外部的场足够小，从而不会引起安全或性能担忧。
谐振器外壳可以设计成弯曲的、成角度的，或者成形为迫使外壳上的任何FOD滚动脱离外壳或盖的表面并离开谐振器和/或高电磁场。谐振器外壳可以成形为使得重力能够将物体拉离谐振器或处于使得重力能够将物体拉离谐振器的位置。在一些实施例中，谐振器的外壳和位置可以被设计成使用其它自然的或无所不在的力来移开FOD。例如，可以使用水流、风和振动等的力来防止FOD累积或停留在谐振器周围的不期望的区域中。在实施例中， FOD可能会累积的谐振器表面可以被设置为与地面大致垂直，使得物体不会自然地停留并累积在谐振器上。
在图1中示出提供一定程度的被动FOD保护的示例谐振器盖。无线电力传送系统的磁谐振器104可以被成形的盖102包围或者被具有形状的盖102包围或围住或者放置在具有形状的盖102下面。盖102可以成形为使得FOD 106 由于重力而从盖102滚下。盖102的形状可以通过迫使任何FOD到达谐振器的侧面以及/或者离开围绕谐振器的区域来防止FOD 106在盖102的顶部和/或谐振器104附近积累，其中在谐振器的侧面或围绕谐振器的区域，电磁场的大小足够高，从而会引起由于FOD的发热或者与FOD的相互作用而导致的危险状况。在实施例中，FOD可以被迫与高场区域离得足够远，从而不再造成被场加热和/或点燃、以及/或者与场不利地相互作用的风险。在一些实施例中，覆盖件可以包括成形为锥形、棱锥形、墩形、椭圆形和球形等的部分。在一些实施例中，盖可以包括例如Teflon等的光滑的材料，以使得FOD难以保持处于源谐振器和装置谐振器之间。
在其它示例性且非限制性的实施例中，被动FOD技术可以包括调整谐振器和/或谐振器组件的大小以使得无线电力交换区域中的任何位置的最大电磁场密度(例如，磁场密度、电场密度)减小至期望的极限以下。在一些实施例中，可以使用相对大的谐振器线圈来减轻一部分FOD风险。对于固定水平的电力传送，使用较大的谐振器线圈可以减小无线地传送一定量的电力所需的每单位区域的电磁场强度。例如，由源产生的最大电磁场强度可以降低至已知可能会发生发热或其它危险的阈值以下。被动减轻技术可能并非始终可行或实际或足够。例如，由于系统成本或重量约束或者由于期望将谐振器一体化到指定体积的系统中，因此通过增加谐振器大小来减少FOD危险可能是不实际的。然而，即使在完全被动技术可能不可行、不实际和/或不足够的应用中，可以使用被动减轻技术来至少部分地减少FOD风险，并且可以与主动减少技术互补。在一些应用中，可以仅利用主动减轻技术。
主动减轻技术
根据示例性且非限制性的实施例，针对FOD的主动减轻技术可以包括检测系统，该检测系统可以检测特定物体、特定类型的物体、金属物体、有机物体、热物体、谐振器参数的扰动和/或磁场分布的扰动。
根据示例性且非限制性的实施例，诸如金属物体等的FOD可具有足够的大小、长度和/或材料组成以扰动无线能量传送系统的效率或电力传送能力。在这种情况下，可以通过检查与无线电力系统的源谐振器和/或装置谐振器和 /或中继器谐振器相关联的电压、电流和/或功率中的一个或多个的变化来判断所述FOD的存在。源谐振器、装置谐振器或中继器谐振器中的一个或多个可以具有至少为100(例如，至少为200、至少为500)的固有品质因数。一些FOD 可以扰动能量传送所使用的谐振器的参数以及/或者可以扰动能量传送的特性。例如，FOD可以改变谐振器的阻抗。根据示例性且非限制性的实施例，可以通过测量谐振器的电压、电流、功率、相位、阻抗和频率等以及无线能量传送来检测这些扰动。可以使用相对于预期或预测值的变化或偏差来检测 FOD的存在。在示例性实施例中，可以不需要专用FOD传感器来检测无线电力系统中的FOD并对FOD做出反应。
根据示例性且非限制性的实施例，FOD可以仅微弱地扰动无线能量传送，并且通过监视谐振器的电参数和/或无线能量传送的特性可能几乎检测不到 FOD。然而，这种物体仍然可能产生危险。例如，仅与磁场微弱地相互作用的FOD大致上仍然可以发热。FOD可能会由于无线能量传送期间所产生的磁场或电场而发热。可能仅与电磁场微弱地相互作用但可能经历大幅发热的 FOD的示例是金属箔和纸包装，诸如口香糖和香烟包装中常见的金属箔和纸包装以及通常用于包装来自诸如汉堡王和肯德基炸鸡等的快餐店的食品的金属箔和纸包装等。当口香糖包装放置于3.3kW的无线能量车辆充电系统的谐振器之间的情况下，通过检查与谐振器和/或能量传送系统相关联的电参数，可能检测不到该口香糖包装。然而，所述包装仍然可以吸收足够的电力从而快速发热并且使纸包装最终燃烧。
根据示例性且非限制性的实施例，针对FOD的主动减轻系统可以包括用以检测无线能量传送系统上和/或附近的热点、热区域和/或热物体的温度传感器。系统可以包括用以检测无线能量传送系统中和周围的热源和热梯度等的任意数量的温度传感器、红外检测器和照相机等。在实施例中，可以单独地或者与其它主动和/或被动减轻技术一起使用热物体感测，并且可以使用热物体感测来进一步改善发热的FOD的可检测性以及/或者降低其它主动FOD 检测系统的误警报率。
根据示例性且非限制性的实施例，针对仅微弱地扰动两个谐振器之间的电磁场的FOD物体的主动减轻系统可以包括用于测量FOD物体附近的磁场的小变化的传感器。例如，金属箔和纸的口香糖包装可能大致上不改变两个谐振器之间的磁通，但是如果该包装覆盖和/或挡住线圈或回路区域或传感器或梯度计的任何部分，则可能会大致改变通过较小的传感器线圈或回路或传感器或梯度计的磁通。在实施例中，可以通过测量FOD附近的磁场的变化、变动和梯度等来检测由FOD的存在所引起的磁场中的局部扰动。
根据示例性且非限制性的实施例，可以使用如图2所示的小导线回路202 来实现FOD传感器。这种传感器可以放置在无线能量传送所使用的谐振器上或附近。在工作期间，无线能量传送系统可以产生可通过该回路的磁场。该回路可以产生与穿过回路内部208的磁通量成比例的电压。在一些实施例中，回路中感应的电压可以小于5V。在另一个实施例中，回路中感应的电压可以小于10V。例如，如果口香糖包装被放置在使其部分地覆盖回路以及/或者使回路附近的磁通发生偏转和/或吸收回路附近的磁通的位置，则该回路所产生的电压可以发生改变，并且可以检测并确定电压的变化以表示FOD的存在。在实施例中，可以使用导电回路来表示无线电力传送系统中的FOD的存在。
根据示例性且非限制性的实施例，可以使用如图2所示的两个小导线回路202、204来实现FOD传感器。这种传感器可以放置在无线能量传送所使用的谐振器上或附近。在工作期间，无线能量传送系统可以产生可通过这两个回路的磁场。各个个体回路可以产生与穿过各回路内部206、208的时变磁通量成比例的电压。这两个回路所产生的电压之间的差可以针对第一阶与回路附近的磁场的梯度成比例。如果这两个回路被放置在大致均匀场的区域中并且这两个回路大致相似，则这两个回路所产生的电压的大小之间的差可能非常小。例如，如果口香糖包装被放置在使其部分地覆盖其中一个回路而不覆盖另一个回路的位置，则这两个回路所产生的电压的差可能大于不存在该包装的情况下的电压的差，这是因为口香糖包装的金属箔可以使本应正常通过该回路的一些磁通发生偏转和/或吸收本应正常通过该回路的一些磁通。在一些实施例中，通过回路的磁通可以小于6*10-6T·m-2。
在实施例中，这两个回路所产生的输出信号可以彼此相减，使得在所感测到的场大致均匀的情况下由这些回路的组合所形成的结构产生小信号，并且在这两个回路之间的场中存在梯度的情况下产生可测量的较大信号。在回路和/或线圈被配置为在存在场梯度和/或非均匀或大致非均匀场的状态下产生信号的情况下，可以称这些回路和/或线圈被设置成梯度计。注意，可以使用模拟电路、数字电路、处理器和比较器等来使得来自不同回路的信号相减。注意，回路可以以特定配置(诸如以8字形的配置等)连接在一起，使得由穿过传感器中的这些回路其中之一的表面区域的磁场所感应出的电压大约等于与由穿过这些回路中的另一回路的区域的磁场所感应出的电压并且与该电压反向。传感器和/或梯度计的灵敏度可以与这两个回路之间的电压差的大小和/或相位相关。
注意，所谓的“8字形”导电回路可以通过以下方式而形成：采用一个大导电回路，夹紧该导电回路的中部，使得该大回路形成两个具有大约相等大小的较小回路，然后将一个较小回路相对于另一较小回路扭转180度或180度的奇数倍。在实施例中，可以使用任何类型的导电迹线来实现8字形的导电回路，这些导电迹线包括但不限于导线、利兹线(Litzwire)、导电管、PCB 迹线、导电墨、凝胶、涂料和带等。
根据示例性且非限制性的实施例，可以调整回路和/或线圈和/或传感器和/或梯度计的灵敏度，以优选检测给定大小或给定大小以上的物体。可以调整灵敏度以降低误检测率、降低检测系统的噪声和/或在频率的范围内进行工作。在实施例中，可以调整回路的大小和形状以调整传感器的灵敏度。例如，可以缩小传感器的回路以降低背景信号并且改善针对较小FOD的灵敏度。然而，如果传感器回路太小，则一些FOD可能会完全覆盖传感器的所有回路，使得FOD可能不产生信号。可以通过使用多个FOD传感器并使这些FOD传感器处于应检测到FOD的整个区域来减轻这种情形。然后，即使在一个FOD传感器没有检测到FOD的情况下，很有可能至少一个其它传感器将检测到FOD。在上面给出的示例中，较大的FOD可能会完全覆盖一些传感器，但是仅部分地覆盖其它传感器。被部分覆盖的传感器可以检测FOD，并且可以对系统进行编程以适当地做出反应。在实施例中，可以对回路进行调整以包括更多匝以及/或者包括例如四个回路或八个回路等的附加的回路。在实施例中，回路的位置可以具有旋转对称性，或者回路可以被设置成线性设置，或者回路可以成形为填充任何大小和形状的区域。在实施例中，回路可以是大致二维的，并且在其它实施例中，回路可以在第三维中扩展以改善性能。例如，回路传感器可以在印刷电路板(PCB)上实现，并且多个回路传感器可以在一层上实现(或者在两层上实现以形成8字形)，或者多个回路传感器可以在多于两层的PCB上实现。
在可以放置梯度计的位置和/或可以实现其它梯度计和/或回路设计的位置中磁场密度可以为非均匀的实施例中，金属物体的存在可以导引起与两个回路电压之间的差相对应的波形的振幅和/或相位变化。在实施例中，回路可以具有多个匝。根据示例性且非限制性的实施例，可以根据无线能量传送系统的磁场强度、检测方法的期望灵敏度和系统的复杂度等来调整回路区域 206、208的大小。如果金属FOD显著小于回路区域，则在存在FOD的情况下可能仅出现微弱信号。该微弱信号可能有被噪声或干扰信号淹没的风险。如果将该回路的大小调整为要检测的最小FOD大小的数量级(例如，在3倍以内)，则该信号可以足够大以便以低误警报率进行检测。在实施例中，FOD传感器和/或梯度计可以包括尺寸、形状和/或设置不同的一个或多个回路。在实施例中，FOD传感器可以包括具有一个传感器、多于一个传感器或没有传感器的区域。
在示例性且非限制性的实施例中，FOD传感器的设置可以经由算法、计算系统、用户或市场反馈数据、测试等来进行优化。
根据示例性且非限制性的实施例，测量金属物体附近的场梯度的另一方式可以是以直接输出如下电压的方式创建线圈(也称为回路)，其中该电压可以与磁场中的局部梯度成比例。这种线圈可以服务于图2所示的两个线圈的目的，而可以只需要一次电压测量。例如，如果将图2所示的回路其中之一的面积增加一倍，然后将该回路扭转成8字形，其中8字形的各瓣具有大致相等的面积，但是各瓣中由局部磁场所感应出的电压在符号上相反，然后在该瓣的两个端子之间产生的电压与两个瓣之间的磁通的差成比例。如果通过两个回路的磁通大致相等，则来自传感器的输出信号可以大致为零。图3A-3D 示出可能能够直接产生可能与磁场的强度和/或密度的局部梯度成比例的电压的扭转回路的一些示例性配置。
图2所示的两个回路可以被称为磁偶极子，图3A中的回路可以被称为梯度计和/或磁四极子，以及图3B中的回路可以被称为梯度计和/或八极子。四极配置可以产生与从左到右取向的磁场梯度成比例的电压。4瓣配置可以被配置为测量场梯度(图3B)和场梯度的梯度(图3C)。图3D表示多个瓣可以沿着线性维度扩展以覆盖例如为矩形的FOD检测区域的实施例。如图3D所示那样配置的多个传感器可以被配置成阵列以覆盖任何形状和大小的FOD检测区域。在实施例中，具有偶数个瓣的更高阶的多极子也可以被配置为测量针对磁场的空间扰动。在实施例中，图3A-3D所示的瓣可以使用多匝导体、导线和导电迹线等。
这些配置各自可以实现测量由于FOD的存在而引起的磁场扰动的目标。具有多个瓣的配置可以覆盖更大区域(在更多位置中检测FOD)，而大致不降低检测到具有与瓣类似的特征大小的FOD的可能性。
图2和图3A～3D中的回路配置被示出为圆形，但可以利用任何形状和大小的回路。如果期望在不存在FOD的情况下多回路配置产生接近零的净电流和/或净电压，则各回路的横截面积应被设计成捕获相等的通量。在大致均匀的磁场中，回路区域可以大致相等。如果回路被置于大致非均匀的磁场中，则回路区域可以被调整为在场越强的情况下越小，在场越弱的情况下越大，使得各回路中所感应出的电压在大小上大致相等，并且在符号上相反。
在实施例中，可以校准传感器阵列，并且可以处理来自传感器的信号输出，以改善传感器阵列的性能。例如，如果FOD检测算法利用传感器输出的变化作为控制信号，则传感器可以被配置成在不存在FOD的情况下使该传感器的输出信号尽可能地接近零。如上所述，如果各传感器瓣上的信号大致彼此抵消，则输出信号可以非常接近于零。这可以增加传感器的动态范围。如果在不存在FOD的情况下传感器所产生的信号大致不为零，则可以说这些信号具有“背景偏移”，并且可以在检测电路中处理这些信号，并且可以去除偏移。在实施例中，阵列中的不同传感器可以具有不同的背景偏移。在实施例中，背景偏移可以在校准过程中确定。
除圆形以外的形状可能非常适合具有高面积填充因数的阵列。示例包括正方形、矩形、六边形和平铺之间的间隙空间很小的其它形状。图4A示出正方形形状的线圈的示例，其中假定阵列与所示相比进一步扩展，并且具有相等数量的正回路和负回路。
图中“+”和“-”符号的目的是表示回路上的感应电压的相对符号。因此，均匀场中的8字形传感器将由两个连接的瓣表示，一个瓣标记为正，另一个瓣标记为负，这是由于这些瓣被配置为使得一个回路中的场所感应出的信号大致抵消另一回路中的场所感应出的信号。也就是说，正号和负号表示给定时刻的感应电压的相对符号。注意，在振荡磁场中，单个回路或瓣中的感应电压的符号以与磁场振荡相同的频率改变。也就是说，如果感应电压为正，即在“正”方向上，则在一个时间点，感应电压在半周期(tc/2)之后具有相反的符号(tc＝1/f＝2π/ω＝λ/c)。因此，图中“正”号和“负”号的目的是表示在回路组中所感应出的瞬时电压具有相同的相对符号(如两个“正”回路和/或两个“负”回路的情况那样)，或者具有相反的符号(如“正”回路和“负”回路的情况那样)。
在本发明中，应当理解，“盲点”可以指代由于一个或多个传感器的设置而使得该一个或多个传感器可能不能检测到一FOD(例如，异物)的区域。对于图4A所示的配置，对称的FOD片可能处于邻接回路之间的某些位置，使得场扰动可能不会产生可检测的磁场梯度。在图4A中示出这种所谓的“盲点”的示例。根据示例性且非限制性的实施例，第二层阵列回路可以放置于第一层上方和/或下方，并且可以如图4B所示那样横向平移。可以选择平移量，以使得第一层传感器的“盲点”可以与对于第二层而言可检测性最大或可检测性至少足够的位置相对应。在实施例中，平移可以是与单阵列检测概率相比改善了检测到FOD的可能性的任何平移。以这种方式，可以使存在可能检测不到FOD片的显著盲点的可能性降低。一个或多个平移阵列的类似方案可以在减少盲点方面实现大致相同的优点。还可以改变多个阵列中的回路的取向以应对非均匀磁场。
在实施例中，阵列回路的层可以具有大小和/或形状类似的回路。在其它实施例中，阵列回路的层可以具有大小和/或形状不同的回路。在具有大小和/或形状不同的阵列回路的层的实施例中，可以不必平移阵列回路来减少“盲点”的影响和/或改善检测到FOD的可能性。
在实施例中，偶极子、四极子和八极子等的各个回路或瓣可以具有多个大小和/或具有非统一的大小。在梯度计可以覆盖非均匀磁场的区域的实施例中，可以调整回路的大小，以确保在不存在FOD的情况下梯度计回路的输出处的电压最小。回路的大小可以被调整为使得较大的回路处于较弱磁场的区域中，并且较小的回路处于较高磁场的区域中。在实施例中，回路的大小可以被调整为使得较大的回路处于更均匀的磁场的区域中，并且较小的回路处于不那么均匀的磁场的区域中。在实施例中，传感器阵列中的梯度计的大小可以变化。在实施例中，较小的梯度计可以处于不那么均匀的磁场的区域中。在实施例中，较小的梯度计可以处于磁场强度较大的区域中以提供针对较小FOD物的检测能力，并且较大的梯度计可以放置于磁场强度较小的区域中，其中在磁场强度较小的区域中可能仅期望检测较大的FOD物。
图11A、11B、11C示出多个非对称FOD传感器设计。可以调整传感器的形状和大小，以使得在处于非均匀磁场中的情况下在正常工作期间提供大致为零的电压信号。在处于板上的或者跨针对FOD检测而设计的区域的传感器阵列1202中，如图12所示，可以在整个区域对称地设置FOD传感器1204。在一些实施例中，如图13、14和15所示，可以非对称地设置FOD传感器。在实施例中，传感器在高磁场的区域中可以靠得更近，并且在低磁场的区域中可以隔得更开。例如，可能期望在FOD最有可能被加热或与场不利地相互作用的最高场的区域中具有更多的传感器和/或具有灵敏度更高的传感器。在实施例中，可能没有理由减少较低场的区域中的传感器的量和/或类型。在一些实施例中，可能期望减少阵列中的FOD传感器的数量。例如，如果传感器占用了可用于其它电路的空间，或者如果传感器需要增加系统成本的组件，或者对于任何这种实际考虑，则可能优选设计如下的FOD系统，其中该FOD系统包括多个个体FOD传感器，这些个体FOD传感器的个体设计和在阵列内的放置是专门设计的。尽管这里描述了这种均匀和非均匀阵列的一些示例，但是这些示例仅是所公开的技术的范围内的许多示例中的少数示例。
根据示例性且非限制性的实施例，FOD传感器的阵列可以包括多个类型的传感器。在实施例中，FOD传感器可以包括单回路传感器和/或偶极子回路传感器/梯度计和/或四极子回路传感器/梯度计和/或八极子回路传感器/梯度计等。FOD传感器的一些区域可以不包括传感器和/或梯度计。FOD传感器可以包括温度传感器、有机材料传感器、电场传感器、磁场传感器、电容型传感器、磁传感器、电感型传感器、运动传感器、重量传感器、压力传感器、水传感器、振动传感器和光学传感器等，以及传感器的任何组合。
根据示例性且非限制性的实施例，针对仅微弱地扰动两个谐振器之间的电磁场的FOD的主动减轻系统可以包括用于测量FOD附近的电容型元件的电容的小变化的传感器。例如，放置在无线电力传送系统上或附近的物体(例如，有机材料、金属材料)大致上不能改变两个谐振器之间的磁通，但是该物体大致上可以改变该物体附近的一定长度的导电材料的自电容和/或互电容。一般来说，在两个物体(诸如一定长度的导电材料和有机或金属物体等) 彼此接近(但保持由诸如空气等的电介质材料隔开)的情况下，这两个物体的电容均发生改变，该效应被称为“互电容”。可以使用敏感电容检测器来检测任一物体的电容的变化(即，作为电压变化或直接电容测量)，从而检测物体彼此的接近。使用这种方法，在某些实施例中，可以通过检测FOD附近的电容变化、变动和梯度等来检测由FOD的存在所引起的针对电容型元件的电容值的局部干扰。这种方法对于检测通常不显著干扰磁场的有机物体(例如，活体)而言特别有用。
根据示例性且非限制性的实施例，如图18A所示，可以使用一定长度的导线1802作为电容型元件来实现FOD传感器。在该一定长度的导线附近不存在物体的情况与存在物体(例如，有机材料、金属材料)的情况相比，该导线可以具有不同的电容。如果该一定长度的导线1802与可以测量其在物体附近的电容的变化和/或对其在物体附近的电容的变化做出反应的电路一体化，则该一定长度的导线可以被称为电容型传感器。如果该一定长度的导线被放置在无线电力传送系统的范围和/或区域内，则可以使用该导线的电容变化来表示在该无线电力传送的范围和/或区域内存在某些类型的FOD。在实施例中，可以使用具有与某些材料的接近程度相关的电容的一定长度的导电材料来表示无线电力传送系统中的FOD的存在。
在实施例中，具有可以与某些类型的材料的接近程度相关的电容值的任何类型的材料和/或结构可以用在这里设想的电容型传感器中。一定长度的导线或任何类型的导电路径可以是值得关注的，这是因为该导线或导电路径可以被设计成大小和形状几乎任意的感测区域，并且因为该导线或导电路径的性能不会在存在无线电力传送系统的电磁场的情况下劣化。此外，在诸如有机材料等的材料在传感器附近但不一定触碰到传感器的情况下，导线/导电迹线的电容可以发生改变。在实施例中，导线/导电迹线传感器可以检测没有与无线电力传送系统的谐振器或谐振器外壳物理接触的有机材料。在实施例中，电容型传感器中使用的导线/迹线可以一体化到无线电力传送系统的电路、 PCB、外壳、模块和子系统等中。
在本发明中，应当理解，导线是示例性实施例，并且包括但不限于实芯线、绞合线、导电管、印刷电路板迹线、导电墨、凝胶、涂层和回路氧树脂等的任何类型的导电材料也是这里所述的公开技术所用的合适的电容型元件。
在实施例中，电容型传感器可以包括一个或多个电容型元件。图18A-F 示出电容型元件的多个示例。图18A示出电容型元件1802可以呈非对称和/ 或不规则形状的实施例。图18B示出电容型元件1804可以呈正弦形状并且可以被设置成覆盖应检测到FOD的区域1806的实施例。图18C示出遍及FOD传感器1204地设置电容型元件1804的实施例。图18D至18F示出一个或多个电容型元件的组织的实施例。例如，可以在一个或多个点处测量来自一个或多个电容型元件的数据并且可以按一个或多个级别来处理这些数据。图18D示出在点1808、1810、1812和1814处测量到的数据可以按中央或初级处理级别 1824来进行处理的实施例。图18E和18F示出在点1808、1810、1812、1814 和1815处测量到的数据可以按初级(处理器1824)和/或次级(处理器1816至 1822)处理级别来进行处理的实施例。在一些实施例中，来自一些点的数据可以被平均并与其它数据进行比较。例如，图18E示出点1808和1810可以被平均以与点1812和1814的平均进行比较并且还可以与点1815进行比较的实施例。
通常可以按照期望来选择电容型元件的大小以允许检测活体。在一些实施例中，例如，电力源产生延伸通过电容型元件所处的平面的磁场。该场在该平面中具有横截面场强度分布，该横截面场强度分布具有半高全宽(full width at half maximum)。电容型元件可以处于该平面中，使得平面中围绕这些电容型元件的大小最小的圆形周界在该平面中具有如下的封闭面积，其中该封闭面积为横截面场分布的半高全宽的100％以上(例如，110％以上、120％以上、130％以上、140％以上、150％以上、175％以上、200％以上)。特别地，通过使这些电容型元件的一些或全部处于场分布的边缘附近(例如，电力源和/或电力接收器的边缘附近)，可以使用电容型元件来在活体进入电力源和电力接收器之间的区域之前检测到这些活体。
通常，电力接收器和电力源均可以包括一个或多个谐振器，其中各谐振器可以包括一个或多个线圈。在一些实施例中，电力接收器的谐振器的总横截面积可以为电力源在电力接收器的位置处所产生的磁场的半高全宽横截面积的80％以上(例如，100％以上、120％以上、140％以上、150％以上、 175％以上、200％以上)。
为了向电力接收器传送电力，电力源在电力源和电力接收器之间产生磁场(即，磁场线的通量)。在一些实施例中，电力源被配置为在电力源和电力接收器之间(即，在电力源和电力接收器之间的一个或多个点处)产生至少为 6.25μT(例如，7μT、8μT、9μT、10μT、12μT、15μT、20μT、30μT、40μT、 50μT)的磁通。
例如参考图18C，在一些实施例中，FOD传感器1204处于电力源和电力接收器之间的第一平面中，并且电容型元件1804处于在电力源和电力接收器之间的第二平面中。第一平面和第二平面可以是相同或不同的平面。任一个或这两个平面可以处于更接近电力源的位置、更接近电力接收器的位置或者在源和接收器之间的区域中与源和接收器等距。
图19A～19E示出电容型元件的其它示例性且非限制性的实施例。在图 19A中，块形区域1902可以代表应当检测到FOD的示例性范围或区域。在该实施例中，电容型元件1802可以通过在FOD检测区域中来回蜿蜒的单个导线来实现，例如以形成蛇形路径。图19B和19C示出了替代实施例。图19D示出与19A类似的实施例，但导线路径之间的间距更小，而图19E所示的间距更大。如在上述的磁性FOD传感器的情况下，传感器的大小、形状、设置和放置可以影响FOD传感器的灵敏度。例如，可以在区域1902中的任何位置检测到放置在图19D所示的传感器上方的小块有机材料，而在虚线圈所强调的区域中可能检测不到放置在图19E中的传感器上方的相同材料。在一些实施例中，可能期望检测非常小的FOD片，并且可以优选图19D的传感器设计。在一些实施例中，可能期望仅检测较大的FOD片，并且使用用于检测较小FOD 或针对其它类型的FOD具有更高灵敏度的检测器可能引起检测错误或假阳性，因此可以优选更类似于图19E所示的传感器设计。
描述电容型传感器的特征的一种方式是利用跨FOD阵列的长度、FOD阵列的宽度和(针对3-D设置的)FOD阵列的高度的导线或导线区段之间的间距。在图19A中，形成电容型元件的导线图案示出沿着长度(ΔL)以及沿着宽度 (ΔW)的传感器的区段之间的大致相等的间距。如果传感器包括离开显示为 FOD区域1902的平面的区段，则传感器可以被描述为具有高度区段间距(ΔH)。图19A～19E所示的电容型元件被设置为大致填充FOD检测区域并且可以在整个FOD区域中给出类似的灵敏度。根据应用，可以优选在FOD区域中具有传感器更加灵敏的区域，并且可以存在不需要FOD检测的区域。在图 20A～20C中示出这些类型的传感器的示例性实施例。
在实施例中，电容型元件可以具有沿着FOD传感器的长度、宽度和高度间距发生变化的区段。图20A～20C示出FOD传感器的多个示例。图20A所示的传感器1802可以在FOD区域1902的任一侧具有与FOD区域1902的中心处相比更高的针对小FOD片的灵敏度。图20B所示的传感器1802可以在FOD区域1902的中心处具有与FOD区域1902的侧面相比更高的针对小FOD片的灵敏度。图20C所示的传感器1802可以在FOD区域1902的拐角处具有与FOD区域1902的中心处相比更高的针对小FOD片的灵敏度。图20A～20C所示的传感器可以被描述为具有多于一个的区段间距和/或具有可变的区段间距。在实施例中，FOD检测器所用的电容型元件可以具有至少两个宽度区段间距(ΔW1、ΔW2、...、ΔWn)。在实施例中，FOD检测器所用的电容型元件可以具有至少两个长度区段间距(ΔL1、ΔL2、...、ΔLn)。在实施例中，FOD检测器所用的电容型元件可以具有至少两个高度区段间距(ΔH1、ΔH2、...、ΔHn)。在实施例中，FOD检测器所用的电容型元件可以具有恒定和变化的区段间距的任何组合。
如在上述的磁场传感器中，电容型元件可以大致被设置在二维(2D)平面 (即，如上所述，与包含一个或多个导电材料回路的平面相同或不同的平面) 中或者这些电容型元件可以按3D设置。图21A～21D示出在两个不同方向上穿过区域1902的电容型元件1802的示例性实施例。在实施例中，这些电容型元件的导体可以优选彼此隔离，使得无线电力传送系统的电磁场不会感应出循回路电流。因此，可以使用彼此堆叠的绝缘线来实现这种元件以及/或者可以通过制造印刷电路板的不同层的元件来实现这种元件。
在实施例中，电容型传感器和电感型传感器可以在不存在振荡无线电力传送电磁场的情况下进行工作。例如，在存在无线电力传送所使用的振荡电磁场的情况下和不存在该振荡电磁场的情况下，上述电容型传感器可以以类似的方式进行工作。可以使用这些传感器，在无线功率传递区域中电磁场不大但可能仍期望检测FOD的无线电力传送区域中检测FOD。图22示出可以设置在无线电力系统的谐振器的外壳2202的边缘周围和/或扩展至外壳2202以外的电容型传感器1802的实施例。可以使用电容型传感器1802，在物体和/ 或材料接近谐振器时和/或在这些物体和/或材料进入谐振器之间的场最强的区域之前检测到这些物体和/或材料。在示例性实施例中，朝向谐振器外壳行走的动物(诸如猫等)可能会经过电容型传感器1802并引起电容变化，其中可以检测该电容变化并且使用该电容变化来降低或关闭谐振器线圈的电源。在实施例中，可以使用电容型传感器来检测朝向无线电力传送系统移动的物体，并且可以向无线电力系统发送活体正在进入无线电力传送系统的某个空间、区域、体积和范围等的控制信号。
在一些实施例中，电容型传感器可能会受到无线能量传送期间所产生的振荡磁场的不利影响。场可能会影响读数的灵敏度或使读数发生改变。优选电容型传感器的位置和取向可以减少这些电容型传感器与场的相互作用。在一些实施例中，例如，电容型传感器的导体可以优选取向为与谐振器的偶极矩平行。图21A～21D示出针对LOD的导体的可能取向。检测区域1902的导体 1802可以与如图21A～21C所示的谐振器的偶极矩对准。在一些实施例中，如图21D所示，可以按多个取向来设置导体。系统可以自动选择具有较小干扰的取向的导体。
在实施例中，如上所述的梯度计可以产生自身的磁场，而不是使用无线电力传送系统所产生的磁场。梯度计可以检测其自身磁场的变化。在示例性实施例中，可以向梯度计中的电感型传感器施加振荡电流和/或电压。在存在FOD的情况下所检测到的振荡电流和/或电压的变化可以是用于表示FOD的存在的信号。可以使用振荡电流和电压信号来直接驱动梯度计。在一些实施例中，通过无线电力传送场在FOD传感器上感应出振荡电流信号。
在一些实施例中，可以选择用来直接驱动FOD传感器的振荡电流和/或电压的频率，以使得传感器对特定类型的FOD特别灵敏或者特别不灵敏。在某些实施例中，可以改变磁性传感器上的振荡信号的频率、大小和/或相位以进行物体和/或材料的表征、识别和/或分类。在一些实施例中，可以使用频率、大小和/或相位的范围内的感应FOD信号的频率、大小和/或相位来识别 FOD并且判断无线电力传送系统是否应该对FOD的存在做出反应。例如，可以以能够唤起FOD的类型、大小、材料和/或位置特有的反射的频率来驱动 FOD检测系统。在另一示例中，可以利用如下的宽带信号来驱动FOD检测系统，对于该宽带信号，反射标志也可以是FOD的类型、大小、材料和/或位置特有的。在一些实施例中，可以以与驱动无线电力传送系统的频率不同的频率来驱动FOD检测系统。这可以使得FOD检测系统和无线电力传送系统能够独立地进行工作。
在一些实施例中，FOD传感器可以包括电感型传感器和电容型传感器这两者。在示例实施例中，电容型传感器的可变电容可以与磁场传感器的检测电路一体化。这种实施例的优点在于：电容感测功能可以容易地开启和关闭，并且电容感测功能甚至可以添加到并非最初被设计成接受来自这种传感器的输入信号的FOD检测系统上。
在某些实施例中，FOD检测系统可以包括多个传感器类型。在一些FOD 检测系统中，不同传感器类型中的至少一些可以靠近，可以共用相同的空间，以及/或者可以在类似或相同的区域中检测FOD。在一些实施例中，不同FOD 中的至少一些可以彼此分开和/或可以监视不同的区域。在示例性实施例中， FOD系统的电感型传感器可以大致与无线电力传送系统的磁谐振器的电容型元件分离。
主动FOD检测处理
上述的回路、偶极子、四极子、八极子和类似的线圈传感器/梯度计配置可以在存在振荡电磁场的情况下输出振荡电压/电流/信号。在实施例中，振荡电磁场可以是期望的测量信号。在其它实施例中，在来自多个回路的信号可能本应大致彼此抵消之处，由于不良的传感器和/或线圈设计、不平衡的梯度计设计以及/或者因谐振器设计、谐振器位置和FOD的存在等而导致的电磁场的非均匀性，因而可能产生振荡信号。根据示例性且非限制性的实施例，读出放大器可以连接至给定线圈、回路、传感器和梯度计等，并且可以具有高输入阻抗。这种设置可以防止在传感器线圈、回路、瓣、传感器和梯度计等中产生反而可能破坏和/或扰动无线能量传送所使用的谐振器的Q因数的显著的循回路电流。在一些实施例中，回路、瓣、线圈和梯度计等可连接至放大器和/或滤波器和/或模数转换器和/或运算放大器、比较器和/或处理器、以及/或者可以设置为具有高输入阻抗的任何电子组件。在某些实施例中， FOD传感器可以包括导电回路和高输入阻抗电子组件。在示例性实施例中，回路、瓣、线圈和传感器等中所感应出的信号可以足够小，使得可以使用任意输入阻抗的处理电路来处理FOD信号。可以利用如下的信号处理，这些信号处理可以包括但不限于对信号进行检测、对信号进行放大、对信号进行组合、对信号进行转换(从AC到DC和/或从DC到AC)、对信号进行箝位、对信号进行比较、对信号进行过滤、对信号进行存储以及在处理器上分析信号等。例如，可以选择对某个类型的FOD敏感的针对FOD检测系统的驱动频率。在一些实施例中，驱动频率可以低于无线电力传送系统的频率。例如，驱动频率可以为10kHz，这是由于一些金属在10kHz产生与145kHz相比更多的损耗。在另一示例性且非限制性的实施例中，可以使用宽带信号来驱动FOD传感器，然后可以对所测量到的和/或所反射的信号进行谱分析以判断FOD的存在。不同的FOD可以与不同的反射标志相关联。系统可以包括能够表征和存储所反射的FOD标志的学习算法。然后，系统可以基于“已知FOD”数据库来确定 FOD的类型。
在一些实施例中，可以利用调节电路来从传感器和梯度计减去不需要的偏移信号、恒定信号和/或振荡信号。可以使用振荡电磁场中的任何类型的捕获线圈或者通过使用晶体振荡器和/或处理器来生成振荡信号。可以使用任何已知的电子信号处理技术来生成、调节和操纵振荡信号的大小和/或相位。在实施例中，去除在不存在FOD的情况下从传感器产生的恒定偏移和/或振荡信号可以得到改善的灵敏度，并且可以减少背景噪声，并且在一些情况下减少来自传感器的假阳性输出。
根据示例性且非限制性的实施例，如图5所示，来自阵列中的至少一个线圈(回路、传感器、梯度计)的至少一个导体可以连接至读出放大器和/或模数转换器。回路导体502可以连接至放大器506和/或模数转换器508，并且可以产生输出504，其中该输出504可以由无线能量传送系统的其它元件使用，或者可以作为针对诸如微处理器等的用以存储并分析线圈、回路、传感器和 /或梯度计的输出的处理元件(未示出)的输入。
在某些实施例中，可以顺次测量阵列中的某些或所有线圈、回路、传感器和梯度计等上的电压，或者可以诸如图6所示的示例性实施例中那样以允许较少的读出放大器或模数转换器对阵列进行采样的方式来对这些电压进行多路复用。在示例性实施例中，梯度计602、604、606的阵列可以连接至多路复用放大器608，并且可以连接至一个或多个数模转换器610。一个或多个数模转换器612的输出可以由无线能量传送系统的其它元件使用，或者作为向诸如微处理器等的用以对线圈、回路、传感器和/或梯度计的输出进行存储、处理、转换、报告和分析等的处理元件(未示出)的输入。
在一些实施例中，传感器和/或梯度计回路的导体可以连接至有源和/或无源滤波器电路，以在高频率或低频率处提供高的端接阻抗。在某些实施例中，传感器和/或梯度计回路的导体可以连接至有源和/或无源滤波器电路，以以非常高或非常低的频率提供高的端接阻抗。
在一些实施例中，可以按照允许处理器确定线圈、回路、传感器和梯度计等上所感应出的波形相对于参考波形的振幅和相位的增量来对线圈、回路、传感器和梯度计等上的电压进行采样。在某些实施例中，可以每振荡周期至少两次(即，以奈奎斯特速率或高于奈奎斯特速率)对电压进行采样。在实施例中，可以不那么频繁地(即，以较高阶奈奎斯特频带)对电压进行采样。在采样之前可以对电压波形进行滤波或调节。可以处理电压信号以提高信噪比或减少被采样的信号的谐波含量。可以在采样之后对电压波形进行数字滤波或调节。
在一些实施例中，可以以允许处理器确定线圈、回路、传感器和梯度计等上所感应出的波形相对于参考波形的振幅和相位的增量来对线圈、回路、传感器和梯度计等上的电流进行采样。在某些实施例中，可以每振荡周期至少两次(即，以奈奎斯特速率或高于奈奎斯特速率)对电流进行采样。在一些实施例中，可以不那么频繁地(即，以较高阶奈奎斯特频带)对电流进行采样。在采样之前可以对电流波形进行滤波或调节。可以处理电流信号以提高信噪比或减少被采样的信号的谐波含量。可以在采样之后对电流波形进行数字滤波或调节。
在实施例中，可以处理来自FOD检测器的线圈、回路、传感器和梯度计等的时间采样电信号，以确定相对于参考信号的振幅和相位。参考信号可以从用于激励无线能量传送所使用的谐振器的相同时钟得出。在实施例中，参考信号可以从用于驱动FOD检测器的线圈、回路、传感器和梯度计等的信号得出。在示例性实施例中，来自线圈、回路、传感器和梯度计等的信号可由 FOD检测系统以小于每秒5个样本或小于每秒10个样本的速率来进行处理。
在一些实施例中，如图7所示，FOD检测系统可以包括单独的频率、场大小和/或相位采样回路704和电子设备702，以使得传感器和/或梯度计读数与无线能量传送系统的振荡磁场同步。
在实施例中，参考信号可以来自不同频率的不同振荡器。
处理针对FOD检测的8字形四极子配置(图3A)的示例可以如下所述：
1.在不存在FOD的情况下，从8字形回路其中之一采集时间采样电压波形
2.确定基频分量(或其谐波)的振幅和/或相位
3.存储该振幅和/或相位作为基线参考值
4.在存在FOD的情况下，从同一8字形回路中采集电压波形
5.确定基波(或其谐波)的振幅和/或相位
6.将该振幅和/或相位与参考值进行比较
7.如果信号和参考之间的差超过预定阈值，则声明检测到FOD。
在一些实施例中，可以在极坐标图以及/或者在振幅/相位空间中比较和/ 或评价存在FOD和不存在FOD的情况下的电压/电流波形的振幅和相位。在使用极坐标图以及/或者振幅/相位空间的实施例中，如果测量的信号和参考信号之间的距离(例如，通过最小二乘法确定的距离)超过预定阈值，则可以判断为传感器上存在FOD。
在某些实施例中，可以使用模拟电子电路、数字电子设备或者这两者来进行信号的处理。在一些实施例中，可以比较和处理来自多个传感器的信号。在某些实施例中，FOD传感器可以驻留在无线电力传送系统的谐振器中的仅一个或全部或一些谐振器上。在一些实施例中，可以处理来自不同谐振器上的FOD传感器的信号以判断FOD的存在以及/或者向无线电力系统给出控制信息。在某些实施例中，FOD检测可以可控地开启和关闭。在一些实施例中，可以使用FOD检测和处理来控制无线电力传送系统的频率、由无线电力系统传送的电力水平以及/或者启用和/或禁用无线电力传送的时间段。在某些实施例中，FOD检测器可以是能够向系统用户报告存在FOD和/或能够向更高层系统报告存在FOD或不存在FOD的报告系统的一部分。在一些实施例中， FOD检测系统可能能够利用“学习能力”，其中该FOD可以用来识别某些类型的FOD并且可以包括用以将FOD的类型分类为无害、有发热危险和由于其它原因而不被允许等的系统识别和/或系统反馈。在示例性实施例中，FOD检测系统可能需要小于5W或小于10W或小于20W的功率来进行工作。
根据示例性且非限制性的实施例，处理能力可以嵌入到FOD检测系统和 /或子系统中，以及/或者传感器数据可以被发送至远程和/或中央处理器。处理可以将采集到的电压波形与参考波形进行比较，并寻找统计学上的显著变化。处理可以将采集到的电流波形与参考波形进行比较，并寻找统计学上的显著变化。本领域技术人员将理解，可以在振幅和相位、I或Q分量、正弦或余弦分量方面以及在复平面中等对波形进行比较。
在实施例中，FOD校准和/或参考和/或计算和/或确定的基线信息可以存储在FOD子系统的存储器元件中。在实施例中，FOD传感器可以包括印刷电路板迹线，并且FOD系统可以包括驻留在印刷电路板上的微控制器。在实施例中，FOD系统的存储器元件可以与FOD传感器处于同一印刷电路板上。在其它实施例中，FOD系统所用的存储器元件相对于FOD系统可以是远程的。例如，来自FOD系统的信号可以传递至控制器/处理器/ASIC/PIC/DSP等、以及/或者无线电力源谐振器、装置谐振器、中继器谐振器或任何类型的源、装置和/或中继器电子设备控制单元所包括的存储器单元。在一些实施例中，来自FOD系统的信号可以被传递至计算机。在某些实施例中，可以使用来自 FOD系统的信号来控制无线电力传送系统的操作。
以下说明FOD检测系统的具体的非限制性实施例。已经从被示出为用作 FOD检测器的实施例采集了数据。
在第一实施例中，绞合线形成为8字形回路，该8字形回路形成如图8所示的两个回路之间具有较长的导线的四极子(梯度计1)。第二实施例被设计为如图8所示的梯度计2。8字形的回路约5cm长，各瓣的直径约为2.5cm。图 9A～9C示出从放置在无线能量源谐振器顶部的两个传感器采集的采样电压波形，该无线能量源谐振器被配置为向装置谐振器所附的负载传递3.3kW。图9A示出图8所示的两个梯度计上的小剩余电压(～30mVrms)。剩余电压可能是由于非均匀磁场、瓣面积的轻微变化和电干扰的组合而产生的。来自梯度计#1和#2的结果分别绘制成曲线904和曲线902。在金属口香糖箔放置于梯度计#2的右瓣上的情况下，通过该瓣的至少一些通量受到阻挡，并且梯度计变得更不平衡。在这种情形中，如图9B的曲线902所示，可观察到显著的振幅增加和轻微的相移。在该箔移动至梯度计#2的左瓣的情况下，如图9C 中所示，梯度计再次不平衡，从而引起与右瓣被挡住的情况下类似的振幅的变化，但相位改变约180°。在一些实施例中，可以使用FOD传感器或梯度计的相位和/或振幅读数的这些变化来检测传感器上的FOD的存在。在某些实施例中，可以使用FOD传感器或梯度计的相位和/或振幅读数的这些变化来检测 FOD在传感器上的位置。
还使用印刷电路板(PCB)技术来制造8字形传感器的实施例以实现传感器线圈或回路。该实施例可以具有包括如下内容的优点：低成本、更高的填充因数(这是由于回路可以被制成任何形状并且使用标准PCB处理技术容易平铺)、更高的均匀性、更高的再现性和更小的尺寸等。针对个体8字形传感器的16通道阵列使用平铺矩形回路获得了较高的填充因数。印刷的回路是高度均匀的，由此在不存在FOD的情况下来自传感器的基线读数更小(且更平坦)。
在一些实施例中，上述传感器和/或梯度计传感器可以与其它类型的 FOD传感器组合以提高检测可能性并且减少误警报(在不存在FOD的情况下系统检测到FOD)。例如，单个温度传感器或温度传感器阵列可以一体化到谐振器组件中。如果FOD片开始发热，则该FOD片可能会干扰正常预期温度测量和/或空间温度分布。可以检测到该偏差并使用该偏差来向系统控制器发送警报。在实施例中，温度传感器可以单独使用或与金属物体传感器组合使用以及/或者可以用作金属物体传感器的备用或确认传感器。
可以检测无线电力附近的诸如人和/或动物等的活体的存在，并且如果在源和接收器之间存在FOD，以及/或者如果活体闯入具有特定场强的磁场中，则可以使无线电力传送系统调小和/或关闭和/或产生警报或警告(例如，视觉和/或听觉信号)。可容许的、可接受的和被允许等的场强度极限可以依赖于频率，并且可以基于监管限制、安全限制、标准限制和公众认知限制等。在某些实施例中，电介质传感器可以测量来自诸如长导线等的导体的边缘电容的变化，并且可以使用该变化来检测生物的接近程度。在一些实施例中，这种传感器可以在诊断测试期间、无线能量传送之前以及无线能量传送期间使用。在实施例中，这种传感器可以单独使用或与任何类型的FOD检测器组合使用。在某些实施例中，FOD检测器可以检测人类、活生物体和生物物质等。
车辆充电应用
FOD的检测可以作为许多类型的无线能量传送系统中的重要安全预防措施。作为示例，以下论述3.3kW的车辆充电系统所进行的FOD的检测。
在图10中示出示例性EV充电器系统的块图。该系统可以划分为源模块和装置模块。源模块可以是充电站的一部分，并且装置模块可以附于电动车辆上。电力可以经由谐振器从源无线地传送到装置。可以通过源模块和装置模块之间的带内和/或带外RF通信链路来进行针对所发送的电力的闭环控制。
FOD检测器系统(未示出)可以一体化到系统中的各种位置。在一些实施例中，FOD系统可以一体化到源模块中、源谐振器中、源谐振器的壳体或外壳等中。在某些实施例中，FOD系统可以一体化在系统的装置侧。在一些实施例中，FOD系统可以在无线电力传送系统的源和装置这两侧上实现。在某些实施例中，FOD检测系统可以包括多个传感器和具有鉴别算法的处理器。处理器可以连接至用作源控制电子设备中的互锁的接口。其它FOD检测器系统可以通过附加接口或通过外部接口连接至充电器系统。各模块处的本地 I/O(输入/输出)可以在利用FOD检测的无线电力系统中提供系统级管理和控制功能用的接口。
高电力(3.3kW以上的)车辆充电系统中的源谐振器可能在绕线的边界附近具有最高的磁场密度，并且可选地在任何磁性材料附近具有最高的磁场密度。在高磁场的区域中，包括具有矩形瓣的多个双8字形线圈的传感器阵列可以保护金属FOD不受意外加热。阵列可以制造在PCB上并且可以将一体化的滤波和信号调节包括在板上。等效设计的第二PCB可以处于第一PCB的略上方或略下方，并以图4B中所述的方式横向平移。可选地，可以使用在单个板上包含两组(或更多组)阵列的多层PCB。如上所述的算法可以在板载处理器中运行，其中板载处理器的输出可以发送至系统控制器。系统控制器可以将金属FOD检测器的输出与诸如测量温度曲线或电介质变化的FOD检测器等的附加FOD检测器的输出进行比较。然后，如果检测到FOD，则系统可以决定是否要调小或关闭系统。
FOD检测系统的一些可能的工作模式如下所述：
·可以在不存在车辆的情况下进行低功率诊断测试，以检查充电站的健康状况和状态，并在车辆驶过源之前检查FOD。
·在车辆到达并处于源模块上方之后，但在高电力充电之前，FOD检测器可以验证源和/或源周围的区域中仍然没有FOD。
·在车辆到达并处于源模块上方之后，但在高电力充电之前，FOD检测器可以验证装置中没有FOD。
·在高电力充电期间，一个或多个FOD检测器可以验证没有附加的FOD 移动到谐振器线圈上或谐振器线圈附近。
如果在低功率诊断期间检测到FOD，则可以将通信信号发送至车辆、充电站和中央处理器等，以表示某源位置存在FOD。在一些实施例中，FOD传感器可以包括通信设施。通信可以是带内和/或带外的，并且可以是电动车辆通信系统的一部分，或者可以是单独的网络。在某些实施例中，源可以向用户或驾驶者提供该源上或该源附近存在FOD的指示。在一些实施例中，源可以提供可见指示、可听指示、物理指示和无线指示等，以向用户警告FOD的存在。在某些实施例中，谐振器可以包括用于从自身和/或自身附近去除FOD 的机构，并且可以在检测到FOD的情况下启动这种机构。在一些实施例中，用户可以具有被设计成从谐振器去除FOD的设备，并且可以使用这种设备以从诸如源谐振器和/或装置谐振器和/或中继器谐振器等的系统谐振器中清除 FOD。
在某些实施例中，被设计成去除FOD的设备可以包括可用于吸引诸如金属件、导体和/或磁性材料等的特定FOD的磁体。在一些实施例中，被设计成去除FOD的设备可以包括可用于去除FOD的刷子、扫帚、施威拂(swiffer)、抹布、拖把和清扫材料等。在某些实施例中，被设计成去除FOD的设备可以包括可用于去除FOD的吸尘器、吸盘、镊子、夹钳、粘性辊、鼓风机和风扇等。
传感器数据处理
在实施例中，可以单独地处理来自阵列中的多个FOD传感器的读数，并将这些读数与基线或来自其它传感器、传感器阵列的预期和/或测量读数、参考读数、所存储的读数和查找值等进行比较。在其它实施例中，来自多个传感器的读数可以一起使用并分析，以分析和比较整个传感器阵列的行为。同时处理和分析来自多个传感器的读数可以提供改善的灵敏度和FOD鉴别力等。在本发明中，应当理解，处理和分析可以在相似的时间进行。由于数据的维度较高，因而将多个传感器读数一起处理可以提供更多信息。从多个传感器捕获和处理数据可以捕获如邻接传感器的相互关系、整体传感器系统中的趋势和差异的效果以及如果单独分析各传感器则不会捕获到的其它效果。将来自多个传感器的数据一起处理的一些挑战可以包括确保数据被有效地处理以及来自数据的可能信息在处理期间不会丢失。在持续检测到数据的情况下，可能难以存储和分析多维数据集并同时维持检测FOD传感器中的小变化的能力。
在一些实施例中，可以将来自多个传感器的读数一起处理和分析，以计算可以用作异常系统状态或FOD的存在的区分符或警报的一个或多个数值。数据处理方法可以根据多个传感器计算可以用作用于比较系统的读数的基线值一个或多个相关性、协方差和均值矩阵。在建立了基线之后，可以使用高效矩阵运算计算将来自传感器的读数与基线进行比较，以产生新读数与基线读数可比的概率或可能性。下面概述这些示例性步骤的详情。
(i)计算传感器基线
在一些实施例中，为了确定不存在FOD的基线，可以使用来自传感器阵列中的至少两个传感器的读数来计算平均值和协方差矩阵。平均值和协方差矩阵可以用作针对FOD检测系统的工作期间的测量数据的比较。
在示例性实施例中，FOD系统具有j个传感器，可以从各传感器捕获来自各传感器i的大致正弦信号的振幅ri和相位θi。相位θi可以由参考值或信号来限定。用户可以确定参考值或信号。在一些实施例中，可以从参考时钟电路产生参考信号。在一些实施例中，在FOD传感器所产生的信号大致上不是正弦之处，可以进行信号处理以大致隔离和检测信号的基波分量。在某些实施例中，在FOD传感器所产生的信号大致上不是正弦的情况下，可以进行信号处理以大致隔离和检测信号的至少一个谐波分量。在一些实施例中，在 FOD检测方案中可以测量和利用传感器信号的基波分量和谐波分量的任何组合。针对所有传感器，可以相对于一个或多个参考信号来计算相位θi。对于j个传感器，各传感器的ri、θi提供2j个数据点。ri、θi数据可以根据如下所示的等式1(Eq.(1))表示为阵列形式x：
Figure BDA0001204713070000511
在一些实施例中，可存在多于一个比较用的参考信号。多个参考信号可以经由FOD检测系统中的多个参考线圈产生。在一些实施例中，参考线圈的设置可以依赖于无线电力传送系统的磁场。例如，对于在形状上是径向的并且与无线电力传送系统的谐振器线圈的平面垂直的磁场，参考线圈可以设置成圆形，使得参考线圈之间的场可以是均匀的。在另一示例中，对于与无线电力传送系统的谐振器线圈的平面平行的磁场，如图12所示，参考线圈可以设置成列或行。来自参考线圈的参考信号或参考信号组可以彼此比较，与来自FOD传感器的信号进行比较等。可以基于所检测到的FOD的位置、大小、类型和/或材料，来利用参考信号或参考信号组。
在某些实施例中，来自至少一个传感器的振幅和相位的读数可以通过函数、通过电路、通过计算等来处理和/或修改，并且处理后的数据可以以阵列表示。在一些实施例中，可以使用各种功能来处理测量数据。在某些实施例中，用于处理和/或修改原始传感器数据的函数可以不降低数据的维度。例如，一个函数可以取各读数的相位的正弦和余弦，这得到以下所示的根据等式(2) 的以下阵列x：
Figure BDA0001204713070000521
在一些实施例中，可选地，可以通过诸如值
Figure BDA0001204713070000522
等的标准化因数使x的各数据列标准化。
在示例性实施例中，为了构建不存在FOD的基线平均值和协方差矩阵，系统可以获取多组传感器读数(例如p组)，以针对系统的各种操作点(电力传送水平、源模块和装置模块的相对位置等)生成多个数据矩阵x。传感器的多个读数可以优选地代表系统和传感器读数的有用的、共通的、指定的和预期的等操作范围。利用p组数据(可选地，标准化的p组数据)，可以根据以下所示的等式(3)和(4)来计算平均值μ和协方差σ矩阵：
Figure BDA0001204713070000523
Figure BDA0001204713070000531
在该示例性实施例中，协方差矩阵σ可以是2j×2j矩阵。平均值和协方差矩阵可以由系统保存为用于在正常工作期间与传感器读数进行比较的基线。可以使用平均值和协方差矩阵来计算工作期间的FOD可能性。
(ii)FOD可能性计算
在示例性实施例中，在正常工作期间，系统可以采集来自FOD传感器的读数，并将这些读数与平均值和协方差矩阵的校准基线进行比较，以判断是否存在FOD。该比较可以基于产生一个或多个容易分析或比较的数字或可能性的函数。在一个实施例中，如果x是来自j个FOD传感器的2j个数据点的阵列，则可以如以下所示的等式(5)来计算可能性y：
y＝(x-μ)Tσ-1(x-μ) (5)
可以如以下所示的等式(5.5)来计算概率Ψ：
Figure BDA0001204713070000532
在实施例中，可以预先计算所存储的协方差矩阵σ的逆矩阵。可能性y 可以用作FOD的指示。在实施例中，可以向y的值分配阈值，其中高于或低于该阈值的传感器读数被假定为检测到诸如存在FOD等的系统中的异常状态。
在该示例性处理技术和方法中，多个传感器读数的行为可以以高效的方式一起使用，以确定系统的异常状态的可能性，并且针对存储基线或校准读数的数据存储要求相对小。
在示例实施例中，包含一个无线源谐振器和一个无线装置谐振器的系统包括FOD检测系统。FOD检测系统包括处于源谐振器和装置谐振器之间的8 字形传感器的7×7阵列(总共49个传感器)。8字形传感器处于源谐振器的磁场中。在源谐振器产生振荡磁场的情况下，磁场在49个FOD传感器中产生小的振荡电压。FOD传感器中的电压可以依赖于传感器周围的磁场分布，因此可以在系统的工作期间用作磁场梯度计。
在无线能量传送系统的正常工作期间，来自FOD传感器的信号或FOD传感器的读数可能会由于由温度变化、偏移变化、电力水平和其它谐振器的存在等所引起的磁场分布的变化而发生改变或漂移。即使在不存在FOD的情况下，在无线能量传送系统的正常工作期间，传感器读数也可以发生改变或漂移。系统可能需要校准步骤以确定传感器读数的基线范围或正常传感器读数的范围。可以使用基线读数来在系统操作(系统待机、启动、电力传送和维护等)期间比较FOD传感器读数，以检测FOD或者可能显现在与基线不同的 FOD传感器读数中的异常系统状态。
对于示例系统，可以在校准过程期间建立基线。基线可以包括基于系统 FOD传感器读数中的一个或多个所计算出的平均值和协方差矩阵。为了确定基线，系统可以捕获针对一个或多个系统状态(98个数据点)的传感器读数的振幅和相位。可以使用各状态的传感器读数来计算如上所述的平均值和协方差矩阵。
如前所述，假设为了校准的目的而执行了p个测量。传感器数据的各测量结果包含98个值。因此，传感器数据的各测量结果xi可以表示为根据以下所示的等式(6)的大小为98的列矩阵：
Figure BDA0001204713070000541
传感器数据的p个测量可以优选地代表针对可能会检测到FOD的系统的操作点的范围所产生的数据。利用数据的p个测量结果(可选地，标准化的测量结果)，可以根据以下所示的等式(7)和(8)来计算平均值μ和协方差σ矩阵：
Figure BDA0001204713070000542
Figure BDA0001204713070000543
在校准了系统并且保存并计算了平均值和协方差矩阵之后，系统可以在系统的工作期间周期性地或连续地获取FOD传感器的测量结果。对于来自 FOD系统中的各传感器的各组读数，系统可以根据如下所示的等式(9)来计算存在于系统附近的FOD的基于可能性的函数y：
y＝(x-μ)Tσ-1(x-μ) (9)
可以如以下所示的等式(9.5)来计算概率Ψ：
Figure BDA0001204713070000551
可以使用可能性y和概率Ψ来确定FOD可能性。最大可能性y对应于Ψ的最小值。
基于输入、计算出的、测量到的或预定的针对y的阈值，系统可以将计算出的值分类为高于阈值(这意味着存在FOD)，并且使用系统的其它部分来减轻或研究FOD的风险。
在FOD检测系统的一些实施例中，在协方差矩阵和可能性函数的计算中，来自各传感器的读数可以被赋予相等的重要性或相等的权重。在某些实施例中，传感器可以被赋予不等的重量或重要性。在一些实施例中，来自特定的一个或多个传感器的读数可能会由于传感器的更大的灵敏度和位置等而更为重要。例如，一些传感器(即线圈、回路、8字形回路)可以处于高磁场的区域中，而其它传感器可以处于低磁场的区域中。还应当理解，本发明中所述的各种传感器可以处于高磁场的区域中，而其它传感器可以处于低磁场的区域中。在一些实施例中，高磁场中的传感器所检测到的变化可以比系统中的其它传感器所检测到的变化更重要。这种传感器可以被给予更大的重要性，并且这些传感器的读数可以在平均值和协方差矩阵的计算中被给予更大的权重。
在一些实施例中，谐振器高场或“热”区域中的FOD传感器可以被设计为比低场或“冷”区域中的传感器更小和/或隔得更密。存在从“热”区域向“冷”区域的过渡的区域也可以具有更小的传感器回路，以使得磁场在传感器回路的区域内的非均匀性的影响最小化。在某些实施例中，FOD传感器的某些区域可以包括具有不等的尺寸和/或形状的瓣的线圈、回路、梯度计、8字形传感器等。这种非对称传感器可以被设计成提供更高的灵敏度、更低的噪声和/ 或更小的温度灵敏性能。在一些实施例中，传感器阵列可以包括如下的至少一个传感器，其中该至少一个传感器与阵列中的至少一个其它传感器具有不同的尺寸和/或形状和/或对称性、以及/或者类型、以及/或者相对位置、以及 /或者相对取向、以及/或者导体材料。
在某些实施例中，系统可以具有多个基线和/或协方差矩阵。例如，系统可以具有针对系统的一个或多个特定状态、位置、温度、湿度和电力水平等的基线和/或协方差矩阵。在一些实施例中，在针对有限或特定基线所确定或计算出的协方差矩阵并不代表系统的整个操作范围的情况下，系统可以被配置为仅在系统处于确定或计算基线所针对的特定状态、位置、电力水平和 /或一定范围的状态、位置、电力水平等的情况下启动FOD检测系统。
例如，FOD检测系统可能仅利用了针对特定电力传送水平(例如，3kW) 处的传感器读数的基线进行了校准。应当理解，FOD检测系统可能利用了针对特定电力传送水平0.5kW(例如，1kW、2kW、3kW、4kW、5kW、6kW、 8kW、10kW、15kW、20kW、50kW)处的传感器读数的基线进行了校准。FOD 检测系统可以使用来自系统的其它传感器或部分的信息来判断系统是否在已经得到了基线的状态下进行工作。例如，FOD检测系统可以从源谐振器放大器控制电路接收信息，以判断电力传送水平是否为3kW或约3kW。在FOD 检测系统根据其它子系统或传感器确认了系统的状态之后，可以测量FOD检测传感器并且与已保存的基线读数进行比较以判断是否存在FOD。在示例性实施例中，FOD检测系统可以包括电力水平、位置、系统状态、温度和湿度等检测能力。在这种实施例中，FOD检测系统可以确认某些操作状态，而不需从无线电力传送系统的其它子系统和/或传感器接收信息或系统指示。在一些实施例中，可以使用针对多于一个的电路、传感器和子系统等的信息和/ 或指示的组合来确定无线电力传送系统的操作状态和FOD检测系统中所存储的基线和/或协方差矩阵的适用性。
在某些实施例中，可以针对代表系统的正常和/或可接受操作的传感器读数来计算基线和/或校准。在一些实施例中，用于计算基线的传感器读数可以针对无线能量传送系统的无FOD或无故障操作。基线的校准中所使用的传感器读数可以代表无线能量传送系统的可接受操作状态的部分或整个范围以及来自FOD检测系统的可接受读数的部分或整个范围。
通常，无线电力传送系统的各种不同的操作状态可以表示在基线和/或校准信息中。在一些实施例中，例如，可以针对与系统的电力源和电力接收器之间的不同能量传送速率相对应的多个不同操作状态提供(例如，检索或测量)基线信息。在某些实施例中，可以针对与系统的电力源和电力接收器之间的不同对准相对应的多个不同操作状态提供基线信息。在一些实施例中，可以针对与系统的电力源和电力接收器之间的不同间距相对应的多个不同操作状态提供基线信息，其中间距是沿着与电力源的谐振器所限定的平面正交的方向测量的。
在某些实施例中，用于计算或校准基线的传感器读数可以表示不可接受的系统行为或状态。在一些实施例中，用于计算或校准基线的传感器读数可以是针对系统附近存在FOD的读数。用于计算基线的传感器读数可以是超出系统的操作范围的谐振器偏移。可以使用这些不寻常或不期望的系统状态来构建这些系统状态自己的平均值和协方差矩阵。可以通过计算可能性y将这些读数与正常工作期间的传感器读数进行比较，以确定读数与用于校准的读数匹配的可能性。如果可能性高，则系统可以确定存在FOD，并且发起针对检测事件的系统响应。
在一些实施例中，具有至少一个FOD检测器系统的无线电力传送系统可以使用传感器读数来计算或确定针对正常或可接受的系统操作和传感器读数的基线，以计算或确定针对不期望或不可接受的系统操作或状态的另一基线。在一些实施例中，系统可以具有包括一个或多个所存储的平均值和协方差矩阵的多于一个的所存储的基线。在某些实施例中，该一个或多个平均值和协方差矩阵可以代表针对正常、预期和/或可接受的系统状态和/或行为的传感器读数，并且该一个或多个平均值和协方差矩阵可以代表针对异常、不可接受和/或超出范围的系统状态和/或行为的传感器读数。在一些实施例中，在无线能量传送系统的工作期间，FOD检测系统可以从FOD检测传感器获取读数，并将这些读数与可接受的和不可接受的基线进行比较。系统可以使用附加处理来帮助判断FOD传感器读数与可接受的或不可接受的基线相比是否具有更高的可能性y。
在一些实施例中，在基线的校准和计算期间，可以针对一定范围的状态和操作环境对系统进行训练或校准，使得各状态或环境在协方差矩阵和可能性函数的计算中具有相等的重要性或相等的权重。例如，状态和操作环境可以包括源装置分离距离、电力水平、无线电力传送中所使用的频率、湿度范围、温度范围、高程水平等。在某些实施例中，在基线的计算中，可以向一些特定的系统状态或环境条件给予更高的重要性或更大的权重。在一些实施例中，在系统的正常工作期间，某些特定系统状态可能更重要或更有可能。例如，在美国南部使用的系统可以针对与美国北部使用的系统相比更高的温度范围进行校准。
在某些实施例中，在基线的计算中，可以给予更可能的系统状态更高的权重。例如，在基线的计算期间，可以从正常操作中可能更有用的那些状态采集更多的数据点(更多的p个测量)。在一些实施例中，用于建立基线的优选方法可以包括采集基线样本，使得针对各状态所采集的样本的数量与工作期间该状态存在的概率成正比。在某些实施例中，优选方法可以向各状态分配与正常工作期间该状态存在的概率成比例的权重。
作为示例，如果在基线(x1,x2,...,xp)中包括p个测量，则这p个测量各自可以分别被赋予权重(w1,w2,...,wp)。然后，可以根据以下所示的等式(10)和(11) 来计算使用该方法所组成的平均值和协方差矩阵：
Figure BDA0001204713070000581
Figure BDA0001204713070000591
(iii)同步
在一些实施例中，FOD系统可以包括至少一个导电线圈，其中该至少一个导电线圈拾取振荡磁场所感应出的电压和/或电流。在某些实施例中，可以使用振荡电压/电流信号来确定诸如磁场的频率、磁场的振幅和磁场的相位等的量。这些信号可以被称为参考信号，这是由于这些信号可以用于FOD系统所利用的时钟恢复和锁相回路。在一些实施例中，还可以使用参考信号来设置相位参考，使得可以相对于参考相位来定义来自个体传感器的相位信息。在某些实施例中，用来检测无线电力传送所使用的场的线圈可以被称为“参考线圈”。
在一些实施例中，参考线圈可以是任何形状和/或尺寸，并且可以由与 FOD传感器类似的导体支撑或者由不同的导体制成。在包括一体化在印刷电路板中的传感器的FOD系统的示例性实施例中，可以使用印刷电路板迹线、导线迹线、利兹线迹线和导电带等形成参考线圈。参考线圈可以与FOD传感器的一部分重叠或者可以装配在FOD传感器的瓣内。
在某些实施例中，FOD系统可以包括多于一个的参考线圈。在一些实施例中，FOD系统操作可以包括用以确定在不同操作模式中可以使用哪些参考线圈或参考线圈的组合的方法。在某些实施例中，可以使用针对参考线圈信号的信号处理来确定对于特定应用而言一个参考信号是否比其它参考信号更好，或者多个参考信号是否更好。可以测量、计算、比较诸如信噪比、谐波含量和采样灵敏度等的参数，以确定哪些参考线圈信号可以在FOD系统中使用。
如前所述，各FOD传感器的输出可以由正弦波近似。与不存在FOD的情况相比，FOD的存在可能会影响传感器信号的幅度以及相位。为了检查信号的相位变化，可以测量参考信号，并且可以使用传感器信号和参考信号之间的相位差来检测传感器信号的相位的任何变化。参考信号可以通过测量放置在磁场中的导线的回路两端的电压来产生。在不存在FOD的情况下，传感器信号和参考信号之间的相位差可以保持不变。
因此，传感器信号相对于参考信号的相位差可以用于FOD检测。
(iv)正交采样
可以使用正交采样来计算测量的正弦信号相对于参考信号的振幅和相对相位。在FOD检测的情况下，测量信号相对于参考信号的幅度和相对相位可以用作用于将测量信号分类为FOD存在或FOD不存在的参数。在采样信号不是完全正弦的情况下，正交采样的触发信号相对于参考信号的相对相位可能会影响测量信号相对于参考信号的振幅和相对相位的计算。这可能导致在不存在FOD的情况下信号的振幅和相对相位的计算值的大的分散，并且降低传感器的灵敏度。该问题的一个解决方案是确保正交采样的触发信号和参考信号的相对相位大致不变。例如，相对相位可以维持在相对相位的平均值的 10％以内(例如，5％以内、3％以内、1％以内)。可以通过使用参考信号产生正交采样的触发信号来维持相对相位，以确保采样信号和参考信号的相对相位大致不变和/或主动测量和控制采样触发和参考信号的相对相位。
使用与传感器信号类似的模拟滤波器和放大器来处理参考信号。然而，参考信号的增益可以被选择为与传感器信号放大器的增益不同。
FOD传感器的校准
在一些实施例中，FOD系统和传感器可以具有校准过程。可以使用该过程来“教导”或“训练”系统正常操作界限或者计算适当的基线数据(例如，平均值和相关性矩阵)。应当理解，适当的基线数据还可以指代诸如但不限于无线电力传送系统的可能性y、失准、温度、湿度等的参数。校准过程可以涉及在系统的p个状态下采集传感器数据(x)，以确定如上所述的平均值和相关性矩阵。校准过程可以提供不存在FOD的情况下的传感器读数的界限或范围。在实施例中，由于不同的谐振器偏移、温度变化、距离变化、或者谐振器类型、车辆的变化等，因此传感器读数可能会因谐振器的移动而发生改变或波动。系统可能需要辨识传感器读数的哪些变化在操作的正常界限内、以及哪些变化是由于谐振器附近的异物而引起的。在一些实施例中，系统可能需要校准或教导阶段来识别传感器读数范围和特性以及可以被认为是在系统的正常操作内并且在操作的正常界限内。校准操作可以提供基线或者被分类为“正常”或“无FOD”读数的基线传感器读数的范围。可以使用正常读数以外的传感器读数来触发警报信号和/或FOD检测或减轻程序。
在某些实施例中，系统可以在制造期间、定期使用一段时间之后和每次使用时等时间校准。校准的类型、校准的时间、复杂度、读数的数量等可以依赖于系统的使用情形、期望的灵敏度或性能和系统的成本等。在一些实施例中，FOD检测系统可以利用多于一种校准方法。系统可以利用一个校准方法进行校准，并且在使用期间或在不同的环境和/或部署情形中使用另一种校准方法。
在一些实施例中，FOD检测系统可以在制造期间或在系统部署之前被校准至正常范围或传感器读数的“无FOD”范围。在某些实施例中，可以针对一定范围的偏移、高度、谐振器、谐振器类型、电力水平、取向、车辆、温度、地面和天气条件等对系统进行校准或“训练”。教导或校准阶段可以被设计成针对预期用例情形的正常或预期范围提供无异物情况下的传感器读数。校准可以在受控环境中进行，从而在获取传感器读数的同时逐渐提供新的情形、偏移、位置和环境变量等。随着位置和环境条件改变，可以连续地获取传感器读数，或者在位置或环境条件以显著的方式改变的情况下，可以周期性地获取传感器读数。
例如，在校准过程期间，FOD检测系统可以针对由于谐振器的偏移或失准的变化而引起的传感器读数的变化进行校准。在校准过程期间，谐振器可以彼此偏移或失准。在谐振器彼此偏移的情况下，甚至可能在谐振器正在传送电力的情况下，可以连续地监视和处理传感器读数。在一些实施例中，FOD 检测系统可以利用自适应技术来进行校准以适应变化的状态或环境。在某些实施例中，在校准期间，可以在诸如每隔5mm、10mm或更多的偏移等的离散偏移处获取传感器读数。在一些实施例中，可以按多个电力水平或按连续变化的电力水平在每个测量位置或者在某些测量位置处获取传感器读数。在某些实施例中，可以设置、改变和扫描等多个系统性能参数，以进行用于确定和/或计算平均值和协方差矩阵的测量p。
在一些实施例中，如果系统参数、测量结果、读数等的期望值为零，则系统的协方差矩阵可以等于相关性矩阵。在本说明中，术语“协方差”矩阵和“相关”矩阵可以互换使用。
在某些实施例中，在校准过程期间，可以监测传感器读数，但仅在来自传感器的读数存在显着变化的情况下才处理或存储传感器读数。在针对各种偏移的校准期间，例如，偏移可以改变并且可以监视传感器读数。仅在读数相对于已经获取的已保存的校准数据偏离预定阈值的情况下，才可以处理、存储传感器读数，或者将传感器读数添加至校准数据。仅在数据发生预定阈值的改变的情况下才处理该数据，这样可以减少足够精确的校准所需的读数和存储点的数量。
返回利用自适应技术针对一定范围的偏移进行校准的示例，可以改变无线电力系统的操作参数，直到传感器读数与已经存储的传感器的校准数据不同为止。在读数与所存储的数据显著不同或相差预定阈值之后，可以处理传感器读数并将其添加至正常工作期间可能的“无FOD”传感器读数的校准数据。在这方面，可以按不一致的间距来处理传感器数据。例如，可以根据侧向-侧向方向上的5mm、20mm、22mm和24mm的谐振器偏移的位置处的传感器读数和所存储的校准数据的差，在这些谐振器偏移处来获取校准数据。另一无线电力系统上的另一校准过程可包括在10mm和25mm处进行的测量。校准过程可以高度定制，并且可以针对校准速度或精度或均匀度或任何数量的系统变量、参数、规格等进行优化。在一些实施例中，在无线电力系统处于至少一个操作模式的情况下，针对FOD传感器的校准过程包括至少一个FOD 传感器的至少一个测量。在某些实施例中，在无线电力系统处于至少两种操作模式的情况下，FOD校准包括使用至少两个FOD传感器的多于一个的测量。
在一些实施例中，系统中所存储的校准数据可以与针对各校准点的系统的状态一起保存。可以使用所存储的校准数据来确定正常工作期间系统的状态。例如，针对各谐振器偏移位置，校准数据可以与关于谐振器偏移位置的信息一起保存。在系统的正常工作期间，在传感器产生与特定校准点的读数类似的读数的情况下，系统可以使用校准来确定谐振器的偏移或系统的状态的其它参数。在一些实施例中，校准后的FOD系统可以用作无线电力传送系统中的位置传感器。在示例性无线电力传送系统实施例中，可能存在“n”个状态，可能希望基于传感器数据来区分这“n”个状态。例如，这“n”个状态可以是相对谐振器位置。这“n”个状态其中之一可以是(0,0,10)，其中(0,0,10)表示谐振器线圈的中心在xy平面中对准并且谐振器线圈间距10cm的相对位置 (遵循(x，y，z)约定，其中z是与x-y平面垂直的维度)。这“n”个状态中的另一状态可以是(-5,10,15)，其中(-5,10,15)表示谐振器线圈沿x方向偏移-5cm、沿y 方向偏移10cm、沿z维度偏移15cm。这种相对谐振器位置可以在无线电力传送系统的正常操作范围内，并且系统可以使用位置数据以增强或改变系统的操作，其中增强或改变系统的操作包括但不限于调谐阻抗匹配网络、确定适当的电力水平、确定适当的驱动频率和/或它们的任何组合。在其它实施例中，谐振器的相对位置可以被确定为对于系统而言超出范围，并且系统控制可以产生警报、限制电力接通以及发起重新定位算法等。
在示例性实施例中，校准数据可以与某些系统操作位置、取向、电力水平和频率等相关联。在这种实施例中，可以针对各操作状态i建立和/或存储基线计算。各状态i可以使用p个数据点(测量结果)来表征，并且可以表示为 (x(i,1),x(i,2),...,x(i,p))，其中i的范围为1～n或0～n-1、或者使得该集合包含n个状态值一定范围的值。对于这n个状态中的各状态，每个状态i可以具有可以根据以下所示的等式(12)和(13)来计算的自己的平均值和协方差矩阵：
Figure BDA0001204713070000631
Figure BDA0001204713070000632
给定新的测量结果x，通过如先前所述并根据以下所示的等式(14)计算以下矩阵乘积来确定系统的最可能的状态：
yi＝(x-μi)Tσi -1(x-μi) (14)
可以如以下所示的等式(14.5)来计算概率Ψi：
Figure BDA0001204713070000641
y的值最高的状态则是系统的最可能的状态。y的最高值对应于Ψi的分布中的最小的Ψ值。
FOD检测系统的读数中的与系统的状态有关的信息可以由无线能量传送系统的其它部分使用。与谐振器偏移和谐振器分离等有关的信息可以由无线能量源放大器的电源和控制电路使用，以基于系统的状态来控制源的电力输出及诸如阻抗、频率等的源的输出参数。在一些实施例中，可以使用来自其它传感器的信息来改进或补充来自FOD检测系统的系统状态预测。可以使用来自温度传感器、电感型传感器、谐振器上的功率和电压读数等的信息来补充或改进来自FOD检测系统的系统状态预测。
在某些实施例中，其它装置或系统可以使用系统状态信息。例如，在车辆充电应用中，车辆可以将该信息用于引导目的，以在停放工作期间对准谐振器。
在一些实施例中，根据系统中所使用的组件的成本、耐受性、以及灵敏度要求等，各系统可能需要校准过程。在某些实施例中，各FOD检测系统可以使用无线能量传送谐振器和将与其配对的系统来经历个体校准过程。在一些实施例中，各FOD检测系统可以使用至少一个特殊或标准无线能量传送谐振器和系统来进行个体校准过程。然后，FOD检测系统可以与不同的无线能量传送谐振器组配对。
在某些实施例中，可能仅需要针对各类型的无线能量传送系统或谐振器类型进行针对FOD子系统的校准过程。可以对测试系统进行一次校准，并且来自一个系统的校准数据可以用在所有相同或类似的无线能量传送系统中，而不必重新校准各系统。
在一些实施例中，可能仅需要针对各不同类型的无线能量传送系统或谐振器类型进行校准过程。在已经表征了来自系统类型的FOD检测传感器的读数之后，这些读数可以用作其它类似系统的基线特性数据，简化了针对系统的其它副本的校准过程。利用从基本系统校准加载的基线校准数据，各连续的系统副本可以仅需要在特定子集的位置或系统状态处进行校准，以完成针对各系统的校准数据采集。在由于组件变动和制造不确定性等而存在系统特性的小的差异的情况下，针对各附加的系统副本可能需要附加的校准过程。
在某些实施例中，来自一个表征或校准的信息可以用在其它系统中。对于一些系统，可能可以通过仅扫描可以是最可能的操作位置或状态的一个位置来计算平均值矩阵。然后，尽管该平均值并非严格地是所有数据点的平均，也可以使用该平均值来计算协方差矩阵。
假设在最可能的操作状态下进行m个测量，并且可以根据等式(15)来计算有效平均值μeff。
Figure BDA0001204713070000651
然后可以根据等式(16)通过针对所有可能的操作状态测量p个数据点但使用该有效平均值来计算有效协方差：
Figure BDA0001204713070000652
使用该方法，在使用新系统的情况下，有效协方差保持大约相同，并且校准仅需要新的有效平均值，其中可以更快地测量该新的有效平均值，这是由于该新的有效平均值是仅针对系统的一个状态而计算的。
在部署之前校准的系统可能能够在无线能量传送系统的使用和初始化的不同阶段检测FOD。在校准包括不存在装置谐振器的情况下的传感器读数的实施例中，系统可以在装置谐振器到达之前检测FOD。例如，在车辆充电应用中，源谐振器可以在车辆到达之前检查FOD。在一些实施例中，无线能量源可以在车辆到达之前打开或提高电源。源谐振器可以提升电力至全电力或全电力的一部分以激励FOD检测传感器并获得读数。可以将这些读数与在没有FOD的情况下进行工作和/或提升电力的系统的校准数据进行比较。如果这些读数偏离所存储的校准数据，则可以使用FOD检测系统在车辆停放在源上之前和/或在无线电力交换被部分或全部开启之前向用户警告可能的FOD。
如果期望在不存在车辆的情况下进行针对FOD的检查，则无线电力系统源可能需要在附近不存在装置线圈的情况下激励源线圈。在这种情况下，源可以以与在正常电力传送期间存在装置的情况下所采用的方式相同的方式来激励源线圈，或者可以以不同的模式进行工作以激励源线圈。例如，源线圈在不存在装置线圈的情况下所呈现的阻抗可以不允许源放大器的正常工作。在这种情况下，在阻抗匹配网络中可以存在一个或多个元件，该一个或多个元件可以被切入电路，以使得可以操作放大器和FOD检测系统的方式来修改源线圈所呈现的阻抗。在FOD检查完成之后，该一个或多个元件可以被切出电路，以允许在存在车辆的情况下的正常电力传送操作。
在部署之前校准的系统可以立即能够在系统启动时检测处于无线能量传送谐振器附近的FOD。例如，在停放了车辆以及无线能量传送开启之后， FOD检测传感器可以通电并且能够提供可以与所保存的校准读数相比较的读数。如果所检测到的读数偏离所存储的值，则FOD检测系统可以生成表示存在FOD的信号、警报和指示等。在一些实施例中，无线电力传送系统在存在FOD的情况下与不存在FOD的情况下可以以不同方式进行工作。
在某些实施例中，FOD检测系统可在系统部署期间进行校准。在一些实施例中，FOD检测系统可以在每次系统启动或开始能量传送时和/或当系统正以任何水平传送电力时采集校准数据。在一些实施例中，系统可以在能量传送的开始期间进行系统校准。在某些实施例中，可以确保系统在系统启动时没有FOD。系统在启动期间的无FOD环境可以由用户、由另一系统以及由 FOD清除装置等来确保。在初始无线能量传送期间，系统可以使用初始FOD传感器读数作为在工作期间要存储，与正常预期读数组进行比较以及/或者校准正常预期读数组的基线读数。在某些实施例中，在操作的起初数秒或操作的起初数分钟期间，可以获取FOD传感器的一个或多个读数并且使用该一个或多个读数来计算传感器的参考或基线(即，计算平均值和协方差矩阵)。应当理解，计算传感器的参考或基线还可以指计算诸如但不限于无线电力传送系统的可能性y、失准、温度、湿度等的参数。在该校准阶段期间，系统可以抖动、改变或扫描无线能量传送系统的参数以在工作期间提供一定范围的可能的传感器读数。可以修改诸如功率、相位和频率等的参数。在建立了基线之后，系统可以正常工作，并且连续或周期性地监测FOD传感器，并且与系统启动时的校准阶段期间所计算和测量的基线读数进行比较。可以使用相对于基线读数的足够偏差来表示系统状态已经改变并且可能存在FOD。
在一些实施例中，在系统启动期间的FOD校准的使用中，可以在每次移动、改变或启动系统时进行校准。在某些实施例中，诸如谐振器偏移、距离、电力水平、温度和环境等的系统操作参数的变化可导致可能并非由于FOD的存在而引起的显著不同的FOD传感器读数。因此，系统可以在FOD系统的寿命期间持续地将校准数据添加至校准数据的基线矩阵。在实施例中，FOD系统可以在系统开启和/或启动时和/或无线电力传送期间进行自校准。在一些实施例中，可以使用各种算法来现场捕获校准数据。例如，FOD系统可以在每次系统开启时或每隔一次系统开启时或系统每第n次开启时(其中n是诸如 10等的正整数)等时间采集校准数据。在某些实施例中，系统可以在某些工作温度、电力水平、耦合值等下采集附加的校准数据。在一些实施例中，校准数据的采集可以是自适应的，并且可以随时间经过而改变。例如，如果已经针对被认为足够的温度范围采集了校准数据，则FOD系统可能不再收集附加的基于温度读数的校准数据。虽然使用了温度作为示例，但可以使用任何系统参数，这些系统参数包括但不限于：谐振器的类型、一定分离的谐振器、某些车辆类型所附的谐振器、某些电力水平的谐振器、某些环境中的谐振器和/或它们的任何组合。
例如，在车辆充电应用中，每当车辆停放在源上时，系统可以进行FOD 传感器校准。在校准期间，在停放了车辆之后，源可以启动能量传送并调制能量传送的参数，同时测量FOD传感器并计算和存储基线。在初始校准期间，可以手动或自动清除或检查谐振器区域中的FOD，以确保所计算出的基线捕获系统的正常(非FOD或低FOD或非危险FOD等)工作期间的传感器读数。在一些实施例中，每次车辆停放和充电时，系统可以在系统的初始启动期间重新校准。每次车辆停放时，车辆位置、类型和高度等可能不同，使得先前捕获的FOD传感器校准数据不再代表系统的当前状态下的正常或预期的FOD 传感器读数。在某些实施例中，先前的基线可以通过重新校准来改变。在一些实施例中，先前的基线可以被丢弃、重写、移动和忽略等，并且重新校准后的基线可以独立使用。在某些实施例中，可以在FOD检测算法中使用最近的、先前的和所存储的校准数据的一些组合。在一些实施例中，FOD检测系统可以由用户随时间经过来校准和/或该系统可以包括用以确定或学习正常和非FOD传感器读数的自学习或机器学习方法。
在另一示例性实施例中，FOD传感器可以包括印刷电路板。印刷电路板可以包括形成导电线圈、回路、瓣、传感器、梯度计和/或8字形的迹线。导电迹线可以在印刷电路板的单层上，或者导电迹线可以横穿印刷电路板的多个层。在图16中示出具有7行和7列正方8字形FOD的示例电路板的迹线。该电路板还包括FOD传感器读出电路1602以及用于使FOD传感器相位和大小读数与能量传送所使用的振荡场同步的同步线圈1604。
还可以使用导电迹线将FOD传感器连接至FOD传感器的其它电子设备。在某些实施例中，FOD系统可以包括连接至至少一个电子多路复用器的至少一个FOD传感器。示例性复用器可以被称为IC复用器和2×8复用器等。在示例性实施例中，FOD系统可以包括模拟装置IC复用器。在实施例中，FOD系统可以包括ADG1607BRUZ多路复用器或具有类似功能的多路复用器。在一些实施例中，可以使用多个多路复用器来处理FOD传感器信号。在某些实施例中，具有高输入阻抗的IC多路复用器可在FOD系统中。
在一些实施例中，FOD系统可以包括使得能够在FOD系统和无线电力传送系统和/或无线电力传送系统的控制器之间进行信息交换的通信设施。在某些实施例中，通信设施可以是有线设施和/或无线设施。在一些实施例中， FOD系统能够发送和/或接收信息、控制信号、警报、报告、TTL信号和微控制器命令等。在某些实施例中，FOD系统可以包括收发器。在一些实施例中， FOD系统可以包括微控制器。
在某些实施例中，FOD传感器和/或系统可以是现有无线电力系统的附加物。例如，FOD传感器和/或系统可以被单独地封装以附于或搁置在无线电力系统的谐振器上，并且通过有线和/或无线通信链路与无线电力系统进行通信。在一些实施例中，FOD传感器和/或系统可以一体化到无线电力系统的至少一个组件中。例如，无线电力组件所用的外壳可以包括FOD传感器和/或系统。作为另一示例，装配并附于谐振器壳体的塑料盖可以包括FOD传感器和 /或系统。
在某些实施例中，FOD传感器可以优选感测无线电力传送系统的振荡磁场或无线电力传送系统的振荡电场。在一些实施例中，FOD传感器可以被设计成主要或仅感测振荡磁场并且部分地或最低限度地感测振荡电场。在某些实施例中，FOD系统可以被设计成大致与磁谐振器的谐振器线圈重叠。在一些实施例中，FOD传感器可以大致与磁谐振器的电容性元件分离。在一些实施例中，FOD系统的导电回路可以被设计为对无线电力传送系统的振荡电场相对不敏感。在某些实施例中，FOD传感器可以包括用以使这些FOD传感器对相对于振荡电场的暴露和检测最小化的屏蔽件。在实施例中，可以在FOD 传感器的导电迹线的上方和/或下方添加附加的“非回路”导电迹线。图17示出用以减少非回路导体1702(粗黑色迹线)对环境电场的灵敏度的非回路导体 1702的示例性设置，其中可以在PCB传感器阵列的导电层的一层上利用这些非回路导体1702。
在某些实施例中，特定设计方法可以改善FOD系统的性能。例如，用于将FOD传感器连接到感测电子设备的导体可以设置成使得可以屏蔽环境场。在一些实施例中，可以优选地使导电迹线大致一上一下行进，这有时被称为“带状线”设置。导体的这种取向可以使得更小和/或更窄的导电垫能够为这些信号承载导体屏蔽环境场。
在一些实施例中，可以使用传感器来检测系统损坏、系统故障、外壳穿透或任何其它类型的损坏。系统损坏可能通过完全阻挡或改变来自传感器的一个或多个读数来影响传感器读数。可以使用错误的传感器读数来确定系统损坏的类型和程度。在一些实施例中，传感器或传感器组可能能够用作已损坏的传感器的备用传感器。在某些实施例中，可以向系统的用户发送信号或消息以通知系统损坏。
人类组织(手、手臂等)的存在可以由这里所述的电感型回路FOD传感器来检测。在一些实施例中，可以调谐电感型回路传感器以检测有机和/或生物组织。
在某些实施例中，至少一个FOD传感器可以驻留在无线电力传送系统的装置侧。至少一个FOD传感器可以单独地或与源侧的FOD传感器结合地进行工作，以改善无线电力传送系统的针对谐振器之间的物品的检测性能。可以使用来自FOD传感器的信号来确定系统的诸如源谐振器和装置谐振器和/或谐振器线圈的相对位置等的其它属性。
如前所述，诸如电容性传感器等的其它类型的传感器可以与金属FOD检测器一体化，以提供针对可能存在于谐振器之间或周围的区域中的其它类型的物体的附加检测能力。这些附加传感器可以独立于金属FOD传感器进行工作，或者传感器信号可以与来自金属FOD传感器的信号组合并一起处理。
失准和场检测
无线电力传送系统可以包括磁场传感器。磁场传感器可用在传送50W、 200W、1kW或更多电力的高电力系统中。根据示例性且非限制性的实施例，磁场传感器可以安装在无线电力传送系统的源、装置或中继器谐振器和/或组件上或附近。在车辆应用中，例如，磁场传感器可以位于源谐振器上或附近，其中这些源谐振器可以位于地面，车库地板，路面等上。磁场传感器可以一体化、附于或处于源谐振器外壳、电子设备和其它组件上或附近。在一些安装中，磁场传感器可以嵌入在车辆周围的停放区域中的源附近的地面、地板、混凝土和沥青等中。在一些实施例中，磁场传感器可以完全被诸如混凝土或沥青等的地面材料覆盖，但传感器还可以根据停放的位置(例如公共、私人、室内、户外等)放置、附于或接合至地面的顶部。磁场传感器可以一体化、附于或处于无线电力传送系统的装置上或附近。例如，磁场传感器可以附于车辆的底部周围的各种位置、车辆的周界周围以及车辆的车舱内。磁场传感器可以有线连接至提供读数的无线电力传送系统的电子设备。在一些实施例中，传感器可以是无线的，并且可以收获或使用从无线电力传送系统和/或其它能量源捕获的能量，并且可以使用无线通信信道将磁场读数传送至无线电力传送系统的一个或多个组件。
在被配置为针对电池电动和混合电动车辆的无线充电或者要传送大量电力的其它应用的无线电力传送系统中，可以监视用户可接近区域中的磁场。例如，用户可接近区域中的磁场可能例如需要保持足够低以满足人体暴露和 EMI/EMC规定。对于相同的电力传送水平，源谐振器和装置谐振器的对准的可变性可以引起这些用户可接入区域中更大或更小的磁场水平。可以使用磁场传感器来检测高场、场的变化或场的特定分布，并且指示用户可访问区域中的潜在高场。来自传感器的指示可以由无线电力传送系统使用，并且该系统可以例如降低电力传送的水平以使得场减小。与其针对无线电力传送系统中的所有谐振器对准将电力传送限制为同一水平，可能期望感测一个或多个位置中的磁场，并且在反馈回路中使用该信息来控制无线传递的电力的水平，从而以监管限制、和/或其它安全、用户舒适度或干扰限制中能够传递的最大电力水平进行工作操作。可以使用位于用户可接近区域的边界附近(诸如车辆的边缘处、源谐振器外壳上、装置谐振器外壳上和任何谐振器附近等)的一个或多个磁场传感器，来判断用户可接近区域中的磁场是否已超过某些安全规定。在某些实施例中，来自最靠近用户可接近空间的磁场传感器的读数可以单独使用，或者可以在多个传感器读数的组中被给予较高优先级，并且可以在功率控制反馈回路中处理和使用。可以基于这种反馈和/或结合从其它检测系统输入的数据来调整系统的功率，以确保高电力无线电力传送系统在已建立的监管要求内进行工作。
在一些实施例中，磁场传感器可以提供磁场强度的直接或标准化读数。可以对传感器进行校准以提供与实际场强度成比例或相关的读数。在一些实施例中，传感器可以提供相对读数。在一些实施例中，可以使用多个传感器的相对读数来推断或确定潜在的高磁场。例如，在车辆充电应用中，在无线电力传送系统的源谐振器和装置谐振器处于车辆下方的情况下，可能期望监视站在车辆附近的人可能暴露于的车辆周界周围的潜在高磁场。为了检测可能会到达站在车辆磁场附近的人的潜在高磁场，传感器可以处于车辆的周界周围。传感器可以提供针对磁场强度的直接读取。在一些实施例中，传感器可以被配置为提供传感器附近的场的相对强度的指示。可以使用相对指示来确定或推断由于装置谐振器和源谐振器的失准而引起的潜在高磁场。与谐振器对准时相比，谐振器的失准可能引起不同的磁场分布。在一些实施例中，失准越大，分布的变化越大。可以使用来自传感器的相对读数来检测用户可接近区域中的变化和潜在高磁场。
例如，在源谐振器和装置谐振器对准的情况下，磁场分布可以相对于车辆的左侧和右侧大致均匀。在对准的条件下，车辆的左侧和右侧之间的最大场强可能相差10％或更小(例如，5％或更小)。在例如由于不准确的停放而引起源谐振器和装置谐振器失准的情况下，相对于车辆的左侧和右侧的场分布可能会改变，并且可能不如源谐振器和装置谐振器对准的情况下那样均匀。在某些实施例中，源谐振器和装置谐振器失准的情况下的车辆的左侧和右侧之间的最大场强可能相差11％或更多(例如，20％或更多)。在一些系统中，场强度的差可以与源谐振器和装置谐振器之间的失准和/或车辆边界外部的潜在高场成比例或相关。
在一些实施例中，系统可以被配置成监测无线能量传送谐振器周围的不同区域中的磁场传感器的相对读数。可以将这些相对读数与预期读数进行比较。在某些实施例中，在传感器之间的读数与预期读数之间的差超过15％或更多的情况下，无线系统可被配置成降低能量传送的水平。在一些实施例中，在传感器之间的相对读数相差11％或更多的情况下，无线能量传送系统可以被配置为降低能量传送的水平。在某些实施例中，源谐振器和装置谐振器之间的电力传送水平可以与传感器之间的场强度读数的相对差成反比或逆相关。例如，在车辆的左侧和右侧之间的磁场强度读数相差20％的情况下，无线能量传送系统可以被配置为以正常电力水平的80％进行工作。在车辆的左侧和右侧之间的磁场强度读数相差40％的情况下，无线能量传送系统可以被配置为以正常电力水平的50％进行工作。应当理解，所描述的百分比值是示例性的。
在一些实施例中，磁场传感器可以处于靠近可能会发生针对人或动物的潜在高场暴露的区域的位置，诸如靠近车辆的周界、靠近座位和车辆的前部等。在一些实施例中，磁场传感器可以处于在源谐振器和装置谐振器失准的情况下磁场分布可能存在相对大的变化的区域中。在一些实施例中，例如，磁场传感器可以处于靠近源谐振器的偶极矩或者或与源谐振器的偶极矩成一线的位置。
在某些实施例中，磁场传感器可以包括导线的线圈、回路、霍尔效应传感器、磁电二极管传感器、磁晶体管和MEMS传感器等，并且可以使用任何数量的电压、频率或光学传感方法。
在某些实施例中，可以使用FOD系统和FOD传感器来测量一个或多个谐振器周围的场和/或相对场分布。在一些实施例中，可以使用具有一个或多个 FOD传感器的系统来测量谐振器周围的场的相对分布。当谐振器失准时，谐振器周围的场分布可能会改变。具有一个或多个FOD传感器的FOD系统可以通过测量来自位于谐振器的不同部分附近的传感器的差分读数来检测场分布的变化。大的或意想不到的差分可以指示谐振器的失准，其中失准可能会得到可以延伸到用户可接入区域中的场分布。
FOD系统可以具有一个或多个操作模式。在一个模式中，FOD系统可以用于检测FOD，在另一种模式中，FOD传感器可以用于直接测量场和场分布等，以确定车辆对准和/或场强。在一些实施例中，可以同时处理来自FOD 系统的读数以确定或检测FOD和/或提供失准和/或可能引起人可接近区域中的高场的失准的潜在警报和指示。
在图23中示出使用磁场传感器来检测失准和/或人可接近区域中的潜在高磁场的方法的示例实施例。在块2302中，场传感器可以获取磁场谐振器处或附近的场强度的读数。可以由无线电力传送系统的传感器模块来采集场读数，并且处理这些场读数。在一些实施例中，可以从使用FOD传感器的FOD 系统产生读数。在块2304中，可以使用传感器读数来确定传感器之间的场差分。传感器读数可以彼此比较。在块2306中，可以相对于预期读数或基线读数来分析传感器读数。基线读数可以包括谐振器对准的情况下的传感器读数或差分范围。基线读数还可以包括针对系统的各种失准的预期传感器读数或预期传感器读数差分。在一些实施例中，系统可以包括最大可能性计算以确定系统的最可能的失准。在块2308中，基于所确定的失准和/或直接传感器读数，可以调整系统的电力水平，以防止谐振器附近的用户可接近位置中的潜在高场。
在一些实施例中，来自外部或其它现场传感器的读数可以由FOD系统使用。可以使用失准信息来改进FOD读数和/或改善FOD系统的校准。
应当理解，尽管在上述示例中描述了磁场传感器，但可以利用电场传感器使用类似的方法，以检测谐振器和/或无线能量传送系统的电子组件处、附近或周围的潜在的高电场或异常电场。
在实施例中，FOD检测系统可以使用诸如平均值和协方差矩阵等的多于一个的基线和/或校准文件或针对传感器的配置。可以使用基线或校准配置来定义来自FOD传感器的正常或预期的读数。校准、基线和配置文件可以包括确定FOD存在所用的读数和/或阈值的信息。例如，基线文件可以是包括诸如可能性、平均值矩阵、协方差矩阵等的基线值(也称为“基线参数”)的信息的数据文件。在一些实施例中，校准文件可以是包括诸如可能性、平均值矩阵、协方差矩阵等的信息的数据文件。在实施例中，基线或校准文件或配置可以是针对多于一个位置、失准、谐振器类型和/或温度等来定义的。在实施例中，针对系统中的一定范围的偏移或失准定义在无FOD条件下的正常或预期的 FOD传感器读数的校准或基线可能会使FOD检测的灵敏度降低。与针对一个或一对谐振器校准定义正常FOD传感器读数的基线的校准相比，针对一定范围的谐振器偏移或失准定义正常或预期的FOD传感器读数的校准或基线可以具有更大范围的针对FOD传感器的预期或可接受读数。较窄的基线或校准可以增加传感器的灵敏度或检测能力。
在具有FOD检测系统的无线能量传送系统的一些实施例中，可以使用多于一个基线和/或校准文件、范围和/或设置。在一些实施例中，如果已知工作期间的位置、环境和/或谐振器的失准等，则可以优选使用或加载如下的基线和校准，其中该基线和校准定义针对特定位置、环境、谐振器的失准的无 FOD条件下的预期或正常传感器读数，或者针对更窄子集的可能的位置、环境和/或谐振器的失准等的无FOD条件下的预期或正常传感器读数。在一些实施例中，可以在针对谐振器的固定位置的能量传送之前进行基线或校准的确定以定义更窄的基线或校准。
例如，可以使用车辆应用中的位置检测系统来确定谐振器的失准。可以使用失准信息来选择特定基线或校准。如果确定失准为例如4cm，则可以使用被配置为或表示针对4cm或更小的失准的正常FOD传感器读数的基线或配置。如果不能确定谐振器的位置或失准，则针对所有可接受偏移(例如15cm 或更大)定义正常FOD传感器读数的配置的基线可以用作默认基线。
在另一示例中，在操作的起初数秒期间或操作的起初数分钟期间，可以获取FOD传感器的一个或多个读数，并且使用该一个或多个读数来计算传感器的参考或基线(即，计算平均值和协方差矩阵)。应当理解，计算传感器的参考或基线还可以指代计算诸如但不限于无线电力传送系统的可能性y、失准、温度、湿度等的参数。在建立了基线之后，系统可以正常工作，并且连续或周期性地监视FOD传感器，并与系统启动时校准阶段期间所计算和测量的基线读数进行比较。可以使用相对于基线读数的足够偏差来通知系统状态已经改变并且可能存在FOD。在一些实施例中，在对于不同的温度和/或环境、对于不同的源配置和/或车辆等已知谐振器的对准的情况下，如果无线系统处于源没有耦合装置的独立配置中的情况下，则可以使用单独的校准文件。
使用FOD系统的FOD检测可以是主动的，或者可以在一个或多个谐振器相耦合并且正在传送电力的情况下进行使用FOD系统的FOD检测。在实施例中，使用FOD系统的FOD检测可以是主动的，或者可以在谐振器不相耦合的情况下进行使用FOD系统的FOD检测。在示例或车辆应用中，在源谐振器处于地面上或附近、装置谐振器处于车辆下方的情况下，可以在车辆停放或行驶到源上之前进行FOD检测。在一些实施例中，可以周期性地或者在到来的车辆接近之前指示该车辆检查FOD时激活FOD系统。在检测到FOD的情况下，可以向系统的用户、车辆或其它部分提供存在FOD并且可能需要在能够发生充电之前清除FOD的指示。在车辆停放在源上之前的FOD的指示可以使得更容易清除FOD和/或检查源谐振器上或附近的FOD。
根据示例性且非限制性的实施例，可以对FOD检测系统进行校准以供 FOD的独立检测用。在单个谐振器或谐振器组及其各自的FOD检测系统处于开放环境中并且没有耦合至另一谐振器的情况下，可以进行独立FOD检测。谐振器或谐振器组可以是与FOD检测系统配对的源谐振器或装置谐振器。例如，在车辆应用中，具有FOD检测系统的源谐振器可以安装于车库、停车场或配备有装置谐振器的车辆可以停放的其它位置。在独立FOD检测中，与FOD检测系统配对的源谐振器可能需要在不存在装置谐振器的情况下检测 FOD。在一些实施例中，例如，在车辆及其装置谐振器没有处于源谐振器上的情况下，可以在车辆充电应用中进行独立FOD检测。在一些实施例中，FOD 检测系统和/或源谐振器可能需要检测是否存在装置谐振器，并且可以选择相应地进行校准。为了支持这些操作模式，FOD检测系统可能能够在不存在另一无线电力谐振器或另一无线电力谐振器没有强耦合的情况下以可接受的错误率在指定区域内检测FOD。在示例性实施例中，可接受的误差率可以等于或小于每100,000个读数1个假阳性。在另一示例性实施例中，可接受的误差率可以等于或小于每1,000,000个读数1个假阳性。
在一些实施例中，FOD检测系统可以根据传感器环境使用不同的校准文件。校准文件可以是包括诸如但不限于温度、湿度、功率、频率、源上方的范围等的与无线电力传送系统有关的标识符的数据文件。在一些实施例中，基线文件可以包括与无线电力传送系统有关的温度、湿度、功率、频率、源上方的范围等信息。在一些实施例中，FOD传感器和/或系统的独立校准可包括使用源(或与FOD检测器相关联的任何谐振器)所存储的和/或源经由至服务器、数据库和云位置等的有线或无线通信所访问的校准数据、文件和表格等。在示例性实施例中，校准数据可以存储在FOD检测系统内。
在一些实施例中，FOD检测系统可能能够调谐其操作频率，并且可以相对于彼此和/或相对于至少一个校准文件比较各种频率的FOD测量，以判断 FOD的存在。在其它实施例中，基线校准文件可以用作在用户环境中的FOD 检测期间所获取到的测量结果的比较。
在一些实施例中，独立FOD检测可以检测源表面上和源上方区域中的 FOD。在某些实施例中，可以将谐振器上方的可以检测到FOD的高度指定为 Zspec。在FOD传感器在源谐振器和装置谐振器这两者上的应用中，FOD传感器可以仅需要在大约为Zspec＝Zgap/2的区域中检测FOD，其中Zgap是以预期效率工作的最大指定谐振器间距。在示例性实施例中，Zgap可以小于5cm(例如，小于10cm、小于20cm)。
在一些实施例中，校准方案可以是连续校准方案。该示例性校准方案可用于诸如温度和湿度等的缓慢变化的条件。在其它实施例中，独立校准可以是周期性或间歇性校准方案。
在一些实施例中，校准可以作为FOD检测系统的制造和/或安装的一部分来进行。在其它实施例中，可以在安装之后进行校准。
在一些实施例中，源FOD检测系统可以使用非常低的电力来实现独立校准。例如，源可以不超过100W来进行FOD校准。在一些实施例中，源可以不超过50W来进行FOD校准。在某些实施例中，源可以不超过300W、或500W 或1kW来进行FOD校准。
图24中示出了针对独立FOD检测的FOD检测方法的实施例。在块2402中， FOD检测系统可以接收进行FOD检测的指示。可以从系统的例如定时器等的另一部分接收该指示。在一些实施例中，FOD检测可以由到来车辆的指示触发。到来车辆可以被配置为在与无线电力传送系统的源靠近时向该源发送标识。在一些系统中，源可以经由无线通信信道、GPS位置或其它手段检测到来车辆。车辆正在接近以进行充电的指示可以触发FOD检测系统在车辆到达之前激活并检查FOD。在块2404中，系统的源或其它部分可以进行检测例程以检查是否存在装置。如果没有检测到装置，则FOD检测系统可以进行独立 FOD检测例程。可以通过感测源、通信信道和/或其它传感器上的加载来进行装置的检测。
在块2406中，可使源通电以产生磁场，从而使得FOD传感器能够检测 FOD。在FOD传感器是如这里所述的导线回路或差分回路的实施例中，磁场可能是传感器进行测量所必需的。在一些实施例中，可以使源通电并输出其正常电力的一部分，电力输出可被限制为仅产生足够的磁场以激活FOD传感器。在某些实施例中，可以使源通电并且以小于其峰值电力的5％(例如，小于10％、小于20％)进行输出。在一些实施例中，可以使源通电并且输出10W 或更大(例如，50W或更大)的电力。在一些实施例中，源可以通过从源进行正常无线电力传送期间所使用的相同的电力源和放大器来通电。在一些实施例中，可以使用附加的放大器和/或电力源来使源通电。可以使用在较低电力电平下可以更有效的较小放大器。在系统的一些实施例中，在独立FOD检测期间，激活FOD传感器所需的磁场可以由单独的放大器所驱动的单独的导线回路、线圈和/或谐振器等产生。FOD检测所使用的磁场可以不由正常用于无线能量传送的谐振器产生。被配置为在通过振荡电压和/或电流通电的情况下产生磁场的附加线圈或回路可以处于或位于FOD传感器线圈附近。产生磁场的线圈可以印刷、组装或与FOD传感器线圈一体化。
在块2408中，FOD检测系统可以加载独立FOD检测所用的特定配置和基线文件。配置文件可以是包括预期传感器读数、可能性、平均值矩阵和协方差矩阵等的信息的数据文件。在块2410中，FOD检测系统可以处理FOD传感器读数并应用这里所述的检测分析。如果检测到FOD，则FOD系统可以生成 FOD的指示，并将该指示发送至无线电力传送系统的其它组件或部分、车辆系统和/或用户等。例如，在检测到FOD之后，可以将FOD的指示发送至车辆以向用户警告源上或源附近的可能的FOD。然后，用户可以知道在停放和遮住源之前检查或清除FOD的源。
FOD检测可以在独立配置的装置谐振器上进行。装置可以包括用于使装置谐振器通电以产生振荡磁场从而激活FOD传感器的放大器。该装置可以包括与FOD传感器一体化或者在FOD传感器附近以产生磁场的附加的回路和线圈等。即使无线能量传送不是主动的，也可以使回路或线圈通电以产生磁场，从而检测装置附近的FOD。
在本发明中，应当理解，“基线文件”中所包括的信息可以包括在“校准文件”和/或“配置文件”中。类似地，“校准文件”中所包括的信息可以包括在“基线”和/或“配置文件”中。类似地，“配置文件”中所包括的信息可以包括在“基线”和/或“校准文件”中。
固定位置装置辨识
根据示例性且非限制性的实施例，在设备相对于源移动到固定位置的情况下，可以对源FOD检测系统进行校准。例如，在底侧固定有装置的车辆首先停放在源上时和/或在源和装置之间开始充电循环之前，可以对源FOD检测系统进行校准以将该装置的存在的任何潜在影响包括在源FOD监测系统的 FOD检测程序上。通过将装置包括在校准中，源FOD检测系统可以更精确地检测可能在源和装置之间的空间中的FOD。在示例性实施例中，FOD检测系统可能能够检测在独立FOD读取之前和车辆已经停放之后所引入的FOD。例如，FOD检测器可以检测在车辆停放时车辆的底侧拖曳到的异物和/或可能从车辆的底侧掉落到源谐振器上和/或附近的异物。
在一些实施例中，可针对各停放事件进行固定位置装置辨识校准。在其它实施例中，用户可以判断是否可以进行校准。
在一些实施例中，可以存在发起固定位置装置校准的装置和源之间的通信。
在装置谐振器的存在使场改变过多而使得校准过程无法启动的一些实施例中，装置谐振器和/或谐振器线圈可以开路、或短路、或者利用使得该装置谐振器和/或谐振器线圈的场的变化足够小而使源FOD检测系统可以工作、校准和启动等的电流来驱动。在某些实施例中，装置谐振器和/或谐振器线圈可以利用调整源处的磁场以使得可以启动固定位置装置校准的信号来驱动。在一些实施例中，可以利用能够减少该装置对源侧FOD检测系统的影响的材料来覆盖该装置。
在FOD传感器可以由所施加的电信号直接驱动的实施例中，可以使源侧 FOD检测系统的场尽可能地小或者可以以与该装置的频率不同的频率产生，使得该装置的存在对源侧FOD检测系统的影响最小化。
在车辆本身对源侧FOD检测系统的场产生显著扰动的一些实施例中，存在识别车辆的参数以使得源侧FOD检测系统可以在固定位置装置校准中考虑到车辆的存在的装置和源之间的通信。也就是说，FOD检测系统可能能够处理、调整、增强等其校准文件和/或过程及其FOD检测算法，以使考虑到车辆的存在。
固定位置FOD检测
根据示例性且非限制性的实施例，FOD检测系统可以进行固定位置FOD 检测校准，其中在固定位置FOD检测校准中，系统可以在装置相对于源在空间中固定的情况下检测FOD。例如，在车辆应用中，在底部附有装置的车辆停放在源上方之后，FOD检测系统可以启动固定位置FOD检测校准。在一些实施例中，系统可以进行一次性FOD检测校准。在一些实施例中，可以存储并使用由一次性FOD检测校准所生成的数据，直到装置已经移动离开源为止。例如，这可以在底部附有装置的车辆驶离其停放点的情况下发生。在一些实施例中，只要充电循环正在运行，则一次性FOD检测校准所生成的数据可以用作校准文件。如果充电循环被打断或由于任何原因而停止再启动，则可以重新运行固定位置装置校准，随后进行固定位置FOD检测。在一些实施例中，固定位置FOD校准文件可以与其它校准文件进行比较和/或可以并入现有校准文件和/或可以用于构建定制校准文件和/或可以用于训练FOD检测系统。
在一些实施例中，固定位置FOD检测可以检测源表面上方Zspec/2的FOD，其中Zspec是无线能量传送系统中的源和装置之间工作的最大指定谐振器分离。在FOD超过源表面上方Zspec/2的一些实施例中，装置侧FOD检测系统可以负责检测FOD。
失准容许
在某些实施例中，FOD检测系统可以被校准为容许谐振器相对于另一个谐振器的失准。例如，如果配备有无线能量传送能力的电动车辆的用户将该车辆反复停放在源谐振器的位置范围内，则FOD检测系统可以被校准为容许该用户的停放位置的范围。该范围可以是该用户特有的。
在一些实施例中，用户可以启动或控制这种校准。这可以用于用户期望以与需要的速率不同的速率来训练FOD系统的情况。例如，配备有无线电力传送系统和FOD检测系统的车辆可以改变用户，因此可能需要针对失准而重新校准。该重新校准可以针对各用户定制。
漂移校正
在一些实施例中，FOD检测系统可以进行校准以校正针对FOD的检测中的漂移。FOD检测系统的灵敏度和/或特异性可以随时间经过而改变。这可能导致系统随着时间经过而变得更灵敏或更不灵敏并且偏离正常操作。为了补偿该可能的变化，FOD检测系统可以重新校准为该FOD检测系统的原始出厂设置检测功能或向着该FOD检测系统的原始出厂设置检测功能重新校准，或者将自身重置为原始出厂设置检测功能。
在一些实施例中，可以在FOD检测系统的制造和/或安装期间进行活体检测校准。在其它实施例中，这种检测校准可以在安装之后或者在用户启动校准时执行。在一些实施例中，可以以与针对FOD传感器类似的方式来进行校准、基线确定和检测。在校准和基线过程期间，可以在不存在活体的正常操作条件下采集传感器读数。基于读数，可以计算平均值和协方差矩阵，其中可以使用该平均值和协方差矩阵来判断附加的传感器读数是否落入正常条件内或者是否存在活体。
上述类型的校准各自可以单独地或与其它类型的校准组合地被采用。上述类型的校准各自可以被与无线电力传送系统中的任何谐振器相关的FOD 检测系统采用。也就是说，FOD可以由包括源谐振器、装置谐振器和中继器谐振器的无线电力传送系统中的任何和所有谐振器使用。
在根据以上列出的一种校准或多种校准的任何组合而得到FOD的检测的一些实施例中，无线能量系统可以基于FOD检测系统中的信号而关闭、调小和/或锁定。在一些实施例中，通知车辆的操作者或用户。
在FOD的检测可能有错误的某些实施例中，用户可以重新开始校准处理。在用户重新开始充电处理之后，可以启动以上列出的一种校准或多种校准的任何组合。
在图25的流程图中示出使用FOD检测系统来检测车辆应用所用的无线电力传送系统中的FOD的方法的示例实施例。在块2502中，在配备有装置谐振器的车辆到达配备有源谐振器的停放区域时，FOD检测系统辨识该车辆。例如，可以基于车辆发送来的识别信号和/或基于安装于车辆底侧的一个或多个检测回路来辨识车辆，其中，在源谐振器所产生的场的一部分通过这些回路时这些回路生成电信号。车辆可以测量这些电信号，并且可以将识别信号发送至源谐振器。在一些实施例中，可以通过光学传感器和/或通过压力传感器来辨识车辆的存在。装置谐振器保持断开。
在块2504中，FOD检测系统开始检测无线电力传送系统中的任何FOD。检测包括检测可能在源谐振器上或周围的FOD以及已经由车辆在停放时带来的FOD。这种检测可以在无线电力传送系统的制造或安装期间进行校准，也称为“出厂校准”。在块2506中，FOD检测系统通知用户是否检测到FOD。清除FOD并再次进行FOD检测。如果在块2504中未检测到FOD，则在块2508 中开始无线电力传送。FOD检测继续并且可在无线电力传送期间连续地、间歇地或周期性地发生。
如果在无线电力传送期间检测到FOD，则无线电力传送系统停止电力传送。在移除FOD和/或通知系统的用户之前，无线电力传送不会恢复。如块2504 所示，在清除了FOD之后，FOD检测再次开始。
在一些实施例中，活体检测系统可能能够以可接受的误差率来检测指定区域内的活体。在示例性实施例中，可接受的误差率可以等于或小于每 100,000个读数1个假阳性。在另一示例性实施例中，可接受的误差率可以等于或小于每1,000,000个读数1个假阳性。
在图26中示出异物检测系统的实施例。该系统可以包括多个模块、块和组件，该多个模块、块和组件可以用于检测异物，以及在一些实施例中在物体和生物体与无线能量传送所使用的谐振器相近的情况下检测活生物体(例如猫、鼠、人等)。在一些配置中，FOD系统可以从外部传感器、车辆信息或其它源接收位置信息。位置信息可以包括或可以用于确定环境参数、谐振器对准、谐振器距离、无线能量传送组件的位置、有损耗对象的相对位置以及具有活生物体的区域的位置。系统2602可以使用位置的变化改变系统的校准、调整灵敏度和检测算法等。例如，传输能量的谐振器周围的场分布可以根据谐振器之间的失准的偏移而改变。磁场分布的变化可以改变系统中的 FOD传感器的读数，并且可以触发假阳性和/或降低系统对于FOD检测的灵敏度。系统可以加载新配置、改变处理算法、并且进行其它功能以在接收到位置信息的情况下补偿传感器读数的变化。
在一些实施例中，系统还可以接收关于无线电力传送参数的信息。这些参数可以包括与无线电力传送的状态、发送了多少电力、以什么频率、以何相位的电力等有关的数据。在一些实施例中，系统还可以从其它传感器和系统组件接收信息。系统2602可以从温度传感器、红外传感器和压力传感器等接收信息，其中可以使用这些信息来改变FOD系统所使用的校准或基线，或补充FOD读数。
FOD系统可以包括一个或多个FOD传感器和/或LOD传感器。FOD传感器可以包括形成如这里所述的一个或多个回路的电导体。LOD传感器可以包括电导体或其它电容型传感器。可以使用形成在印刷电路板上或沉积/印刷在谐振器封装或其它衬底上的导线来形成FOD和/或LOD传感器。传感器可以设置并处于谐振器附近、高磁场附近以及活生物体可能存在的区域附近等。在一些实施例中，传感器可以被配置为处于与谐振器相距一定距离的位置处，相距10cm处，或甚至相距1m处。传感器可以是有线的，或者是无线的以使用针对数据的无线通信从无线电力传送系统接收电力。传感器可以耦合至读出电路，其中该读出电路可以对传感器读数进行采样和数字化，使得这些传感器读数可以由系统的其它模块处理。
在一些实施例中，诸如FOD传感器等的传感器可能需要振荡磁场来激活传感器。振荡磁场可以由无线电力传送系统的源谐振器产生。系统2602可以向无线电力传送系统的元件输出指令或指示，以使用谐振器产生磁场或改变谐振器所产生的场的特性。在一些实施例中，系统2602可以包括被配置为产生振荡磁场以激活FOD传感器的场发生器2608。场发生器2608可以包括耦合至放大器的导体的一个或多个回路。放大器可以产生振荡电压以驱动这些回路并产生磁场。
在一些实施例中，系统2602可以被配置为具有校准模式和感测模式，可以基于外部输入来选择或者基于传感器读数或系统的其它元件的状态自动选择这些模式。在校准模式期间，系统可以收集传感器信息并生成配置和基线传感器数据。
在校准模式的工作期间，可以使用系统2602的校准引擎2612来定义传感器配置或基线读数。在一些实施例中，校准引擎可以被配置为检测能量传送条件。例如，能量传送条件可以包括无线电力传送系统的失准、温度、湿度。能量传送条件可以包括诸如平均值矩阵、协方差矩阵和可能性的基线参数。校准引擎2612可以包括用于生成基线读数的一个或多个组的过程和例程。在某些实施例中，基线读数可以包括在不存在FOD的正常操作条件下从一个或多个FOD和/或LOD传感器获取读数。可以在不同的温度、取向、偏移和谐振器的位置等处获取读数。可以使用这些读数来计算基线，其中该计算可以包括计算如这里所述的平均值和协方差矩阵。在某些实施例中，可以针对不同的温度、取向、位置和环境条件等计算平均值和协方差矩阵。平均值和协方差矩阵以及其它基线读数和设置可以存储在校准存储库2614中。校准存储库2614中所存储的各组校准和基线读数可以被标记或与特定温度、谐振器位置和环境条件等相关联。系统可以从外部传感器和系统接收位置、电力水平、取向和温度等。可以周期性地或响应于用户的输入来改进和更新基线和校准文件。例如，可以周期性地收集来自传感器的附加读数，并且周期性地更新平均值和协方差矩阵。
在一些实施例中，可以使用校准引擎2612来定义存在FOD或活体的情况下的基线读数。校准引擎可以捕获FOD存在于系统附近的情况下的各种位置处、温度、取向的传感器读数。在存在FOD或活生物体的情况下，可以使用 FOD和活物体来训练系统关于预期或典型的传感器读数。
在系统的感测模式的工作期间，可以使用检测引擎2616来分析来自传感器的读数，以判断谐振器上或附近是否可能存在FOD或活体。检测引擎2616 可以从传感器2604、2606接收读数并处理这些读数以判断传感器读数是否表示传感器附近存在FOD或活体。检测引擎可以将传感器读数与校准存储库 2614中所存储的一个或多个基线文件或校准进行比较。该比较可以涉及使用如这里所述的平均值和协方差矩阵来计算可能的系统状态。检测引擎2616可以接收关于系统位置、温度、对准和能量传送参数等的信息，以选择最适当的基线和校准文件。在一些实施例中，检测引擎可以使用两个或更多个不同的基线和校准文件。可以使用不同的基线和校准文件来改进传感器读数、确认FOD检测以及减小或增加传感器灵敏度等。例如，在一个实施例中，系统可以首先使用与宽范围的系统位置和失准等相对应的的通用基线。在感测到潜在的FOD读数的情况下，系统可以使用不同的第二基线或校准文件来增加灵敏度或分析的辨别力。第二基线可以与例如针对窄范围的系统位置和偏移的正常传感器读数相对应。
在一些实施例中，感测和校准模式可以同时运行。系统的校准引擎2612 可以与系统的检测引擎2616同时运行。如果未检测到FOD或活生物体，则校准引擎可以使用读数来改进基线和校准文件。
在系统2602的工作期间，可以使用一个或多个指示器2618，以使用诸如灯、图形或视频显示器和声音等的视觉或音频指示来显示或通知系统的状态。在检测到FOD的情况下，例如，可以激活一个或多个灯以向用户表示可能的异物可能位于谐振器附近。在一些实施例中，系统还可以向外部系统和组件通知系统和FOD/LOD状态。例如，系统状态的指示可以发送至车辆。
在检测引擎2616检测到FOD或活生物体的情况下，系统可以启动一个或多个对策以移动FOD或活生物体，以及调整系统以避免异物等。在一个实施例中，系统2602可以通知无线能量传送系统以改变或调整无线能量传送。例如，检测引擎可能能够例如基于FOD和/或活体传感器所生成的电信号的大小和/或相位来分类或确定FOD或活体的大小和影响。分类例如可以包括简单的二进制分类方案，其中在该二进制分类方案中，FOD和/或活体被分类为“有问题”或“无问题”。针对所测量到的电信号的不同阈值可以用于FOD和活体的分类。基于FOD的分类，系统2602可以向无线能量传送系统表示调小电力、改变频率、禁用谐振器和改变谐振器配置等。对于一些FOD，例如，在全电力(例如，3.3kW)的能量传送可能会在FOD中引起不可接受的高温(例如， 70℃)。例如，将无线能量传送电力减少到一半的电力可以将FOD的发热限制为小于70℃(例如，小于60℃、小于50℃、小于40℃)。在实施例中，可以使用具有诸如温度传感器和红外传感器等的附加传感器的反馈回路来调整能量传送的电力，以减少或控制FOD的发热或控制向活生物体的场暴露。在另一示例中，在具有两个或更多个源谐振器和/或装置谐振器的无线能量传送系统中，可以以FOD传感器读数为条件来启用或禁用谐振器。附近检测到 FOD的谐振器可以被禁用或调小至较低电力，而无FOD的谐振器可以以全电力工作。
应当理解，可以在没有偏离本发明的精神的情况下更改或改变本发明的附图中示出和描述的模块和块等的结构、顺序和数量。例如，模块可以组合成或划分为多个其它模块。例如，单个模块可以用作校准引擎模块和检测引擎模块。可以利用软件、脚本和硬件等来实现模块的功能。例如，图26所示的系统2602的检测引擎2616可以被实现为软件模块、专用集成电路和现场可编程门阵列中的逻辑等。
图28是以侧视图示出包括一个或多个FOD传感器板(也称为“FOD检测传感器板”)的无线电力传送系统的示例设置的示意图。可以使用一个或多个 FOD传感器板来检测源线圈(例如，电力源的谐振器线圈)或可选地附加线圈所产生的磁场分布。可以使用与所检测到的磁场相关的信息(例如场分布、场梯度分布)来确定电力源线圈中的一个或多个谐振器与装置内的电力接收器中的一个或多个谐振器之间的失准。坐标2840示出分别指向绘图平面向右方向的x方向和指向向上方向的z方向。y方向指向绘图平面。
在图28的左上方，设置2800包括可以将电力传送至装置线圈2804(例如，电力接收器谐振器)的电力源谐振器的源线圈2802。FOD传感器板2806处于源线圈2802和装置线圈2804之间。在该示例中，FOD传感器板2806放置在源线圈2802上方约10mm的距离2807处。在其它示例中，距离2807可以在 3～5mm(例如，4～8mm、5～10mm、7～12mm、10～15mm、15～20mm)之间。距离2807可以大于20mm。FOD传感器板2806可以通过保持FOD传感器板2806 的支撑结构(未示出)相对于源线圈2802固定。例如，支撑结构可以是使FOD 传感器板2806相对于源线圈2802固定的一个或多个柱。在一些实施例中，电介质基板可以放置在源线圈2802的顶部，并且FOD传感器板2806可以固定在电介质基板的顶部。在2800的示例设置中，源线圈2802的中心轴2803和装置线圈的中心轴2805彼此对准。应当理解，在装置线圈2805相对于源线圈2802 移动的情况下，中心轴2803和2805变得失准。在该示例中，FOD传感器板2806 相对于源线圈2802的位置不会由于支撑结构而改变。因此，FOD传感器板 2806可以被称为“源侧FOD传感器板”。在一些实施例中，可以使用FOD传感器板2806来确定中心轴2803和2805之间沿着x方向和y方向的失准。
在图28的右上方，设置2810包括可以将电力传送到电力接收器谐振器的装置线圈2814的电力源谐振器的源线圈2812。源线圈2812具有中心轴2813，并且装置线圈2814具有中心轴2815。FOD传感器板2816处于源线圈2812和装置线圈2814之间。在该示例中，FOD传感器板2816放置在装置线圈2814下方约50mm的距离2817处。在其它示例中，距离2817可以在5～15mm(例如， 15～25mm、25～35mm、35～45mm、45～55mm)之间。距离2817可以大于50mm。在该示例中，FOD传感器板2816相对于装置线圈2814固定，因此可以被称为“装置侧FOD传感器板”。可以使用FOD传感器板2816来确定中心轴2813和 2815之间沿着x方向和y方向的失准。
在图28的左下方，设置2820包括可以将电力传送至电力接收器谐振器的装置线圈2824的电力源谐振器的源线圈2822。源线圈2822具有中心轴2823，并且装置线圈2824具有中心轴2825。(作为源侧传感器板的)FOD传感器板 2826相对于源线圈2826固定，并且(作为装置侧传感器板的)FOD传感器板 2828相对于装置线圈2824固定。FOD传感器板2826和2828可以独立地或结合地使用以确定中心轴2823和2825之间沿着x方向和y方向的失准。
在图28的右下方，设置2830包括可以将电力传送至电力接收器谐振器的装置线圈2834的电力源谐振器的源线圈2832。源线圈2832具有中心轴2833，并且装置线圈2834具有中心轴2835。(作为源侧传感器板的)FOD传感器板 2836相对于源线圈2836固定，并且(作为装置侧传感器板)FOD传感器板2838 相对于装置线圈2834固定。在一些实施例中，可以仅存在FOD传感器板2836 和2838其中之一。设置2830还包括相对于源线圈2832固定的附加线圈2839。在其它示例中，附加线圈2839相对于装置线圈2834固定。附加线圈2839可以产生磁场，FOD传感器板2836和2838可以独立地或者与其它检测器结合地使用以确定中心轴2833和2835之间沿着x方向和y方向的失准。
应当理解，FOD传感器板2806、2816、2826、2828、2836和2838可以包括关于本发明中的其它附图(例如，图1至图27)所述的FOD传感器阵列。在一些实施例中，源线圈和装置线圈可以在10kHz～100MHz之间工作。例如，源线圈可以以大约145kHz发送电力。在其它实施例中，源谐振器可以以大约 85kHz、大约44kHz、大约20kHz、大约250kHz、大约2.26MHz、大约6.78MHz 和/或大约13.56MHz发送电力。在实施例中，源可以具有可调谐频率。例如，源可以以145kHz±10kHz或85kHz±10kHz的频率工作。在实施例中，频率的操作范围可以是中心工作频率的±5％、±10％或±20％。源线圈和装置线圈可以由各种导电材料制成，包括例如利兹线、实芯线、铜管、铜带以及已经涂覆有高导电性材料(诸如铜、银、金或石墨烯等)的任何结构。在某些实施例中， FOD传感器板可以具有与源线圈和装置线圈不同的形状和大小。与FOD传感器板所固定于的源线圈或装置线圈相比，FOD传感器板可以具有更大的面积大小。例如，FOD传感器板的宽度可以比源线圈或装置线圈的宽度大5英寸左右。在一些实施例中，FOD传感器板的大小可以由场最强的磁场的面积来确定。在其它实施例中，FOD板的大小和形状可以由某些物体被判断为发热至不期望水平的面积来确定，或者该大小和形状可以设置为比这种面积大诸如10％、20％、50％或100％等的倍数，以针对整体设计提供一定的额外“安全系数”。还应当理解，设置2800、2810、2820和2830可以包括与源线圈邻接以减少源线圈所产生的磁场的能量损失的屏蔽件。类似地，设置2800、2810、 2820和2830可以包括与装置线圈邻接以减少装置线圈所产生的磁场的能量损失的屏蔽件。
在一些实施例中，可以使用FOD传感器板2806、2816、2826、2828、2836 和2838来确定源线圈和装置线圈之间在z方向上的距离。
图29是示出电力源谐振器的源线圈2910和电力接收器谐振器的装置线圈2920之间的示例对准的示意图，其中源线圈2910和装置线圈2920可以分别对应于图28所示的源线圈和装置线圈。坐标2940示出x方向和y方向。在图29 中，源线圈2910的中心固定于x＝0mm和y＝0mm。在该示例中，源线圈2910 具有200mm×200mm的尺寸。设置2900～2909示出相对于源线圈2910的各种位置处的装置线圈2920。
设置2900示出装置线圈2920，其中心处于x＝0mm和y＝0mm(也表示为 dx＝0，dy＝0)。设置2901示出装置线圈2920，其中心处于x＝75mm和y＝0mm(也表示为dx＝75，dy＝0)。设置2902示出装置线圈2920，其中心位于x＝0mm和 y＝75mm(也表示为dx＝0，dy＝75)。设置2903示出装置线圈2920，其中心位于 x＝75mm和y＝75mm(也表示为dx＝75，dy＝75)。设置2904示出装置线圈2920，其中心位于x＝150mm和y＝0mm(也表示为dx＝150，dy＝0)。设置2905示出装置线圈2920，其中心位于x＝0mm和y＝150mm(也表示为dx＝0，dy＝150)。设置2906 示出装置线圈2920，其中心位于x＝150mm和y＝150mm(也表示为dx＝150， dy＝150)。设置2907示出装置线圈2920，其中心位于x＝300mm和y＝0mm(也表示为dx＝300，dy＝0)。设置2908示出装置线圈2920，其中心位于x＝0mm和 y＝300mm(也表示为dx＝0，dy＝300)。设置2909示出装置线圈2920，其中心位于x＝300mm和y＝300mm(也表示为dx＝300，dy＝300)。
图30～39和41示出基于设置2900～2909的使用FOD传感器板的测量的电磁模拟结果。FOD传感器板包括FOD传感器的8×7阵列，并且图30～39和41 中的图将各FOD传感器的测量电压信号示出为灰色正方形像素。在这些图中，如关于图29所述的那样，附图标记dx和dy是指源线圈2910和装置线圈2920之间的相对位置。
图30示出图28的设置2800中所述的针对FOD传感器板2806的模拟结果的图。在该示例中，源线圈2802产生在源线圈2802中振荡的最大振幅为3A 的电流的磁场。在这些模拟中，装置线圈2804为开路电路，使得装置线圈2804 中大致不存在电流振荡。坐标3040示出x方向和y方向。FOD传感器板2806检测FOD传感器板2806的位置处的依赖于中心轴2803和2805在x方向和y方向上的失准的磁场。图中 3000～3009示出FOD传感器板2806针对图29所示的十个相应设置2900～2909所测量到的模拟电压。颜色条3050表示-0.5V～0.5V之间的电压振幅。
图中 3000示出FOD传感器板2806中的FOD传感器的8×7阵列中的各FOD传感器所测量到的电压。各传感器的测量结果由阴影像素表示。例如，像素3021 代表FOD传感器板2806中的一个FOD传感器的测量电压信号，并且像素3022 代表另一FOD传感器的测量电压信号。与像素3022相比，像素3021对应于更高的电压。因此，FOD传感器板2806测量电压图案。在图中 3000中，电压图案相对于轴3031相对对称。
在一些实施例中，例如，如关于图2所述，任何FOD传感器可以包括一个或多个回路。在某些实施例中，任何FOD传感器可以包括8字形导电回路。
图中 3001～3009示出FOD传感器板2806中的FOD传感器的8×7阵列中的各 FOD传感器针对如设置2901～2909所表示的源线圈2802和装置线圈2804的不同对准所测量到的电压。图中 3000～3009具有相对于轴3031相对对称的性质类似的电压图案。
图31示出通过从相应的图中 3000～3009的模拟结果减去基线图案而生成的一系列图中 3100～3109。在该示例中，基线图案被确定为在不存在装置线圈2804 的情况下FOD传感器板2806中的FOD传感器的8×7阵列所测量到的电压图案。颜色条3150表示-0.02V～0.02V之间的电压的振幅。由于减去了基线图案，因此电压范围比颜色条3050的范围小约25倍，并且图中 3100～3109示出相对于彼此的大致不同的电压图案。不同的图案可以用作用于在相对对准未知的情况下确定源线圈2802和装置线圈2806之间的相对对准的标志。例如，作为校准步骤，可以实验地测量源线圈2802和装置线圈2806之间的各种已知对准的电压图案。实验测量的图案可以保存为数据存储器中的库。然后，在源线圈2802 和装置线圈2806之间的对准未知的情况下，可以使用FOD传感器板2806来测量电压图案，并且所测量到的图案与库中保存的图案进行比较，以确定失准的程度和/或源线圈2802和装置线圈2806之间的相对对准。例如可以使用比较结果来通过判断所测量到的图案和库中保存的图案之间的匹配来确定未知对准。匹配可以表示未知对准对应于与匹配的保存图案相对应的对准。
参考回图31，图中 3107～3109的电压图案难以在视觉上彼此区分。在这种情况下，可以重新缩放电压图案以调整各图的颜色范围。图32示出具有重新缩放后的颜色条的图中 3107～3109，以清楚地示出这些图各自的电压图案。由于重新缩放的电压的范围，因此图32中的图中 3107～3109在视觉上示出彼此大致不同的电压图案。可以使用这些不同的图案来区分图中 3107～3109所表示的相应的对准。
图33示出图28的设置2800中描述的FOD传感器板2806的模拟结果的图。在该示例中，源线圈2802产生在源线圈2802中振荡的最大振幅为3A的电流的磁场。在这些模拟中，装置线圈2804潜在地通过功率调节、阻抗匹配和谐振电路连接至负载，使得源线圈2802的磁场所感应出的电流可以在装置线圈 2804内振荡。坐标3340示出x方向和y方向。FOD传感器板2806检测FOD传感器板2806的位置处的依赖于中心轴2803和2805在x方向和y方向上的失准的磁场。图中 3300～3309示出了FOD传感器板2806针对图29中描述的十个相应设置2900～2909所测量到的模拟电压。颜色条3350表示-1.0V～1.0V之间的电压振幅。在该示例中，图中 3300～3309具有形状类似但电压振幅根据源线圈2802 和装置线圈2804之间的相对对准而变动的电压图案。对于图中 3300，由于装置线圈2804中存在电流，因此电压振幅高(甚至高于图中 3000的电压振幅)。与装置线圈2804为开路的情况下的曲线3000～3009相比，由于源线圈2802和装置线圈2804的相对对准的变化而引起的电压振幅的变化更大。例如，图中 3309中的电压振幅比曲线3300中的电压振幅小约一半。在一些实施例中，所测量到的图案中的电压振幅的较大变动可以提高确定相对对准的精度。
图34示出通过从图中 3300～3309减去基线图案得出的模拟结果的图。在该示例中，基线图案被确定为在不存在装置线圈2804的情况下FOD传感器板 2806中的FOD传感器的8×7阵列所测量到的电压图案。颜色条3450表示 -0.5V～0.5V之间的电压振幅。由于在测量期间允许电流在装置线圈2804中流动，因此与图中 3100～3103和3105相比，图中3400～3403和3405具有更大的电压振幅。更大的电压振幅改善了所测量到的电压信号的信噪比(SNR)。在该示例中，图中 3400～3403和3405示出视觉上彼此不同的电压图案。以与关于图31所述的方法类似的方法，不同的图案可以用作用于在相对对准未知的情况下确定源线圈2802和装置线圈2806之间的相对对准的标志。
参考图34，图中 3404和3405～3409中的电压图案难以在视觉上彼此区分。可以重新缩放电压图案以调整各图的颜色范围。图35示出具有重新缩放后的颜色条的图中 3404和3405～3409，以清楚地示出图之间的各电压图案的变动。由于重新缩放了电压范围，因此图35中的图中 3404和3406～3409在视觉上示出大致不同的图案，可以使用这些不同的图案来区分图中 3404和3406～3409的相应的对准。
在一些实施例中，FOD传感器可以具有能够测量图中 3400～3409的电压水平的大的动态范围。FOD传感器还可以具有高灵敏度和分辨率以用于区分图中 3404和3406～3409的图案。因此，FOD传感器可以测量大的电压变动并且能够区分小的变动。在某些实施例中，模数转换器可以接收来自FOD传感器的测量信号。例如，20位模数转换器可以提供FOD传感器的最大可检测电压的 10-6倍的分辨率。在该示例中，如果最大可检测电压为1V，则分辨率可以为 1μV。模数转换器可以包括在关于图27所述的控制电子设备中。
图36示出图28的设置2810中描述的FOD传感器板2816所获得的模拟结果的图。在该示例中，源线圈2812产生在源线圈2812中振荡的最大振幅为3A 的电流的磁场。装置线圈2814是开路的，使得在装置线圈2814中大致没有电流振荡。坐标3640示出x方向和y方向。FOD传感器板2816检测源线圈2812所产生的依赖于中心轴2813和2815在x方向和y方向上的失准的磁场。图中 3600～3609示出FOD传感器板2816针对图29中描述的十个设置2900～2909所测量到的电压。颜色条3650表示-0.2V和0.2V之间的电压振幅。在该示例中，图中3600～3609示出甚至没有减去基线图案的情况下的不同电压图案。通过消除减去基线的步骤，该方法具有计算时间和成本减少的优点。
在图36所示的示例中，图中 3600～3609所示的图案的电压振幅强烈地依赖于源线圈2812和装置线圈2814之间的相对对准。这是由于FOD传感器板2816 是装置侧传感器板，由此相对于源线圈2814移动，从而产生所检测到的磁场。在FOD传感器板2816变得与源线圈2812失准的情况下，所测量到的电压与 FOD传感器板相对于源线圈固定的情况相比改变得更快。由于所测量到的电压图案可以强烈地依赖于源线圈和装置线圈的对准，因此该方法可能是有利的。
图37示出图28的设置2810中描述的FOD传感器板2816所获得的模拟结果的图。在该示例中，源线圈2812产生在源线圈2812中振荡的最大振幅为3A 的电流的磁场。装置线圈2814连接至负载，并且电流在装置线圈2814中振荡。坐标3740示出x方向和y方向。FOD传感器板2816检测源线圈2812所产生的依赖于中心轴2813和2815在x方向和y方向上的失准的磁场。图中 3700～3709示出FOD传感器板2816针对图29中描述的十个设置2900～2909所测量到的电压。颜色条3750表示电压振幅。类似于图36的示例，图中 3700～3709中所示的电压振幅的图案强烈依赖于对准位置。然而，图中 3704、3706和3709中的电压图案难以在视觉上彼此区分。可以重新缩放电压图案，以调整各图的范围。参考图38，重新缩放图中 3704和3706～3709的各颜色条以显示这些图各自的电压图案。结果，可以清楚地区分图中 3704和3406～3409的图案。可以使用这些图案来确定图中 3704和3706～3709的相应对准。
图39示出通过从图中 3700～3709减去基线图案得出的模拟结果的图。在该示例中，基线模式被确定为在不存在源线圈2812的情况下FOD传感器板2816 中的FOD传感器的8×7阵列所测量到的电压图案。为了测量基线图案，FOD 传感器可以测量装置线圈2814中提供的电流所产生的磁场。例如，可以由连接至装置线圈2814的小电力源来提供电流。
图中 3900～3909示出从图中 3700～3709减去基线图案之后的电压图案。颜色条3950表示图39中所示的图的电压振幅。在减去之后，图中 3904和3906～3909示出与图37中的图中 3704和3706～3709相比更不同的电压图案。因此，与图37的情况相比，减去基线图案的图中 3900～3909可以提高源线圈2812和装置线圈 2814之间的对准的可检测性。
图40是包括电力源谐振器的源线圈4002和电力接收器谐振器的装置线圈4012的无线电力传送系统4000的示意图。源线圈4002处于屏蔽件4004上方，并且装置线圈4012处于屏蔽件4014下方。源侧FOD传感器板4006处于源线圈 4002上方，并且装置侧FOD传感器板4016处于装置线圈4012下方。装置线圈 4012、屏蔽件4014和FOD传感器板4016处于装置盖4018下方。在一些实施例中，FOD传感器板4006和4016的面积大小可以分别大于源线圈4002和装置线圈4012的面积大小。坐标4040示出x方向和z方向。系统4000可以在源侧和装置侧中的任一个或两者上包括磁性材料(例如，铁氧体)。例如，源线圈4002 和装置线圈4012中的任一个或两者可以分别缠绕磁性材料。应当理解，图40 所示的设置是示例，并且可以修改相对分离和尺寸。
源线圈4002和装置线圈4012可以各自具有缠绕与x方向平行的轴的多个回路，使得这些回路中的振荡电流感应出与x方向平行的主磁偶极子。另一方面，FOD传感器板4006和4016中的FOD传感器各自具有缠绕与z方向平行的轴的多个回路，使得这些回路中的振荡电流感应出与z方向平行的主磁偶极子。无线电力传送系统还可以包括可以连接至电力源的附加线圈4020。附加线圈4020可以被设置为使得线圈4020内的振荡电流感应出与z方向平行的主磁偶极子。
在一些实施例中，FOD传感器与附加线圈4020的耦合可以比与源线圈 4002的耦合更强，这是因为FOD传感器和附加线圈4020可以感应出z方向上的磁偶极子。如此，FOD传感器可以被配置为检测附加线圈4020所产生的磁场，并且使用所测量到的电压来确定源线圈4002和装置线圈4012之间的对准。这种方法可以消除为了确定对准而对源线圈4002供电的需求。作为替代，可以以比源线圈4002为了获得FOD传感器所检测到的给定电压水平而将需要的电力更低的电力来使用附加线圈4020。由于消除了激活源线圈4002所需的时间，因此这样可以减少位置测量所需的时间。在一些实施例中，附加线圈 4020相对于源线圈4002固定。可选地，附加线圈4020可以相对于装置线圈 4012固定。
图41示出图40的系统4000中描述的FOD传感器板4006所获得的模拟结果的图。在该示例中，附加线圈4020是单个导线回路，其中，该导线回路具有与图30～39中描述的示例的在源线圈中振荡的最大振幅为3A的电流不同的、最大振幅为1A的电流。装置线圈4012为开路，使得装置线圈4012中大致没有电流振荡。坐标4140示出x方向和y方向。FOD传感器板4006检测附加线圈 4020所产生的依赖于源线圈4002和装置线圈4012在x方向和y方向上的失准的磁场。图中 4100～4109示出FOD传感器板4006针对图29中描述的十个设置所测量到的电压。颜色条4150表示电压的振幅。在该示例中，图中 4100～4109示出视觉上不同的没有减去基线图案的电压图案。通过消除减去基线的步骤，该方法可以具有计算时间和电路减少的优点。在一些实施例中，附加线圈 4020可以具有多个导线回路，这些导线回路可以使在附加线圈4020内振荡的最大振幅为1A的电流所产生的磁场增大，由此增加信号强度。在这种情况下，如果信号强度高于传感器的可检测强度，则最大振幅电流可以相对于1A有所减小，这可以降低附加线圈4020的操作成本。
在结合图30～39和41描述的示例中，可以将所测量的电压图案与数据库的库中的图案进行比较。可以通过统计地将所测量的图案和所存储的图案进行相关处理来实现该比较。因此，提供所测量的图案的源线圈和装置线圈的对准可以被确定为具有与所保存的图案相对应的对准。
在某些实施例中，可以实现校准步骤以计算和存储平均值μ和协方差σ矩阵，其中可以使用平均值μ和协方差σ矩阵来计算测量的可能性y和概率Ψ，以确定源线圈和装置线圈之间的对准。在这种情况下，可能性y的较小值和概率Ψ的较大值表示测量的相应对准。例如，在校准步骤中，FOD传感器阵列中的j个传感器可以根据以下所示的等式(17)测量阵列形式的数据x：
Figure BDA0001204713070000961
其中，|s1|…|sj|对应于各个传感器的电压振幅。在该步骤中，针对源线圈和装置线圈之间的不同相对对准位置的n个状态来测量x。该n个状态中的各状态i可以使用系统的各种操作条件(例如，取向、电力水平、频率)的p个测量来表征，并且可以表示为(x(i,1),x(i,2),...,x(i,p))，其中i的范围为1～n、0～n-1或使得该集合包含n个状态的值的范围。对于该n个状态中的各状态，各状态i可以具有可根据以下所示的等式(18)和(19)来计算的自身的平均值和协方差矩阵：
Figure BDA0001204713070000971
Figure BDA0001204713070000972
给定新的测量结果x，通过如先前所述并根据以下所示的等式(20)计算以下矩阵乘积来确定系统的最可能的状态：
yi＝(x-μi)Tσi -1(x-μi) (20)
可以如以下所示的等式(21)来计算概率Ψi：
Figure BDA0001204713070000973
y的最小值对应于的分布Ψi中的Ψ的最大值。对于新的测量结果x，可以确定其在源线圈和装置线圈之间的相应的相对对准对应于如下的i状态，其中 i状态具有得到Ψ的最大值或者高于校准后的阈值的Ψ的值的μi和σi。应当理解，该确定不同于FOD检测的处理，其中在FOD检测的处理中，可能性的最大值y可以表示FOD的存在。在一些实施例中，基于所输入的、计算出的、测量到的或者预定的可能性y的阈值，电力传送系统可以将可能性y的计算值分类为低于可能性y的阈值，以识别源线圈和装置线圈的对准。
在图30～39和41中，图示出电压振幅的图案。在一些实施例中，可以从测量电压的大小和/或相位生成图案，并如上所述使用这些图案以确定电力源谐振器和电力接收器谐振器之间的对准信息。该方法可以在确定源线圈和装置线圈之间的对准时提供附加信息。例如，在校准步骤中，可以根据以下所示的等式(22)来测量j个传感器的数据阵列x：
Figure BDA0001204713070000981
其中，ri、θi分别对应于j个传感器的测量电压的振幅和相位。在另一个示例中，可以通过根据以下所示的等式(23)取测量电压的正弦和余弦来测量数据阵列x：
Figure BDA0001204713070000982
应当理解，可以应用关于等式(1)～(16)所述的至少一些技术以确定源线圈和装置线圈之间的相对对准。
图30～39和41中的图示出FOD传感器的阵列所测量到的模拟电压。在某些实施例中，FOD传感器的阵列测量FOD传感器中的感应电流的图案。在一些实施例中，FOD传感器可以是测量电压梯度的梯度计。在这种情况下，关于图30～39所述的技术可以应用于电压梯度的图案。
应当理解，FOD传感器板可以具有除8×7阵列之外的传感器的阵列。可以基于测量电压图案所需的分辨率来调整传感器的数量。例如，FOD传感器板可以包括这里所公开的传感器的任何设置以测量电压和/或电流的图案。
图30～39对应于针对源侧或装置侧的单个FOD传感器板的模拟结果。关于图30～39所述的技术可以应用于(例如，在源侧和装置侧这两侧)使用多个 FOD传感器板的设置。
所公开的对准测量技术可以用在车辆电池充电应用中。例如，源线圈可以连接至家庭车库、车道、停车场或车辆驻留以进行再充电的其它位置处的电力源，并且装置线圈可以固定于车辆。可以使用这些技术来判断在车辆驾驶者将车辆停放在装置线圈上方时，装置线圈是否与源线圈充分对准。例如，可以使用这些技术将源线圈和装置线圈的中心彼此对齐在300mm内(例如， 200mm内、100mm内、50mm内)。在一些实施例中，在使用装置侧FOD传感器板的情况下，测量到的位置可以通过硬连线或无线连接传送到车辆中的视觉或音频装置。在某些实施例中，在使用源侧FOD传感器板的情况下，测量到的位置可以无线地发送至车辆中的视觉或音频装置。视觉或音频装置然后可以向驾驶者传达与车辆和电力源之间的失准的程度有关的信息，由此提示驾驶者根据需要调整车辆的位置。
所公开的用于确定两个线圈之间的相对对准的技术(也称为“对准测量”) 可以用在以任何电力水平传送电力的无线电力传送系统中。通过对准测量确定相对对准可以有助于确保有效的无线电力传送以及系统的安全操作。例如，可以使用传送2kW或更高(例如，3kW或更高、5kW或更高)的电力(在本发明中称为“高电力无线传送系统”)的无线电力传送系统来向可能需要与工厂的一部分中所安装的各种电力源的对准测量的工业机械或机器人传送电力。在另一示例中，传送0.5kW或更小(例如，0.1kW或更小、0.05kW或更小)的电力的无线电力传送系统(在本发明中称为“低电力无线传送系统”)可以用作无线照明系统，该无线照明系统可能需要墙的一侧上的电力发送器和连接至墙的另一侧的电力接收器的照明装置。在这种情况下，可以使用所公开的这些技术以在不容易看到墙的各侧以进行谐振器或线圈的对准的情况下，使电力发送器和电力接收器对准，以找出最高的效率和最佳的耦合对准。在一些实施例中，所公开的针对对准测量的技术可以应用于用于对机柜或电子装置(诸如显示器(例如，TV、监视器、投影仪)或打印机等)中的照明供电的无线电力传送系统。
在一些实施例中，对准测量可以用于包括多个无线源和接收器的无线电力传送系统中，例如用于一个或多个电力源可以向一个或多个电力接收器传送电力的房间中。在某些实施例中，可以控制一个或多个电力源以优先向一个或多个电力接收器传送电力，并且可以使用对准测量来找出优化的最佳耦合或最高效率对准。在一些实施例中，可以使用对准测量来对准或定位中继器谐振器，以优化从一个或多个源到一个或多个接收器的无线电力的传送。例如，可以使用所公开的针对对准测量的技术来确定中继器谐振器在房间中的位置。该方法允许用户容易地将中继器谐振器相对于一个或多个源或一个或多个接收器谐振器定位在由于存在阻挡用户视线的墙或物体因而用户可能难以在视觉上对准谐振器的房间或空间中，这可以是有利的。例如，中继器谐振器可以容易地围绕墙、角、物体，在地板下、天花板中和家具内定位。
图42是用于无线地传送电力的源4200的示意图，其中源4200包括用于检测异物的传感器。在该示例中，传感器是LOD传感器，其中各传感器测量由于物体(例如，活体)的存在而产生的传感器中的电容性变化所感应出的电压信号。
在图42的顶视图中，源4200可以包括形成有源线圈4202的PCB 4204。源线圈4202可以被接地电极4206围绕。屏蔽件4208可以围绕接地电极4206。传感器4210可以围绕屏蔽件4208。在一些实施例中，例如，源线圈4202的宽度 4221约为20英寸、并且长度4222约为22英寸。在图42的底部横截面视图中，屏蔽件4212处于屏蔽件4208和传感器4210下方的PCB4204的另一侧。在一些实施例中，例如，接地电极的宽度4223约为1/2英寸，屏蔽件4208的宽度4224 约为1/4英寸，传感器4210的宽度4226约为1/4英寸，屏蔽件4212的宽度4227 约为9/16英寸，并且接地电极4206和传感器4210之间的距离4225约为1英寸。然而，更一般地，这些尺寸中各自可以根据源4200向电力接收器传送电力的具体应用而广泛变动。在一些其它实施例中，源线圈4020可以处于PCB下方 (与屏蔽件4212处于PCB的同一侧)，而不是处于图42所示的PCB上方的当前位置。在这种情况下，传感器可以处于源线圈4020上方(图42所示的源线圈 4020的当前位置)。
在某些实施例中，屏蔽件4208可以影响源4200周围(例如由源线圈4202 或传感器4210)所形成的电场的分布。例如，可以以与传感器4210相同的电位来驱动屏蔽件4208，以使得与以不同电位驱动的情况相比，电场的分布在到达接地电极4206之前在PCB 4204周围延伸更大的范围。该方法可以通过减小电场对传感器4210的电容性变化的贡献来增加传感器4210的检测范围。因此，屏蔽件4208可以用于阻挡或减少不期望的电场对传感器4210的影响。在该示例中，屏蔽件4208不是接地电极。
在一些实施例中，传感器4210可以是LOD传感器。例如，在活体接近LOD 传感器的情况下，LOD传感器可以检测电容性变化。
可以以多种方式修改源4200。例如，图43A是包括由屏蔽件4304围绕的源线圈4302的LOD传感器设置4300的示意图。设置4300可以包括多个传感器。在该示例中，屏蔽件4304被设置在屏蔽件4304的顶部和右侧的传感器4310、 4312和4314围绕。屏蔽件4304被设置在屏蔽件4304的底部和左侧的传感器 4311、4313和4315围绕。虚线4320表示传感器4310、4312和4314与传感器4311、 4313和4315分离。可选地，传感器4310、4312和4314可以分别连接至传感器 4311、4313和4315。虚线4320还表示屏蔽件4304在虚线4320的位置处是不连续的。这可以防止形成振幅大于屏蔽件4304的损坏阈值的循环电流。可以理解，虚线4320可以位于设置4300的位置处。在图43A所示的示例中，传感器 4310～4315各自由基于铜的导电材料(例如，金属铜)的条状物形成。可以使用来自多个传感器4310～4315的测量结果来确定移动物体的位置。例如，在活体经过多个传感器4310～4315的情况下，各传感器4310～4315可以提供其测量信号中的在时间上与另一传感器不同的峰值。通过比较时间差，可以确定移动物体的速度和方向。
在一些实施例中，传感器4310～4315可以是离散传感器。例如，图43B 的顶部是包括V形传感器4352～4354的LOD传感器的阵列4350的示意图。在活体经过V形传感器4352～4354的情况下，由于传感器4352～4354的形状，因而传感器4352～4354所测量到的信号可以是渐变的而不是突变的。可以使用这些测量信号来容易地对可位于传感器4352～4354中的两个传感器之间的活体的位置进行插值。图43B的底部是围绕屏蔽件4362的LOD传感器4364～4367 的阵列的示意图。源线圈4360处于屏蔽件的中心。坐标4340表示x方向和y方向。
在某些实施例中，利用不同传感器所测量到的信号(例如，对应于传感器电容的变化的信号)可以具有不同的信噪比(SNR)。例如，参考回图43A，传感器4314可以检测超过传感器4314的噪声电平的信号电平，而传感器4310 可以检测与传感器4310的噪声电平相当的信号电平，这是因为传感器4310更靠近可能正在产生电磁场的源线圈4302。相同类型的噪声可能会影响传感器 4310和4314的测量。在这种情况下，可以例如通过使用加权减法或相关技术来使用一个传感器(例如，传感器4314)的噪声电平消除或降低另一传感器(例如，传感器4310)的噪声电平。例如，传感器4310可以有意地屏蔽检测对象(例如，活体)的存在，从而传感器4310可以仅测量噪声。传感器4314可以测量来自噪声和检测对象的存在的信号。来自检测对象的存在的信号影响可以通过从传感器4310和4314减去所测量的信号以消除或减少噪声的影响来确定。该方法可以通用于多个传感器。
图44示出图中 4400和4410，其中图中 4400和4410分别显示作为时间(t)和电压(V)的函数的来自两个传感器的测量结果的示例。图中 4400示出一个传感器的电压测量结果4402，并且图中 4410示出另一传感器的电压测量结果4412。电压表示各传感器所检测到的电容性变化。测量结果4412的背景电平4453比测量结果4402的背景电平4451更小。测量结果4412的SNR比测量结果4402的SNR 高约N倍。这两个测量结果可以彼此相关，以消除影响这两个测量结果4402 和4412的噪声。例如，在一些实施例中，可以在基于测量信号4402和测量结果4412的SNR比对它们的大小赋予权重之后从测量结果4412中减去测量信号4402。在这样做时，测量结果4402的大小可以减小N倍，然后从测量结果 4412中减去。该方法可以减少噪声影响并改善所得到的SNR。
图中 4400具有阈值电平4450，并且图中 4410具有阈值电平4452。阈值电平 4450和4452可以由校准步骤来确定。在一些实施例中，可以通过超过各电压阈值的电压峰值来识别测量结果4402和4412的信号。例如，峰值4404、4405、 4406和4407由于它们的峰值高于阈值电平4450而被识别为由接近传感器的电介质物体所感应出的信号。峰值4414、4415、4416和4417由于它们的峰值高于阈值电平4452而被识别为电介质对象接近传感器时的信号。可以使用所识别出的峰值的比较来确定有用的峰值并消除由影响两个传感器的噪声引起的峰值。
在一些实施例中，多个LOD传感器的测量信号的比较可以使用关于等式 (1)～(23)所述的技术。例如，可以进行校准步骤以生成平均值μ和协方差σ矩阵。在该步骤，引起噪声峰值或漂移的多个LOD传感器的固有噪声可以包括在平均值μ和协方差σ矩阵中。在使用多个LOD传感器来检测物体(例如，活体)期间，传感器可以测量信号从而例如以根据等式(1)、(2)、(17)、(22)和(23) 的方式类似的方式提供数据阵列x。在这种情况下，使用多个LOD传感器所测量到的电容或电容变化来确定阵列x。在校准步骤之后，对于新的测量结果x，可以使用关于等式(1)～(23)所述的技术来计算可能性y和/或概率Ψ以确定感应出多个LOD传感器所测量的电容变化的活体的存在。应当理解，可以以与关于FOD检测处理所述的技术类似的方式实现针对活体的存在的确定，但是数据阵列x是从基于电容性感测的多个传感器而不是从来自磁场传感器的振幅和相位数据所获得的。在某些实施例中，大的可能性y可以表示活体的存在。基于针对所输入的，计算出的，测量到的或预定的可能性y的阈值，在可能性y的计算值是可能性y的阈值的情况下，电力传送系统可以识别出存在LOD。
参考回图42，控制电子设备(例如，控制器)可以连接至传感器4210和屏蔽件4208。可以对控制电子设备进行调谐，使得组合的控制电子设备和传感器4210系统可以具有作为不存在活体(例如，人或动物)的情况下的电容的最小寄生电容(Cp)。通过由于较高的SNR而使得控制器能检测由传感器4210所测量到的较小的电容变化，该调谐步骤可以提高传感器4210的灵敏度。电容变化可以通过诸如活体等的电介质物体接近传感器4210而发生。该方法可以增加传感器4210的电容变化检测的最大范围。在一些实施例中，控制电子设备可以安装在与金属组件隔离的位置以减小寄生电容。控制电子设备可以位于源4200的角落处。可以通过缩短从控制电子设备到传感器的路由连接长度来减小寄生电容。代替使用延伸的导线来连接控制电子设备和传感器，可以使用诸如传感器4310～4315等的轨迹结束于控制电子设备附近的长传感器，以缩短连接长度。通过减少针对至控制器的路由连接的需求同时增大可以检测到物体的区域，该方法可以减小寄生电容。在一些实施例中，在打开连接至源线圈的电力源的情况下，可以关闭控制器，以避免控制器检测到假峰值。
在某些实施例中，增加施加到传感器的电压的振幅可以增加传感器的 SNR。控制电子设备可以以其最高电压(例如，5V)工作，以将可能的最高电压施加到传感器。这种方法可以减少控制电子设备的电路所固有的噪声。
图45是用于无线地发送电力的源4500的示意图，其中源4500包括用于检测异物的传感器。在该示例中，传感器是LOD传感器，其中各传感器测量由于物体(例如，活体)的存在而由传感器中的电容性变化所感应出的电压信号。在图45左侧的视图中，源4500可以包括作为包围开放空间4501的矩形形状 (例如，正方形)条状物的PCB 4502。传感器4506处于PCB 4502上方，并作为条状物沿着PCB 4502的左半部分延伸。传感器4508处于PCB 4502上方，并且作为条状物沿着PCB 4502的右半部分延伸。屏蔽件4504沿着PCB 4502的外周边以及内周边行进。在图45右侧的视图中，源4500的一部分4530的横截面示出屏蔽件4504部分地缠绕具有宽度4220的PCB 4502。例如，宽度4220可以是 1.5英寸。在一些实施例中，另一PCB 4503可以处于PCB 4502下方距离4522 处。例如，距离4522可以为1英寸。接地电极4510可以形成在另一PCB 4503 下方。该方法可以提供较低的源4500的寄生电容，以提高传感器4506和4508 所测量到的信号的信噪比。
尽管以上结合图40～45描述的特征涉及源(例如，无线地传送电力的电力源)，但这些特征中的一些或所有也可以在从源无线地接收电力的电力接收器中实现。特别地，这种电力接收器可以包括一个或多个谐振器，这些谐振器又可以包括被配置为以上述方式工作的一个或多个线圈和一个或多个传感器。
车辆充电应用中的多模式操作
在车辆充电应用中，针对LOD和/或FOD的检测系统可以根据车辆和无线电力传送系统之间的位置关系在多个不同模式下工作并且在模式之间切换。例如，第一模式可以对应于车辆正在接近电力传送系统但是尚未停放并且电力尚未被传送至车辆的车载电池的情况。第二模式可以对应于车辆已停放在电力传送系统附近但是有用电力(即，向车辆的电池充电的电力)的传送尚未发生的情况。第三模式可以对应于充电电力正主动地传送至停放的车辆的情况。
图46是示出用于实现第一模式下的操作的步骤的流程图4600的示意图。在步骤4602中，例如使用诸如经由WiFi、蓝牙或蜂窝数据网络等无线地发送来的通信信号来检测正接近无线电力传送系统的车辆。在检测到车辆的情况下，在步骤4604中加载模式1校准文件，并且在步骤4606中，检测系统进行检查以确定车辆附近是否存在活体。
如果存在这种物体，则在步骤4608中，系统发出活体在附近并应该被清除的消息(例如，可视消息和/或听觉警告)。如果没有检测到这种物体，则在步骤4610中，系统检查车辆附近的异物的存在。如果检测到这种异物，则在步骤4612中，系统发出存在异物并应该清除的消息。如果没有检测到异物，则在步骤4614中，系统等待车辆停放在无线电力传送系统上。
图47是示出用于实现第二模式(即车辆停放在无线电力传送系统上之后) 下的操作的步骤的流程图4700的示意图。在第一步骤4702中，检验所停放的车辆的存在，然后在步骤4704中，加载模式2校准文件。
接着，在步骤4706中，系统检查附近是否存在活体，并且如果检测到这种物体，则在步骤4708中发出警告以移除该物体。如果没有检测到物体，则在步骤4710中，系统检查附近是否存在异物。如果检测到这种异物，则在步骤4712中，系统发出消息以移除异物。如果没有检测到异物，则在步骤4714 中，系统等待无线电力传送系统和车辆之间的电力传送开始。
图48是示出用于实现第三模式(即主动传送电力至停放的车辆)下的操作的步骤的流程图4800的示意图。如第一步骤4802所示，该过程从开始向车辆传送电力开始。接着，在步骤4804中，系统创建模式3校准文件，然后在步骤4806中，停止向车辆的电力传送。
在步骤4808中加载模式2校准文件，然后在步骤4810中系统重复对电力传送系统附近的异物的存在的模式2检查。如果检测到这种物体，则在步骤 4820中系统发出消息以移除该物体。如果没有检测到这种物体，则在步骤 4812中加载模式3校准文件，并且在步骤4814中重新开始向车辆的无线电力传送。
在无线电力传送期间，系统在步骤4816中使用模式3校准文件来检查异物的存在。如果没有检测到异物，则在步骤4822中根据需要更新模式3校准文件，并且在步骤4816中系统继续执行对异物的周期性检查。如果检测到异物，则在步骤4818中停止电力传送，并且在步骤4820中系统发出消息以移除异物。
通常，可以根据前面描述的方法来进行涉及检查异物和/或活体的存在的图46～48所示的步骤。与操作的模式1、2和3相对应的校准文件可对应于前述的各种类型的校准文件，这些校准文件包含与不同的操作模式相对应的校准数据和其他值。
针对车辆充电应用的多回路阵列
在车辆充电应用所用的源谐振器中可以使用各种不同类型的线圈。特别地，对于某些车辆充电应用，源谐振器可以包括具有在公共平面中扩展的多个同心回路的线圈。图49是示出这种线圈4902的示例的示意图。如图49所示，线圈4902的回路围绕公共轴同心地旋绕，并且全部在公共平面中扩展。
图50是示出无线电力传送系统的源谐振器的线圈5002的示意图。类似线圈4902的线圈5002包括在公共平面(即，图50中的x-y平面)中扩展的多个回路。也如图50所示的是安装到车辆(未示出)的底侧的接收谐振器5004，其接收从线圈5002在z方向无线发送来的电力。
在诸如线圈4902和5002等的线圈用于无线电力传送的情况下，线圈所产生的磁场的空间分布在FOD和LOD检测系统中是重要的考虑因素。特别地，为了确保使用如先前公开的检测器阵列更准确地检测FOD和LOD，可能期望确保通过各阵列检测器的磁通尽可能近似相等。
图51是示出类似于线圈4902或线圈5002的线圈在z方向上的磁场的模拟大小的示意图。如图所示，场大小在线圈的角处(即，线圈的导电元件的密度最大处)最大，并且在线圈的边界之外的区域中接近零。
图52是示出图51所示的线圈的单个角处的模拟磁场大小的示意图。如前所述，在一些实施例中，可以使用磁场传感器的阵列来通过测量无线电力传送系统中的源谐振器和车辆谐振器之间的磁场的扰动来检测FOD。然而，从图51和52可以看出，如果使用大小类似的检测器的间距均匀的阵列，则通过某些检测器(例如，位置最靠近源线圈的角的那些检测器)的通量将显著大于通过其它检测器的通量。
通常，可能需要通过阵列的检测器的磁场通量的动态范围最小化。如上所述，缩小该动态范围的一种方法是使用横截面积不同的检测器。特别地，通过在源谐振器和车辆谐振器之间的低通量区域中使用横截面积较大的检测器，并且在高通量区域中使用横截面积较小的检测器，可以相对于大小相等的检测器的阵列缩小动态范围。
在一些实施例中，改变检测器之间的x间距和/或y间距还可以用于缩小通过阵列的检测器的磁通的动态范围。此外，除了使用x间距和y间距不同的检测器之外，还可以使用横截面积不同的检测器。在图52中，通过使用根据在图上延伸的垂直和水平线而调整尺寸的16个检测器的阵列，可以实现大约 5的动态范围。
为了进一步减小动态范围，在一些实施例中，可以使用具有不同数量的回路的检测器。图53是示出FOD/LOD检测系统的实施例的示意图，其中在该FOD/LOD检测系统中使用具有不同数量的回路的检测器的阵列来缩小通过各检测器的通量的动态范围。图53所示的源线圈的象限被划分成16个区块，各区块对应于阵列中的不同检测器。叠加在图上的附图标记表示阵列的各检测器中的回路的数量。
通常，在较低通量区域中使用具有较大数量的回路的检测器，而在较高通量区域中使用具有较小数量的回路的检测器。因此，例如，图53中的处于低磁通的区域中的检测器5302具有3个回路。与此相对，处于高磁通区域中的检测器5306具有单个回路。处于中间磁通区域中的检测器5304具有2个回路。注意，在图53中，为了清楚起见，仅示出阵列的检测器5302、5304和5306。
通过改变阵列的一个或多个检测器中的回路的数量，可以实现磁通的有所缩小的动态范围。例如，使用图53所示的阵列，磁通的动态范围可以缩小至小于2的值，从而允许阵列对FOD和LOD的更灵敏和精确的检测。
在图53中，使用16个检测器的阵列来检测与源线圈的一个象限相对应的通量。因此，使用四个这样的阵列(各自以16个检测器为特征)来测量来自整个线圈的通量。通常，四个阵列中各自连接至接口板，然后四个接口板连接至公共控制器或控制板。
通常，具有任何数量的回路的检测器可以用在这里所公开的阵列中。例如，可以使用具有一个或多个回路(例如，两个或更多个回路、三个或更多个回路、四个或更多个回路、六个或更多个回路、八个或更多个回路、十个或更多个回路)的FOD检测器。此外，具有不同数量的回路的检测器的任何组合可以用在针对FOD检测的特定阵列中。根据源谐振器的特定几何形状和测量约束，检测器可以均匀地或不同地间隔开，并且可以具有相同或不同的横截面积。
此外，具有任何数量的检测器的阵列可以用于FOD检测。尽管前述示例描述了使用各自具有16个检测器的四个阵列，但是更一般地，可以使用各自具有任何数量的检测器的任何数量的阵列。此外，不同阵列中所使用的检测器的数量可以相同或不同。
附加FOD检测系统和方法
前面的部分讨论了通过测量无线电力传送系统中从源谐振器延伸到车辆谐振器的磁通的小扰动来检测FOD的技术。其它方法也可用于FOD检测。
特别地，在一些实施例中(特别是在源谐振器不是主动地向车辆传送电力的情况下)，可以使用不依赖于主动源谐振器的方法来检测FOD的存在。这种方法例如在无线电力传送系统的操作的模式1和2中可以特别有用。
在某些实施例中，可以使用辅助线圈来产生磁场，并且然后通过检测器阵列检测辅助磁场的扰动，以确定FOD/LOD的存在。图54示出处于源谐振器5402附近的车辆谐振器5404。辅助线圈5406处于源谐振器5402附近，并且连接至与源谐振器5402(图54中未示出)相同的控制器。辅助线圈5406产生磁场，其中该磁场由检测器阵列5408检测到。基于由检测器阵列5408测量到的信号，系统可以使用先前公开的方法来判断源谐振器5402附近是否存在FOD 和/或LOD。
通过使用辅助线圈而产生的重要优点在于，辅助线圈所产生的磁场的频率可以不同于源谐振器5402所产生的场的频率。通过使用与将电力从源谐振器5402传送到车辆谐振器5404所采用的频率不同的测量频率，消除了可能会由于电力传送期间的动态变动而产生的对测量信号的影响。此外，如果电力传送频率和测量频率彼此充分不同，则消除了由于源谐振器或车辆谐振器中所感应出的电流而产生的对传感器信号的扰动。作为示例，如果电力在源谐振器5402和车辆谐振器5404之间以85kHz或145kHz的频率进行传送，则辅助源5406可以以显著更高的频率(诸如6.78MHz等)和/或显著更低的频率(诸如 8kHz或更小等)产生磁场。
在一些实施例中，为了进一步确保辅助线圈5406所产生的磁场和检测器阵列5408中的感应电流不扰动源谐振器5402，源5402和辅助线圈5406产生的场可以具有不同的相位。例如，在一些实施例中，这些场的相位可以相差30 度或更多(例如，60度或更多、90度或更多、120度或更多、150度或更多、 180度或更多)。
在某些实施例中，辅助放大器可以耦合到源谐振器中，并且在没有使用源线圈向车辆谐振器传送电力的情况下，使用源线圈产生用于检测 FOD/LOD的磁场。使用源线圈(例如，图54中的源谐振器5402的线圈)来产生测量磁场可以具有许多优点。例如，针对模式1、2和3中的FOD/LOD感测可以使用相同的检测器阵列。此外，由于可以不需要实现辅助线圈，因此可以简化系统设计。
在将辅助放大器耦合到现有源谐振器中的情况下，应避免两个显著结果。首先，应当防止辅助放大器反向驱动通常驱动源线圈以产生无线电力传送所用的磁场的功率放大器。其次，应防止辅助放大器在车辆谐振器中感应出电流。
通常，使用继电器断开源的功率放大器可能在无线电力传送系统中引入不可接受的电力损耗。因此，优选以不需要解耦功率放大器的方式引入辅助放大器。因此，在一些实施例中，辅助放大器处于源阻抗匹配网络中的电感器L3和电容器C3之后，并且在L3两端使用可切换的槽以避免反向驱动源的功率放大器。
图55示出具有可切换辅助放大器5502的无线电力传送系统的一个实施例的示意性电路图。在向车辆谐振器进行无线电力传送期间，开关S1和S2断开，使得辅助放大器5502从系统解耦。系统的功率放大器驱动线圈Ls，这样产生无线电力传送所用的磁场。
为了测量FOD/LOD，辅助放大器5502通过闭合开关S1耦合到系统中。同时，开关S2也闭合，从而产生使用电容器CT的阻塞槽电路。阻塞槽电路防止辅助放大器5502驱动系统的功率放大器。作为替代，辅助放大器5502驱动线圈LS，这样产生用于检测FOD/LOD的测量磁场。为了确保测量场不会在车辆谐振器中感应出电流，如上所述，辅助放大器5502以与电力传送频率大致不同的频率驱动线圈LS。在某些实施例中，可以选择辅助放大器5502驱动线圈LS所采用的频率，以使得车辆谐振器中感应出的电流最小化。
在一些实施例中，源的阻抗匹配网络不包括电感器L3。在这种实施例中，可以以与引入图55中的可切换电容器CT类似的方式通过在电容器C3两端引入可切换电感器LT来实现阻塞槽电路。
在某些实施例中，可以通过测量一个或多个检测器中的电感变化来执行 FOD检测。如上所述，这里所公开的FOD检测器通常包括导电材料的一个或多个回路。传感器附近的金属FOD的存在可以影响FOD传感器回路的电感，这是由于金属FOD可以影响在传感器回路中流动的电流所产生的磁场。因此，可以使用FOD检测器的电感的测量来检测检测器附近的FOD的存在。
图56是示出连接到电感测量控制器5604的检测器5602的阵列的示意图。通常，检测器5602处于无线电力传送系统的源谐振器和车辆谐振器之间或周围。为了检测源谐振器附近的FOD的存在，控制器5604测量各检测器5602的电感。基于电感测量结果相对于阵列的预期/校准值的变化或偏差来检测FOD。用于测量检测器5602的电感变化的适当控制器例如包括可从Texas Instruments(达拉斯，德克萨斯州)获得的LDC1000控制器。
在测量检测器线圈的电感变化的FOD检测系统中，例如如图56所示，各检测器用作谐振LC电路。因此，在检测器一体化到检测器PCB上(参见下面对图57A和57B的论述)的情况下，PCB包括耦合谐振器的阵列。在异物扰动阵列中的特定检测器(即谐振器)的电感的情况下，附近的检测器(即谐振器) 由于这些检测器(即谐振器)的相互耦合也受到影响。因此，特定检测器的电感和/或电阻的测量变化不仅受到靠近该检测器的异物的影响，而且受到靠近相邻检测器的异物的影响。由于阵列中的检测器之间的谐振耦合而产生的这种“放大”或“分布”效应可以显著地提高整个阵列对异物的灵敏度，从而提高系统可以检测这些物体的精度。
在当前和前述部分中，公开了用于检测无线电力传送系统中的 FOD/LOD的各种测量方法。应当理解，这些方法可以各自用在这种系统的各种操作模式中，并且不同的方法可以组合和/或用在相同系统的不同操作模式中。
例如，磁场感测(即，检测源谐振器所产生的磁场的扰动)可以用在所有三种操作模式中，并且在主动从源向车辆谐振器传送电力的第三操作模式中特别有用。经由辅助线圈的FOD检测可以用于所有三种操作模式，并且对于源谐振器不主动产生磁场的模式1和2特别有用。类似地，针对FOD检测的电感测量可用于所有三种操作模式，并且在源谐振器不主动产生磁场的模式1 和2中特别有用。如图55所示，包括可切换辅助放大器的无线电力传送源在系统操作的模式1和2中通常使用辅助放大器来产生测量磁场，并且在系统在模式3中工作的情况下使用这里所述的任何其它方法来检测FOD。
图57A示出FOD检测系统的示例性实施例。在一些实施例中，FOD检测传感器板可以由多个电路板5706A～D制成。这对于与互通板5704和电子板 5702的机械组装而言是有益的。此外，通过将FOD检测传感器板分解成多个板，可以降低成本。例如，一个大的印刷电路板可能比四个较小的印刷电路板更昂贵。互通板5704提供连接器5707，使得来自FOD检测传感器板 5706A～D的信号具有至电子板5702的路径。电子板5702可以包括电源和控制电路、通信和信号处理能力。
图57B示出FOD检测系统的示例性实施例的顶视图。在某些实施例中，互通板5704和电子板5702的大小和/或形状可调整成适合源谐振器线圈5710 中间的空间5712。FOD检测传感器板5706A～D可以在源谐振器5710上连接至源谐振器5710中间的互通板5704和电子板5702。在一些实施例中，可以在互通板5704和电子板5702上或周围使用屏蔽件，以减少用于传送电力的磁场的损耗。屏蔽件可以由铜、铝和磁性材料等形成。
辅助系统配置
在一些实施例中，辅助线圈可以用于在源谐振器线圈不提供磁场时针对 FOD传感器提供辅助磁场。这使得FOD传感器能够在源谐振器没有向车辆上的装置谐振器传送电力的期间(诸如当不存在车辆时或者在充电操作开始之前等)进行工作。在某些实施例中，在源提供低电力的情况下，辅助场可以是有益的。
图58A示出源谐振器线圈5800和处于源谐振器线圈5800上方的电路板 5706A～D的实施例的顶视图。电路板5706A～D可以包括FOD传感器和一个或多个辅助线圈。图58B示出源谐振器线圈5800、第一电路板5802A和第二电路板5802B的实施例的侧视图。在实施例中，辅助线圈可以印刷或缠绕在第一电路板5802A上，并且FOD传感器可以印刷或缠绕在第二电路板5802B上。在实施例中，辅助线圈可以印刷或缠绕在第二电路板5802B上，并且FOD传感器可以印刷或缠绕在第一电路板5802A上。FOD传感器印刷或缠绕在第二电路板5802B上以使得这些FOD传感器更靠近可能处于第二电路板的顶部表面附近的异物，这可以是有利的。在一些实施例中，传感器和辅助线圈5802A 和5802B可以占据印刷电路板(PCB)的不同层。印刷电路板(PCB)可以在辅助线圈的制造过程中提供再现性。在某些实施例中，传感器板可以与辅助线圈板物理上分离。在一些实施例中，辅助线圈可以由诸如实芯铜、铜包铝和利兹线等的缠绕导体制成。在一些实施例中，辅助线圈可以由接合至具有FOD 传感器的印刷电路板的表面的缠绕导体制成。在示例性实施例中，确保FOD 传感器和辅助线圈的迹线不是彼此直接堆叠是有益的。如果FOD传感器和辅助线圈的迹线彼此直接堆叠，则辅助线圈可以与FOD传感器强烈地耦合，并且可以在传感器上感应出比预期更大的电压。
在某些实施例中，辅助线圈可以有利地在传感器板5706A～D上的各FOD 传感器上感应出与源谐振器线圈所产生的电压类似的电压。这使得FOD传感器板能够在源没有产生磁场的情况下在该FOD传感器板的传感器上预期到并且被校准至电压的类似“动态范围”。在某些实施例中，由于传感器信号可以在大小上彼此更接近，因此辅助线圈可以有利地在FOD传感器板上感应出更小的“动态范围”的电压。在一些实施例中，辅助线圈可以由诸如LM675(Texas Instruments，达拉斯，德克萨斯州)等的线性放大器来驱动。由于较低的成本和/或所产生的谐波含量较少，因此线性放大器可以有益于驱动辅助线圈。驱动信号中较少的谐波含量降低了系统中的噪声。
在一些实施例中，可以以与驱动源谐振器线圈的频率相同的频率来驱动辅助线圈。例如，可以以大约85kHz(±5kHz、±10kHz或更大)来驱动源谐振器线圈和辅助线圈。这可以在FOD传感器上提供更大的信号强度。在某些实施例中，与较低频率的信号相比，针对辅助线圈的较高驱动频率可以感应出较大的信号。这是由于FOD传感器上的感应电压与驱动频率、磁场和辅助线圈的面积成正比。以与源相同的频率驱动辅助线圈可以使辅助线圈在源谐振器线圈和/或装置谐振器线圈中感应出电流。例如，如果在装置谐振器线圈中感应出电流，则对于装置谐振器线圈相对于源谐振器线圈的对准的任何偏移， FOD传感器可能对检测FOD不那么敏感。这是由于在一些模式中，FOD传感器的校准可能并非与装置谐振器线圈相对于源谐振器线圈的位置无关。通过在源谐振器线圈中感应出电流，辅助线圈所产生的磁场可能会被源(由于感应电流)所产生的任何磁场抵消。这可能导致减小净磁场的效果，并且还可能导致反向驱动源电子设备的可能性，从而可能导致损坏。
即使在比源谐振器的谐振频率更高的频率处也可能产生这种效果。例如，对于高于源谐振器线圈的谐振频率的辅助线圈频率
Figure BDA0001204713070001141
源谐振器线圈中的感应电流Isource大约为：
Figure BDA0001204713070001142
其中，M是互感，Iaux是辅助线圈中的电流，Lsource是源谐振器线圈的电感，R source是源谐振器中的电阻，k是耦合因数，以及Laux是辅助线圈的电感。然而，由于可能的辅助线圈的接近程度和形状，因而源谐振器线圈和辅助线圈之间的耦合因数k可以较大。因此，感应电流Isource可以与频率无关地较大。可以针对对装置谐振器线圈中的感应电流进行类似的近似。
可选地，可以以低于源谐振器频率的频率(ωsource＞＞ωaux)来驱动辅助线圈。在这种情况下，源谐振器线圈中的感应电流大约为：
Figure BDA0001204713070001143
对于
Figure BDA0001204713070001144
(例如在辅助线圈频率低于源谐振器线圈频率的情况下)，感应电流Isource可以较小。在一些实施例中，使用低的辅助线圈频率的一个效果可以是FOD传感器信号的振幅可以较低。在FOD传感器信号较低的情况下， FOD传感器的信噪比(SNR)可能会恶化，因而在检测异物时具有较低的鲁棒性。在某些实施例中，对于以大约85kHz(±5kHz、±10kHz或更多)驱动的源谐振器线圈，可以以大约85kHz(±5kHz、±10kHz或更大)以下的频率(诸如大约 50kHz、30kHz或更低等)来驱动辅助线圈。
图59A示出异物检测系统所用的辅助线圈5902的实施例的顶视图。图 59A示出作为一个或多个电路板5904A～D的一部分的辅助线圈5902。在一些实施例中，辅助线圈5902可以大约跟随源谐振器线圈(诸如源谐振器线圈 5800等)的绕线来进行缠绕。紧密跟随源谐振器线圈的绕线的优点是，在源关闭的情况下，辅助线圈将对来自源谐振器线圈5800的磁场的强度和相位进行近似。辅助线圈紧密跟随源谐振器线圈的绕线的另一优点是，辅助线圈的磁场在FOD传感器上所感应出的电压的动态范围类似于源的磁场所感应出的电压的动态范围。在图59A所示的实施例中，辅助线圈5902包括四组线圈 (各组线圈具有大约四匝)，各组线圈处于由PCB基板制成的瓣5904A～D上。各组线圈具有在中心5910连接至互通板5704和/或电子板5702的返回迹线(例如迹线5906和5908)。这些板中的任一个可以包括针对辅助线圈5902的驱动电子设备(包括放大器)。图59B示出考虑到抵消图59A所示的辅助线圈板的磁场的有效线圈的模型。例如，5906和5908处的返回迹线处所产生的磁场将抵消，并且线圈的有效形状可以类似于线圈5912中的四个回路。每个回路的端子5914可以相连接，使得回路彼此串联。图59C示出源谐振器线圈5800的部分5916和辅助线圈5902的部分5918的模型。如上所述，辅助线圈5902跟随源谐振器线圈的迹线。在一些实施例中，辅助线圈的迹线5918可以均匀地分布在源谐振器线圈的迹线5916上，使得辅助场的形状与源的场的形状类似。
图59D示出辅助线圈5902和源谐振器线圈5800的示例性实施例的侧视图。辅助线圈5902中的电流可以具有大约500mA的振幅，并且源谐振器线圈5800 中的感应电流可以具有大约3A的电流。这使得与辅助线圈5902所产生的辅助场5822相比，源谐振器线圈5800所产生的磁场5820更强。注意，源谐振器线圈不是同时被驱动的；较强的磁场5820是由于源谐振器线圈中的感应电流而产生的。考虑到两个磁场之间的场抵消之后的净磁场得到针对FOD传感器的有用磁场。利用这种场能够得到FOD传感器上的电压的类似动态范围，因而得到针对FOD的类似的灵敏度。
图60A示出异物检测系统所用的辅助线圈的示例性实施例的示意图。辅助线圈印刷或缠绕在四个电路板6004A～D上。各电路板具有导线的外回路 6006和导线的内回路6008。电路板的内边缘上的迹线处(诸如在6010和6012 处等)所产生的大部分磁场被抵消。有效线圈得到图60B所示的模型。较小的外回路6006A～D形成较大的外回路6016，并且较小的内回路6008A～D形成较大的内回路6018。具有有效的内回路6018的优点是有效的内回路6018可以补偿该内回路6018中心的较弱的磁场。这种配置的优点是该配置利用较少量的导电材料(例如，铜)，从而降低辅助线圈的重量以及成本。这些回路组各自在中心6014附近串联地电气连接，并且可以与互通板5704和/或电子板5702 耦合。在一些实施例中，可以通过互通板5704和/或电子板5702中的至少一个上的线性放大器以大约30kHz来驱动辅助线圈6002。
图61示出异物检测系统所用的辅助线圈的示例性实施例的模型。辅助线圈6102A～D印刷或缠绕在电路板6104A～D上。在实施例中，各辅助线圈 6102A～D由独立的放大器来驱动，从而得到针对四个辅助线圈的四个放大器。这种配置的优点是磁场在内部迹线处(诸如在6108和6110处等)不抵消。使用多个辅助线圈的另一优点是这些辅助线圈将更少地耦合至源谐振器和装置谐振器，从而使得辅助线圈的效力能够与装置的位置独立。在一些实施例中，辅助线圈6102A～D可以连接至互通板5704和/或电子板5702中的至少一个上的独立放大器。可以通过多个线性放大器以大约30kHz来驱动辅助线圈。在某些实施例中，可以通过少于四个放大器来驱动辅助线圈6102A～D。例如，单个放大器可以与开关(例如继电器)一起使用以耦合至四个辅助线圈。
图62示出异物检测系统所用的辅助线圈的实施例的示意图。辅助线圈 6200可以包括印刷或缠绕在电路板6204A～D上的4个较小的线圈6202A～D。较小的线圈6202A～D可以由单个放大器驱动并且处于偏离电路板6204A～D 边缘的位置，因此这些线圈的磁场不抵消。
在某些实施例中，处于源谐振器线圈上或附近的辅助线圈可能导致源谐振器的品质因数受到不利影响。克服该问题的一个方式可以是减少辅助线圈的构造中所使用的导电材料的量和/或匝数。另一方面可以减少源的区域内的导电材料的量。例如，通过增加铜的使用量以有效地增加导体的垂直厚度，可以减小导体的水平厚度，因而减小直接在源谐振器线圈上的导体的面积。
图63A～63B示出异物检测系统所用的辅助线圈的实施例的示意图。代替如图59A和图60A所示的通向电路板的中心的各组线圈的迹线，迹线分别连接至相邻板上的对应部分。图63A示出，针对与图59A所示的辅助线圈类似的辅助线圈，电路板5904B上的迹线6302可以经由连接器6306连接至电路板 5904D上的迹线6304，以得到与图59B所示的有效辅助线圈类似的有效辅助线圈。在一些实施例中，连接器可以包括跨电路板的导线的焊接和板对板连接器等。图63B示出，针对与图60A所示的辅助线圈类似的辅助线圈，电路板6006B上的迹线6308可以经由连接器6312连接至电路板6006D上的迹线 6310，以得到与图60B所示的有效辅助线圈类似的有效辅助线圈。
硬件和软件实现
应当理解，这里所述的方法和步骤可以在包括诸如一个或多个电子处理器和/或专用电子电路等的各种处理硬件组件的控制电子设备中实现。例如，这些控制电子设备可以被配置为将不同的电压图案与数据存储器中所存储的校准数据进行比较。作为另一示例，控制电子设备可以被配置为分析来自两个不同LOD传感器的电容变化测量信号之间的相关性，以减少如上所述的噪声影响。
应当理解，这里所述的源线圈和装置线圈可以在不利用谐振器进行电力传送的无线电力传送系统中实现。所公开的技术可以应用于无线电力传送系统。
图27示出可以作为先前描述的计算机化电子装置(诸如FOD/LOD检测系统、校准引擎、检测引擎等)的一部分并入的计算机系统的实施例。图27提供可以进行各种实施例所提供的方法的各种步骤的计算机系统600的一个实施例的示意图。应当注意，图27仅意在提供各种组件的一般化说明，可以适当地利用这些组件中的任何一个或全部。因此，图27广泛地示出如何以相对分离或相对更一体化的方式来实现个体系统元件。
计算机系统2700可以包括能够经由总线2705电气连接(或者可以以其它方式适当地通信)的硬件元件。硬件元件可以包括一个或多个处理器2710，其中这些处理器包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器(诸如数字信号处理芯片、图形加速处理器和/或视频解码器等)；一个或多个输入装置2715，其中该一个或多个输入装置2715可以包括但不限于遥控器等；以及一个或多个输出装置2720，其中该一个或多个输出装置2720可以包括但不限于显示装置和/或音频装置等。
计算机系统2700还可以包括一个或多个非瞬态存储装置2725(和/或与非瞬态存储装置2725通信)，其中非瞬态存储装置2725可以包括但不限于可以是本地和/或网络可访问存储器，以及/或者可以包括但不限于盘驱动器、驱动器阵列、光学存储装置、可编程和/或闪存可更新等的固态存储设备(诸如随机存取存储器(“RAM”)和/或只读存储器(“ROM”)等)。这些存储装置可以被配置为实现包括但不限于各种文件系统和/或数据库结构等的任何适当的数据存储器。
计算机系统2700还可以包括通信子系统2730，其中该通信子系统2730可以包括但不限于调制解调器、网卡(无线或有线)、红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(诸如蓝牙装置、802.11装置、WiFi装置、WiMax装置、蜂窝通信装置等)等。通信子系统2730可以允许数据与网络(例如，以下描述的网络等)、其它计算机系统和/或这里所述的任何其它装置进行交换。在许多实施例中，计算机系统2700还将包括工作存储器2735，其中该工作存储器2735可以包括如上所述的RAM或ROM装置。
计算机系统2700还可以包括被示为当前位于工作存储器2735内的软件元件，其中这些软件元件包括操作系统2740、装置驱动器、可执行库和/或诸如一个或多个应用程序2745等的其它代码，该一个或多个应用程序2745可以包括各种实施例所提供的计算机程序，和/或可被设计为实现如这里所述的其它实施例所提供的方法和/或配置系统。仅以示例的方式，针对以上论述的方法所述的一个或多个过程可以实现为计算机(和/或计算机内的处理器)可执行的代码和/或指令；然后，在一方面，这些代码和/或指令可以用于配置和/或适配通用计算机(或其它装置)以进行根据所述的方法的一个或多个操作。
这些指令和/或代码的集合可以存储在诸如上述的非瞬态存储装置2725 等的非瞬态计算机可读存储介质上。在一些情况下，存储介质可以并入诸如计算机系统2700等的计算机系统。在其它实施例中，存储介质可以与计算机系统分离(例如，诸如光盘等的可移除介质)，和/或在安装包中提供，使得可以使用存储介质来对存储有指令/代码的通用计算机进行编程、配置和/或适配。这些指令可以采取计算机系统2700可执行的可执行代码的形式，以及/ 或者可以采取源和/或可安装代码的形式，其中这些源和/或可安装代码在(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何之一)编译和/或安装在计算机系统2700上时，再采取可执行代码的形式。
对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据具体要求进行大致的变动。例如，还可以使用定制的硬件，以及/或者特定元件可以在硬件、软件(包括诸如小应用程序等的便携软件等)或这两者中实现。此外，可以采用至诸如网络输入/输出装置等的其它计算装置的连接。
如上所述，在一方面，一些实施例可以采用计算机系统(诸如计算机系统2700等)来进行根据所公开的技术的各种实施例的方法。根据一组实施例，这些方法的一些或全部过程由计算机系统2700响应于处理器2710执行工作存储器2735中所包含的(可以被并入操作系统2740和/或诸如应用程序2745等的其它代码的)一个或多个指令的一个或多个序列来执行。这些指令可以从另一计算机可读介质(诸如一个或多个非瞬态存储装置2725等)读取到工作存储器2735中。仅以示例的方式，工作存储器2735中所包含的指令序列的执行可以使处理器2710进行这里所述的方法的一个或多个过程。
如这里所使用的术语“机器可读介质”、“计算机可读存储介质”和“计算机可读介质”是指参与提供使机器以特定方式工作的数据的任何介质。这些介质可以是非瞬态的。在使用计算机系统2700实现的实施例中，各种计算机可读介质可以涉及向处理器2710提供指令/代码以用于执行和/或可以用于存储和/或携载这些指令/代码。在许多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采取非易失性介质或易失性介质的形式。非易失性介质例如包括诸如非瞬态存储装置2725等的光盘和/或磁盘。易失性介质包括但不限于诸如工作存储器2735等的动态存储器。
物理和/或有形计算机可读介质的常见形式例如包括软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其它磁介质、CD-ROM、任何其它光学介质、任何其它带标记图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或盒、或者计算机可以读取指令和/或代码的任何其它介质。
各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携载至处理器2710以执行。仅以示例的方式，指令可以最初被携载在远程计算机的磁盘和/或光盘上。远程计算机可以将指令加载到其动态存储器中，并且将指令作为信号经由传输介质发送以由计算机系统2700接收和/或执行。
通信子系统2730(和/或其组件)通常将接收信号，然后总线2705可以将信号(和/或信号所携带的数据、指令等)携载至工作存储器2735，处理器2710在工作存储器2735中检索指令并执行这些指令。工作存储器2735所接收到的指令可以可选地在由处理器2710执行之前或之后存储在非瞬态存储装置2725 上。
以上论述的方法、系统和装置是示例。各种配置可以适当地省略、替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所述的顺序不同的顺序进行方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，针对某些配置所述的特征可以组合在各种其它配置中。可以以类似的方式组合配置的不同方面和元件。此外，技术在演进，因此许多元件是示例，而并不限制本发明或权利要求书的范围。
在说明书中给出具体细节以提供对示例配置(包括实现)的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施配置。例如，已经在没有不必要的细节的情况下示出了公知的电路、过程、算法、结构和技术，以避免模糊配置。本说明书仅提供示例配置，而并不限制权利要求书的范围、适用性或配置。实际上，针对配置的先前描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在没有背离本发明的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和设置进行各种改变。
此外，配置可以被描述为作为流程图或框图示出的处理。尽管可以将各操作描述为顺序处理，但许多操作可以并行或同时进行。另外，操作的顺序可以重新排列。处理可以具有未包括在附图中的附加步骤。此外，方法的示例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或它们的任何组合来实现。当在软件、固件、中间件或微代码中实现时，用以进行必要任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质等的非瞬态计算机可读介质中。处理器可以执行所述的任务。
在本发明中，诸如“调整”、“评价”、“计算”、“调节”和/或“算法”等的术语可以用于描述校准过程的某些部分或者与校准同义。另外，在本发明中，作为方法的一部分或者过程的一部分的术语可以与方法本身互换地使用。例如，算法可以被称为计算和调节等。
尽管已经结合某些优选实施例描述了所公开的技术，但本领域的普通技术人员将理解其它实施例，并且这些实施例旨在落入本发明的范围内。例如，以上已经与各种具体应用及其示例一起描述了与发送无线电力相关的设计、方法、部件的配置等。本领域技术人员将理解，这里所述的设计、组件、配置或组件可以组合或可互换地使用，并且以上描述并没有将组件的这种可互换性或组合仅限为这里所述。
注意，这里所述的技术可以应用于使用电磁场发送电力的任何无线电力系统。在已经描述了高谐振无线电力系统的源谐振器和装置谐振器的情况下，本领域技术人员将理解，可以针对使用初级和次级线圈的电感型系统描述相同的传感器、检测器、算法和子系统等。
这里所引用的所有文献通过引用并入本文。

Claims (22)

1.一种用于检测无线电力传送系统周围的异物的设备，所述设备包括：
多个检测器，其中各检测器包括一个或多个导电材料回路；以及
控制器，其被配置为测量各检测器中的电压和电流至少之一，并且基于测量结果来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物，
其中，所述多个检测器中的至少一个检测器包括第一数量的导电材料回路；
所述多个检测器中的至少另一个检测器包括大于所述第一数量的第二数量的导电材料回路；以及
在工作期间，所述设备处于使得无线电力传送源所产生的磁通通过所述多个检测器的位置，以及包括所述第一数量的回路的检测器所处的区域中的磁通大于包括所述第二数量的回路的检测器所处的区域中的磁通。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个检测器中的至少一些检测器包括一个回路，以及所述多个检测器中的至少一些检测器包括两个回路。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个检测器中的至少一些检测器包括三个回路。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个检测器形成阵列。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述阵列中的至少一些邻接检测器之间的间距不同。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述阵列中的至少一些检测器的横截面积与所述阵列中的至少另一些检测器的横截面积不同。
7.一种用于检测无线电力传送系统周围的异物的方法，所述方法包括以下步骤：
测量多个检测器的各检测器中的电压和电流至少之一；以及
基于测量结果来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物，
其中，所述多个检测器中的各检测器包括一个或多个导电材料回路；
其中，所述多个检测器中的至少一个检测器包括第一数量的导电材料回路；
其中，所述多个检测器中的至少另一个检测器包括大于所述第一数量的第二数量的导电材料回路；以及
其中，所述多个检测器处于使得无线电力传送源所产生的磁通通过所述多个检测器的位置，以及包括所述第一数量的回路的检测器所处的区域中的磁通大于包括所述第二数量的回路的检测器所处的区域中的磁通。
8.一种无线电力传送系统，包括：
根据权利要求1至6中任一项所述的设备；
无线电力传送源，其被配置为以第一频率产生用以向无线电力接收器传送电力的源磁场；以及
辅助磁场源，其被配置为以第二频率产生辅助磁场，
其中，所述多个检测器被配置为响应于所述辅助磁场源所产生的所述辅助磁场中的扰动而生成电信号；以及
其中，所述第一频率与所述第二频率不同。
9.根据权利要求8所述的无线电力传送系统，其中，所述辅助磁场源包括至少一个辅助线圈和至少一个放大器。
10.根据权利要求8所述的无线电力传送系统，其中，还包括电源，所述电源耦合至所述无线电力传送源并且被配置为提供用以驱动所述无线电力传送源的电力，以及在所述辅助磁场源正在产生辅助磁场的情况下，所述电源断开。
11.根据权利要求8所述的无线电力传送系统，其中，所述辅助磁场源包括多达四个辅助线圈以及多达四个放大器。
12.根据权利要求9所述的无线电力传送系统，其中，所述无线电力传送源包括缠绕第一区域的源谐振器线圈，以及所述至少一个辅助线圈被配置为缠绕所述第一区域。
13.根据权利要求12所述的无线电力传送系统，其中，所述至少一个辅助线圈包括串联连接的两组导体绕线，所述两组导体绕线中的各组导体绕线分别缠绕第二区域和第三区域中的一个区域。
14.根据权利要求13所述的无线电力传送系统，其中，所述第二区域和所述第三区域的总和大致等于所述第一区域。
15.根据权利要求12所述的无线电力传送系统，其中，所述至少一个辅助线圈包括串联连接的四组导体绕线，所述四组导体绕线中的各组导体绕线分别缠绕第二区域、第三区域、第四区域和第五区域中的一个区域。
16.根据权利要求15所述的无线电力传送系统，其中，所述第二区域、所述第三区域、所述第四区域和所述第五区域的总和大致等于所述第一区域。
17.根据权利要求12所述的无线电力传送系统，其中，所述辅助磁场在所述源谐振器线圈中感应出电流，以及所述源谐振器线圈中的电流产生强度大于所述辅助磁场的磁场。
18.根据权利要求12所述的无线电力传送系统，其中，所述至少一个辅助线圈包括导体绕线的第一部分和导体绕线的第二部分，所述第一部分处于第一电路板上，所述第二部分处于第二电路板上，以及所述第一电路板和所述第二电路板之间的连接器提供导体绕线的所述第一部分和所述第二部分之间的电气连接。
19.根据权利要求8所述的无线电力传送系统，其中，所述源磁场和所述辅助磁场具有不同的相位。
20.一种无线电力传送系统，包括：
根据权利要求1至6中任一项所述的设备；
源谐振器；
功率放大器，其耦合至所述源谐振器，并且被配置为驱动所述源谐振器以按第一频率产生用以向无线电力接收器传送电力的磁场；以及
辅助放大器，其能够选择性地连接至所述源谐振器以及与所述源谐振器断开，并且被配置为驱动所述源谐振器以按与所述第一频率不同的第二频率产生与所述无线电力接收器不谐振的磁场，
其中，所述多个检测器被配置为基于在所述辅助放大器驱动所述源谐振器的情况下生成的磁场来生成电信号，
其中，所述控制器被配置为以两种操作模式中的一种操作模式来操作所述系统，
其中，在第一操作模式中，所述功率放大器驱动所述源谐振器，并且向所述无线电力接收器传送电力；以及
其中，在第二操作模式中，所述辅助放大器驱动所述源谐振器，并且所述控制器被配置为基于各所述电信号来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，还包括槽电路，在所述辅助放大器连接至所述源谐振器的情况下，所述槽电路将所述功率放大器与所述辅助放大器隔离。
22.一种无线电力传送系统，包括：
无线电力传送源，其被配置为产生用以向无线电力接收器传送电力的磁场；以及
根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述多个检测器中的各检测器处于所述无线电力传送源附近，并且所述多个检测器包括相互耦合的检测器，
其中，所述控制器被配置为检测多个检测器各自的电感的变化，并且基于所述变化来判断所述无线电力传送系统周围是否存在异物。
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