CN109428404A - 在无线能量传递系统中用于外物检测的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
提供用于无线能量传递系统的外物检测(FOD)的方法和系统。发射器接收输入电压，将所述输入电压转换成输出电流，将所述输出电流供应到发射线圈，并且采样第一组模拟信号以产生第一组数字值。接收器将通过从所述发射线圈传递的能量在接收线圈中感应的电流转换成输出电压，采样第二组模拟信号以产生第二组数字值，并且将所述第二组数字值传送到所述发射器。所述发射器基于所述第一和第二组数字值产生FOD信号，所述FOD信号指示在所述能量传递内检测或未检测到外物。在另外的实施例中，检测到的功率损耗或效率与预期的功率损耗或效率的比较用于产生所述FOD信号。
Description
技术领域
此技术领域涉及无线能量传递。
背景技术
无线充电使用发射/接收线圈之间的电磁场以通过电磁感应在两个物体之间无线地传递能量。此无线能量传递通常借助通过电感藕合将能量传递到接收装置的充电站进行。然后接收装置使用传递的能量为电池组充电或以其它方式为装置提供电力。对于电感藕合，无线充电器通常使用发射线圈形成从充电底座内延伸的交变电磁场。在附近可再充电装置中的接收线圈从电磁场汲取功率并且将该功率转换回成直流电流以为电池组充电。彼此紧靠着的两个线圈有效地形成电变压器，能量通过该电变压器传递。
无线充电技术在广泛范围的应用中已变得非常普遍，如蜂窝电话、可穿戴物、医疗装置和其它便携式可再充电装置。此无线充电技术还被考虑用于在需要更多功率的装置方面实施，像膝上型计算机、厨房电气设备、机器人真空吸尘器、军用装置和其它较高功率可再充电装置。对于这类较高功率实施，将可能需要可导致健康和安全问题的较强的交变磁场。举例来说，放置到无线充电器和大功率接收装置之间的较强交变磁场中的导电外物可由于感应涡流而危险地过热。因此，为了保持高水平的安全和兼容性，外物检测(FOD)对于满足具有用于无线能量传递的广泛范围功率电平的实施的要求为重要的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于无线能量传递的方法，包括：
在用于无线能量传递的发射器处：
接收输入电压；
将所述输入电压转换成输出电流；
将所述输出电流供应到发射线圈；
采样与所述输入电压和所述发射线圈相关联的第一组模拟信号以产生第一组数字值；
接收从用于所述无线能量传递的接收器传送的第二组数字值，所述第二组数字值表示与由所述无线能量传递通过所述接收器产生的输出电压相关联的第二组模拟信号；和
基于所述第一组数字值和所述第二组数字值产生外物检测(FOD)信号，所述FOD信号指示相对于从所述发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括将所述FOD信号传送到控制器以用于另外的动作。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括在用于所述无线能量传递的所述接收器处：
将通过从所述发射线圈传递的能量在接收线圈中感应的电流转换成所述输出电压；
采样与所述输出电压相关联的所述第二组模拟信号以产生所述第二组数字值；和
将所述第二组数字值传送到所述发射器。
在一个或多个实施例中，在所述接收器处的所述传送包括将所述第二组数字值无线地发射到所述发射器。
在一个或多个实施例中，所述产生包括基于所述第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于所述第一和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于所述检测到的功率损耗或效率与所述预期的功率损耗或效率的比较产生所述FOD信号。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括如果所述预期的功率损耗或效率与所述检测到的功率损耗或效率相差大于阈值，那么输出所述FOD信号以指示已检测到外物。
在一个或多个实施例中，所述第一组模拟信号包括与所述输入电压相关联的电流、与所述输入电压相关联的电压和与所述发射线圈相关联的电流；且其中所述第二组模拟信号包括与所述输出电压相关联的电流和与所述输出电压相关联的电压。
在一个或多个实施例中，所述输出电流包括振荡输出电流，其中所述采样包括在所述振荡输出电流的振荡时段内采样所述振荡输出电流多次以产生多个样本，且其中所述产生包括从所述多个样本确定在所述振荡时段内所述振荡输出电流的峰值和使所述FOD信号至少部分基于所述峰值。
在一个或多个实施例中，所述产生进一步包括基于所述第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于所述峰值和所述第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于所述检测到的功率损耗或效率与所述预期的功率损耗或效率的比较产生所述FOD信号。
在一个或多个实施例中，所述估算预期的功率损耗或效率包括访问与所述峰值相关联的校准数据。
根据本发明的第二方面，提供一种用于无线能量传递的系统，包括：
用于所述无线能量传递的发射器，包括：
发射线圈；
经耦合以接收输入电压和将输出电流提供到所述发射线圈的电桥；和
经耦合以采样与所述输入电压和所述发射线圈相关联的第一组模拟信号和产生第一组数字值的模数转换器(ADC)；
其中所述发射器被配置成从用于所述无线能量传递的接收器接收第二组数字值，所述第二组数字值表示与由所述无线能量传递通过所述接收器产生的输出电压相关联的第二组模拟信号，并且进一步被配置成基于所述第一组数字值和所述第二组数字值产生外物检测(FOD)信号，所述FOD信号指示相对于从所述发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。
在一个或多个实施例中，所述发射器进一步被配置成将所述FOD信号传送到控制器以用于另外的动作。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括用于所述无线能量传递的接收器，所述接收器包括：
接收线圈；
经耦合以接收来自所述接收线圈的电流和提供所述输出电压的整流器；和
经耦合以采样与所述输出电压相关联的所述第二组模拟信号以产生所述第二组数字值的模数转换器(ADC)；
其中所述接收器进一步被配置成将所述第二组数字值传送到所述发射器。
在一个或多个实施例中，所述接收器被配置成将所述第二组数字值无线地发射到所述发射器。
在一个或多个实施例中，所述发射器进一步被配置成基于所述第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于所述第一和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于所述检测到的功率损耗或效率与所述预期的功率损耗或效率的比较产生所述FOD信号。
在一个或多个实施例中，所述FOD信号被配置成如果所述预期的功率损耗或效率与所述检测到的功率损耗或效率相差大于阈值，那么指示已检测到外物。
在一个或多个实施例中，所述第一组模拟信号包括与所述输入电压相关联的电流、与所述输入电压相关联的电压和与所述发射线圈相关联的电流；且其中所述第二组模拟信号包括与所述输出电压相关联的电流和与所述输出电压相关联的电压。
在一个或多个实施例中，所述输出电流包括振荡输出电流，其中所述发射器进一步被配置成在所述振荡输出电流的振荡时段内采样所述振荡输出电流多次以产生多个样本，从所述多个样本确定在所述振荡时段内所述振荡输出电流的峰值，和使所述FOD信号至少部分基于所述峰值。
在一个或多个实施例中，所述发射器进一步被配置成基于所述第一和第二组数字值检测功率损耗或效率，基于所述峰值和所述第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于所述检测到的功率损耗或效率与所述预期的功率损耗或效率的比较产生所述FOD信号。
在一个或多个实施例中，所述发射器进一步被配置成基于与所述峰值相关联的校准数据估算所述预期的功率损耗或效率。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
应注意，附图仅说明示例性实施例并且因此不认为限制本发明的范围。为简单和清晰起见，示出图中的元件，并且这些元件未必按比例绘制。
图1为包括发射器和接收器的无线能量传递系统的示例性实施例的框图。
图2为对于被驱动通过发射线圈的振荡输出电流的一个振荡时段通过发射线圈的电流(I线圈)的示例性实施例的图。
图3为基于估算的功率和测量的功率之间的差异检测外物的示例性实施例的过程流程图。
图4为与图3的外物检测过程相关联的示例性测量的图。
图5为可用于产生存储于发射器内的校准数据的生产后校准的示例性实施例的过程流程图。
具体实施方式
公开在无线能量传递系统中用于外物检测的方法和系统。对于所公开的实施例，发射器接收输入电压，将输入电压转换成输出电流，将输出电流供应到发射线圈，并且采样与输入电压和发射线圈相关联的第一组模拟信号以产生第一组数字值。接收器将通过从发射线圈传递的能量在接收线圈中感应的电流转换成输出电压，采样与输出电压端相关联的第二组模拟信号以产生第二组数字值，并且将第二组数字值传送到发射器。另外，发射器基于第一组数字值和第二组数字值产生外物检测(FOD)信号并且将FOD信号传送到控制器用于另外的动作。FOD信号指示相对于从发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。在另外的实施例中，发射器基于第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于第一和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，并且基于检测到的功率损耗或效率与预期的功率损耗或效率的比较产生FOD信号。视需要可实施不同特征和变化形式，并且还可利用相关或修改后的系统和方法。
所公开的实施例检测位于在功率发射器(例如，作为无线充电器的一部分)和接收器(例如，作为可再充电装置的一部分)之间产生的电磁场内的外物。可检测包括导电材料(例如，钢、铜、铝等)的外物，并且即使导电材料表面上为冷的(例如，具有导电材料在隔热盖子如塑料防护盖内部的物体)，也发生这种检测。通过检测这类外物在电磁场内，可自动地启动动作和/或警报以帮助防止外物过度加热和可能损害健康或财产。另外，所公开的实施例在宽功率范围内提供这种外物检测并且不需要位于发射器处的传感器场(例如，温度或磁场传感器)。此外，所公开的实施例不会不利地影响或降低在发射器和接收器之间的无线能量传递本身。在利用本文所述的外物检测技术时还可实现其它优点。
图1为包括发射器(TX)102和接收器(RX)132的无线能量传递系统100的示例性实施例的框图。发射器102可被包括作为各种各样无线充电器或操作以向单独可再充电或无线供电的装置提供无线能量传递的其它装置的一部分。接收器132可被包括作为各种各样可再充电装置的一部分，包括蜂窝电话、可穿戴物、医疗装置或其它便携式装置，以及较高功率装置如膝上型计算机、厨房电气设备、机器人真空吸尘器、军用装置或其它较高功率可再充电或无线供电装置。
发射器102包括发射(TX)控制电路110、输入电压端118、电桥104和发射线圈108。输入电压端118被配置成接收通过电桥104转换成穿过发射线圈108的电流的输入电压119。电容106也包括于发射线圈108的电流路径的一侧内。发射控制电路110包括收发器(XCVR)116、计时器(TMR)114、模数转换器(ADC)112、外物(FO)检测器115和存储校准数据(CALDATA)158的非易失性存储器(NVM)156。ADC 112采样与发射线圈108和施加到输入电压端118的输入电压119相关联的第一组模拟信号111，并且ADC 112产生与采样的模拟信号111相关联的第一组数字值113。计时器(TMR)114被配置成基于用于接收器132的接收线圈135的期望输出状况，控制电桥104输出电压的频率和占空比。收发器(XCVR)116被配置成与接收器132内的收发器(XCVR)146通信。当已检测到外物124时，外物(FO)检测器115操作以产生外物检测(FOD)信号152，如本文进一步详细描述。
接收器132包括接收(RX)控制电路140、输出电压端138、整流器134和接收线圈135。整流器134接收通过由发射线圈108产生的磁场在接收线圈135上感应的电流并且将此感应电流转换成在输出电压端138上的电压。电容136也包括于接收线圈135的电流路径的一侧内。输出电压端138被配置成将输出电压139提供到负载160，如可再充电电池组、电子电路和/或其它电负载。电容148也可耦合在输出电压端138之间。接收控制电路140包括收发器(XCVR)146、通用输入/输出(GPIO)电路144和模数转换器(ADC)142。ADC 142采样与施加到输出电压端138的输出电压139相关联的第二组模拟信号141，并且ADC142产生与采样的模拟值141相关联的第二组数字值143。GPIO电路144被配置成控制整流器134的操作。收发器(XCVR)146被配置成与发射器102内的收发器(XCVR)116通信。
应注意，发射器102内的ADC 112可借助电子电路实施，该等电子电路接收模拟输入并且产生表示模拟输入的量值的数字输出值(例如，8位、16位、32位或其它数字输出值)。举例来说，用于ADC 112的第一信道可用于测量发射(TX)输入电压119的DC(直流)电压量值。用于ADC 112的第二信道可用于测量流过输入电压端118的发射(TX)输入电流的DC输入电流量值。作为此电流量值检测的一部分，分流电阻器、霍尔效应(Hall-effect)传感器和/或其它电路系统可用于促进此输入电流测量。用于ADC 112的第三信道可用于检测发射线圈108内的交流电(I线圈_TX)的量值。作为此线圈电流量值检测的一部分，电流传感器、电流变压器、霍尔效应传感器、分流电阻器和/或其它电路系统可用于促进此线圈电流测量。此外，各种技术可用于采样线圈电流。举例来说，为了确定峰值线圈电流，可获取用于电桥104的输出的每个脉冲-宽度-调制(PWM)时段的多个线圈电流样本(例如，每个PWM时段的八个或更多个样本)并且用于确定最大值。此最大值然后可视为具有良好精确度的线圈电流的峰值。此外，用于ADC 112的触发器位置还可主动地偏移以便直接跟踪峰值。还可实施其它变化形式。
如同ADC 112，接收器132内的ADC 142也可借助电子电路实施，该等电子电路接收模拟输入并且产生表示模拟输入的量值的数字输出值(例如，8位、16位、32位或其它数字输出值)。举例来说，用于ADC 142的第一信道可用于测量接收(RX)输出电压189的DC(直流)电压量值。用于ADC 142的第二信道可用于测量流过输出电压端138的接收(RX)输出电流的DC输入电流量值。作为此电流量值检测的一部分，分流电阻器、霍尔效应传感器和/或其它电路系统可用于促进此输入电流测量。还可实施其它变化形式。
还应注意，电桥104可借助电容器和中间开关实施，该等电容器和中间开关受计时器(TMR)114控制以产生输出到发射线圈108的振荡电流。此外，整流器134可借助电容器和中间开关实施，该等电容器和中间开关受GPIO电路144控制以产生在输出电压端138上的输出电压。在输出电压端138上所需的输出电压受发射器侧计时器(TMR)114和该计时器(TMR)114到电桥104的输出频率和占空比控制。
在操作中，第二组数字值143通过接收器132定期传送到发射器102，例如通过使用收发器116/146从接收器132无线地传送到发射器102的信息150。举例来说，在提供到发射线圈108的振荡电流的每一个振荡时段之后，第二组数字值143可通过接收器132传送到发射器102。还可使用其它通信定时。一旦传送到发射器102，那么第二组数字值143就连同来自ADC 112的第一组数字值113被FO检测器115接收。应注意，收发器116/146可使用多种无线电类型(例如，蓝牙、Wi-Fi、NFC(近场通信)和/或其它无线电类型)中的任一种实施以在接收器132和收发器116之间提供无线数据传递。除了这类带外通信以外，还应注意，在接收器132和收发器116之间的此数据传递还可使用带内技术实施，例如将数据信息调制到通过线圈108/135无线地传送的功率信号上。此外，还可使用直接硬线连接，但这类直接连接通常不用于无线充电环境中。在仍然利用本文所述的外物检测技术时还可实施其它变化形式。
对于无线能量传递，通过使振荡电流穿过发射线圈108产生的磁场在接收线圈135内感应振荡电流。无线感应有效地提供功率120从发射器102到接收器132的能量传递。然而，如果外物(FO)124放置或以其它方式引入在磁场内，那么所传递的功率120的一部分122可被外物124吸收。如上文所指出，如果此外物124为导电的或可以其它方式吸收所传递的能量的此部分122，那么外物124可变热和/或以其它方式对于无线能量传递系统100造成潜在的健康、安全和/或其它危险。
根据本文所述的实施例，此外物124通过外物检测器115检测。具体来说，外物(FO)检测器115产生外物检测(FOD)信号152，该外物检测信号152指示相对于从发射线圈135传递的能量检测或未检测到外物124。此FOD信号152基于由模拟信号111通过发射器102内的ADC 112产生的第一组数字值113，并且还基于由模拟信号141通过接收器132内的ADC 142产生的第二组数字值143。一旦检测到外物124，发射器102就可输出FOD信号152用于另外的动作。举例来说，用于无线能量传递系统100的控制器154可接收FOD信号152并且基于FOD信号152的接收进行另外的动作。举例来说，控制器154可与发射器102和/或附加电路系统、装置或系统通信以启动另外的动作。这些另外的动作可包括例如发送通知消息、自动地关闭无线能量传递和/或其它动作。在仍然利用本文所述的外物检测技术时还可实施其它变化形式。
现更详细参见无线能量传递系统100的能量传递，发射器被配置成通过计时器(TMR)114和电桥104的操作在发射器线圈108和接收器线圈135之间产生振荡磁场。一般来说，电路或装置的电力(P)由该电路或装置接收的电压(U)和接收的电流(I)的乘积表示(例如，P＝U×I)。通常存在与任何现实世界能量传递系统相关联的功率损耗。对于实施例100，通过无线能量传递系统100中的电路组件的电流流动将产生硬件功率损耗(ΔPHW)。系统中耗散的总功率耗损(ΔP)可被计算为基于输入电压119的电流(ITX)和电压(UTX)的输入功率(PIN)与基于输出电压139的电流(IRX)和电压(URX)的输出功率(POUT)之间的差异，如下：
ΔP＝PIN-POUT＝(ITxUTx)-(IRxURx)
外物124如导电外物(例如，硬币、钥匙、铝箔、铜箔等)存在于线圈108/135之间的磁场中可造成附加功率损耗，这归因于由于外物124产生的高频涡流。由于外物124引起的这种附加功率损耗(PFO)为不希望的效应并且为潜在危险的，因为外物124的温度可危险地升高。外物的这种自身消耗(PFO)相对于总功率损耗(ΔP)和电路组件中的损耗(ΔPHW)可表达为：
PFO＝ΔP-ΔPHW
电路组件中的损耗(ΔPHW)可进一步由发射器电路中的损耗(ΔPTx)和接收器电路内的损耗(ΔPRx)表示：
ΔPHW＝ΔPTx+ΔPRx
为了更好的精确度，这两个分量ΔPTx和ΔPRx可进一步分成发射(TX)电流依赖性损耗(ΔPTx(it))、接收(RX)电流依赖性损耗(ΔPRx(ir))、发射恒定硬件自身消耗(ΔPTx_CONST)和接收恒定硬件自身消耗(ΔPRx_CONST)，如下：
ΔPTx＝ΔPTx(it)+ΔPTx_CONST
ΔPRx＝ΔPRx(ir)+ΔPRx_CONST
对于外物的自身消耗(PFO)，替代到上述等式中，那么PFO可表达为如下：
对于FO检测器115，在下文进一步详细描述的外物检测方法基于发射器和接收器线圈之间的气隙中的功率损耗的计算。方法比较能量传递系统100中检测到的真实损耗(ΔP)与基于在能量传递系统100内采样的模拟信号估算的预期的损耗(ΔPHW)。然后真实损耗和估算的损耗之间的差异用于表示在发射线圈108/接收线圈135之间的气隙和磁场中的功率损耗。因为在空气中通常存在良好耦合和最小损耗，所以假设气隙中的损耗可归因于由于外物124引起的损耗(PFO)。因而，真实损耗和估算的损耗之间的差异可与阈值相比以确定是否存在外物124。
还应注意，即使发射和接收线圈在一个或多个轴线中未完全对准，许多无线能量传递系统也允许传递能量。这种不对准操作称为自由线圈定位，并且能量传递系统的效率将随发射和接收线圈之间的位置和距离而变化。对于先前系统可难以确定功率损耗是由于未对准的线圈还是由于外物124引起的。然而，所公开的实施例还能够辨别功率损耗是由线圈移位造成的而非由发射线圈108/接收线圈135之间的外物124造成的。
图2为对于被驱动通过发射线圈108的振荡输出电流206的一个振荡时段210通过发射线圈108的电流(ICOIL)的示例性实施例200的图。y轴202表示电流电平，并且x轴204表示振荡输出电流206的相位。RMS(均方根)电流电平(ICOIL_RMS)208也在实施例200中表示。为了区分由于线圈未对准或由于存在外物124引起的效率下降，发射线圈108的正峰值电流210和负峰值电流212用于确定峰值电流(ICOIL_PK)。下文更详细地描述这种峰值电流的使用。
应注意，未对准线圈和外物之间的差异可通过参见两种示例性情况看出。在两种情况下，恒定功率递送到接收输出负载160，在图1中示出，但测量的效率低。对于第一种情况，当出现高的线圈移位时，考虑能量传递系统100。然后由于较差耦合，强制发射器102增加线圈电流幅度以传递能量。这造成发射线圈108的较高峰值电流(ICOIL_PK)，这继而造成用于发射器102内的电路系统的组件内的较高功率损耗。在这种情况下，预期的功率损耗与测量的损耗一样高。然后，这些损耗之间相对小的差异可用作不存在外物124的指示，即使系统效率低。对于第二种情况，当线圈108/135很好地对准，但外物124消耗来自线圈108/135之间的磁场的能量时，考虑能量传递系统100。对于此第二种情况，由于线圈对准，发射线圈的峰值电流(ICOIL_PK)将仍然处于正常值。因而，将估算较高功率效率，并且预期的功率损耗将较低。然而，由于由在线圈108/135之间的磁场内的外物造成的实际损耗(PFO)，测量的效率将较低并且测量的功率损耗将较高。然后，预期的功率损耗和测量的功率损耗之间发现的相对大的差异可用作存在外物124的指示。
应注意，对于一些实施例，校准数据(CAL DATA)158用于外物检测。此校准数据可存储于例如非易失性存储器(NVM)156中。校准数据158使线圈电流峰值(ICOIL_PK)与硬件电路组件的预期的功率损耗(ΔPHW)相关联。此校准数据158可在发射器102的预生产阶段期间通过迫使不同电流通过发射线圈108，并且然后将结果存储在控制单元110中(如在NVM 156内)来测量。类似地，校准数据158可被存储用于注入到接收器中的校准电流(IRX)。校准数据158可使用表格、公式(例如，使用多项式等式的插值)和/或通过一些其它技术存储。此校准数据158还可收集并且存储为不同组的校准数据，这取决于对于广泛范围的不同线圈移位的测量的硬件功率损耗和在不存在外物124的情况下的相关电流电平。校准数据158可在生产将包括发射器102和接收器132的系统或装置之后通过操作测试和测量而产生。下文图5提供产生此校准数据158的一个示例性实施例。应注意，在发射器102的产品使用寿命期间对于此校准数据158不需要更新，但对于特定应用可实施这类更新。在仍然利用本文所述的外物检测技术时还可实施其它变化形式。
图3为基于估算的功率和测量的功率之间的差异检测外物124的示例性实施例300的过程流程图。尽管对于实施例300示出功率损耗的估算，但还可估算和替代地使用功率效率，如下文进一步描述。当对于无线能量传递系统100激活无线能量传递时，定期执行检测算法。对于一些实施例，每个驱动通过发射线圈102的振荡电流的时段，采样模拟信号111/141一次，不同之处在于每个振荡时段，采样发射线圈电流(ICOIL_TX)多次，并且优选地至少四(4)次。举例来说，已发现每个振荡时段八(8)个样本对于峰值电流检测提供良好结果。这种发射线圈电流(ICOIL_TX)的较大采样允许更好地重构用于鉴定电流峰值(ICOIL_TX_PK)的电流波形。举例来说，可使用ADC电路实施这种采样，该ADC电路以相对快速的采样速率操作并且迅速地将测量的数据存储到存储器中(例如，使用直接存储器访问)。用于ADC电路系统的采样触发器还可每个时段偏移以调节采样点。一旦完成数据采集，检测算法就使用通过ADC112产生的数字值来找到发射线圈108的电流峰值(ICOIL_TX_PK)。
现更详细参见图3，外物检测(FOD)过程开始于框302。在框304中，已通过ADC 112/142采样并且数字化的模拟信号被FO检测器115接收作为数字值113/143。采样的这些模拟信号包括发射器输入电流(ITX)、发射器输入电压(UTX)、发射线圈电流(ICOIL-TX)、接收器输入电流(IRX)和发射器输入电压(URX)。在框306中，使用下式计算真实功率损耗(ΔP)：ΔP＝(UTX*ITX)-(URX*IRX)。在框308中，由在振荡时段期间通过ADC 112获得的多个样本确定发射线圈电流(ICOIL-TX)的峰值(ICOIL-TX_PK)。
在框314中，访问校准数据158以基于对于发射线圈电流(ICOIL-TX)确定的峰值(ICOIL-TX_PK)，确定由于发射器102内的电路系统引起的估算的发射功率损耗(ΔPTX)。在框316中，访问校准数据158以基于接收电流(IRX)，确定由于接收器132内的电路系统引起的估算的接收功率损耗(ΔPRX)。在框318中，基于等式：PFOD＝ΔP-(ΔPRX+ΔPTX)，确定外物检测的功率损耗差(PFOD)。在框320中，基于功率损耗差(PFOD)与阈值的比较，确定是否已检测到物体。举例来说，根据等式：PFOD<PFOD_MAX，可确定功率损耗差(PFOD)是否在允许的限值内，其中PFOD_MAX表示对于确定框320所选的最大阈值。如果在框320中的确定为“否”，那么到达框324，其中外物检测确定为假。然后FOD信号152用于指示相对于从发射线圈传递到接收线圈的能量，未检测到外物。举例来说，FOD信号152的低逻辑电平可用于指示这类未检测到外物。如果在框320中的确定为“是”，那么到达框322，其中外物检测确定为真。然后FOD信号152用于指示相对于从发射线圈传递到接收线圈的能量检测到外物。举例来说，FOD信号152的高逻辑电平可用于指示这类检测到外物。然后FOD过程在框326处结束。
应注意，FOD信号152还可以不同方式输出以鉴定检测或未检测到外物124。举例来说，对于FOD信号152，可使用相反逻辑电平；可使用数字字；和/或可使用其它信号类型。在仍然利用本文所述的外物检测技术时还可实施其它变化形式。
图4为与图3的FOD过程相关联的示例性测量的图。x轴402表示时间(秒)。在图4中y轴的顶部部分406提供功率效率百分比。在图4中y轴的底部部分404提供对于顶部部分406中的示例性状况的所得FOD信号152。具体来说，提供在以下的情况下线圈移位的例子：无外物(框408)、存在铝箔作为外物(箭头410)、存在铜箔作为外物(箭头412)和存在硬币作为外物(箭头414)。应注意，在图4中使用功率效率而非用于图3中的差值。如上文所指出，相对于图3中的FOD过程，可使用功率损耗值或效率。功率效率百分比(EFF)可表示为估算的预期输出功率或测量的输出功率除以总输入功率，如下：
EFFREAL＝(IRX*URX)/(ITX*UTX)(表达为百分比)
EFFEST＝[(ITX*UTX)-(ΔPTX+ΔPRX)]/(ITX*UTX)(表达为百分比)
当对于图3使用效率时，那么在框318中计算的PFOD将由以下表示：PFOD＝EFFEST-EFFREAL。将仍然使用阈值比较；然而，阈值将表示效率差异而非功率损耗值差异。
现更详细参见顶部部分406，框408表示无外物(FO)情况下的线圈移位并且相关箭头指向相关联的功率效率损耗。对于这些损耗，预测的功率损耗相对地接近检测到的功率损耗。然而，在存在外物的情况下，预测的功率损耗显著不同于检测到的功率损耗。相对于针对铝箔的箭头410、针对铜箔的箭头412和针对硬币的箭头414示出这些功率差异。
现更详细参见底部部分404，示出所得FOD信号152。对于相对于框408的线圈移位，FOD信号152保持处于低逻辑电平，指示未检测到外物或外物的假确定。然而，对于外物410/412/414，在区422/424/426中FOD信号152上升到高电平，直到移除物体，从而指示检测到外物或外物的真确定。因而，看出外物被正确地确定为存在同时线圈移位被正确地确定为不表示存在外物。
应注意，与图4相关联的测试测量在40W的恒定发射器输出功率下进行。实验开始(例如，在985秒标记之前的时间)时，在所有轴线中改变发射/接收线圈移位408。仍处于未检测电平的FOD信号152示出图3的FOD过程很好地适于线圈移位并且正确地确定无外物在线圈之间的磁场内。在接下来的时间内，将不同材料的三个不同参考外物(例如，铝箔、铜箔和硬币)插入线圈之间的磁场中。FOD信号152由于估算和测量的功率效率之间大的差异而上升到检测电平并且然后当外物移除时下降，示出图3的FOD过程正确地确定外物的存在和外物的移除。还在3W(瓦)到80W的发射器功率输出范围中进行另外的测试。检测阈值(PFOD_MAX)设定为300mW(毫瓦)到1000mW，相对于外物的检测和外物的加热具有良好结果。发现图3的FOD过程可靠地鉴定三个测试物体处于这些功率电平和阈值。还应注意，对于低功率解决方案(例如，5-15W)，可使用包括300mW、600mW或1000mW的检测阈值，但如果需要那么可使用其它值。对于大功率解决方案(例如，80W及以上)，500mW的最小检测阈值可用作灵敏度和可靠性之间的良好折衷，但如果需要那么还可使用其它值。
图5为可用于产生存储于发射器102内的校准数据158的生产后校准的示例性实施例500的过程流程图。测量并且收集校准数据158以示出发射线圈的峰值电流(ICOIL_PK)和发射(TX)电路系统中的功率损耗之间的相关性。为了覆盖全部范围的可能峰值电流，有帮助的是至少对最低预期输出功率和最高预期输出功率执行校准。举例来说，可对于许多与标称输出功率相关联的不同输出功率点测量并且收集校准。对于示例性实施例500，使用三个输出功率点，并且将三个输出功率点设定成低、中等和高输出功率电平(例如，5％、50％和110％)，但如果需要那么可测量并且收集更多和/或不同的数据。
更详细参见图5，校准开始于框502。在框504中，确保无外物(FO)位于接收器(RX)和发射器(TX)之间。在框506中，输出功率(POUT)被设定成标称输出功率电平的5％。在框508中，发射(TX)线圈108和接收(RX)线圈135相对于彼此在整个充电区域上移位。在框510中，收集并且存储发射线圈电流(ICOIL-TX)的峰值(ICOIL-TX_PK)和发射功率损耗的改变(ΔPTX)之间的相关性，例如以表格形式。然后在框512中确定是否已校准全部充电区域。如果“否”，那么流程传回到框508。如果“是”，那么流程传回到框514。在框514中，输出功率(POUT)被设定成标称输出功率电平的50％。在框516中，发射(TX)线圈108和接收(RX)线圈135相对于彼此在整个充电区域上移位。在框518中，收集并且存储发射线圈电流(ICOIL-TX)的峰值(ICOIL-TX_PK)和发射功率损耗的改变(ΔPTX)之间的相关性，例如以表格形式。然后在框520中确定是否已校准全部充电区域。如果“否”，那么流程传回到框516。如果“是”，那么流程传回到框522。在框522中，输出功率(POUT)被设定成标称输出功率电平的110％。在框524中，发射(TX)线圈108和接收(RX)线圈135相对于彼此在整个充电区域上移位。在框526中，收集并且存储发射线圈电流(ICOIL-TX)的峰值(ICOIL-TX_PK)和发射功率损耗的改变(ΔPTX)之间的相关性，例如以表格形式。然后在框528中确定是否已校准全部充电区域。如果“否”，那么流程传回到框524。如果“是”，那么流程传回到其中校准过程结束的框530。
如本文所述，可实施多种实施例并且视需要可实施不同特征和变化形式。
对于一个实施例，公开用于无线能量传递的方法，包括在用于无线能量传递的发射器处，接收输入电压，将输入电压转换成输出电流，将输出电流供应到发射线圈，采样与输入电压和发射线圈相关联的第一组模拟信号以产生第一组数字值，接收从用于无线能量传递的接收器传送的第二组数字值，其中第二组数字值表示与由无线能量传递通过接收器产生的输出电压相关联的第二组模拟信号。和基于第一组数字值和第二组数字值产生外物检测(FOD)信号，其中FOD信号指示相对于从发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。在另外的实施例中，方法包括将FOD信号传送到控制器用于另外的动作。
在附加实施例中，方法包括在用于无线能量传递的接收器处，将通过从发射线圈传递的能量在接收线圈中感应的电流转换成输出电压，采样与输出电压相关联的第二组模拟信号以产生第二组数字值，和将第二组数字值传送到发射器。在另外的实施例中，在接收器处的传送包括将第二组数字值无线地发射到发射器。
在附加实施例中，产生包括基于第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于第一和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于检测到的功率损耗或效率与预期的功率损耗或效率的比较产生FOD信号。在另外的实施例中，方法包括如果预期的功率损耗或效率与检测到的功率损耗或效率相差大于阈值，那么输出FOD信号以指示已检测到外物。
在附加实施例中，第一组模拟信号包括与输入电压相关联的电流、与输入电压相关联的电压和与发射线圈相关联的电流。另外，第二组模拟信号包括与输出电压相关联的电流和与输出电压相关联的电压。
在附加实施例中，输出电流包括振荡输出电流，并且采样包括在振荡输出电流的振荡时段内采样振荡输出电流多次以产生多个样本。另外，产生包括从多个样本确定在振荡时段内振荡输出电流的峰值和使FOD信号至少部分基于峰值。在另外的实施例中，产生还包括基于第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于峰值和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于检测到的功率损耗或效率与预期的功率损耗或效率的比较产生FOD信号。在又另外的实施例中，估算预期的功率损耗或效率包括访问与峰值相关联的校准数据。
对于一个实施例，公开用于无线能量传递的系统，包括用于无线能量传递的发射器，该发射器包括发射线圈、经耦合以接收输入电压和将输出电流提供到发射线圈的电桥，和经耦合以采样与输入电压和发射线圈相关联的第一组模拟信号和产生第一组数字值的模数转换器(ADC)。另外，发射器被配置成从用于无线能量传递的接收器接收第二组数字值，其中第二组数字值表示与由无线能量传递通过接收器产生的输出电压相关联的第二组模拟信号，并且进一步被配置成基于第一组数字值和第二组数字值产生外物检测(FOD)信号，其中FOD信号指示相对于从发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。在另外的实施例中，发射器还被配置成将FOD信号传送到控制器用于另外的动作。
在附加实施例中，系统包括用于无线能量传递的接收器，其中接收器包括接收线圈、经耦合以接收来自接收线圈的电流和提供输出电压的整流器，和经耦合以采样与输出电压相关联的第二组模拟信号以产生第二组数字值的模数转换器(ADC)。另外，接收器被配置成将第二组数字值传送到发射器。在另外的实施例中，接收器被配置成将第二组数字值无线地发射到发射器。
在附加实施例中，发射器进一步被配置成基于第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于第一和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于检测到的功率损耗或效率与预期的功率损耗或效率的比较产生FOD信号。在另外的实施例中，FOD信号被配置成如果预期的功率损耗或效率与检测到的功率损耗或效率相差大于阈值，那么指示已检测到外物。
在附加实施例中，第一组模拟信号包括与输入电压相关联的电流、与输入电压相关联的电压和与发射线圈相关联的电流。另外，第二组模拟信号包括与输出电压相关联的电流和与输出电压相关联的电压。
在附加实施例中，输出电流包括振荡输出电流，并且发射器进一步被配置成在振荡输出电流的振荡时段内采样振荡输出电流多次以产生多个样本，从多个样本确定在振荡时段内振荡输出电流的峰值，和使FOD信号至少部分基于峰值。在另外的实施例中，发射器进一步被配置成基于第一和第二组数字值检测功率损耗或效率，基于峰值和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于检测到的功率损耗或效率与预期的功率损耗或效率的比较产生FOD信号。在又另外的实施例中，发射器进一步被配置成基于与峰值相关联的校准数据估算预期的功率损耗或效率。
还应注意，本文所述的功能块、装置和/或电路系统(包括控制器154、发射控制电路110和接收控制电路140)可使用硬件、软件或硬件与软件的组合实施。此外，执行软件、固件和/或其它程序指令的一种或多种处理装置(例如，中央处理单元(CPU)、控制器、微控制器、微处理器、硬件加速器、处理器、可编程集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或其它处理装置)可用于实施所公开的实施例。还应理解本文所述的操作、任务、功能或方法中的一个或多个可实施为例如软件、固件和/或其它程序指令，其体现于一种或多种非瞬时性实体计算机可读媒体(例如，数据存储装置、快闪存储器、随机访问存储器、只读存储器、可编程存储器装置、可重新编程存储装置、硬盘驱动器、软盘、DVD、CD-ROM和/或任何其它实体数据存储媒体)中并且用于编程一种或多种处理装置(例如，中央处理单元(CPU)、控制器、微控制器、微处理器、硬件加速器、处理器、可编程集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或其它处理装置)以执行本文所述的操作、任务、功能或方法。
除非另外说明，否则如“第一”和“第二”的术语用于任意地区别此类术语所描述的元件。因此，这些术语未必意图指示这类元件的时间上的优先级或其它优先级。
对于考虑到本说明书的本领域的技术人员而言，所描述的系统和方法的另外修改和替代实施例将显而易见。因此应认识到，所描述的系统和方法不受这些示例性布置限制。应理解，本文示出并且描述的系统和方法的形式被视为示例性实施例。可在实施中作出各种改变。因此，尽管本文参考具体实施例描述本发明，但可在不脱离本发明的范围的情况下作出各种修改和改变。因此，本说明书和图式应视为说明性而不是限制性意义，并且这类修改意图包括在本发明的范围内。另外，并不意图将本文中关于具体实施例所描述的任何益处、优点或针对问题的解决方案理解为任何或所有权利要求的关键、必需或必不可少的特征或元件。
Claims (10)
1.一种用于无线能量传递的方法，其特征在于，包括：
在用于无线能量传递的发射器处：
接收输入电压；
将所述输入电压转换成输出电流；
将所述输出电流供应到发射线圈；
采样与所述输入电压和所述发射线圈相关联的第一组模拟信号以产生第一组数字值；
接收从用于所述无线能量传递的接收器传送的第二组数字值，所述第二组数字值表示与由所述无线能量传递通过所述接收器产生的输出电压相关联的第二组模拟信号；和
基于所述第一组数字值和所述第二组数字值产生外物检测(FOD)信号，所述FOD信号指示相对于从所述发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述FOD信号传送到控制器以用于另外的动作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在用于所述无线能量传递的所述接收器处：
将通过从所述发射线圈传递的能量在接收线圈中感应的电流转换成所述输出电压；
采样与所述输出电压相关联的所述第二组模拟信号以产生所述第二组数字值；和
将所述第二组数字值传送到所述发射器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述接收器处的所述传送包括将所述第二组数字值无线地发射到所述发射器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生包括基于所述第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于所述第一和第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于所述检测到的功率损耗或效率与所述预期的功率损耗或效率的比较产生所述FOD信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括如果所述预期的功率损耗或效率与所述检测到的功率损耗或效率相差大于阈值，那么输出所述FOD信号以指示已检测到外物。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组模拟信号包括与所述输入电压相关联的电流、与所述输入电压相关联的电压和与所述发射线圈相关联的电流；且其中所述第二组模拟信号包括与所述输出电压相关联的电流和与所述输出电压相关联的电压。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出电流包括振荡输出电流，其中所述采样包括在所述振荡输出电流的振荡时段内采样所述振荡输出电流多次以产生多个样本，且其中所述产生包括从所述多个样本确定在所述振荡时段内所述振荡输出电流的峰值和使所述FOD信号至少部分基于所述峰值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述产生进一步包括基于所述第一和第二组数字值确定检测到的功率损耗或效率，基于所述峰值和所述第二组数字值估算预期的功率损耗或效率，和基于所述检测到的功率损耗或效率与所述预期的功率损耗或效率的比较产生所述FOD信号。
10.一种用于无线能量传递的系统，其特征在于，包括：
用于所述无线能量传递的发射器，包括：
发射线圈；
经耦合以接收输入电压和将输出电流提供到所述发射线圈的电桥；和
经耦合以采样与所述输入电压和所述发射线圈相关联的第一组模拟信号和产生第一组数字值的模数转换器(ADC)；
其中所述发射器被配置成从用于所述无线能量传递的接收器接收第二组数字值，所述第二组数字值表示与由所述无线能量传递通过所述接收器产生的输出电压相关联的第二组模拟信号，并且进一步被配置成基于所述第一组数字值和所述第二组数字值产生外物检测(FOD)信号，所述FOD信号指示相对于从所述发射线圈传递的能量检测或未检测到外物。
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