CN110892287A - 用于无线电力传输系统的活物体保护和异物体保护以及用于操作无线电力传输系统的方法 - Google Patents

用于无线电力传输系统的活物体保护和异物体保护以及用于操作无线电力传输系统的方法 Download PDF

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Abstract

提供了具有物体检测和物体保护系统的无线电力传输系统。该传输系统包括具有一个或多个传感器的检测系统，从而允许对至少两个参数进行监视，并且对电介质和/或金属材料敏感。

Description

用于无线电力传输系统的活物体保护和异物体保护以及用于 操作无线电力传输系统的方法
本发明涉及无线电力传输领域，特别地，涉及检测无线电力传输系统附近的物体和物质。
无线电力传输系统可以被用于将电力从初级组装件传递到次级组装件，而不具有针对在初级组装件与次级组装件之间的直接电连接的需要。次级组装件可以被布置在应当由初级组装件供电的电气设备中。经由这样的无线电力传输系统，可以为诸如移动通信设备和电动车辆之类的设备供电。特别地，电动车辆的电池可以在无线电力传输系统的操作期间被充电。
特别是在需要高功率率（power rate）例如以向电动车辆的大容量电池充电的时候，无线电力传输系统附近的物体或物质可能干扰操作。另外，高功率率可能加热诸如金属物体之类的物体或损害无线电力传输系统附近的活物质。
根据WO 2016/099806 A1和WO 2016/060748 A1，使用雷达收发器来确定车辆的存在并且支持车辆的对准是已知的。
然而，想要的是一种可以检测异物体的存在的无线电力传输系统，该异物体诸如活物体或金属物体。另外，期望来监视无线电力传输系统的整个区域。附加地，合期望的是在无线电力传输系统的操作期间监视传输系统的环境。
为此，提供了根据独立权利要求的无线电力传输系统和操作无线电力传输系统的方法。从属权利要求提供了优选的实施例。
无线电力传输系统包括检测系统。该检测系统对从介电材料或金属材料选择的材料敏感。该检测系统允许对从以下各项选择的至少两个参数的监视：物体的存在、物体的距离、物体的温度、物体的热行为、金属物体的存在、电介质物体的存在以及检测系统具有金属或电介质物质的覆盖范围。该检测系统具有从以下各项选择的至少一个或多个传感器：红外传感器、超声传感器、电容传感器和感应传感器。
这样的无线电力传输由于存在其检测系统而可以检测传输系统附近的异物体和活物体。这样的无线电力传输系统可以满足对于无线电力传输系统而言必要的安全要求。另外，可能的是，这样的无线电力传输系统确定附近任何活物体或任何异物体的存在。这样的系统可以确定系统与相应物体之间的距离。连续或迭代地监视检测到的物体的温度是可能的。因此，可以观察物体的热发展。因此，例如，金属物体处于无线电力传输系统附近，并且磁功率被传递到该金属物体，并且然后该金属物体被加热，那么可以识别该场景并且可以启动对应的对抗动作。
无线电力传输系统的至少一个传感器不受磁场和/或电场影响是可能的。
尤其当提供高功率率的无线电力传输系统正在运行时，则发射强磁场。这些强磁场对于多个已知的传感器或已知的无线电力传输系统是有问题的。
在无线电力传输系统的传感器系统的领域中进行深入研究的结果是，可以以这样的方式获得传感器的组合以及传感器在传感器块中的集中度：该方式即传感器可以在电力传输系统处于活动时监视无线电力传输系统环境。
因而，无线电力传输系统包括多个传感器块是可能的。每个传感器块包括至少一个或多个传感器。每个传感器块被布置在无线电力传输系统的周界的方位处。每个传感器块被对准以监视无线电力传输系统的环境的不同部分。
相对于无线电力传输系统的传感器块和传感器块内部的传感器以这样的方式被布置：该方式即由传输系统发射的磁场将不损害传感器。仅很少的噪声被感应到传感器。
为了描述传感器或相应传感器块的可观察区域，球坐标系的使用可以是有用的。在球坐标系中，物体相对于坐标系中心的方位、即方向和距离通过水平方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、极角
Figure 712032DEST_PATH_IMAGE002
和距离r来被表征。另外，立体角是用于指定可观察方向的组合的量度。
对应地，以这样的方式来布置并且对准无线电力传输系统的传感器是可能的：该方式即可以针对在0°与360°之间范围中的每个方位角
Figure 724113DEST_PATH_IMAGE001
监视从介电材料和金属材料选择的材料。
另外，以这样的方式来布置并且对准传感器是可能的：该方式即可以针对在0°与90°之间的每个极角
Figure DEST_PATH_IMAGE003
监视从介电材料和金属材料选择的材料。
单个传感器的可观察区域可以是相当于某个立体角的圆锥体或球形部分的体积。
通常，单个传感器不具有与半球（立体角：π）或整个球体（立体角：2π）的立体角相对应的可观察体积。
因此，传感器系统具有多个传感器，所述多个传感器可以分布在不同的传感器块之上，并且传感器和传感器块被布置成使得至少对于某个最小距离r，确定方位的
Figure 362905DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 226956DEST_PATH_IMAGE001
的每个可能的组合可以由至少一个传感器看到。
无线电力传输系统包括一个或多个红外传感器是可能的。每个红外传感器可以具有通过在水平平面中和垂直平面中在120°与150°之间的视场角来被表征的可观察区域。红外传感器的搜索深度可以在2 m与4 m之间。
可能的是，在水平平面中和垂直平面中的视场角是135°并且搜索深度是3 m。
另外，无线电力传输系统包括一个或多个超声传感器是可能的。每个超声传感器可以具有通过在水平平面中和垂直平面中在80°与100°之间的视场角来被表征的可观察区域。搜索深度可以在1 m与3 m之间。
可能的是，超声传感器在水平平面中和垂直平面中的视场角是90°。搜索深度可以是2 m。
无线电力传输系统具有一个或多个电容传感器是可能的。每个电容传感器可以具有在3 cm与8 cm之间的搜索深度。
可能的是，电容传感器的搜索深度是大约5 cm。
无线电力传输系统具有一个或多个感应传感器是可能的。每个感应传感器可以具有在3 cm与8 cm之间的搜索深度。
感应传感器的搜索深度可以是大约5 cm。
一个或多个红外传感器可以包括红外光源（例如，LED）和红外接收电路元件（也例如，LED）。
另外，红外传感器可以包括热电堆。
使用LED作为光源的红外传感器是有源传感器，而利用热电堆的红外传感器是无源传感器，该无源传感器可以包括用以放大传感器读数的有源电路。
可以利用电容传感器来确定电介质物质是否在无线电力传输系统附近。因此，可以确定电力传输系统是否被水、雪、泥、树叶等覆盖。电容传感器也可以检测金属物体。
可以利用感应传感器来确定金属物体是否在无线电力传输系统附近。
另外，无线电力传输系统可以包括被电连接到传感器的控制和处理电路。提供评估电路以用于评估传感器读数。
一种操作无线电力传输系统的方法包括如下步骤：
-在激活初级线圈之前，利用两个或多个传感器中的多个传感器来监视系统的环境，
-在正常操作期间监视系统的环境，
-如果意识到存在不想要的物体，则降低功率率。
该方法可以是活物体保护和异物体检测的方法。
该方法可以进一步包括如下步骤：
-当检测到危急状况（critical condition）时，关闭无线电力传输系统。
危急状况可以是检测到附近的人类或活物体、水、泥等。
无线功率传输系统可以具有初级组装件，该初级组装件具有以主要为矩形或正方形的外壳外形的初级线圈。初级组装件的边缘可以建立其中被布置传感器或传感器块的无线电力传输系统的周界。
矩形外壳外形的每个贴片都具有两个传感器块是可能的。然而，还可能的是，占位面积（footprint）的每个边缘具有一个传感器块。另外，一个附加的传感器块可以被定位在矩形外壳外形的角部。因此，可以提供总共八个传感器块作为一个动力传输系统的部分。
利用热电堆的热传感器或红外传感器可以包括热电堆和两个运算放大器。具有两个运算放大器的驱动器电路可以具有电源端子和输出端子。第一运算放大器的输出被连接到第二运算放大器的非反相输入端口。第二运算放大器的输出可以被连接到输出端子。热电堆具有三个端子。一个端子被连接到电源端子。热电堆的第二端子被连接到第一运算放大器的非反相输入端口。热电堆的第三端子被电连接到地。在第一运算放大器的非反相输入与地之间，电容元件和电阻元件串联连接。在第一运算放大器的反相输入与地之间，电阻元件和电容元件串联连接。在第一运算放大器的输出端子与第一运算放大器的反相输入端子之间，电阻元件、电容元件和二极管并联地电连接。对于第二运算放大器也存在这样的反馈电路。另外，在第二运算放大器的反相输入端子与地之间，电阻元件和电容元件串联连接。
超声传感器可以具有单个超声换能器或者两个或更多个超声换能器。
在具有两个超声换能器的实施例中，一个换能器可以被用作发射器，并且相应的另一个换能器可以被用作接收元件。在第一时间段中，第一换能器发射多个超声脉冲。此后，在第二时间间隔中，接收到脉冲的回波，并且可以根据该回波来确定物体的距离。
具有两个超声换能器的一个版本的超声传感器可以包括两个电路块。第一电路块具有第一支撑端子和第二支撑端子。第二电路块具有输出端子并且被连接到地。第二电路块被电连接到第一电路块的第二电源端子。
第一电路块具有运算放大器和晶体管。第二电路块具有运算放大器。
在第一电路块中，超声换能器具有两个端子。一个端子经由电阻元件被连接到第一电源端子。换能器的第二端子被连接到地。晶体管经由电阻元件被电连接到换能器的第一端子。另一个电阻元件被连接在运算放大器的输出端子与晶体管之间。另外，另一个电阻元件被电连接在晶体管与地之间。在第二电源端子与地之间，两个电阻元件串联连接。这两个电阻元件中的第一个电阻元件被连接在第二电源端子与运算放大器的非反相端子之间。第二电阻元件被电连接在运算放大器的非反相输入端子与反相输入端子之间。在运算放大器的反相输入端子与第二电源端子之间，两个电阻元件串联地电连接。
第二电路块具有被电连接到第二块的运算放大器的非反相输入端子的换能器的第一端子。换能器的第二端子经由与电容元件和电阻元件的串联连接而被电连接到运算放大器的反相输入端子。在运算放大器的输出与运算放大器的反相端子之间的反馈电路中，电阻元件被连接。另外，电阻元件被连接在运算放大器的输出端子与传感器的输出端子之间。在传感器的输出端子与地之间，电容元件被连接。在第二电源端子与第二块的运算放大器的非反相输入端子之间，两个电阻元件的串联连接被连接。在这两个电阻元件之间的节点经由电阻元件被连接到地。
仅需要一个超声换能器的一个版本的超声传感器包括三个运算放大器、四个电容元件、一个二极管、十四个电阻元件和三个感应元件。这样的传感器具有相对于地的期望电压为3.3 V的第一电源端子以及期望电压为5 V的第二电源端子。
在所附的示意图中描述优选实施例的工作原理和细节。
在附图中。
图1示出了无线电力传输系统WPTS的部件的可能的基本分布。
图2示出了部件的另一个可能的分布。
图3示出了包括评估电路的一个版本的无线电力传输系统。
图4示出了利用热电堆的红外/热传感器的等效电路图。
图5示出了利用两个超声换能器的超声传感器的等效电路图。
图6示出了两个换能器的时间相关的活动。
图7示出了仅需要单个超声换能器的超声传感器的等效电路图。
图8图示了球坐标系中的方位角
Figure 103645DEST_PATH_IMAGE001
和极角
Figure 191687DEST_PATH_IMAGE003
的含义。
图1示出了无线电力传输系统WPTS的传感器和传感器块SB的可能方位。无线电力传输系统可以具有主要为矩形的占位面积。在该占位面积内，布置了用于传输磁能的初级线圈PC。占位面积的周界π具有矩形形状，该矩形形状具有四个边缘和四个角。每个角和每个边缘具有承载必要传感器的一个传感器块SB是可能的。以这样的方式来布置并且对准传感器块和传感器块内的传感器：该方式即可以监视尽可能大的环境，例如，一个传感器块SB的一个传感器可以具有如被图示为圆锥体的观察区域OA。多个传感器块内的多个传感器允许布置以这样的方式重叠的对应的观察区域：该方式即可以观察到为π的立体角、即上半球。
图2示出了传感器块SB的可能布置，其中，主要为矩形的占位面积的四个边缘中的每一个边缘都承载两个传感器块SB。再次，传感器块和传感器块内的传感器被布置并且对准成使得观察区域或观察体积OV相对于彼此定位，从而由至少一个传感器来监视并且观察具有到无线电力传输系统的中心的最小距离的任何方位。
图3图示了具有评估电路EC的无线电力传输系统的实施例，该评估电路EC包括用以评估来自传感器块SB内的传感器的传感器读数的电路。可以将由评估电路EC确定的结果提供给无线电力传输系统的中央处理器单元。
图4示出了使用热电堆TP的热传感器的可能的等效电路图。传感器具有电源端子ST和输出端子OUT。这样的传感器是红外传感器IS的一个实施例。
传感器的驱动器电路具有被串联地电连接在热电堆TP的一个端子或输出端口OUT之间的两个运算放大器。即，热电堆TP被电连接到第一运算放大器的非反相输入端子。第一运算放大器的输出端子被电连接到第二运算放大器的非反相输入端子。第二运算放大器的输出端子被电连接到输出端子OUT。
图5示出了超声传感器US的可能的等效电路图。传感器US具有可以被用作发射器的第一超声换能器USTX。另外，传感器US具有可以被用作接收单元的第二超声换能器USRX。第一电路块B1包括与第一超声换能器USTX相关联的电路元件。第二电路块B2包括与第二超声换能器USRX相关联的电路元件。第一块B1具有第一运算放大器OA1。第二块B2具有第二运算放大器OA2。
图6图示了一个可能的操作模式，其中在第一时间段TX中，电压脉冲被传输到传感器US，该传感器US将电能转换到声能。因此，与电压脉冲相对应的超声脉冲被第一换能器USTX发射。此后，在不具有发射器的活动的情况下需要接收时间段RX。在该时间段中，无线电力传输系统附近的可能物体的回波被接收。根据对于脉冲被反射并且由接收换能器USRX接收所需的时间，可以确定物体与无线电力传输系统的相应传感器之间的距离。
图7示出了超声传感器的可能的等效电路图，该超声传感器利用可以充当发射器和接收器的单个超声换能器USTXRX。该超声传感器US的驱动器电路具有三个运算放大器OA和必要的电路元件，它们建立了在输入端口、电源端子、运算放大器OA和换能器USTXRX的端子之间的互连。
图8图示了对于确定球坐标系中的方位必要的量
Figure 737681DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 234784DEST_PATH_IMAGE003
、r的含义。角度
Figure 965979DEST_PATH_IMAGE001
确定了xy平面内（即，水平平面内）的旋转角度。角度
Figure 428185DEST_PATH_IMAGE003
确定了远离z轴的旋转。r确定了坐标系的中心与相应物体O之间的距离。
无线电力传输系统不限于上述的实施例和细节。用于操作传输系统的方法不限于上述步骤。
附图标记列表
B1： 第一电路块
B2： 第二电路块
EC： 评估电路
IS： 红外传感器/热传感器
O： 物体
OA： 可观察区域
OA： 运算放大器
OUT： 输出端子
OV： 可观察体积
P： 周界
PC： 初级线圈
Figure DEST_PATH_IMAGE005
： 距离
SB： 传感器块
ST： 电源端子
ST1： 第一电源端子
ST2： 第二电源端子
t： 时间
US： 超声传感器
USRX： 接收换能器
USTX： 传输换能器
USTXRX： 共同收发器换能器
V： 电压
WPTS： 无线电力传输系统
Figure 103885DEST_PATH_IMAGE006
： 极角
Figure 44160DEST_PATH_IMAGE007
： 水平/方位角。

Claims (11)

1.一种无线电力传输系统（WPTS），其包括检测系统，所述检测系统：
- 对从介电材料和金属材料选择的材料敏感，
- 允许监视从以下各项选择的至少两个参数：
·物体的存在，
·物体的距离，
·物体的温度，
·物体的热行为，
·金属物体的存在，
·电介质物体的存在，
·检测系统具有金属或电介质物质的覆盖范围，
- 具有从以下各项选择的至少一个或多个传感器：
·红外传感器（IS），
·超声传感器（US），
·电容传感器，
·感应传感器。
2.根据前述权利要求所述的无线电力传输系统，其中，至少一个传感器不受磁场和/或电场影响。
3.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，包括多个传感器块（SB），其中：
- 每个传感器块（SB）包括至少一个或多个传感器，
- 每个传感器块（SB）被布置在无线电力传输系统（WPTS）的周界的方位处，并且
- 每个传感器块（SB）被对准以监视无线电力传输系统（WPTS）的环境的不同部分。
4.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，其中，所述无线电力传输系统的传感器被布置并且对准以针对在范围[0°，360°]中的每个方位角
Figure 69866DEST_PATH_IMAGE001
监视从介电材料和金属材料选择的材料。
5.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，其中，所述无线电力传输系统的传感器被布置并且对准以针对在范围[0°，90°]中的每个极角
Figure 642799DEST_PATH_IMAGE002
监视从介电材料和金属材料选择的材料。
6.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，包括一个或多个红外传感器（IS），每个红外传感器（IS）具有通过在水平平面中和垂直平面中在120°与150°之间的视场角来被表征的可观察区域，并且搜索深度在2 m与4 m之间。
7.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，包括一个或多个超声传感器（US），每个超声传感器具有通过在水平平面中和垂直平面中在80°与100°之间的视场角来被表征的可观察区域，并且搜索深度在1 m与3 m之间。
8.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，包括一个或多个电容传感器，每个电容传感器具有在3 cm与8 cm之间的搜索深度。
9.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，包括一个或多个感应传感器，每个感应传感器具有在3 cm与8 cm之间的搜索深度。
10.根据前述权利要求中的一项所述的无线电力传输系统，进一步包括控制和处理电路，所述控制和处理电路被电连接到传感器并且被提供以用于评估传感器读数。
11.一种操作无线电力传输系统（WPTS）的方法，包括如下步骤：
- 在激活初级线圈（PC）之前，利用两个或多个传感器中的多个传感器来监视系统的环境，
- 在正常操作期间监视系统的环境，
- 如果意识到存在不想要的物体（O），则降低功率率。
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