CN111989238A - 用于检测无线电力传输系统中的异物的装置和方法 - Google Patents

用于检测无线电力传输系统中的异物的装置和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于检测WPT系统中的异物(112)的装置。该装置包括注入单元(122)，以接收DC功率信号并且生成具有第一频率的第一AC功率信号。而且，该装置包括线圈阵列(120)，以接收具有第一频率的第一AC功率信号并且生成处于第一频率的第一电磁场。进一步，该装置包括检测单元(124)，以测量由注入单元(122)接收到的DC功率信号和由注入单元(122)生成的第一AC功率信号中的至少一个的参数，并且基于跨线圈阵列(120)中的至少一个线圈的DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化来检测第一电磁场内的异物(112)。

Description

用于检测无线电力传输系统中的异物的装置和方法
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及一种无线电力传输系统，并且更具体地涉及一种用于检测无线电力传输系统中的异物的装置和方法。
背景技术
电动车辆或混合动力车辆包括供应电力以驱动车辆的一个或多个电池。例如，电池向马达供应能量以驱动车辆中的轴，该轴进而驱动车辆。电池用于供应电力，并且因此电力可能耗尽并且需要从外部电源进行充电。
总体上，电力传输系统广泛用于将电力从电源传输至一个或多个电负载(诸如，例如车辆中的电池)。通常，电力传输系统可以是基于接触式电力传输系统或非接触式电力传输系统。在基于接触式电力传输系统中，诸如插头、插座连接器和导线的部件物理地耦接至电池以用于对该电池充电。然而，由于环境影响，这种连接器和导线可能受到不良影响。而且，使用高电流和高电压对电池进行充电。因此，建立电源与车辆中的电池之间的物理连接可能涉及繁琐的安全措施。而且，与非接触式电力传输系统相比，这种电力传输系统可能变得更大和更重。
在非接触式电力传输系统中，充电装置用于将从电源接收到的输入电力转换为可传输电力，该可传输电力被传送以对接收器装置(诸如，电动车辆)中的一个或多个电池进行充电。然而，如果异物(诸如，金属币或金属罐)存在于充电装置与接收器装置之间的电力传送路径中，则所传送的电力可能被异物接收。因此，异物可能基本上被加热并且影响充电装置中的部件。而且，由于异物的功率消耗，在系统中存在额外的功率损失，这进而影响电力传输系统的效率。
因而，需要一种用于检测无线电力传输系统中的异物的改进系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，公开了一种用于检测无线电力传输系统中的异物的装置。该装置包括注入单元，该注入单元被配置为接收直流(DC)功率信号并且基于所接收的DC功率信号生成具有第一频率的第一交流(AC)功率信号。而且，该装置包括线圈阵列，该线圈阵列可操作地耦接至注入单元并且被配置为接收具有第一频率的第一AC功率信号并且生成处于第一频率的第一电磁场。进一步，该装置包括检测单元，该检测单元可操作地耦接至线圈阵列并且被配置为：测量由注入单元接收到的DC功率信号和由注入单元生成的第一AC功率信号中的至少一个的参数，并且基于跨线圈阵列中的至少一个线圈的DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化来检测第一电磁场内的异物。
根据本发明的另一实施方式，公开了一种用于检测无线电力传输系统中的异物的方法。该方法包括由注入单元接收直流(DC)功率信号。而且，该方法包括由注入单元基于DC功率信号生成具有第一频率的第一AC功率信号。进一步，该方法包括由可操作地耦接至注入单元的线圈阵列来生成处于第一频率的第一电磁场。此外，该方法包括由检测单元测量由注入单元接收到的DC功率信号和由注入单元生成的第一AC功率信号中的至少一个的参数。此外，该方法包括由检测单元基于跨线圈阵列中的至少一个线圈的DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化来检测无线电力传输系统的第一电磁场内的异物。
根据本发明的又一实施方式，公开了一种无线电力传输系统。该无线电力传输系统包括异物检测子系统，该异物检测子系统包括注入单元，注入单元被配置为接收直流(DC)功率信号并且基于所接收的DC功率信号生成具有第一频率的第一交流(AC)功率信号。而且，异物检测子系统包括线圈阵列，该线圈阵列可操作地耦接至注入单元并且被配置为接收具有第一频率的第一AC功率信号并且生成处于第一频率的第一电磁场。此外，异物检测子系统包括检测单元，该检测单元可操作地耦接至线圈阵列并且被配置为：测量由注入单元接收到的DC功率信号和由注入单元生成的第一AC功率信号中的至少一个的参数，并且基于跨线圈阵列中的至少一个线圈的DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化来检测无线电力传输系统的第一电磁场内的异物。此外，无线电力传输系统包括电力传送子系统，该电力传送子系统包括被配置为生成具有第二频率的第二AC功率信号的电力驱动单元，其中，第二AC功率信号的功率大于第一AC功率信号的功率。而且，无线电力传输系统包括初级线圈，该初级线圈可操作地耦接至电力驱动单元并且被配置为将具有第二频率的第二AC功率信号传送至电力接收子系统，其中，初级线圈生成处于第二频率的第二电磁场。此外，无线电力传输系统包括控制单元，该控制单元可操作地耦接至电力驱动单元并且被配置为如果检测到异物则将终止信号发送至电力驱动单元以便停止第二AC功率信号的传送。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在描述中，相同的字符贯穿附图表示相同的部分，其中：
图1是根据本发明的各方面的用于对车辆充电的无线电力传输系统的示意性表示；
图2是根据本发明的各方面的无线电力传输系统的框图；
图3是根据本发明的各方面的异物检测(FOD)子系统的框图；
图4至图6示出根据本发明的各方面的线圈与注入单元之间的电耦接的示意性表示；
图7是根据本发明的各方面的线圈通过开关耦接至注入单元的示意性表示；
图8至图9示出根据本发明的各方面的用于检测异物而测量的参数的图形表示；
图10至图11是根据本发明的各方面的FOD子系统所采用的柔性垫的示意性表示；
图12是根据本发明的各方面的柔性垫的截面图；
图13至图14是根据本发明的各方面的定位在在电力传送子系统上的柔性垫的示意性表示；以及
图15至图18示出根据本发明的各方面的FOD子系统的线圈的不同布置的示意性表示。
具体实施方式
如下文将详细描述，公开了用于检测无线电力传输系统中的异物的装置和方法的实施方式。具体地，该装置和方法的实施方式公开了使用低功率信号并且在不影响无线电力传输系统中的电力传输的情况下检测异物。而且，该装置和方法确保无线电力传输系统符合汽车工程师协会(SAE)标准。而且，以良好的检测灵敏度检测异物。
除非另有定义，否则本文中使用的技术和科学术语具有与由本说明书所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。如本文中所使用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一元件区分开。在本文中使用的“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”及其变体意味着涵盖在后文中列出的项目及其等同物以及额外项目。术语“连接”和“耦接”不限于物理或机械连接或耦接，并且可以包括电连接或电耦接，无论是直接的还是间接。此外，术语“电路(circuit)”和“电路系统(circuitry)”以及“控制单元”可以包括单个部件或多个部件，这些部件或者是有源和/或无源并且连接或以其他方式耦接在一起以提供所描述的功能。此外，如本文中所使用的术语可操作地耦接包括有线耦接、无线耦接、电耦接、磁耦接、无线电通信、基于软件的通信、或其组合。
图1是根据本发明的各方面的用于对车辆106充电的无线电力传输系统100的示意性表示。车辆106可以是电动车辆或混合动力车辆。无线电力传输(WPT)系统100用于将电力从电源102传送至车辆106的一个或多个电负载104。一个或多个电负载104可以包括电池。在一个实施方式中，无线电力传输系统100还可以指非接触式电力传输系统。
无线电力传输(WPT)系统100包括电力传送子系统108和电力接收子系统110。电力传送子系统108被配置为磁性地或无线地耦接至电力接收子系统110，以将电力从电源102传送至电力接收子系统110。在一个实施方式中，电功率可以在从约100W至约22kW的范围中。在一个实例中，电力可以以从约80kHz至约90kHz的范围内的频率传送以符合SAE标准。在一个实施方式中，电力传送子系统108可以是充电站的一部分。可以注意到，电力传送子系统108可以被定位在地面118下方(如图1中所描绘)或定位在地面118上方。
此外，电力接收子系统110被配置为从电力传送子系统108接收电力并且将所接收的电力供应至一个或多个电负载104。在一个实施方式中，电力接收子系统110可以被定位在电动和/或混合动力车辆106内。可以注意到，电力传送子系统108可以指无线充电装置，并且电力接收子系统110可以指无线接收器装置。
如果异物112(诸如，金属币或金属罐)存在于电力传送子系统108与电力接收子系统110之间的电力传送路径114中，则所传送的电力可能由异物112接收或消耗。此外，如果异物112在电力传送路径114中仍然未检测到，则异物112可能基本上被加热并且可以影响电力传送子系统108中的部件。而且，随着异物112被加热，系统中的温度可能升高到80摄氏度以上，该温度超过根据SAE标准而指定的限制。在某些实施方式中，诸如硬币或罐之类的异物112的存在可能不会明显地影响由电力传送子系统108传送的电力。因此，将难以基于由电力传送子系统108传送的电力来检测异物112。
为了克服以上问题/缺点，示例性的无线电力传输系统100包括异物检测(FOD)子系统116，该异物检测子系统116被配置为检测无线电力传输系统100内的异物112。异物112可以指拦截或改变无线电力传输系统100的电磁场的电流传导物体或可透磁物体。在一个实例中，异物112包括金属硬币、金属罐、金属钉、箔、金属板和铁氧体。
在一个实施方式中，FOD子系统116可以是放置在电力传送子系统108上的柔性垫。在一个实例中，柔性垫116可以包括导热且电绝缘的材料，该材料有助于符合与电力传送子系统108在地面118上的位置相对应的形状。进一步，FOD子系统116包括线圈阵列120、注入单元122和检测单元124。注入单元122可操作地耦接至线圈阵列120和检测单元124。进一步，第一收发器126可操作地耦接至检测单元124。
注入单元122被配置为接收直流(DC)功率信号并且基于接收到的DC功率信号生成具有第一频率的第一交流(AC)功率信号。在一个实施方式中，注入单元122可以包括内部电源(诸如，提供DC功率信号的电池)。在另一实施方式中，注入单元122可以从外部电源102接收DC功率信号。DC功率信号可以表示处于从约5V至约20V的范围中的电功率。
进一步，注入单元122包括一个或多个转换器，该一个或多个转换器被配置为以确定的切换频率操作，从而将DC功率信号转换为具有第一频率的第一AC功率信号。在一个实例中，第一频率可以在从约150kHz至约10MHz的范围中。在另一实例中，第一频率可以在从约10kHz至约75kHz的范围中。而且，第一AC功率信号处于从约5V至约20V的范围中。在一个实施方式中，注入单元122可以包括桥接电路和局部控制器，该局部控制器将控制脉冲提供至桥接电路，以将DC功率信号转换为具有第一频率的第一AC功率信号。在另一实施方式中，注入单元122可以包括数字电路或处理器，该数字电路或处理器基于预存储的指令或程序执行一个或多个功能以将DC功率信号转换为具有第一频率的第一AC功率信号。注入单元122进一步被配置为将具有第一频率的第一AC功率信号传送至线圈阵列120。
此外，线圈阵列120被配置为接收具有第一频率的第一AC功率信号并且生成处于第一频率的第一电磁场。具体地，线圈阵列120可以被调谐以第一频率激励，从而生成处于第一频率的第一电磁场。可以注意到，线圈阵列120可以同时或按顺序地激活以生成第一电磁场。而且，线圈阵列120可以以一个或多个预定图案布置，以提高对异物112的检测的灵敏度。可以注意到，线圈阵列120中的每个线圈可以是紧凑的并且被缠绕在细规格导线内。
此外，检测单元124被配置为测量由注入单元122接收到的DC功率信号的参数和由注入单元122生成的第一AC功率信号的参数。在一个实例中，DC功率信号的参数可以是DC功率信号的功率、电流或电压。在另一实例中，AC功率信号的参数可以是第一AC功率信号的功率、电流、电压、或电流与电压之间的相位角。在一个实施方式中，如果电力传送子系统108正在以85kHz传送电力，则FOD子系统116中的线圈阵列120可以以500kHz传送电力以避免干扰由电力传送子系统108传送的电力。而且，第一AC功率信号的功率小于由电力传送子系统108传送的功率。在一个实例中，10W的功率足以使FOD子系统116检测或扫描异物112。
进一步，检测单元124被配置为基于跨线圈阵列120中的至少一个线圈的DC功率信号和/或第一AC功率信号的参数的变化来检测异物112。在一个实施方式中，线圈阵列120可以生成与第一AC功率信号相对应的第一电磁场。如果异物112存在于第一电磁场内，则线圈阵列120消耗第一AC功率信号的更多功率。因此，参数(诸如，第一AC功率信号的功率和DC功率信号的功率)从预定值或基线值变化。该预定值可以指在第一电磁场内不存在异物112的情况下确定的参数的值。
检测单元124检测第一AC功率信号的功率的变化或DC功率信号的功率的变化。进一步，如果第一AC功率信号的功率的变化或DC功率信号的功率的变化大于阈值，则检测单元124检测到电力传送子系统108与电力接收子系统110之间存在异物112。在一个实例中，如果第一AC功率信号的功率比预定值大5％，则检测单元124检测到存在异物112。可以注意到，检测单元124还可以用于检测诸如电流、电压的其他参数，而不限于DC功率信号和/或第一AC功率信号的功率。参考图2来更详细地解释检测异物112的各方面。此外，在检测到异物112时，检测单元124经由第一收发器126将控制信号传送至电力传送子系统108，以停止从电力传送子系统108向电力接收子系统110传送的电力。在一个实施方式中，可以使用检测单元124与电力传送子系统108之间的有线连接来传送控制信号。通过停止从电力传送子系统108传送的电力，可以避免异物112过热，从而防止对系统100中的部件的任何不利影响。而且，异物的电力消耗显著降低，这进而降低了电力损耗并且提高了系统100的效率。将参考图2更详细地解释检测异物112的各方面。
参考图2，示出了根据本发明的各方面的无线电力传输(WPT)系统100的框图。无线电力传输系统100包括电力传送子系统108、电力接收子系统110和异物检测(FOD)子系统116。
在所示出的实施方式中，电力传送子系统108包括电力驱动单元202、控制单元204、初级线圈206和耦接至控制单元204的第二收发器208。电力驱动单元202电耦接至电源102和控制单元204。电源102被配置为将直流(DC)功率信号供应至电力驱动单元202。在一些实施方式中，DC功率信号的功率可以在从约100W到约22kW的范围内。在一个实施方式中，电源102可以是无线电力传输系统100的一部分。在另一实施方式中，电源102可以被定位在无线电力传输系统100的外部。
电力驱动单元202被配置为从电源102接收直流(DC)功率信号。进一步，电力驱动单元202被配置为以确定的切换频率操作从而将直流(DC)功率信号转换为具有第二频率的第二交流(AC)功率信号。具体地，控制单元204可以基于电负载104确定电力驱动单元202的切换频率。在一个实施方式中，控制单元204可以包括数字电路或处理器，该数字电路或处理器基于预存储的指令或程序执行一个或多个功能。在一个实例中，第二AC功率信号表示在从约100W至约22kW的范围中的功率。而且，根据SAE标准，第二频率可以在从约80kHz至约90kHz的范围中。电力驱动单元202进一步被配置为将具有第二频率的第二AC功率信号传送至初级线圈206。此外，初级线圈206用于将具有第二频率的第二AC功率信号从电力驱动单元202无线地传送至电力接收子系统110。
进一步，电力接收子系统110包括次级线圈210、整流器212和负载104。次级线圈210磁耦接至初级线圈206并且被配置为从初级线圈206接收具有第二频率的第二AC功率信号。更具体地，当初级线圈206接收具有第二频率的第二AC功率信号时，初级线圈206生成处于第二频率的第二电磁场。第二电磁场被电力接收子系统110中的次级线圈210拦截。因此，与第二AC功率信号相对应的电压在次级线圈210中被感应并且由电力接收子系统110中的整流器212接收。整流器212被配置为将具有第二频率的第二AC功率信号转换为具有DC电压的输出电力。进一步，整流器212被配置为将具有DC电压的输出电力传送至电负载104。在一个实例中，输出电力可以用于对电负载104进行充电，该电负载104包括定位在车辆106中的一个或多个电池。
在无线电力传输系统100的操作期间，电力驱动单元202驱动初级线圈206以将具有第二频率的第二AC功率信号传送至电力接收子系统110。具体地，初级线圈206生成与第二频率的第二AC功率信号相对应的第二电磁场。在初级线圈206传送具有第二频率的第二AC功率信号的同时，FOD子系统116的注入单元122接收DC功率信号并且将DC功率信号转换为具有第一频率的第一AC功率信号。可以从内部源(诸如，电池)或从外部源(诸如，电源102)接收DC功率信号。进一步，注入单元122驱动线圈阵列120以生成与第一AC功率信号相对应的第一电磁场。具体地，线圈阵列120中的每个生成与具有第一频率的第一AC功率信号相对应的第一电磁场。在另一实施方式中，仅线圈阵列120的子集生成与具有第一频率的第一AC功率信号相对应的第一电磁场。
检测单元124在第一电磁场生成时测量由注入单元122接收到的DC功率信号的参数和/或由注入单元122生成的第一AC功率信号的参数。在一个实例中，DC功率信号的参数包括DC功率信号的电流、电压或功率。在另一实例中，第一AC功率信号的参数包括第一AC功率信号的电流、电压、功率、或电压与电流之间的相位角。
图3是根据本发明的各方面的异物检测(FOD)子系统116的框图。检测单元124包括感应子单元302、处理器304、存储器306和通信子单元308。感测子单元302包括耦接至注入单元122的输入终端的一个或多个第一传感器310，以测量由注入单元122接收到的DC功率信号的参数。以类似的方式，感测子单元302包括耦接至注入单元122的输出终端的一个或多个第二传感器312，以测量由注入单元122生成的第一AC功率信号的参数。
进一步，处理器304耦接至感应子单元302，以接收从第一传感器310和第二传感器312所测量的参数。而且，处理器304被配置为将所测量的参数与预定值进行比较，以确定DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化。该预定值可以指在第一电磁场内不存在异物112的情况下(图1所示)所确定的参数的值。在一个实例中，处理器304可以将第一AC功率信号的功率与预定功率值进行比较。在另一实例中，处理器304可以将DC功率信号的电流与对应的预定电流值进行比较。
此后，处理器304基于跨线圈阵列120中的至少一个线圈的DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化来检测异物112。具体地，如果DC功率信号和第一AC功率信号中的至少一个的参数的变化大于阈值，则检测单元124检测到异物112。例如，如果第一AC功率信号的功率比预定功率值大5％，则检测单元124检测到第一电磁场内存在异物112。类似地，如果DC功率信号的电流比预定电流值大5％，则检测单元124检测到第一电磁场内存在异物112。
处理器304在检测到异物112时生成控制信号以指示异物112的存在。而且，处理器304将控制信号传送至通信子单元308，该通信子单元308进而经由第一收发器126(在图2中示出)将控制信号传送至电力传送子系统108。
再次参考图2，电力传送子系统108的控制单元204经由第二收发器208接收控制信号，该第二收发器208通信地耦接至第一收发器126。进一步，控制单元204停止从初级线圈206传送第二AC功率信号。在一个实例中，控制单元204可以停止将脉冲宽度调制信号或切换脉冲传送至电力驱动单元202，这进而防止电力驱动单元202传送第二AC功率信号。在另一实例中，控制单元204可以关闭电源102以完全停用电力传送子系统108。在又一实例中，初级线圈206可以包括线圈阵列，并且控制单元204可以替代性地激活线圈阵列的子集，使得在异物112附近的线圈的阵列不被激励。
由此，通过采用示例性的FOD子系统116，检测位于电力传送子系统108与电力接收子系统110之间的异物112。
参考图4，描绘在根据本发明的实施方式的FOD子系统400中采用的线圈阵列402和注入单元404的示意性表示。线圈阵列402类似于图1的线圈阵列120。类似地，注入单元404类似于图1的注入单元122。在所示出的实施方式中，线圈阵列402中的每个线圈设置有专用的注入电路以驱动对应线圈生成第一电磁场。具体地，注入单元404包括第一注入器406、第二注入器408、第三注入器410和第四注入器412。可以注意到，注入单元404可以包括任何数量的注入器，并且不限于图4所示的注入器的数量。进一步，线圈阵列402的每个线圈单独地耦接至注入单元404的对应注入器。例如，第一线圈414耦接至第一注入器406，第二线圈416耦接至第二注入器408，第三线圈418耦接至第三注入器410，以及第四线圈420耦接至第四注入器412。进一步，注入器406、408、410、412中的每个可以独立地驱动线圈阵列402的对应线圈以生成第一电磁场。注入器406-412可以以连续注入模式或间歇模式操作。在连续注入模式中，线圈402由注入器406-412连续地驱动，从而导致高功率消耗，这进而有助于快速检测异物。在间歇注入模式中，线圈402由注入器406-412间歇地驱动，从而导致低功率消耗，这进而有助于缓慢检测异物。
图5是根据本发明的另一实施方式的在FOD子系统500中采用的线圈阵列502和注入单元504的示意性表示。线圈阵列502类似于图1的线圈阵列120。类似地，注入单元504类似于图1的注入单元122。在此实施方式中，线圈阵列502包括第一组线圈506和第二组线圈508。第一组线圈506彼此并联耦接并且电耦接至注入单元504的第一注入器510。而且，第一注入器510同时驱动第一组线圈506以生成第一电磁场。类似地，第二组线圈508彼此并联耦接并且电耦接至注入单元504的第二注入器512。而且，第二注入器512同时驱动第二组线圈508以生成第一电磁场。可以注意到，线圈阵列502可以包括任何数量的线圈组，并且不限于如图5所示的第一组线圈506和第二组线圈508。
图6是根据本发明的又一实施方式的在FOD子系统600中采用的线圈阵列602和注入单元608的示意性表示。线圈阵列602类似于图1的线圈阵列120。类似地，注入单元608类似于图1的注入单元122。在该实施方式中，线圈阵列602包括第一组线圈604和第二组线圈606。第一组线圈604彼此串联耦接并且电耦接至注入单元608的第一注入器610。而且，第一注入器610驱动第一组线圈604以生成第一电磁场。类似地，第二组线圈606彼此串联耦接并且电耦接至注入单元608的第二注入器612。而且，第二注入器612驱动第二组线圈606以生成第一电磁场。在一个实施方式中，第一组线圈604和第二组线圈606可以由相应的注入器610、612按顺序或同时地驱动。可以注意到，线圈阵列602可以包括任何数量的线圈组，并且不限于如图6所示的第一组线圈604和第二组线圈606。
参考图7，描绘了根据本发明的一个实施方式的在FOD子系统700中采用的线圈阵列702和注入单元704的示意性表示。线圈阵列702类似于图1的线圈阵列120。类似地，注入单元704类似于图1的注入单元122。进一步，检测单元708类似于图1的检测单元124。FOD子系统700包括耦接至注入单元704和线圈阵列702的一个或多个开关706。而且，开关706中的每个耦接至注入单元704和线圈阵列702中的对应线圈。进一步，检测单元708电耦接至这些开关706并且被配置为激活开关706中的每一个以将第一AC功率信号从注入单元704传送至线圈阵列702中的对应线圈。
而且，检测单元708被配置为通过激活多个开关706中的对应开关来选择并且驱动线圈阵列702中的一个或多个线圈，以用于传送第一AC功率信号。一个或多个线圈702被选择并且驱动以同时生成与第一AC功率信号相对应的第一电磁场。具体地，检测单元708的处理器304(图3中所示)传送切换脉冲以激活或停用开关706。如果开关710被激活，则对应线圈712电耦接至注入单元704以接收第一AC功率信号。如果开关710被停用，则对应线圈712与注入单元704电解耦。
进一步，检测单元708可以以预定顺序激活开关706以使线圈702之间的相互干扰最小化。例如，如表格714中所描绘，检测单元708可以在第一时间段内激活与编号为1、5、9的线圈相对应的开关706。进一步，检测单元708可以在第二时间段内激活与编号为2、6、10的线圈相对应的开关706。而且，检测单元708可以在第三时间段内激活与编号为3、7、11的线圈相对应的开关706。类似地，检测单元708可以在第四时间段内激活与编号为4、8、12的线圈相对应的开关706。进一步，检测单元708可以重复激活开关706的这种顺序以用于检测异物。可以注意到，检测单元708可以使用任何预定义的顺序以激活开关706并且在线圈之间循环地切换以检测或扫描异物。在一个实例中，以预定义的顺序激活开关706，从而以循环方式选择并驱动线圈阵列的对应线圈。
图8是根据本发明的各方面的在异物不存在的情况下由检测单元测量到的参数的图形表示800。考虑沿x轴线801的时间和沿y轴线803的幅度绘制参数。曲线802表示由注入单元接收的DC功率信号的电流的变化。曲线804表示由注入单元传送的第一AC功率信号的电流的变化。类似地，曲线806表示由注入单元传送的第一AC功率信号的功率的变化。
图9是根据本发明的各方面的在异物存在的情况下由检测单元测量到的参数的图形表示900。考虑沿x轴线901的时间和沿y轴线903的幅度绘制参数。曲线902表示由注入单元接收的DC功率信号的电流的变化。曲线904表示由注入单元传送的第一AC功率信号的电流的变化。类似地，曲线906表示由注入单元传送的第一AC功率信号的功率的变化。显然，当异物存在于系统内时，诸如电流和功率的参数改变。由检测单元监测参数的这种变化以检测异物。
图10和图11示出根据本发明的一个实施方式的具有垫1000的FOD子系统116的示意性表示。在一个实施方式中，垫1000可以是可拆卸地耦接至电力传送子系统的独立结构(图1中示出)。在一个实例中，垫1000可以用作具有无线电力传输系统的即插即用结构。垫1000可以包括柔性材料、硬质材料或其组合。为了便于理解，垫1000是指柔性垫。柔性垫1000包括导热且电绝缘(TCEI)材料，该导热且电绝缘材料形成用于线圈阵列1004和电子器件(诸如，注入单元和检测单元)的外壳1002。在一个实施方式中，导热且电绝缘(TCEI)材料可以包括具有耐磨填料的弹性体或热塑性塑料。在一个实施方式中，弹性体可以是硅橡胶。填料可以是TCEI填料(诸如，氧化铝、氮化铝、氧化铍、氮化硼、氧化石墨烯、碳化硅和氮化硅)。类似地，热塑性塑料可以是聚烯烃、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚酯。此外，外壳1002可以与线圈阵列1004一起折叠。在一个实施方式中，垫1000可以与任何类型的标准SAE发射器系统整合。在一个实施方式中，柔性垫1000可以具有在从约0.5m至约2.2m的范围中的长度、在从约0.5m至约2.2m的范围中的宽度。而且，柔性垫1000可以具有在从约1mm至约20mm的范围中的厚度。在一个实施方式中，柔性垫1000可以是整体结构。在另一实施方式中，如图11所示，柔性垫1000可以通过整合更小的垫结构1006来形成。这种垫结构1006可以具有预定义的设计(诸如，拼图设计)以有助于彼此整合。由于使用更小的垫结构，柔性垫1000的尺寸可以变化成任何期望的尺寸。可以注意到，这些线圈1004中的每一个可以是紧凑的并且被缠绕在细规格导线内。线圈1004还可以印刷在柔性或常规的印刷电路板上。而且，由于线圈1004的功率消耗低，因此与电力传送子系统的大的初级线圈相比，线圈1004检测到所传送的电力的任何变化。
图12是根据本发明的实施方式的FOD子系统的柔性垫1000的截面图。附图标记1002表示柔性垫1000的外壳。附图标记1004表示印刷在PCB板1008上的线圈阵列。在一个实施方式中，在不使用PCB板1008的情况下，线圈阵列1004可以包括朝向外壳1002的顶表面放置的缠绕线圈。附图标记1010表示诸如注入单元和检测单元的电子器件，该电子器件被定位在第一电磁场和第二电磁场最小的位置处。
图13至图14是根据本发明的实施方式的定位在电力传送子系统108上的柔性垫1000的示意性表示。参考图13，电力传送子系统108定位在地面118上方。而且，柔性垫1000符合电力传送子系统108的形状，以覆盖电力传送子系统108的整个表面区域和邻近于该电力传送子系统108的地面118的部分。参考图14，电力传送子系统108定位在地面118下方。而且，柔性垫1000被放置在地面118上，以覆盖在电力传送子系统108上方的地面118的至少部分。
图15至图18示出根据本发明的实施方式的FOD子系统116的线圈阵列120的布置的不同示意性表示。在图15的实施方式中，线圈120以正方形图案布置。进一步，线圈120可以并联或串联地耦接至注入单元122(如图1所示)。在一个实施方式中，可以布置线圈120以形成线圈120的子集1502，其中每个子集1502具有预定数量的线圈120。在一个实例中，四个邻近线圈1504彼此并联或串联耦接以形成线圈120的一个子集1502。在图16的实施方式中，线圈120以六边形图案布置以使线圈120之间的间隙或空白空间1602减小或最小化，这进而提高对异物检测的灵敏度。进一步，线圈120可以并联或串联地耦接至注入单元。可以注意的是，线圈120可以以任何期望的图案布置，并且不限于图15和图16所示的图案。而且，在一个实施方式中，线圈120可以形成在PCB板上。此外，线圈120可以是任何形状(诸如，圆形、矩形、三角形、螺旋形和椭圆形)。可以注意到，线圈可以具有任何期望的形状和尺寸，并且不限于图15和图16中所示的形状和尺寸。
此外，在图17的实施方式中，线圈120以双层布置(诸如，第一层1702和第二层1704)。而且，每层1702、1704可以包括以一个或多个图案(诸如，正方形图案或六边形图案)布置的线圈120。在图17的实施方式中，线圈120以正方形图案布置。进一步，第一层1702和第二层1704彼此移位，使得第二层1704中的线圈120定位在第一层1702中的线圈120之间的间隙之下。线圈的层1702、1704的这种移位布置使得线圈120之间的间隙能够最小化，该移位布置进而提高对异物检测的灵敏度。除了线圈120的三个层1802、1804、1806被示出为彼此移位，图18的实施方式类似于图17的实施方式，以进一步提高对异物检测的灵敏度。
上文所描述的方法和系统有助于检测无线电力传输系统中的一个或多个异物。而且，使用低功率信号并且在不影响无线电力传输系统中的主要电力传输的情况下来检测异物。此外，上文所描述的方法和系统确保无线电力传输系统符合汽车工程师协会(SAE)标准。进一步，线圈可以印刷在PCB板上，这使得FOD系统的简单且低成本的实现成为可能。
虽然本文仅示出和描述了本公开的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落在本公开的真实精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (25)

1.一种用于检测无线电力传输系统(100)中的异物(112)的装置，所述装置包括：
注入单元(122)，被配置为接收直流(DC)功率信号并且基于所接收的DC功率信号生成具有第一频率的第一交流(AC)功率信号；
线圈阵列(120)，可操作地耦接至所述注入单元(122)并且被配置为接收具有所述第一频率的第一AC功率信号并且生成处于所述第一频率的第一电磁场；以及
检测单元(124)，可操作地耦接至所述线圈阵列(120)并且被配置为：
测量由所述注入单元(122)接收到的所述DC功率信号和由所述注入单元(122)生成的所述第一AC功率信号中的至少一个的参数；并且
基于跨所述线圈阵列(120)中的至少一个线圈的所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化来检测所述第一电磁场内的所述异物(112)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述DC功率信号的所述参数包括所述DC功率信号的电流、电压和功率中的至少一项，并且其中，所述第一AC功率信号的所述参数包括所述第一AC功率信号的电流、电压、功率以及所述电压与所述电流之间的相位角中的至少一项。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测单元(124)包括感测子单元(302)，所述感测子单元电耦接至所述注入单元(122)并且被配置为测量所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述检测单元(124)进一步包括处理器(304)，所述处理器电耦接至所述感测子单元(302)并且被配置为：
将所测量的所述参数与预定值进行比较，以确定所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化；
如果所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化大于阈值，则检测到所述异物(112)；并且
如果检测到所述异物(112)，则生成控制信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述检测单元(124)进一步包括通信子单元(308)，所述通信子单元可操作地耦接至所述处理器(304)并且被配置为将所生成的所述控制信号传送至所述无线电力传输系统(100)的电力传送子系统(108)，以停止具有第二频率的第二AC功率信号至电力接收子系统(110)的传送，并且其中，所述第二AC功率信号的功率大于所述第一AC功率信号的功率。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述线圈阵列(120)定位在与由所述电力传送子系统(108)生成的所述第二AC功率信号相对应的第二电磁场内。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线圈阵列(120)中的线圈被布置以形成正方形图案、六边形图案、一个或多个分层结构中的至少一种，并且其中，所述线圈以串联、并联、或串联和并联的组合的方式彼此耦接。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线圈阵列(120)中的每一个线圈单独地耦接至所述注入单元(122)。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括多个开关(706)，其中，所述开关(706)中的每一个耦接至所述注入单元(122)和所述线圈阵列(120)中的对应线圈。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述检测单元(124)电耦接至多个所述开关(706)并且被配置为激活所述开关(706)中的每一个，以将所述第一AC功率信号从所述注入单元(122)传送至所述线圈阵列(120)中的所述对应线圈。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述检测单元(124)被配置为通过激活多个所述开关(706)中的对应开关来选择并驱动所述线圈阵列(120、702)中的一个或多个线圈以用于传送所述第一AC功率信号，并且其中，所述一个或多个线圈被选择以同时生成与所述第一AC功率信号相对应的所述第一电磁场。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述检测单元(124)被配置为以预定义的顺序激活所述开关(706)中的每一个，从而以循环方式选择并驱动所述线圈阵列(120、702)中的对应线圈。
13.一种用于检测无线电力传输系统(100)中的异物(112)的方法，所述方法包括：
由注入单元(122)接收直流(DC)功率信号；
由所述注入单元(122)基于DC功率信号生成具有第一频率的第一AC功率信号；
由可操作地耦接至所述注入单元(122)的线圈阵列(120)生成处于所述第一频率的第一电磁场；并且
由检测单元(124)测量由所述注入单元(122)接收到的所述DC功率信号和由所述注入单元(122)生成的所述第一AC功率信号中的至少一个的参数；并且
由所述检测单元(124)基于跨所述线圈阵列(120)中的至少一个线圈的所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化来检测所述无线电力传输系统(100)的所述第一电磁场内的所述异物(112)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述DC功率信号的所述参数包括第一功率信号的电流、电压和功率中的至少一项，并且其中，所述第一AC功率信号的所述参数包括所述第一AC功率信号的电流、电压、功率以及所述电压与所述电流之间的相位角中的至少一项。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，检测所述异物(112)包括：
由所述检测单元(124)的感测子单元(302)测量所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数；
由所述检测单元(124)的处理器(304)将所测量的参数与预定值进行比较，以确定所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化；
如果所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化大于阈值，则由所述处理器(304)检测到所述异物(112)；以及
如果检测到所述异物(112)，则生成控制信号。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：由所述检测单元(124)的通信子单元(308)将所生成的控制信号从处理器(304)传送至所述无线电力传输系统(100)的电力传送子系统(108)，以停止具有第二频率的第二AC功率信号至电力接收子系统(110)的传送，并且其中，所述第二AC功率信号的功率大于所述第一AC功率信号的功率。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：由多个开关(706)将所述第一AC功率信号从所述注入单元(122)传送至所述线圈阵列(120)中的对应线圈。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：由所述检测单元(124)通过激活多个所述开关(706)中的对应开关来选择并驱动所述线圈阵列(120)中的一个或多个线圈，以用于传送所述第一AC功率信号，并且其中，所述一个或多个线圈被选择以同时传送所述第一AC功率信号。
19.一种无线电力传输系统(100)，包括：
异物(112)检测子系统，包括：
注入单元(122)，被配置为接收直流(DC)功率信号并且基于所接收的DC功率信号生成具有第一频率的第一交流(AC)功率信号；以及
线圈阵列(120)，可操作地耦接至所述注入单元(122)并且被配置为接收具有所述第一频率的第一AC功率信号并且生成处于所述第一频率的第一电磁场；
检测单元(124)，可操作地耦接至所述线圈阵列(120)并且被配置为：
测量由所述注入单元(122)接收到的所述DC功率信号和由所述注入单元(122)生成的所述第一AC功率信号中的至少一个的参数；并且
基于跨所述线圈阵列(120)中的至少一个线圈的所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化来检测所述无线电力传输系统的所述第一电磁场内的异物(112)；以及
电力传送子系统(108)，包括：
电力驱动单元(202)，被配置为生成具有第二频率的第二AC功率信号，其中，所述第二AC功率信号的功率大于所述第一AC功率信号的功率；
初级线圈(206)，可操作地耦接至所述电力驱动单元(202)并且被配置为将具有所述第二频率的所述第二AC功率信号传送至电力接收子系统(110)，其中，所述初级线圈(206)生成处于所述第二频率的第二电磁场；以及
控制单元(204)，可操作地耦接至所述电力驱动单元(202)，并且被配置为：如果检测到所述异物(112)则将终止信号发送至所述电力驱动单元(202)以停止所述第二AC功率信号的传送。
20.根据权利要求19所述的无线电力传输系统(100)，其中，所述检测单元(124)包括感测子单元(302)，所述感测子单元电耦接至所述注入单元(122)并且被配置为测量所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数。
21.根据权利要求20所述的无线电力传输系统(100)，其中，所述检测单元(124)还包括处理器(304)，所述处理器电耦接至所述感测子单元(302)并且被配置为：
将所测量的所述参数与预定值(基线值)进行比较，以确定所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化；
如果所述DC功率信号和所述第一AC功率信号中的至少一个的所述参数的变化大于阈值，则检测到所述异物(112)；并且
如果检测到所述异物(112)，则生成控制信号。
22.根据权利要求21所述的无线电力传输系统(100)，其中，所述处理器(304)进一步被配置为：如果检测到所述异物(112)则将所述控制信号传送至所述控制单元，以停止具有所述第二频率的所述第二AC功率信号的传送。
23.根据权利要求19所述的无线电力传输系统(100)，其中，所述异物(112)检测子系统包括垫(1000)，所述垫(1000)基本围住至少所述注入单元(122)和所述线圈阵列(120)，并且其中，所述垫(1000)可拆卸地耦接至所述电力传送子系统。
24.根据权利要求23所述的无线电力传输系统(100)，其中，所述垫(1000)包括导热且电绝缘的材料，并且其中，所述垫包括柔性材料和硬质材料中的至少一种。
25.根据权利要求23所述的无线电力传输系统(100)，其中，所述垫(1000)被配置为符合与所述电力传送子系统(108)的位置相对应的形状。
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