CN112042075A - 用于检测异物的装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测装置(100)包括具有多个检测线圈(106)和至少一对检测线圈组(106)的检测垫(102)，这对检测线圈组(106)包括第一检测线圈组(106)和第二检测线圈组(106)。所述第一检测线圈组(106)和第二检测线圈组(106)包括第一阻抗值和第二阻抗值。所述检测装置(100)包括一个或多个驱动子系统(112)和比较子系统(112)。所述驱动子系统(112)可操作地耦合到检测垫(102)，并被配置为激励至少一对检测线圈组(106)。所述比较子系统(114)可操作地耦合到检测垫(102)，并被配置为从这对检测线圈组(106)接收差分电流信号，所述比较子系统(114)被配置为基于差分电流信号生成控制信号。

Description

用于检测异物的装置、系统和方法
技术领域
本说明书的实施方式涉及一种检测装置，并且更具体地，本说明书的实施方式涉及一种用于在系统的操作环境中检测异物的检测装置。
背景技术
传统的无线电力传输(WPT)系统基于感应电力传输原理，将电能从一个装置无线传输到另一装置。通常，在WPT系统中，主电力装置(例如，发射器)将电力无线传输到称为接收器的从电力装置。发射器和接收器包括相应的线圈，这些线圈在WPT系统的操作过程中设置在操作附近。当电流通过发射器线圈时，生成的磁场在接收器线圈中感应出电动势，从而将电力从发射器无线传输到接收器。
在这样的WPT系统中，如果在无线电力传输期间在发射器和接收器线圈之间存在任何金属物体，例如，金属罐或铝箔，则金属物体可能由于涡流而被不期望地加热。这可能会导致安全隐患，例如，火灾安全隐患。此外，无线电力传输过程的效率可能会在无意中受到影响，或者整个过程可能会完全中断。
在WPT系统中有各种不同的方法来检测异物。这些包括通过初级线圈中电流频率的变化来检测异物的存在，基于从初级线圈吸取的电力的测量来检测初级线圈中电流和电压的不平衡差异等。此外，在一些检测方法中，在启动无线电力传输之后，在检测异物时可能会有一些延迟。在此期间，异物继续吸取电力，这导致电力浪费。
发明内容
在一个实施方式中，检测装置包括具有多个检测线圈和至少一对检测线圈组的检测垫，其中，这对检测线圈组包括第一检测线圈组和第二检测线圈组。第一检测线圈组包括第一阻抗值，并且第二检测线圈组包括第二阻抗值。此外，检测装置包括一个或多个驱动子系统和比较子系统。驱动子系统可操作地耦合到检测垫，并被配置为激励至少一对检测线圈组。比较子系统可操作地耦合到检测垫，并被配置为从至少一对检测线圈组接收差分电流信号，其中，比较子系统被配置为基于差分电流信号生成控制信号。
在另一实施方式中，检测系统包括检测装置和无线电力传输(WPT)系统。该检测装置包括具有多个检测线圈的检测垫和至少一对检测线圈组，其中，这对检测线圈组包括第一检测线圈组和第二检测线圈组。第一检测线圈组包括第一阻抗值，并且第二检测线圈组包括第二阻抗值。此外，检测装置包括一个或多个驱动子系统和比较子系统。驱动子系统可操作地耦合到检测垫，并被配置为激励至少一对检测线圈组。比较子系统可操作地耦合到检测垫，并被配置为从至少一对检测线圈组接收差分电流信号，其中，比较子系统被配置为基于差分电流信号生成控制信号。WPT系统包括被配置为以交流(AC)电压信号的形式供电的主电源。WPT系统还包括具有至少一个发射器线圈的发射器单元，其中，发射器单元被配置为从主电源接收AC电压信号。此外，发射器单元被配置为响应于接收到的AC电压信号生成主磁场，并且其中，检测垫可操作地耦合到发射器单元。WPT系统还包括接收器单元，该接收器单元包括至少一个接收器线圈，并被配置为接收由发射器单元生成的主磁场的至少一部分。此外，WPT系统包括控制单元，该控制单元可操作地耦合到检测装置，并且被配置为从检测装置接收控制信号，并且基于控制信号控制对发射器单元的供电。
在又一实施方式中，一种方法包括利用检测装置，该检测装置包括具有多个检测线圈的检测垫和至少一对检测线圈组，其中，这对检测线圈组包括第一检测线圈组和第二检测线圈组。第一检测线圈组包括第一阻抗值，并且第二检测线圈组包括第二阻抗值。该方法还包括激励至少一对检测线圈组，并从至少一对检测线圈组中确定差分电流信号。此外，该方法包括基于差分电流信号生成控制信号，并传输该控制信号。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好理解本发明实施方式的这些和其他特征和方面，在所有附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：
图1是根据本说明书的各方面的用于检测异物存在的示例检测装置的示意图；
图2A至图2B是根据本说明书的各方面的检测线圈组的示例对的图解表示；
图3A至图3B是根据本说明书的各方面的包括耦合到驱动子系统的一对检测线圈组的检测装置的部分的图解表示；
图3C至图3E是根据本说明书的各方面的具有耦合到几对检测线圈组的一个或多个驱动子系统的检测装置的部分的示意表示；
图4是根据本说明书的各方面的具有用于检测WPT系统的操作环境中异物的存在的检测装置的示例检测系统的图解表示；
图5是根据本说明书的各方面的检测装置的示例比较子系统的图解表示；
图6至图7是根据本说明书的各方面的用于检测WPT系统的操作环境中异物的存在的示例方法；以及
图8是根据本说明书的各方面的检测垫的剖视图。
具体实施方式
本说明书的实施方式涉及用于检测异物的检测装置、检测系统和方法。在某些实施方式中，检测装置可以用于检测无线电力传输(WPT)系统中的异物。如本文所使用的，术语“异物”是指导电的或具有可检测的磁导率的物体，这些物体不是系统的一部分，但无意中存在于系统的操作环境中。异物的非限制性示例可以包括含铁物体、锡罐或其他导电或含铁物体。在一个示例中，在WPT系统的操作环境中，一个罐或一串钥匙被认为是异物。
如本文所使用的，术语“主磁场”是指由发射器单元(例如，WPT系统的发射单元)感应的磁场。术语“操作环境”由系统中的主磁场定义，其中，发射器单元的主磁场可检测地存在，并且可检测地与异物相互作用。举例来说，存在于WPT系统的操作环境中的异物可能由于与主磁场的相互作用而经历温度升高。
如本文所使用的，术语“检测线圈组”是指单个检测线圈或两个或更多个线圈，其中，每个单独组的检测线圈彼此电耦合。此外，术语“一对检测线圈组”是指两个这样的检测线圈组。
一些电动车辆(EV)和混合动力车辆使用WPT系统通过无线电力传输或感应电力传输进行充电。WPT系统主要由两部分组成，即，作为充电站的一部分的发射器以及设置在电动车辆(EV)中的接收器。充电站的发射器单元感应耦合到EV的接收器单元。通常，当EV的接收器线圈被引入发射器线圈的操作环境中并且开始向发射器单元供电时，在发射器和接收器单元的线圈之间开始电力传输。
当由导电材料或含铁材料制成的异物无意中放置在WPT的操作环境中时，该异物可能与由发射器单元生成的磁场相互作用。因此，异物可能会无意中拦截磁场，并经由磁场从发射器单元吸取电力。因此，由异物吸取的电力导致电力浪费和异物的不希望的加热。如果没有及时处理，或者如果没有被注意到，异物的温度可能会升高到可能使异物无法安全处理的值，并且还可能导致安全风险。因此，希望检测异物的存在，以防止电力浪费并避免不安全环境的风险。
图1示出了具有检测垫102的检测装置100，检测垫102具有多个检测线圈106和至少一对(图1中未示出)检测线圈组106。至少一对检测线圈组106包括第一检测线圈组106和第二检测线圈组106，其中，第一检测线圈组106具有第一阻抗值，并且第二检测线圈组106具有第二阻抗值。检测装置100还包括一个或多个驱动子系统112，其可操作地耦合到检测垫102并被配置为激励至少一对检测线圈组106。此外，检测装置100包括比较子系统114，该比较子系统114可操作地耦合到检测垫102，并被配置为从至少一对检测线圈组106接收差分电流信号。比较子系统114被配置为基于差分电流信号生成控制信号。
在某些实施方式中，检测装置100被配置为检测无线电力传输(WPT)系统(图1中未示出)的操作环境中异物的存在。WPT系统的操作环境中异物的存在可能导致一个或多个检测线圈106的阻抗值的变化。检测线圈106的阻抗值的这种变化用于确定异物的存在。将参考图2A至图2B和图3A至图3B更详细地解释检测线圈组106。
此外，检测垫102可以包括几个几何位置，也称为“检测区”104。检测区104限定了检测垫102的离散区域，其中，每个检测区104包括一个或多个检测线圈组106。可以注意到，检测区104可以彼此不物理分离或绝缘，检测区104可以彼此电绝缘。此外，检测区104可以具有几何或非几何形状。
检测垫102可以是柔性垫、贴合垫、刚性垫或即插即用垫、独立垫或其组合。可以注意到，检测垫102的表面积可以大于或等于其上设置有检测垫102的发射器单元的表面积。检测垫102的基板可以由电绝缘材料制成。检测垫102还可以包括机械耐磨材料，以承受电动车辆在其上的运动。检测垫102可进一步设计用于室外应用，并设计为耐受温度、湿度，且可防水进入。
在一些实施方式中，为了用户的安全和美观，检测线圈106可以设置在检测垫102的基板上，或者可以嵌入检测垫102的基板中。在一些其他实施方式中，可以在检测垫102的基板上印刷、模制、编织或另外制造检测线圈106。
检测线圈106是电磁线圈。在图1所示的实施方式中，检测线圈106用于代表性目的，可以注意到，每个检测线圈106可以包括螺旋或其他线圈拓扑。此外，每个检测区104可以具有一个或多个检测线圈106。在某些实施方式中，检测线圈组106可以包括检测线圈106的各种线圈拓扑、形状和几何设置。检测线圈106的形状的非限制性示例可以包括螺旋线圈、盘旋线圈、非圆形线圈等。检测垫102上存在的不同检测线圈106或检测线圈组106可以具有相同或不同的阻抗值。
每对检测线圈组106包括设置在检测垫102上相同或不同几何位置的两组，以形成这对检测线圈组106。举例来说，该对中的两组可以设置在相同的检测区104，或者可以设置在两个不同的检测区104。在非限制性示例中，每个检测线圈组106可以包括同心线圈、相邻设置的线圈、并排设置的线圈。此外，一个或多个检测线圈组106可以设置在单个平面中或者两层或更多层中。一个检测线圈组106中的检测线圈106可以通过串联连接、并联连接或串联连接和并联连接的组合的方式连接。
在一些实施方式中，一对检测线圈组106包括同心线圈。在非限制性示例中，两个同心线圈中的一个的电感值不同于另一同心线圈的电感值。举例来说，虽然该对同心线圈中的一个同心线圈的电感值可以用L表示，但是该对同心线圈中的另一同心线圈的电感值可以用nL表示。
驱动子系统112包括一个或多个驱动单元和驱动控制器。驱动子系统112可操作地耦合到检测垫102，并被配置为激励一对或多对检测线圈组106。驱动子系统112可以被配置为间歇地或周期性地激励检测装置100的确定的检测线圈组106，其中，确定的检测线圈组形成一对或多对检测线圈组106。驱动子系统112可以被配置为激励属于相同或不同检测区104的成对的检测线圈组106。在某些实施方式中，驱动子系统112可以被配置为激励相对于WPT系统的主磁场(图1中未示出)对称定位的检测线圈组106。
在一个示例中，驱动子系统112可以被配置为同时或依次激励一对检测线圈组106中的组。另外或可选地，驱动子系统112可以被配置为同时或依次激励检测垫102的两对或更多对检测线圈组106。在一个示例中，驱动子系统112可以被配置为扫描检测垫102以寻找异物的存在。可以在开始设备(例如，EV)的无线电力传输之前完成异物存在的检测。此外，也可以在设备(例如，EV)的无线电力传输过程中周期性地或间歇地执行异物存在的检测。
如将参考图3A至图3E详细描述的，在一个示例中，每对检测线圈组106可以耦合到相应的驱动子系统，在另一示例中，两对或更多对检测线圈组106可以耦合到共享公共驱动控制器的不同驱动单元。
在一些实施方式中，驱动子系统112的驱动单元被配置为向一个或多个检测线圈组106提供电压信号，并且驱动控制器被配置为控制驱动单元的操作。为此，驱动控制器接通驱动子系统112，以激励一个或多个检测线圈组106，并在不需要激励检测线圈组106时关闭驱动子系统112。在某些实施方式中，驱动子系统112包括反相器、转换器、线性放大器、电子开关或其组合中的一个或多个。可以通过电子开关来执行驱动子系统112的切换，例如，双向开关、半导体开关、机械开关，例如，继电器、契约器(contractor)或其组合。在某些实施方式中，驱动子系统112可以从被配置为给WPT系统的发射器单元供电的主电源吸取电力。可选地，驱动子系统112可以具有单独的电源，例如但不限于电池。
可以注意到，在操作中，如果存在于检测垫102上，则异物可以感应耦合到一个或多个检测线圈106，从而影响检测线圈106的那些特定组的合成阻抗值。此外，可以注意到，在没有异物的情况下，检测装置100的不同的检测线圈组106的固有阻抗值可以相同或不同。此外，在没有异物的情况下，一对检测线圈组106的两组的固有阻抗值可以相同或不同。在这些实施方式中的一些实施方式中，检测垫102还包括补偿器元件(图1中未示出)，该补偿器元件可操作地耦合到一对检测线圈组106中的至少一组，以在不存在异物的情况下，从一对检测线圈组106的两组中的每一组提供相似的合成阻抗值。在一些其他实施方式中，驱动控制器可以用于为一对检测线圈组106中的一组提供电压补偿。举例来说，驱动子系统112的驱动控制器向一对检测线圈组106中的两组提供不同的电压信号，使得在没有异物的情况下，一对检测线圈组106中的两组由幅度和相位相似的相同电流驱动。
比较子系统114可操作地耦合到检测垫102，并被配置为从检测垫102接收一个或多个差分电流信号。比较子系统114被配置为基于差分电流信号确定检测电压信号。可以注意到，差分电流信号的值可能非常小，并且在没有异物的情况下是不可检测的。此外，由于异物和一个或多个检测线圈106之间的电感耦合，在存在异物的情况下，差分电流信号的值可以是可检测的非零值。
检测装置100可以是独立的装置，其可以用于检测系统中异物的存在，例如但不限于WPT系统。为此，检测装置100可以与现有的WPT系统一起使用，以在无线电力传输之前和/或期间检测异物的存在。除了检测垫102、驱动子系统112和比较子系统114之外，检测装置100还可以包括通信单元(图1中未示出)，该通信单元使得检测装置100能够与使用它的系统通信。举例来说，通信单元可以使检测装置100能够根据汽车工程师协会(SAE)标准与WPT系统通信。通信单元可用于将检测电压信号传送到WPT系统的控制单元，以评估是否继续向WPT系统的发射器单元供电。
有利地，本技术的检测装置100被配置为检测WPT系统的操作环境中甚至相对较小的异物的存在。在一个示例中，异物可以具有2平方厘米或者更大的表面积。
现在参考图2A至图2B，在某些实施方式中，可以激励检测装置的一对或多对检测线圈组，以确定来自检测垫的差分电流信号，其中，差分电流信号用于确定异物的存在或不存在。可以注意到，该对检测线圈的两个单独组中的每组可以包括一个或多个检测线圈。
在某些实施方式中，成对的检测线圈组中的第一组和第二组相对于主磁场对称设置。此外，成对的检测线圈组中的第一组和第二组设置在检测垫上的相同几何区域中。在一些实施方式中，成对的检测线圈组中的第一组和第二组包括检测线圈的结构相似的设置。此外，在某些实施方式中，在WPT系统的操作环境中没有异物的情况下，成对的检测线圈组中的组的第一阻抗值和第二阻抗值是相似的。如本文所使用的，相似的阻抗值是指彼此的变化小于或等于0.5％的阻抗值。举例来说，第一组的阻抗值可以在第二组的阻抗值的-0.5％之内，其中，第一组和第二组形成一对检测线圈组。
在一些其他实施方式中，在没有异物的情况下，第一阻抗值和第二阻抗值不同。在这些实施方式的一些实施方式中，检测垫可以包括补偿器元件，该补偿器元件可操作地耦合到成对的检测线圈组中的第一组和第二组中的一个，以补偿第一检测线圈组和第二检测线圈组106的阻抗值的差异。在一些实施方式中，在没有异物的情况下，第一阻抗值和第二阻抗值是不同的，并且其中，一个或多个驱动子系统还包括驱动控制器，该驱动控制器被配置为向第一检测线圈组和第二检测线圈组提供不同的电压信号，使得在没有异物的情况下，这对检测线圈组中的第一组和第二组由幅度和相位相似的相同电流驱动。
如将参考图2A描述的，特定的一对检测线圈组的检测线圈相对于主磁场对称设置，因此经受相似强度的主磁场。如将参考图2B描述的，一对检测线圈组中的组可以设置在检测垫的相同几何区域中，因此这些组可以经受相似强度的主磁场。在一些实施方式中，在WPT系统的操作环境中没有异物的情况下，这对检测线圈组中的每组包括相同的阻抗值。在一些其他实施方式中，这对检测线圈组中的两组具有不同的阻抗值。在这些实施方式中，一对检测线圈的两组可以与补偿器元件相关联地或者在驱动控制器的帮助下提供可忽略和不可检测的差分电流量，然而，在存在异物的情况下，当属于这对检测线圈组的一组中的一个或多个检测线圈与异物电耦合时提供，并且改变该组检测线圈的净阻抗，这导致这对检测线圈组中的两组所吸取的电流的差异。因此，差分电流达到可检测值，该差分电流是该对两组中的一组的输入电流和这对检测线圈组中的另一组的输入电流之间的差值。
图2A示出了具有多个检测区202的示例性检测垫200，检测区202具有检测线圈205的组204。在非限制性示出的实施方式中，检测垫200被示为具有4×4阵列的检测区202，并且每个检测区202被示为具有4组204检测线圈205，然而，可以注意到，检测垫200中的检测区202的数量和每个检测区202中的组204的数量可以变化，并且仅仅是为了说明的目的。此外，尽管在所示的示例中检测垫200被示出具有16个检测区202，但是可以注意到，检测垫(例如，检测垫200)中的检测区202的数量可以是一个或多个。此外，每组204可以包括一个或多个检测线圈205。此外，组204的检测线圈205的螺旋形是为了说明的目的，检测线圈205可以是各种形状，例如但不限于圆形、非圆形、盘旋形、螺旋形或其组合。检测垫200可以设置在发射器单元(图2A中未示出)上。此外，虚线圆206表示设置在检测垫200下方的发射器单元的发射器线圈。
任何两组204检测线圈都可能经受相似强度的主磁场，可以成对形成一对检测线圈组，用于检测异物的存在。检测线圈205的组204的几个似是而非的对由n-n’表示。举例来说，由附图标记208表示的组204相对于发射器线圈206或发射器单元的主磁场对称设置，并且形成一对212检测线圈组208。类似地，组210相对于发射器单元的主磁场对称设置，并形成另一对214检测线圈组210。可以注意到，除了212、214、n-n’之外，其他几对检测线圈205的组204也是可能的。
在某些实施方式中，当检测垫200设置在发射器单元上时，为了检测WPT系统(图2A中未示出)的操作环境中异物的存在，可以激励一对或多对检测线圈205的组204。举例来说，两对212或214中的一对可以由驱动子系统激励。此外，在一对组中的两组的阻抗值不同的情况下，补偿器元件218可以可操作地耦合到一对检测线圈205的组204中的至少一组204，以在不存在异物的情况下，从一对检测线圈组205的两组204中的每一组提供相似的合成阻抗值。
图2B表示具有多个检测区224的检测垫220，检测区224具有两个或多个检测线圈222。检测装置220可以设置在发射器单元(图2B中未示出)上。在图示的实施方式中，虚线圆225表示设置在检测装置220下方的发射器单元的发射器线圈。此外，每个区域224包括设置在每个检测区224中的多组同心检测线圈222。可以注意到，在本申请的范围内可以设想每个区域224具有更多数量的检测线圈222或者具有不同形状和几何形状的检测线圈222，并且图2B的所示实施方式是仅出于说明目的而呈现的代表性实施方式。以所示的方式形成一对226检测线圈222的组228和230。各个组228和组230设置在相同的几何区域中，使得组228和组230的检测线圈222经历相似强度的主磁场。
图3A示出了本说明书的检测装置的一部分300。部分300包括设置在检测装置的检测垫上的一对302检测线圈308的组304和组306。在当前设想的实施方式中，两组304和306检测线圈308都由单个驱动子系统310激励。驱动子系统310包括驱动单元311和驱动控制器314。此外，使用驱动子系统310的单个驱动单元311来激励检测线圈308的组304和组306。驱动单元311包括反相器/转换器312、电容器309和311、一个或多个补偿器元件315和317。可以注意到，电容器309和311的电容值可以是固定的或可变的。驱动子系统310的驱动控制器314被配置为控制两组304和306检测线圈308的激励电压。如图所示，每组304和306内的检测线圈308可以通过串联连接、并联连接或这两者的方式彼此耦合。电容器309和311耦合到组304和306，并与组304和306的检测线圈308形成谐振电路。电容器309和311有助于调节在检测线圈308中驱动的电流，并因此改变用于检测检测装置的检测垫上的异物的磁场强度。
存在于异物附近的一个或多个检测线圈308可以与异物电磁耦合，这种电感耦合可以导致由检测线圈308吸取的电流值的变化。在一个实施方式中，在没有异物的情况下，一对302检测线圈308的两组304和306可以具有可检测的相似阻抗值。为了检测异物的存在，基于组304的返回电流信号I1 318和组306的正在进行的电流信号I2 320来计算对302的差分电流信号，反之亦然。在另一实施方式中，其中，在没有异物的情况下，两组304和306具有可检测的不同阻抗，一个或多个补偿器元件315和317用于确保在没有异物的情况下由两组吸取的电流相似。补偿器元件315和317的非限制性示例可以包括串联或并联方式或这两者的电感、电阻、电容。
图3B示出了另一实施方式，其中，本说明书的检测装置的一部分330包括设置在检测装置的检测垫上的一对332第一组334和第二组336检测线圈338。两组334和336耦合到驱动子系统340。驱动子系统340包括两个驱动单元342和344，其被配置为分别激励第一组334和第二组336。两个驱动单元342和344包括反相器348和350、DC/DC转换器352和354以及电容器333和335。虽然未示出，但是驱动单元342和244中的一个或两个可以还包括一个或多个补偿器元件。耦合到组334和336的电容器333和335与组334和336的检测线圈338形成谐振电路，并有助于调节在线圈中驱动的电流，从而调节检测垫中的磁场强度。反相器348和350从驱动两组334和336的两个DC/DC转换器352和354接收输入，其中，在没有异物的情况下，两组334和336可以具有相似或不同的阻抗值。
驱动子系统340还包括驱动控制器346，驱动控制器346可以被配置为补偿第一组334和第二组336的电流值的任何差异，而不管第一组334和第二组336的阻抗值的差异。在组334和336具有不同阻抗值的实施方式中，驱动控制器346可以被配置为通过一种或多种方法来调节用于驱动两组334和336的电流。在一个实施方式中，驱动控制器346可以被配置为通过控制DC/DC级转换器352和354来改变反相器348和350的电压信号V1和V2。在另一实施方式中，可以在不改变反相器348和350的操作频率的情况下，改变反相器348和350的占空比，以使得在没有异物的情况下，第一组334和第二组336检测线圈338能够由幅度和相位相似的相同电流驱动。基于第一组334的返回电流信号I1 356和第二组336的正在进行的电流信号I2 358来计算对332的差分电流信号，反之亦然。
现在转向图3C至图3E，图3C至图3E表示驱动子系统和检测线圈组之间的操作耦合的实施方式。在检测期间，检测线圈组耦合到检测系统的一个或多个驱动子系统，从驱动子系统的一个或多个驱动单元吸取电流。当一对组的两组的阻抗值相似时，由这对检测线圈组的两组吸取的电流使得在没有异物的情况下，差分电流的值可以忽略不计。然而，在一对检测线圈组中的两组的阻抗不同的情况下，驱动控制器为一对检测线圈的一组或两组提供补偿，以确保在没有异物的情况下，由相似的电流信号驱动两组。驱动控制器还控制检测线圈的激励电压、频率和激励持续时间。驱动控制器接通驱动单元，以激励检测线圈组，并在不需要激励检测线圈组时关闭驱动单元。驱动控制器可以使用电子电路来控制驱动单元。电子电路的非限制性示例包括微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、半导体装置、逻辑门、装置驱动器、振荡器和定时器或其组合。
图3C示出了具有驱动子系统362的检测装置(图3C中未示出)的一部分360，驱动子系统362耦合到设置在检测垫上的检测线圈组366的多个364。驱动子系统362包括多个驱动单元368，其中，每个驱动单元368耦合到相应的检测线圈组366。驱动子系统362还包括控制驱动单元368的操作的驱动控制器370。
图3D示出了具有驱动子系统382的检测装置(图3D中未示出)的一部分380，驱动子系统382耦合到设置在检测垫上的检测线圈组386的多个384。驱动子系统382包括多个驱动单元387。驱动子系统382还包括控制驱动单元387的操作的驱动控制器389。几对388检测线圈组耦合到驱动子系统382，使得每对388耦合到相应的单个驱动单元387。
图3E示出了检测装置(图3E中未示出)的一部分390，其中，检测装置采用耦合到多个393检测线圈组394的两个驱动子系统391和392。检测线圈设置在检测垫上。检测线圈组394的对395和397分别耦合到驱动子系统391和392。驱动子系统391包括驱动单元399和驱动控制器401，驱动子系统392包括驱动单元403和驱动控制器405。
图4示出了用于检测WPT系统404的操作环境402中异物的存在的示例性检测系统400。系统400包括检测装置406和WPT系统404。检测装置406包括具有多个检测线圈的检测垫408以及至少一对检测线圈组，用于检测WPT系统404的操作环境402中异物的存在。
检测装置406还包括驱动子系统410。驱动子系统410包括驱动单元411和驱动控制器412。尽管未示出，但是检测系统400可以包括两个或更多驱动子系统410。此外，驱动子系统410可以包括多个驱动单元411或多个驱动控制器412或这两者。驱动子系统410可操作地耦合到检测垫408，并被配置为激励检测垫408的两个或更多个检测线圈组。检测装置406还包括比较子系统414，该比较子系统414可操作地耦合到检测垫408，并被配置为从检测垫接收差分电流信号。此外，比较子系统414被配置为基于差分电流信号提供控制信号。
检测系统400的WPT系统404包括主电源418，其被配置为以交流(AC)电压信号的形式向WPT系统404的发射器单元420供电。发射器单元420包括至少一个发射器线圈(图4中未示出)。发射器单元420被配置为从主电源418接收AC电压信号，并响应于接收到的AC电压信号生成主磁场或操作环境402。
检测垫408可操作地耦合到发射器单元420。特别地，检测垫408设置在发射器单元420上。在一些实施方式中，检测垫408直接设置在发射器单元420的表面422上。在一些其他实施方式中，检测垫408位于发射器单元408上方，使得检测垫408设置在WPT系统404的操作环境中。检测垫408可以相对于发射器单元420的发射器线圈设置和对准。检测垫408可以设置成使得发射器线圈相对于检测垫408几何对称定位。此外，检测垫408可以是独立垫408、即插即用垫，并且可以具有柔性、贴合和刚性结构中的一种或多种。
WPT系统404还包括接收器单元424，该接收器单元424具有至少一个接收器线圈，该接收器线圈被配置为接收由发射器单元420生成的主磁场402的至少一部分。接收器单元424可以设置在需要充电的设备的下侧426。在所示的实施方式中，接收器单元424设置在将使用WPT系统404充电的电动车辆(EV)416的下侧426上。EV 416可以包括外部电源，例如，电池417。WPT系统404还包括控制单元426，控制单元426控制主电源418的操作，并且还可操作地耦合到检测装置406。控制单元426从检测装置406接收控制信号。此外，控制单元426基于控制信号控制从主电源418到发射器单元420的供电。
在某些实施方式中，检测装置406包括通信单元428，通信单元428可操作地耦合到比较子系统414，并被配置为从比较子系统414接收控制信号。此外，通信单元428被配置为与WPT系统404的控制单元426通信。在某些实施方式中，通信单元428可以例如通过使用移动电话网络向EV 416的用户或相应EV充电站的操作员发送控制信号，以传送异物的存在和/或不存在。
由比较子系统414从检测垫408的检测线圈接收的差分电流信号被转换成电压信号，称为检测电压信号。在一些实施方式中，将检测电压信号与阈值或阈值电压信号进行比较。阈值或门限值可以例如由用户基于检测装置406的参数和设计来定义。如果检测电压信号的值大于阈值电压信号的值，则表明由这对检测线圈组中的两组吸取的电流不同，这表明在WPT系统404的操作环境中存在异物。可选地，如果电压信号的值低于或等于阈值电压信号的值，则表明由这对检测线圈组中的两组吸取的电流适当地相似，这表明在WPT系统404的操作环境中不存在异物或存在可能不会对WPT操作产生不利影响的非常小的异物(例如，线圈等)。
此外，在检测电压信号的值大于阈值电压信号的值的情况下，控制信号可以由检测装置406传送到WPT系统404，以中断对发射器单元420的供电。在一些实施方式中，通信单元428与控制单元426通信，控制单元426进而中断从主电源418到发射器单元420的供电。在另一实施方式中，在发射器单元420由线圈阵列组成的情况下，由检测装置406传送到控制单元426的控制信号将使得控制单元426仅激励发射器单元420中线圈阵列的子集，从而避免检测到异物的区域。
图5示出了可操作地耦合到检测垫的一对502检测线圈组504和506的示例性比较子系统500。图5所示的示例是测量差分电流的非限制性示例，可以注意到，在本说明书中也可以采用用于测量差分电流的其他方法，其中，其他方法可以包括感测单独电流并使用电子设备(例如但不限于差分放大器)来找到单独电流之间的差异。来自对502的差分电流信号可以通过使用到一组的正在进行的电流信号和来自这对组中的另一组的返回电流信号来确定。在所示的实施方式中，来自组504的返回电流信号I1 508和来自组506的正在进行的电流信号I2 510用于导出这对502组504和506的差分电流信号。
当两个电流信号508和510穿过磁芯512时，电流信号508和510的差异在磁芯中生成磁链，并在缠绕在磁芯512上的电绕组514中感应出相应的检测电压信号，该信号通常由附图标记516表示。在磁芯未磁饱和的条件下，该检测电压与电流信号508和510之间的差值成比例，并且表示组对502的两组504和506之间的差分电流的测量值。
比较子系统500还包括整流器518，其接收并整流检测电压信号。可选的滤波器520在将电压信号发送到比较器522之前对电压信号进行滤波。在一个示例中，滤波器520被配置为从测量中滤除高频分量。比较器522将滤波后的电压信号与阈值电压信号进行比较，因此将控制信号传送到WPT系统，例如，图4的WPT系统404。
图6是用于在系统操作环境中检测异物的存在的示例方法流程图600。在一个示例中，该系统可以是WPT系统。在框602，通过将检测装置的检测垫设置在WPT系统的发射器单元上来利用检测装置。检测垫可以直接放置在发射器单元上，或者检测垫可以放置在发射器单元上方，使得其不与发射器单元物理接触。检测垫包括多个检测线圈和至少一对检测线圈组，其中，至少一对检测线圈组包括第一检测线圈组和第二检测线圈组，并且其中，第一检测线圈组包括第一阻抗值，并且第二检测线圈组包括第二阻抗值。
在框604，激励至少一对检测线圈组。在一些实施方式中，该对的组可以相对于主磁场对称设置。在一些其他实施方式中，该对的组设置在相同的几何位置。在某些实施方式中，该对的组可以设置在两个不同的检测区中，可以选择检测区，使得该对检测区中的两个检测区相对于发射器单元的磁场对称放置。
在某些实施方式中，可以激励多于一对检测线圈组。在一个示例中，多对检测线圈组可以同时激励，用于检测异物的存在。在一个实施方式中，可以选择不同对的检测线圈组，使得激励检测垫的整个表面，以检测异物的存在。在一些实施方式中，可以在不同的时刻激励不同的对。在另一实施方式中，可以同时激励两对或更多对。在一个实施方式中，可以按时间顺序激励不同对的组。
此外，可以在针对接收机单元开始WPT系统的无线电力传输操作之前，并且在WPT系统的无线电力传输操作期间，激励成对的组。可以间歇地或以周期性间隔激励该对组。此外，在不同时刻激励对应于不同检测区对的检测线圈。此外，向具有不同阻抗值的该对检测线圈中的检测线圈提供不同的电压信号，使得在没有异物的情况下，该对检测线圈中的检测线圈由幅度和相位相似的相同电流信号驱动。
在框606，为激励的检测线圈确定差分电流信号。在一个实施方式中，使用这对检测线圈组中的一组的正在进行的电流信号和这对检测线圈组中的另一组的返回电流信号来确定差分电流信号。在同时激励两对或更多对的实施方式中，可以确定相应的单独差分电流信号来检测异物的存在。基于差分电流信号，确定在WPT系统的操作环境中是否存在异物。
随后，在框608，基于差分电流信号生成控制信号。在框610，传输生成的控制信号。在一个示例中，控制信号传输到WPT系统的控制单元。在一些实施方式中，基于由WPT系统的控制单元接收的控制信号，继续、调整或中断对WPT系统的发射器单元的供电。
图7是用于基于控制信号控制发射器单元的电源的方法的方法流程图700。在框702，使用例如比较子系统的电绕组和磁芯，生成与差分电流信号成比例的检测电压信号。在框704，将检测电压信号与阈值进行比较。在一些实施方式中，该阈值可以是阈值或阈值电压信号。阈值电压信号可以是基于WPT系统特性的预定电压信号。
在判定框706，如果发现检测电压信号大于阈值电压信号，则控制信号传送到WPT系统，以不开始、调整或中断对发射器单元的电力供应(框708)。或者，在判定框706处，如果检测电压信号低于阈值电压信号，则不向WPT系统进行通信，或者可以向WPT系统传送指示对发射器单元的电力供应继续或开始的控制信号(框710)。
可以实时或接近实时地进行检测。可以执行接近实时的检测，使得在从检测开始的几微秒到几毫秒的时间段内生成和传送控制信号。在某些实施方式中，可以以确定的速率以周期性间隔对检测垫扫描任何异物，例如，每秒一次。一旦检测到异物，就向发射器单元发送通信信号。
图8是根据本说明书的各方面的检测垫800的剖视图。在一些实施方式中，检测垫800可以是可拆卸地耦合到发射器单元的独立结构，例如，图4的发射器单元420。在一个示例中，检测垫800可以是即插即用结构。检测垫800包括具有一个或多个印刷电路板(PCB)804的基板802。基板802可以包括电绝缘材料。在一些实施方式中，基板802本身可以是印刷电路板(PCB)。
此外，检测线圈808的组806可以设置在基板802上。在一个实施方式中，检测线圈808的组806可以设置在相应的PCB 804上。在一些实施方式中，为了用户安全和美观，检测线圈808可以设置在基板802上或者可以嵌入基板802中。检测线圈808也可以印刷在柔性或规则的印刷电路板上。在某些实施方式中，可以在基板808或PCB 804上印刷、模制、编织或另外制造检测线圈808。可以注意到，每个检测线圈808可以是紧凑的，并且缠绕在细规格的导线内。
覆盖层810可以设置在检测线圈808上。覆盖层810具有第一侧812和第二侧814。在某些实施方式中，检测线圈808可以直接设置在覆盖层810的第二侧814上。在这些实施方式的一些中，检测线圈808可以不设置在PCB 804上。此外，合适的电子设备816可以提供给基板802，以使得检测垫800能够与检测装置的驱动子系统和比较子系统可操作地耦合。
基板802和覆盖层810可以包括柔性材料、硬材料或其组合。覆盖层810包括导热和电绝缘(TCEI)材料。在一个实施方式中，导热电绝缘(TCEI)材料可以包括带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，例如，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，在某些实施方式中，基板802和覆盖层810可以与检测线圈808一起折叠。在一个实施方式中，检测垫800可以是贴合结构。为此，当检测垫800设置在发射器单元上时，检测垫800可以被配置为大体上符合发射器单元的表面的梯度和曲线。在一些实施方式中，覆盖层810可以形成围绕基板802、检测线圈808的外壳，并且可以围绕电子设备816。
在一个实施方式中，检测垫800可以与标准SAE发射器系统集成。在某些实施方式中，检测垫800的尺寸可以在从大约0.5m到大约2.2m的范围内。检测垫800可以适当地大，以覆盖发射器线圈的表面区域。在一些示例中，检测垫800可以具有从大约0.5m到大约2.2m范围内的长度以及从大约0.5m到大约2.2m范围内的宽度。此外，检测垫800可以具有从大约1mm到大约20mm范围内的厚度。在一个实施方式中，检测垫800可以是整体结构。在另一实施方式中，可以通过集成单独的独立件来形成检测垫800。
有利地，本技术的装置、系统和方法构造简单，并且不需要任何复杂的组装。此外，本技术非常灵敏，并且能够在开始无线电力传输后不久检测到异物的存在。这有助于最大限度地减少功率浪费。本说明书的实施方式提供了一种高灵敏度、简单且精确的系统来检测放置在WPT系统的操作环境中的异物。此外，本说明书的检测装置可以部署在现有的WPT系统中，在现有的WPT系统中只需要进行最小的改变或调整，或者不需要改变或调整。有利地，本说明书的装置、系统和方法在电动车辆(EV)的无线电力传输期间实现了安全的操作环境，但是在检测到异物时停止EV的无线传输，或者在WPT系统的操作环境中检测到存在异物时发出警报。
虽然本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明范围内的所有这些修改和变化。

Claims (23)

1.一种检测装置(100)，包括：
检测垫(102)，具有多个检测线圈(106)和至少一对检测线圈组(106)，其中，所述至少一对检测线圈组(106)包括第一检测线圈组(106)和第二检测线圈组(106)，并且其中，所述第一检测线圈组(106)包括第一阻抗值，并且所述第二检测线圈组(106)包括第二阻抗值；
一个或多个驱动子系统(112)，可操作地耦合到所述检测垫(102)，并被配置为激励至少一对检测线圈组(106)；以及
比较子系统(114)，可操作地耦合到所述检测垫(102)，并被配置为从所述至少一对检测线圈组(106)接收差分电流信号，其中，所述比较子系统(114)被配置为基于所述差分电流信号生成控制信号。
2.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)相对于无线电力传输(WPT)系统的主磁场对称地设置，并且其中，所述检测装置(100)被配置为基于所述差分电流信号来检测在所述WPT系统的操作环境中异物的存在。
3.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)包括检测线圈(106)的结构相似的布置。
4.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)设置在所述检测垫(102)上的同一几何区域。
5.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述第一阻抗值和所述第二阻抗值彼此相似。
6.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述第一阻抗值和所述第二阻抗值彼此不同，并且其中，所述检测垫(102)还包括补偿器元件，所述补偿器元件可操作地耦合到所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)中的一个，以补偿所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)的阻抗值的差异。
7.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述第一阻抗值和所述第二阻抗值彼此不同，并且其中，所述一个或多个驱动子系统(112)还包括驱动控制器，所述驱动控制器被配置为向所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)提供不同的电压信号，使得所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)由幅度和相位相似的相同电流驱动。
8.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述一个或多个驱动子系统(112)包括分别耦合到所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)的两个驱动单元以及至少一个驱动控制器，并且其中，所述驱动控制器耦合到所述驱动单元。
9.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述多个检测线圈(106)包括多个检测区，其中，所述多个检测区中的每个检测区包括一个或多个检测线圈组(106)。
10.根据权利要求9所述的检测装置(100)，其中，所述一个或多个驱动子系统(112)的至少一部分被配置为耦合到所述多个检测区中的两个或多个检测区。
11.根据权利要求10所述的检测装置(100)，其中，对应于一对检测区的所述多个检测区中的检测区包括检测线圈(106)的结构上相同的布置。
12.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述检测垫(102)是柔性垫、贴合垫、刚性垫或即插即用垫。
13.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，一检测线圈组(106)中的检测线圈(106)以串联连接、并联连接或串联和并联连接的组合的方式耦合，并且其中，所述多个检测线圈(106)包括同心线圈、相邻设置的线圈、并排设置的线圈，并且其中，所述多个检测线圈(106)设置在一层或多层中。
14.根据权利要求1所述的检测装置(100)，其中，所述比较子系统(114)包括：
电绕组和磁芯，被配置为从所述第一检测线圈组(106)和所述第二检测线圈组(106)接收所述差分电流信号，并基于所述差分电流信号生成检测电压信号；以及
比较器，被配置为将所述检测电压信号与阈值电压信号进行比较，以生成所述控制信号。
15.一种检测系统(400)，包括：
检测装置(406)，包括：
检测垫(102)，具有多个检测线圈(106)和至少一对检测线圈组(106)，其中，所述至少一对检测线圈组(106)包括第一检测线圈组(106)和第二检测线圈组(106)，并且其中，所述第一检测线圈组(106)包括第一阻抗值，并且所述第二检测线圈组(106)包括第二阻抗值；
一个或多个驱动子系统(112)，可操作地耦合到所述检测垫(102)，并被配置为激励至少一对检测线圈组(106)；以及
比较子系统(114)，可操作地耦合到所述检测垫(102)，并被配置为从所述至少一对检测线圈组(106)接收差分电流信号，其中，所述比较子系统(114)被配置为基于所述差分电流信号生成控制信号，以及
无线电力传输(WPT)系统，包括：
主电源，被配置为以交流(AC)电压信号的形式供电；
发射器单元，包括至少一个发射器线圈，其中，所述发射器单元被配置为从所述主电源接收所述AC电压信号，其中，所述发射器单元被配置为响应于所接收的AC电压信号生成主磁场，并且其中，所述检测垫(102)可操作地耦合到所述发射器单元；
接收器单元，包括至少一个接收器线圈，并被配置为接收由所述发射器单元生成的所述主磁场的至少一部分；
控制单元，可操作地耦合到所述检测装置，并且被配置为：
从所述检测装置接收所述控制信号；并且
基于所述控制信号控制对所述发射器单元的供电。
16.根据权利要求15所述的检测系统(400)，其中，所述驱动子系统被配置为间歇地或周期性地激励所述检测装置。
17.根据权利要求15所述的检测系统(400)，其中，所述一个或多个驱动子系统还包括通信单元，所述通信单元被配置为将所述控制信号传送给所述控制单元。
18.一种方法(600)，包括：
利用(602)检测装置，所述检测装置包括具有多个检测线圈和至少一对检测线圈组的检测垫，其中，所述至少一对检测线圈组包括第一检测线圈组和第二检测线圈组，并且其中，所述第一检测线圈组包括第一阻抗值，并且所述第二检测线圈组包括第二阻抗值；
激励(604)至少一对检测线圈组；
确定(606)来自所述至少一对检测线圈组的差分电流信号；并且
基于所述差分电流信号生成(608)控制信号；并且
传输(610)所述控制信号。
19.根据权利要求18所述的方法(600)，还包括基于所述控制信号控制(700)发射器单元的电源。
20.根据权利要求19所述的方法(600)，还包括：
基于所述差分电流信号生成(702)检测电压信号；并且
将所述检测电压信号与阈值电压信号进行比较(704)，以生成所述控制信号。
21.根据权利要求18所述的方法(600)，其中，激励(604)所述至少一对检测线圈组包括间歇地或以周期性间隔激励所述至少一对检测线圈组。
22.根据权利要求18所述的方法(600)，其中，激励(604)所述至少一对检测线圈组包括在不同时刻激励对应于不同对检测线圈组的检测线圈组。
23.根据权利要求18所述的方法(600)，其中，激励(604)所述至少一对检测线圈组包括向具有不相似阻抗值的一对检测线圈组中的检测线圈组提供不同的电压信号，使得所述一对检测线圈组中的组由幅度和相位相似的相同电流信号驱动。
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