CN113287246A - 异物检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种方法包括：在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之前，对无线电力传输系统执行电力损耗校准；在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之后，基于电力损耗校准来计算无线电力传输系统的电力损耗并测量无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的耦合因数；以及基于所计算的电力损耗和所测量的耦合因数来确定是否继续无线电力传输系统的无线电力传输。

Description

异物检测装置及方法

技术领域

本公开内容涉及用于检测无线电力传输系统中的异物的方法，并且在特定实施方式中，本公开内容涉及考虑到无线电力传输系统中的发送器线圈与接收器线圈之间的相对位置变化的异物检测方法。

背景技术

随着技术进一步发展，无线电力传输已经成为一种为基于电池的移动设备诸如移动电话、平板计算机、数码相机、MP3播放器等供电的高效且便捷的机制。无线电力传输系统通常包括初级侧发送器和次级侧接收器。初级侧发送器通过磁耦合器磁性地耦合至次级侧接收器。磁耦合器可以被实现为具有在初级侧发送器中形成的初级侧线圈和在次级侧接收器中形成的次级侧线圈的松散耦合的变压器。初级侧发送器被配置成：在初级侧线圈上产生交流电以形成变化的磁场，从而在次级侧线圈中产生电压。

初级侧发送器可以包括电力转换单元，例如初级侧的电力转换器。电力转换单元耦合至电源，并且能够将电功率转换成施加至初级侧线圈的无线电力信号。次级侧接收器通过次级侧线圈接收无线电力信号，并且将所接收的无线电力信号转换为适合于诸如移动电话的电池组的负载的电功率。

在高效无线电力传输系统中，能量传输旨在发生在初级侧发送器与次级侧接收器之间。放置在初级侧发送器与次级侧接收器之间或与初级侧发送器和次级侧接收器邻近放置的异物可能会导致不必要的电力耗散，从而降低无线电力传输系统中的电力传输效率。随着电力传输效率变得更重要，可能需要在启用发送器与接收器之间的电力传输之前检测无线电力传输系统中的异物。

发明内容

通过本公开内容的提供用于检测无线电力传输系统中的异物的方法的优选实施方式，通常解决或避免了这些问题和其他问题，并且通常实现了技术优点。

根据实施方式，一种方法包括：对无线电力传输系统执行电力损耗校准；启用无线电力传输系统上的无线电力传输；基于电力损耗校准来计算无线电力传输系统的电力损耗；测量无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的耦合因数；以及基于所计算的电力损耗和所测量的耦合因数确定是否继续无线电力传输系统的无线电力传输。

基于所计算的电力损耗和所测量的耦合因数确定是否继续无线电力传输系统的无线电力传输包括：将所计算的电力损耗与预定电力损耗阈值进行比较以获得电力损耗比较结果；将所测量的耦合因数与预定耦合因数阈值进行比较以获得耦合因数比较结果；以及基于电力损耗比较结果和耦合因数比较结果来确定是否继续无线电力传输系统的无线电力传输。

该方法还包括：在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之前，对无线电力传输系统执行异物测试；测量无线电力传输系统的Q因数；将所测量的Q因数与预定参考进行比较以获得Q因数测量结果；以及基于Q因数测量结果来确定异物是否存在。

该方法还包括：在将所测量的耦合因数与预定耦合因数阈值进行比较以获得耦合因数比较结果之前，将所计算的电力损耗与预定电力损耗阈值进行比较以获得电力损耗比较结果；以及基于电力损耗比较结果来确定异物是否存在。

该方法还包括：在将所测量的耦合因数与预定耦合因数阈值进行比较以获得耦合因数比较结果之后，在耦合因数比较结果指示接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置变化之后，停止无线电力传输。

耦合因数指示接收器线圈相对于发送器线圈的位置。

该方法还包括：使用检测线圈来检测接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置，其中，检测线圈和接收器线圈形成在印刷电路板中；以及根据接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置来确定检测线圈与接收器线圈之间的磁耦合。检测线圈与接收器线圈之间的磁耦合近似等于零。响应于发送器线圈与接收器线圈之间的不同偏移，检测线圈与发送器线圈之间的磁耦合呈现单调曲线。

根据另一实施方式，一种装置包括：接收器线圈，其被配置成磁性地耦合至无线电力传输系统的发送器线圈；以及在接收器线圈上方的检测线圈，该检测线圈具有第一匝和第二匝，其中，通过第一匝的第一磁通量和通过第二匝的第二磁通量彼此相反，并且其中，由于第一磁通量和第二磁通量彼此相反，因此接收器线圈与检测线圈之间的磁耦合适当地等于零。

该装置还包括峰值检测器，该峰值检测器具有第一输入端、第二输入端以及连接至峰值检测器的第二输入端的输出端，所述第一输入端连接至检测线圈的第一端子，检测线圈的第二端子连接至地，并且其中，峰值检测器的输出指示接收器线圈相对于发送器线圈的位置。检测线圈和接收器线圈形成在两层印刷电路板中，并且检测线圈的中心轴与接收器线圈的中心轴对准。

根据又一实施方式，一种方法包括：执行耦合因数测试以测量第一耦合因数，该第一耦合因数表示无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的第一相对位置；启用无线电力传输系统上的无线电力传输；执行耦合因数测试以测量无线电力传输系统的接收器线圈与发送器线圈之间的第二相对位置；以及在发现无线电力传输系统的接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置变化之后，停止无线电力传输系统上的无线电力传输。

该方法还包括：在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之前，执行Q因数测试以获得无线电力传输系统的Q因数；将Q因数与预定Q因数参考进行比较；以及基于来自将Q因数与预定Q因数参考进行比较的步骤的比较结果来确定异物是否存在。

该方法还包括：在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之前，基于无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的第一相对位置来执行电力损耗校准；基于电力损耗校准来生成第一电力损耗曲线；在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之后，基于第一电力损耗曲线来计算无线电力传输系统的电力损耗；以及基于所计算的电力损耗与预定电力损耗参考之间的比较来确定异物是否存在。

该方法还包括：在启用无线电力传输系统上的无线电力传输之后，执行耦合因数测试以测量第二耦合因数；将第二耦合因数和第一耦合因数之间的差与预定参考进行比较；以及基于将第二耦合因数和第一耦合因数之间的差与预定参考进行比较的步骤的比较结果，确定接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置变化。

该方法还包括：在发现相对位置变化之后，基于发送器线圈与接收器线圈之间的第二相对位置来执行第二校准测试。

本公开内容的实施方式的优点在于：异物检测方法能够通过基于发送器线圈与接收器线圈之间的相对位置变化而调整电力损耗校准来准确地检测异物。

前述内容已经相当广泛地概述了本公开内容的特征和技术优点，以便可以更好地理解本公开内容的以下详细描述。在下文中将描述形成本公开内容的权利要求的主题的本公开内容的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解的是，所公开的概念和特定实施方式可以容易地被用作修改或设计用于实现本公开内容的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求中阐述的本公开内容的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开内容及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，在附图中：

图1示出了根据本公开内容的各种实施方式的无线电力传输系统的框图；

图2示出了根据本公开内容的各种实施方式的包括预期装置和非预期装置的无线电力传输系统；

图3示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于检测图2中示出的无线电力传输系统中的异物的方法的流程图；

图4示出了根据本公开内容的各种实施方式的接收器线圈和检测线圈；

图5示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈、接收器线圈、检测线圈及其磁耦合器；

图6示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈与接收器线圈之间的各种相对位置；

图7示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈、接收器线圈和检测线圈的磁耦合波形；

图8示出了根据本公开内容的各种实施方式的峰值检测器的示意图；

图9示出了根据本公开内容的各种实施方式的接收器线圈和检测线圈的另一种实现；以及

图10示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈、接收器线圈和检测线圈的磁耦合波形。

除非另有指示，否则不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。附图被绘制以清楚地示出各种实施方式的相关方面，并且附图不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施方式的制造和使用。然而，应当理解的是，本公开内容提供了可以在各种各样的特定环境中实施的许多可应用的发明构思。所讨论的特定实施方式仅是对制造和使用本公开内容的特定方式的说明，并且不限制本公开内容的范围。

将在特定环境中关于优选实施方式来描述本公开内容，即用于检测无线电力传输系统中的异物的方法。然而，本公开内容也可以应用于没有电线作为物理链路的各种能量传输系统。在下文中，将参照附图详细解释各种实施方式。

图1示出了根据本公开内容的各种实施方式的无线电力传输系统的框图。无线电力传输系统100连接在电源101与负载113之间。无线电力传输系统100包括发送器105和接收器115。如图1中所示，发送器105包括级联连接的发送器电路103、初级电容器Cp和初级线圈Lp。在整个说明书中，初级线圈Lp可以可替选地被称为发送器线圈。发送器电路103的输入端连接至电源101。应当注意的是，根据不同的应用和设计需要，可以在电源101与发送器电路103之间连接合适的电力转换器。

接收器115包括次级线圈Ls、次级电容器Cs和接收器电路111。次级电容器Cs和接收器电路111级联地连接在次级线圈Ls与负载113之间。如图1中所示，接收器电路111的输出端耦接至负载113。在整个说明书中，次级线圈Ls可以可替选地被称为接收器线圈。

当电力接收器115与电力发送器105相邻地放置时，电力发送器105通过磁场磁性地耦合至电力接收器115。松散耦合的变压器120由作为电力发送器105的一部分的发送器线圈Lp和作为电力接收器115的一部分的接收器线圈Ls形成。因此，电力可以从电力发送器105被传输至电力接收器115。

在一些实施方式中，电力发送器105可以在充电垫内部。发送器线圈被放置在充电垫的顶表面下方。电力接收器115可以被嵌入在移动电话中。当移动电话与充电垫相邻地放置时，可以在发送器线圈与接收器线圈之间建立磁耦合。换言之，发送器线圈和接收器线圈可以形成松散耦合的变压器，通过该松散耦合的变压器，在电力发送器105与电力接收器115之间传输电力。通过耦合系数K对发送器线圈Lp与接收器线圈Ls之间的耦合强度进行量化。

在一些实施方式中，在已经在发送器线圈Lp与接收器线圈Ls之间建立磁耦合之后，电力送器105和电力接收器115可以形成电力系统，通过该电力系统，电力从电源101被无线地传输至负载113。

初级电容器Cp充当谐振电容器。谐振电容器和发送器线圈的磁电感可以形成谐振回路。根据设计需要和不同的应用，谐振回路还可以包括谐振电感器。在一些实施方式中，谐振电感器可以被实现为外部电感器。在替选实施方式中，谐振电感器可以被实现为连接线。次级电容器Cs充当次级谐振电容器。次级电容器Cs的功能与初级电容器Cp的功能类似，因此在本文中不进行讨论以避免重复。采用初级电容器Cp和次级电容器Cs来实现软开关，从而提高无线电力传输系统100的效率。

电源101可以是将公用线电压转换为直流(direct-current，DC)电压的电源适配器。可替选地，电源101可以是可再生电源，例如太阳能电池板阵列。此外，电源101可以是诸如可再充电电池、燃料电池等的能量存储设备。

负载113表示耦合至电力接收器115的移动设备(例如，移动电话)所消耗的电力。可替选地，负载113可以指代可再充电电池和/或串联/并联连接以及耦接至电力接收器115的输出端的电池。

根据一些实施方式，发送器电路103可以包括全桥转换器的初级侧开关。可替选地，发送器电路103可以包括诸如半桥转换器、推挽转换器等的其他转换器的初级侧开关。

应当注意，上述转换器仅是示例。本领域普通技术人员将认识到，可以可替选地使用其他合适的电力转换器，例如基于E类拓扑的电力转换器(例如，E类放大器)。

在一些实施方式中，接收器电路111被实现为整流器。在整个说明书中，接收器电路111可替选地被称为整流器。整流器111将从接收器线圈Ls的输出端接收的交变极性波形转换为单极性波形。在一些实施方式中，整流器111包括全波二极管桥和输出电容器。在替选实施方式中，全波二极管桥可以被由诸如n型金属氧化物半导体(n-type metal oxidesemiconductor，NMOS)晶体管的开关元件形成的全波桥代替。

此外，整流器111可以由其他类型的可控器件形成，所述其他类型的可控器件例如是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effecttransistor，MOSFET)器件、双极结型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)器件、超结型晶体管(super junction transistor，SJT)器件、绝缘栅双极型晶体管(insulatedgate bipolar transistor，IGBT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件等。整流器111的详细操作和结构在本领域中是公知的，因此在本文中不进行讨论。

图2示出了根据本公开内容的各种实施方式的包括预期装置和非预期装置的无线电力传输系统。图1中示出的无线电力传输系统的一部分被用来说明包括预期装置(例如，电力接收器)和非预期装置(例如，放置在电力发送器与电力接收器之间的硬币)的无线电力传输系统。如图2中所示，无线电力传输系统包括初级线圈Lp和次级线圈Ls。初级线圈Lp被放置在无线电力传输系统的电力发送器中。次级线圈Ls被放置在无线电力传输系统的电力接收器中。当电力接收器被放置在电力发送器附近时，电力发送器通过磁场磁性地耦合至电力接收器。由于在电力发送器与电力接收器之间具有磁耦合，因此电力可以从电力发送器被传输至电力接收器。

在一些实施方式中，初级线圈Lp可以在充电垫内部。初级线圈Lp被放置在充电垫的顶表面下方。次级线圈Ls可以被嵌入在移动电话中。当移动电话被放置在充电垫附近时，可以在初级线圈Lp与次级线圈Ls之间建立磁耦合。在已经在初级线圈Lp与次级线圈Ls之间建立磁耦合之后，电力从电力发送器被无线地传输至电力接收器。

在一些实施方式中，次级线圈Ls是被配置成与初级线圈Lp磁性相互作用的预期装置。根据不同的操作条件和应用，如图2中所示，非预期装置201可能被放置在初级线圈Lp与次级线圈Ls之间。非预期装置201可以可替选地被称为异物。异物201可以是任何合适的金属物体，例如硬币、回形针、箔、它们的任何组合等。

初级线圈Lp与次级线圈Ls之间的磁场不是封闭的。异物201被定位在电力接收器的界面表面上，该界面表面在电力接收器的充电区域内或接近电力接收器的充电区域。磁场可以在异物201内产生电力信号。由于在异物201内电力信号产生的涡电流和/或感应电流，电力信号可能导致温度升高。本公开内容的图3至图10示出了异物检测方法。

图3示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于检测图2中示出的无线电力传输系统中的异物的方法的流程图。图3中示出的该流程图仅是示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替选方案和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置和重复图3中示出的各个步骤。

在无线电力传输系统中，电力发送器的线圈磁性地耦合至电力接收器的线圈。导致意外电力损耗的任何物体被视为异物或非预期物体。异物可以被放置在电力发送器与电力接收器之间。可替选地，异物可以邻近电力发送器和/或电力接收器被放置。异物可以是任何合适的金属物体，例如硬币、回形针、箔、它们的任何组合等。

如果存在由异物引起的干扰，则检测异物提供一种安全机制。特别地，当异物邻近电力发送器和/或电力接收器被放置时，由电力发送器产生的磁场可能被耦合到异物中，这具有不希望的后果。例如，异物可能在几秒钟内被加热到高温。这种高温上升可能会导致可靠性问题。

为了防止当异物与电力发送器和/或电力接收器邻近放置时在电力发送器与电力接收器之间进行电力输送，如图3中所示，采用异物检测方法。

在步骤302处，小信号磁场被建立以测量无线电力传输系统的质量(Q)因数。特别地，小信号脉冲被施加至发送器以测量无线电力传输系统的Q因数。小信号脉冲被预先确定。根据不同的应用和设计需要，小信号脉冲的幅度可能变化。

无线电力传输系统的Q因数是初级线圈两端的谐振的信号幅度与输入信号幅度之间的比率。可以通过多种方法来测量Q因数。例如，可以通过计算初级线圈两端的谐振的衰减率来在时域中测量Q因数。可替选地，可以通过计算峰值频率与系统带宽的比率来在频域中测量Q因数。

无线电力传输系统的Q因数指示异物是否邻近电力发送器和/或电力接收器被放置。例如，如果测量的Q因数小于预先确定的参考Q因数或Q因数中存在明显下降，则异物邻近电力发送器和/或电力接收器被放置。

在步骤304处，系统控制器确定是否已经检测到异物。如以上关于步骤302描述的，可以通过Q因数测试来检测异物。如图3中所示，如果已经检测到异物，则用于检测异物的方法进行至步骤318。在步骤318处，系统控制器将检测到的异物报告给用户。由于具有异物，因此电力发送器与电力接收器之间的电力传输被中断或停止。

如图3中所示，此外在步骤304处，如果还没有检测到异物，则用于检测异物的方法进行至步骤306。在步骤306处，在放置电力接收器和电力发送器的固定位置处执行DC校准。在一些实施方式中，在校准期间，接收器缓慢地增加电力需求。例如，接收器的输出电力从1W以1W的步长增加到15W。响应于接收器处的电力增加，发送器的输入电力相应地增加。接收器的输出电力和发送器的输入电力二者均被记录。基于在不同电力水平下的测量，产生发送器的输入电力与接收器的输出电力之间的电力映射。由于校准是仅DC校准，因此可以准确地计算电力损耗(发送器的输入电力与接收器的输出电力之间的差)。在启用了电力发送器与电力接收器之间的电力传输之后，可以使用电力损耗来检测异物。将在下面关于步骤314来描述基于电力损耗的异物检测。在DC校准完成之后，该方法以步骤308继续进行。

在固定位置处执行DC校准的一个有利特征是：在电力传输开始之后，可以基于DC值来测量电力损耗。这种基于DC值的测量有助于实现更好的准确度。此外，采用检测线圈来检测任何位置变化。更特别地，在电力传输开始之后，检测线圈能够连续地监测发送器与接收器之间的相对位置变化。一旦发送器与接收器之间的相对位置变化发生，检测线圈就会产生与发送器和接收器之间的偏移成比例的输出电压。响应于该新检测到的偏移，系统控制器将停止电力传输。然后，系统控制器将在恢复发送器与接收器之间的电力传输之前，基于发送器与接收器之间的新的相对位置来重新进行DC校准。

在步骤308处，计算或测量电力发送器与电力接收器之间的相对耦合。相对耦合是发送器线圈与接收器线圈之间的耦合因数(例如，耦合系数)。相对耦合指示电力接收器相对于电力发送器的位置。相对耦合被用于发现在电力传输开始之后是否存在电力接收器与电力发送器之间的相对位置变化。在电力传输过程期间，系统控制器保持监测相对耦合。在相对位置变化发生之后，系统控制器停止电力传输。系统控制器必须执行异物测试，并且基于新获得的发送器与接收器之间的偏移来重新进行DC校准。下面将关于步骤316来描述使用相对耦合发现相对位置变化。此外在步骤308处，相对耦合被记录在系统存储器中。如图3中所示，在步骤308完成之后，该方法以步骤310继续进行。

在步骤310处，电力传输开始。一旦启动了电力传输，无线电力传输系统就会持续监测电力发送器与电力接收器之间的相对耦合。当检测到相对耦合的变化(主要是由电力发送器与电力接收器之间的相对位置的变化引起的)时，无线电力传输系统将停止电力传输，并且在恢复电力传输之前重新开始Q因数检测(步骤302)和DC校准(步骤306)。

检测相对耦合的变化的一个有利特征是：总是基于电力发送器与电力接收器之间的当前耦合关系来测量用于电力损耗计算的校准数据。基于DC校准的电力损耗计算与耦合检测相结合，以确保在发送器与接收器之间的高电力传输期间准确的异物检测机制。当相对耦合的变化发生时，DC校准不再有效。新的DC校准被触发以确保准确的电力损耗计算。基于该准确的电力损耗计算，系统控制器能够基于电力损耗的增加来发现异物。

在步骤312处，基于在发送器侧和接收器侧二者上的一些电力测量来计算流过发送器线圈的电力和在接收器线圈处接收的电力，差是电力损耗(Ploss)。同时，再次计算相对耦合(k)。

在步骤314处，将在步骤312处获得的电力损耗与预先确定的电力损耗阈值进行比较。如果电力损耗大于预先确定的电力损耗阈值，则过大的Ploss意味着一些电力损耗未被考虑，并且最可能异物或一些异物进入了场中，并且异物正在获取额外的电力并将额外的电力转换为热。

如图3中所示，如果电力损耗(Ploss)大于预先确定的电力损耗阈值(Plossth)，则用于检测异物的方法进行至步骤318。在步骤318处，系统控制器报告检测到的异物。由于具有异物，因此电力发送器与电力接收器之间的电力传输被中断或停止。

如图3中所示，此外在步骤314处，如果还没有检测到异物，则用于检测异物的方法进行至步骤316。

在步骤316处，将在步骤312处获得的相对耦合与在步骤308处获得的相对耦合之间的差与预定阈值进行比较。如果在步骤312处获得的相对耦合与在步骤308处获得的相对耦合之间的差大于预定阈值，则存在电力发送器与电力接收器之间的相对位置变化。考虑到相对位置变化，用于检测异物的方法进行至步骤320，在步骤320处，停止电力传输。在停止电力传输之后，用于检测异物的方法进行至步骤302，在步骤302处，该方法在恢复发送器与接收器之间的电力传输之前重新开始Q因数检测(步骤302)和DC校准(步骤306)。

如图3中所示，此外在步骤316处，如果在步骤312处获得的相对耦合与在步骤308处获得的相对耦合之间的差小于预定阈值，则电力发送器与电力接收器之间的相对位置变化不会发生。该方法进行至步骤312。

图4示出了根据本公开内容的各种实施方式的接收器线圈和检测线圈。接收器线圈404和检测线圈406形成在印刷电路板中。接收器线圈404和检测线圈406被磁性材料层402覆盖。磁性材料层402可以由诸如铁氧体等的合适的磁性材料形成。如图4中所示，接收器线圈404具有十二匝。检测线圈406具有两匝。

如图4中所示，检测线圈406具有具有第一直径的第一匝和具有第二直径的第二匝。第二直径大于第一直径。如图4中所示，第二匝被放置在接收器线圈404外部。第一匝被放置在接收器线圈404上方。

在操作中，当由接收器线圈感应的电流流过检测线圈时，检测线圈的每个匝将产生磁通量。相对于与接收器线圈垂直的竖直轴，第一匝中的磁通量的方向与第二匝中的磁通量的方向相反。由于来自第一匝的磁通量和来自第二匝的磁通量趋于彼此抵消，因此检测线圈与接收器线圈之间的耦合几乎等于零。换言之，检测线圈与接收器线圈之间的互感等于零。该特征确保了由检测线圈406产生的检测电压对流过接收器线圈404的电流具有几乎为零的依赖性。由检测线圈406产生的检测电压仅对检测线圈与发送器线圈之间的耦合有依赖性。

检测线圈406和接收器线圈404可以形成在印刷电路板(printed circuit board，PCB)的至少两个不同层中。在一些实施方式中，检测线圈406和接收器线圈404可以形成在彼此紧邻的两个层中。在替选实施方式中，检测线圈406和接收器线圈404可以形成在由多个PCB层隔开的两个层中。在一些实施方式中，这两个PCB层中的迹线通过诸如通孔等的合适的互连结构连接在一起。

图5示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈、接收器线圈、检测线圈及其磁耦合。无线电力传输系统包括三个线圈，即如图5中示出的发送器线圈502、接收器线圈504和检测线圈506。如图5中所示，发送器线圈502连接至发送器电容器Cp。接收器线圈504连接至接收器电容器Cr。检测线圈506连接至检测电容器Cd。如图5中所示，两个线圈之间的双箭头连接器表示这两个线圈的磁耦合。如图5中所示，发送器线圈502以耦合系数M12耦合至接收器线圈504。同样，发送器线圈502以耦合系数M13耦合至检测线圈506。接收器线圈504以耦合系数M23耦合至检测线圈506。

如图5中所示，发送器电流ITX流过发送器电容器Cp和发送器线圈502。在已经建立发送器线圈502与接收器线圈504之间的磁场之后，接收器电流Irect流过接收器线圈504和接收器电容器Cr。另外，响应于发送器电流ITX，由检测线圈506产生输出电压Vd。在一些实施方式中，检测线圈506被设计成使得输出电压Vd与发送器和接收器之间的相对位置成比例。换言之，输出电压Vd与发送器和接收器之间的偏移成比例。输出电压Vd对流过接收器504的电流没有依赖性。下面将参照图6至图8来描述检测线圈的详细工作原理。在一些实施方式中，输出电压Vd可以被表示为：

Vd＝ITX×2πf×M13

其中，ITX是流过发送器的电流的幅度，f是发送器的工作频率。

应当注意的是，尽管在上述计算中使用流过发送器的电流，但是电流测量的绝对精度并不重要。这是因为仅使用相对测量来确定是否需要重新校准。只要检测线圈与发送器线圈之间的耦合保持单调变化，发送器电流测量的绝对值就可以容许更多误差。

图6示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈与接收器线圈之间的各种相对位置。根据不同的应用和设计需要，发送器线圈与接收器线圈之间的相对位置可能变化。在第一实施方式602中，发送器线圈从接收器线圈偏移开。如图6中所示，发送器线圈的边缘与接收器线圈的边缘对准。在第二实施方式604中，发送器线圈与接收器线圈部分交叠。如图6中所示，发送器线圈的边缘与检测线圈的第一匝的边缘对准。在第三实施方式606中，发送器线圈与接收器线圈部分交叠。如图6中所示，发送器线圈的边缘与接收器线圈的中心对准。如图6中所示，在第四实施方式608中，发送器线圈与接收器线圈完全对准。

图7示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈、接收器线圈和检测线圈的磁耦合波形。图7的水平轴表示接收器线圈相对于发送器线圈的位置。水平轴的单位是毫米。在水平轴的0.0处，发送器线圈与接收器线圈之间的偏移等于零。换言之，发送器线圈的中心与接收器线圈的中心对准。在水平轴的-20.00处，发送器线圈与接收器线圈之间的偏移等于20mm。图7的竖直轴表示不同线圈之间的互感。竖直轴的单位是欧姆。

图7示出了接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置变化在从0mm至20mm的范围内。在一些实施方式中，偏移范围(接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置变化)在从0mm至约10mm的范围内。第一波形702示出了发送器线圈与接收器线圈之间的互感。换言之，波形702指示在发送器线圈与接收器线圈之间的不同偏移下发送器线圈与接收器线圈之间的磁耦合。如图7中所示，在从0mm至约10mm的范围内，波形702是单调曲线。特别地，波形702随着发送器线圈与接收器线圈之间的偏移增加而单调减小。

波形704示出了接收器线圈与检测线圈之间的互感。换言之，波形704指示在发送器线圈与接收器线圈之间的不同偏移下接收器线圈与检测线圈之间的磁耦合。如图7中所示，在从0mm至约10mm的范围内，接收器线圈与检测线圈之间的互感大约等于零。换言之，接收器线圈与检测线圈之间的磁耦合几乎等于零。

波形706示出了发送器线圈与检测线圈之间的互感。换言之，波形706指示在发送器线圈与接收器线圈之间的不同偏移下发送器线圈与检测线圈之间的磁耦合。如图7中所示，在从0mm至约10mm的范围内，波形706是单调曲线。特别地，波形706随着发送器线圈与接收器线圈之间的偏移增加而单调减小。

单调曲线(例如，波形706)确保检测线圈的输出电压对流过接收器线圈的电流具有几乎为零的依赖性，并且仅对检测线圈与发送器线圈之间的耦合有依赖性。此外，检测线圈还被设计成使得检测线圈的输出电压具有线性关系并且相对于发送器线圈与接收器线圈之间的相对偏移具有单调变化。

应当注意的是，如图7中所示，检测线圈的设计还可以被改进成使得：当发送器线圈与接收器线圈完全对准时，发送器线圈与检测线圈之间的互感等于零并且随着发送器线圈与接收器线圈之间的偏移增加而单调减小。

可以通过合适的电压检测装置来测量检测线圈的输出电压。检测到的电压指示发送器线圈与接收器线圈之间的偏移。

图8示出了根据本公开内容的各种实施方式的峰值检测器的示意图。峰值检测器被用于检测检测线圈的输出电压。峰值检测器800包括运算放大器802、二极管D1、电容器C和开关S1。运算放大器802的非反相输入端被配置成连接至检测线圈的第一输出端子。检测线圈的第二输出端子连接至地。运算放大器802的反相输入端连接至峰值检测器800的输出端Vout。电容器C充当保持电容器。二极管D1充当阻挡二极管。开关S1充当提供用于保持电容器的放电路径的复位开关。

在操作中，输入电压Vin被用于给保持电容器充电。保持电容器被充电至Vin的峰值。二极管D1防止保持电容器放电。检测线圈的输出电压由峰值检测器800进行采样。基于峰值检测器800的输出，系统控制器确定发送器线圈与接收器线圈之间的相对位置变化是否发生。如以上关于图3的步骤316描述的，如果来自峰值检测器的相对位置变化大于预定阈值，则系统控制器可以使发送器与接收器之间的电力传输停止。

应当注意的是，图8中示出的峰值检测器仅是示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替选方案和修改。例如，也可以在采样之前对检测线圈的输出电压进行整流。此外，检测线圈的输出电压可以由系统控制器中的高速模拟/数字转换器直接采样。

图9示出了根据本公开内容的各种实施方式的接收器线圈和检测线圈的另一种实现。除了检测线圈906具有三匝以外，磁性材料层902、接收器线圈904和检测线圈906与图4中示出的磁性材料层402、接收器线圈404和检测线圈406类似。检测线圈的附加匝(第三匝)提供了又一个自由度，以允许进行更准确的耦合设计。下面的图10示出了具有第三匝的优势。

图10示出了根据本公开内容的各种实施方式的发送器线圈、接收器线圈和检测线圈的磁耦合波形。图10的水平轴表示接收器线圈相对于发送器线圈的位置。水平轴的单位是毫米。在水平轴的0.0处，发送器线圈与接收器线圈之间的偏移等于零。换言之，发送器线圈的中心与接收器线圈的中心对准。在水平轴的-12.00处，发送器线圈与接收器线圈之间的偏移等于12mm。换言之，发送器线圈的中心与接收器线圈的中心之间的距离为12mm。图10的竖直轴表示不同线圈的耦合系数。

第一波形1002表示发送器线圈与接收器线圈之间的耦合系数。如图10中所示，发送器线圈与接收器线圈之间的耦合系数随着发送器线圈与接收器线圈之间的偏移增加而单调减小。第二波形1004表示检测线圈与接收器线圈之间的耦合系数。如图10中所示，检测线圈与接收器线圈之间的耦合系数几乎等于零。第三波形1006表示发送器线圈与检测线圈之间的耦合系数。如图10中所示，发送器线圈与检测线圈之间的耦合系数随着发送器线圈与接收器线圈之间的偏移增加而单调减小。

图10中示出的磁耦合波形基于图9中示出的检测线圈。在采用具有三匝的检测线圈之后，当发送器线圈与接收器线圈完全对准时，发送器线圈与检测线圈之间的磁耦合非常接近于零。另外，在所有偏移情况下，接收器线圈与检测线圈之间的磁耦合始终接近于零。

尽管已经详细描述了本公开内容的实施方式及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替代和变更。

例如，在一个实施方式中，公开了一种装置，该装置包括：接收器装置，其被配置成磁性地耦合至无线电力传输系统的发送器线圈；以及在接收器装置上方的检测装置，该检测装置具有第一匝和第二匝，其中，通过第一匝的第一磁通量和通过第二匝的第二磁通量彼此相反，并且其中，由于第一磁通量和第二磁通量彼此相反，因此接收器装置与检测装置之间的磁耦合适当地等于零。

此外，本申请的范围并不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施方式。如本领域普通技术人员将从本公开内容的公开内容中容易理解的，可以根据本公开内容来使用目前存在或以后将要开发的、执行与本文中描述的相应实施方式基本上相同功能或实现与本文中描述的相应实施方式基本上相同结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在它们的范围内。因此，说明书和附图应被简单地视为由所附权利要求限定的本公开内容的说明，并且预期覆盖落入本公开内容的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同物。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

对无线电力传输系统执行电力损耗校准；

启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输；

基于所述电力损耗校准来计算所述无线电力传输系统的电力损耗；

测量所述无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的耦合因数；以及

基于所计算的电力损耗和所测量的耦合因数确定是否继续所述无线电力传输系统的无线电力传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所计算的电力损耗和所测量的耦合因数确定是否继续所述无线电力传输系统的无线电力传输包括：

将所计算的电力损耗与预定电力损耗阈值进行比较，以获得电力损耗比较结果；

将所测量的耦合因数与预定耦合因数阈值进行比较，以获得耦合因数比较结果；以及

基于所述电力损耗比较结果和所述耦合因数比较结果，确定是否继续所述无线电力传输系统的无线电力传输。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输之前，对所述无线电力传输系统执行异物测试；测量所述无线电力传输系统的Q因数；将所测量的Q因数与预定参考进行比较以获得Q因数测量结果；以及基于所述Q因数测量结果来确定异物是否存在。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在将所测量的耦合因数与所述预定耦合因数阈值进行比较以获得耦合因数比较结果之前，将所计算的电力损耗与所述预定电力损耗阈值进行比较以获得电力损耗比较结果；以及基于所述电力损耗比较结果来确定异物是否存在。

5.根据权利要求3或4所述的方法，还包括：

在确定所述异物存在于所述无线电力传输系统中时，由系统控制器报告所述异物。

6.根据权利要求3或4所述的方法，还包括：

在将所测量的耦合因数与所述预定耦合因数阈值进行比较以获得所述耦合因数比较结果之后，在所述耦合因数比较结果指示所述接收器线圈与所述发送器线圈之间的相对位置变化之后，停止所述无线电力传输。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述耦合因数指示所述接收器线圈相对于所述发送器线圈的位置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括：

使用检测线圈来检测所述接收器线圈与所述发送器线圈之间的相对位置，其中，所述检测线圈和所述接收器线圈形成在印刷电路板中；以及

根据所述接收器线圈与所述发送器线圈之间的相对位置，确定所述检测线圈与所述接收器线圈之间的磁耦合。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述检测线圈与所述接收器线圈之间的磁耦合近似等于零。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，响应于所述发送器线圈与所述接收器线圈之间的不同偏移，所述检测线圈与所述发送器线圈之间的磁耦合呈现单调曲线。

11.一种装置，包括：

接收器线圈，其被配置成磁性地耦合至无线电力传输系统的发送器线圈；以及

在所述接收器线圈上方的检测线圈，所述检测线圈具有第一匝和第二匝，其中，通过所述第一匝的第一磁通量和通过所述第二匝的第二磁通量彼此相反，并且其中，由于所述第一磁通量和所述第二磁通量彼此相反，因此所述接收器线圈与所述检测线圈之间的磁耦合适当地等于零。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括：

峰值检测器，其具有第一输入端、第二输入端以及连接至所述峰值检测器的所述第二输入端的输出端，所述第一输入端连接至所述检测线圈的第一端子，所述检测线圈的第二端子连接至地，并且其中，所述峰值检测器的输出指示所述接收器线圈相对于所述发送器线圈的位置。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的装置，其中，所述检测线圈和所述接收器线圈形成在两层印刷电路板中，并且所述检测线圈的中心轴与所述接收器线圈的中心轴对准。

14.一种方法，包括：

执行耦合因数测试以测量第一耦合因数，所述第一耦合因数表示无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的第一相对位置；

启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输；

执行所述耦合因数测试，以测量所述无线电力传输系统的接收器线圈与发送器线圈之间的第二相对位置；以及

在发现所述无线电力传输系统的接收器线圈与发送器线圈之间的相对位置变化之后，停止所述无线电力传输系统上的无线电力传输。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

在启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输之前，执行Q因数测试以获得所述无线电力传输系统的Q因数；

将所述Q因数与预定Q因数参考进行比较；以及

基于来自将所述Q因数与所述预定Q因数参考进行比较的步骤的比较结果来确定异物是否存在。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括：

在启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输之前，基于所述无线电力传输系统的发送器线圈与接收器线圈之间的第一相对位置来执行电力损耗校准；

基于所述电力损耗校准来生成第一电力损耗曲线；以及

在启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输之后，基于所述第一电力损耗曲线来计算所述无线电力传输系统的电力损耗；以及基于所计算的电力损耗与预定电力损耗参考之间的比较来确定异物是否存在。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：

在启用所述无线电力传输系统上的无线电力传输之后，执行所述耦合因数测试以测量第二耦合因数；

将所述第二耦合因数和所述第一耦合因数之间的差与预定参考进行比较；以及

基于将所述第二耦合因数和所述第一耦合因数之间的差与所述预定参考进行比较的步骤的比较结果，确定所述接收器线圈与所述发送器线圈之间的相对位置变化。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

在发现所述相对位置变化之后，基于所述发送器线圈与所述接收器线圈之间的第二相对位置来执行第二校准测试。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，还包括：

通过在所述接收器线圈上方形成的检测线圈来执行所述耦合因数测试，其中，所述接收器线圈与所述检测线圈之间的磁耦合适当地等于零。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述接收器线圈具有多个匝；以及

所述检测线圈具有两匝，并且其中，所述检测线圈和所述接收器线圈具有相同的中心。

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