CN113364064A - 感应式电力发射器 - Google Patents

Abstract

本发明题为“感应式电力发射器”。本发明提供了一种感应式电力发射器，包括：转换器，该转换器被配置为在基本不同的频率下生成至少两个物体检测信号；至少一个发射线圈，该至少一个发射线圈被配置为基于物体检测信号生成磁场；和控制器，该控制器被配置为确定或测量与线圈相关的一个或多个电路参数，以确定线圈在频率的每个频率处的电感，并且根据频率的每个频率之间的电感变化确定是否存在物体和/或存在哪种物体。

Description

感应式电力发射器

相关申请引用

本申请是国际申请号为PCT/NZ2016/050181、国际申请日为2016年11月15日、进入中国国家阶段日期为2018年5月17日、中国国家申请号为201680067411.X、发明名称为“感应式电力发射器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体涉及用于感应式电力传输(IPT)，并且尤其是用于异物检测的感应式电力发射器。

背景技术

IPT是包括便携式电子设备无线充电的很多应用中使用的成熟技术的公知领域。充电垫是为便携式设备提供充电表面的一种方式，并且具有将电力发射器与一个或多个生成时变磁场的发射线圈结合的接口表面。磁场在合适的电力接收器接收线圈中感应出交流电，然后该交流电可用于给电池充电或者给设备或其他负载供电。

发明内容

本发明可提供改进的感应式电力发射器，或者至少为公众提供有用的选择。

根据一个示例实施方案，提供了感应式电力发射器，该感应式电力发射器包括：

转换器，该转换器被配置为在基本上不同的频率下生成至少两个物体检测信号，

至少一个发射线圈，该至少一个发射线圈被配置为基于物体检测信号生成磁场，和

控制器，该控制器被配置为确定或测量与线圈相关的一个或多个电路参数，以确定该线圈在频率的每个频率处的电感，并且根据频率的每个频率之间的电感变化来确定是否存在物体和/或存在哪种物体。

根据另一个实施方案，提供了感应式电力发射器，该感应式电力发射器包括：

至少一个发射线圈，该至少一个发射线圈被配置为在基本上不同的频率下生成至少两个物体检测信号，和

控制器，该控制器被配置为确定该线圈在频率的每个频率处的电感度量，并且根据频率的每个频率之间的电感变化来确定是否存在物体和/或存在哪种物体。

根据另一个实施方案，提供了感应式电力发射器，该感应式电力发射器包括：

至少一个物体检测线圈，

至少两个谐振电容器，

至少两个开关，该至少两个开关被配置为将相应电容器连接到线圈以在一频率处谐振，该电容器的值是基本上不同的，和

控制器，该控制器被配置为确定该线圈在频率的每个频率处的电感度量，并且根据频率的每个频率之间的电感变化来确定是否存在物体和/或存在哪种物体。

公认的，在可变的权限内，术语“包括(comprise)”“包括(comprises)”和“包括(comprising)”可被赋予排他性的或包含性的含义。出于本说明书的目的并且除非另外指出，否则这些术语旨在具有包含性含义，即它们将被认为是包括用途直接引用的列出的部件，并且可能还包括其他未指定的部件或元件。

对本说明书中的任何文献的标引并不构成承认其是现有技术，与其他文档的有效结合或其构成公共常识的一部分。

附图说明

结合到说明书中并且构成说明书的一部分的附图、本发明的例示实施方案以及连同上文给出的本发明的一般说明和下文给出的实施方案的具体实施方式一起用于解释本发明的原理。

图1是感应式电力传输系统的示意图；

图2是物体检测系统的框图；

图3是示例性具体实施的电路图；并且

图4是另选的具体实施。

具体实施方式

在一些IPT应用中，针对无线电力发射器仅将电力传输至专门设计的电力接收器而不是所谓“异物”可能是有用的。异物被定义为定位在充电位置但不是预先确定的一组可能接收器设备中的一个可能接收器设备的一部分的任何物体。此类异物的典型示例为金属元件诸如硬币、钥匙、回形针等。例如，如果金属物体靠近活动的IPT场，则该金属物体可能由于由振荡磁场诱发的涡电流而发热。为了防止此类寄生金属的温度升高至不可接受的水平，电力发射器应能够在电力接收器和异物之间进行区分，并减少被传输的电力或完全中止操作。现在将描述用于检测与感应式电力发射器相关的异物的各种示例实施方案。

检测异物的第一种方法是测量功率损耗。在这种方法中，所接收的实际功率指示由于电力发射器产生的磁场而容纳在手持设备中的电力接收器之内耗散的实际功率的总量。所接收的实际功率等于可从电力接收器的输出获得的实际功率加上在产生该输出功率时丢失的任何实际功率。电力接收器将其接收到的实际功率传回给电力发射器以使得电力发射器能够确定功率损耗是否在可接受的设定限值之内并且，如果不在设定限值之内，电力发射器确定指示存在异物的异常行为。

用于检测异物的第二种方法使用发射器内的单独的激励和检测线圈。测量检测线圈的电感变化以确定异物的存在。

检测异物的第三种方法是在接收器或检测线圈中主动生成谐振电压并且然后通过发射器线圈检测Q值变化。

根据另一个示例实施方案，异物检测可依赖于异物在不同频率下的行为方式。例如，可以调谐IPT接收器，使得其反射阻抗可在谐振频率附近不同。然而，在远离谐振频率的频率处，反射的参数，诸如等效电感是相对频率稳定的。因此，如果物体检测线圈在第一低频率和第二高频率(其中两者均不靠近谐振频率)下被激励，则可测量电流以确定物体检测线圈的电感。物体检测线圈在低频和高频下的电感之间的差值通常在存在IPT接收器时非常小。

当引入异物时，其在不同频率下的行为可能会显著不同；例如，观察到在较高频率下的物体检测线圈的测量电感比较低频率下显著更低。

因此，通过测量两个频率之间电感的变化，可以在IPT环境中实现相对强健的检测算法。这可具有以下一个或多个优点：

·其不依赖于接收器/发射器的通信；

·即使存在IPT接收器，其也能够可靠地区分FO的存在；

·其可以与IPT同时被使用；

·检测相对快速；

·准确度和检测可靠性相对高；

·有各种电路可用于检测电感的变化，可以根据应用的要求来选择所述各种电路；

·OD功率电平可能相对适中且不会显著影响准确度；

·其不需要校准，或者为比较确定基线参数；

·其能够在金属物体和铁质或磁性物体之间进行区分；并且/或者

·接收器处不需要电路或修改。

异物检测可在感应式电力传输(IPT)系统1，诸如大致示于图1中的感应式电力传输系统中实施。IPT系统1通常包括感应式电力发射器2和感应式电力接收器3。感应式电力发射器2连接到适当的电源4诸如主电源或电池。感应式电力发射器2可包括发射器电路，该发射器电路具有转换器5，例如，交流电-直流电转换器(取决于所使用的电源类型)和逆变器6，例如，连接到转换器5(如果存在)中的一者或多者。逆变器6向一个或多个发射线圈7提供交流电信号，使得该一个或多个发射线圈7生成交变磁场。在一些配置中，一个或多个发射线圈7也可被认为是与逆变器5分开。一个或多个发射线圈7可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。

控制器8可连接到IPT发射器2的每个部分。控制器8可被适配为接收来自IPT发射器2的每个部分的输入并且产生控制每个部分的操作的输出。控制器8可被实现为单个单元或单独的单元，这些单元被配置为根据IPT发射器2的能力来控制其各个方面，包括例如：异物检测、功率流、调谐、选择性激励发射线圈、感应式电力接收器检测和/或通信。控制器8可具有一个或多个单元/部件并且可以是诸如微控制器、PID、FPGA、CPLD、ASIC等控制器。此外，可以将整个无线接收器电路的大部分集成到单个集成电路上。

感应式电力接收器3包括连接到接收器电路的一个或多个接收线圈9，该接收器电路可包括功率调节电路10，该功率调节电路继而向负载11供电。当IPT发射器2和感应式电力接收器3的线圈适当地耦接时，由一个或多个发射线圈7生成的交变磁场在一个或多个接收线圈9中感应交流电。功率调节电路10被配置为将感应的电流转换成适合于负载11的形式，并且可包括例如功率整流器、功率调节电路或两者的组合。一个或多个接收线圈9可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。在一些感应式电力接收器中，接收器可包括控制器12，该控制器可控制一个或多个接收线圈9的调谐、功率调节电路10的操作和/或通信。

术语“线圈”可包括导电结构，其中电流会生成磁场。例如，感应“线圈”可以是三维形状或二维平面形状的导电线，使用印刷电路板(PCB)技术制造成在多个PCB“层”上的三维形状和其他线圈状形状的导电材料。无论是单数或复数，术语“线圈”的使用不意味着在该意义上是限制性的。根据应用，可以使用其他配置。

在某些应用中可能需要IPT发射器选择性地向相关联的接收器设备(例如，移动电话、遥控器等)提供电力而不向异物(FO)(例如，回形针、硬币等)提供电力。为此目的，IPT发射器可包括物体检测(OD)系统。OD系统可响应于非接收器设备去激活线圈，或仅在仅存在接收器设备时激活线圈。在存在多个发射线圈的情况下，诸如线圈阵列(例如，在充电垫上)，OD系统可分别根据接收器/非接收器设备的位置来仅去激活/激活线圈的子集。根据应用要求，前面提到的FO检测算法可形成OD系统的部分，或者其可以是整个OD系统。

示例发射器2在图2中示出。逆变器6向发射线圈7供应电力以生成IPT场。OD电路200包括一个或多个激励线圈202以生成OD场，以及用于感测发射器2上或邻近发射器2的物体的存在和/或位置的检测电路204。发射器2的控制器8可直接，或经由单独的控制电路，被配置为确定向激励线圈202提供的激励并处理来自OD电路204的输出信号。

根据应用的要求，这可涉及线圈的阵列，和/或多个OD电路。在另选的具体实施中，OD场可由发射线圈7生成或可以由耦接的或其他方式的单独的调谐线圈来生成。可以利用IPT场相继地或同时操作它。

如上所述的OD场应在至少两个显著不同的频率下操作。根据应用，可以使用两个以上的频率。希望选择上频率和下频率，以允许对特定应用的预期异物进行可靠的检测。

可以相对于趋肤效应来解释异物的反射电感随频率下降的以上观察。趋肤效应预测，随着频率的増加，磁场将向导电金属体中穿透更少。涡流形成与穿透更深的磁场对抗的对抗磁场。这样达成了趋肤深度的概念，这是针对给定频率，磁场进入给定金属的预期穿透的指示。更确切地说，趋肤深度为电流密度是表面处电流密度1/e或0.37倍之处。

在较高频率下，这种阻塞效应具有形成由OD线圈所看到的反射电容的等效效应。换句话讲，如果测量到OD线圈的电感，则如果金属FO耦接到其上，它将随着激励频率显著减小。

在接近IPT发射器的典型异物的语境中，可在现实频率下利用趋肤效应来区分它们与已知的IPT接收器。例如，根据公式1计算趋肤深度：

其中

ρ＝导体的电阻率

ω＝电流的角频率＝2π×频率

μr＝导体的相对磁导率

μ0＝自由空间的磁导率

μ＝μrμ0

因此，趋肤深度与频率的平方根成反比。换句话讲，为了提供10倍的趋肤深度差异，OD激励频率应当有100倍的差异。预期实际检测需要至少5倍差异的趋肤深度。继而，应选择最小频率以便确定最小可检测的FO厚度。这可基于针对给定应用的预期FO来确定。

例如，在用于消费电子设备的IPT中，诸如用于移动电话的充电板，诸如硬币的FO大部分由铜或钢制成，在高OD激励频率下所期望趋肤深度介于1-2mm之间，在低OD激励频率下小于0.1-0.2mm。例如，OD场可介于5-50kHz和大于500kHz下操作，且IPT场可介于50-500kHz，例如110至205kHz下操作。为了确保在接收器物体存在时最佳的操作性能，OD场可被调谐至比IPT频率低和高至少五倍。例如，对于110kHz的IPT频率，OD频率可被调谐至10kHz或更小，并且至少1MHz。此外，可能希望IPT频率不是OD频率的谐波或反之亦然，以避免接收器设备中的任何谐波共振(因此导致来自OD场的接收器损耗)。

在一些实施方案中，发射器包括用于感应式电力传输的线圈7和用于生成OD场的独立线圈202。在另选的实施方案中，发射器包括被配置用于感应式电力传输并且还用于生成OD场的线圈7。

具体实施1：在两个频率下激励的独立OD线圈

如果使用单独的OD线圈，可以在上述两个显著不同的频率下激励该单独的OD线圈。对于预先确定或测量的激励电压和预先确定或测量的电流，可根据公式2(如果忽略电阻)来确定电感：

参见图3，示出了包括发射器2、OD电路200、OD线圈202和可控交流电源302的OD电路。电源可为独立的逆变器。

电源可在感兴趣频率下提供基本上正弦的波形。OD信号的功率电平应当足够小而不会引起太多的损耗并且也不太小以致难以测量电感。

检测算法可在硬件，例如逻辑中实现，这样向主发射器控制器提供了简单的高或低信号以执行适当动作。另选地，关于FO是否在附近的决定可以通过主发射器控制器上运行的软件来完成。该算法包括如下步骤：在第一频率下进行测试，测量电路参数，确定电感，在第二显著不同频率下进行测试，测量电路参数，确定电感，以及基于电感值差异是否在阈值之上来确定是否存在异物。

确定应足够频繁地进行，以不在电力传输期间导致所放置物体显著发热，例如每1或2秒钟的频率。可以添加超过2个频率以增加准确度和/或对FO的了解。只要可以准确地进行电感测量，就可以与IPT同时完成FOD。

根据应用，可使用FO的检测来警示用户，例如取下硬币和/或关闭IPT场。理想情况下，IPT场应该在发生任何过度加热之前关闭，这可与单独的温度传感器结合完成。

通过将根据具体实施1的OD线圈连接到LCR计量仪来执行试验。在若干不同情形中，例如通过自身(“线圈”)，通过自身并在线圈顶部放置铁氧体板(“铁氧体”)，在两个不同频率下测量线圈的电感。上频率和下频率之间的L变化分别为1％和2.5％，这表明L在线圈自身中跨不同频率相对稳定，并且铁氧体不引起任何显著的非线性。

接下来，利用附近各种不同的FO测试线圈。首先用一枚20美分的硬币直接平放在OD线圈(“FOD1”)的顶部，附近有铁氧体和硬币(“FOD2”)。这清楚地表明，金属物体的存在引起在具有和不具有附近铁氧体的不同频率下L的显著变化。在该示例中，5-10％变化的阈值可用来区分金属物体。这可提供比现有技术方法简单得多的检测方法。

表1

	线圈	铁氧体	FOD1	FOD2
					10kHz(uH)	12.1	43.0	12.3	13.4
1MHz(uH)	12.0	42.0	10.6	11.0
					％ΔL	-1％	-2.5％	-15.3％	-19.6％

具体实施2：单独的谐振OD线圈

图4示出了另选的OD电路200，该另选的OD电路具有谐振回路，该谐振回路包括OD线圈L1和两个平行调谐的电容器C1、C2。谐振回路将具有根据公式3的自然谐振频率：

选择C1和C2的值，使得C1和C2的值在两个明显不同的频率(即FOD频率)下与L1谐振。

当使用开关M3通过脉冲或直流电信号激励谐振回路时，根据OD线圈处看到的电容器和反射电感，将发生瞬态响应。首先闭合开关M1并打开开关M2进行这种操作，使得所得瞬态的频率由L1(包括反射阻抗)和C1定义。可使用过零检测器和计数器来测量瞬态响应的频率/周期。

然后打开M1，闭合M2，使得频率由L1(包括反射阻抗)和C2定义。再次测量频率。然后根据公式2确定每种情况的电感。如果电感的变化在阈值之上，则已识别出FO。

具体实施3：用于OD激励的Tx线圈

也可使用主IPT线圈7生成这两个频率。在这种情况下，逆变器将OD信号叠加在IPT功率传输信号上方。为了检测电感的变化，针对两个OD频率中的每个频率，结合电流变换器提供独立滤波器。根据与IPT频率相关的OD频率，滤波器可以是陷波滤波器或高/低通滤波器。然而，由于IPT信号可能比OD信号强得多，因此可能需要快速滚降(即更高阶)的滤波器。

尽管已通过对本发明的实施方案的描述说明了本发明，并且尽管已详细描述了实施方案，但是申请人的意图并非将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制为此类细节。对于本领域的技术人员而言，其他的优点和修改将是显而易见的。因此，本发明的更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及例示性示例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的实质或范围的情况下，可以对此类细节进行修改。

Claims (20)

1.一种感应式电力发射器，包括：

转换器，所述转换器被配置为在基本上不同的物体检测频率下生成至少两个物体检测信号，其中所述至少两个频率中的第一物体检测频率低于感应式电力传输频率，并且所述至少两个频率中的第二物体检测频率高于感应式电力传输频率，并且其中所述感应式电力传输频率介于110至205kHz之间，所述第一物体检测频率介于5至50kHz之间，并且所述第二物体检测信号大于500kHz；

至少一个发射线圈，所述至少一个发射线圈被配置为根据所述物体检测信号生成磁场，以及

控制器，所述控制器被配置为：

确定在所述第一物体检测频率和所述第二物体检测频率中的每个物体检测频率下与所述线圈相关的一个或多个电路参数；以及

响应于在所述第一物体检测频率和所述第二物体检测频率中的每个物体检测频率之间的所述一个或多个电路参数的变化来识别物体。

2.根据权利要求1所述的发射器，其中基于预先确定的异物的已知趋肤深度来选择所述第一物体检测频率和所述第二物体检测频率以检测所述预先确定的异物。

3.根据权利要求1所述的发射器，其中所述第二物体检测频率大于所述第一物体检测频率的5倍。

4.根据权利要求1所述的发射器，其中所述第二物体检测频率大于所述第一物体检测频率的10倍。

5.根据权利要求1所述的发射器，其中所述线圈被配置为利用感应式电力传输信号依次生成所述至少两个物体检测信号。

6.根据权利要求1所述的发射器，其中所述线圈被配置为利用感应式电力传输信号同时生成所述至少两个物体检测信号。

7.根据权利要求1所述的发射器，其中所述转换器被配置为以由存在的物体的种类确定的无线电力传输频率来驱动所述发射线圈。

8.根据权利要求1所述的发射器，包括多个无线电力传输线圈，其中所述控制器还被配置为基于所述物体的位置来激活所述多个无线电力传输线圈的子集。

9.根据权利要求1所述的发射器，其中所述发射线圈还被配置为：

以不同于所述第一物体检测频率和所述第二物体检测频率的附加物体检测频率来生成附加物体检测信号；

确定在所述附加物体检测频率中的每个附加物体检测频率下与所述线圈相关的所述一个或多个电路参数；以及

响应于所述第一物体检测频率、所述第二物体检测频率和所述附加物体检测频率之中的所述一个或多个电路参数的变化来识别物体。

10.根据权利要求9所述的发射器，其中所述附加物体检测频率从以下项中被选择：

跨越所述第一物体检测频率的第一频率范围；以及

跨越所述第二物体检测频率的第二频率范围。

11.一种感应式电力发射器，包括：

转换器，所述转换器被配置为在两个或更多个基本上不同的物体检测频率下生成至少两个物体检测信号，其中：

所述两个或更多个基本上不同的物体检测频率中的至少一个第一物体检测频率低于感应式电力传输频率；

所述两个或更多个基本上不同的物体检测频率中的至少一个第二物体检测频率高于感应式电力传输频率；

所述至少一个第一物体检测频率介于5至50kHz之间，所述至少一个第二物体检测频率大于500kHz，并且所述感应式电力传输频率介于110至205kHz之间；

至少一个发射线圈，所述至少一个发射线圈被配置为根据所述至少两个物体检测信号来生成磁场，以及

控制器，所述控制器被配置为：

确定与所述线圈相关的一个或多个电路参数；以及

响应于所述两个或更多个基本上不同的频率之中的所述一个或多个电路参数的变化来检测或识别物体；

其中所述控制器还被配置为如果异物被检测到或识别到，则禁用去往感应式电力接收器的感应式电力传输。

12.根据权利要求11所述的发射器，其中所述至少一个第一物体检测频率大于所述至少一个第二物体检测频率的5倍。

13.根据权利要求11所述的发射器，其中所述至少一个第一物体检测频率大于所述至少一个第二物体检测频率的10倍。

14.根据权利要求11所述的发射器，其中基于预先确定的异物的已知趋肤深度来选择所述至少一个第一物体检测频率和所述至少一个第二物体检测频率以检测所述预先确定的异物。

15.根据权利要求11所述的发射器，其中所述线圈被配置为利用感应式电力传输信号依次生成所述至少两个物体检测信号。

16.根据权利要求11所述的发射器，其中所述线圈被配置为利用感应式电力传输信号同时生成所述至少两个物体检测信号。

17.根据权利要求11所述的发射器，其中所述转换器被配置为以由存在的物体的种类确定的无线电力传输频率来驱动所述发射线圈。

18.根据权利要求11所述的发射器，还包括多个无线电力传输线圈，其中所述控制器还被配置为基于所述物体的位置来激活所述多个无线电力传输线圈的子集。

19.一种使用感应式电力发射器检测物体的方法，所述方法包括：

使用所述感应式电力发射器的功率转换器来以第一物体检测频率生成第一物体检测信号，并且以第二物体检测频率生成第二物体检测信号，所述第一物体检测频率低于所述感应式电力发射器的感应式电力传输频率，所述第二物体检测频率高于所述感应式电力传输频率，其中所述感应式电力传输频率介于110至205kHz之间，所述第一物体检测频率介于5至50kHz之间，并且所述第二物体检测频率大于500kHz；

利用所述第一物体检测信号和所述第二物体检测信号来驱动至少一个发射线圈；

使用所述感应式电力发射器的控制器以：

确定在所述第一物体检测频率和所述第二物体检测频率中的每个物体检测频率下与所述线圈相关的一个或多个电路参数；以及

响应于在所述第一物体检测频率和所述第二物体检测频率中的每个物体检测频率之间的所述一个或多个电路参数的变化来识别物体。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：响应于存在的物体的种类来确定所述感应式电力传输频率。

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