CN114830492A - 用于感应充电系统的物体检测装置 - Google Patents

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Abstract

在感应充电系统中，能量通过磁场传递。一种用于感应充电系统的物体检测装置包括：发射器，该发射器用于发射信号；以及接收器，该接收器具有包括大部分磁场的视场，用于接收视场内的信号的反射。信号处理器检查所接收的信号的特性以标识与磁场相关的危险状况。通过将所接收的信号转换成频域信号，可以根据频域信号的形式来标识危险状况。物体检测装置适用于电动车辆的充电装置。

Description

用于感应充电系统的物体检测装置
技术领域
一种用于感应充电系统的物体检测装置。一种包括物体检测装置的感应充电系统。一种检测物体检测装置中的危险状况的方法。
背景技术
无线功率传输技术正越来越多地用于将功率从电功率源传输到从需要几瓦功率的小型手持消费电子设备(诸如移动电话和平板电脑)到需要几千瓦功率的电动车辆的各种设备。除了不需要插入电源设备来供电或给电池再充电所带来的便利之外，没有线和线缆使得桌面和停车位变得更整洁，同时减少了杂乱、绊倒和触电危险。无线传递功率具有多种方式，包括电容耦合和电感耦合，这两种方式提供了相比于用于给设备供应功率的电阻(即有线)耦合的优点。
无线功率传递系统可以被设计成从电源跨越间隙向设备或负载递送从几分之一瓦、数瓦至数千瓦的任何功率。典型地，该间隙是磁线圈之间的气隙，尽管其他技术包括在电容器的极板之间的递送功率。并且无线功率传递系统可以被设计成在固定频率或可变频率下进行操作，这对于变化的负载条件是有用的。
如此递送的能量可以用于，例如给电子电路供电、用于给设备供电；包括为诸如手机或桌子的消费设备供电；还包括驱动电动车辆中的电动机，并对电路或车辆中的电池进行充电。给手机供电或对其电池充电需要数瓦的功率，而给电动车辆中的电机供电或对电池充电需要数千瓦。电池电路或电机越大，或者要求电池充电越快，必须跨越气隙传递的功率就越大。
无线功率传输技术已在不同的技术领域中发展，从而导致了不同的术语用于描述本质上相同的事物。诸如“磁耦合/“磁感应”、“感应功率传递、“感应充电”和“谐振感应功率传递”的术语是常见的。虽然可能存在微小的差异，但是这些术语通常被广泛地且可互换地使用，以指代通过磁场的方式从电源跨越气隙向负载传递功率的系统。本文中将使用术语“感应充电系统”或ICS来标识这种系统。
同样，各种术语用于指代感应充电系统(inductive charging system，ICS)的不同元件。本质上，ICS包括与功率供应部相关联的装备和与设备相关联的装备。功率供应装备包括将来自功率供应部的能量转换成适于驱动线圈的形式的电路。类似地，设备装备将由磁场在线圈中感应的能量转换成适于给设备供电或对设备中的电池充电的形式。
感应充电系统可以用于对电动车辆中的电池充电。驾驶员可以将他们的汽车停在地面的充电装备上方，该充电装备与车辆上的充电装备磁耦合，从而将能量传递到电池。用于车辆的感应充电系统类似地具有多个不同的名称，例如，也称为无线电动车辆充电(wireless electric vehicle charging，WEVC)系统和电动车辆电池充电器。这些名称不具有特别的含义，仅是商业选择的差别。
在用于与电动车辆一起使用的感应充电系统(ICS)中，功率供应装备具有各种名称，包括地面衬垫和可连接到主功率供应部的地面衬垫模块(ground pad module，GPM)。该设备装备被称为车辆衬垫或汽车衬垫模块(car pad module，CPM)，并且可安装在诸如汽车的车辆中，以提供能量来对车辆的电池充电。在许多情况下的命名取决于由给定制造公司所采用的语言。自然地，电动车辆ICS能够与各种车辆一起工作(包括汽车和更重的道路车辆(包括卡车、公共汽车和有轨电车))，并且不限于与汽车一起使用，无论它们在道路行驶还是其他。本文中将使用术语“地面衬垫模块”(GPM)和“汽车衬垫模块”(CPM)来标识用于电动车辆的ICS的两个主要部分。
在ICS的不同实施方式之间的不同的其他术语包括“磁线圈”、“感应线圈”和“天线”。这些术语也是松散地并且基本上是可互换地用于描述感应充电系统的跨越气隙传递能量的部分。尽管不应该使用这些不同的术语，但为了准确起见，值得注意的是这些元件实际上是线圈而不是天线。这是因为在典型的操作频率下，元件在仅存在磁场的近场中传递能量。
在考虑电磁场的情况下设计了天线，一旦辐射能量超过近场传送到远场，则形成了电磁场。近场结束和远场开始的位置取决于发射设备(例如，线圈或天线)的特性。对于无线功率传输应用，通常不需要确切的定义，因为气隙的大小和系统操作的频率将其牢牢地置于近场中。然而，前述“磁线圈”、“感应线圈”和“天线”类似地被活跃在无线功率传递领域的那些人员互换使用。
感应充电系统可以单独使用磁线圈，或者与其他调谐的或可调谐元件一起使用。在电动车辆功率传递应用中，地面衬垫模块可以包含与相关联的驱动电子设备结合的线圈，或者地面衬垫模块可以包含线圈，同时一些或所有相关联的电子设备被提供在分离的外壳中。无论以何种方式，地面衬垫模块中的线圈用于通过磁场发射功率。类似地，汽车衬垫模块可以包含与相关联的控制电子设备结合的线圈，或者它可以包含线圈，同时一些或所有相关联的电子设备被提供在分离的外壳中。无论哪种方式，汽车衬垫模块中的线圈用于通过磁场接收功率。
感应充电系统的设计的一个重点领域是维护安全环境。当系统运行时，磁场可以跨越接地衬垫模块和车辆衬垫模块之间的空间传递较大量的能量。即使是小型家用系统在使用中也能够产生在衬垫之间能传递2kW到3kW的能量的磁场。诸如硬币、回形针，以至铝盖酸奶罐的异物将在磁场中升温，从而造成火灾隐患。活体(即人和动物)在暴露于如此高能量磁场的情况下，也有受伤的风险。
考虑到这点，已经努力设计能够检测磁场中或进入磁场的一个或多个物体的感应充电系统。感应充电系统通常包括物体检测装置，该物体检测装置标识这种物体并使系统关闭，直到物体移动或从磁场中移除。
WO 2016060748似乎描述了一种用于活体保护的装置，其中使用多个雷达模块来检测检测区域中的物体。雷达模块安装在基垫的指向背离基垫的侧部上，以提供基垫的所有侧部上的覆盖。
WO 2019086690似乎描述了一种感应能量发射单元的监控设备。监控系统评估多普勒信息，并利用存储在监控设备中的所存储的多普勒特征来补偿该信息。
发明内容
在感应充电系统中，能量通过磁场传递。一种用于感应充电系统的物体检测装置包括：发射器，该发射器用于发射信号；以及接收器，该接收器具有包括大部分磁场的视场，用于接收视场内的信号的反射。信号处理器检查所接收的信号的特性，以标识与磁场相关的危险状况。通过将所接收的信号转换成频域信号，可以根据频域信号的形式来标识危险状况。物体检测装置适用于电动车辆的充电装置。
如权利要求中所限定的那样，本发明提供了一种用于感应充电系统的物体检测装置、一种包括物体检测装置的感应充电系统以及一种检测物体检测装置中的危险状况的方法。
本发明及其特征特别地在权利要求中阐述，并且根据考虑参考附图以示例方式给出的以下详细描述，对于本领域技术人员来说本发明及其特征以及其优点可以变得更清楚。
附图说明
在附图中：
图1是示出用于电动车辆的感应充电系统的元件的示意图；
图2是示出物体检测装置的元件的示意图；
图3是汽车衬垫模块的示意性横截面；
图4是另一汽车衬垫模块的示意性横截面；
图5示出了充电系统的元件；
图6示出了通过滤波器共享公共天线的元件；
图7示出了通过多路复用器共享公共天线的元件；
图8是示出物体检测装置的另外的元件的示意图；
图9示出了具有(a)大致对称性(b)右系旋向性(right handedness)和(c)左系旋向性(left handedness)的频域信号的图形表示；
图10示出了时域信号和它们在频域中的相对应的信号；
图11示出了具有幅值和距离分量的频域信号；
图12示出了对应于危险的频域信号。
具体实施方式
如图1所示，感应充电系统(ICS)10包括地面衬垫模块(GPM)12，该地面衬垫模块包含线圈14和耦合到电功率供应部18的驱动电路16。驱动电路16调节来自供应部18的功率信号，从而将这些功率信号以合适的形式施加至线圈14。线圈12通过施加上述功率信号(表示为电流I和电压V)驱动以产生磁场20。
功率供应部18可以是，例如处于110V或220V的家用电压供应部。这种家用安装件将被限制于2kW至3kW，这意味着电池的充电通常花费几个小时。更大的功率供应部(诸如处于415伏或更高的多相供应部)使得能够更快地完成充电。在商业或工业实施方式中，可以提供更大的功率(以及因此更快的充电)。
地面衬垫模块12的大小和形式取决于系统的技术要求。线圈14在图1中被描绘成圆，但是它可以是任何多边形或椭圆形形状。线圈14可以被配置为螺线管、以双D(double-D)配置或任何其他广泛可用的线圈拓扑进行布置。具体的形式由系统的技术要求和常规设计选择确定。对于尺寸，地面衬垫模块12在宽度方面通常为600mm左右。GPM 12的高度应该尽可能低，以避免GPM引起与车辆的下侧的钩挂危险或绊倒危险。
感应充电系统10还包括汽车衬垫模块(CPM)22。在使用中，CPM 22被放置在汽车(未示出)上、由设计考虑所确定的位置处，例如在底盘或底板下面。当汽车在GPM 12和被定位于其上的CPM 22上行驶时，能量可以从GPM传递到CPM。磁场20被线圈24转换成功率信号(表示为电流I和电压V)，该功率信号由驱动电路26调节以将它们置于适合于向电池28递送能量并由此对电池28充电的形式。
如同地面衬垫模块(GPM)12一样，CPM 22的大小和形式由设计感应充电系统10时做出的技术要求和设计选择管控。汽车衬垫模块(CPM)22类似地设置在包装中。同样，线圈24的确切形式以及因此CPM 22的形状和大小在很大程度上由技术要求和设计选择确定。线圈24不必如所描绘那样是圆形的，并且实际上，它甚至不必具有与地面装备12中的线圈14相同的形式或拓扑。车辆中的空间是有限的。目标通常是使CPM 22尽可能小，例如在宽度方面为300mm左右。
ICS 10的一个便利之处在于，车辆上的电池28可以简单地通过将车辆停放在地面衬垫12上方在汽车衬垫模块22和地面衬垫模块12对齐的位置来充电。可以提供车辆引导和对准装备(未示出)来帮助驾驶员相对于地面衬垫模块12正确定位车辆，并且因此正确定位汽车衬垫模块22。
感应充电系统10包括物体检测装置30，该物体检测装置在附图的图2中示出。物体检测装置30可以被包括在图1的ICS系统10中或旁边。物体检测装置30包括用于经由天线34发射信号的发射器32、以及耦合到接收器38的天线36。天线34、36指向朝向GPM 12和CPM 22的线圈14、24之间的空间体积。接收天线36用于接收来自发射天线34的信号的反射。因此，物体检测使用一种形式的雷达来检测汽车衬垫模块(CPM)22和地面衬垫模块(GPM)12之间的体积中的磁场20中的物体。
所发射的信号的特性可以用作参考。至少，由接收器38接收的信号的改变指示了操作条件的改变。通常，反射的存在指示物体的存在。并且频率的改变指示了物体的运动，即多普勒效应。因此，物体检测装置30可以被配置成检测，例如由于乘客进入或离开车辆或者由猫或其他动物跳到车辆上所引起的车辆的移动。
这种变化可以指示磁场20中的不预期或者不期望的物体。来自接收器38的信号被传送到信号处理器40，该信号处理器处理所接收的信号的特性以确定是什么引起了变化。处理器输出相对应的信号δ，ICS 10通过关闭磁场20(或降低到安全水平)来响应于该信号，直到危险已经过去。
与所有天线一样，天线34、36具有包括波束宽度的辐射图，该波束的宽度被视为天线的视场(field of view)。对于任何给定的天线，信号的发射和信号的接收均可以使用辐射图。物体检测装置30被放置在汽车衬垫模块(CPM)22或地面衬垫模块(GPM)12中或附近。
磁场20和天线的视场(即波束宽度)之间的确切关系将取决于ICS 10的具体设计。地面和汽车衬垫12、22被设计成使得磁场20尽可能多地包含在GPM和CPM之间的空间体积内。应该选择物体检测天线34、36的视场并且放置天线，使得磁场中的任何物体将被天线“看到”。
实际上，在GPM和CPM之间的空间体积之外将存在场泄漏。就磁场20在该体积之外的区域中超过指定的安全水平而言，天线34、36的视场也应该包括那些区域。典型地，天线34、36彼此并排放置，或者被设置为在发射器32和接收器38之间共享的单个天线。
雷达设备作为现成的单元是广泛可获得的。因此，尽管被示出为分离的元件，但是天线34和36、发射器32和接收器38以及处理器40或其各种子组合可以被设置为单个现成的单元。两个天线34和36可以组合在单个天线或单个单元中。从天线34发射的信号的反射被天线36和接收器38接收。由信号处理器40分析所接收的信号，以检测磁场20中物体的存在。
在感应充电系统的设计方面的目前的想法是将物体检测装置放置在地面装备中或其上。为了确保物体检测装置可以在可能发生危险的位置“看到”物体，多个传感器(例如，雷达模块)被放置在基垫的外围处。参见例如以上提及的WO 2016060748。
在ICS 10中，物体检测装置30优选，但不是必须放置在汽车衬垫模块(CPM)22中。实际上，将雷达模块放置在CPM 22中或旁边通常更简单。在该位置，天线在使用中可以“向下看”向地面衬垫12，并且“看到”由磁场占据的体积以及之外的区域。将天线居中放置在CPM 22通常是最佳方法。
优选使用单个单元(例如，雷达模块)，但这不是必须的，这只是更加成本有效。在信号天线或发射-接收天线对的设计阶段的仔细选择实现了全面的视野(包括地面衬垫模块和汽车衬垫模块之间的包含磁场的空间以及该体积之外的其中磁场可能有风险的其它区域)，而不向汽车衬垫模块添加大量的重量或体积。
现在转向图3中的汽车衬垫模块22的示意性横截面，CPM 22包括印刷电路板(printed circuit board，PCB)42或其他支撑件。线圈驱动电路26和与衬垫22的操作相关联的其他电气和电子元件安装到这个支撑件上。这包括物体检测装置30及其天线34、36。物体检测装置30安装在由线圈24的匝46和48界定的空间44中。在此，十字和圆点仅表示线圈匝的横截面，其中使用中的电流在概念上在进入(十字)或离开(圆点)页面的方向上流动。
天线34、36的视场在由箭头50表示的方向上远离PCB 42。当汽车衬垫模块(CPM)22安装在汽车下面时，箭头50的方向对应于背离汽车并朝向GPM(图3中未示出)的方向。将天线34、36放置在CPM 22中以及选择具有合适辐射图的天线的组合使得物体检测装置能够“看到”，即检测GPM 12和CPM 22之间的磁场20中的物体。
如图4所示，在另一汽车衬垫模块22中，与物体检测装置30相关联的电路被放置在印刷电路板(PCB 42)上方(即，在使用中被放置在车辆侧上)。天线34、36在PCB的下侧上(如所示出的那样并且使用中)，再次在箭头50的方向上向下“看”向地面衬垫(未示出)。
考虑到图3和图4以及前面的描述，可以理解的是，检测装置电路和天线的放置是由技术要求驱动的设计选择问题。
目前，感应充电系统是作为完整的系统(地面充电模块和汽车充电模块一起)供应给客户。随着感应充电系统变得更加成熟，这种情况可能改变。汽车制造公司可能决定他们只希望给他们的汽车供应汽车衬垫模块；地面衬垫将由分离的公司供应。汽车公司可能指定汽车衬垫模块应该尽可能轻和便宜。这将驱动IC元件从汽车衬垫移动到地面衬垫。
至少出于这些设计所驱动的原因，在一些感应充电系统中可能有必要将物体检测装置30放置在地面衬垫12处或地面衬垫12中。在这样做的情况下，天线34、36通常将被居中地放置在地面衬垫12的上表面下方。天线将通过地面衬垫12向上“看”向车辆衬垫22。能够看到地面衬垫12的表面上的物体是期望的并且甚至可能是必要的。这将需要基本上是全向的，至少在地面衬垫的表面上方的半球内是全向的天线辐射图。
类似地，尽管在重量和占据的空间的角度来看是期望的，但是在一些系统中可能有必要使用一个以上的天线来发射或接收或者发射和接收物体检测信号。给定车辆的布局可能包含“盲点”，即车辆下面的从对于物体检测天线的定位是最佳的单个位置看是模糊的区域或空间。在这种情况下，用于发射和/或接收的第二天线可能是适当的解决方案。
感应充电系统包括控制装备，该控制装备使得数据能够在地面衬垫模块12和汽车衬垫模块22之间传递，以控制系统10的操作。控制装备包括通常符合现有标准或标准的组合(诸如Wi-Fi或蓝牙)的无线链路。图3和图4均示出了被放置在空间44中的Wi-Fi单元60以及物体检测装置30。Wi-Fi单元60具有其自己的天线62、63，用于发射信号或从地面衬垫(未示出)中的类似Wi-Fi单元接收信号。
存在可以将Wi-Fi和物体检测装置安装在ICS的衬垫中的多种方式。在图5中示出了一种方法，其中将物体检测装置30和Wi-Fi单元60视为各自具有它们自己的天线36、62的完全分离的元件。尽管物体检测装置30在一个频带中操作，并且无线控制链路(Wi-Fi)60在不同的频带中操作，但是可能有必要向物体检测装置30和Wi-Fi 60中的每一个添加带通滤波器66、68，以避免来自谐波或其他源的干扰。
在这个图5布置中，需要另外的天线来实现无线链路，这向ICS 10进一步添加了重量和成本。图6和图7中的布置解决了这个问题。
如图6所示，单个天线70可以在物体检测装置30和Wi-Fi元件60之间共享。对象检测(object detection，OD)装置30和Wi-Fi元件60中的每一个具有耦合到天线的相关联的滤波器66、68。滤波器66允许物体检测信号在天线70和物体检测装置之间传送，同时阻挡来自控制装备60的信号。滤波器68允许控制信号在天线70和控制装备60之间传送，同时阻挡物体检测信号。
替代性地，如图7所示，多路复用器(M)72可以放置在单个天线70和OD装置30以及Wi-Fi元件60之间，从而实现在不同时间对天线70的切换接入。
在理想情况下，在物体检测装置中从天线34发射的信号和由天线36接收的信号之间的差异将清楚地表示磁场中的物体的存在。实际上，存在可能导致由外部影响引起的信号方面的差异的许多不同的情况。如果人们过于关注安全方面，那么所得到的系统将频繁地进入安全操作模式，在该安全操作模式下，磁场或者被关闭或者被降低到安全水平。假警报会使ICS在合理预期的时间段内在对电池充电时不可靠。
显然，期望的是能够在磁场中的物体的真实存在和假阳性之间进行区分。做到这一点的一种方法是保存对应于或者可能对应于已知假阳性的信号差异的定义。
如图2所示，在物体检测装置30中，所发射的信号的特性用作被馈送到信号处理器40中的参考。这使得物体检测装置30能够在其视场中检测移动，即监测物体的侵入，包括物体的位置的改变。由发射器32向信号处理器40提供所发射的信号本身或表示所发射的信号的特性的数字数据。接收器38类似地将信号或所接收的信号的特性馈送给信号处理器40。在所发射的信号和所接收的信号之间存在频率和/或相位方面差异的情况下，处理器40将任何这种差异表示为输出δ。
图2的检测装置30包括参考存储装置74，该参考存储装置用于保存表示与这些外部事件相关联的操作特性的数据。操作特性可以表示与由于外部事件引起的变化相关联的波形。
检测装置的相关部分也在图8中示出。参考存储装置74保存表示数据库的数据，该数据库表示参考信号或波形76的特性。每个参考信号的特性(其可以在时域或频域中)对应于在已知操作条件下所接收的信号的性质。
因此，参考存储装置74可以保存表示针对不同事件的不同波形的数据。人进入汽车可能产生相对低频率、高幅值的波形，而猫跳到汽车上可能产生短的脉冲波形。参考存储装置74保存足够的数据以使处理器40能够表示多个不同的外部事件。
当存在由外部事件引起的短期变化时，处理器40将表示来自接收器38的信号58的数据与参考存储装置74中的数据进行比较。信号58、74可能不相同，但它们会相似。处理器将所接收的信号58波形的特性与参考波形76的特性进行比较。当存在所接收的波形和参考波形之间的基本等效性时，处理器40输出没有差别或存在很小差别(例如，δ＝0)的指示增量(δ)。在存在两个波形之间的差异的情况下，处理器40通过输出值δ≠0来指示差异。
应当理解的是，在实践中，来自接收器的信号和由参考存储装置40中的数据表示的信号中将自然地存在一些差异。这些差异可归因于不同的操作条件和环境噪声。因此，δ的值不可能真正为零。但是该值将足够接近零，以使得能够确定所接收的信号和所表示的信号之间的基本相等。
为了简洁起见，本文中将使用δ＝0的输出值，可以理解的是，这意味着足够接近于零，以指示两个信号基本相同。类似地，等式δ≠0也不意味着不是零的任何值。就其指示所接收的信号波形的特性与参考波形76的特性之间不存在相等的程度而言，它指的是基本上大于零的增量(δ)的值。
δ＝0的输出表示变化可能是由已知活动(例如异物或活体进入磁场)引起的。因此，该值是事件的指示，换而言之，由异物或活体进入磁场引起的真阳性。因此，ICS 10需要关闭磁场20，比如说通过切断或显著降低递送到地面衬垫12中的线圈14的电压和电流。δ≠0的输出意味着变化不是已知的活动，并且可能是假阳性。不需要由ICS 10采取任何行动。
存在可以被采取来减少假阳性的另外的措施。这些措施可以单独使用或者彼此结合使用，并且与能量传递(操作)参数的上述监控结合使用。为了标识假阳性，信号可以被表征为移动或振动/噪声。移动对应于物体检测装置30的视场中的物体。当检测到移动时，磁场20应该关闭或者至少降低到安全水平。
快速傅立叶变换(FFT)将时域中的信号转换成频域中的相对应的信号。信号的FFT转换产生包括正频率分量(+f)和负频率分量(-f)的频域信号，其中f＝频率。正和负频率分量是由FFT使用复数的结果，这些复数包括实部和虚部。通常，负频率包含与正频率相同的信息，并且可以被忽略。
简单正弦信号的FFT转换产生包括+f下的单个正频率分量和-f下的单个负频率分量的频域信号。作为比较，在乐器上演奏的音符更复杂，因为它包括音符本身和音符的谐波。除了音符本身的频率之外，FFT将以谐波的频率生成多个其他分量。频域中的音符将在f＝0的两侧具有相等的+f和-f元素。
图9(a)示出了表示包括f＝0时竖直线94的两侧的基本对称的-f元素91和+f元素92的频域信号的曲线图90。图9(a)曲线图仅被呈现用于解释说明的目的，并不对应于任何特定的信号或事件。但是它是当由物体检测装置30的接收器38接收信号时人们期望看到的那种曲线图。这包含来自发射器32的信号已经被检测装置30的视场中的东西反射的信息。对该信号的处理可以揭示关于事物的更多信息，例如它是移动的还是静止的。
在一些系统中(例如通信和雷达)，信息在时域中使用复信号(complex signal)传输。这些信号的复分量称为同相(I)和正交(Q)分量。它们可以分离地用来传输不同的信息。能够以复数形式表示所接收的信号的雷达收发器是可用的。复数形式可以以本文中已经讨论的具有实部和虚部的矩形符号来表示。替代性地，复信号可以以具有幅值和相位分量的极坐标符号来呈现。
这一点的重要性在于，复数表示包括关于所接收的信号的更多信息，并且因此关于物体的更多信息，这可以用于确定假阳性和真事件。通过比如说FFT将时域中接收的复信号转换成频域中的等效信号(equivalent signal)，使得能够提取附加信息。
在由复数表示的信号被转换到频域中的情况下，它们产生包含关于被检测物体的位置或移动的信息的结果。正频率可以被认为与朝向检测器(即朝向磁场)移动的物体有关，以及负频率意味着物体背离GPM和CPM之间的空间(即背离磁场)移动。因此，当检测到存在物体的移动时，线f＝0的一侧和另一侧之间的正和负频率分量将不同。换而言之，频域中的信号将表现出(左或右)旋向性(handedness)或侧性(sidedness)。
先前讨论的图9(a)曲线90没有表现出旋向性或侧性。竖直线(f＝0)94的每一侧上的曲线基本相似，如果不是相同的话。所反射的信号来自移动的物体。并且如果信号不是新的，这表明反射来自静态的东西，并且很可能是假阳性。
相反，图9(b)和图9(c)示出了频域中的表现出(b)右系旋向性和(c)左系旋向性的曲线96和98。术语“左”和“右”在此是任意的，其中选择“右”是因为曲线图(b)中的曲线峰值在竖直线94的右部，并且选择“左”是因为曲线图(c)中的曲线峰值在线94的左部。
图9(b)和图9(c)表示由比如说(b)朝向和(c)背离装置30移动的物体引起的一种形式的信号(b)和(c)。图9(b)可以表示人朝向汽车行走引起的信号，而图9(c)表示这个人继续行走经过汽车并背离汽车时的信号。因此，物体可能是活人或动物，如果他们离汽车太近，该活人或动物可能暴露于磁场。这潜在地是危险的，并且有必要将该信号标识为与危险或可能变得危险的情况相关的事件。
在图9(a)、9(b)和9(c)中的曲线图中的每一个中，直线或曲线上的任何给定位置与由接收器38在特定频率下接收的信号中的能量相关。因此，每条曲线下的面积与功率相关。由此可见，曲线下的面积与能量性的东西(例如移动或噪音)相关。物体检测涉及移动物体的感测(真阳性)，并忽略天线36和接收器38处的其他能量源(假阳性)(参见图2)。
在图9的频域中，移动趋向于生成低高度的曲线，并且因此覆盖较小的面积，而假阳性将趋向于生成覆盖较大面积的具有较大幅值的曲线。
噪声是随机的，并且趋向于随着时间的推移而自行消失。如果能量(由曲线下的面积表示)低于预定阈值，则没有检测到。如果曲线下的面积高于预定阈值，则所检测到的活动或者被标识为移动的真实检测，或者被标识为假阳性，即，与物体检测装置的视场中的活体或无生命物体的移动无关。
当然，在没有由物体检测单元接收的反射的情况下，接收器将输出空白信号，这将在频域中导致相对应的空白。空白可以不是零；可能存在噪声的元素，即噪声基底。
简短地回到图2，处理器40处理信号以确定频域中的面积，从而在所检测到的事件和假阳性之间进行区分。具有旋向性的信号的标识将使处理器输出对应于危险情况的信号(δ)。ICS 10被布置成通过停止产生磁场或者至少将磁场减小到安全水平直到危险被消除来响应于物体检测装置30。
如图9(a)中的曲线图所示，在左右之间存在基本相等的情况下，该指示表明信号可能不是由物体引起的并且可能是假阳性。当检测到假阳性条件时，处理器40将输出指示没有物体危险的信号。显然，在没有危险的情况下，ICS 10将不会采取与危险相关的行动，并且将继续产生磁场20来传递功率，并且因此对车辆中的电池28充电。
由处理器40将图10中示出的两个时域信号100、102转换成频域中的等效信号104、106。这可以使用用于从时域转换到频域的公知技术中的任何一个(例如快速傅立叶变换(FFT))来完成。在两种情况下，频域信号在零(f＝0)的两侧上具有元素，如图9(c)所示。这是假阳性的指示。
在频域中查看所接收的信号的这个方法还使得能够检测多个物体。显然，这是有利的，因为可能的是多个物体将基本上同时移动到接收器的视场中。而且，在许多情况下，多个物体的移动可能与车辆的部分或车辆停放在其上的地面的振动形式的移动有关。检测振动的能力降低了假阳性的可能性，从而提高了物体检测装置的精确度的可信度。
汽车(和其他车辆)本质上是整体性结构。除了在如他们振动时的这种有限情况下，汽车的部分不能独立移动。振动是由外部刺激引起的，例如重型车辆驾驶经过正在被充电的汽车或者有东西撞到汽车的主体。因此通过物体检测装置30对振动的检测是假阳性。
与振动相关的移动可以被检测，因为以这种方式被设置为处于移动中的物体各自具有它们自己的特征频率，并且因此，振动通常呈现宽频谱。如果看到汽车的不同部分正在移动，所得到的信号很可能表示与振动有关的活动，而不是与物体进入功率传递磁场有关的活动。
在图11中，信号110表示移动的幅值及其距离两者。这个信号110是通过使用处理器40通过FFT或其他公知技术处理所接收的信号以产生频域等效信号而获得的。图11是物体检测装置30检测车辆下面的不同部分的情况的示例，这些部分被检测为以不同速度和在不同方向上移动，这通过正和负位置值表示。因此，频域信号的这种组合表示假阳性。没有安全风险，并且WEVC系统不需要停止通过磁场传递能量。
如图12所示，FFT的另一结果可以是产生对应于单个频率或窄频带以及单个距离或窄距离范围的尖峰116。图12表示其中可以标识以给定速度以距汽车衬垫模块的明确限定的距离移动的物体的情况，并且因此表示物体在磁场中的潜在危险。充电系统10应该被布置成通过关闭或者至少将磁场20降低到安全水平来进行响应。
当感应充电系统被激活时，存在初始阶段，其中随着电流流过线圈、磁场形成以及能量被递送到电池，操作参数相对较快地变化。在这个初始转变之后，ICS进入基本稳定的状态。基本上因为随着电池充电，操作条件将改变。简而言之，电池中的电荷越多，在电池中放置另外的电荷所需的电压和电流就越大。
这些操作变化是渐进的，并且在数分钟或数小时内发生。相比之下，危险事件(诸如人将脚或手放置在汽车下面并进入磁场、或者硬币掉到地面衬垫上)突然发生。另一方面，振动很可能是不引起问题的假阳性。振动不指示危险情况，并且充电可以开始或不间断地继续。
当乘客进入或离开车辆时，将存在车辆衬垫相对于地面衬垫以及因此地面的位置方面的突然改变。当这些外部事件发生时，存在操作方面的可能只持续几秒钟的突然变化。两个衬垫之间的相对位置方面的变化对感应充电系统的操作特性有直接影响。其中，电压和电流上升或下降，并且传递效率η改变。操作特性方面的这种变化是可测量的。
而且，传输效率η变化发生的方式是可重复的。如果效率被表示为曲线图上的线，那么这个线的形状将是相似的，每当比如说人进入车中或者动物跳到车上时。将所检测到的变化与操作特性方面的已知变化进行比较有助于减少假阳性，即与危险情况不对应的事件。因此，处理器40(单独地或与ICS 10中的其他控制电路(未示出)相结合)能够根据与诸如车辆相对于地面的高度方面的变化(假阳性)和相对于磁场中或附近的物体的高度方面的变化(真阳性/事件)的事件相对应的变化来缓和物体的检测。
已经通过参考用于感应充电系统的物体检测装置和通过参考包括物体检测装置的感应充电系统描述了本发明，应该理解的是，已经仅通过示例的方式描述了本发明，并且在不脱离如所附权利要求及其等同物中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以做出诸如拥有适当知识和技能的人将想到的修改和变化。

Claims (20)

1.一种用于感应充电系统的物体检测装置，在所述感应充电系统中能量通过磁场传递，所述装置包括：
发射器，所述发射器用于发射信号；
接收器，所述接收器具有包括大部分磁场的视场，用于接收所述视场内的所发射的信号的反射；以及
信号处理器，所述信号处理器用于检查所接收的、被反射的信号的特性，以标识与所述磁场相关的危险状况。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信号处理器能够操作用于将所接收的信号转换成等效的频域信号，并检查所述频域信号以标识危险状况。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述信号处理器能够操作用于确定所述频域信号中的旋向性，以标识危险状况。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述信号处理器能够操作用于根据所述频域信号的旋向性来确定所述磁场中的物体的位置和/或移动方向。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括用于保存表示参考波形的特性的数据的参考存储装置，并且其中，
所述接收的信号包括波形；并且
所述信号处理器能够操作用于将表示所述接收的信号波形的特性的数据与所述参考波形的特性进行比较，并且根据所接收的波形和参考波形之间的等效性来标识危险状况。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述参考特性包括所述发射信号的特性。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述特性包括所述发射信号和所述接收的信号的相应频率和/或相位。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述参考特性与所述磁场能量传递关联的操作特性相关。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述参考特性与能量传递效率相关。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述参考特性通过与所述磁场能量传递相关的电压信号和/或电流信号来确定。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述信号处理器能够操作用于根据与车辆相对地面的高度改变相对应的改变来缓和物体的检测。
12.一种感应充电系统，包括：
地面衬垫模块，所述地面衬垫模块具有线圈和驱动电路，所述驱动电路能够耦合到电功率供应部以产生磁场；
汽车衬垫模块，所述汽车衬垫模块包含用于从所述磁场接收能量的线圈和能够耦合以向车辆中的电池递送功率的驱动电路；以及
根据前述权利要求中任一项所述的物体检测装置。
13.根据权利要求12所述的感应充电系统，还包括在所述地面衬垫模块和所述汽车衬垫模块之间的无线数据链路，用于在所述地面衬垫模块和所述汽车衬垫模块之间传递与二者操作相关的数据，所述无线数据链路包括与所述地面衬垫模块相关联的天线和与所述汽车衬垫模块相关联的天线；并且
其中，所述物体检测装置耦合到与所述地面衬垫模块相关联的所述天线或与所述汽车衬垫模块相关联的所述天线中的一个或另一个。
14.根据权利要求13所述的感应充电系统，其中，所述物体检测装置和所述无线链路通过多路复用器耦合到所述天线，所述多路复用器能够操作从而在所述物体检测装置和所述无线数据链路之间切换对所述天线的接入。
15.根据权利要求13所述的感应充电系统，其中：
所述物体检测装置能够在第一频率下操作；
所述无线数据链路能够在不同的第二频率下操作；并且
所述物体检测装置和所述无线链路通过分别与所述第一频率和所述第二频率相关联的相应的滤波器耦合到所述天线。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的感应充电系统，其中，
所述物体检测装置耦合到所述汽车衬垫模块中的天线；并且
所述天线具有视场，所述视场包括位于所述地面衬垫模块和所述汽车衬垫模块之间的空间体积。
17.一种检测用于感应充电系统的物体检测装置中的危险状况的方法，在所述感应充电系统中通过磁场传递能量，所述方法包括：
发射信号；
接收来自所述磁场内的所发射的信号的反射；以及
检查所接收的反射信号的特性以标识与所述磁场相关的危险状况。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
将所述接收的信号转换成等效的频域信号；以及
检查所述频域信号以标识危险状况。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括确定所述频域信号中的旋向性以标识危险状况。
20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括根据所述频域信号的旋向性来确定所述磁场中的物体的位置和/或移动方向。
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