CN116685491A - 无线电力传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于无线电力传输的充电单元。所述充电单元包括：至少一个用于感应电力传输的线圈、一个用感测场感测至少一个异物存在的的‑感测器线圈阵列以及控制器。所述控制器被配置为移动所述感测器线圈阵列和/或感测场，使得所述感测场可以扫描感测区域，且被配置为基于感测阵列输出而检测出所述感测区域中所述至少一个异物的存在。所述感测器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得所述传感场可以：a)定位在所述传感区域中，以使所述传感场不与所述至少一个异物重叠，以及b)定位在所述传感区域内，以使所述传感场与所述至少一个异物重叠。

Description

无线电力传输系统

技术领域

本发明涉及无线电力传输系统(充电或实时供电系统)和用于检测其上异物的设备。

背景技术

图1示出了用于对电动车辆11充电的现有技术无线电力传输充电系统10。充电系统包括带有电源9的中央充电单元12和用于控制电动车辆11充电的控制器8，还包括无线充电单元13，其以电磁感应方式将电力15传输至电动车辆11。中央充电单元12通过16把电力连接至无线充电单元13。无线充电单元13可以采用无线盘40的形式，所述充电盘40包括一个或多个感应线圈14，用于将电力传输到电动车辆11。

在操作中，中央充电单元12将交流电输送到感应线圈14中，从而在感应线圈14内部和周围产生变化的电磁场/磁通量。电动车辆有一个接收器17，所述接收器接收从无线充电单元13感应传输的电力。接收器17电连接到可充电电池18。如果电动车辆11的接收器17在无线充电盘13附近，则变化的电磁场/磁通量在接收器17的感应线圈中感应出交流电，从而将电力15无线传输至电动车辆11。

如果异物也位于无线充电盘13附近，则变化的电磁场将在异物内感应出涡流。如果异物的电阻低，则异物将开始发热，且持续暴露于电磁通量增加了异物发热和/或造成火灾危险的风险。

发明内容

本发明的一个目的是提供对无线电力传输中的异物的感测。

本发明实施例提供了用于无线电力传输充电系统10的异物检测(“FOD”)系统，使得如果异物在无线充电盘13上或足够接近无线充电盘，则可以采取补救措施。例如，无线充电盘13可以断电和/或关闭，以防止异物成为安全隐患。

一方面，本发明是一种用于无线电力传输的充电单元，包括：用于感应电力传输的至少一个线圈；传感臂，包括：铁氧体条、设置在棒上并具有用于感测至少一个异物存在的感测场的传感器线圈阵列；以及控制器，被配置为：移动传感臂，使得感测场能够扫描感测区域，且基于感测阵列输出检测感测区域中至少一个异物的存在。

可选地，铁氧体条位于传感器线圈阵列和感应电力传输线圈之间

可选地，每个线圈的大小多达待检测物体的三分之一。

可选地，每个线圈有10匝和/或为10mm x 10mm。

可选地，沿着铁氧体条有49个传感器线圈。

可选地，每个传感器线圈之间有2mm的间隙。

可选的铁氧体条为25mm x 590mm x 1mm。

可选地，铁氧体条的横截面形状为：

·方形

·U形

·矩形

可选地，感应电力传输线圈设置在磁性板上。

可选地，充电单元还包括金属板。

可选地，充电单元还包括致动器以移动传感臂。

可选地，铁氧体条至少部分地屏蔽传感器线圈免受来自感应电力传输线圈的电磁场影响。

可选地，铁氧体条降低传感器线圈中的感应电压。

可选地，铁氧体条提高了检测异物的能力。

可选地，当存在异物时，铁氧体条通过降低传感器线圈中的感应电压来提高检测异物的能力。

可选地，铁氧体条将感应电压降低到比没有铁氧体条更大的容限。

可选地，当存在异物时，铁氧体条将感应电压降低到接近零值。

可选地，铁氧体条通过增加传感器线圈中存在异物时和不存在异物时的感应电压差来提高检测异物的能力。

可选地，铁氧体条通过增加传感器线圈在存在异物时和不存在异物时所产生的电参数的差异来提高检测异物的能力，其中可选地，电参数是以下各项中的一个或多个：

·感应电压

·通量

·电感

·频率

可选地，传感器线圈之间的间隙介于传感器线圈长度的十分之一到五分之一之间。

可选地，一个或多个传感器线圈具有多个绕组匝数，使得异物的存在能够使感应电压降低至少50mV，优选地大于100mV的容限。

可选地，在一个或多个传感器线圈的子集中，一个或更多个传感器线圈的子集中的每个传感器线圈具有相同数量的绕组匝数。

可选地，感应电压可以在单个传感器线圈或串联或并联的一组传感器线圈(例如2-3个线圈)上测量。

可选地，铁氧体条的长度基本上与充电单元的宽度相同。

可选地，铁氧体条的宽度与传感器线圈的直径成比例。

可选地，铁氧体条的宽度是传感器线圈直径的1-3倍。

可选地，感应电压可以在单个传感器线圈或串联或并联的一组传感器线圈(例如2-3个线圈)上测量。

可选地，铁氧体条包括一个或多个间隙，以将铁氧体条分成两个或更多部分。

可选地，每个间隙为2mm厚。

可选地，每个部分为10mm长。

可选地，每个间隙的厚度为0.5mm。

可选地，每个部分为11.5mm长。

可选地，传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：a)定位在感测区域中，以使感测场不与所述至少一个异物重叠，且b)定位在所述感测区域内，以使所述感测场不与至少一个异物重叠。

在另一个方面，本发明是一种用于无线电力传输的充电单元，包括：用于感应电力传输的至少一个线圈；设置在铁氧体条上并具有用于感测至少一个异物存在的感测场的铁氧体条传感器线圈阵列；以及控制器，其被配置为：移动传感器线圈阵列和/或感测场，使得感测场能够扫描感测区域，并基于感测阵列输出检测感测区域中的至少一个异物的存在，其中所述传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得所述感测场可以：a)定位在所述感区域中，使得感测场不与所述至少一个异物重叠，且b)定位在感测区域中，从而使得所述感测场不与至少一个异物重叠。

可选地，充电单元用于通过感应电力传输对电动车辆进行无线充电。

可选地，铁氧体条和传感器线圈阵列形成传感臂，且控制器可以控制臂的移动以在感测区域中定位感测场。

本发明描述了一种用于无线电力传输的充电单元，包括：用于感应电力传输的至少一个线圈；具有用于感测至少一个异物的存在的感测场的传感器线圈阵列；以及控制器，其被配置为：移动所述传感器线圈阵列和/或感测场，，使得感测场可扫描感测区域，并基于感测阵列输出检测感测区域中至少一个异物的存在，其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场a)可定位在感测区域中，使得感测场不与至少一个异物重叠，且b)可定位在感测区域中，使得感测场与至少一个异物重叠。

可选地，充电单元用于通过感应电力传输对电动车辆进行无线充电。

可选地，充电单元还包括臂，其中传感器线圈阵列设置在臂上，且控制器可以控制臂的移动以将感测场定位在感测区域中。

可选地，臂作为可旋转臂，且控制器可以旋转臂以定位感测场。

可选地，臂是可滑动的臂，且控制器可以滑动臂以定位感测场。

可选地，充电单元具有操作区域，且感测区域与操作区域重叠。

可选地，传感器线圈阵列和/或感测场小于操作区域。

可选地，充电单元还包括用于感测至少一个异物存在的一个或多个附加传感器阵列。

可选地，每个附加传感器阵列设置在相应的附加臂上。

可选地，充电单元包括用于屏蔽传感器线圈阵列免受电磁干扰的电磁屏蔽材料。

可选地，充电单元用于对以下一个或多个进行无线充电：

·电气系统

·电池

·踏板车

·电动自行车

·机器人

·其它电子设备

本发明还描述了一种用于通过感应电力传输对电动车辆进行无线充电的充电单元，包括：用于感应电力传输的至少一个线圈、具有用于感测异物体的存在的感测场的传感器线圈阵列、以及控制器，所述控制器被配置为：移动传感器线圈阵列和/或感测场，且基于感测阵列输出检测感测区域中存在异物，其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：a)定位在感测区域内，使得所述感测场不与异物重叠，以及b)定位在感测区域中，使得感测场与异物重叠。

本发明还描述了一种用于无线电力传输的充电单元的传感单元，包括：具有用于感测至少一个异物的存在的感测场的传感器线圈阵列，以及控制器或与控制器通信的控制器，所述控制器被配置成：移动传感器线圈阵列和/或感测场，且基于感测阵列输出检测感测区域中至少一个异物的存在，其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：a)定位在感测区域中使得感测场不与所述至少一个异物体重叠，且b)定位在感述区域中使得所述感测场与所述一个以上异物体重叠。

可选地，充电单元用于通过感应电力传输对电动车辆进行无线充电。

可选地，充电单元还包括一个或多个传感器阵列，用于感测至少一个异物的存在。

可选地，充电单元用于对以下一个或多个进行无线充电：

·电气系统

·电池

·踏板车

·电动自行车

·机器人

·其它电子设备

本发明还描述了一种无线电力传输系统，其包括根据本发明的任何一个前述方面的充电单元和/或传感单元。

本发明还描述了一种用于对系统或设备进行充电和/或实时供电的无线电力传输的电力系统，包括：用于感应电力传输的至少一个线圈；具有用于感测至少一个异物存在的感测场的传感器线圈阵列；以及控制器，其被配置为：移动传感器线圈阵列和/或感测场，使得感测场能够扫描感测区域，并基于感测阵列输出检测感测区域中的至少一个异物的存在，其中所述传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得所述感测场可以：a)定位在所述感区域中，使得感测场不与所述至少一个异物重叠，且b)定位在感测区域中，从而使得所述感测场不与至少一个异物重叠。

本说明书和权利要求书中使用的术语“包括”是指“至少部分包括”。当解释本说明书中的每一陈述和包括术语“包括”的权利要求时，也可能存在除所述陈述或所述术语前面的特征以外的特征。“包括(comprise/comprises)”等相关术语应以相同方式解释。

本发明中公开的数字范围(例如，1至10)的引用还包括所述范围内的所有有理数(例如，1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9和10)以及所述范围内任何有理数范围(例如2至8、1.5至5.5和3.1至4.7)的引用。

本发明还可以广义地说，包括在本申请说明书中单独或集体提及或指示的部分、元件和特征，以及所述部分、元件或特征中的任意两个或多个的任何或所有组合，且在本发明中提到的特定整数在本发明所涉及的领域中具有已知的等同物的情况下，这些已知的等同物被视为结合于此，如同单独阐述一样。

附图说明

本发明的优选实施例将仅通过示例并参考附图进行描述，其中：

图1是现有技术无线电力传输充电系统的概述。

图2是根据所述实施例的无线电力传输充电系统的总体概述。

图3是根据所述实施例的无线充电单元的框图概述。

图4是根据所述实施例的传感单元的框图概述。

图5是传感单元的一个实施例的平面图。

图6是示出传感单元的一个实施例如何感测和检测异物的示例的线图。

图7是传感单元的另一个实施例的平面图。

图8是示出传感单元的另一实施例如何感测和检测异物的示例的线图。

图9是传感单元的另一个实施例的平面图。

图10是传感单元的另一个实施例的平面图。

图11是现有技术异物检测系统的平面图。

图12是说明为何使用现有技术的异物检测系统很难检测到异物的线图。

图13A至13D示出根据一个实施例的带有铁氧体条传感臂的充电盘。

图14示出没有铁氧体条的充电盘的磁通密度仿真。

图15和图16分别示出带有异物、一个带有铁氧体条和一个没有铁氧体条的充电盘的磁通密度仿真。

图17示出用于仿真的带和不带铁氧体条的充电盘。

图18示出用于铁氧体条仿真的充电盘的横截面。

图19A至图24B示出仿真结果。

图25A至图25D示出带和不带铁氧体条的充电盘的仿真比较。

图26A至图26B示出有间隙和无间隙铁氧体条的相对磁通图。

图27和28示出具有U形横截面的铁氧体条。

具体实施方式

描述的实施例概述

图2示出用于为电动车辆11充电的无线电力传输充电系统10，所述系统配置为能够检测无线充电单元13操作区域中的异物(异物检测“FOD”)。

无线电力传输充电系统10包括用于控制电动车辆11的电力供应的中央充电单元12，还包括无线充电单元13，其感应地将电力15传输到电动车辆11。充电单元13与中央充电单元12电耦合16。无线充电单元13可以采用无线充电盘的形式，所述充电盘包括一个或多个感应线圈14，用于将电力15传输到电动车辆11。

在操作中，中央充电单元12将交流电输入到感应线圈14中，从而在感应线圈14内部和周围产生变化的电磁场/磁通量。电动车辆11具有一个接收器17，所述接收器接收从无线充电单元13感应传输的电力15。接收器17电连接到可充电电池18。如果电动车辆11的接收器17在无线充电盘13附近，则变化的电磁场/磁通量在接收器17的感应线圈中感应出交流电，从而产生到电动车辆11的电力无线传输15。提供异物感应单元20，以检测充电单元13操作区域内的任何异物。

一般而言，所述实施例提供了一个传感单元20、一个带有传感单元20的无线电力传输充电单元13和/或一个带有充电单元13的无线电力传输充电系统10，通过所述系统，传感单元20可以感测和检测可能会出现前面所述危险的异物(在充电单元上或附近)。

本发明所公开的实施例是根据感测和检测单个异物而不是两个或多个异物来描述的。这是为了提供关于这里描述的实施例如何感测和检测异物体的简化解释。所属领域的技术人员将理解，所描述的实施例能够感测和检测单个异物，且还能够感测并检测两个或多个异物。这是因为用于感测和检测单个异物的技术也可以用于检测两个或更多异物。

本发明描述的无线电力传输充电系统10、传感单元20和无线电力充电单元13的实施例均在电动车辆11无线充电的上下文中描述。然而，所属领域的技术人员将理解，所描述的实施例也可适用于实时为电气系统供电或适用于对电池充电的系统。此外，所描述的实施例可适用于为踏板车、电动自行车、机器人和其它类似电子设备充电。

描述了可感测异物的无线充电单元13的各种实施例。总体而言，参考示意图3，实施例提供了可扫描感测区域31的感测线圈阵列34和可检测出感测区域31中的异物33的控制器32。检测到后，可以采取适当的措施来防止危险，例如关闭无线充电单元13。通常，感测线圈阵列将位于充电单元13的外壳中。

控制器32可用于检测异物33。此外，控制器32可用于操作用于移动传感阵列34的任何致动器，且控制器32可用以为感测线圈阵列34(包括感测线圈本身)供电。控制器32可以是指可以放置在无线充电单元13中任何位置的一个或多个控制器。

参考图4，无线充电单元13和传感单元20的各种一般特征以一般图表形式示出。所示的各种几何区域仅用于说明目的，根据所述实施例，可能与充电单元的实际几何区域不对应。

充电单元13采用充电盘40的形式，其外壳覆盖一个区域。在这种情况下，充电盘40和壳体是圆形的，但其可以采取其它形状，例如方形、矩形或其它形状。充电盘40包括无线电力传输充电线圈(“电力线圈”)14(本例中为一个)，但实际数量取决于充电单元13。线圈14具有操作区域41，所述操作区域41是电力线圈14的电磁场可以在其上操作以向电动车辆11提供电力传输15的区域。进入操作区域41内的异物42有可能产生过热危险，因为其接收供给车辆11的电力。因此，本发明中的实施例旨在检测操作区域41内的这种异物42。操作区域41的几何形状可以与充电盘区域40的几何形状完全一致，也可以不完全一致。根据无线电力传输15的范围，操作区域41可以与充电盘区域40重合、部分重合、更大或更小。典型地，操作区域41和充电盘区域40将紧密对准。提及与操作区域41和充电盘40相关的术语“重叠”将意味着操作区域41至少部分地与充电盘40重合(无论其大小)，或者甚至可以大于充电盘40。提及“覆盖”一词意味着所述区域至少与其它区域对齐或甚至大于其它区域。

充电单元13具有传感单元(通常描述为43)。传感单元43可以与充电单元13集成，或者是一个单独的设备，且可以在制造时进行改装或合并。传感单元43包括传感臂44和设置在传感臂44上的传感器线圈阵列45。传感器线圈阵列45被示出为多个感测线圈例如45a的单个阵列，但这仅是示例性的，且其它几何形状和数量的感测线圈也是可能的。传感器线圈阵列45具有电磁感测场(“感测场”)46，其是传感器线圈阵列45可以在其上操作/感测异物42至适当测量水平的几何区域。

传感器线圈阵列45(以及因此感测场46)小于操作区域41，这是出于稍后将解释的有利原因。结果，感测场46不覆盖/重叠，且不能感测整个操作区域上的异物42(当静止时)。因此，传感单元46具有控制器32和致动器47，在控制器32的控制下，致动器47可以操作传感器线圈阵列45，使得感测场46可以扫描更大的区域。这可以通过移动传感臂44和/或传感器线圈阵列45，使得感测场46扫描更大的区域。感测场46扫描的区域是感测区域48。感测区域48是异物感测单元20可以感测和检测异物42的区域。优选地，感测区域48至少与充电单元13的操作区域41大小相同，且完全覆盖所述操作区域41。感测区域48可以大于操作区域41。然而，感测区域48的大小与操作区域41相同或大于操作区域41可能不是绝对必要的，且仅覆盖操作区域41的一部分的感测区域46可能仍然有用。即使感测区域48与操作区域41不完全重合(例如，它重叠但不完全覆盖)，仍可获得一些益处。然而，未扫描的任何操作区域41都有可能隐藏无法检测到的异物42，并可能造成加热危险。关于操作区域41和感测区域48提及术语“重叠”将意味着感测区域41至少部分地与操作区域41重合(无论其是大还是小)，且可以完全地与操作区41重合(即，相同的尺寸和基本上完全对准)，或者甚至可以大于操作区域41。提及“覆盖”一词意味着所述区域至少与其它区域对齐或甚至大于其它区域。如图4所示，感测区域48略大于操作区域41。感测场46可以与传感臂44的几何形状不一致。典型地，它可能大于传感臂44，尽管这不是必需的，且它可能与传感臂44具有其它关系，例如与传感臂42重合、部分或完全重叠传感臂44和/或小于传感臂44。

如图4所示，臂44可由致动器47移动，从而使传感器线圈阵列45旋转以扫描(扫出)感测区域48。在这种情况下，臂44旋转以扫出圆形感测区域48。可以看出，臂44扫过的实际面积(臂移动区域49)小于感测区域48，因为感测区域46比臂44稍长，所以它扫过的半径更大。具有旋转的传感臂44只是用于移动感测场46的一个选项，且其它选项也可能创建不同形状的感测区域48——其中一些将在下面描述。

感测区域46和感测区域48的几何形状相对于操作区域41布置，使得感测区域-46至少有一个位置，以及感测场的至少一个位置，使得其与操作区域41中的异物42重叠(这意味着至少部分或完全重合)。在实践中，通常两者都有多个位置，但只要每个位置至少有一个位置，感测场46、感测区域48可以且运动可以采取各种不同的几何形状和运动。

屏蔽有助于衰减从电力线圈14发射的电磁场，从而减轻对在感测阵列45的感测线圈45a中感应的信号的电磁干扰。所述实施例的臂可以包括更多的屏蔽材料和/或可以部分或完全由屏蔽材料制成，因为感测臂44相对于感测区域48占据更小的面积。

应当理解，图4中所示的与电磁场相关的区域的边界可能不是这些区域的实际形状。所示形状仅用于示例目的。还应理解，所示区域的边界实际上不会是“硬”边界——也就是说，所描绘的电磁场不一定会在边界外立即变为零。相反，电磁场作为距场源距离的函数而衰减。所描绘的区域的边界仅是指示性的，且示出可以认为有效场已经结束的位置。所属领域的技术人员将理解这一点，且不应认为边界以这样的方式进行限制，即其以与本发明所描述的概念相反的方式限制本发明的范围。

这里描述的实施例优于现有技术感测阵列的优点如下：

·传感器线圈阵列45不需要具有与操作区域41相同的尺寸，以有效地检测操作区域中的异物42。而是可以使用更小的传感器线圈阵列45。可以使用传感器线圈阵列45的小占地面积。这节省了线圈的成本，以及随之而来的控制和传感电子设备。

·现有技术感测阵列的线圈优选地被屏蔽，使得无线电力传输线圈14的场不干扰感测线圈45。但是，如果现有技术的线圈阵列具有相当大的尺寸，则存在大面积的屏蔽，这将防止或减弱传递到车辆11的功率。相比之下，这里描述的实施例的较小的传感器线圈阵列45需要较小的屏蔽面积，因此其不屏蔽所有或大部分电力线圈14，因此不会将电力传输衰减到如此大的程度。由于传感器线圈阵列45需要较小的屏蔽面积，因此可以在不妨碍无线电力传输线圈14的操作的情况下在传感器线圈阵列44周围提供更大水平(例如厚度)的屏蔽。额外的屏蔽减少了来自无线电力传输线圈14的电磁干扰，这提高了由传感器线圈阵列45感测的信号的质量。这提高了传感器线圈阵列15测量的精度和/或精度。此外，额外的屏蔽厚度允许控制器32被放置得更靠近传感器线圈阵列45。将控制器32物理上放置得更靠近传感器线圈阵列45还提高了传感器线圈阵列44测量的精度和/或精度。

·当使用传感器线圈阵列检测异物42时，具有参考有助于区分是否存在异物42。例如，如图11所示，利用覆盖大部分或全部操作区域的现有技术传感器线圈阵列15，可能总是在一定程度上检测到异物42。因此，很难确定物体42存在与不存在之间的差异，例如，见图12。相反，本实施例具有这样一种情况，即感测场46的大小使得只有它有时感测到物体42，而其它时间不感测到，因此两个读数可以区分物体42是否存在。

现在将描述特定的示例性实施例。这些不是限制性的，仅作为示例。所属领域的技术人员可以设想仍然满足本发明的方面的各种其它实施例。

现在将讨论根据本发明的具体实施例。

1.第一实施例

现在将参考图5和图6讨论第一实施例。

构成图2系统一部分的充电单元13如图5和6所示。本实施例的各种特征将相对于先前的附图重新编号，但其仍然涉及上下文规定的相同方面。本实施例的充电单元13包括一个圆形充电盘50，包括一个外壳和至少一个无线电力传输线圈57。该充电单元13具有一个可旋转的传感臂(“可旋转臂”)54，所述传感臂位于充电盘50的上方并安置在可旋转致动器(例如电动机)。优选地，可旋转臂位于充电单元壳体中，尽管这不是必需的。可旋转致动器通过控制器(如图3中的32)控制旋转，控制器设置在充电单元13中或系统中的其它位置。传感器线圈55的阵列设置在可旋转臂54上。臂的尺寸被适当地设定成承载传感器线圈阵列55。传感器线圈55可以适用于本领域中任何系统。可旋转臂54和/或传感器线圈55可被屏蔽以减少来自充电线圈14的干扰。

还示出以下区域：

·圆形充电盘外壳50。

·圆形操作区域51，是无线电力传输线圈14可以在其上传输电力的区域。这通常具有与充电盘50相似的区域，即其重叠。

·具有传感器线圈55的可旋转臂54，其覆盖细长矩形区域。

·感测区域53，当可旋转臂54/传感器线圈阵列55处于特定位置时，传感器线圈55可以感测物体52的区域。

·圆形感测区域58，即感测场53通过臂54的可旋转运动扫描或扫过的区域。

由传感器线圈阵列55、可旋转臂54和感测场53覆盖的区域是整个操作区域51的一小部分，这对于上述原因是有利的。特别是感测场53和感测区域58相对于操作区域51布置成使得感测区域52的至少一个位置不与操作区域中的异物52重叠(参考例如位置A、位置C和位置D)，以及感测区域53的至少一个位置，使得其在操作区域中确实与异物52重叠(参考位置B)。在实际应用中，存在很多这样的位置。在可旋转臂54和充电单元盘50之间存在垂直间隙，使得当臂54旋转时，使得当臂54旋转时，它将从盘50上或操作区域51中的任何异物52上方经过。。

在使用中，可旋转臂54在控制器32的控制下由执行器旋转，使得传感器线圈阵列55扫描/扫过圆形臂移动区域59，且感测场53扫描/扫出感测区域58，从而允许传感器线圈阵列54感测位于感测区域58/操作区域51中的任何异物52。示出了可旋转臂54的四个位置(位置A、B、C和D)，尽管可可旋转臂54将会旋转到连续的不同位置。可以看出，当臂54旋转时，对于大多数位置，感测场53不覆盖异物52，但是对于扫描的一小部分(对于较小的位置范围)，臂54覆盖(因此感测场52覆盖)异物52。

当旋转臂54/传感器线圈阵列55被定位成使得感测场53不重叠(例如不覆盖或太远而无法感测)任何异物52时，传感器线圈阵列54将不会感测物体52。例如，参考位置A和C。控制器32接收来自传感器线圈阵列的输出，所述输出基本上是零信号60(见图6)或表示没有物体的信号。一旦传感器线圈阵列55处于某一个位置，使得感测场53与异物52重叠(例如覆盖或足够接近以感测)(例如位置B)，控制器32接收来自传感器线圈阵列54的输出，所述输出是正信号61a、B(见图6)，控制器从所述正信号检测到异物52。控制器32可以使用从感测场53没有感测到物体52或与物体52重叠时到它确实与物体52重合/感测时的相对输出来帮助区分这两个事件。

例如，在位置A处，感测杆54沿“南北”方向定向，且异物52不与感测场53重叠(且太远离)。异物52离感测场53太远，无法将电信号感应到沿臂54定位的任何感测线圈55中。由于在任何感测线圈55没有感应到电信号，控制器32从传感器线圈阵列55接收(“低”)零读数60。可旋转臂54开始顺时针旋转到位置。在位置B，臂54沿“东北-西南”方向定向。在所述位置，传感器线圈阵列55与异物52重叠。由于在至少一个感测线圈55中感应到电信号，控制器32接收到一个(“高”)非零读数61。臂54继续顺时针旋转到C位置。在位置C，传感器线圈阵列55沿“西-东”方向定向。在所述位置，异物52离传感器线圈阵列55太远，无法将电信号感应到沿可旋转臂54定位的任何感测线圈55中。由于在任何感测线圈55中没有感应到电信号，控制器32从传感器线圈阵列55接收(“低”)零读数60。臂54继续朝着位置D顺时针旋转。在位置D，感测杆54沿“西北-东南”方向定向。在所述位置，异物52离传感器线圈阵列55/感测场53太远，无法向其中任何一个感测线圈55中感应电信号。由于任何感测线圈55中没有感应到电信号，控制器从传感器线圈阵列接收(“低”)零读数60。臂54继续顺时针旋转到位置A，且可以继续顺时针旋转。

通过将感测杆54从位置A再次旋转到位置D和位置A，控制器32接收(“低”)零读数60和(“高”)非零读数61。控制器能够参考(“高”)非零读数61与(“低”)零读数60，以正确确定感测区域58内存在异物52。然后，控制器32使充电盘的感测线圈57断电，以防止异物52的感应加热。然后，异物52不再是感应加热危险。

一旦检测发生，控制器32可以与中央充电单元12通信，以采取适当的措施，例如关闭电源传输。

熟悉本领域的技术人员将理解，作为在连续顺时针方向上连续移动杆54的替代方法，杆54可以以其它方式旋转。例如，可旋转杆54可以以交替的“停止”和“开始”运动来移动。在另一示例中，可旋转杆54可以沿逆时针方向旋转。在另一示例中，可旋转杆54可以在顺时针方向和逆时针方向之间交替移动。

所公开的实施例建议感测和检测不同的电压信号(例如，当存在异物时为非零读数，当不存在异物时则为零读数)，以确定感测区域53中是否存在异物52。熟悉本领域的技术人员将理解，控制器32可以被配置为测量不同的参数，以确定感测区域53中是否存在异物52。也就是说，例如，控制器可以代替测量频率、相移或一些其它参数，而不使用相对电压电平。

2.二实施例

现在将参考图7和图8讨论第二实施例。

构成图2系统一部分的充电单元13如图7和8所示。本实施例的各种特征将相对于先前的附图重新编号，但其仍然涉及上下文规定的相同方面。本实施例的充电单元13包括一个矩形盘70，包括一个外壳和至少一个电力线圈77(在本例中为三个线圈)。充电单元13具有一个可滑动的传感臂(“可滑动臂”)74，位于上的充电盘70上方并置于滑动致动器(例如线性电机)上。可滑动臂最好位于充电单元壳体中，但这不是必需的。致动器通过控制器32控制滑动臂74，控制器32布置在充电单元13中或系统中的其它位置。传感器线圈75的阵列设置在可滑动臂74上。臂74是矩形的，其宽度略小于感测区域78的宽度。传感器线圈75与控制电子器件耦合。臂74被适当地定尺寸以承载传感器线圈阵列75。传感器线圈75可以是本领域中使用的任何合适的。可滑动臂74和/或传感器线圈75可被屏蔽以减少来自感应充电线圈77的干扰。

还示出以下区域：

·矩形充电盘70外壳。

·操作区域71，是无线电力传输线圈能够传输功率的区域。这通常具有与充电盘70类似的区域。这实际上可能是准椭圆形的，或者是反映电力线圈77的总电磁场的其它形状。不管怎样，操作区域71很可能具有相似大小的尺寸，覆盖或延伸超出矩形盘区域70之外。即，最好感测区域78与操作区域71重合。然而，即使不是完全一致，也可以获得一些有用的收益。

·一个具有传感器线圈75的可滑动臂74，其覆盖细长矩形区域。

·传感器场73，当可滑动臂74/传感器线圈阵列75处于特定位置时，传感器线圈77可以感测物体72的区域。

·近似矩形的感测区域78，即感测区域73通过臂74的滑动运动扫描或扫过的区域。

由传感器线圈阵列75、可滑动臂74和感测场73覆盖的区域是整个操作区域71的一小部分，这是有利的，原因如上所述。特别是感测场73和感测区域几何形状78相对于操作区域71有关，以便感测场73的至少一个位置，使得其不与操作区域71中的异物72重叠(参考位置A和C)，并且在感应场73的至少一个位置与与操作区域71中的异物72重叠(参考位置B)。在实践中，每个位置都会有很多这样的情况。在可滑动臂74和充电单元盘70之间存在间隙，因此，当臂74移动时，它将在矩形感应充电线圈70上或者其他操作区域71中通过热河可能的异物72。

在使用中，臂74由可以横向扫过感应区的制动器操作穿过感测区域，例如位置A到位置B到位置C。制动器可以任何使用机制，例如电磁导轨。制动器由充电单元中的控制器32、控制器单元32或系统中的其它地方控制。可滑动杆74在控制器32的控制下由制动器横向移动，使得传感器线圈阵列75扫描/扫过矩形移动区域79，且感测场73扫描/扫出准矩形感测区域78，从而允许传感器线圈阵列55感测位于感测区域78/操作区域71中的任何异物72。可滑动臂74的三个位置A、B、C被示出，尽管可以理解，臂74将在连续的不同位置范围内移动。可以看出，当臂74移动时，对于大多数位置，感测场73不覆盖异物72，但是对于扫描的一小部分(较小的位置范围)，臂74覆盖(因此感测场73覆盖)异物72。

臂74从感测区域78的一端横向移动到另一端，允许区域和感测场73扫描感测区域72以检测位于操作区域71中的任何异物72。当臂74/传感器线圈阵列75定位成使得传感器场73不与异物72重叠(例如不覆盖或太远而无法感测)时，传感器线圈阵列72将不会感测到异物。例如，参考位置A和C。控制器32接收来自传感器线圈阵列75的输出，所述输出基本上是零信号80(见图8)或表示没有物体的信号。一旦传感器线圈阵列75处于感测场73与异物72重叠(例如覆盖或足够接近以感测)的位置之一(例如位置B)，控制器32接收来自传感器线圈阵列72的输出，所述输出是正信号81，控制器32从所述正信号81检测异物72。控制器32可以使用从感测场73没有感测到或与物体72重叠到它确实与物体72重合/感测到的相对输出来帮助区分这两个事件。

例如，参考图7和图8，在位置A，臂74位于感测区域78的边缘，且异物72距离臂74太远，无法将电信号感应到沿臂74定位的任何感测线圈75中。由于在任何感测线圈75中没有感应到电信号，控制器32从臂接收(“低”)零读数80。臂74开始向位置B进一步向右移动。在位置B，感测杆74位于感测区域78的中间部分。在所述位置，感测杆74与异物72重叠，且异物72足够接近以将电信号感应到沿着臂74定位的至少一个感测线圈75中。由于在至少一个感测线圈75中感应到电信号，控制器32接收(“高”)81非零读数。臂74继续朝着位置C进一步向右移动。在位置C，臂74位于感测区域78的边缘，且类似于位置A，异物72离臂74/感测区域73太远，因此控制器32从臂74接收(“低”)80零读数。从位置C开始，感测杆74的行进方向可以反转，使得感测杆74开始朝位置A移动回来。

通过将感测杆74从位置A移动到位置C，控制器32接收(“低”)80的零读数和(“高”)81的非零读数。控制器32能够参考(“高”)非零读数81与(“低”)零读数80，以正确确定感测区域78内存在异物72。然后，控制器32使充电盘70的感测线圈77断电，以防止异物72的感应加热。然后，异物72不再有感应加热危险。

一旦检测到异常，控制器32可以与系统控制器通信以采取适当的动作，例如关闭电力传输。所属领域的技术人员将理解，除了连续运动移动杆74之外，杆74可以以其它方式旋转。例如，可滑动杆74可以交替地“停止”和“开始”运动来移动。

所公开的实施例建议感应和检测不同的电压信号(即，当存在异物时为非零读数，当不存在异物时则为零读数)，以确定感测区域73中是否存在异物72。所属领域的技术人员将理解，控制器32可以被配置为替代地测量不同的参数，以确定感测区域73中是否存在异物72。也就是说，例如，控制器可以代替测量频率、相移或一些其它参数。

3.变更

对于上述实施例，可能存在许多变化。例如，传感器线圈阵列不一定是单个线圈阵列-可以是两个、三个或更多线圈阵列，每个阵列包括一列或更多列线圈。此外，每个线圈阵列可以分别设置在其各自的传感臂上，也就是说，一些实施例可以具有多个传感臂，每个传感臂具有其自己的线圈阵列。每个传感臂可以独立或一起移动。此外，线圈的数量可以是任何合适的数量。对线圈数量的考虑当然是灵敏度，但还要权衡灵敏度与优化传感器线圈阵列(传感臂)的最小尺寸，可以将成本控制在合理的范围内，使屏蔽效果达到理想的的水平，同时使阵列线圈可以总是处于检测不到异物的位置和另一个可以检测到异物的位置，通过两个位置读数的参考值去提高检测能力。

参考图9，在滑动臂94的配置中，如果操作区域91和感测区域98是矩形的，传感器线圈阵列95通常将按其最大尺寸产生一个感测场93，其面积略小于感测区域98面积的一半，使得最少可以存在一个感测不到异物的位置和一个可以感测到异物的位置。在现实应用中，期望传感器线圈阵列95产生的感测场93比这小得多。例如，感测场93的面积可以小于感测区域98的面积的50％，或小于感测区98的面积40％，或小于30％，或小于25％，或小于10％。

参考图10，在旋转臂配置104中，其中操作区域101和感测区域是圆形的，理论上，传感器线圈阵列104可以占据整个圆的很大一部分，以产生占据大部分圆的感测场103，和一小部分感测场103不存在的区域。这意味着当传感器线圈阵列105发生旋转时，仍然存在一个小的感测区域108，该区域内没有进行感测。然而，在实际应用中，更希望具有一个传感器线圈阵列105，可以产生远小于此的感测场103，更类似于上述实施例中所描述的。

上述实施例涉及充电单元。除充电外，无线电力传输还可用于系统和/或设备的实时供电。上述实施例也可以与这样的系统一起使用。

4.屏蔽

如前所述，屏蔽有助于减弱从感应线圈14、57、77发射的电磁通量，从而减轻对感应阵列45、55、75的感测线圈中感应信号的电磁干扰。与感测阵列相比，根据所公开的实例，感测杆44、54、74可以包含更多的屏蔽材料，因为感测杆44、54、74相对于扫描区域48、58、78占据更小的面积。

4.1屏蔽的实施

现在将描述可以实现屏蔽的第一种实施方式的可能应用(“屏蔽实施例”)。所述实现也可以应用于其它实施例，但是为了示例目的，将参考第一实施例进行描述。将通过比较有无屏蔽的实施方式来说明改进。应当注意，没有屏蔽的实施例仍然有用，但通过提供屏蔽，性能更佳。

参考图4所述的实施例，是使用铁氧体材料进行屏蔽。在这个实例中，可以将铁氧体材料制成的杆44(也可以互换地称为“梁”或“杆”)作为传感臂来实现。同样也可以使用其它磁屏蔽材料，例如铁磁材料、铁磁材料和纳米晶体材料，或者这三种材料的组合来代替铁氧体，或者与铁氧体混合。图13A至图13D以透视图和侧视图(图13A)、放大的局部正视横截面图(图13B)、端视图(图13C)和平面图(图13D)示出充电盘40的结构。充电盘具有原边线圈14，原边线圈14设置在原边磁板130上，铁氧体条设置为传感臂44。铁氧体杆实现屏蔽作用。原边金属底板131也作为感应充电线圈40的一部分。它可以单独形成传感轮，或者形成传感臂的一部分。传感器线圈45a沿着传感臂44/铁氧体条布置为传感器线圈阵列45。所有其它方面如关于例如图4所描述的，或者所述实现可以应用于任何其它实施例。

图13D示出感应充电线圈40的各种尺寸。可能的尺寸值如下。这些数值只是用来举例，不应被视为限制性的。

在这个实施例中，铁氧体条44可以是细长条，具有矩形横截面，如图13C的端视图所示。在此示例中，铁氧体条44的尺寸为25mm(宽)x 590mm(长)x 1mm(高)。传感器线圈45a为10匝线圈，尺寸为10mm(宽)x 10mm(长)x 1mm(高)。在所述版本中，总共有49个传感器线圈45a，彼此之间有2mm的间隙。直径30mm的金属(铜)作为异物。这只是一个示例，传感器线圈45a可以是其它任意尺寸、任意数量以及任意位置。

一般而言，参考图13D，铁氧体条44的长度C通常选择与原边感应充电线圈的宽度B相同的尺寸，以覆盖整个主宽度范围。实际上，对于装配要求，C可以略小于B。例如，原边感应充电线圈的宽度可以是600mm，而铁氧体条的长度可以是590mm。

铁氧体条的宽度F与传感器线圈45a的直径I成比例，以实现良好的屏蔽性能。所述范围通常在传感器线圈45a的1倍至3倍之间。例如，传感器线圈45a的直径I为10mm，铁氧体条的宽度范围在10mm至30mm之间。这些仅为示例性尺寸，而非限制性尺寸。

在另一个例子中，参考图27、28，铁氧体条44的横截面可以是方形U形。U形截面的铁氧体条可以提供比方形/矩形横截面形状更强的屏蔽效果。这个铁氧体条44沿着长度C具有两个侧轨44a、44b。在这种情况下，杆的尺寸可以如下所示。

更宽泛的来说，传感器线圈45a的尺寸I和传感器线圈45a的间隙L是由预设的异物尺寸M决定。通常，传感器线圈45a的长度I最好不要超过预设检测异物33尺寸M的三分之一。例如，如果预期的被检测物体33的直径达到30mm，则传感器线圈45a的长度I最好小于10mm以确保能够检测到。

传感器线圈45a的间隙L一般在传感器线圈45a直径的1/10至1/5之间的范围内选择。例如，当传感器线圈45a的直径为10mm时，传感器线圈45a的间隙L最好在1mm至2mm之间。如果预期异物直径达到20mm。传感器线圈45a的直径最好在6mm至7mm之间选择。传感器线圈45a的间隙L被改变为0.6mm至1.4mm。通常，感测线圈45a绕组匝数越多，感测线上可以感应到越高的电压。绕组匝数可以通过当没有异物时的感应电压决定(例如，大于50mV，最好可以大于100mV，甚至大于150mV的电压)。

以上是可能的尺寸设计指南，但尺寸和设计不限于此。铁氧体条的横截面形状可以是正方形、矩形、U形或任何其它形状。

铁氧体条44的位置、尺寸和形状可以改善线圈对传输线圈电磁场的屏蔽，进而增强对异物33的检测能力。

将参考图13A至25B描述所提供的改进。如果没有特别注明，所有仿真都是使用图13C所示的方形界面铁氧体条。

首先，参考图14展示了没有屏蔽(“非屏蔽实施方案”)的情况下，由充电盘40(“发射器”)电磁场产生的磁通密度。本实施例线圈的传感阵列45中的传感器线圈45a弱耦合到充电盘40感应充电线圈14(“发射器线圈”)和接收器17感应充电线圈(“接收线圈”).因此，在所述非屏蔽实施例中，当电流流过发射器和接收器线圈时，传感器线圈45a两端感应出电压。这些感应电压的大小由感测线圈45a和发射器/接收器线圈之间的耦合(磁通密度B)确定。如图12所示，其示出了发射器13的正视图和放大的局部截面图，其中没有异物33。当没有异物时，感测线圈上的感应电压大小应与存在异物时的感应电压大不相同(例如超过100mV)。

参考图15，当一个金属异物33位于发射器13的顶部时，传感器线圈45a周围的磁通密度B的分布和大小都会受到影响。因此，传感器线圈45a两端的感应电压发生变化，如图15所示。可以看出，磁通量被异物(在这种情况下是硬币)屏蔽，且L_FOD0线圈、L_FOD1线圈和L_FOD25线圈周围的磁通密度改变。

如前所述，一旦金属异物位于检测线圈上方，通过检测传感器线圈45a两端的感应电压的变化，就可以发现异物。

在所描述的实施例中，传感器线圈45a的尺寸被设计为达到预期检测到的异物33的尺寸的三分之一。在一些实施例中，传感器线圈45a的尺寸可以设计为达到预期异物33的尺寸的一半。这确保了在任何一个时刻，至少一个传感器线圈45a被异物100％覆盖，且至少一个感测线圈45a被异物80％覆盖，而不管异物的位置如何。例如，如果意图检测直径不超过30mm的物体，则传感器线圈45a的尺寸应设计为最大10mm x 10mm。

在屏蔽实施例中，传感臂44是铁氧体条，铁氧体条有助于汇集通过自身的磁通量。换句话说，铁氧体棒调节充电盘40中，传感器线圈45a和发射线圈14之间的大量磁通。它至少部分地屏蔽了线圈，免受来自感应电力传输线圈的电磁场的影响。当异物(在这种情况下是硬币)存在时，与没有铁氧体条时感测线圈45b和发射器/发射器线圈之间的通量相比(见图16)，异物和铁氧体条都屏蔽了来自充电盘40的电磁场，从而显著减少了传感器线圈45a和发射/接收线圈之间的磁通量。减小的磁通量导致屏蔽实施例的传感器线圈45a中的感应电压(接近0)更低。这使得传感器线圈45a在检测异物体时的灵敏度更高。这是由于检测电压变化更容易，因为：

相对于未被屏蔽的实施例，在被屏蔽的实施例中，感测线圈45a在检测异物时检测到的电压差(与未检测到异物时的电压差相比)更大。

更具体地说，使用铁氧体条44后：

1)电压变化率增加，且

2)当金属异物位于感测线圈正上方时，感应电压下降到几乎0V。

因此，将电压与0v进行比较要比将电压和其它较小电压进行比较容易得多。例如，通过具有一定的放大比(例如10倍)的3.3V运算放大器将感应电压放大。对于感测线圈上的感应电压(只要大于330mV)，当其周围没有金属异物时，因为放大10倍或饱和的关系，运算放大器的输出将为3.3V，但当金属物体正好位于感测线圈上方时，感测线圈上感应电压会降到接近0(<20mV)，运算放大器的输出将低于200mV，这仍然很低，因此所述差异跨越了运算放大器的整个输出范围，这提高了检测灵敏度和可靠性。

这可以参考以下仿真结果来证明。

一般而言，感测线圈下方的铁氧体条的屏蔽效应可以使干扰最小化，以提高电子检测电路的灵敏度、准确性和可靠性，且只需要更少数量的线圈即可覆盖相同的检测区域。检测线圈下方的铁氧体条还可以增加由异物而引起的感应电压比差，进而提高检测电路的分辨率、精度和可靠性。感测线圈上的感应电压是检测电路中的关键电参数，因此改善感应电压特性是非常有意义的。

作为一个选项，实施例可以使用窄铁氧体条和位于铁氧体条上方的小感测线圈来检测小金属异物，进而提高分辨率。也就是说，可以检测到较小的物体。物体越小，所需的感测线圈就越小，以便其中一个感测线圈可以被金属物体完全覆盖。同时，较窄的铁氧体条可用于较小的线圈，以减少铁氧体磁芯损耗，并减少对电力传输磁通量的影响。

4.2仿真结果

现在将参考示例性仿真来描述降低感应电压的原因。仿真展示了在感测线圈下方放置铁氧体条如何提高异物检测的精度和分辨率。注意，图中提及的“解决方案”、“解决方案1”和“解决方案2”分别指“实施例”、“实施例1”和“实施例2”。

如图14至16所示，磁通密度B(蓝色箭头)包括沿X、Y和Z轴的三个分量。感应充电线圈40的发射线圈和传感器线圈45a之间的磁耦合主要是由沿着Z轴的B矢量(B_z)分量决定的，B矢量垂直于传感器线圈45a和发射器/接收器线圈的轴。

B_z是在传感器线圈45a中产生感应电压的主要磁通量。因此，只观察B_z去量化由异物(硬币)引起的磁通量变化，可以更好地理解异物检测背后的原理

4.2.1仿真设置

在仿真中，设定了一个不带屏蔽实施例(图17)的充电盘，以及一个带有屏蔽实施例的充电盘(图13A-D，17)。在仿真中，在屏蔽和非屏蔽实施例的充电盘40顶部的不同位置范围内放置异物(在本例中是硬币)，以此比较两个实施例。在每个位置都运行两个仿真，一个用于屏蔽实施例而另一个用于非屏蔽实施例。实施例1指的是带有屏蔽铁氧体条实施例，而实施例2指的是指不带屏蔽的实施例。通过比较两个实施例的结果以证明带屏蔽实施例提供的灵敏度更高。

如图18所示，中心位置(X＝0Y＝0)的传感器线圈45a被命名为L_FOD0，最左边的线圈是L_FOD24，最右边的线圈是L-FOD48。在本示例中总共有49个传感器线圈。

仿真中的实施例的尺寸如下：

4.2.2仿真结果

4.2.2.1无硬币B_z(参考结果)

首先在没有硬币的情况下进行仿真。结果如图19A和19B所示。注意，图中提及的“解决方案”、“解决方案1”和“解决方案2”分别指“实施例”、“实施例1”和“实施例2”。

图19A、19B分别示出实施例1和实施例2的传感器线圈45a上的B_z(沿z轴的磁通密度)。X轴代表传感器线圈45a的位置-从最左侧线圈到最右侧线圈。因此，0.00mm表示传感器线圈-24的左边缘，300.00mm表示传感器圈-0的中间，600.00mm表示感测线圈-48的右边缘。600mm也是原边线圈中金属板的宽度，通常也是原边线圈的宽度。

传感器线圈上方的图表示出相对于传感器线圈45a的B_z，如图18所示。所述线的长度为600mm，与主金属底板的长度相同。实施例1的B_z如图16A所示，而实施例2的B_z则如图16B所示。

从图19A、19B可以看出以下内容。

·磁通密度分布不均匀，不同位置的磁通密度不同。

·实施例2中的B_z比实施例1中的B_z强。这是因为实施例1中的铁氧体条屏蔽了来自传感器线圈底侧的垂直磁场。

·在实施例1中，铁氧体条屏蔽来自底侧的垂直磁场，但仍有一些垂直磁场来自传感器线圈的顶侧。因此，在实施例1中，仍然可以在传感器线圈上感应一些电压。

·有2个特殊位置的B_z为0。在此实施例中，B_z为0mTesla的位置分别为120mm和480mm。

表1列出了实施例1和实施例2的传感器线圈45a的感应电压。

表1不存在金属异物时的感应电压

通常，较高的B_z意味着较高的耦合，这会引起较高的感应电压。例如，L_FOD0位于300mm位置，且占据295mm到305mm之间的范围。从表和图中可以看出，实施例1中所述范围的B_z低于实施例2中的B_z。因此，实施例1中的感应电压低于实施例2中的感应电压。

在表1中还给出了位置在感测线圈45a120mm位置处L_FOD15的感应电压，其B_z为0mTesla。可以看到，由于穿过感测线圈45a的B_z非常低，两个实施例中的感应电压都很低。

4.2.2.2带硬币B_z

现在，将一枚硬币放在不同的位置进行仿真。结果如图20A至25B所示。注意，图中提及的“解决方案”、“解决方案1”和“解决方案2”分别指“实施例”、“实施例1”和“实施例2”。

硬币放置的位置选定为：300mm、280mm、150mm、120mm、38mm和27mm。在两个实施例中，通过仿真可以获得在异物被放置在每个位置之前和之后受影响的传感器线圈45a上的感应电压变化，并比较两个实施方式下的变化率，以验证带FOD铁氧体条可以大幅度提高检测灵敏度。

传感器线圈上感应电压的变化率通过下式

变化率＝(无硬币感应电压-有硬币感应电压)/无硬币感应电压

来计算

图20A至25B清楚地显示，实施例1中，在硬币正下方穿过传感器线圈的B_z下降到非常接近0，而实施例2中，在硬币右下方穿过传感器盘管的B_z稍微下降但不接近0，除非在120mm处，即使线圈未放置，B_z已经接近0。

B_z图说明了通过使用铁氧体条(屏蔽实施例)可以显著提高检测灵敏度的原因。

现在描述一些特定的非穷尽仿真来证明这一点。

4.2.2.2.1 300mm位置的硬币(硬币盖范围285mm-315mm)

参考图20A、20B，当硬币(直径30mm)放置在300mm的位置时，其覆盖范围为285mm至315mm。为了进行比较，在a.实施例1和b.实施例2情况下绘制了Bz。

在硬币的正下方，在实施例1中，穿过传感器线圈的B_z非常接近0mT，而在实施例2中，B_z为0.4mT。

4.2.2.2.2 280mm位置的硬币(硬币覆盖范围265mm-285mm)

参考图21A、21B，当硬币(直径30mm)放置在280mm的位置时，其覆盖范围为265mm至285mm。

为了比较，在a.实施例1和b.实施例2情况下绘制了B_z。

在实施例1中，L_FOD2范围(271mm-281mm范围)中的B_z非常接近0mT，而在实施例2中，L_FOD1中的B_z为0.4mT。

4.2.2.2.3 150mm位置的硬币(硬币覆盖范围135mm-165mm)

参考图22A、22B，当硬币(直径30mm)放置在150mm的位置时，其覆盖范围为135mm至165mm。

为了比较，在a.实施例1和b.实施例2两种情况下绘制了B_z。

在硬币的正下方，在实施例1中，穿过传感器线圈的B_z非常接近0mT，而在实施例2中，B_z为0.2mT。

4.2.2.2.4 120mm位置的硬币(硬币覆盖范围105mm-135mm)

参考图23A、23B，当硬币(直径30mm)放置在120mm的位置时，其覆盖范围为105mm至135mm。

为了比较，在a.实施例1和b.实施例2情况下绘制了B_z。

从图和表中可以看出，L_FOD15(115mm-125mm范围)100％被硬币覆盖。L_FOD14(127mm-137mm范围)和L_FOD16(103mm-113mm范围)被硬币覆盖了80％。

4.2.2.2.5 38mm位置的硬币(硬币覆盖范围23mm-53mm)

参考图23C、23D，当硬币(直径30mm)放置在38mm的位置时，其覆盖范围为23mm至53mm。

为了比较，在a.实施例1和b.实施例2情况下绘制了B_z。

相比之下，在硬币的正下方，在实施例中，穿过FOD线圈的B_z非常接近0mT，而在实施例2中，B_z为0.2mT。

4.2.2.2.6 27mm位置的硬币(硬币覆盖范围12mm-42mm)

参考图24A、24B，当硬币(直径30mm)放置在27mm的位置时，其覆盖范围为12mm至42mm。

为了比较，在a.实施例1和b.实施例2情况下绘制了B_z：。

相比之下，在硬币的正下方，在实施例中，穿过FOD线圈的B_z非常接近0mT，而在实施例2中，B_z为0.2mT。

4.2.3仿真总结和无铁氧体条的比较

19A-24B中所示的仿真数据在图25A-D所示的图表中进行了总结。现在将对此进行讨论。

由于原边感应充电线圈和副边感应充电线圈产生的磁通密度B_z不是均匀分布的，因此从仿真结果中选择了6个磁通密度不同的位置，以证明带铁氧体条的检测方法可以在所有区域中良好地工作。

图25A-D比较了在6个不同位置沿铁氧体条放置硬币时，带有铁氧体的感测线圈45a(实施例1)和没有铁氧体的感应线圈45a(实施例2)的B_z和开路感应电压的效果。放置硬币的六个不同位置分别为：300mm(图25A-D中的位置6)、280mm(图25A-D中的第5位)、150mm(图25A-D中的4位)、120mm(图25A-D中的3位)、38mm(图25-D中的2位)和27mm(图25A-D中的1位)。在两个实施例中，通过仿真获得在异物被放置在每个选定位置之前和之后受影响的传感器线圈45a上的感应电压的变化，然后比较两个实施方式下的变化率，以验证带FOD铁氧体条对检测灵敏度的显著提高。

给出的两组仿真数据中，一组是实施例1(含铁氧体条)，如图25A和图25B所示，另一组第2实施例(无铁氧体)，如表25C和图25D所示：

·图25A示出存在异物(橙色圆圈)或不存在异物(绿色三角形)时六个位置磁通密度的比较。

·图25B示出当存在异物(红色圆圈)或不存在异物(绿色三角形)时，六个位置的线圈感应电压(磁通密度的结果)的比较。

·图25C示出存在异物(橙色圆圈)或不存在异物(绿色三角形)时，六个位置的磁通密度的比较。

·图25D示出当存在异物(红色圆圈)或不存在异物(绿色三角形)时，六个位置的线圈感应电压(磁通密度的结果)的比较。

以下是不同位置的感测线圈上感应电压的数据，红色圆点表示在没有异物时，每个位置处的感测线圈的感应电压，绿色三角形表示在有异物时每个位置处的传感器线圈45a的感应电压。绿色三角形总是低于红色点原点，因为异物阻挡了部分产生感应电压的磁通量。

从图25A中可以看出，在实施例1中，当感测线圈上方存在异物时，由于铁氧体条和异物的双重屏蔽，B_z下降到接近0(几十uT)，极低的B_z导致感测线圈上的感应电压下降到接近0V(<50mV)，如图25B所示。相比之下，图25C显示，在实施例2中(没有铁氧体条提供的磁屏蔽)，当感测线圈上方存在异物时，与实施里l中的B_z相比，B_z保持相对较高(大约强50倍)，因此感测线圈上的感应电压也保持相对较高，如图25D所示。

从图25B可以看出，由于铁氧体的屏蔽效应，当异物(如硬币)放置在传感器线圈45a的顶部时，感应电压显著降低。换句话说，电压降低了很大的比例(93％～99％)。

传感器线圈上感应电压的变化率通过以下公式计算：

变化率＝(无硬币感应电压-有硬币感应电压)/无硬币感应电压

例如，在位置3处的感测线圈的顶部放置硬币在后，位置3处感测线圈的感应电压从159.4mV降低到仅0.57mV。极大幅度的下降比例简化了异物的检测的难度。相反，图25D中的结果显示，由于异物导致的感测线圈电压下降率较小(70％～80％)。这使得检测更困难，因为较小的下降比例通常更难检测。

除了线圈电压的变化率更大之外，铁氧体的屏蔽效应也使得当存在异物时感测线圈电压的值极低。在本例中，图25B中的电压几乎为零(最大值仅为35.5mV)。更大规模的仿真还表明，当存在异物并覆盖检测线圈时，屏蔽铁氧体始终可以将检测线圈的线圈电压降低到接近零，无论其在无线电能传输线圈上的位置如何。通常，感应电压由运算放大器放大，以提高检测灵敏度和可靠性。在存在异物的情况下，接近零的感应电压在放大后仍然很低(<200mV)，而在没有异物存在的情况下的高感应电压由于被放大或运放饱和而可以达到限定电压。这样就放大了在有和没有异物时线圈电压之间的差异，从而大大简化了放大器电路的设计，并允许使用通用检测电路来检测所有传感器线圈45a。相比之下，如果没有屏蔽铁氧体，当异物在顶部时，异物感应电压仍然非常大。如图25D所示，当异物在位置5处，该感测线圈两端仍有232mV的感应电压。更糟糕的是，仍然参考图25D，没有异物的位置3处的感测线圈的电压(141.5mV)竟然低于有异物的位置5处的感测线圈的电压(232mV)。这意味着位置3和5处的传感器线圈的检测电路必须分别设计和调整，这进一步增加了检测系统设计的复杂性。甚至，当传感器线圈相对于无线感应充电线圈移动时，传感器线圈上有异物时将产生不同的感应电压，这进一步增加了传感器检测电路的设计和调谐的复杂性。

基于这些事实，可以看出，将铁氧体条放置在传感器线圈45a下方可以通过放大感应电压的变化来简化检测电路的设计和调谐，从而实现更可靠和更简单的异物检测系统。

4.3变更

现在将描述屏蔽实施例的变化。

4.3.1检测异物的替代方法

上文第4.2节中，通过添加铁氧体条将感应电压降低到比不使用铁氧体条时更接近零的值的仿真已经建立。然而，技术人员会理解还有其它方法可以观察添加铁氧体条的益处。例如，可以仿真或实现所述系统，使得异物的存在增加感应电压。在这种情况下，铁氧体条的添加仍然提高了检测异物的能力，因为异物的存在会比没有铁氧体条时，更大程度增加感测线圈中的感应电压。

更笼统地说，上述的仿真比较了实施例1和2之间的感测线圈中的感应电压，以表明具有铁氧体条是如何改进检测异物的能力。然而，仿真或实施中，除了感测线圈中的感应电压之外，还可以观察任何其它电参数的变化以检测异物的存在。当存在或不存在异物时，磁通密度的变化结果将导致任何其他电学参数的变化。在这些情况下，铁氧体条的添加提高了检测异物的能力，因为铁氧体条使得当存在异物时与不存在异物时观察到的电参数发生更大的变化。例如，电参数的变化可以但不限于是通量、电感、频率、相移或某些其它参数的变化。

4.3铁氧体条设计

现在将描述屏蔽实施例的另一变型。这可以应用于铁氧体条44的任何实施例。

在屏蔽实施例中，仿真中使用的铁氧体条的磁芯损耗为61.63W。这会降低无线电力传输效率并产生大量的热。因为通过铁氧体条的磁通密度很高。铁氧体条在磁场中会有磁芯损耗。仿真结果如图26A所示。磁通密度B的最大值约为800mT。

为了减少损耗，在一种变体中，铁氧体条被分成多个部分。通过添加每个部分之间的间隙，可以大大减少铁芯损耗。其原理是减少了铁氧体条上的磁通路径，从而减少了磁芯损耗。

铁氧体条可以以任何合适的方式分离。一个选项是创建间隙以创建分段。例如，许多小尺寸的铁氧体单元装配在非导电材料(如塑料、PCB基板)上，其间间隙很小。

4.3.1间隙2mm

参考图25B，铁氧体条被分成一节节10mm长，间隙为2mm的多条铁氧体。如果每节之间的间隙为2mm，则每个部分的磁通密度将降低到10mT-160mT之间，如图23A所示。每节中磁通密度的降低减少了铁氧体条的总损耗。

铁氧体条上的总磁心损耗为0.74W，远低于整个铁氧体的磁心损耗。

4.3.2切割间隙0.5mm

参考图25B，形成0.5mm的间隙(见251)，将铁氧体条分成11.5mm的部分。通过将铁氧体条的两个部分之间的间隙减小到0.5mm，由于磁通密度B的增加，铁芯损耗从0.74W增加到7.18W。磁通密度大小如图25C所示。磁通密度可以高达约400mT。这是因为更多的磁通可以通过具有较小间隙的FOD铁氧体条。

4.4总结

总而言之，使用铁氧体条作为传感臂提供了以下几点

·导致金属异物下传感器线圈两端的感应电压降至非常接近0V(大约几毫伏)。

·当传感器线圈被金属物体完全覆盖时，传感器线圈上的感应电压极低(接近0V)，当传感器线圈进入和离开金属物体的覆盖区域时，感应电压会发生93％至99％的变化。

·感应电压接近100％的变化大大提高了检测电路的灵敏度和可靠性。

为了提高检测分辨率，或者换言之为了检测小的金属物体，可以使用尺寸比金属物体小的传感器线圈。

当不存在金属物体时，为了在检测线圈上保持相当大的感应电压，可以向检测线圈增加更多匝数。

传感器线圈可以具有不同的匝数。如果在传感器线圈的移动路径的Z轴出口处存在一些相对较低的磁通密度，则传感器线圈可以具有更多匝数。

传感器线圈的X、Y尺寸建议为需要检测的最小异物的X、X尺寸的1/3。这使得在任何特定时间，无论异物的位置如何，至少一个传感器线圈被100％覆盖，且一个传感器盘管被异物覆盖至少80％。

感应电压可以在单个传感器线圈或一组串联或并联的传感器线圈(例如2-3个线圈)上进行测量。

铁氧体条可以比传感器线圈宽约5-8mm，以提供良好的屏蔽。

FOD铁氧体条的磁芯损耗可以通过在将多个带有约0.5mm至约2mm范围内间隙的多个铁氧体条组合来减少。

5.优势

所公开的实施例可以具有以下优点中的一个或多个：

·感测条44、54、74相对于其需要扫描的感测区域48、58、78的尺寸较小。感测条44、54、74可移动以扫描整个感测区域48、58、78。感测条44、54、74的尺寸(相对于感测区域48、58、78的尺寸)和移动感测条44、56、74的装置的组合确保无线充电盘40、50、70能够检测到异物42、52、72的存在，而不管异物42、54、72的尺寸如何，或者异物42、52、72是否静止。

·感应杆44、54、74的小面积限制了线圈材料的数量和/或限制了可放置的感测线圈45、55、75的数量。因此，需要更少的电子元件，从而生产更简单的电子电路。制造和维护的成本也因此更便宜。

·与覆盖无线充电盘40、50、70的大部分感测区域48、58、78的感测阵列相比，感测条44、54、74可以具有更多的屏蔽。感测杆44、54、74可以具有的额外屏蔽意味着感测线圈45、55、75从感测线圈14、57、77产生的电磁通量中受到较少的干扰，同时仍然确保从无线充电盘40、50、70到电动车辆11的无线电力传输有足够的功率。由于传感器线圈阵列45、55、75需要较小的屏蔽面积，因此可以在不妨碍无线电力传输线圈14、57、77的工作的情况下，在传感器线圈阵列45、55、75周围提供更大水平(例如厚度)的屏蔽。额外的屏蔽减少了来自无线电力传输线圈14、57、77的电磁干扰，这提高了由传感器线圈阵列45、55、75感测的信号的质量。也提高了传感器线圈阵列45、55、75的测量的精度和/或精度。此外，额外的屏蔽厚度允许控制器32更靠近传感器线圈阵列45、55、75放置。将控制器32物理上放置得更靠近传感器线圈阵列45、55、75也提高了传感器线圈阵列45,55,75测量的精度和/或精度。

如图11、12所示，现有技术通常包括位于无线充电盘的充电表面(此处称为“感测区域”)下方的传感器线圈阵列(此处称“感测阵列”)。感测线圈阵列通常横跨整个(或至少大部分)充电盘区域。大尺寸的感测阵列相对于无线充电盘的尺寸过大，存在几个问题，原因如下：

·首先，使用传感器线圈感测异物的现有技术装置只能在表示异物存在的感应测量(“高”和/或“非零”)与表示异物不存在的较弱或基本不存在的(“低”和/或者“零”)测量相对照的情况下检测到异物。在操作之前，现有技术需要进行进行校准，以便系统能够区分“高”和“低”测量值和/或区分“非零”和“零”测量值。如果在启动期间静止的异物放在充电盘上，现有技术装置将无法检测到异物。这是因为感测阵列太大，以至于它将始终感测到异物的存在。且因为“低”和/或“零”测量值总是不存在，所以“高”和/或者“非零”测量被“误解”为不确定测量值。在图9和图10所示的示例中，异物的位置使得传感阵列的一部分始终与异物“重叠”，

·第二，无线充电盘覆盖了相对较大的需要进行异物扫描的表面区域。现有技术的布置将需要大量的感测线圈，从而可以扫描整个充电盘以寻找异物。这意味着需要大量线圈材料。此外，为了检测小的异物(例如，至少可以像发夹或回形针一样小)，需要将感测线圈放置得非常靠近，以实现高分辨率感应。感测线圈的这种放置加剧了制造无线充电盘所需的大量线圈材料的问题。

·第三，传感阵列具有屏蔽材料，以衰减无线感应充电线圈产生的电磁通量，从而减轻对传感阵列感测线圈中感应信号的电磁干扰。屏蔽材料仍应具有足够的磁透性，以使感应线圈发出的电磁通量仍可通过，从而仍有足够的无线传输电力。回顾参考图11的示例，传感阵列的尺寸相对于传感阵列的顶面较大，这限制了可以向传感阵列应用多少屏蔽材料的上限。过量的屏蔽将限制从无线充电盘到电动车辆的无线电力传输速率。

Claims (36)

1.一种用于无线电力传输的充电单元，包括：

至少一个用于感应电力传输的线圈，

传感臂，包含：

铁氧体条，

设置在所述铁氧体条上的感测线圈阵列，具有感测场用于感测至少一个异物的存在，

以及

控制器，被配置为：

移动传感臂，使得所述感测场能够扫描感测区域，和

基于感测线圈阵列的输出，检测所述感测区域内至少一个所述异物的存在。

2.根据权利要求1所述的充电单元，其中所述铁氧体条位于所述传感器线圈阵列和所述感应电力传输线圈之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中每个感测线圈的尺寸最大为待检测物体的三分之一。

4.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中每个感测线圈具有10匝和/或每个线圈尺寸为10mm x 10mm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中沿着所述铁氧体条有49个传感器线圈。

6.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中在每个传感器线圈之间存在2mm的间隙。

7.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条尺寸为25mm x590mm x 1mm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条具有如下横截面形状：

·方形

·U形

·矩形

9.根据前述权利要求中任一项所述的无线充电单元，其中所述感应电力传输线圈设置在磁板上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中还包括金属板。

11.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中还包括用于移动所述传感臂的致动器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条至少屏蔽部分所述传感器线圈，免受来自所述感应电力传输线圈的电磁场影响。

13.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条降低所述传感器线圈中的感应电压。

14.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条提高了检测所述异物的能力。

15.根据权利要求14所述的充电单元，其中当存在异物时，所述铁氧体条通过降低所述传感器线圈中的感应电压来提高检测所述异物的能力。

16.根据权利要求15所述的充电单元，其中所述铁氧体条降低感应电压的程度比没有所述铁氧体条时更大。

17.根据权利要求16所述的充电单元，其中当存在所述异物时，所述铁氧体条将所述感测线圈中的感应电压降低到接近零值。

18.根据权利要求14所述的充电单元，其中所述铁氧体条通过增加所述传感器线圈中，存在异物时和不存在异物时的感应电压差来提高检测所述异物的能力。

19.根据权利要求14所述的充电单元，其中所述铁氧体条通过增加所述传感器线圈在存在异物时和不存在异物时电磁参数的差异来提高检测所述异物的能力，其中可选地，所述电参数是以下各项中的一个或多个：

·感应电压

·通量

·电感

·频率

20.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述传感器线圈之间的间隙可介于传感器线圈长度的十分之一到五分之一之间。

21.根据权利要求15-19中任一项所述的充电单元，其中一个或多个传感器线圈具有一定数目的匝数，以便所述异物的存在可使所述感测线圈中的感应电压降低至少50mV，大于100mV更佳。

22.根据权利要求21所述的充电单元，其中在所述一个或多个传感器线圈的子集中，每个传感器线圈具有相同数目的匝数。

23.根据权利要求15-19和21中任一项所述的充电单元，其中所述所感应电压可以在单个传感器线圈或一组串联或并联的传感器线圈(例如2-3个线圈)上测量。

24.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条的长度基本上与所述充电单元的宽度相同。

25.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体条的宽度与所述传感器线圈的直径成比例。

26.根据权利要求24所述的充电单元，其中所述铁氧体条的宽度是所述传感器线圈的直径的1-3倍。

27.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，可以在单个感测线圈或一组串联或并联的感测线圈(例如2-3个线圈)上测量所述的感应电压。

28.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述铁氧体棒包括一个或多个间隙，用于将所述铁氧体条分割为两个或多个部分以减少所述铁氧体条中的磁芯损耗。

29.根据权利要求28所述的充电单元，其中每个铁氧体条之间间隙为2mm宽。

30.根据权利要求28所述的充电单元，其中每个铁氧体条的部分为10mm长。

31.根据权利要求27所述的充电单元，其中每个铁氧体条之间间隙为0.5mm宽。

32.根据权利要求30所述的充电单元，其中每个铁氧体条部分为11.5mm长。

33.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述感测线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得所述感测场：

a)可定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述至少一个异物重叠，且

b)可定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述至少一个异物重叠。

34.一种用于无线电力传输的充电单元，包括：

至少一个用于感应电力传输的线圈，

铁铁氧体条，

设置在所述铁氧体条上的感测线圈阵列，具有感测场用于感测至少一个异物的存在，

以及

控制器，被配置为：

可以移动传感臂，使得所述感测场能够扫描感测区域，并

基于感测线圈阵列的输出，检测所述感测区域内至少一个所述异物的存在。

其中所述传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得所述感测场：

a)可定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述至少一个异物重叠，且

b)可定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述至少一个异物重叠。

35.根据权利要求33所述的充电单元，其中所述充电单元用于通过感应电力传输对电动车辆进行无线充电。

36.根据权利要求1或2所述的充电单元，其中所述铁氧体条和传感器线圈阵列形成传感臂，且所述控制器可控制所述传感臂的移动以将所述感测场定位在所述感测区域内。