CN117040147A - 外物检测 - Google Patents

外物检测 Download PDF

Info

Publication number
CN117040147A
CN117040147A CN202310492763.1A CN202310492763A CN117040147A CN 117040147 A CN117040147 A CN 117040147A CN 202310492763 A CN202310492763 A CN 202310492763A CN 117040147 A CN117040147 A CN 117040147A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unit
foreign object
magnetic field
excitation
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310492763.1A
Other languages
English (en)
Inventor
P·雷兰德
F·沙夫迈斯特
J·伯克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delta Electronics Thailand PCL
Original Assignee
Delta Electronics Thailand PCL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delta Electronics Thailand PCL filed Critical Delta Electronics Thailand PCL
Publication of CN117040147A publication Critical patent/CN117040147A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/101—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils by measuring the impedance of the search coil; by measuring features of a resonant circuit comprising the search coil
    • G01V3/102—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils by measuring the impedance of the search coil; by measuring features of a resonant circuit comprising the search coil by measuring amplitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/104—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

一种用于无线功率传输系统的外物检测装置，该无线功率传输系统用于从初级侧向次级侧跨空气间隙的感应功率传输，该外物检测装置包括具有多个检测单元的传感器模组。为了检测检测单元附近的外物，通过激励单元将激励信号施加到检测单元，利用测量单元测量该检测单元的时间响应，并将测量到的时间响应与由控制及信号处理单元先前从检测单元感测到的参考时间响应进行比较。通过将该激励信号和对时间响应的测量与无线功率传输系统用于功率传输的磁功率场进行同步，来自磁功率场的干扰以及其他干扰可以被显著降低，而使后续用于检测外物的信号分析被显著简化。

Description

外物检测
技术领域
本申请涉及一种用于无线功率传输系统的外物检测装置，该无线功率传输系统用于从初级侧到次级侧跨空气间隙的感应功率传输，其中该初级侧包括初级谐振器，用于生成用于感应功率传输的磁场，该外物检测装置包括：传感器模组，其具有电流输入、电流输出、至少一个检测单元以及用于将该至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元与该电流输入和该电流输出连接的选择单元，其中，每个检测单元包括感测线圈，与电流输入连接的用于生成激励信号并向电流输入施加激励信号的激励单元，与电流输入连接的用于感测电流输入处的电信号的测量单元，用于触发激励单元并用于处理测量单元感测到的电信号以检测外物的控制及处理单元。本申请还涉及包括这种外物检测装置的无线功率传输系统以及在用于感应功率传输的无线功率传输系统中的外物检测的相应方法。
背景技术
电能被用于许多不同的应用。为了向不与电力源永久连接的电驱动装置、物品或物体供电，此类装置、物品或物体通常配备有一个或更多个电池，该一个或更多个电池用于存储在此类装置、物品或物体未连接到电源时可为其供电的能量。此类示例是移动装置，诸如手机、便携式电脑、充电式螺丝刀等工具；或是家用电器；机动车辆，诸如汽车、卡车、摩托车、火车、船只、船舶、飞机、直升机等；但也可以是工业车辆，例如叉车、AGV(AutomatedGuided Vehicle，自动引导车)、清洁机、升降机等；或者用于提升、移动或运输任何种类货物的电动装置。所有这些装置、物品或物体通常包括用于操作这些装置、物品或物体的电池。
如果在此类电池中存储的能量已经被利用其进行操作的装置、物品或物体完全或部分地消耗，则可以对此类电池进行充电。充电可以通过将电源经由电线连接到电池来完成。
对此类电池充电的另一方式是无线充电，通常是经由磁场，通过感应功率传输进行无线充电。由于不同的应用，这种无线充电系统的功率等级具有广泛的范围，输出功率在1瓦至几百千瓦之间。
然而，无线充电的问题之一是位于用于传输能量的磁场中的物体，一般很难机械式地防止这种物体存在于功率传输装置的初级单元和/或次级单元的邻近处。尤其是磁性和导电性物体，诸如例如硬币、钥匙、工具、金属罐或其他物体，会通过感应涡流和磁滞损耗在磁场中被快速加热。电能到热能的这种非本意的电能到热能的转换会导致额外的损失，并且对该系统和处于该环境中的人或动物具有危险。由于物理定律，不可能避免这种效应和由此产生的加热。因此，检测此类外物的存在以消除危险是重要的。此类方法也被称为外物检测(Foreign Object Detection，FOD)。
已经存在各种方法来解决这个问题。在一些情况下，具有弯曲形状的传输垫(transmitting pad)可确保物体在重力的帮助下从传输垫移开。另一方法是使用传感器来检测金属物体的存在。例如，可以使用电容性传感器和光学传感器，但它们很容易受到环境影响的干扰以及非金属物体的干扰。感应传感器是更常使用的，因为它们受灰尘等环境影响较小，并且可在近距离内提供精确的结果。其中一种感应传感器可检测因待检测物体中的感应涡流造成的线圈的电感量的减小，其抵消了线圈的初级场。由于物体的有限电导率，也会发生欧姆损耗，这些也可以被检测到。为了评估这些变化，在现有技术中已经建立了若干种方法，这些方法也被用于下面所述的现有技术中。众所周知的方式是使用传感器线圈的阵列，以在实现足够的检测灵敏度的同时增大检测区域。
用于外物检测的另一已知技术包括线圈阻抗的测量，该线圈被布置在若干线圈的矩阵中，其中该线圈的阻抗会因外物的存在而改变。为了进行物体检测，可用电流阶跃激励多个线圈或单个线圈。由该电流阶跃导致的阶跃响应是电压的振荡。由于该阶跃响应的一些参数(诸如例如线圈的电感和/或电阻的变化)会受到外物的影响，阶跃响应的信号分析可以给出有外物放置在无线充电单元附近的提示。
EP 3734801 A1公开了此种用于无线功率传输系统的外物检测装置。该外物检测装置包括具有多个检测单元的传感器模组，其中激励信号被施加到检测单元，并且其中对检测单元的时间响应进行测量。为了检测外物，将该时间响应与先前确定的在不存在外物时该检测单元的时间响应进行比较。然而，该功率传输系统的主逆变器的开关切换会导致检测到的时间响应中出现不希望的干扰，因此需要复杂的信号处理技术或缩短信号来补偿这些多种影响，导致信息的丢失或需要大量的处理能力。
WO 2019/219778 A1公开了另一无线功率传输系统，其用于将功率从功率发传输器无线地传输到功率接收器。为了增强外物检测，利用分时(time division)方法以便在不同的时间间隔中执行外物检测和功率传输。为此，功率接收器通过在外物检测期间断开负载来降低功率传输信号的功率电平。这种无线功率传输系统的缺点在于，在外物检测期间，必须减少所传输的功率，因此传输给定功率量需要更多的时间。相应地，功率接收器中电池的充电时间增加，这通常是不期望的。
发明内容
本申请的目的是提供一种属于最初提及的技术领域的外物检测装置，其允许在无线功率传输系统中高效且可靠地检测外物。
本申请的另一目的是提供一种用于感应功率传输的无线功率传输系统，其允许高效且可靠地检测无线功率传输系统中的外物。
本申请的再一目的是提供一种在用于感应功率传输的无线功率传输系统中的外物检测的方法。
本申请关于该外物检测装置的解决方案的相关描述如下。
用于传输感应功率的无线功率传输系统通常包括初级侧和次级侧，其中初级侧与电源连接，次级侧设置在如上所述的装置、物品或物体中。然后，来自电源的能量跨空气间隙从初级侧传输到次级侧，并且可以在次级侧中用于直接为负载供电，或者为包括在所述装置、物品或物体中的电池充电以供之后使用。初级侧包括初级谐振器，其用于生成用于传输感应功率的磁场。次级侧包括次级谐振器，其用于接收磁场并将通过磁场接收的能量转换为电能以向负载供电或为电池充电。用于此类无线功率传输系统的外物检测装置包括：
传感器模组，具有电流输入、电流输出、至少一个检测单元和用于将至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元与电流输入和电流输出连接的选择单元，其中每个检测单元包括感测线圈；
激励单元，与电流输入连接，用于生成激励信号和向电流输入施加激励信号；
测量单元，与电流输入连接，用于感测电流输入处的电信号；
控制及处理单元，用于触发激励单元，即，触发激励单元生成激励信号和向电流输入施加激励信号，以及用于处理测量单元感测到的电信号以检测外物。
根据本申请，外物检测装置被设置为与用于感应功率传输的磁场同步地(即，与磁场的工作频率同步地)触发激励单元生成激励信号和向电流输入施加激励信号。
对某个检测单元感测到的电信号的处理例如包括将该单元感测到的电信号与在没有外物存在时该单元先前测量到的电信号进行比较。先前测量到的在没有外物存在时的电信号在下文中也被指代为参考电信号，并且在外物检测的操作期间确定的电信号也在下文中被指代为操作电信号。
此类感测到的电信号在下文中也被指代为时间响应。因此，先前测量到的在没有外物存在时的时间响应在下文中也被指代为参考时间响应，并且在外物检测的操作期间所确定的时间响应也在下文中被指代为操作时间响应。
在本申请的上下文中，术语“同步”优选地意味着激励信号总是在由初级谐振器感应出的振荡磁场的周期内的同一时间点被施加到电流输入。例如，可以总是在磁场超过给定阈值或低于给定阈值时施加激励信号。磁场的周期中的该点在下文中也被指代为触发点。
以此方式，触发激励信号的特定时间点可以例如通过相应地选择与所感测的磁场相比较的阈值的电平来确定。
现在，通过将激励信号向电流输入的施加与磁场同步，即与功率传输场同步，可以大大简化所确定的时间响应的处理，因为其减少了对信号的额外处理或缩短的需要。这是因为激励信号在特定触发点施加到电流输入以确定操作期间检测单元的时间响应，并且激励信号也在相同触发点施加到电流输入以确定检测单元的参考时间响应，从而确保不存在外物。相应地，用于确定是否存在外物的所感测的电信号的相关处理可以简单地通过从某个单元的工作时间响应中减去参考时间响应来确定，其中两个信号彼此相减是不需要大量计算能力的简单操作。
或者换言之，在每次测量单元确定电信号时，将激励信号与磁场同步导致相同或至少大致相同的初始条件。或者甚至更简单地，功率传输场相位的信息被用于降低无线功率传输系统的初级侧中用于提供谐振器电流的逆变器的切换引起的干扰。
因此，根据本申请的外物检测导致非时变或甚至线性非时变(Linear TimeInvariant，LTI)系统(LTI系统)，可实质地降低或甚至是几乎消除所有干扰。
因此，本公开可以实现对磁场显著增强的鲁棒性，也增加了外物检测的灵敏度。
通常，在本公开中术语“同步”可以被解释为在磁场的周期中的两个或更多个特定但不同的触发点施加激励信号到电流输入。例如，激励单元可以在磁场超过给定阈值时被触发，并且可以在磁场低于该给定阈值时被触发。然而，这不会产生非时变系统，因此需要较多的计算工作量，而这些工作量应该避免。
此类外物检测装置通常包括传感器模组、激励单元、测量单元和控制及信号处理单元。传感器模组包括多个检测单元。每个检测单元包括感测线圈，并且还可以包括电容器以形成谐振电路。检测单元通常被排布成行和列的矩阵，使得可以监测更大的区域。通常，检测单元可以通过选择单元与激励单元和测量单元连接，选择单元可以包括输入多路分解器，并且还可以对应包括输出多路复用器，输入多路分解器和输出多路复用器使用沿着由检测单元所形成的矩阵的行和列的连接线，其中所述连接线通过可控开关与输入端子和输出端子连接。
然后，通过以下操作来检测外物：向选定的检测单元施加由激励单元提供的激励信号，利用测量单元测量所产生的响应，并且将所产生的响应与先前记录的该检测单元对相同激励信号的响应进行比较，从而确保没有外物位于磁场中。如果所产生的响应与先前记录的响应不同，则推断磁场中存在外物。
激励信号可以是例如电流阶跃。由该电流阶跃引起的所产生的阶跃响应是电压的振荡。这种振荡可以由若干参数定义，其可能受到外物的影响。例如，外物可以改变感测线圈的电感和/或电阻。
激励信号也可以是矩形脉冲、正弦信号或者允许确定外物检测所期望或所需要的性质的任何其他信号。
在本申请的上下文中，无线功率传输系统是允许在没有作为物理链路的电线的情况下，通过时变电磁场跨空气间隙进行功率传输的系统。功率传输系统包括作为产生电磁场的传输器装置的初级侧，其中初级侧由来自电源的电功率驱动。并且，功率传输系统包括作为接收器装置的次级侧，其拾取电磁场并向电负载提供从电磁场中提取的功率。在特定形式中，无线功率传输系统是感应功率传输系统，其可以例如用于对电动车辆的牵引电池充电。然而，初级侧通常是提供于固定地点的充电站的一部分，而次级侧通常是被集成在电动车辆中的。然而，这种感应功率传输系统也可以被用于对如以上进一步描述的其他移动装置、物品或物体传输能量。
电磁场，其也被称为功率传输场，由布置在功率传输系统的初级侧中的至少一个谐振器产生。功率传输场的形状取决于谐振器的元件以及它们的布置和互连的方式。这种谐振器通常包括具有至少一个线圈和电容器的谐振电路。谐振器也可以包括其他元件，诸如例如附加的电感器和一个或更多个磁通导引元件。
在本申请的上下文中，外物被定义为任何导电物体和/或磁性物体，特别是位于无线功率传输系统附近但不是其一部分、并且可能导致功率传输系统的功率传输损失的任何金属物体。
如果总是在相同的触发点向检测单元施加激励信号，则磁场的影响以及进而对无线充电系统的影响可以进一步最小化或者至少减小，因为特定单元的操作时间响应被确定两次，一次不施加激励信号，一次施加激励信号。然后，两个时间响应可以彼此相减，以便最小化或至少降低功率传输场的影响，由此尽可能仅提取单元的操作时间响应中包含关于该单元对激励信号的响应的信息的部分。
这可以例如通过以下操作来实现：在第一时段期间，在不施加激励信号的情况下，在触发点确定检测单元的时间响应，然后在第二时段期间，在触发点施加激励信号并确定该检测单元的时间响应。然后，可以从该检测单元在有激励的情况下的时间响应中减去该检测单元在没有激励的情况下的时间响应，从而减少或甚至消除功率传输场的影响。
因此，在本申请的优选实施例中，外物检测装置被设置为控制测量单元与磁场同步地感测第一电信号以及与磁场同步地感测第二电信号。这两种感测都在磁场的N个周期内进行，使得功率传输系统的操作点没有改变或者至少没有明显改变。并且，外物检测装置被设置为避免在感测第一电信号期间触发激励单元，以及被设置为在感测第二电信号期间触发激励单元。相应地，控制及处理单元被设置为确定第一电信号与第二电信号之差，以从感测到的信号中消除功率传输场的影响。当然，也可以在感测第一电信号期间触发激励单元，在感测第二电信号期间避免触发激励单元，以及相应地确定第二电信号与第一电信号之差以消除功率传输场的影响。
为了确保精确的测量，对两个电信号的感测应在时间上紧挨着进行，使得功率传输装置的操作点在两次感测之间不改变，或者至少在两次感测之间不显著改变。因此，数量N例如为20或更低，优选为5或更低，最优选地，N为1或2。如果N为1，则外物检测装置被设置为控制测量单元在磁场的某个周期的第一半波期间感测第一电信号，并且在磁场的该周期的第二半波期间感测第二电信号。如果N是2，则外物检测装置被设置为控制测量单元在磁场的特定周期的触发点感测第一电信号，并且在磁场的下一个周期的相同触发点感测第二电信号。
相应地，还优选的是，外物检测装置被设置为以相同的方式确定检测单元的参考时间响应，即，为确保不存在外物，在不施加激励信号的情况下感测第一参考时间响应，在施加激励信号的情况下感测第二参考时间响应，以及将第一参考时间响应和第二参考时间响应相减以从参考时间响应中消除功率传输场的影响。类似地，两次感测应在时间上紧挨着进行，使得功率传输装置的操作点在感测之间不发生变化或者至少不发生显著变化。
激励信号与功率传输的磁场的同步可以用不同的方式实现。
一种可能性是，功率传输系统向外物检测装置提供相应的同步信号。
另一选择是感测谐振器输入电流，即，被馈送到初级谐振器以产生磁场的电流。由于该电流对应于谐振器输出电流，因此该电流在下文中也被指定为谐振器电流。例如，具有缠绕在初级谐振器的输入或输出导体周围的线圈和连接在线圈两端的电阻的电流互感器可用于感测谐振器电流，并且比较器可用于将感测到的谐振器电流与阈值进行比较。
尽管很容易将谐振器电流与给定阈值进行比较，并且因此大致使激励信号与磁场同步，但是很难由此推断出磁场在特定时间点是否具有给定值，因为初级谐振器产生的磁场不一定与谐振器电流同相。为了检测磁场是否呈现出给定值，必须采取进一步的措施。
第三种选择方案是使用合适的传感器直接感测磁场，然后将激励信号与所测量的磁场同步。为了测量磁场，可以感测磁场强度或磁通密度。由于这个方案不仅提供了磁场的实际值，而且也易于实现。因此，在本申请的一个实施例中，外物检测装置被设置为与磁场的磁通密度或磁场强度同步地触发激励单元产生激励信号和向电流输入施加激励信号。
如上所述，触发点的确定可以通过感测磁场的磁通密度或磁场强度，并将感测到的值与具有给定电平的阈值进行比较来实现，利用该给定电平产生在磁场周期内期望的触发点，激励单元应该在期望的触发点被触发以生成并施加激励信号。
尽管触发点可以是磁场的周期中的任何点，但是外物检测装置优选地被设置为使激励单元与磁通密度或磁场强度的过零点同步。因此，在本申请的又一实施例中，外物检测装置被设置为与磁场的磁通密度或磁场强度的过零点同步地触发激励单元产生激励信号并向电流输入施加激励信号。
对磁通密度或磁场强度的过零点的感测是相当容易实现的。为了检测信号的过零点，通常将阈值设置为零，以便将感测到的磁通密度或场强信号与零值进行比较。由于磁通密度或磁场强度都是正弦信号，因此感测到的信号会呈现出两次过零点，即在周期的开始(或结束)处以及在周期的中间。
现在，这些过零点中的每一个都可以被用作触发点，与感测到的信号的过零方向无关。或者，可以仅将感测到的信号在特定方向上的过零所导致的那些过零点用作触发点。例如，只有在感测到的信号上升到零以上期间出现的那些过零点可以被用作触发点，或者只有在感测到的信号下降到零以下期间出现的那些过零点可以被用作触发点。
在本申请的另一实施例中，尽管激励单元是在磁通密度或磁场强度的过零点被触发，但激励信号的施加可以被略微延迟，使得激励信号在磁通密度或电场强度过零之后不久被施加到电流输入。如此可避免无线功率传输系统的初级侧中，用于生成磁场的谐振器电流的逆变器的开关切换对所感测的电信号导致的干扰。激励信号的施加应该要延迟多长时间来避免这些切换边缘，很大程度上取决于其应用，特别是取决于无线功率传输系统的工作频率以及初级侧的设计。然而，延迟应尽可能短，但应足够长，以使切换操作后的瞬变消失。
通常，选择感测磁通密度还是感测磁场强度并不重要。相应地，可以根据特定应用进行选择。因此，用于感测磁场的检测器通常可以包括任何合适的传感器，例如基于霍尔效应、磁阻效应等的传感器。
然而，由于感测磁通密度是更易于实现的，因此，外物检测装置包括用于检测磁场的磁通密度与预定阈值的交叉点的检测器。
如上所述，无线功率传输系统也可以例如经由相应的接口或直接信号连接，直接向外物检测装置提供同步信息。例如，无线功率传输系统可以直接提供谐振器电流通过给定阈值的那些时间点，或者其可以向外物检测装置提供相应的开关控制信号，然后外物检测装置可以从中导出期望的触发点。还有一种可行方式是，无线功率传输系统自行感测磁场，然后向外物测量装置提供测量结果。
然而，可以确知的是，提供检测器给外物检测装置来检测期望的触发点是更容易的。
此外，如果外物检测装置包括用于检测期望的触发点的装置，则外物检测装置可以使用于不同的无线功率传输系统，因为其可以自行获取必要的信息。如果同步信息是由无线功率传输系统提供，则外物检测装置依赖于被提供正确的信息。因此，外物检测装置仅可能使用于与具有相应配置的无线功率传输系统。
在本申请的实施例中，检测器包括具有一个或更多个布置在磁场内的绕组的线圈、连接在线圈两端的电阻以及用于将电阻两端的产生的电压与参考电压进行比较的比较器。比较器输出进一步与控制及处理单元连接，控制及处理单元被配置为基于比较器输出触发激励单元。在这种情况下，参考电压对应于预定电流阈值，所述预定电流阈值可以被选择为具有任何适当的电平以确定所期望的触发点。
优选地，线圈被布置在磁场内，使得线圈的各匝所跨越的区域受磁场的磁力线流过。相应地，线圈被最优选地布置成使得线圈的各匝所跨越的区域垂直于磁力线。
因此，这种检测器是一种可用于确定触发点以向传感器模组的电流输入施加激励信号的简单且有成本效益的装置。
如上所述，外物检测装置优选地被配置为与磁场的过零点同步地触发激励单元。在如上所述的这种检测器的情况下，比较器输出与之比较的参考电压优选为0V。
尽管通常也可以使用模拟技术来实现对所感测到的电信号的处理以及对外物检测装置的控制，但是控制及处理单元优选地被配置为处理数字信号。这使得控制和使用外物检测装置的操作和选择的范围更广。
相应地，控制及处理单元优选地包括数字处理单元，诸如微控制器、微处理器、数字信号处理器、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)等。相应地，测量单元包括模数转换器，其用于获取表示感测到的电信号的采样数据，其中控制及处理单元被配置为基于测量单元获取的采样数据确定至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元的时间响应数据。
如上所述，可以通过将同一检测单元的两个时间响应相减来消除或者至少降低系统内的干扰。在数字信号处理的情况下，由于这种情况下的线性非时变系统的基本特性，因此两个时间响应的差信号可以简单地通过两个时间响应的逐样本相减来确定。
为了存储某些数据，诸如例如检测单元的参考时间响应或操作时间响应，控制及处理单元优选地还包括数据存储器，诸如例如存储器。这种存储器可以设置在控制及处理单元的内部和/或外部。
为了抑制电信号中不想要的部分，测量单元也可以包括滤波器，用于在模数转换之前对电信号进行滤波。这种滤波器可以是带通滤波器或高通滤波器。然而，滤波也可以在数字部分中实现，这意味着控制及处理单元可以对从测量单元接收到的采样数据进行数字滤波。
控制及处理单元也可以根据需要对采样数据应用进一步的处理步骤，诸如例如下采样、上采样、缩放、数据压缩、应用相关函数、参数识别等。
在本申请的另一实施例中，控制及处理单元被配置为在确定时间响应数据之前，通过消除或屏蔽采样数据的一个或更多个部分来处理从测量单元接收到的采样数据。优选地，消除或屏蔽采样数据中最有可能包括干扰，并且因此会对检测单元的时间响应的确定产生负面影响进而对外物的检测产生负面影响的那些部分。
还有一种可能方式是，整个时间响应被确定，但是在信号的进一步处理时，简单地忽略或者不考虑在测量到的信号中包括干扰的那些部分。
当然，如果例如某些应用允许降低计算精度，则整个采样数据都可以被用于进一步处理。
在一实施方式中，采样数据中受无线功率传输系统的初级侧中的逆变器的切换所影响的那些部分被消除或屏蔽，以降低干扰。
或者换言之，由逆变器切换导致的干扰可以被避免，因为如上面进一步描述的，激励信号只有在这些干扰已经消失或者至少降低到可接受的水平之后才施加，或者，在处理感测到的时间响应时，通过消除或屏蔽时间响应的相应部分而可忽略这些部分，因此可以避免这些干扰。
尽管在检测外物的应用已存在仅利用单个检测单元即足以覆盖功率从初级侧向次级侧感应传输的整个区域，但在大多数应用中，需要多个检测单元来覆盖该区域。
相应地，在本申请的再一实施例中，外物检测装置的传感器模组包括多个检测单元，其中每个检测单元的感测线圈包括多匝在平面中螺旋缠绕的绕组；所述检测单元被布置在一层或更多层中，并且某一层的感测线圈以规则图案布置。
在本申请的实施例中，感测线圈以具有多行和多列的矩阵状结构布置。
在本申请的又一实施例中，传感器模组包括多个检测单元，和一条或更多条输入引线以及一条或更多条输出引线，其中每个检测单元被连接在所述输入引线中的其中一条与所述输出引线中的其中一条之间，并且每个检测单元与不同组合的输入引线和输出引线相互连接。在本实施例的外物检测装置中，选择单元包括输入选择电路和输出选择电路，输入选择电路被配置为选择性地在电流输入与所述输入引线中的一条或更多条输入引线之间建立电连接，输出选择电路被配置为选择性地在所述一条或更多条输出引线中的一条输出引线与电流输出之间建立电连接。
在单条输入引线的情况下，输入选择电路仅包括连接电流输入和该单条输入引线的单个连接。在单个输出引线的情况下，输出选择电路仅包括连接该单条输出引线和电流输出的单个连接。
在一实施例中，传感器模组包括分别对应于每个检测单元的多条输入引线，以及单条输出引线。因此，输入选择电路包括多路分解器，用于选择性地在电流输入与输入引线中的一条或更多条输入引线之间建立电连接，输出选择电路仅包括将输出引线连接到电流输出的单个连接。相应地，通过相应地控制多路分解器，检测单元中的每个检测单元可以被连接在电流输入与电流输出之间。
在另一实施例中，传感器模组包括多条输入引线和多条输出引线，其中输入选择电路包括多路分解器，用于选择性地在电流输入与输入引线中的恰好一条输入引线之间建立电连接，并且其中输出选择电路包括多路复用器，用于选择性地在输出引线中的恰好一条输出引线与电流输出之间建立电连接。相应地，通过相应地控制多路复用器和多路分解器，检测单元中的每个检测单元可以被连接在电流输入与电流输出之间。
在两个实施例中，每个检测单元被连接在电流输入与电流输出之间，然后如上所述，激励信号被施加到电流输入，并且测量单元感测该检测单元的时间响应，并将其存储以用于后续处理或直接处理。对检测单元中的每个检测单元重复该过程。最后，基于在测量各单元的参考时间响应的初始化阶段期间以这种方式获取的数据和/或基于在操作期间获取的数据，控制及处理单元可以确定是否存在外物。
本申请关于无线功率传输系统的解决方案的描述如下。
根据本申请，一种无线功率传输系统包括如上所述的外物检测装置，所述无线功率传输系统用于从初级侧到次级跨空气间隙的感应功率传输，其具有初级侧，所述初级侧包括用于生成用于感应功率传输的磁场的初级谐振器。
通过将外物检测装置纳入在此类用于感应功率传输的无线功率传输系统中，可创建能够高效且可靠地检测外物的无线功率传输系统。
本申请的适用于在无线功率传输系统中的外物检测方法的解决方案包括：所述无线功率传输系统用于跨空气间隙从初级侧到次级侧的感应功率传输，其中所述初级侧包括用于生成用于感应功率传输的磁场的初级谐振器。所述方法包括：
提供传感器模组，其具有电流输入、电流输出、至少一个检测单元以及用于将所述至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元与电流输入和电流输出连接的选择单元，其中每个检测单元包括感测线圈；
生成激励信号和向电流输入施加激励信号，
感测电流输入处的电信号，
通过处理感测到的电信号来检测外物，
根据本申请，该方法还包括将激励信号的生成以及激励信号向电流输入的施加与用于感应功率传输的磁场同步。
在本申请的外物检测装置的一个实施例中，至少一个检测单元包括电容元件，其与感测线圈一起形成谐振回路。优选地，所有检测单元包括电容元件，以与单元的感测线圈形成谐振回路。
在本申请的外物检测装置的另一实施例中，至少一个检测单元包括与其谐振回路串联连接的去耦元件。优选地，所有检测单元都包括这样的去耦元件。该去耦元件用于在至少一个方向上至少部分地限制流过检测单元的电流，并且包括例如非受控反向电流阻断元件，其中所述阻断元件优选地为二极管，诸如例如PN结二极管、PIN结二极管或Schottky二极管。
附图说明
图1根据本申请的无线功率传输系统的示意图；
图2如图1的无线功率传输系统中所示的外物检测装置的更详细的示意图；
图3根据本申请的检测器的示意图，该检测器用于检测无线功率传输系统的磁功率场的阈值交叉；
图4根据本申请的用于外物检测装置的传感器模组的示意图；
图5根据本申请的外物检测装置的更详细的示意图；
图6在测量到的信号中减少干扰的概念表示；
图7a不同步的情况下的时间响应的测量结果；
图7b同步的情况下的时间响应的测量结果；
图8根据本申请的用于外物检测装置的激励电路的示意图，以及
图9激励信号的同步的时序图。
在图中，相同的组件被赋予了相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本申请一实施例的无线功率传输系统1的示意图。无线功率传输系统1包括初级侧2、次级侧3和控制器15，控制器15被示出为与初级侧2和次级侧3分离。初级侧2包括输入级5，其用于将输入功率4转换为馈送到初级谐振器6的AC(AlternatingCurrent，交流)初级输出功率7。初级谐振器6感应出磁场9以跨空气间隙8无线地传输功率。次级侧3包括次级谐振器10，其拾取磁场9并将通过磁场9接收到的功率转换为AC次级输出12。输出级11与次级谐振器10连接，并且将AC次级输出12转换为DC(Direct Current，直流)次级输出13，然后在无线功率传输系统1的输出处将该DC次级输出13作为输出功率14提供。
控制器15控制跨空气间隙8从初级侧2到次级侧3的功率传输，以便满足该应用的要求。控制器15控制初级侧2以满足，例如连接到输出级11的装置所需的特定输出功率14。在此，控制器15从次级侧3接收一些输入信号16，并基于该输入信号16生成控制信号17以控制初级侧2，以便感应出磁场9，以满足在无线功率传输系统1的输出处的所需功率。输入信号16可以是，例如表示输出级11输出的功率与输出级11的输出功率的设定值之间的功率差的信号。然而，输入信号16也可以仅仅是测量值，诸如例如输出级11处的实际功率、实际电流或实际电压，其中控制器15由此计算控制信号17。为此，控制器15还知道该功率、电流或电压的设定值，或者该设定值被输入到控制器15。
输入级5例如包括AC/AC转换器，该AC/AC转换器具有AC/DC级、DC链路和为谐振器6提供电流以产生磁场9的DC/AC逆变器。在此类配置中，控制信号17包括例如通过提供用于切换逆变器的开关的控制信号来控制输入级的信号。
尽管控制器15被示出为独立的单元，但其也可以被集成到图1示出的任一单元中。控制器15也可以被分成两个或更多个控制器单元以控制初级侧2，并且也可能控制无线功率传输系统1的其他功能或者甚至其他装置的功能。
无线功率传输系统1还包括外物检测装置19，以在有外物位于初级谐振器6和/或次级谐振器10附近，并且可能影响感应功率传输或者甚至导致无线功率传输系统1的损坏，或者伤害无线功率传输系统1附近的其他物体或人员的情况下，避免无线功率传输系统1的操作。
外物检测装置19包括传感器18，用于感测由初级谐振器6产生的磁场9。传感器18与外物检测装置19的检测器连接，该检测器基于传感器18的输出确定磁场9的时间信息，以便能够使外物检测装置19的感测与磁场9同步。
如从图1中可看出，外物检测装置19可以被集成到无线功率传输系统1中，但是其也可以与无线功率传输系统1分开实现和布置。在这种情况下，不包括外物检测装置19的无线功率传输系统可相应地利用上述的外物检测装置19来改造。
图2示出了外物检测装置19更详细的示意图。外物检测装置19包括传感器模组20、激励单元21、测量单元22和控制及信号处理单元23。传感器模组20包括例如多个检测单元，其中每个单元包括具有感测线圈和电容器的谐振电路，其中检测单元以矩阵状结构布置。
传感器模组20还包括电流输入35、电流输出36和控制输入38、39。此外，传感器模组20包括下述装置，该装置用于响应于由控制及处理单元23提供并且施加在控制输入38、39处的控制信号31、32，选择性地将每个检测单元与电流输入35以及电流输出36连接。电流输出36连接到接地端37。在下文中，以这种方式连接在电流输入35与电流输出36之间的检测单元也被称为激活检测单元。
激励单元21与电流输入35连接。由激励单元21执行的激励信号的生成和施加受到控制及处理单元23的控制，控制及处理单元23向激励单元21提供相应的触发信号33，然后激励单元21生成激励信号以及向电流输入35施加该激励信号。
测量单元22也与电流输入35连接，以感测传感器模组20当前连接在电流输入35与电流输出36之间的激活检测单元响应于施加到电流输入35的激励信号的时间响应信号。激励信号例如是电流阶跃，测量单元22检测到的时间响应信号是振荡电压信号。出现在激活检测单元附近的外物会影响该振荡电压信号的参数。例如，外物会改变激活检测单元的感测线圈的电感和电阻。因此，检测单元在其附近有外物情况下的时间响应会不同于该检测单元在其附近没有外物情况下的时间响应。相应地，通过比较检测单元的这两个时间响应，控制及处理单元23可以检测是否存在外物。
相应地，测量单元22与控制及处理单元23连接，以向控制及处理单元23提供检测到的时间响应以供进一步处理。检测到的时间响应可以直接被转发，或者可以先进行预处理。测量单元22例如可以对该检测到的时间响应进行滤波，并且例如可以将该检测到的时间响应(其为模拟信号)转换为数字信号。
检测单元在传感器模组20附近没有外物的情况下的时间响应，即所谓的参考时间响应，通常在外物检测装置19的非操作模式下被感测，并且由控制及处理单元23存储以备后用。为了在操作期间检测传感器模组20附近是否存在外物，检测单元的时间响应在操作期间被反复确定，与检测单元的各个存储的参考时间响应进行比较以检测是否存在外物。
触发信号33由控制及处理单元23依赖于检测器24向控制及处理单元23提供的检测信号27而向激励单元21提供。检测器24包括传感器18，用于感测无线功率传输系统1的磁场9，并且响应于在感测到的磁场信号中的过零来生成检测信号27。
控制及处理单元23不仅控制激励单元21，还控制测量单元22。控制及处理单元23例如可以控制测量单元22与磁场同步地测量激活的检测单元的时间响应信号，但不将激励信号施加到电流输入35。例如由控制及处理单元23基于检测器24所提供的检测信号27将测量单元22对时间响应的测量与磁场同步。
图3示出了根据本申请的检测器224的示意图，该检测器224用于检测在外物检测装置中使用的无线功率传输系统的磁场9的阈值交叉。
检测器224包括线圈220和在线圈220两端串联连接的两个电阻221、222。该示例中的线圈220包括两匝，但也可以包括更多或更少匝。
电阻221两端的电压被分接并馈送到比较器225，其中电阻221、222形成分压器并且被选择为使得电阻221两端的电压具有用于比较器225的正确电平。然后，比较器输出作为检测信号227被馈送到根据本申请的外物检测装置的控制及处理单元。然而，在这种情况下，比较器输出首先由带通滤波器226滤波以消除不想要的频率。
当电阻221两端的电压被直接馈送到比较器225的比较输入时，比较器检测电阻221两端的零电压。而且，由于电阻221两端的零电压仅在流过线圈220的磁通密度为零时出现，因此检测信号227识别可磁场9的过零点。相应地，检测器224也可以被指定为用于检测磁场相位的相位检测器。
在另一示例中，两个电阻221、222的公共端处相对于基础电压的电压可以被馈送到比较器225的比较输入之一，并且相对于基础电压的参考电压可以被馈送到比较器225的另外的比较输入，以便将两个电阻221、222的公共端处的电压与参考电压进行比较。基础电压例如可以是接地电压。以这种方式，检测器224检测的不是感测到的磁通密度的过零，而是与参考电压相对应的阈值的交叉。
图4示出了根据本申请的用于外物检测装置的传感器模组120的示意图。传感器模组120包括：包括在感测线圈垫124中的检测单元阵列、选择单元141、电流输入135、电流输出136和两个控制输入138、139。在图4所示的示例中，该阵列包括以四列五行排布的20个检测单元。
选择单元141包括通过五条输入引线127与感测线圈垫124连接的多路分解器125，并且选择单元141还包括通过四条输出引线128与感测线圈垫124连接的多路复用器126。多路分解器125被配置为响应于施加到控制输入138的控制信号而将输入引线127中的一条输入引线连接到电流输入135，而多路复用器126被配置为响应于施加到控制输入139的控制信号而将输出引线128中的一条输出引线连接到电流输出136。输入引线127中的每一条输入引线与感测线圈垫124特定行中的每个检测单元连接，并且输出引线128中的每一条输出引线与感测线圈垫124特定列中的每个检测单元连接。相应地，感测线圈垫124中的每个检测单元可以通过由施加到控制输入138、139的适当控制信号控制的选择单元141而单独地被选择并连接在电流输入135和电流输出136之间。
为了检测无线功率传输系统中的外物，感测线圈垫124被设置在空气间隙中，功率跨过该空气间隙从初级侧无线传输到次级侧。
图5示出了根据本申请的外物检测装置119的更详细的示意图。
外物检测装置119包括传感器模组120，诸如例如图4所示的传感器模组120，但是其也可以包括具有例如更多或更少的检测单元的或者具有相同数量但布置不同的检测单元的其他传感器模组。外物检测装置119还包括激励单元121、测量单元122和控制及处理单元123。控制及处理单元123向传感器模组120提供控制信号131、132以激活期望的检测单元。
激励单元121的输出连接到电流输入135。测量单元122包括带通滤波器129以及与该带通滤波器129的输出连接的模数转换器(Analogue-to-Digital Converter，ADC)130。带通滤波器129的输入连接到电流输入135。模数转换器130的输出连接到控制及处理单元123。相应地，测量单元122感测电流输入135处的电压，用带通滤波器129对其进行带通滤波，用模数转换器130将其转换为数字信号，并向控制及处理单元123提供该数字信号。因此，向控制及处理单元123提供的每个数字信号表示特定检测单元响应于激励单元121向电流输入135施加激励信号的时间响应。
带通滤波器129的通带包括传感器模组的检测单元的谐振回路的谐振频率，在本实施例可约为900千赫兹的频率。阻带消除了与功率传输场的操作频率相关的频率，这里例如为45千赫兹。
带通滤波器129是可选的，也可以用高通滤波器代替。除了带通滤波器129(或者替代带通滤波器129)，测量单元122也可以包括信号调整模块，例如以便缩放信号或转换信号。
外物检测装置119还包括检测器140，用于检测磁场9的过零点以及向控制及处理单元123提供相应的检测信号127。
基于检测信号127，控制及处理单元123确定触发点并向激励单元121提供相应的触发信号133，然后激励单元121生成激励信号并向电流输入135施加该激励信号。
测量单元122也可以在不向电流输入135施加激励信号的情况下感测电流输入135处的电压。以这种方式，例如可以单独测量检测单元响应于外部干扰的特性。
这允许消除外物检测装置119检测外物时干扰的影响。控制及处理单元123控制传感器模组120以激活特定检测单元。然后，在接收到检测器140的检测信号127时，该控制及处理单元123基于接收到的检测信号127确定触发点，然后在所确定的触发点控制测量单元122感测受激活的检测单元的时间响应，而不触发激励单元121生成并向电流输入135施加激励信号。触发点例如可以是磁场9的过零点。然后，所感测的时间响应由带通滤波器129滤波，由模数转换器130转换，并提供给存储相应采样数据的控制及处理单元123。
然后，在磁场的相同周期内，或者至少在无线功率传输系统的操作点不变化的若干磁场周期内，控制及处理单元123控制传感器模组120激活相同的特定检测单元，在接收到检测信号127时确定相同的触发点，在所确定的触发点通过触发信号133触发激励单元121生成并向电流输入135施加激励信号，并控制测量单元122感测受激活的检测单元的时间响应。类似地，感测到的时间响应接着由带通滤波器129滤波，由模数转换器130转换，并提供给向控制及处理单元123，控制及处理单元123存储或直接处理相应的采样数据。
通过对表示这两个时间响应的采样数据进行逐样本相减，可消除该系统中存在的干扰的影响，并且保留了该检测单元对该激励信号的纯时间响应。
通过分析这种纯时间响应，由于测量与磁场同步，即，通过在磁场的周期内使用相同的触发点进行测量，外物的检测更加可靠，并且减少了计算量。
此外，如上所述，该特定检测单元在没有外物的情况下的参考时间响应已在先前进行了感测，由带通滤波器129滤波，由模数转换器130进行A/D转换，并且相应的采样数据已经进行了存储。此外，该特定检测单元的参考时间响应的获取和存储可以进行两次，一次不施加激励信号，一次施加激励信号。但是这两种感测都是在由控制及处理单元123基于表示磁场的过零点的检测信号127确定的相同触发点而进行的。然后，两个信号的差被存储为该检测单元的纯参考时间响应。
因此，将该特定检测单元在操作期间的纯时间响应的采样数据与先前存储的该特定检测单元的纯参考时间响应的采样数据进行比较，以接收该检测单元单独对该激励信号的响应。
为了检测外物的存在，控制及处理单元123用于基于检测单元的时间响应和参考时间响应，或者如上所述，基于检测单元的纯时间响应和纯参考时间响应，来计算与所选择的检测单元的串联阻抗相关的参数。
控制及处理单元123包括例如微控制器，例如数字信号控制器或数字信号处理器、FPGA和/或ASIC。控制及处理单元123还包括用于存储由模数转换器130提供的采样数据的存储器。其也可以用以重建激励信号，例如作为用于激励信号的触发事件的时间戳的存储器。可替代地，测量单元122可以包括用于获取激励信号的另一信号通道。然后，控制及处理单元123也包括用于所获取的激励信号的样本的数据存储器。
图6示出了在测量到的信号中减少干扰的概念表示。如上所述，激励信号与磁场同步的一个优点是可以将测量到的时间响应的分析从时变系统转变为非时变系统。在这种情况下，其甚至可以转变为线性非时变系统(LTI)。激励以及随之对检测单元的时间响应的测量与磁场的同步允许消除或者至少实质上减少时间响应中由功率磁场的干扰引起的那些部分。图6示出了所得到的LTI系统150。第一激励及测量151和第二激励及测量152的执行都与磁场同步，即，在相同的触发点执行。相应地，激励及测量151、152的第一和第二测量时间响应161、162包括由功率场157本身引起的部分以及由逆变器的开关引起的开关噪声156引起的部分，其中逆变器用于生成在用于无线功率传输系统的初级侧上的谐振器的AC输入信号。
第一激励及测量151随着激励155而执行，即，随着施加到激活的检测单元的激励信号而执行。因此，第一测量时间响应161也包括激活的检测单元对该激励信号的响应。然而，第二激励及测量152在没有激励的情况下执行。相应地，第二测量时间响应162不包括激活的检测单元对激励信号的响应，而仅包括对开关噪声156和功率场157的响应。
然而，激励及测量151、152也可以包括由其他干扰等引起的其他部分。
现在，为了消除由开关噪声156和功率场157引起的干扰，通过减法器165从第一测量时间响应161中减去第二测量时间响应162。相应地，在得到的时间响应中，消除了测量的时间响应中由开关噪声156和功率场157引起的那些部分。由于这种LTI系统150的特性，得到的时间响应170因此主要包括激活的检测单元对该激励信号的响应。
图7a和图7b示出了在激励信号和测量与磁场不同步和同步的情况下的时间响应的测量结果。在这两种情况下，激励信号都是在电流输入处施加的电流阶跃。
图7a所示的图表301示出了在电流阶跃与磁场不同步的情况下检测单元对电流输入处的电流阶跃的时间响应的测量结果。而图7b所示的图表305示出了在电流阶跃与磁场同步的情况下另一检测单元对电流输入处的电流阶跃的时间响应的测量结果。两张图的横轴以微秒为单位显示时间，纵轴以伏特为单位显示测量到的电压。
信号302示出了在没有激活用于功率传输的磁场的情况下检测单元的阶跃响应。相应地，信号302示出了该检测单元单独对电流阶跃的阶跃响应，即，没有磁功率传输场的干扰。并且，信号303示出了在无线功率传输系统的操作中同一检测单元的阶跃响应，即，用于功率传输的磁场被激活，但电流阶跃与磁场不同步。
如图7a所示，信号303相对于信号302相移约180°，即，完全异相。这是因为，激励信号的施加与磁场不同步。或者换言之，电流阶跃可能在磁场周期内的任何时间发生。在本示例中，电流阶跃发生在磁场周期内约180°处。
为了补偿这种相移，需要进行复杂而精细的计算。此外，磁场与电流阶跃的施加之间的相移是不可预测的，因为它对于每个检测到的时间响应是不同的，这使得这些补偿计算更加复杂。
现在转到图表305。信号306再次示出了在没有激活用于功率传输的磁场的情况下检测单元的阶跃响应。而信号307示出了在无线功率传输系统的操作中，即，在激活了用于功率传输的磁场的情况下，同一检测单元的阶跃响应。然而，与图表301相反，施加到电流输入的电流阶跃与磁场同步。相应地，电流阶跃不会出现在磁场周期的随机点，而是被定时为出现在磁场的过零处。
正如在图7b中容易看到的，由于电流阶跃与磁场的过零点同步，信号307与信号306同相。并且还可以看出，除了从约5微秒开始振幅的轻微衰减之外，信号307几乎与信号306相同，直到约11微秒。
因此，无需复杂和精细的计算来进一步处理该信号307。例如，可以通过从信号306中减去信号307来容易地进一步处理信号307，从而产生直到约11微秒为止几乎为零的差信号。然后可以容易地将该差信号与先前存储的参考信号或纯参考信号进行比较，以确定在测量完成时该检测单元附近是否存在外物。
图8示出了根据本申请的用于外物检测装置的激励电路421的示意图。激励电路421包括电源404，其提供DC电压以生成激励信号。电感L经由第一开关Q1与电源404的正端子连接，电感L的另一端子与传感器模组420的电流输入435连接。尽管传感器模组420被示出为激励电路421的一部分，但通常情况并非如此。传感器模组420的电流输出与电源404的负端子连接并与接地端437连接。第三开关Q3从第一开关Q1与电感L的公共端子连接到地。第二开关Q2和第四开关Q4的串联电路连接在电流输入435与电流输出436之间。由于时间响应为振荡信号，所以使用了两个反向串联连接的开关Q2和Q4。这避免了任何电流从电流输入435流向电流输出436，或者从电流输出436流向电流输入。如果只使用单个MOSFET开关，则这种电流可能会通过MOSFET开关的体二极管。
二极管D1连接在由第一开关Q1和电感L形成的串联电路的两端，其中二极管D1的阳极与电流输入435连接，并且二极管D1的阴极与电源404的正端子连接。二极管D1用于恢复存储在电感L中的能量并将其返回到电源404。
图8中未示出传感器阵列420的开关，即，用于激活传感器阵列的特定检测单元并将其与电流输入435和电流输出436连接的选择电路的开关。
控制器415通过控制输入438控制传感器模组420，以通过相应地控制选择电路的开关来激活传感器模组420的特定检测单元。并且，控制器415也控制开关Q1-Q4的切换，在这种情况下，开关Q1-Q4为MOSFET开关。开关Q1-Q4的控制通常由将相应的控制信号施加到开关Q1-Q4的栅极的适当的栅极驱动器完成，并且该栅极驱动器由控制器415控制。图8中未示出该栅极驱动器，也未示出从控制器415分别到该栅极驱动器或者开关Q1-Q4的栅极的控制线。
尽管在该示例中控制器415被示为激励电路421的一部分，但是控制该激励电路的该控制器415通常是外物检测装置的一部分，这是因为控制器415不仅用于控制激励电路421，还用于控制外物检测装置的其他功能。
激励电路421还包括测量装置422，其用于感测通过电感流回电源404的负端子的电流IL。测量装置422可包括例如电阻，并且通过测量电阻两端的电压来测量电流IL。
图9通过两个连续的激励及测量周期的时序图示出了激励电路421的功能。图9示出了若干行。第一行示出了通过电感L的电流IL；第二行示出了在第一开关Q1的栅极处的控制信号GQ1；第三行示出了在第二和第四开关Q2、Q4的栅极处的控制信号GQ2/GQ4；第四行示出了在第三开关Q3的栅极处的控制信号GQ3；第五行示出了电压Uind，其代表磁场走向，并由如上进一步描述的检测器检测；第六行示出了所生成的激励电流ISti，其施加到电流输入435以激励传感器模组420的激活的检测单元；而第七行示出了在选择电路的开关处或开关的栅极处的控制信号GArray，该控制信号GArray用于激活要在给定时间被激励的检测单元。
这些行中的每一行的横轴表示时间。
如上进一步所述的，为了使激励电路421的激励及测量与用于功率传输的振荡磁场同步，对该磁场进行感测，将感应电流转换为AC电压，并且通过比较器检测该电压的过零。第五行示出了该感应电压Uind。对电压Uind的过零进行检测，然后将得到的检测信号馈送到控制器以控制激励信号的生成。在这种情况下，检测信号被馈送到控制器415。
在图9中，激励电路421处于其空闲模式，这被示出为处于图9左侧的时间间隔T4，并且在该空闲模式下，所有开关Q1-Q4都被关断。然后，第一激励及测量周期在时间间隔T4结束时开始。第一开关Q1以及第二和第四开关Q2、Q4由控制器415接通。作为结果，通过第一开关和电感L的电流IL开始增加，并通过开关Q2、Q4流回电源404。开关Q1、Q2、Q4的这种接通通常与该磁场不同步。
一旦感测到的电流IL达到阈值(在这种情况下为阈值电流IS)，控制器415就关断第一开关Q1，如箭头440所示。同时，控制器415接通第三开关Q3。相应地，电流IL从第一开关Q1换向到第三开关Q3，并继续流过电感L。时间间隔T1表示从第一开关Q1的接通直到电流IL达到阈值电流IS的时间。
然后，控制器415等待感应电压Uind的下一过零，并且一旦检测到该过零，控制器415就关断第二和第四开关Q2、Q4，如箭头441所示。同时，控制器415通过向传感器模组420的控制输入438提供的控制信号431来激活所期望的传感器模组420的检测单元，如箭头442所示。具体地，控制器415接通选择电路的一些开关，这些开关将此时要被激活的检测单元与电流输入435和电流输出436连接。第七行示出了接通相应的开关以激活所期望的单元的栅极信号GArray。在图9所示的示例中，第一检测单元在第一时间间隔T3中被激活，第二检测单元在第二时间间隔T3被激活。时间间隔T2表示从第一开关Q1的关断直到开关Q2、Q4关断时的下一过零的时间。如可看出的，检测到的过零是感应电压Uind下落期间的过零。
因此，电流IL停止流过开关Q2、Q4，而是作为第6行所示的激励电流ISti流过传感器模组420的激活的检测单元。用于激励激活的检测单元的激励信号是在电流输入435处进入传感器模组420并在电流输出436处离开传感器模组420的激励电流ISti。
第三开关Q3在时间间隔T3内保持接通，然后由控制器415关断。如可看出的，在该示例中，时间间隔T3比感应电压Uind的周期稍长，但是可以选择为更长，诸如例如比感应电压Uind的两个或三个周期稍长。然而，由于激励电流ISti随时间略微减小，因此选择基本上长于感应电压Uind的三个或四个周期的时间间隔T3是没有意义的。时间间隔T3的长度也可以取决于是否随后要激励更多的检测单元或者该系统是否进入空闲模式。
如图9所示，通过接通第一、第二和第四开关Q1、Q2、Q4，第二激励及测量周期在第一时间间隔T3结束时开始。如可看出的，电流IL在前一时间间隔T3期间没有减小到零，因此电流IL达到阈值电流IS所需的时间更短。因此，在该第二激励及测量周期中的时间间隔T1比在第一周期中的更短。一旦IL达到阈值电流IS，第一开关Q1就关断，而第三开关Q3接通。
在下一过零处，开关Q2、Q4如箭头441所示被关断，并且所期望的检测单元如箭头442所示被激活，从而将激励电流ISti施加到所期望的检测单元并且开始下一时间间隔T3。再次，开关Q3在时间间隔T3结束时关断，这终止了激励电流ISti并随之终止第二激励及测量周期。在该示例中，不存在待激励的其他检测单元，并且该系统进入到空闲模式中，在空闲模式期间再次被示为时间间隔T4，并且在此期间开关Q1、Q2和Q4被关断。开关Q3被示出为保持接通，这允许电流流过电感器L和二极管D1回到电源404，从而减小电感器L中的磁场并恢复存储在电感器L中的能量。随后，一旦存储在电感器L中的能量完全恢复，开关Q3就可以被关断。此外，在激励电路421的空闲模式中，传感器模组420的所有检测单元被去激活。从而，激励电路421为下一个、两个或更多个激励及测量周期做好准备。
当然，附图中所示的装置和组件可以包括未在附图中示出的其他元件。
总之，要注意的是，根据本申请的外物检测装置允许在无线功率传输系统中有效且可靠地检测外物，即，通过使激励信号的施加和相应时间响应的测量与无线功率传输系统的磁场同步，减少了分析检测单元检测到的时间响应的工作量。以这种方式，检测单元的时间响应的分析从时变系统转换为非时变系统，这允许大大简化了对测量信号的分析，并使对外物的检测更加可靠。

Claims (14)

1.一种用于无线功率传输系统的外物检测装置，所述无线功率传输系统用于从初级侧到次级侧跨空气间隙的感应功率传输，其中所述初级侧包括初级谐振器，所述初级谐振器用于产生用于所述感应功率传输的磁场，所述外物检测装置包括：
传感器模组，具有电流输入、电流输出、至少一个检测单元以及用于将所述电流输入和所述电流输出与所述至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元连接的选择单元，其中每个检测单元包括感测线圈；
激励单元，其与所述电流输入连接，用于生成激励信号和向所述电流输入施加所述激励信号；以及
测量单元，与所述电流输入连接，用于感测所述电流输入处的电信号；
控制及处理单元，用于触发所述激励单元和用于处理所述测量单元感测到的电信号以检测外物；
其中所述外物检测装置被设置为与用于所述感应功率传输的所述磁场同步地触发所述激励单元生成所述激励信号，以及向所述电流输入施加所述激励信号。
2.根据权利要求1所述的外物检测装置，其中所述测量单元被设置为在所述磁场的N个周期内与所述磁场同步地感测第一电信号和第二电信号，所述数量N为20或更少；所述激励单元被设置为避免在感测所述第一电信号期间触发以及被设置为在感测所述第二电信号期间触发；所述控制及处理单元被设置为确定所述第一电信号与所述第二电信号之差，并且所述测量单元在所述磁场的周期的第一半波期间感测所述第一电信号，并在所述磁场的周期的第二半波期间感测所述第二电信号。
3.根据权利要求1所述的外物检测装置，所述激励单元被设置为与所述磁场的磁通密度或磁场强度同步地触发以生成所述激励信号和向所述电流输入施加所述激励信号。
4.根据权利要求3所述的外物检测装置，所述激励单元被设置为与所述磁通密度或所述磁场强度的跨零点同步地触发以生成所述激励信号，并向所述电流输入施加所述激励信号。
5.根据权利要求3所述的外物检测装置，还包括检测器，用于检测所述磁场的磁通密度与预定电流阈值的交叉。
6.根据权利要求5所述的外物检测装置，其中所述检测器包括具有布置在所述磁场内的具有一个或更多个绕组的线圈、连接在所述线圈两端的电阻和用于将所述电阻两端的电压与参考电压进行比较的比较器，其中比较器输出连接到所述控制及处理单元，所述控制及处理单元用以基于所述比较器输出触发所述激励单元，其中所述参考电压对应于所述预定电流阈值。
7.根据权利要求6所述的外物检测装置，其中所述参考电压为0V。
8.根据权利要求1所述的外物检测装置，其中所述测量单元包括模数转换器，用于获取表示所述感测到的电信号的采样数据，其中所述控制及处理单元被设置为基于所述测量单元获取的所述采样数据确定所述至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元的时间响应数据。
9.根据权利要求8所述的外物检测装置，其中所述控制及处理单元被设置为在确定所述时间响应数据之前，消除或屏蔽所述采样数据的一个或更多个部分。
10.根据权利要求9所述的外物检测装置，其中所述控制及处理单元被设置为消除或屏蔽所述采样数据中受到用于生成谐振器电流的逆变器的切换所影响的部分。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的外物检测装置，其中所述传感器模组包括多个检测单元，每个所述检测单元的感测线圈包括多匝在平面中螺旋缠绕的绕组，所述检测单元布置为一层或更多层，并且其中一层的所述感测线圈以规则图案布置。
12.根据权利要求11所述的外物检测装置，其中所述传感器模组包括一条或更多条输入引线和一条或更多条输出引线，其中每个所述检测单元连接在所述输入引线中的一条输入引线与所述输出引线中的一条输出引线之间，并且每个所述检测单元与不同的所述输入引线和所述输出引线的组合连接，并且其中所述选择单元包括输入选择电路和输出选择电路，所述输入选择电路用以选择性地在所述电流输入与所述输入引线中的一条或更多条输入引线之间建立电连接，所述输出选择电路用以选择性地在所述一条或更多条输出引线中的其中一条与所述电流输出之间建立电连接。
13.一种无线功率传输系统，用于从初级侧向次级侧跨空气间隙的感应功率传输，其中所述初级侧包括初级谐振器，所述初级谐振器用于生成用于所述感应功率传输的磁场，其中所述无线功率传输系统包括根据前述权利要求中任一项所述的外物检测装置。
14.一种适用无线功率传输系统的外物检测的方法，所述无线功率传输系统用于从初级侧向次级侧跨空气间隙的感应功率传输，其中所述初级侧包括初级谐振器，所述初级谐振器用于生成用于所述感应功率传输的磁场，所述方法包括：
提供传感器模组，所述传感器模组具有电流输入、电流输出、至少一个检测单元和用于将所述至少一个检测单元中的一个或更多个检测单元与所述电流输入和所述电流输出连接的选择单元，其中每个检测单元包括感测线圈；
生成激励信号并向所述电流输入施加所述激励信号；
感测所述电流输入处的电信号；
通过处理所述感测到的电信号来检测外物；
其中所述激励信号的生成以及所述激励信号向所述电流输入的施加与用于所述感应功率传输的磁场同步。
CN202310492763.1A 2022-05-10 2023-05-05 外物检测 Pending CN117040147A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22172599.7 2022-05-10
EP22172599.7A EP4277085A1 (en) 2022-05-10 2022-05-10 Foreign object detection

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117040147A true CN117040147A (zh) 2023-11-10

Family

ID=81603500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310492763.1A Pending CN117040147A (zh) 2022-05-10 2023-05-05 外物检测

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230369900A1 (zh)
EP (1) EP4277085A1 (zh)
CN (1) CN117040147A (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202016100925U1 (de) * 2016-02-22 2017-05-23 Ipt Technology Gmbh Vorrichtung zur Erkennung eines elektrisch leitfähigen Fremdkörpers
EP3570410A1 (en) 2018-05-16 2019-11-20 Koninklijke Philips N.V. Wireless power transfer detecting foreign objects
EP3734801A1 (en) 2019-05-03 2020-11-04 Delta Electronics (Thailand) Public Co., Ltd. A sensor arrangement for a foreign object detection device
JP2023041074A (ja) * 2019-12-27 2023-03-24 Tdk株式会社 異物検出装置、送電装置、受電装置および電力伝送システム

Also Published As

Publication number Publication date
US20230369900A1 (en) 2023-11-16
EP4277085A1 (en) 2023-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11159063B2 (en) Wireless power transfer system and method
EP3082377B1 (en) Steering-wheel heater device
US10564307B2 (en) Systems, methods, and apparatus for foreign object detection loop based on inductive thermal sensing
EP3241265B1 (en) Systems, methods, and apparatus for detecting foreign objects
US10862349B2 (en) Metallic foreign object detector, wireless power transmitting device, wireless power receiving device, and wireless power transmission system
EP3216104B1 (en) Systems, methods, and apparatus for detecting ferromagnetic foreign objects in a predetermined space
JP6248785B2 (ja) 送電装置および受電装置
JP6772829B2 (ja) ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システム
US11175428B2 (en) Metallic foreign object detector, wireless power transmitting device, wireless power receiving device, and wireless power transmission system
CN110121826B (zh) 无线供电装置、无线受电装置及无线电力传输系统
US11685269B2 (en) Device, system and method for detection of a foreign object
EP2879140B1 (en) Coil unit and apparatus for detecting foreign matter
US20150091521A1 (en) Charging station for an electrically powered vehicle and charging method
CN117040147A (zh) 外物检测
CN111655533B (zh) 感应式充电装置和用于监控感应式充电装置的方法
JP2017055529A (ja) 送電装置、受電装置、及び非接触電力伝送システム
CN212172337U (zh) 一种具有检测人体接近功能的加热器
US20230131711A1 (en) Sensor arrangement for a foreign object detection device
CN116901742A (zh) 集成自供电异物检测的电动汽车mc-wpt系统及其异物检测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination