JP6514195B2 - 外来オブジェクト検出ループアレイ感度の向上のためのシステム、方法、および装置 - Google Patents

外来オブジェクト検出ループアレイ感度の向上のためのシステム、方法、および装置 Download PDF

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Description

本開示は、一般にワイヤレス電力伝達に関し、より詳細には、外来オブジェクト検出ループアレイ感度の向上のためのデバイス、システム、および方法に関する。
バッテリーなどのエネルギー蓄積デバイスから受信された電気から導出された運動力を含む車両などのリモートシステムが導入されている。たとえば、ハイブリッド電気車両は、車両を充電するために、車両のブレーキおよび従来型モータからの電力を使用するオンボード充電器を含む。バッテリー式電気車両(電気車両)は、家庭用または商用交流(AC)供給源などの何らかのタイプの有線ACを通して充電されることが提案されることが多い。有線充電接続は、電源に物理的に接続されているケーブルまたは他の同様のコネクタを必要とする。ケーブルおよび同様のコネクタは、場合によっては、不便であるか、または扱いにくく、かつ他の欠点を有することがある。電気車両を充電するのに使用されるように(たとえば、ワイヤレス場を介して)自由空間内で電力を伝達することが可能なワイヤレス充電システムは、有線充電ソリューションの欠点の一部を克服する可能性がある。しかしながら、ワイヤレス場は、ワイヤレス場内に位置する導電性の良い(たとえば、金属)オブジェクトに渦電流を誘起することがあり、これはオブジェクトの加熱、振動、または近くのオブジェクトの溶解もしくは発火を引き起こす可能性がある。したがって、電気車両を充電するために電力を効率的かつ安全に伝達するワイヤレス充電システムおよび方法が望ましい。
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの様々な実施形態の各々は、いくつかの態様を有し、そのどの態様も単独で、本明細書で説明する望ましい属性に関与することはない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、本明細書においていくつかの顕著な特徴について説明する。
本明細書で説明する主題の1つまたは複数の実施形態の詳細について、以下の添付の図面および説明において述べる。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、一定の縮尺で描かれていない可能性があることに留意されたい。
本開示の一態様は、オブジェクトの存在を検出するための装置を提供する。本装置は、アレイに配列された複数の導電性ループを含む。本装置は、複数のループの各々に関連する特性を判断するように構成されたセンサ回路をさらに含む。本装置は、複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するように構成されたハードウェアプロセッサをさらに含む。ハードウェアプロセッサは、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するようにさらに構成される。
本開示の別の態様は、オブジェクトの存在を検出するための方法の実施形態を提供する。本方法は、アレイに配列された複数の導電性ループの各々に関連する特性を判断するステップを含む。本方法は、複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するステップをさらに含む。本方法は、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するステップをさらに含む。
本開示のさらに別の態様は、オブジェクトの存在を検出するための装置を提供する。本装置は、ループアレイの複数のループの各々に関連する特性を判断するための手段を含む。本装置は、複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するための手段をさらに含む。本装置は、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するための手段をさらに含む。
本開示の別の態様は、オブジェクトの存在を検出するための非一時的コンピュータ可読媒体を提供する。非一時的コンピュータ可読媒体のコンピュータプログラムは、実行されたときに装置に、アレイに配列された複数の導電性ループの各々に関連する特性を判断するステップを行わせる命令をその上に符号化している。命令は、実行されたときに装置に、複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するステップをさらに行わせる。命令は、実行されたときに装置に、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するステップをさらに行わせる。
例示的な実施形態による、電気車両を充電するための例示的なワイヤレス電力伝達システムの図である。 図1のワイヤレス電力伝達システムの例示的なコア構成要素の概略図である。 図1のワイヤレス電力伝達システムの例示的なコア構成要素および補助構成要素を示す別の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による、オブジェクト検出のための例示的なループアレイを示す図である。 一実施形態による、基地パッド内に埋め込まれたオブジェクト検出のための例示的なループアレイの側面図である。 一実施形態による、オブジェクトを検出するように構成されたループアレイ内のループに関する例示的な構成の図である。 一実施形態による、ループインピーダンス測定に基づいてオブジェクトを検出するように構成された例示的な回路の機能ブロック図である。 一実施形態による、ループ共振周波数測定に基づいてオブジェクトを検出するように構成された例示的な回路の別の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による、ループ測定に基づいてオブジェクトを検出するための結果行列の図である。 例示的な実施形態による、ループ測定および隣接ループ測定に基づいてオブジェクトを検出するための拡張結果行列の図である。 例示的な実施形態による、外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数を示すチャートである。 例示的な実施形態による、ループの中心に外来オブジェクトが存在するときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。 例示的な実施形態による、2つのループの間の端に外来オブジェクトが存在するときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。 例示的な実施形態による、オブジェクトの存在を検出するための例示的な方法のフローチャートである。 例示的な実施形態による、オブジェクトの存在を検出するための装置の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による、ループ測定に基づいてオブジェクトを検出し、温度変動を訂正するための結果行列の図である。 例示的な実施形態による、ループ測定、隣接ループ測定に基づいてオブジェクトを検出し、温度変動を訂正するための縮約結果行列の図である。 例示的な実施形態による、室温において外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数を示すチャートである。 例示的な実施形態による、上昇した温度において外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。 例示的な実施形態による、かなり上昇した温度において外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。 例示的な実施形態による、外来オブジェクトが存在するときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。
図面に示された様々な特徴は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。したがって、明確にするために、様々な特徴の寸法は任意に拡大または縮小されている場合がある。加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを描写していない場合がある。最後に、本明細書および図の全体を通して、同様の特徴を示すために同様の参照番号が使用される場合がある。
添付の図面に関連させて以下に記載される詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の説明を目的としたものであり、本発明を実践できる唯一の実施形態を表すことを意図したものではない。本明細書全体にわたって使用される「例示的な」という用語は、「例、実例、または図例として役立つ」ことを意味しており、他の例示的な実施形態よりも好ましい、または有利であると必ずしも解釈すべきではない。詳細な説明は、例示的な実施形態の完全な理解をもたらす目的で、具体的な詳細を含んでいる。場合によっては、いくつかのデバイスがブロック図の形式で示されている。
電力をワイヤレスに伝達することは、物理的な電気導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などに関連する任意の形態のエネルギーを送信機から受信機に伝達する(たとえば、電力は、自由空間を通して伝達され得る)ことを指し得る。電力伝達を実現するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)内に出力された電力は、「受信コイル」によって受信、捕捉、または結合され得る。
本明細書において、リモートシステムについて説明するために電気車両が使用され、その一例は、運動能力の一部として、充電可能なエネルギー蓄積デバイス(たとえば、1つまたは複数の再充電可能な電気化学セルまたは他のタイプのバッテリー)から導出された電力を含む車両である。非限定的な例として、いくつかの電気車両は、電気モータ以外に、直接運動のための、または車両のバッテリーを充電するための従来型内燃機関を含むハイブリッド電気車両であり得る。他の電気車両は、電力からすべての運動能力を引き出し得る。電気車両は、自動車に限定されず、オートバイ、カート、スクーターなどを含み得る。限定ではなく例として、リモートシステムは本明細書において、電気車両(EV)の形態で説明される。さらに、充電可能なエネルギー蓄積デバイスを使用して少なくとも部分的に電力供給され得る他のリモートシステム(たとえば、パーソナルコンピューティングデバイスなどの電子デバイス)も企図される。
図1は、例示的な実施形態による、電気車両112を充電するための例示的なワイヤレス電力伝達システム100の図である。ワイヤレス電力伝達システム100は、電気車両112が基地ワイヤレス充電システム102aの近くに駐車している間に、電気車両112の充電を可能にする。駐車エリアにおいて2台の電気自動車を対応する基地ワイヤレス充電システム102aおよび102bの上に駐車させるためのスペースが示されている。いくつかの実施形態では、ローカル分配センター130を電力バックボーン132に接続することができ、ローカル分配センター130は、交流(AC)または直流(DC)供給を、電力リンク110を介して、基地ワイヤレス充電システム102aに提供するように構成され得る。基地ワイヤレス充電システム102aはまた、電力をワイヤレスに伝達または受信するための基地システム誘導コイル104aを含む。電気車両112は、バッテリーユニット118と、電気車両誘導コイル116と、電気車両ワイヤレス充電システム114とを含むことができる。電気車両誘導コイル116は、たとえば、基地システム誘導コイル104aによって生成された電磁場の領域を介して、基地システム誘導コイル104aと対話することができる。
いくつかの例示的な実施形態では、基地システム誘導コイル104aによって生成されたエネルギー場に電気車両誘導コイル116が位置するとき、電気車両誘導コイル116は電力を受信することができる。エネルギー場は、基地システム誘導コイル104aによって出力されたエネルギーが電気車両誘導コイル116によって捕捉され得る領域に対応する。たとえば、基地システム誘導コイル104aによって出力されたエネルギーは、電気車両112を充電するか、または電気車両112に電力供給するのに十分なレベルにあり得る。場合によっては、エネルギー場は、基地システム誘導コイル104aの「近距離場」に対応し得る。近距離場は、基地システム誘導コイル104aから電力を放射しない、基地システム誘導コイル104a内の電流および電荷からもたらされる、強い反応場が存在する領域に対応することができる。場合によっては、近距離場は、以下でさらに説明するように、基地システム誘導コイル104aの波長の約1/2πの範囲内にある領域(反対に電気車両誘導コイル116の場合も同様)に対応することができる。
ローカル分配センター130は、通信バックホール134を介して外部ソース(たとえば、電力網)と、および通信リンク108を介して基地ワイヤレス充電システム102aと通信するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、単純に運転手が電気車両112を基地システム誘導コイル104aに対して正しく位置付けることによって、電気車両誘導コイル116は、基地システム誘導コイル104aと位置合わせすることができ、したがって、近距離場領域内に配置することができる。他の実施形態では、ワイヤレス電力伝達のために電気車両112が適切に配置されたときを判断するために、運転手には、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、またはそれらの組合せを与えることができる。また他の実施形態では、電気車両112は、オートパイロットシステムによって位置付けることができ、オートパイロットシステムは、位置合わせ誤差が許容値に達するまで、電気車両112を(たとえば、ジグザグ運動で)前後に移動させることができる。これは、電気車両112が、車両を調整するためのサーボハンドル、超音波センサ、およびインテリジェンスを備える場合、運転手が介入することなく、または運転手が最低限の介入しか行わずに、電気車両112によって自動的、および自律的に実行することができる。さらに他の実施形態では、電気車両誘導コイル116、基地システム誘導コイル104a、またはそれらの組合せは、誘導コイル116および104aを互いに対して変位および移動させて、それらをより正確に方向合わせし、それらの間により効率的な結合を生じさせるための機能を有することができる。
基地ワイヤレス充電システム102aは、様々な場所に位置し得る。非限定的な例として、いくつかの適切な場所は、電気車両112の所有者の自宅の駐車エリア、従来のガソリンスタンドに倣った電気車両ワイヤレス充電用に確保された駐車エリア、およびショッピングセンターおよび職場など、他の場所の駐車場を含む。
ワイヤレスに電気車両を充電することで、数々の利点が提供される。たとえば、充電は、自動的に、実質的に運転手の介入および操作なしに実行することができ、それによって、ユーザの利便性を向上させる。露出した電気接点、および機械的摩耗をなくすこともでき、それによって、ワイヤレス電力伝達システム100の信頼性を高める。ケーブルおよびコネクタを用いる操作を不必要にすることができ、戸外の環境において湿気および水分にさらされることがある、ケーブル、プラグ、またはソケットをなくすことができ、それによって、安全性を向上させる。見えるまたは接近できるソケット、ケーブル、およびプラグをなくすこともでき、それによって、電力充電デバイスへの潜在的な破壊行為を減らす。さらに、電力網を安定させるために、電気車両112を分散貯蔵デバイスとして使用することができるので、ビークルツーグリッド(V2G:Vehicle-to-Grid)動作のための車両の利用可能性を高めるために、ドッキングツーグリッド(docking-to-grid)ソリューションが使用されることがある。
図1に関して説明するワイヤレス電力伝達システム100は、美的でおよび無害の利点も提供し得る。たとえば、自動車および/または歩行者の妨害となることがある、充電カラムおよびケーブルをなくすことができる。
ビークルツーグリッド機能のさらなる説明として、ワイヤレス電力送信および受信機能は、基地ワイヤレス充電システム102aが電力を電気車両112に伝達し、たとえばエネルギー不足のときに電気車両112が電力を基地ワイヤレス充電システム102aに伝達するように、相互的になるように構成され得る。この機能は、過剰な需要または再生可能エネルギー生産(たとえば、風または太陽)の不足によって引き起こされたエネルギー不足のときに電気車両が分配システム全体に電力を寄与できるようにすることによって電力分配網を安定させるのに役立ち得る。
図2は、図1のワイヤレス電力伝達システム100の例示的なコア構成要素の概略図である。図2に示すように、ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL1を有する基地システム誘導コイル204を含む基地システム送信回路206を含むことができる。ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL2を有する電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222をさらに含む。本明細書で説明する実施形態は、一次構造(送信機)と二次構造(受信機)の両方が共通の共振周波数に合わせられている場合に、磁気または電磁気近距離場を介して一次構造から二次構造にエネルギーを効率的に結合することが可能な共振構造を形成する容量装荷ワイヤループ(すなわち、多巻きコイル)を使用することができる。コイルは、電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204に使用され得る。エネルギーを結合するために共振構造を使用することは、「磁気結合共振」、「電磁結合共振」、および/または「共振誘導」と呼ばれ得る。ワイヤレス電力伝達システム200の動作は、基地ワイヤレス電力充電システム202から電気車両112への電力伝達に基づいて説明されることになるが、これに限定されない。たとえば、上記で説明したように、電気車両112は、基地ワイヤレス充電システム102aに電力を伝達し得る。
図2を参照すると、電源208(たとえば、ACまたはDC)は、電気車両112にエネルギーを伝達するために電力PSDCを基地ワイヤレス電力充電システム202に供給する。基地ワイヤレス電力充電システム202は、基地充電システム電力変換器236を含む。基地充電システム電力変換器236は、標準的なメインAC電力から適切な電圧レベルのDC電力に電力を変換するように構成されたAC/DC変換器、およびDC電力をワイヤレス高電力伝達に適した動作周波数の電力に変換するように構成されたDC/低周波数(LF)変換器などの回路を含み得る。基地充電システム電力変換器236は、所望の周波数で電磁場を放出するために、基地システム誘導コイル204と直列のキャパシタC1を含む基地システム送信回路206に電力P1を供給する。キャパシタC1は、並列または直列のいずれかで基地システム誘導コイル204に結合されてよく、または並列トポロジーまたは直列トポロジーの任意の組合せでいくつかの反応性要素から形成されてよい。所望の周波数で共振する基地システム誘導コイル204との共振回路を形成するように、キャパシタC1が提供され得る。基地システム誘導コイル204は電力P1を受信し、電気車両112の充電または電気車両112への電力供給に十分なレベルの電力をワイヤレスに送信する。たとえば、基地システム誘導コイル204によってワイヤレスに提供される電力レベルは、およそ数キロワット(kW)(たとえば、1kWから110kWまでの間、またはこれよりも高いkWまたは低いkW)であり得る。
基地システム誘導コイル204を含む基地システム送信回路206および電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222は、実質的に同じ周波数に合わせられてよく、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216のうちの1つによって送出された電磁場の近距離場内に位置付けられ得る。この場合、キャパシタC2および電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222に電力が伝達され得るように、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216は、互いに結合され得る。キャパシタC2は、所望の周波数で共振する電気車両誘導コイル216との共振回路を形成するように提供され得る。キャパシタC2は、並列または直列のいずれかで電気車両誘導コイル204に結合されてよく、または並列トポロジーまたは直列トポロジーの任意の組合せでいくつかの反応性要素から形成されてよい。要素k(d)は、コイル分離で生じる相互結合係数を表す。等価抵抗Req,1およびReq,2は、誘導コイル204および216ならびに逆リアクタンスキャパシタC1およびC2に固有であり得る損失を表す。電気車両誘導コイル216およびキャパシタC2を含む電気車両受信回路222は、電力P2を受信し、電気車両充電システム214の電気車両電力変換器238に電力P2を提供する。
電気車両電力変換器238は、とりわけ、電気車両バッテリーユニット218の電圧レベルに整合する電圧レベルのDC電力に戻す形で動作周波数の電力を変換するように構成されたLF/DC変換器を含み得る。電気車両電力変換器238は、電気車両バッテリーユニット218を充電するために、変換された電力PLDCを提供することができる。電源208、基地充電システム電力変換器236、および基地システム誘導コイル204は、静止し、上述した様々な場所に位置してよい。バッテリーユニット218、電気車両電力変換器238、および電気車両誘導コイル216は、電気車両112の一部またはバッテリーパック(図示せず)の一部である電気車両充電システム214中に含まれ得る。電気車両充電システム214はまた、電力網に電力を戻すために、電気車両誘導コイル216を通して基地ワイヤレス電力充電システム202にワイヤレスに電力を提供するように構成され得る。電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204の各々は、動作モードに基づいて送信誘導コイルまたは受信誘導コイルとしての働きをすることができる。
図示されていないが、ワイヤレス電力伝達システム200は、電気車両バッテリーユニット218または電源208をワイヤレス電力伝達システム200から安全に切断する負荷切断ユニット(LDU)を含み得る。たとえば、緊急事態またはシステム障害の場合、LDUは、ワイヤレス電力伝達システム200から負荷を切断するようにトリガされ得る。LDUは、バッテリーへの充電を管理するためのバッテリー管理システムに加えて提供されてよく、またはバッテリー管理システムの一部であってもよい。
さらに、電気車両充電システム214は、電気車両誘導コイル216を電気車両電力変換器238との間で選択的に接続および切断するための切替回路(図示せず)を含むことができる。電気車両誘導コイル216を切断することで、充電を中止することができ、(送信機としての働きをする)基地ワイヤレス充電システム102aによって「見られる」ように「負荷」を調整することもでき、これを利用して、(受信機としての働きをする)電気車両充電システム114を基地ワイヤレス充電システム102aから「隠す」ことができる。送信機が負荷感知回路を含む場合、負荷変動が検出され得る。したがって、基地ワイヤレス充電システム202などの送信機は、電気車両充電システム114などの受信機が基地システム誘導コイル204の近距離場に存在するときを判断するための機構を有し得る。
上記で説明したように、動作中、車両またはバッテリーへのエネルギー伝達を仮定すると、基地システム誘導コイル204がエネルギー伝達を提供するための場を生成するように、電源208から入力電力が提供される。電気車両誘導コイル216は放射場に結合し、電気車両112による貯蔵または消費のために出力電力を生成する。上記のように、いくつかの実施形態では、電気車両誘導コイル116の共振周波数および基地システム誘導コイル204の共振周波数が非常に近くなるか、または実質的に同じになるように相互共振関係に従って、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル116は構成される。電気車両誘導コイル216が基地システム誘導コイル204の近距離場に位置するとき、基地ワイヤレス電力充電システム202と電気車両充電システム214との間の送電損失は最小である。
上述のように、効率的なエネルギー伝達は、電磁波内のエネルギーの大部分を遠距離場に伝播するのではなく、送信誘導コイルの近距離場内のエネルギーの大部分を受信誘導コイルに結合することによって生じる。この近距離場にあるとき、送信誘導コイルと受信誘導コイルとの間に結合モードが確立され得る。この近距離場結合が発生し得る誘導コイルの周りのエリアを、本明細書では近距離場結合モード領域と呼ぶ。
図示されていないが、基地充電システム電力変換器236および電気車両電力変換器238はいずれも、発振器、電力増幅器などのドライバ回路、フィルタ、およびワイヤレス電力誘導コイルと効率的に結合するための整合回路を含み得る。発振器は、調整信号に応答して調整され得る所望の周波数を生成するように構成され得る。発振器信号は、電力増幅器によって、制御信号に応答する増幅量で増幅され得る。フィルタおよび整合回路は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去し、電力変換モジュールのインピーダンスをワイヤレス電力誘導コイルに整合させるために含まれ得る。電力変換器236および238はまた、バッテリーを充電するために適切な電力出力を生成するための整流器および切替回路を含み得る。
開示する実施形態を通じて説明する電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204は、「ループ」アンテナ、より具体的には、多巻きループアンテナと呼ばれるか、またはそのようなものとして構成され得る。誘導コイル204および216はまた、本明細書において「磁気」アンテナと呼ばれるか、またはそのようなものとして構成され得る。「コイル」という用語は、別の「コイル」に結合するためのエネルギーをワイヤレスに出力または受信することができる構成要素を指すことが意図される。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」と呼ぶこともできる。本明細書で使用する場合、コイル204および216は、電力をワイヤレスに出力、ワイヤレスに受信、および/またはワイヤレスに中継するように構成されるタイプの「電力伝達構成要素」の例である。ループ(たとえば、多巻きループ)アンテナは、空芯、またはフェライトコアなどの物理的コアを含むように構成され得る。空芯ループアンテナにより、コアエリア内に他の構成要素を配置することが可能になり得る。強磁性材料またはフェリ磁性材料を含む物理的コアアンテナにより、より強い電磁場の生成および結合の改善が可能になり得る。
上述のように、送信機と受信機との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機と受信機との間に整合した共振またはほぼ整合した共振が生じている間に行われる。しかしながら、送信機と受信機との間の共振が整合しないときでも、効率性を下げてエネルギーを伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信誘導コイルからのエネルギーを自由空間に伝播するのではなく、送信誘導コイルの近距離場からのエネルギーを、この近距離場が確立された領域内(たとえば、共振周波数の所定の周波数範囲内または近距離場領域の所定の距離内)に存在する受信誘導コイルに結合することによって生じる。
共振周波数は、上述した誘導コイル(たとえば、基地システム誘導コイル204)を含む送信回路のインダクタンスおよびキャパシタンスに基づき得る。図2に示すように、インダクタンスは概して、誘導コイルのインダクタンスであってよく、一方でキャパシタンスは、所望の共振周波数で共振構造を形成するために誘導コイルに追加され得る。非限定的な例として、図2に示すように、キャパシタが、電磁場を生成する共振回路(たとえば、基地システム送信回路206)を形成するために誘導コイルと直列に追加され得る。したがって、より大きい直径の誘導コイルでは、共振を誘起するために必要なキャパシタンスの値は、コイルの直径またはインダクタンスが増加するにつれて減少してよい。インダクタンスはまた、誘導コイルの巻数に左右され得る。さらに、誘導コイルの直径が増加するにつれて、近距離場の効率的なエネルギー伝達面積が増加してよい。他の共振回路も考えられる。別の非限定的な例として、誘導コイルの2つの端子間に並列にキャパシタを配置してよい(たとえば、並列共振回路)。さらに、誘導コイルは、誘導コイルの共振を改善するための高品質(Q)係数を有するように設計され得る。たとえば、Q係数は300以上であり得る。
上述のように、いくつかの実施形態によれば、互いの近距離場にある2つの誘導コイルの間の電力結合が開示されている。上述のように、近距離場は、電磁場が存在する誘導コイルの周りの領域に対応し得るが、誘導コイルから伝播または放射することはない場合がある。近距離場結合モード領域は、通常は波長のごく一部の中にある、誘導コイルの物理容積に近い容積に対応し得る。いくつかの実施形態によれば、1回巻きまたは多巻きループアンテナなどの電磁誘導コイルは、送信と受信の両方に使用され、その理由は、実際の実施形態における磁気近距離場振幅は、電気タイプアンテナ(たとえば、小さいダイポール)の電気近距離場と比較して、磁気タイプコイルの場合に高い傾向があることにある。これにより、ペア間の潜在的により高い結合が可能になる。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナとの組合せが使用され得る。
図3は、図1のワイヤレス電力伝達システム300の例示的なコア構成要素および補助構成要素を示す別の機能ブロック図である。ワイヤレス電力伝達システム300は、通信リンク376、案内リンク366、および基地システム誘導コイル304および電気車両誘導コイル316のための位置合わせシステム352、354を示している。図2に関して上述したように、電気車両112へのエネルギーフローを仮定すると、図3では、基地充電システム電力インターフェース354は、ACまたはDC電源126などの電源からの電力を充電システム電力変換器336に提供するように構成され得る。基地充電システム電力変換器336は、基地充電システム電力インターフェース354からACまたはDC電力を受信して、基地システム誘導コイル304をその共振周波数においてまたはその共振周波数近くで励磁することができる。電気車両誘導コイル316は、近距離場結合モード領域にあるとき、近距離場結合モード領域からエネルギーを受信して、共振周波数においてまたは共振周波数近くで発振することができる。電気車両電力変換器338は、電気車両誘導コイル316からの発振信号を、電気車両電力インターフェースを介してバッテリーに充電するのに適した電力信号に変換する。
基地ワイヤレス充電システム302は基地充電システムコントローラ342を含み、電気車両充電システム314は電気車両コントローラ344を含む。基地充電システムコントローラ342は、たとえば、コンピュータ、および電力分配センター、またはスマート電力網などの他のシステム(図示せず)への基地充電システム通信インターフェース162を含むことができる。電気車両コントローラ344は、たとえば、車両搭載コンピュータ、他のバッテリー充電コントローラ、車両内の他の電子システム、およびリモート電子システムなどの他のシステム(図示せず)への電気車両通信インターフェースを含み得る。
基地充電システムコントローラ342および電気車両コントローラ344は、別個の通信チャネルを有する特定のアプリケーションのためのサブシステムまたはモジュールを含み得る。これらの通信チャネルは、別個の物理チャネルまたは別個の論理チャネルであり得る。非限定的な例として、基地充電位置合わせシステム352は、自律的に、またはオペレータの支援により、基地システム誘導コイル304と電気車両誘導コイル316とをよりしっかりと位置合わせするためのフィードバック機構を提供する通信リンク356を介して、電気車両位置合わせシステム354と通信することができる。同様に、基地充電案内システム362は基地システム誘導コイル304と電気車両誘導コイル316とを位置合わせする際にオペレータを案内するためのフィードバック機構を提供する案内リンクを介して、電気車両案内システム364と通信することができる。さらに、基地ワイヤレス電力充電システム302と電気車両充電システム314との間で他の情報を通信するための基地充電通信システム372および電気車両通信システム374によってサポートされる別個の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)があり得る。この情報は、基地ワイヤレス電力充電システム302と電気車両充電システム314の両方の電気車両特性、バッテリー特性、充電ステータス、および電力容量に関する情報、ならびに電気車両112に関する保守および診断データを含み得る。これらの通信チャネルは、たとえば、ブルートゥース（登録商標）、zigbee、セルラーなどの別個の物理通信チャネルであり得る。
電気車両コントローラ344は、電気車両主バッテリーの充電および放電を管理するバッテリー管理システム(BMS)(図示せず)、マイクロ波または超音波レーダー原理に基づく駐車支援システム、半自動式駐車動作を実行するように構成されたブレーキシステム、および駐車の正確性を高め、ひいては基地ワイヤレス充電システム102aおよび電気車両充電システム114のうちのいずれかにおける機械的水平誘導コイルの位置合わせの必要性を低減し得る、概ね自動化された駐車「park by wire」を支援するように構成されたハンドルサーボシステム(steering wheel servo system)も含むことができる。さらに、電気車両コントローラ344は、電気車両112の電子機器と通信するように構成され得る。たとえば、電気車両コントローラ344は、視覚的出力デバイス(たとえば、ダッシュボードディスプレイ)、音響/オーディオ出力デバイス(たとえば、ブザー、スピーカー)、機械的入力デバイス(たとえば、キーボード、タッチスクリーン、ポインティングデバイス、たとえば、ジョイスティック、トラックボールなど)、およびオーディオ入力デバイス(たとえば、電子音声認識によるマイクロフォン)と通信するように構成され得る。
さらに、ワイヤレス電力伝達システム300は、検出およびセンサシステムを含み得る。たとえば、ワイヤレス電力伝達システム300は、運転手または車両を充電場所に適切に案内するためのシステムとともに使用するセンサ、必要な分離/結合により誘導コイルを相互に位置合わせするためのセンサ、結合を達成するために特定の高さおよび/または位置に電気車両誘導コイル316が移動するのを妨げ得るオブジェクトを検出するためのセンサ、およびシステムの信頼できる無害および安全な動作を実行するためのシステムとともに使用する安全センサを含み得る。たとえば、安全センサは、安全区域を越えてワイヤレス電力誘導コイル104a、116に近づいてくる動物または子供の存在の検出、加熱され得る(誘導加熱)基地システム誘導コイル304に近い金属オブジェクトの検出、基地システム誘導コイル304上の白熱オブジェクトなどの危険な事象の検出、および基地ワイヤレス電力充電システム302および電気車両充電システム314の構成要素の温度監視のためのセンサを含み得る。
ワイヤレス電力伝達システム300はまた、有線接続を介したプラグイン充電をサポートすることができる。電気車両112との間で電力を伝達する前に、有線充電ポートが、2つの異なる充電器の出力を一体化し得る。切替回路は、ワイヤレス充電と有線充電ポートを介した充電の両方をサポートするために必要な機能を提供し得る。
基地ワイヤレス充電システム302と電気車両充電システム314との間で通信するために、ワイヤレス電力伝達システム300は、帯域内シグナリングとRFデータモデム(たとえば、許可されていない帯域での無線によるイーサネット(登録商標))の両方を使用することができる。帯域外通信は、車両の使用者/所有者への付加価値サービスの提供に十分な帯域幅を提供し得る。ワイヤレス電力キャリアの低深度振幅または位相変調は、干渉を最小限に抑えた帯域内シグナリングシステムとしての働きをし得る。
さらに、特定の通信アンテナを使用せずにワイヤレス電力リンクを介して実行される通信もあり得る。たとえば、ワイヤレス電力誘導コイル304および316はまた、ワイヤレス通信送信機としての働きをするように構成され得る。したがって、基地ワイヤレス電力充電システム302のいくつかの実施形態は、ワイヤレス電力経路におけるキーイングタイププロトコルを可能にするためのコントローラ(図示せず)を含むことができる。所定のプロトコルによる所定の間隔での送信電力レベルのキーイング(振幅シフトキーイング)によって、受信機は、送信機からのシリアル通信を検出することができる。基地充電システム電力変換器336は、基地システム誘導コイル304によって生成された近距離場の近傍における作動中の電子車両受信機の有無を検出するための負荷感知回路(図示せず)を含むことができる。例として、負荷感知回路は、基地システム誘導コイル104aによって生成された近距離場の近傍における作動中の受信機の有無によって影響を及ぼされる電力増幅器に流れる電流を監視する。電力増幅器上の負荷に対する変化の検出は、エネルギーを伝送するために発振器を有効にすべきかどうか、作動中の受信機と通信すべきかどうか、またはそれらの組合せを決定する際に使用するために基地充電システムコントローラ342によって監視され得る。
ワイヤレス高電力伝達を可能にするために、いくつかの実施形態は、10〜60kHzの範囲内の周波数で電力を伝達するように構成され得る。この低周波数結合は、固体デバイスを使用して達成され得る高効率な電力変換を可能にし得る。加えて、無線システムによる共存問題が他の帯域と比べて少なくなり得る。
誘導充電に関して、エネルギー伝達レート(電力レベル)、動作周波数、一次磁気構造および二次磁気構造のサイズおよび設計、ならびにそれらの間の距離に応じて、いくつかの場所でのエアギャップにおける束密度は0.5mTを上回ることがあり、数ミリテスラに達することもある。ある量の導電性の良い材料(たとえば、金属)を含むオブジェクトが一次構造と二次構造との間の空間に挿入された場合、このオブジェクトに渦電流が生成され(レンツの法則)、それが電力散逸およびその後の加熱効果をもたらすことがある。この誘導加熱効果は、磁束密度、交番磁場の周波数、オブジェクトの導電性構造のサイズ、形状、方位および導電率に依存する。オブジェクトは、十分に長い時間にわたって磁場にさらされたとき、いくつかの点で危険と考えられ得る温度まで加熱することがある。1つの危険性として、オブジェクトが可燃材料を含んでいる場合、またはオブジェクトがそのような材料、たとえば薄い金属化箔を含むシガレットパッケージと直接接触している場合に、自己発火があり得る。別の危険性として、そのような熱いオブジェクト、たとえばコインまたは鍵を取る人の手が焼けることがあり得る。別の危険性として、一次構造または二次構造のプラスチック筐体、たとえばプラスチックに溶け込んだオブジェクトの損傷があり得る。
実質的に非導電性であり得る強磁性体を含むが、顕著なヒステリシス効果を示すオブジェクトにおいて、またはヒステリシスと渦電流損の両方をもたらす材料において、温度上昇も予想され得る。したがって、そのようなオブジェクトを検出することは、対応する有害な結果を回避するために有益である。ワイヤレス電力を提供するためのシステムの中にオブジェクト検出システムが組み込まれている場合、有害なオブジェクトを検出したことに応答して、システムは、有害なオブジェクトを除去するための措置が講じられるまで、電力レベルを低減するか、またはシャットダウンすることができる。
家庭内または公的なゾーンにおける電気車両の充電などの誘導電力伝達のいくつかの適用場面では、人々および機器の安全のために、臨界温度まで加熱する可能性を有する外来オブジェクトを検出できることは必須であり得る。これは、臨界空間が開かれていてアクセス可能であるために、外来オブジェクトがこの空間に偶然入り込むこと、または意図的に置かれる(たとえば、妨害行為の場合)ことがあるシステムに特に当てはまり得る。
本明細書で説明する実施形態は、所定の空間に位置し得る危険な外来オブジェクト(たとえば、「金属オブジェクト」)を自動的に検出することを対象とする。特に、いくつかの実施形態は、磁束密度が特定の値(たとえば、0.5mT)を上回り得る一次磁気構造または二次磁気構造の表面に隣接して位置する小さい金属オブジェクト(たとえば、コイン)を検出することを対象とする。
いくつかの実施形態によれば、磁場を介して感知され得るオブジェクトは、潜在的に危険なオブジェクトであり得るので、磁場に基づく誘導感知が使用されるのが好ましいことがある。磁場感知は、導電性および強磁性オブジェクトに対して非常に選択的であり得る。磁場が準定常状態にあると考えられ得る周波数、たとえば20MHz未満では、非導電性誘電材料との相互作用は実質的になく、導電性が悪い材料、たとえば塩分の多い水、または水でぬれた紙、湿った木および葉などとの相互作用はほとんどないことがある。
図4は、例示的な実施形態による、オブジェクト検出のための例示的なループアレイを示す図である。図4は、複数の感知ループ401〜412を含み得るループアレイ400を含むことができる。図4には12個の感知ループが示されているが、本出願はそのように限定されず、特定の適用例に従って、任意の数の行および列を有するアレイに配列された任意の数の感知ループを含むことができる。ループ401〜412は、約30mmの寸法を有し得るが、この寸法は限定的ではなく、ループ401〜412は、特定の適用例に従って、任意の適切な寸法を有してよい。一実施形態では、感知ループ401〜412は、互いに重複しないことがある。感知ループ401〜412が重複しないとき、感知ループ401〜412のうちのいずれか1つによって包含される任意のエリアが、感知ループ401〜412のうちの任意の他の感知ループによって包含されることもないことを理解されたい。そのような非重複構造は、いくつかの理由で有利であり得る。より少ない層が非重複感知ループ設計の実施に必要とされ得ることから、ループアレイを含むPCBがより単純であり、より低いコストを有し得る。さらに、ループは互いに重複しないので、ループが重複する実施形態の場合よりもループが小さくなり得る。これらのより小さいループは、ループサイズよりも小さいオブジェクトに対する感度の向上をもたらすことできる。さらに、特定の適用例に従って、PCBがいくつかのサブセクションに分割され、配列され得るので、非重複感知ループ設計は、異なる板配列についての柔軟性の向上をもたらすことができる。しかしながら、本出願は、非重複感知ループに限定されない。したがって、別の実施形態では、感知ループ401〜412は、少なくとも1つの次元において互いに重複し得る。
感知ループ、たとえば、図4に示すループアレイ400の感知ループ401〜412の各々の形状は、正方形または長方形の形状を有し得る。いくつかの実施形態では、正方形または長方形の形状を使用する代わりに、ループ401〜412は、円形、六角形、または三角形の形状であり得る。たとえば、密に詰まった六角形ループは、プリント回路板中に実装されるときに、より少ない数の銅層を必要とする非重複構造により感度の改善をもたらし得る。
感知ループアレイ400は、図1の基地ワイヤレス充電システム102aおよび/または102bなどの基地ワイヤレス充電システムにまたはその上に位置することができ、基地ワイヤレス充電システム102aおよび/もしくは102bにまたはその上における1つまたは複数の外来オブジェクトの存在を検出するために利用され得る。感知ループアレイ400は、1つまたは複数の外来オブジェクトの存在に起因する感知ループならびに1つまたは複数の隣接感知ループのインピーダンスおよび/または共振周波数の変化を感知するように構成され得る。
感知ループアレイ400におけるループ401〜412の各々は、リード線によって検出回路に電気的に接続され得る。そのようなリード線は、図4において単一の線として示されているが、リード線は、以下の図7および図8により詳しく示すように、2つの線を含むことがある。感知ループアレイ400における温度変動は、リード線ならびに感知ループ自体のインピーダンスに無視できない影響を与え得るので、感知ループアレイ400におけるループのためのリード線が互いに平行に置かれていること、および感知ループアレイ400の同じ列、行、対角線または特定の隣接グループにおけるループのためのリード線が、実質的に同じルーティング経路に沿って置かれていることが望ましい。たとえば、ループ401、405および409の各々のためのリード線は、一緒にルーティングされ、互いに平行であり得る。同様に、ループ402、406および410の各々のためのリード線は、一緒にルーティングされ、互いに平行であり得る。リード線は、感知ループアレイ400における列によってグループ化され、一緒にルーティングされる形で示されているが、リード線は代替的に、行、対角線または隣接感知ループの任意の他の適切なグループによってグループ化され、一緒にルーティングされてよい。特定の隣接ループへのリード線がグループ化され、一緒にルーティングされるので、特定のエリアにおける温度上昇は、グループ化されたリード線に実質的に等しく影響を与えることになる。したがって、リード線における温度変動に起因する測定インピーダンスおよび/または共振周波数におけるいかなる変動も、グループ化され一緒にルーティングされるリード線を有するすべての感知ループにおいて実質的に等しくなる。そのような場合、隣接ループにおけるインピーダンスおよび/または共振周波数の変動の間の差は、個々のループの絶対応答が温度とともに変動するとしても、一定のままとなる。この重要な概念は、以下の図16〜図21に関してより詳細に説明するように、温度変動に起因する変動を補償するために利用され得る。
図5は、一実施形態による、基地パッド内に埋め込まれたオブジェクト検出のための例示的なループアレイの側面図である。パッド500は、プラスチック筐体528を有することができ、平面または非重複感知ループアレイ522を保持し、パッド500の表面526上のどこかに置かれたオブジェクト524を検出するように構成され得る。オブジェクト524は、導電性の良い(たとえば、金属および/または強磁性)オブジェクトであり得る。充電パッド500は、図1〜図3を参照して上述したように基地システム誘導コイル104a(図1)および関連回路をさらに含むことができ、パッド500上のオブジェクトを検出するように構成され得る。
センサの本質的感度は、最も小さいオブジェクト(参照オブジェクト)が最悪ケースの位置に置かれた場合にそのオブジェクトの存在によって引き起こされた測定量(たとえば、ループインピーダンス、ループ共振周波数)の変化率として定義され得る。外来オブジェクト検出器の全体的感度は、センサの本質的感度に依存し、評価ユニットの一部であり得る追加の後処理方法のパフォーマンスに依存する。ループサイズよりも小さいオブジェクトの場合、本質的感度は、ループサイズの縮小に伴って高まる。ループサイズの縮小は、所与のエリアをカバーするのに必要なループの数が増大し、結果的に、複雑性およびコストが増大すること、ならびにフォールスアラームおよび障害の確率が高まることを暗示している。いくつかの実施形態によれば、本質的感度と回路の複雑性との間の適切なトレードオフが、特定のループの測定量の変化だけではなく、特定のループに隣接する1つまたは複数のループの測定量の変化も考慮することによって達成され得る。
図6は、一実施形態による、オブジェクトを検出するように構成されたループアレイ内のループに関する例示的な構成の図である。一般に、感知ループ601は多巻きループ(コイル)であり得る。ループインピーダンスまたはインダクタンスを測定するために、小さい高周波感知電流Isenseが感知ループ601に注入される。ループ601の近傍にある金属オブジェクト624は、感知ループ電流Isenseによって生成された磁束を変え、ひいてはループのインダクタンスおよび抵抗(インピーダンスの虚部および実部)を変える。
外部磁場(たとえば、ワイヤレスエネルギー伝達のために提供された別の磁場)の基本波および高調波による干渉を回避するために、外部磁場とは異なる周波数がインピーダンス測定に使用され得る。別の実施形態では、感知ループ601の共振周波数が、オブジェクト624などのオブジェクトの存在を判断するために測定され得る。ループ601の近傍にある金属オブジェクト624がループのインダクタンスを変えるので、金属オブジェクト624は、感知ループ601が共振する周波数も変えることになる。
大きい感知ループは、保護されるエリアよりもはるかに小さいことがあるコイン、鍵または飲料用缶の蓋を検出するために必要な十分に高い感度をもたらさないことがある。小さいオブジェクトを検出するための様々な実施形態によれば、様々な実施形態による複数のより小さいループが使用され得る。
オブジェクト624は、感知ループ601のインピーダンスまたは共振周波数に対し、ループ601の中心に置かれた場合に最強の影響を有し、ループ601の端、特に隅に置かれた場合に最弱の影響を有し得る。しかしながら、「端」および「隅」の位置の場合、ループインピーダンスおよび/または共振周波数が、ループのアレイにおける隣接ループで変化することもある。以下でさらに詳細に説明するように、様々な実施形態によれば、隣接ループの同時変化を後処理で用いて、全体の検出感度を改善することができる。
感知ループのインピーダンスまたは共振周波数に対するオブジェクトの影響の測定は、いくつかの利益をもたらすことができる誘導感知を利用する。たとえば、誘導感知は導電性の良い(金属)オブジェクトに対してかなり選択的であり得、他の非金属(誘電性)オブジェクトによる障害がないことがある。パフォーマンスを少し劣化させてセンサを環境の影響(汚染、機械的影響)から保護するために、エネルギー伝達パッドのプラスチック筐体に誘導感知回路が組み込まれ得る。さらに、たいていの場合、基地パッドの表面にオブジェクトが置かれていることがあるので、充電基地に誘導感知回路が組み込まれ得る。これにより、車載機器のコスト削減が可能になり得る。
ここで、ループインピーダンスまたはループ共振周波数ベースの金属オブジェクト検出器のパフォーマンスを改善し、かつ/または配線および回路の複雑性を低減するいくつかの方法および実施形態についてさらに説明する。1つの特定の実施形態は、図7に示すように、ループのアレイを使用し、それらのインピーダンスを測定して金属オブジェクトを感知することを含む。別の特定の実施形態は、図8に示すように、共振ループのアレイを使用し、それらの共振周波数を測定して金属オブジェクトを感知することを含む。
図7は、一実施形態による、ループインピーダンス測定に基づいてオブジェクトを検出するように構成された例示的な回路の機能ブロック図である。回路700は、いくつかの感知ループ701、702、703、および704(本明細書では以下まとめて感知ループ701〜704と呼ぶ)を含むことができる。たった4つの感知ループが示されているが、特定の適用例に従って、任意の数の感知ループが利用されてよい。感知ループ701〜704は、金属オブジェクトが検出され得る保護されるエリアをカバーする密に詰まったワイヤループのアレイの一部を形成することができる。この点では、感知ループ701〜704は、図4に関して前述した感知ループアレイ400に対応し得る。回路700は、マルチプレクサ728を介して感知ループ722の各々に選択的に結合する検出回路730を含む。検出回路730は、インピーダンス測定ユニット734を含む。マルチプレクサポートにおけるインピーダンスZkは、インピーダンス測定ユニット734を介して連続的および周期的にマルチプレクサ728によって選択されたループ701〜704ごとに測定される。一実施形態では、インピーダンス測定ユニット734は、ハードウェアプロセッサを含み得る。比較器736および判定器738を含む評価ユニット732に、感知ループの測定値が提供される。比較器736によって示されるように、k=1...Nにおいてインピーダンス測定値Z^kからインピーダンス参照値Zref,kを差し引くことによって判断される各ループおよび少なくとも1つの隣接ループの差分インピーダンスに基づいて、オブジェクト、たとえば、図6に関して前述したオブジェクト624が検出される。判定器ユニット738は、各ループに関する入力を比較器736から受信し、各ループおよび少なくとも1つの隣接ループに関する入力に基づいて、オブジェクトが検出されているかどうかを判断する。一実施形態では、評価ユニット732も、ハードウェアプロセッサを含み得る。さらに、以下でさらに説明するように、評価ユニット732は、外来オブジェクト以外の条件に起因して測定された共振周波数に影響を与え得る動作条件を補償するための感知温度入力を受信することができる。
図8は、一実施形態による、ループ共振周波数測定に基づいてオブジェクトを検出するように構成された例示的な回路の別の機能ブロック図である。回路800は、感知ループのアレイの一部であり得る感知ループ801、802、803および804(本明細書では以下まとめて感知ループ801〜804と呼ぶ)を含むことができる。いくつかの実施形態では、感知ループ801〜804は実質的に、保護される所定のエリアに共通の平面を画定するように構成され得る。この点では、感知ループ801〜804は、図4に関して前述した感知ループアレイ400に対応し得る。感知ループ801〜804は検出回路830に、共振周波数測定ユニット834および評価ユニット832を含む検出回路830に感知ループ801〜804の各々を選択的に結合するように構成されたマルチプレクサ828を介して結合される。検出回路830および共振周波数測定ユニット834のいずれかまたは両方は、ハードウェアプロセッサを含み得る。共振周波数測定ユニット834は、共振周波数測定ユニット834に結合された感知ループ、たとえば感知ループ801が、特定の共振周波数で共振するように構成された共振回路を形成するように、キャパシタCを含む。代替として、ループ801〜804の各々は、共振回路を形成するための専用キャパシタCを含み得る。そのようなキャパシタは、特定の適用例に応じて並列同調または直列同調のいずれかであり得る。共振周波数測定ユニット834は、周波数範囲で結合感知ループ801を駆動して感知ループ801に特定の周波数で共振させるように構成された発振器846を含む。共振周波数測定ユニット834は、測定された電圧と電流との間の位相(たとえば位相関数のゼロ交差)を検出するように構成された位相比較器848をさらに含む。さらに、利得/フィルタ850も含まれ得る。
共振周波数測定ユニット834の出力は、検出回路830の評価ユニット832に提供される、特定の感知ループの測定された共振周波数に対応し得る。評価ユニット832は、感知ループ801の受信された共振周波数測定値を周波数参照値と比較するように構成された比較器836を含む。比較器836の出力は、オブジェクト624が検出されたかどうかを特定のループおよび少なくとも1つの隣接ループの各々についての測定値と参照値との間の差に少なくとも部分的に基づいて判断するように構成された判定器838に提供される。ループおよび少なくとも1つの隣接ループからの情報を組み合わせることで、より確実に検出されるオブジェクト624に関する位置情報を判断することが可能になり得る。さらに、以下でさらに説明するように、評価ユニット832は、外来オブジェクト以外の条件に起因して測定された共振周波数に影響を与え得る動作条件を補償するための感知温度入力を受信することができる。
図8を参照すると、共振周波数を測定するための高周波発振器846は、数値制御発振器(NCO)であり得る。追加信号増幅器850は、ループに十分な感知電流を生成するために、またバッファとして低インピーダンス出力(電圧源のような出力)を提供するために必要とされ得る。低インピーダンス出力は、感知ループ回路のQ係数ひいては共振における位相関数の傾きを保持するのに有利であり得る。それぞれ少なくとも1つの電圧および1つの電流センサ844および842が、共振周波数測定ユニット834の入力ポートで見られるような感知ループ822aのインピーダンスまたは位相関数を分析するための入力を提供するために使用される。一実施形態では、位相比較器848は、たとえば、狭帯域低中間周波数(IF)増幅器に至る感知信号を混ぜ、IFで位相比較を実行することによって、ヘテロダイン受信機手法を実施し得る。この手法は、信号対雑音比ひいては測定精度を上げるために選択され得る。
共振周波数探索が掃引周波数生成器(swept frequency generator)によって、発振器846を使用して、たとえば関係する感知ループの予想共振周波数よりも多少低い周波数で開始し、差分位相が所定の値に達したときに掃引を停止する形で実行され得る。検出プロセスを促進し、応答時間を最小化するために、特に大きいセンサアレイの場合に、開始周波数を、評価ユニット832で使用される参照値から導出して、掃引範囲を最小化し、それによりループごとの感知時間を最小化することができる。
掃引周波数生成器の代わりに、インパルス生成器(図示せず)または任意の他の擬似ランダム雑音生成器を使用して、インピーダンス関数を解析し、共振周波数を測定することができる。スペクトル解析技法、たとえばフーリエ変換技法(DFT、FFT、Gortzelアルゴリズム)および数字ドメインで動作する同様の技法が使用され得る。これらの技法は、適切なアナログデジタル変換器を使用した感知信号(電圧および電流)のサンプリングおよびデジタル化を必要とし得る。エネルギー伝達システムによって生成される場合のある感知ループ誘導一時雑音を抑制するために、掃引またはパルシングが、低周波スイッチング過渡現象の間の間隔で実行され得る。この方法は、追加のフィルタ処理要件なしに雑音を効果的に低減することができる。
図7〜図8に関して説明し、ここでさらに説明する実施形態は、周囲温度の変化に対する安定性を高めるために、温度センサ(図示せず)を様々な場所で、たとえば(ループセンサアレイの下の)充電パッドで、およびインピーダンス測定ユニットで追加することによって改良され得る。環境的要件、たとえば-30〜+80℃が、屋外充電パッドに組み込まれた金属オブジェクト検出ソリューションに適用され得ることに留意されたい。様々なセンサから測定された温度を使用して、温度モデルを使用してインピーダンスまたは共振周波数の測定値を事前補償することができる。代替または追加として、定められた温度範囲で適用可能な様々な記憶された参照値を使用することができる。これらの参照パターンは、様々なパッドおよび周囲温度レベルで較正手順の一部として製造中に生成されていることがある。
いくつかの態様では、図8に関して説明する共振ループ方法は、様々な利益をもたらし得る。たとえば、共振周波数の測定は、インピーダンスまたはインダクタンスの測定よりも単純および正確であり得る。検出回路830は、構成要素がより少ないことがあり、いくつかの態様では、発振器および測定された電圧と電流との間の位相、たとえば位相関数のゼロ交差を検出する位相比較器を使用することに限定されることがある。パッドの表面に存在するときにワイヤレス電力伝達に使用される強い交番磁場によって誘起された電圧およびその高調波雑音を抑制するためにキャパシタがすでに提供されていることもある。したがって、キャパシタの追加がさらなる複雑性をもたらすことはない。共振は、ループ801が金属オブジェクトによって離調されている場合に、やはり相応に動く感知信号事前調整(雑音低減)フィルタとしての働きをすることができる。単一のキャパシタCが利用される場合、キャパシタの温度の変動または経年変化は、すべての共振周波数に共通の影響を与えることがあり、そのため、評価ユニットで容易に推定し訂正することができる。
上記のように、いくつかの態様では、感知ループリード線およびアナログマルチプレクサは、ループインピーダンス方法の本質的感度に悪影響を及ぼし得る。これは、小さいループ、たとえば30×30mmの3〜5回巻き、およびリードの長さがたとえば0.5mを超えるものに特に当てはまり得る。ループは、本質的感度の点で好ましくないことがあるワイヤレス電力伝達に使用される強い磁場にさらされたときの著しい渦電流損を回避するために、非常に薄い銅線/トレースから作られ得ることに留意されたい。
ループインピーダンス方法の精度は、インピーダンス関数における位相の傾きに関係し、ひいてはループのQ係数に関係する。ループを中央のインピーダンス測定ユニットに接続する長いリードは、抵抗を加えることでQ係数を低下させ、それにより位相の傾きを鈍化させ得る。リードはまた、かなりのインダクタンスを加え得る。オブジェクトは通常はループインダクタンスのみを変化させるので、インピーダンス全体の相対的変化は、リードが長くなるのに伴って小さくなり得る。さらに、感知回路の温度および経年変化の安定性は、長いリードの場合に悪化し得る。これらの複雑性は、ループアレイによってもたらされる外来オブジェクト検出の感度を改善する必要性をさらに浮き彫りにしている。
温度安定性ならびにセンサの精度および信頼性を低下させる同様の欠陥は、スイッチキャパシタンスおよびかなりの抵抗を加えるアナログマルチプレクサに起因し得る。したがって、上述したループインピーダンス方法および関連ループ共振周波数方法は、アナログマルチプレクサおよびインピーダンス測定ユニットをループアレイにできるだけ近づけて置くことを必要とすることがあり、これは、能動回路が充電パッド500に組み込まれる必要があり得ることを意味する。しかしながら、上記のように、いくつかの実施形態では、たとえば図8に関して示したキャパシタが、検出回路およびマルチプレクサによる共振周波数の変動を低減する結合回路として十分であり得る。
上記で説明した実施形態は多種多様なアプリケーションで使用され得る。たとえば、上記で説明した実施形態による一実施形態は、たとえば盗難防止システムの場合にオブジェクトの不在を検出するように構成され得る。たとえば、検出回路および感知ループは、オブジェクトに近接して置かれ、感知ループの電気的特性の変化に基づいてオブジェクトが除去されたかどうかを検出するように構成され得る。より詳細には、別の例として、検出回路830は、オブジェクトが除去されたときに、感知ループが共振する周波数が変化したことを検出するように構成され得る。この場合、参照共振周波数は、オブジェクトが存在する場合に感知ループが共振する周波数であり得る。
インピーダンスまたは共振周波数測定ユニットの出力は、検出回路の評価ユニット(たとえば、図7の評価ユニット732または図8の評価ユニット832)におけるさらなる処理を必要とし得る。図7および図8を参照すると、たとえば、参照/較正値を差し引いて判定を下す以外に、評価ユニット732および/または832は、測定ユニットによって提供された測定サンプルに対する変更を実行することができる。この変更は、後処理方法の一部であり得る。そのような変更および方法の一例は、図9および図10に関して以下に提示する。
図9は、例示的な実施形態による、ループ測定に基づいてオブジェクトを検出するための結果行列の図である。外来オブジェクトの検出は、ループアレイ感度を最適利用するために、特定の感知ループおよび少なくとも1つの隣接感知ループの応答の合計を考慮することができる。隣接という用語は、特定の感知ループの1つまたは複数の感知ループ内で直に隣接または隣接していることを意味する。このようにして、第nの近隣ループの応答が、ループアレイ感度を最適利用する際に組み込まれ得る。第1のステップでは、元の2次元行列900が作られ得る。2次元行列900は、ループアレイ、たとえば、図4に示すループアレイ400におけるループの各々についての対応するセルを有し得る。したがって、行列900は、ループアレイ400における感知ループのm個の行およびn個の列に対応するm個の行およびn個の列を有し得る。たとえば、行列900は、セル901、902、903および904ならびに複数の追加のラベルのないセルを含むことができる。以下の説明は、ループ共振周波数値の使用、測定、判断および/または合計を教示するが、本出願はさらに、ループインピーダンス値の同様の使用を企図している。その上、以下の図9および図10において説明する判断は、図7および図8のいずれかに示す回路および/またはデバイスのいずれかにおいて実施されること、またはこれらによって実行されることがある。詳細には、測定は、図7のインピーダンス測定ユニット734または図8の共振周波数測定ユニット834によって実行され得る一方、判断、比較、および/または合計は、図7の評価ユニット732または図8の評価ユニット832によって実行され得る。
各セルの値は、以下の式による、対応するループについての測定されたループ共振周波数(ft)とそのループの共振周波数についての記憶された較正参照値(fref)との間の差(Δf)の絶対値に対応し得る。
Δf=|ft-fref|
上述のように、これらの値は、温度変動などの偏差のためにすでに補正されていることがある。パターンに雑音が多いように見える場合、すなわち、時間系列で取得されたパターンが差異を示す場合、時間および/または空間平均化技法は、たとえば移動平均、時間系列で取得されたパターンでの指数関数的減衰平均化(たとえば、1次無限応答フィルタ)および/または空間フィルタ処理/平準化を適用することができる。前述のように、別の実施形態では、各行列セルの値は、対応するループについての測定されたループインピーダンスとそのループのインピーダンスについての記憶された較正参照値との間の差の絶対値に対応し得る。
ループ共振周波数の差Δfが判断されると、各ループについての差Δfおよび少なくとも1つの隣接ループについての差Δfの合計が判断され、図10に関して示す拡張行列などの拡張行列にマッピングされ得る。図10は、例示的な実施形態による、ループ測定および隣接ループ測定に基づいてオブジェクトを検出するための拡張結果行列の図である。拡張行列1000は、結果行列900のm個の行およびn個の列、ならびに対応するループアレイにおける感知ループのm個の行およびn個の列に対応する、2m-1個の行および2n-1個の列を含み得る。限定ではなく説明の目的で、図9に示すセル901〜904は、図10の拡張行列1000において再現されている。拡張行列1000は基本的に、1つの追加セルによって図9の結果行列900の各隣接セルから引き離された、結果行列900の各セルを含み得る。たとえば、セル1012は、セル901をセル902から引き離しており、セル1023は、セル902をセル903から引き離しており、セル1034は、セル903をセル904から引き離しており、セル1014は、セル901をセル904から引き離しており、セル1010は、セル901〜904の各々を対角線上の隣接セルから引き離している。セル1012、1014、1034、1023および1010は、以下の式による、図9に示す合計値Σ1、Σ2、Σ3、Σ4、およびΣ5を保持し得る。
Σ1=Δfi,j+Δfi-1,j
Σ2=Δfi-1,j-1+Δfi-1,j
Σ3=Δfi-1,j-1+Δfi,j-1
Σ4=Δfi,j+Δfi,j-1
Σ5=Δfi,j+Δfi,j-1+Δfi-1,j+Δfi-1,j-1
上式で、i=1...nおよびj=1...mである。
一実施形態では、ループアレイにおける感知ループの実際の幾何学的実施形態に応じて、ループ応答ごとに追加の重み係数を導入することが有利であり得る。そのような実施形態では、合計値Σ1、Σ2、Σ3、Σ4、およびΣ5は、以下の式に従って計算され得る。
Σ1=aΔfi,j+bΔfi-1,j
Σ2=cΔfi-1,j-1+bΔfi-1,j
Σ3=cΔfi-1,j-1+dΔfi,j-1
Σ4=aΔfi,j+dΔfi,j-1
Σ5=aΔfi,j+dΔfi,j-1+cΔfi-1,j+bΔfi-1,j-1
上式で、係数a、b、c、およびdは、負値を含む任意の値を有し得るが、0.25〜2の値が最も望ましい。
一実施形態では、これらの係数は、特定の環境に応じて動的に調整され得る。したがって、各ループおよび少なくとも1つの隣接ループについてのループ共振周波数の差Δfの合計を利用することによって、ループアレイの感度が改善され得る。別の実施形態では、ループインピーダンスが測定される場合、上記の式のセットの両方において説明した合計値Σ1、Σ2、Σ3、Σ4、およびΣ5の各々は、ループおよび隣接ループの共振周波数の合計ではなく、ループおよび隣接ループのインピーダンスの合計を、その他の関係は変わることなく、含むことができる。前述したような合計を利用することがどのように感度を改善するかについてさらに説明するいくつかの例は、以下の図11〜図13に関して提示する。図11〜図13に示す例は、ループ共振周波数の変化に関するものであるが、それらは、ループインピーダンスの変化が測定され判断される実施形態に等しく適用可能である。その上、以下の図11〜図13において説明する測定、判断、比較、および/または合計は、図7および図8のいずれかに示す回路および/またはデバイスのいずれかにおいて実施されること、またはこれらによって実行されることがある。詳細には、測定は、図7のインピーダンス測定ユニット734または図8の共振周波数測定ユニット834によって実行され得る一方、判断、比較、および/または合計は、図7の評価ユニット732または図8の評価ユニット832によって実行され得る。
図11は、例示的な実施形態による、外来オブジェクトが存在しないときの例示的なループ共振周波数を示すチャートである。チャート1100は、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに9個のループ値の各々の間における隣接ループの計算済み合計を示す。図示のように、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な検出しきい値1105は、約30kHzであり得る。ただし、この検出しきい値は例にすぎず、限定的なものと解釈すべきではなく、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。ループ6および7は、0kHzのΔf値を測定することがあり、これは、それらの現在の共振周波数が、それらのループについての参照/較正値と実質的に同じであることを意味する。ループ1、3、4および9はそれぞれ、約1kHzのΔf値を測定し得る一方、ループ2、5および8はそれぞれ、約2kHzのΔf値を測定し得る。これらの1kHzおよび2kHzの値は、ループアレイのループについての予想許容範囲内にある雑音振幅を表し得る。図示のように、隣接ループについての測定値の計算済み合計値が、ループ測定値の間に表されている。たとえば、ループ6とループ7の両方が0kHzのΔf値を測定するので、ループ6とループ7との間の値によって示されるように、それらの合計も約0kHzとなる。同様に、他の隣接ループの各々の間の合計値が、それぞれの隣接ループの合計として表されている。オブジェクトが存在しないので、ループについての測定値または合計値は、検出しきい値1105を上回らず、オブジェクトは検出されない。
図12は、例示的な実施形態による、ループの中心に外来オブジェクトが存在するときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。チャート1200は、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに9個のループ値の各々の間における隣接ループの計算済み合計を示す。図示のように、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な検出しきい値1205は、ここでも約30kHzであり得る。ただし、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。ループ5の中心に外来オブジェクトが位置するので、ループ5に関連する測定Δf値は、検出しきい値を上回る35kHzであり得る。ループ4および6はループ5に隣接しているので、外来オブジェクトがループ4および6の各々の近傍にあることにより、ループ4および6についての測定Δf値はいくらか上昇し得るが、検出しきい値1205よりもはるかに低いレベルにとどまり得る。図示のように、ループ4とループ5との間ならびにループ5とループ6との間の合計Δf値は、検出しきい値1205を大幅に上回る。この場合、外来オブジェクトの存在は、隣接ループのΔf値の合計を使用することなく検出可能となる。ただし、これは、オブジェクトがループ5の中心に位置することに帰せられる。感度向上の特定の利点は、以下の図13に関して説明するように、2つのループの間の端に外来オブジェクトが位置するときに、より明白であり得る。
図13は、例示的な実施形態による、2つのループの間の端に外来オブジェクトが存在するときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。チャート1300は、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに9個のループ値の各々の間における隣接ループの計算済み合計を示す。図示のように、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な検出しきい値1305は、ここでも約30kHzであり得る。ただし、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。ループ5とループ6との間の端に外来オブジェクトが位置するので、ループ5および6に関連する測定Δf値は、たとえば、サブしきい値の20kHzまで上昇し得る。隣接ループΔf測定値を合計することが利用されない一実施形態では、Δfの測定値が検出しきい値1305を下回るので、ループアレイは外来オブジェクトを検出しない。しかしながら、ループ5および6についてのΔf測定値の合計が検出しきい値1305よりもはるかに大きい値となるので、ループの各々のΔfの測定値が依然として検出しきい値1305を大幅に下回っていても、ループアレイは外来オブジェクトの存在を検出することができる。したがって、隣接ループについてのΔf測定値を合計することによって、フォールスアラームの発生を大幅に増やすことなく、ループアレイの感度は向上し得る。
図14は、例示的な実施形態による、オブジェクトの存在を検出するための例示的な方法1400のフローチャートである。図14において説明するステップまたはアクションは、図7および図8のいずれかに示す回路および/またはデバイスのいずれかにおいて実施されること、またはこれらによって実行されることがある。ブロック1402は、アレイに配列された複数の導電性ループの各々に関連する特性を判断するステップを含み得る。一実施形態では、特性はループ共振周波数を含み得る。別の実施形態では、特性はループインピーダンスを含み得る。ブロック1404は、複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するステップを含み得る。一実施形態では、パラメータを判断するステップは、図9および図10に関して前述したように、ループに関連する特性と特性についての参照値との間の差、および少なくとも1つの隣接ループの各々に関連する特性と参照値との間の差の合計を判断するステップを含み得る。別の実施形態では、複数のループの幾何学的配列に基づいて、判断された差分値の各々に重み係数が適用され得る。たとえば、ループアレイの外側の行または列にループが位置する場合、判断された差分値に特定の重み係数が適用され得る。代替的に、図10のΣ5に関して説明したように、ループの差分値および3つの隣接ループの差分値の合計が取得される場合、判断された差分値の各々に別の重み係数が適用され得る。別の実施形態では、各ループについてのパラメータは、以下の図16〜図21に関してより詳細に説明するように、温度に起因する複数のループの各々に関連する特性の変動を補償し得る。ブロック1406は、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するステップを含み得る。たとえば、一実施形態では、図11〜図13に関して上述したように、パラメータの値が検出しきい値よりも大きいときに、オブジェクトの存在が識別され得る。一実施形態では、たとえば、方法1400は、それぞれ図7および図8の回路700または回路800のいずれかによって実行され得る。
図15は、例示的な実施形態による、オブジェクトの存在を検出するための装置の機能ブロック図である。オブジェクトの存在を検出するための装置は、図15に示すオブジェクトの存在を検出するための簡略化された装置1500よりも多くの構成要素を有し得ることが、当業者には諒解されよう。図示の装置1500は、特許請求の範囲内の実施形態のいくつかの顕著な特徴について説明するのに有用な構成要素のみを含む。
装置1500は、ループアレイの複数のループの各々に関連する特性を判断するための手段1502を含む。一実施形態では、ループアレイの複数のループの各々に関連する特性を判断するための手段1502は、ブロック1402(図14)に関して上述した機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成され得る。様々な実施形態では、ループアレイの複数のループの各々に関連する特性を判断するための手段1502は、それぞれ図7および図8のインピーダンス測定ユニット734または共振周波数測定ユニット834のうちの1つまたは複数によって実施され得る。
装置1500は、複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するための手段1504をさらに含む。一実施形態では、手段1504は、ブロック1404(図14)に関して上述した機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成され得る。様々な実施形態では、手段1504は、それぞれ図7および図8の評価ユニット732または832のうちの1つまたは複数によって実施され得る。
装置1500は、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するための手段1506をさらに含む。一実施形態では、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するための手段1506は、ブロック1406(図14)に関して上述した機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成され得る。様々な実施形態では、パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するための手段1506は、それぞれ図7および図8の評価ユニット732または832のうちの1つまたは複数によって実施され得る。
前述のように、温度変動は、感知ループアレイにおける1つまたは複数の影響された感知ループのインピーダンスおよび/または共振周波数の変動を引き起こし得る。そのような変動は、感知ループアレイの近傍における外来オブジェクトの存在を検出する際に、フォールスアラームまたは失敗を生じさせ得る。したがって、そのような変動が外来オブジェクトの検出に与える影響を最小化または除去するのが望ましい。
図16は、例示的な実施形態による、ループ測定に基づいてオブジェクトを検出し、温度変動を訂正するための結果行列の図である。温度変動の影響の減衰または除去は、隣接ループについてのインピーダンスおよび/または共振周波数の変動の間の差を考慮することによって達成され得る。第1のステップでは、元の2次元行列1600が作られ得る。2次元行列1600は、ループアレイ、たとえば、図4に示すループアレイ400におけるループの各々についての対応するセルを有し得る。したがって、行列1600は、ループアレイ400における感知ループのm個の行およびn個の列に対応するm個の行およびn個の列を有し得る。たとえば、行列1600は、セル1601、1602、1603および1604ならびに複数の追加のラベルのないセルを含むことができる。以下の説明は、ループ共振周波数値の使用、測定、判断および/または合計を教示するが、本出願はさらに、ループインピーダンス値の同様の使用を企図している。その上、以下の図16および図17において説明する判断は、図7および図8のいずれかに示す回路および/またはデバイスのいずれかにおいて実施されること、またはこれらによって実行されることがある。詳細には、測定は、図7のインピーダンス測定ユニット734または図8の共振周波数測定ユニット834によって実行され得る一方、判断、比較、および/または差分計算は、図7の評価ユニット732または図8の評価ユニット832によって実行され得る。
各セルの値は、以下の式による、対応するループについての測定されたループ共振周波数(ft)とそのループの共振周波数についての記憶された較正参照値(fref)との間の差(Δf)の絶対値に対応し得る。
Δf=|ft-fref|
図9に関して上述したように、これらの値は、温度変動などの偏差のためにすでに補正されていることがある。パターンに雑音が多いように見える場合、すなわち、時間系列で取得されたパターンが差異を示す場合、時間および/または空間平均化技法は、たとえば移動平均、時間系列で取得されたパターンでの指数関数的減衰平均化(たとえば、1次無限応答フィルタ)および/または空間フィルタ処理/平準化を適用することができる。前述のように、別の実施形態では、各行列セルの値は、対応するループについての測定されたループインピーダンスとそのループのインピーダンスについての記憶された較正参照値との間の差の絶対値に対応し得る。
ループ共振周波数の差Δfが判断されると、各ループについてのΔfと実質的に一緒にルーティングされるリード線を有する隣接ループについてのΔfとの間の差が判断され、図17に関して示す縮約行列などの縮約行列にマッピングされ得る。図17は、例示的な実施形態による、ループ測定、隣接ループ測定に基づいてオブジェクトを検出し、温度変動を訂正するための縮約結果行列の図である。縮約行列1700は、結果行列1600のm個の行およびn個の列、ならびに対応するループアレイにおける感知ループのm個の行およびn個の列に対応する、m-1個の行およびn個の列を含み得る。これは、感知ループアレイの列におけるすべての感知ループについてのリード線が一緒にルーティングされる場合であり得る。代替として、すべてのリード線が行によってグループ化され、一緒にルーティングされる場合、縮約行列1700は、m個の行およびn-1個の列を含むことになる。同じ列におけるループを考慮すると、以下の式により、行列1700におけるセルごとに差分値ΔnΔfが計算され得る。
ΔnΔf=|Δfi,j-Δfi,j+1|
上式で、i=1...nおよびj=1...mである。
したがって、例として、セル1712および1723は、以下の式により図17に示すように、それぞれ差分値Δ1ΔfおよびΔ2Δfを保持し得る
Δ1Δf=|Δfi,j-Δfi,j+1|
Δ2Δf=|Δfi,j+1-Δfi,j+2|
次いで、縮約行列1700のセルの計算された差分値が、外来オブジェクトの有無を判断するために検出しきい値と比較され得る。したがって、実質的に一緒にルーティングされるリード線をいずれも有する各ループおよび隣接ループについてのループ共振周波数の差Δfの間の差を考慮することによって、ループおよび隣接ループの中における温度変動に起因するリード線の共振周波数および/またはインピーダンスの共通の変動が相殺され得る。その上、特定のループおよび隣接ループに生じるいかなる変動も効果的に相殺されるので、この手順は、図7および図8に関して前述したように、両方のループについてのインピーダンスおよび/または共振周波数を測定するために同じ検出回路が利用される検出電子機器によって引き起こされるいかなる温度変動も相殺している。別の実施形態では、ループインピーダンスが測定される場合、上述した差分値ΔnΔfの各々は、ループおよび隣接ループの共振周波数の差ではなく、ループおよび隣接ループのインピーダンスの差を、その他の関係は変わることなく、含むことができる。図16および図17に関して説明したような差を利用することがどのように感度を改善しつつ、温度変動を訂正するかについてさらに説明するいくつかの例は、以下の図18〜図21に関して提示する。図18〜図21に示す例は、ループ共振周波数の変化に関するものであるが、それらは、ループインピーダンスの変化が測定され判断される実施形態に等しく適用可能である。その上、以下の図18〜図21において説明する測定、判断、比較、および/または合計は、図7および図8のいずれかに示す回路および/またはデバイスのいずれかにおいて実施されること、またはこれらによって実行されることがある。詳細には、測定は、図7のインピーダンス測定ユニット734または図8の共振周波数測定ユニット834によって実行され得る一方、判断、比較、および/または差分計算は、図7の評価ユニット732または図8の評価ユニット832によって実行され得る。
図18は、例示的な実施形態による、室温において外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数を示すチャートである。チャート1800は、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに9個のループの隣接ループ間の計算済み差分を示す。図示のように、通常であれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断することになる例示的な絶対検出しきい値1805は、約30kHzであり得る。ただし、この絶対検出しきい値は例にすぎず、限定的なものと解釈すべきではなく、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。同様に、温度変動を考慮すれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な差分検出しきい値1810は、約15kHzであり得る。ただし、この差分検出しきい値は例にすぎず、限定的なものと解釈すべきではなく、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。ループ6および7は、0kHzのΔf値を測定することがあり、これは、それらの現在の共振周波数が、それらのループについての参照/較正値と実質的に同じであることを意味する。ループ1、3、4および9はそれぞれ、約1kHzのΔf値を測定し得る一方、ループ2、5および8はそれぞれ、約2kHzのΔf値を測定し得る。これらの1kHzおよび2kHzの値は、ループアレイのループについての予想許容範囲内にある雑音振幅を表し得る。ループおよびリード線が実質的に室温にあるので、明らかな温度変動は示されていない。図示のように、隣接ループについての測定値間の計算済み差分値が、ループ測定値の間に表されている。たとえば、ループ6とループ7の両方が0kHzのΔf値を測定するので、ループ6とループ7との間の値によって示されるように、それらの差も約0kHzとなる。同様に、他の隣接ループの各々の間の差分値が、それぞれの隣接ループ間の差として表されている。オブジェクトが存在しないので、測定値または差分値が検出しきい値1805または検出しきい値1810のいずれかを上回ることはなく、オブジェクトは検出されない。
図19は、例示的な実施形態による、上昇した温度において外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。チャート1900は、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに9個のループ値の各々の間の隣接ループ間の計算済み差分を示す。通常であれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断することになる例示的な絶対検出しきい値1905は、約30kHzであり得る。同様に、温度変動を考慮すれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な差分検出しきい値1910は、約15kHzであり得る。ただし、これらの検出しきい値は例にすぎず、限定的なものと解釈すべきではなく、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。図示のように、温度が上昇し始めると、ループの各々に関連する測定差分値は、上向き、ゼロから離れ始める。たとえば、ループ1および2の各々についての測定値は、差分検出しきい値1910を上回っている。しかしながら、それらは測定値であり、隣接ループ間の判断された差分値ではないので、測定値は、外来オブジェクト検出アラームをトリガしない。隣接ループについての変動は非常に似ているので、隣接ループ間の判断された差分値は、0kHz近くにとどまっている。
図20は、例示的な実施形態による、かなり上昇した温度において外来オブジェクトが存在しないときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。チャート2000は、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに隣接ループ間の計算済み差分を示す。通常であれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断することになる例示的な絶対検出しきい値2005は、約30kHzであり得る。同様に、温度変動を考慮すれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な差分検出しきい値2010は、約15kHzであり得る。ただし、これらの検出しきい値は例にすぎず、限定的なものと解釈すべきではなく、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。温度は、図18または図19に示す温度よりもさらに高いので、ループの各々についての測定値は、なお一層上向き、ゼロから離れる。測定値は、それらの多くが絶対検出しきい値2005を上回るほどに変動しているので、通常であればフォールスアラームがトリガされることになる。しかしながら、差分値がそれぞれ、依然として差分検出しきい値2010を大幅に下回っているので、フォールスアラームはトリガされない。
図21は、例示的な実施形態による、外来オブジェクトが存在するときのループ共振周波数の変化を示す別のチャートである。チャート2100は、例示的なループ4、5および6に外来オブジェクトが存在するときの、ループアレイの行中の9個の例示的なループの各々についての測定値ならびに隣接ループ間の計算済み差分を示す。通常であれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断することになる例示的な絶対検出しきい値2105は、約30kHzであり得る。同様に、温度変動を考慮すれば、特定のループにオブジェクトが存在するとオブジェクト検出器が確実に判断し得る例示的な差分検出しきい値2110は、約15kHzであり得る。ただし、これらの検出しきい値は例にすぎず、限定的なものと解釈すべきではなく、検出しきい値は、特定の適用例に応じて任意の適切な値であってよい。ループ4、5および6に外来オブジェクトが存在するので、ループ4、5および6の各々についての測定Δf値は、かなり高くなり得る。たとえば、ループ4についての測定Δf値は、絶対検出しきい値2105を上回り得る。ループ3および7には外来オブジェクトが存在しないので、ループ3および7についての測定Δf値は、絶対検出しきい値2105を大幅に下回る。しかしながら、ループ3とループ4との間の計算済み差分およびループ6とループ7との間の計算済み差分は、差分検出しきい値2110を上回るくらいに大きく、外来オブジェクトが存在するとの判断をトリガする。さらに、差分検出しきい値2110は絶対検出しきい値2105よりも低くてよいので、システム全体の感度および頑健性は向上し得る。
上記の方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび/またはソフトウェア構成要素、回路および/またはモジュールなどの、動作を実行することができる任意の適切な手段によって実行することができる。一般に、図に示される任意の動作は、動作を実行することが可能な対応する機能手段によって実行することができる。
多種多様な技術および技法のうちのいずれかを使用して情報および信号を表すことができる。たとえば、上記の説明全体にわたって言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光学粒子、またはそれらの任意の組合せによって表され得る。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、および方法ステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、概してそれらの機能に関して上記で説明されている。そのような機能をハードウェアとして実装するか、またはソフトウェアとして実装するかは、特定の適用例および全体的なシステムに課される設計制約に依存する。説明した機能は、特定の適用例ごとに様々な方法で実装できるが、そのような実施形態の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じさせると解釈すべきではない。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する様々な例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用ハードウェアプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書で説明する機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せで、実装または実行されてよい。汎用ハードウェアプロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、ハードウェアプロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。ハードウェアプロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携する1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する方法および機能のステップは、直接ハードウェアで具現化されても、ハードウェアプロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで具現化されても、またはその2つの組合せで具現化されてもよい。ソフトウェアで実装される場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして、有形な非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶すること、または有形な非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信することができる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的にプログラム可能なROM(EPROM)、電気的に消去可能およびプログラム可能なROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、着脱可能ディスク、CD ROM、または当技術分野で知られた任意の他の形態の記憶媒体内に存在することができる。記憶媒体は、ハードウェアプロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、かつ記憶媒体に情報を書き込むことができるように、ハードウェアプロセッサに結合される。代替として、記憶媒体はハードウェアプロセッサと一体であり得る。ディスク(diskおよびdisc)は、本明細書で使用される場合、コンパクトディスク(CD)、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク、およびブルーレイディスクを含み、ディスク(disk)は、通常、磁気的にデータを再生し、一方、ディスク(disc)は、レーザを用いて光学的にデータを再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲の中に含まれるべきである。ハードウェアプロセッサおよび記憶媒体はASIC内に存在することができる。ASICはユーザ端末内に存在することができる。代替として、ハードウェアプロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内に個別構成要素として存在することができる。
本開示の概要を述べるために、いくつかの態様、利点、および新規の特徴について本明細書で説明してきた。任意の特定の実施形態に従って、そのような利点の必ずしもすべてを実現できない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書に教示される1つの利点または利点の群を、本明細書に教示または示唆され得る他の利点を必ずしも実現することなく実現または最適化するように具現化または実行され得る。
上述の実施形態への様々な修正が容易に明らかになり、本明細書に定義する一般原理は、本出願の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本出願は、本明細書に示された実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最大の範囲を与えるものである。
100 ワイヤレス電力伝達システム、車両ワイヤレス電力伝達システム
102a 基地ワイヤレス充電システム
102b 基地ワイヤレス充電システム
104a 基地システム誘導コイル、誘導コイル、ワイヤレス電力誘導コイル
108 通信リンク
110 電力リンク
112 電気車両
114 電気車両ワイヤレス充電システム、電気車両充電システム
116 電気車両誘導コイル、誘導コイル、ワイヤレス電力誘導コイル
118 バッテリーユニット
126 ACまたはDC電源
130 ローカル分配センター、ローカル分配
132 電力バックボーン
134 通信バックホール
200 ワイヤレス電力伝達システム
202 基地ワイヤレス電力充電システム、基地ワイヤレス充電システム
204 基地システム誘導コイル、誘導コイル、コイル
206 基地システム送信回路
208 電源
214 電気車両充電システム
216 電気車両誘導コイル、誘導コイル、コイル
218 電気車両バッテリーユニット、バッテリーユニット
222 電気車両受信回路
236 基地充電システム電力変換器、電力変換器、充電電源ユニット
238 電気車両電力変換器、電力変換器
300 ワイヤレス電力伝達システム
302 基地ワイヤレス充電システム、基地ワイヤレス電力充電システム
304 基地システム誘導コイル、ワイヤレス電力誘導コイル
314 電気車両充電システム
316 電気車両誘導コイル、ワイヤレス電力誘導コイル
336 充電システム電力変換器、基地充電システム電力変換器
338 電気車両電力変換器
342 基地充電システムコントローラ
344 電気車両コントローラ
352 位置合わせシステム、基地充電位置合わせシステム
354 位置合わせシステム、基地充電システム電力インターフェース、電気車両位置合わせシステム
362 基地充電案内システム
364 電気車両案内システム
366 案内リンク
372 基地充電通信システム
374 電気車両通信システム
376 通信リンク
400 ループアレイ、感知ループアレイ
401 感知ループ、ループ
402 ループ
405 ループ
406 ループ
409 ループ
410 ループ
412 感知ループ、ループ
500 パッド
522 平面または非重複感知ループアレイ
524 オブジェクト
526 表面
528 プラスチック筐体
601 感知ループ、ループ
624 金属オブジェクト、オブジェクト
700 回路
701 感知ループ
702 感知ループ
703 感知ループ
704 感知ループ
728 マルチプレクサ
730 検出回路
732 評価ユニット
734 インピーダンス測定ユニット
736 比較器
738 判定器、判定器ユニット
800 回路
801 感知ループ、ループ
802 感知ループ、ループ
803 感知ループ、ループ
804 感知ループ、ループ
828 マルチプレクサ
830 検出回路
832 評価ユニット
834 共振周波数測定ユニット
836 比較器
838 判定器
842 電流センサ
844 電圧センサ
846 発振器、高周波発振器
848 位相比較器
850 利得/フィルタ、追加信号増幅器
900 2次元行列、行列、結果行列
901 セル
902 セル
903 セル
904 セル
1000 拡張行列
1010 セル
1012 セル
1014 セル
1023 セル
1034 セル
1100 チャート
1105 検出しきい値
1200 チャート
1205 検出しきい値
1300 チャート
1305 検出しきい値
1400 方法
1500 装置
1502 ループアレイの複数のループの各々に関連する特性を判断するための手段
1504 複数のループの各ループについて、そのループに関連する特性および少なくとも1つの隣接ループに関連する特性に基づいてパラメータを判断するための手段
1506 パラメータに基づいてオブジェクトの存在を判断するための手段
1600 2次元行列、行列、結果行列
1601 セル
1602 セル
1603 セル
1604 セル
1700 縮約行列、行列
1712 セル
1723 セル
1800 チャート
1805 絶対検出しきい値、検出しきい値
1810 差分検出しきい値、検出しきい値
1900 チャート
1905 絶対検出しきい値
1910 差分検出しきい値
2000 チャート
2005 絶対検出しきい値
2010 差分検出しきい値
2100 チャート
2105 絶対検出しきい値
2110 差分検出しきい値

Claims (15)

  1. オブジェクトの存在を検出するための装置であって、
    アレイに配列された複数の導電性ループの各々に関連する電気的特性を判断するための手段と、
    前記複数の導電性ループの各ループについて、参照値からの前記ループに関連する前記電気的特性の偏差、および前記参照値からの少なくとも1つの隣接ループに関連する前記電気的特性の偏差の合計に基づいてパラメータを判断するための手段と、
    前記パラメータに基づいて前記オブジェクトの前記存在を判断するための手段と、
    を備える、装置。
  2. 前記電気的特性は、ループ共振周波数、ループインピーダンス、またはその両方を含む、請求項1に記載の装置。
  3. 前記複数の導電性ループの幾何学的配列に基づいて、前記偏差の各々に重み係数を適用するための手段をさらに備える、請求項1に記載の装置。
  4. 前記電気的特性についての前記参照値からの前記ループに関連する前記電気的特性の前記偏差と、前記参照値からの前記隣接ループに関連する前記電気的特性の前記偏差との間の差として前記パラメータを判断することによって、温度に起因する前記複数の導電性ループの各々に関連する前記電気的特性の変動を補償するための手段をさらに備える、請求項1に記載の装置。
  5. 前記ループについてのリード線および前記隣接ループについてのリード線は、実質的に一緒に物理的にルーティングされる、請求項1に記載の装置。
  6. 前記電気的特性の変動を補償するための手段は、前記ループおよび前記隣接ループに関連する前記電気的特性の共通の変動を相殺するように構成される、請求項4に記載の装置。
  7. 前記複数の導電性ループは重複しない、請求項4に記載の装置。
  8. オブジェクトの存在を検出するための方法であって、
    アレイに配列された複数の導電性ループの各々に関連する電気的特性を判断するステップと、
    前記複数の導電性ループの各ループについて、参照値からの前記ループに関連する前記電気的特性の偏差、および前記参照値からの少なくとも1つの隣接ループに関連する前記電気的特性の偏差の合計に基づいてパラメータを判断するステップと、
    前記パラメータに基づいて前記オブジェクトの前記存在を判断するステップと
    を含む方法。
  9. 前記電気的特性は、ループ共振周波数、ループインピーダンス、またはその両方を含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記パラメータを判断するステップは、前記複数の導電性ループの幾何学的配列に基づいて、前記偏差の各々に重み係数を適用するステップを含む、請求項8に記載の方法。
  11. 前記パラメータを判断するステップは、前記電気的特性についての前記参照値からの前記ループに関連する前記電気的特性の前記偏差と、前記参照値からの前記隣接ループに関連する前記電気的特性の前記偏差との間の差として前記パラメータを判断することによって、温度に起因する前記複数の導電性ループの各々に関連する前記電気的特性の変動を補償するステップを含む、請求項8に記載の方法。
  12. 前記ループについてのリード線および前記隣接ループについてのリード線は、実質的に一緒に物理的にルーティングされる、請求項11に記載の方法。
  13. 前記変動を補償するステップは、前記ループおよび前記隣接ループに関連する前記電気的特性の共通の変動を相殺する、請求項11に記載の方法。
  14. 前記複数の導電性ループは重複しない、請求項8に記載の方法。
  15. オブジェクトの存在を検出するためのコンピュータ可読記憶媒体であって、実行されたときに装置に、請求項8乃至14の何れかに記載の方法を実施させる、コンピュータ可読記憶媒体。
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