JP6678675B2 - 所定の空間における強磁性外来物体の検出のためのシステム、方法、および装置 - Google Patents

所定の空間における強磁性外来物体の検出のためのシステム、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、所定の空間における強磁性外来物体の検出のためのデバイス、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けた電気から導出された運動力を含む、車両などの遠隔システムが導入されてきた。そのようなエネルギー蓄積デバイスは、定期的に充電される必要がある。たとえば、ハイブリッド電気車両は、車両制動および従来の発動機からの動力を使用して車両を充電するオンボード充電器を含む。バッテリー電気車両(電気車両)を、家庭用または商用のAC電源などの何らかのタイプの有線の交流(AC)によって充電することがしばしば提案されている。有線の充電接続は、電源に物理的に接続され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、時には不便なことがあり、または扱いにくいことがあり、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ことになる、自由空間内で(たとえば電磁場を介して)給電することができるワイヤレス充電システムは、有線充電による解決策の欠点のうちのいくつかを克服することができる。しかしながら、電磁場を使用することにより、場内に位置する導電性の良い(たとえば、金属または強磁性の)物体に渦電流が誘起されることがあり、これは物体の加熱、振動、または近くの物体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の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ワイヤレス充電方法が望ましい。
米国特許出願公開第2014/015329号明細書 米国特許出願公開第2014/167704号明細書 米国特許出願公開第2012/146580号明細書
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装形態は、各々がいくつかの態様を有し、そのうちの単一の実装形態が、本明細書で説明する望ましい属性を単独で担うものではない。本明細書では、添付の特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの顕著な特徴について説明する。
本明細書内で説明される主題の1つまたは複数の実施態様の詳細は、添付図面および下の説明内で示される。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。以下の図の相対寸法は、一定の縮尺で描かれていない場合があることに留意されたい。
本開示の一態様は、物体を検出するための装置を提供する。装置は、第1の磁場を生成するように構成可能な誘導性センシングコイルを備える。誘導性センシングコイルは、第1の磁場を生成するときに検出可能である電気的特性を有するように構成される。電気的特性は、物体に同時に印加される第2の時変磁場に応じて変化するように構成される。装置は、電気的特性の変化を検出し、検出された電気的特性の変化に基づいて物体の存在を決定するように構成されたコントローラをさらに備える。
本開示の別の態様は、物体の存在を検出するための方法の実施態様を提供する。方法は、誘導性センシングコイルの電気的特性の変化を検出するステップを含み、電気的特性は、誘導性センシングコイルが第1の磁場を生成するときに検出可能であり、電気的特性は、物体に同時に印加される第2の時変磁場に応じて変化するように構成される。方法は、検出された電気的特性の変化に基づいて物体の存在を決定するステップをさらに含む。
本開示のさらに別の態様は、コードを含む非一時的コンピュータ可読媒体を提供し、このコードは、実行されたとき、物体を検出するための装置に、誘導性センシングコイルの電気的特性の変化を検出させ、電気的特性は、誘導性センシングコイルが第1の磁場を生成するときに検出可能であり、電気的特性は、物体に同時に印加される第2の時変磁場に応じて変化するように構成される。コードはさらに、実行されたときに、装置に、検出された電気的特性の変化に基づいて物体の存在を決定させる。
本開示のさらに別の態様は、物体の存在を検出するための装置を提供する。装置は、誘導性センシングコイルの電気的特性の変化を検出するための手段を含み、電気的特性は、誘導性センシングコイルが第1の磁場を生成するときに検出可能であり、電気的特性は、物体に同時に印加される第2の時変磁場に応じて変化するように構成される。装置は、検出された電気的特性の変化に基づいて物体の存在を決定するための手段をさらに含む。
いくつかの実装形態による、電気車両を充電するための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中核的な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中核的および補助的構成要素を示す別の機能ブロック図である。 いくつかの実装形態による、物体の電気伝導率および透磁率がバイアシング静磁場への曝露の関数である誘導性センシングコイルを使用して強磁性外来物体を検出するための簡略化された回路の図である。 図4の強磁性外来物体を検出するための簡略化された回路の等価回路図である。 いくつかの実装形態による、強磁性外来物体の静磁場への断続的曝露が誘導性センシングコイルの特性に及ぼす影響を示す時間図である。 いくつかの実装形態による、物体の電気伝導率および透磁率がバイアシング交番磁場への曝露の関数である誘導性センシングコイルを使用して強磁性外来物体を検出するための簡略化された回路の図である。 図7の強磁性外来物体を検出するための簡略化された回路の等価回路図である。 いくつかの実装形態による、強磁性外来物体のバイアシングおよびヒーティング交番磁場への断続的曝露が誘導性センシングコイルの特性に及ぼす影響を示す時間図である。 いくつかの実装形態による、強磁性外来物体がバイアシング交番磁界に曝露される間に誘導性センシングコイル測定ポートにおいて感知される電圧信号の周波数スペクトルを示す図である。 いくつかの実装形態による、連続波形応答手法に基づく強磁性外来物体検出回路の図である。 いくつかの実装形態による、連続波形応答手法に基づく別の強磁性外来物体検出システムの図である。 いくつかの実装形態による、インパルス応答手法に基づくさらに別の強磁性外来物体検出システムの図である。 いくつかの実装形態による、物体の存在を検出するための方法のフローチャートである。 いくつかの実装形態による、物体の存在を検出するための装置の機能ブロック図である。
図面に示す様々な特徴は、一定の縮尺で描かれていないことがある。したがって、様々な特徴の寸法は、明快のために任意に拡大または縮小され得る。さらに、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示さないことがある。最後に、同様の参照番号が、明細書および図面全体にわたって同様の特徴を表すために使用され得る。
添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、実装形態の説明であることが意図されており、本発明が実践される場合がある唯一の実装形態を表すことは意図されていない。本説明全体にわたって使用される「例示的」という用語は、「例、事例、または例示としての役割を果たすこと」を意味し、必ずしも他の実装形態よりも好ましい、または有利なものとして解釈されるべきではない。詳細な説明は、実装形態を完全に理解してもらうために具体的な細部を含む。場合によっては、いくつかのデバイスがブロック図の形態で示される。
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せずに、電場、磁場、電磁場、またはその他に関連する任意の形態のエネルギーをトランスミッタからレシーバに伝達することを指す場合がある(たとえば、電力は、自由空間を通じて伝達される場合がある)。電力伝達を実現するために、電磁場(たとえば、磁場)へと出力された電力は、「受信カプラ」によって受信され、捕捉され、または結合され得る。
本明細書では、遠隔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、その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)から導か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、直接の運動のための、または車両のバッテリーを充電するための従来型の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、運動能力のすべてを電力から取り出してもよい。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んでもよい。限定ではなく例として、遠隔システムについて本明細書では、電気車両(EV)の形態で説明する。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る場合がある他の遠隔システム(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、いくつかの実装形態による、電気車両112を充電するための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がベースワイヤレス充電システム102aの近くに駐車されている間の、電気車両112の充電を可能にする。2つの電気車両のための空間が、対応するベースワイヤレス充電システム102aおよび102bの上方に駐車されることになる駐車エリアの中に示されている。いくつかの実装形態では、ローカル配電センター130が、電力バックボーン132に接続され、電力リンク110を通じてベースワイヤレス充電システム102aに交流電流(AC)または直流(DC)電源を提供するように構成され得る。ベース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するまたは受けるベースシステムカプラ104aを含む。電気車両112は、バッテリーユニット118、電気車両カプラ116、および電気車両ワイヤレス充電システム114を含んでもよい。ベースワイヤレス充電システム102aおよび102bの各々はまた、それぞれ、電力をワイヤレスに伝達するためのベースカプラ104a、104bを含む。いくつかの他の実装形態では(図1に示さず)、ベースカプラ104aまたは104bは、スタンドアロンの物理ユニットであってよく、ベースワイヤレス充電システム102aまたは102bの一部ではない。電気車両カプラ116は、たとえば、ベースシステムカプラ104aによって生成される電磁場の領域を介して、ベースシステムカプラ104aと相互作用してもよい。
いくつかの実装形態では、電気車両カプラ116がベースシステムカプラ104aによって発生したエネルギー場の中に位置するとき、電気車両カプラ116は電力を受けることができる。この場は、ベースシステムカプラ104aによって出力されるエネルギーが電気車両カプラ116によって捕捉される場合がある領域に相当する。たとえば、ベースシステムカプラ104aによって出力されるエネルギーは、電気車両112を充電または給電するのに十分なレベルであってもよい。場合によっては、場は、ベースシステムカプラ104aの「近距離場」に相当する場合がある。近距離場は、ベースシステムカプラ104aから離れる方向に電力を放射しない、ベースシステムカプラ104aの中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相当する場合がある。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、ベースシステムカプラ104aの波長の約1/2π以内にある領域(反対に電気車両カプラ116の場合も同様)に相当する場合がある。
ローカル配電センター130は、通信バックホール134を介して外部の電力源(たとえば、電力網)と、かつ通信リンク108を介してベースワイヤレス充電システム102aと通信するように構成されてよい。
いくつかの実装形態では、電気車両カプラ116は、ベースシステムカプラ104aと揃えられ得るので、単に運転手が電気車両112をベースシステムカプラ104aに対して正しく配置することによって、近接場領域内に配設され得る。他の実装形態では、運転手は、電気車両112がワイヤレス電力伝達のために適切に配置されているときを判定するために、視覚的、聴覚的もしくは触覚的フィードバック、またはそれらの組合せを与えられ得る。さらに他の実装形態では、電気車両112は、整列の誤差が許容可能な値に達するまで電気車両112を前後に(たとえば、ジグザグの動きで)動かすことができる、オートパイロットシステムによって配置され得る。これは、電気車両112が車両を調整するためのサーボ式ハンドル、超音波センサ、および知能を備えている限り、運転手の介入を伴うことなく、または運転手の最小限の介入を伴って、電気車両112によって自動的かつ自律的に実行され得る。さらに他の実装形態では、電気車両カプラ116、ベースシステムカプラ104a、またはそれらの組合せは、カプラ116および104aを互いに対してずらして移動させて、それらをより正確に配向し、それらの間のより効率的な結合を促進するための機能を有し得る。
ベースワイヤレス充電システム102aは、様々なロケーションに位置してもよい。非限定的な例として、いくつかの適切なロケーションは、電気車両112の所有者の自宅における駐車エリア、従来型の石油ベースの給油所にならって作られた、電気車両のワイヤレス充電のために確保された駐車エリア、およびショッピングセンターや職場などの他のロケーションにおける駐車場を含む。
電気車両をワイヤレスに充電することは、数多くの利点をもたらす場合がある。たとえば、充電は、自動的に、ほとんど運転手の介入および操作を伴わずに実行され得、それによって、ユーザの利便性を向上させる。また、曝露した電気的接点および機械的な摩耗がなくなり得るので、ワイヤレス電力伝達システム100の信頼性が向上する。ケーブルおよびコネクタによる操作が必要とされなくてよく、屋外環境において蒸気および水に曝露され得るケーブル、プラグ、またはソケットがなくなり得るので、安全性が向上する。目に見えるまたはアクセス可能なソケット、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が減少する。さらに、電気車両112は、電力網を安定化するための分散蓄電デバイスとして使用され得るので、Vehicle-to-Grid(V2G)動作のための車両の利用可能性を上げるために、docking-to-grid解決法が使用されることが可能である。
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、美観と無害の利点も提供し得る。たとえば、車両および/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。
vehicle-to-grid能力のさらなる説明として、ワイヤレス電力送受信能力は、ベースワイヤレス充電システム102aが電力を電気車両112に伝送し、たとえばエネルギー不足のときに電気車両112が電力をベースワイヤレス充電システム102aに伝達するように、相互的であるように構成され得る。この能力は、過大な需要または再生可能エネルギー(たとえば、風力または太陽光)の産出の不足によって引き起こされるエネルギー不足のときに、電気車両が配電系統全体へ電力を寄与することを可能にすることによって、配電網を安定させるのに有用であり得る。
図2は、図1のワイヤレス電力伝達システム100の中核的な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を有するベースシステムカプラ204を含むベースシステム送信回路206を含み得る。ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL2を有する電気車両カプラ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カプラの実装形態は、一次側と二次側の両方のカプラ(たとえば、コイル)が共通の共振周波数に同調されている場合に、磁気的または電磁気的な近接場を介して一次側構造物(トランスミッタ)から二次側構造物(レシーバ)へと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型ワイヤループ(すなわち、多巻コイル)を使用することができる。コイルは、電気車両カプラ216およびベースシステムカプラ204に使用されてもよい。エネルギーを結合するための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」と呼ばれる場合がある。ワイヤレス電力伝達システム200の動作は、ベースワイヤレス充電システム202から電気車両112への電力伝達に基づいて説明されるが、それには限定されない。たとえば、上で論じられたように、電気車両112は、電力をベースワイヤレス充電システム102aに伝達することができる。
図2を参照すると、電源208(たとえば、ACまたはDC)が、電力PSDCをベースワイヤレス充電システム202に供給して、エネルギーを電気車両112に伝達する。ベースワイヤレス電力充電システム202は、ベース充電システム電力コンバータ236を含む。ベース充電システム電力コンバータ236は、標準的な商用AC電力から適切な電圧レベルのDC電力へと電力を変換するように構成されるAC/DCコンバータ、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るDC/低周波(LF)コンバータのような、回路を含み得る。ベース充電システム電力コンバータ236は、電力P1をベースシステムカプラ204と直列のキャパシタC1を含むベースシステム送信回路206に供給して、所望の周波数で電磁場を放出する。キャパシタC1は、並列もしくは直列のいずれかでベースシステムカプラ204に結合されてよく、または並列トポロジーもしく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。キャパシタC1は、所望の周波数で共振するベースシステムカプラ204を伴う共振回路を形成するために設けられ得る。ベースシステムカプラ204は、電力P1を受信し、電気車両112を充電または給電するの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、ベースシステムカプラ204によってワイヤレスに供給される電力レベルは、数キロワット(kW)程度(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)にあり得る。
ベースシステムカプラ204を含むベースシステム送信回路206および電気車両カプラ216を含む電気車両受信回路222は、実質的に同じ周波数に同調されてよく、ベースシステムカプラ204と電気車両カプラ116の1つによって送信される電磁場の近接場の中に配置され得る。この場合、ベースシステムカプラ204および電気車両カプラ116は、キャパシタC2と電気車両カプラ116と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、互いに結合されるようになり得る。キャパシタC2は、所望の周波数で共振する電気車両カプラ216とともに共振回路を形成するために設けられ得る。キャパシタC2は、並列もしくは直列のいずれかで電気車両カプラ204に結合されてよく、または並列トポロジーもしく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、コイル間隔dにおいて得られる相互結合係数を表す。等価抵抗Req,1およびReq,2は、カプラ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。電気車両カプラ316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、電力P2を電気車両充電システム214の電気車両電力コンバータ238に提供する。
電気車両電力コンバータ238は、とりわけ、動作周波数の電力を、電気車両バッテリーユニット218の電圧レベルに一致した電圧レベルのDC電力へと戻す形で変換するように構成される、LF/DCコンバータを含み得る。電気車両電力コンバータ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、ベース充電システム電力コンバータ236、およびベースシステムカプラ204は固定され、上で論じられたような種々の位置に位置し得る。バッテリーユニット218、電気車両電力コンバータ238、および電気車両カプラ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に含まれ得る。電気車両充電システム214はまた、電気車両カプラ216を通じてベースワイヤレス電力充電システム202に電力をワイヤレスに供給して、電力を電力網に戻すように構成されてもよい。電気車両カプラ216およびベースシステムカプラ204の各々は、動作モードに基づいて、送信カプラまたは受信カプラとしての働きをすることができる。
示されないが、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から安全に切り離すための、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、負荷をワイヤレス電力伝達システム200から切断することをトリガされ得る。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設けられてよく、または、バッテリー管理システムの部分であってもよい。
さらに、電気車両充電システム214は、電気車両カプラ216を電気車両電力コンバータ238と選択的に接続および切断するための、スイッチング回路(図示せず)を含んでもよい。電気車両カプラ216を切り離すことは、充電を中断することができ、また、(トランスミッタとして動作する)ベースワイヤレス充電システム102aによって「見られる」ような「負荷」を調整することができ、このことは、ベースワイヤレス充電システム102aから(レシーバとして動作する)電気車両充電システム114を「隠す」ために使用され得る。トランスミッタが負荷センシング回路を含む場合、負荷の変化が検出され得る。したがって、ベースワイヤレス充電システム202のようなトランスミッタは、電気車両充電システム114のようなレシーバがベースシステムカプラ204の近接場に存在するときを決定するための機構を有し得る。
上で説明したように、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、ベースシステムカプラ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、入力電力が電源208から供給される。電気車両カプラ216は、放射場に結合し、電気車両112によって蓄積または消費される出力電力を生成する。上で説明したように、いくつかの実装形態では、ベースシステムカプラ204および電気車両カプラ116は、電気車両カプラ116の共振周波数およびベースシステムカプラ204の共振周波数が非常に近いかまたは実質的に同じであるときのような相互共振の関係に従って構成される。ベースワイヤレス充電システム202と電気車両充電システム214との間の送信損失は、電気車両カプラ216がベースシステムカプラ204の近接場に位置しているときは最小限である。
述べられたように、効率的なエネルギー伝達は、エネルギーの大半を電磁波で非近接場に伝播するのではなく、送信側カプラの近接場におけるエネルギーの大部分を受信側カプラに結合することによって発生する。近距離場の中にあるとき、送信カプラと受信カプラ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カプラの周りのエリアは、本明細書では近距離場結合モード領域と呼ばれる。
示されないが、ベース充電システム電力コンバータ236および電気車両電力コンバータ238はともに、発振器と、電力増幅器のような駆動回路と、フィルタと、ワイヤレス電力カプラとの効率的な結合のための整合回路とを含み得る。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することができる。発振器信号は、制御信号に応答した増幅量で電力増幅器によって増幅され得る。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カプラに整合するために含まれ得る。電力コンバータ236および238はまた、バッテリーを充電するのに適切な電力出力を生成するための、整流器およびスイッチング回路を含み得る。
開示される実装形態全体で説明されるような電気車両カプラ216およびベースシステムカプラ204は、「ループ」アンテナ、より具体的には多巻ループアンテナと呼ばれることがあり、またはそれとして構成され得る。カプラ204および216はまた、「磁気」アンテナと本明細書では呼ばれることがあり、またはそれとして構成され得る。「カプラ」という用語は、別の「カプラ」に結合するために、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を意図される。カプラは、電力をワイヤレスに出力または受け取るように構成されるタイプの「アンテナ」とも呼ばれる場合がある。本明細書で使用される場合、カプラ204および216は、電力をワイヤレスに出力し、ワイヤレスに受信し、かつ/またはワイヤレスに中継するように構成される、あるタイプの「電力伝達構成要素」の例である。ループ(たとえば、多巻ループ)アンテナは、空芯、またはフェライトコアのような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は、コア領域内への他の構成要素の配置を可能にし得る。強磁性体または強磁性材料を含む物理的コアアンテナは、より強い電磁場の展開および結合の改善を可能にし得る。
上記で説明したように、トランスミッタとレシーバとの間のエネルギーの効率的な伝達は、トランスミッタとレシーバとの間の共振が整合しているときまたはほぼ整合しているときに行われる。しかしながら、トランスミッタとレシーバとの間の共振が整合していないときでも、エネルギーはより低い効率で伝達される場合がある。エネルギーの伝達は、送信側カプラからのエネルギーを自由空間へと伝播するのではなく、送信側カプラの近接場からのエネルギーを、この近接場が確立される領域内に(たとえば、共振周波数の所定の周波数範囲内に、または近接場領域の所定の間隔内に)存在する受信側カプラに結合することによって発生する。
共振周波数は、上で説明したようなカプラ(たとえば、ベースシステムカプラ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、一般にカプラ(たとえば、コイル)のインダクタンスである場合があり、一方、キャパシタンスは、所望の共振周波数において共振構造を作成するようにカプラに付加され得る。非限定的な例として、図2に示すように、電磁場を生成する共振回路(たとえば、ベースシステム送信回路206)を作成するために、キャパシタがカプラと直列に追加され得る。したがって、より大きい直径のカプラの場合、共振を誘起するのに必要なキャパシタンスの値は、カプラの直径またはインダクタンスが増大するにつれて減少し得る。インダクタンスはまた、コイルの巻数に依存する場合がある。さらに、カプラの直径が増加するにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達面積が増大する可能性がある。他の共振回路が可能である。別の非限定的な例として、キャパシタは、カプラ(たとえば、並列共振回路)の2つの端子間に並列に配置され得る。さらに、カプラは、カプラの共振を改善して損失を低減するために高い品質(Q)値を有するように設計され得る。たとえば、ネイティブQ値は300以上であってもよい。
上述のように、いくつかの実装形態によれば、互いの近距離場内に位置する2つのカプラの間で電力を結合することが開示される。上で説明したように、近接場は、電磁場が存在するが電磁場がカプラから遠くに伝播または放射し得ない、カプラの周りの領域に対応し得る。近距離場結合モード領域は、カプラの物理的ボリュームの近くに位置し、通常は波長のごく一部の中に位置するボリュームに相当してもよい。いくつかの実装形態によれば、実際の実装形態での近接磁場の振幅は電気タイプのアンテナ(たとえば、小型ダイポール)の近接電場と比較して磁気タイプのコイルではより高い傾向があるので、単巻ループアンテナおよび多巻ループアンテナのような電磁カプラが、送信と受信の両方のために使用される。これは、ペアの間の潜在的により密な結合を可能にする。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100の中核的および補助的構成要素を示し、かつ/または図2のワイヤレス電力伝達システム200がその一部であり得る、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と、案内リンク366と、ベースシステムカプラ304および電気車両カプラ316の一方または両方をベース整列システム352および電気車両整列システム354を介して機械的に移動させ得る整列メカニズム356とを示す。案内リンク366は、双方向シグナリングを可能にすることがあり、すなわち、案内信号は、ベース案内システム362もしくは電気車両案内システム364によって、またはその両方によって放出される場合がある。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、ベース充電システム電力インターフェース348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コンバータ336に供給するように構成され得る。ベース充電システム電力コンバータ336は、ベース充電システム電力インターフェース348からACまたはDC電力を受信して、ベースシステムカプラ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起することができる。電気車両カプラ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。電気車両電力コンバータ338は、電気車両カプラ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を充電するための適した電力信号に変換する。
ベースワイヤレス充電システム302はベース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。ベース充電システムコントローラ342は、たとえば、コンピュータ、配電センター、またはスマート電力網のような他のシステム(図示せず)へのベース充電システム通信インターフェース358を含み得る。電気車両コントローラ344は、たとえば、車両の車中コンピュータ、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、および遠隔電子システムのような、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。
ベース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、別々の通信チャネルを伴う特定の用途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、別々の物理チャネルまたは別々の論理チャネルであってよい。非限定的な例として、ベース充電整列システム352は、通信リンク376を通じて電気車両整列システム354と通信して、自律的、機械的(運動学的)整列またはオペレータの支援のいずれかによって、ベースシステムカプラ304と電気車両カプラ316とをより厳密に整列させるためのフィードバック機構を提供することができる。同様に、ベース充電案内システム362はベースシステムカプラ304と電気車両カプラ316とを整列させ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366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。加えて、ベースワイヤレス充電システム302と電気車両充電システム314との間で他の情報を通信するための、ベース充電通信システム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々の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)があってよい。この情報は、電気車両の特性、バッテリーの特性、充電状態、および、ベースワイヤレス充電システム302と電気車両充電システム314の両方の電力能力についての情報、同様に、電気車両112のメンテナンスデータ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、Bluetooth(登録商標)、zigbee、セルラーなどのような、別々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はまた、電気車両の主要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)と、マイクロ波または超音波レーダーの原理に基づく駐車支援システムと、半自動の駐車動作を実行するように構成されるブレーキシステムと、より高い駐車精度を提供できる大部分が自動化された駐車「park by wire」によって支援するように構成されるハンドルサーボシステムとを含み得るので、ベースワイヤレス充電システム102aと電気車両充電システム114のいずれにおいても機械的な水平方向のカプラ整列の必要性が減る。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、ダッシュボードのディスプレイ)、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、および、ジョイスティック、トラックボールのようなポインティングデバイスなど)、およびオーディオ入力デバイス(たとえば、電子音声認識を伴うマイクロフォン)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スポットに適切に案内するためのシステムとともに使用するためのセンサ、要求される離隔/結合に対してカプラを相互に整列させるためのセンサ、電気車両カプラ316が結合を実現するために特定の高さおよび/または位置へと移動するのを妨げ得る物体を検出するためのセンサ、ならびに、信頼性のある、損傷を伴わない、かつ安全な、システムの動作を実行するためにシステムとともに使用するための安全センサを含み得る。たとえば、安全センサは、安全範囲を超えてワイヤレス電力カプラ104a、116に近づく動物または子供の存在の検出、加熱(誘導加熱)され得るベースシステムカプラ304の近くの物体の検出、ベースシステムカプラ304上の白熱を発する物体などの危険な事象の検出、ならびに、ベースワイヤレス充電システム302および電気車両充電システム314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し得る。有線充電ポートは、電気車両112への、または電気車両112からの電力の伝達の前に、2つの異なる充電器の出力を統合し得る。スイッチング回路が、ワイヤレス充電と有線充電ポートを介した充電との両方をサポートするために必要とされるような機能を提供することができる。
ベース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および/または帯域外シグナリングの両方を使用し得る。帯域外通信は、RFデータモデム(たとえば、無認可帯域内の無線を介するイーサーネット)を使用して遂行される場合がある。帯域外通信は、車両のユーザ/所有者への付加価値サービスの割振りのために十分な帯域幅を実現する場合がある。ワイヤレス電力搬送波の低深度の振幅変調または位相変調が、干渉が最小限の帯域内シグナリングシステムとしての働きをする場合がある。
加えて、一部の通信は、特定の通信アンテナを使用することなく、ワイヤレス電力リンクを介して実行される場合がある。たとえば、ワイヤレス電力カプラ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る場合がある。したがって、ベースワイヤレス充電システム302のいくつかの実装形態は、ワイヤレス電力経路上でのキーイングタイプのプロトコルを可能にするためのコントローラ(図示せず)を含んでもよい。あらかじめ定められたプロトコルによりあらかじめ定められた間隔で送信電力レベルをキーイングすることによって(振幅シフトキーイング)、レシーバはトランスミッタからのシリアル通信を検出してもよい。ベース充電システム電力コンバータ336は、ベースシステムカプラ304によって生成される近接場の近傍における動作中の電気車両レシーバの存在または不在を検出するための負荷センシング回路(図示せず)を含む場合がある。例として、負荷センシング回路は、電力増幅器への電流の流れを監視し、この電流の流れは、ベースシステムカプラ104aによって生成される近接場の近傍での動作中のレシーバの存在または不在の影響を受ける。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、動作中のレシーバ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ベース充電システムコントローラ342によって監視され得る。
ワイヤレスの大電力伝達を可能にするために、いくつかの実装形態は、20〜150kHzの範囲の周波数で電力を伝達するように構成される場合がある。この低動作周波数は、ソリッドステートデバイスを使用して実現され得る高度に効率的な電力変換を可能にし得る。加えて、他の帯域と比較して、無線システムとの共存問題が少なくなり得る。
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、いくつかの位置でのエアギャップにおける磁束密度は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。ある量の導電性材料(たとえば、金属など)を含む物体が一次構造と二次構造との間の空間に挿入された場合、この物体に渦電流が生成され(ファラデーおよびレンツの法則)、それが電力の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、時変磁場(たとえば、交番磁場)の周波数、ならびに物体の導電性構造のサイズ、形状、向き、および導電率に依存する。物体は、十分に長い時間にわたって磁場に曝露されると、いくつかの面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、物体が可燃材料を含んでいる場合、または物体がそのような材料、たとえば薄い金属箔または金属膜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、そのような熱い物体、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物体の損傷があり得る。
実質的に非導電性であり得る強磁性材料を含むが顕著なヒステリシス効果を示す物体において、またはヒステリシスと渦電流損の両方を生成する材料においては、温度上昇も予想され得る。したがって、そのような物体を検出することは、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物体検出システムが組み込まれている場合、有害な物体を検出したことに応答して、システムは、有害な物体を除去するための対策が取られ得るまで、電力レベルを下げ、または停止することができる。物体が誘導的に温度を変化させることに基づいて物体を感知することは、「誘導性熱感知」と呼ばれることもある。
家庭内および公的なゾーンにおける電気車両の充電のような、誘導電力伝達のいくつかの適用例では、人々および機器の安全のために、危険な温度まで加熱する可能性のある外来物体を検出できることは必須であり得る。これは、危険な空間が開放されていて到達可能であるために、外来物体がこの空間に偶然に、または(たとえば、妨害行為の場合)意図的に置かれる場合があるシステムでは特に当てはまり得る。
本明細書で説明する実装形態は、所定の空間に位置する場合がある危険な強磁性外来物体(たとえば、強磁性材料を含む金属物体)を自動的に検出することを対象とする。特に、いくつかの実装形態は、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物体(たとえば、コイン)を検出することを対象とする。
本明細書で開示する方法および概念は、物体がバイアシング磁場に曝露されると同時に何らかの電磁的属性または電気的特性を変化させる外来金属物体のうちの別のカテゴリーの物体の誘導検出を可能にする。そのような磁気バイアシング効果は、強磁性材料、たとえば鉄、鋼のみならずフェライト(たとえば、ソフトフェライト)においても観測され得る。
強磁性材料を含有する金属物体は、それらが、誘導電力伝達(IPT)システムの機能空間内部で典型的に生成されるレベルにおいて交番磁場に曝露されるとき、危険温度まで昇温する場合があるので、潜在的に危険である。これは、長い物体がそれらの長辺(磁化容易軸)をIPT磁場の方向に向ける場合に、特に当てはまり得る。したがって、強磁性金属物体を検出することは、特に重要である。ツール、ねじ、ナット、ワッシャ、釘、ペーパークリップなど、日常生活で使用される多くの物体が、このカテゴリーに属する。このカテゴリーのいくつかの物体はまた、急速に昇温し、その物体の温度が上昇または低下するにつれてその電気伝導率および/または透磁率も顕著に変化する物体のカテゴリーに入る場合がある。
金属(導電性)物体の通常の誘導性センシングのために使用される手段および機能の大部分はまた、強磁性金属物体の検出のために本明細書で開示する方法および概念に適用され得る。したがって、これらの方法および概念は、別個の付加的装置を必ずしも必要としない、向上した金属物体検出装置の別の付加的特徴と解釈されるべきである。
本明細書で開示する外来物体検出システムのセンサおよび他の部品は、IPTカプラ(IPTパッド)中に、特にIPTベースカプラ(ベースパッド)中に組み込まれるものと考えられる。しかしながら、本明細書で開示する主要な方法および概念は、車両カプラ(車両パッド)インテグレーションにも、および非統合スタンドアロン(離散)ソリューションにも適用され得る。IPTカプラは、いわゆる「円形」タイプカプラ(「円形」コイルを使用する)、「ダブルD」タイプカプラ(ダブルコイル配列を使用する)、「ソレノイド」タイプカプラ(コアの周りに巻かれたソレノイドコイルを使用する)、「バイポーラ」タイプカプラ(コイル間が実質的にゼロ結合のダブルコイル配列を使用する)、またはシングルコイルもしくはマルチコイル配列に基づく任意の他のタイプのカプラのうちの1つであり得る。IPTカプラは、(たとえば、銅リッツ線から作られた)平面コイル構造、コイルを裏当てする平面フェライト構造(たとえば、ソフトフェライト材料)、およびコイルの表面と反対の平面フェライト構造の表面上に配設された(アルミニウムで作られた)導電性バックプレートから構成され得る。
本明細書の説明および図面は、簡潔のために単一の強磁性外来物体を仮定している。しかしながら、本明細書で開示する方法および装置は、一般に、所定の空間内の2つ以上の強磁性外来物体の存在に起因する異常状態を検出する能力を有する。
低周波交番磁場、たとえば1mTまたはそれ以上のオーダーの束密度を有する20〜150kHzの範囲内のIPT磁場に曝露される導電性および強磁性の物体は、危険な温度、たとえば500K超まで昇温する場合がある。これは、長い強磁性物体の長辺が実質的に磁場の方向に向けられる場合の、長い強磁性物体に特に当てはまる。温度が500Kを超える物体は、その物体が、紙、乾燥した葉、油、燃料などの可燃性材料と接触する場合、火災に対する潜在的リスクと見なされ得る。したがって、そのような物体は、開放されアクセス可能である場合の機能空間において、ミリテスラ(mT)の範囲のレベルの磁束密度を生成するIPTシステムに関する安全問題と見なされなければならない。そのような高温の物体は、直接ベースパッドの表面上にある場合、プラスチックの筐体を溶解または燃焼させ得るので、同様に損傷を与える場合がある。
所定の空間中に強磁性(たとえば、金属)物体が存在することは、少なくとも1つの、本明細書で誘導性センシングコイルと呼ぶ電気導体のループの端子において少なくとも1つの電気的特性(たとえば、等価インダクタンス、等価抵抗、周波数応答、またはインパルス応答)を測定することによって誘導的に検出され得る。誘導性センシングコイルに十分に近接する十分なサイズの強磁性物体は、上記の電気的特性のうちの1つまたは複数に測定可能な影響を及ぼすように、その誘導性センシングコイルによって生成されるセンシング磁場を変化させることになる。さらに、いくつかの実装形態では、強磁性物体は、上記の電気的特性のうちの少なくとも1つの測定されたサンプルと、その同じ少なくとも1つの特性の参照サンプルとを比較することによって検出され得る。そのような参照サンプルは、たとえば、強磁性外来物体の不在下での較正のプロセスにおいて取得済みであり得る。
しかしながら、増大する検出感度の要求に対して、いくつかの使用事例では、この基本的手法は、高信頼の外来物体検出解法を提供しない場合がある。たとえば、他の金属構造または磁気構造が外来物体検出システムのセンシング範囲内にあって固定されていない場合、その構造が誘導性センシングコイルの特性に及ぼす影響もまた、動的に変化することになる。したがって、単純な較正プロセスは、そのような他の金属構造の影響をゼロにすることはできない。外来物体検出がベースパッド中に組み込まれている地面から車両への電磁誘導充電アプリケーションでは、そのような擾乱構造は、車両IPTカプラおよび/または車両の底部を含む場合がある。加えて、ベースパッド中の導電構造または磁気構造はまた、変動する測定可能な影響を1つまたは複数の誘導性センシングコイルの特性に及ぼす場合がある。そのような影響は、たとえば、機械的応力によって生じる小移動、変動する温度、ならびに/あるいは、たとえば温度または磁場が変化した結果、これらの構造の電気的および/または磁気的属性が変化することに起因する場合がある。その上、そのような誘導性センシングコイル自体の電気的特性が、機械的応力、温度の影響、または周囲の絶縁材料の電気的属性の変化に起因して変化して、誘導性センシングコイルの自己キャパシタンスまたは対地キャパシタンスの変化をもたらす場合がある。変化する環境の影響は、(本質的には2次元空間において)表面の近くにある金属物体を検出するように設計されたシステムにおいては管理しやすいものであり得るが、それらの影響は、感度を向上させるように、たとえば、拡張された(3次元)空間において金属物体を検出するように設計された外来物体検出システムにおいては重要な課題となる場合がある。
強磁性金属(たとえば、導電性)物体は、潜在的に、電磁誘導的に、たとえば、MHz周波数範囲内で、十分に強力な静的バイアシング磁場に曝されるときに発生する誘導性センシングコイルの1つまたは複数の特性(たとえば、等価インダクタンスおよび/または等価抵抗)の瞬間的変化を介して検出され得る。強磁性物体の電気伝導率、および一般的には同様に透磁率は、バイアシング静磁場に曝露されるときに瞬時に変化するように見える。バイアシング静磁場は、バイアシング効果を強磁性物体の電磁的材料属性に及ぼすものと見なされる場合がある。この効果は、一般的に、静的バイアシング磁場を受ける大部分の強磁性金属物体に対しては比較的弱いものである。この比較的弱い効果は、知られている強磁性物体の磁気インピーダンス効果によって説明され得る。
しかしながら、誘導性センシングコイルの等価インダクタンスまたは等価抵抗への影響は、強磁性物体がバイアシング低周波時変磁場(たとえば、交番磁場)に曝露されるとき、上記で説明した磁気インピーダンス効果によって説明され得るものより数桁大きい(たとえば、100〜1000倍大きい)。この比較的強い影響は、静的バイアシング磁場に加えられる通常の磁気インピーダンス効果によっては説明され得ない。IPTのいくつかの実装形態の場合、バイアシング交番磁場は、電力伝達のために生成される低周波交番磁場であってよく、したがって補助的バイアシング交番磁場の必要性が除去される。他の実装形態では、バイアシング交番磁場は、電力伝達のために使用される交番磁場とは異なる交番磁場であってよい。
強磁性物体をIPT磁場に曝すことは、一般に、物体の見かけの電気伝導率および透磁率を変調し、そのことが、次に、センス周波数において誘導性センシングコイルの端子において測定される等価抵抗および/または等価インダクタンスの変調をもたらす。強磁性物体がセンスコイルの等価インダクタンスおよび/または等価抵抗に及ぼす影響に応じて、この低周波変調は、非常に小さい程度、たとえば1%未満であり得る。
いくつかの実装形態では、強磁性物体の見かけの伝導率および透磁率に及ぼす変調の影響は、同じく、バイアシング交番磁場によって生じた、強磁性物体の表皮深さ内の渦電流および/またはヒステリシス損に起因するジュール熱効果に付随して起きる場合がある。ジュール熱効果は、強磁性物体の温度を上昇させ、その結果、同じく、強磁性物体の温度係数に応じて強磁性物体の見かけの電気伝導率および透磁率を変えることになる。
図4は、いくつかの実装形態による、物体の電気伝導率および透磁率がバイアシング静磁場415への曝露の関数である誘導性センシングコイル402を使用して強磁性外来物体(たとえば、外来物体450)を検出するための簡略化された回路400の図である。回路400は、誘導性センシングコイル402を含み、この誘導性センシングコイル402は、1つまたは複数のループのコイルと、静磁場
415に曝露された外来物体450とを含み得る。誘導性センシングコイル402は、電圧vs(t)406およびセンス周波数(fs)において正弦波信号源404によって励振され、結果としてセンス電流is(t)408を生じ得る。静磁場
415は、外来物体450を磁気的にバイアスする。外来物体450の電気伝導率
410および透磁率
412は、誘導性センシングを通して明らかであるように、一般に、バイアシング静磁場
の関数である。等価インダクタンスおよび等価抵抗は、
および
の関数であるので、外来物体450の存在は、潜在的に、電流is(t)を、ソース電圧vs(t)515および静磁場
の強度に関して分析することによって検出され得る。
図5は、図4の外来物体450を検出するための簡略化された回路400の等価回路図500である。等価直列回路500は、電流is(t)を誘起して回路500の中を循環させる、周波数fsを有する電圧vs(t)によって誘導性センシングコイル(たとえば、図4のセンスコイル402)の定常状態の正弦波励振に適用可能であり得る。等価直列回路500は、システムの全体的なエネルギー蓄積効果を表す直列インダクタンスLSC505と、システムの全体的な損失効果を表す直列抵抗RSC510とを含む。等価直列回路500はまた、微分インダクタンス
506および微分抵抗
511を含み、微分インダクタンスおよび微分抵抗はそれぞれ、誘導性センシングコイル(たとえば、図4の誘導性センシングコイル402)の影響ゾーン内の強磁性物体(たとえば、図4の外来物体450)によって加えられる誘起効果および抵抗効果を表す。外来物体450の微分インダクタンス
506および微分抵抗
511は、物体がバイアシング静磁場
に曝露されると瞬時に影響を受ける。
図6は、いくつかの実装形態による、強磁性外来物体の静磁場
への断続的曝露が誘導性センシングコイル(たとえば、図4の誘導性センシングコイル402)の特性に及ぼす影響を示す時図表600である。図6に示すように、外来物体(たとえば、図4の外来物体450)は、静的バイアシング磁場
に断続的に曝露される。この検出方法は、「刺激される」誘導性インピーダンスおよび抵抗のセンシングに基づくものであり、ここでは最低でも、刺激は、曝露オフ間隔607が後に続く少なくとも1つの曝露オン間隔606を含み得る。図6は、線601による静磁場
のこのトグリングを示す。加えて、図6は、センスコイルの等価インダクタンスLsc+ΔLsc(t)610および等価抵抗Rsc+ΔRsc(t)615の、結果として得られる時間変動を示している。図示のように、知られている磁気インピーダンス効果によれば、等価インダクタンスLsc+ΔLsc(t)610と等価抵抗Rsc+ΔRsc(t)615はともに、曝露オン間隔606の間は減少し、曝露オフ間隔607の間は増加する。これらの特性変動は、強磁性外来物体の存在を明らかにし得る。
たとえば、一実装形態では、誘導性センシングコイル402の特性のうちの少なくとも1つ、たとえば等価抵抗Rsc+ΔRsc(t)615が絶えず測定され、開始点を含む曝露間隔の少なくとも何分の1かの時間期間(たとえば、オン間隔606およびオフ間隔607)にわたって記録される。外来物体450の存在を決定するために、いくつかの実装形態では、抵抗Rsc+ΔRsc(t)615の少なくとも1つの記録された時間経過が、
605に対する曝露時間プロファイル601と比較される。いくつかの他の実装形態では、この比較は相関である。抵抗Rsc+ΔRsc(t)615または他のセンスコイル402の特性の記録された時間経過は、
605に対する曝露時間プロファイル601と相関がある。さらなる実装形態では、相関は、誘導性センシングコイル402の特性のうちの少なくとも1つの記録された時間経過の時間微分、たとえば1次微分d/dt(時間勾配)の少なくとも1つを用いて実行される。
図7は、いくつかの実装形態による、物体の電気伝導率
および透磁率
が、バイアシング時変磁場
への曝露の関数である誘導性センシングコイル702を使用して強磁性外来物体(たとえば、外来物体750)を検出するための簡略化された回路700の図である。いくつかの実装形態では、バイアシング時変(たとえば、交番)磁場
は、IPT低周波磁場であり得る。そのような場合には、第2の時変磁場を生成するための手段は、1つまたは複数のIPT送信コイルを備える場合がある。交番磁場
は、周波数fIPTで交番し得る。図4に関して前に説明した静磁場と同様に、外来物体750の見かけの電気伝導率
および透磁率
は、交番する曝露場
に幾分関連して変動し、電圧源704によって供給される電圧vs(t)によって駆動される電流is(t)を変調する。しかしながら、表記法が示すように、
および
はまた、通常は、物体の温度
の関数であり、したがって、また、ジュール熱効果を介してバイアシング交番磁場
によって間接的に影響を受ける。しかしながら、多くの異なる物体を試験することによって、このジュール熱効果は、概して、バイアシング交番磁場への曝露による変調効果よりずっと弱いものであり、ジュール熱効果による変化はまた、外来物体750の熱容量および過熱電力に応じて、この新規の変調効果によるほぼ瞬間的な変化より数桁遅いものであることが示された。外来物体750の存在は、潜在的に、この変調効果によって、およびいくつかの場合にはまた、熱的効果によって、ソース電圧vs(t)および曝露場信号
に関連する電流is(t)を分析することによって検出され得る。
図8は、図7の外来物体750を検出するための簡略化された回路700の等価回路800図である。図8の等価回路800は、電圧vs(t)を供給する電圧源818を備え、電圧vs(t)は、等価インダクタンスLSC808と、等価直列抵抗RSC810と、外来物体750の存在に起因すると考えられ得る、かつ交番磁場
に曝露されるときに変調効果と熱的効果の両方によって一般に影響を受ける等価インダクタンス
806および等価抵抗
811の部分との直列接続を通る電流is(t)を駆動する。
図9は、いくつかの実装形態による、強磁性外来物体のバイアシングおよびヒーティング交番磁場
への断続的曝露が誘導性センシングコイルの特性に及ぼす影響を示す時図表900である。第1の時間経過915は誘導性センシングコイル702の等価抵抗RSC+ΔRSC(t)を示し、第2の時間経過910は誘導性センシングコイル702の等価インダクタンスLSC+ΔLSC(t)を示す。第3の時間経過905は、オフ間隔907によって区切られるオン間隔906を有する交番磁場
を示す一方で、第4の時間経過920は、初期温度
を有する、外来物体750の温度
を示す。外来物体750の存在下で、等価抵抗および等価インダクタンスは、交番磁場
の周波数fIPTの2倍の周波数(変調周波数)で周期的に変化する。この周波数倍増効果は、電磁的材料属性のこの変調が交番磁場
の符号と無関係であり、したがって整流効果を提供することを示す。加えて、傾斜する点線で示される等価抵抗の短期平均は、交番磁場
がオンに切り替わると瞬時に増加する。これは、等価抵抗が静磁場への曝露によって減少する、図6の通常の磁気インピーダンス効果に関して前に説明した効果と反対の効果である。加えて、温度効果は、等価抵抗のこの短期平均、および等価インダクタンス910の短期平均のわずかな傾斜によって知ることができ、この傾斜は、ジュール熱効果に起因する外来物体750の温度時間経過920を追随している。
正弦波センス電圧vs(t)を使用するセンシングシステムの場合、この変調効果は、一般に、得られた電流is(t)(図7および図8参照)の振幅および位相の変調として、時間領域において観察され得る。いくつかの強磁性物体(たとえば、ペーパークリップ)に対して、この変調効果は高度に非線形であり、短パルスの周期シーケンスにおいて現れるが、常に、交番磁場
の周波数fIPTの2倍の基本周波数を有する。変調度は、外来物体750が誘導性センシングコイル702の等価インダクタンスおよび等価抵抗に及ぼす影響、ならびに外来物体750の材料および向きに依存する。周波数領域において、この変調は、図10の周波数スペクトル1000で示されるように、数次までの変調高調波側波帯として観察され得る。
図10は、いくつかの実装形態による、強磁性物体がバイアシング交番磁場
に曝露される間に、誘導性センシングコイル測定ポートにおいて感知された電圧信号の周波数スペクトル1000を示す図である。交番磁場
がIPT磁場である場合、変調高調波は、一般に、IPT周波数fIPTの高調波(たとえば、fs±n・fIPT、ここでnは変調高調波の次数である)において発生し得る。理論上、変調メカニズムは交番磁場
の符号と無関係であるので、実質的な奇数次高調波は予想されず、そのことは、スペクトル1000に示される3次および5次の高調波のいずれかの実質的ゼロ電圧レベルによって知ることができる。しかしながら、実際のシステムでは、何らかの残余の1次(たとえば、fs±fIPT)および他の奇数次高調波積が、アナログ信号処理における何らかの非線形ひずみ効果に起因して観測される場合がある。
図11は、いくつかの実装形態による、連続波形応答手法に基づく強磁性外来物体検出回路1100の図である。図11に示すように、IPTコイル1120およびIPT電源1122は、強磁性外来物体(たとえば、外来物体1150)を交番磁場
によって磁気的にバイアスするために使用され得る。回路1100は、キャパシタCres1104と直列に接続された誘導性センシングコイル1102と、キャパシタ1104およびコイル1102の直列結合と並列に接続されたシャントインダクタLsh1106とを含む。加えて、回路1100は、破線で示される、シャントインダクタ1106に並列の測定ポート1110を含む。測定ポート1110は電圧センサ1115と電流センサ1116とを含み、さらに、直列抵抗Rres1111を介してセンス信号電圧源1112に接続される。センス信号電圧源1112は、正弦波(高調波)センス信号を生成するように構成され、センス周波数fsを制御するための入力をさらに含む。
回路1100は、電圧センサ1115および電流センサ1116の出力を入力として受信するように構成されたインピーダンスアナライザ1108をさらに備える。インピーダンスアナライザ1108は、インピーダンスZs(t)の決定を評価および制御ユニット1140に出力し、周波数および位相を同期させるためにIPT基準信号1124をIPT電源1122から受信するようにさらに構成される。
評価および制御ユニット1140は、センス信号電圧源1112に供給される出力1118を介してセンス周波数fsを制御し、同じく、IPT電源1122に供給される別の出力1142を介して交番磁場
を制御する。加えて、評価および制御ユニット1140は、周波数および位相に加えて、同じく、IPT電源1122の電流レベル、電力レベル、または任意の他の動作ステータスを反映し得るIPT基準信号1124をIPT電源1122から受信するための入力を備える。評価および制御ユニット1140はまた、検出仮説Hiを提供するための出力を含む。
直列キャパシタCres1104は、シャントインダクタLsh1106とともに、IPT周波数fIPTにおける交番磁場
によって誘導性センシングコイル1102中に誘起される電圧を減衰するためのハイパスフィルタとしての働きをする。この低周波成分を減衰することは、一般に、電圧センサ1115、電流センサ1116およびインピーダンスアナライザ1108への要件を緩和し得、また、任意の低周波信号成分と高周波信号成分との間の混変調など、任意の非線形ひずみ効果を低減し得る。キャパシタCres1104はまた、誘導性センシングコイル1102中に誘起される、IPT周波数fIPTにおける電流成分Iindを低下させることになり、そのことが、誘導性センシングコイル1102中に結果として生じるジュール熱効果を低下させることになる。誘導性センシングコイル1102の自己発熱は、物体の温度変化を介して物体を感知するとき、擾乱的影響を及ぼす場合がある。キャパシタCres1104はまた、以下でより詳細に概説するように、センス周波数fsにおいて誘導性センシングコイル1102のリアクタンスを完全にまたは部分的に補償する働きをする場合がある。直列抵抗Rres1111は、たとえば、センス回路1100が、測定ポート1110におけるインピーダンスを最小化するために共振(たとえば、完全補償)に同調される場合、センス電流Isを制限するように働きをする場合がある。
いくつかの実装形態では、(たとえば、より低い定格電流のために)シャントインダクタLsh1106が省略されるか、または物理的サイズを低減される場合がある。そのような実装形態では、回路1100は、(たとえば、IPT周波数fIPTにおいて)低周波補償信号に重ね合わされた高周波センス信号を生成する信号電圧源(たとえば、センス信号電圧源1112)を使用することによって、測定ポート1110におけるIPT周波数(fIPT)電圧成分をアクティブに削除または最小化し得る。次いで、回路1100は、測定ポート1110におけるIPT周波数電圧を最小化するために、低周波補償信号の振幅および/または位相を調整し得る。
いくつかの他の実装形態では、シャントインダクタLsh1106は、フェライトコアを含まない「エアコイル」であってよい。これは、電流成分Iindの存在下でフェライトコアによって生成され得る変調効果を回避するために必要とされる場合がある。シャントインダクタLsh1106は測定ポート1110において並列に接続されるので、非常に弱い変調効果でさえも、外来物体1150を検出する感度をひどく低下させる場合がある。
適切なセンス周波数を選択することは、特に注意を要する。IPTシステムの基本周波数、高調波周波数、および他のスイッチングノイズは、潜在的に、センス信号と干渉または混変調し、したがって外来物体を検出する感度を低下させる場合がある。図11の回路1100を参照し、キャパシタCres1104、インダクタLsh1106の値、および他の設計制約を考慮すると、基本周波数およびノイズのかなりの減衰が、150kHzより十分上、好ましくはMHzの範囲の周波数において達成され得る。考慮事項に対する別の態様は、容量効果に対する感度であり、したがって非金属誘電物体(たとえば、水、雪、氷、など)に対する感度である。容量効果は、高周波数において誘導性センシングコイルによって同様に生成される寄生電界によって説明され得る。電界の感度は、10MHzを超える周波数において問題になる場合がある。これらの要因に鑑みて、fIPTを十分に超える、たとえば1〜10MHzの周波数範囲のセンス周波数は、良いトレードオフとなり得る。
誘導性センシングコイルの等価インダクタンスおよび等価抵抗を示す量は、外来物体1150が存在するときに時間の関数である(たとえば、変調される)複素インピーダンス
であり得る。インピーダンスのこの概念は、センス信号が連続正弦波である場合、およびセンス周波数fsが変調周波数(たとえば、fIPT)より著しく高く、MHzの範囲内のセンス周波数fsを維持し得る場合に適用され得る。他の励振の場合、このインピーダンスの概念は適切ではない。
いくつかの実装形態では、時変複素インピーダンス
は、測定ポート1110において電圧Vsおよび電流Isを感知することによって取得され得る。より詳細には、複素インピーダンス
は、フィルタおよび検出器モジュール1126内で感知された電圧Vsと、フィルタおよび検出器モジュール1128内で感知された電流Isとのフィルタリングおよびエンベロープ検出を行って、複素電圧エンベロープ
および複素電流エンベロープ
(たとえば、変調波形)を取得することによって、取得される。フィルタおよび検出器モジュール1126は、次いで、複素電圧エンベロープ
をモジュール1130に出力し、フィルタおよび検出器モジュール1128は、次いで、複素電流エンベロープ
をモジュール1130に出力し、モジュール1130は、商
を計算する。モジュール1126および1128内のフィルタは、最小ひずみの電圧
および電流
の変調波形によってノイズを低減する整合されたフィルタであり得る。加えて、フィルタおよび検出器モジュール1126および1128は、IPT基準信号1124をIPT電源1122から受信することによって、交番磁場
に周波数同期および/または位相同期され得る。
いくつかの実装形態では、複素インピーダンス
は、実質的に、誘導性センシングコイルのインダクタンスLSC(図10に示さず)およびキャパシタンスCres1104によって本質的に定義される共振における周波数fsによって測定され得る。しかしながら、インピーダンス
を共振において測定することを、外来物体検出方法に対する一般的な必要項目であると解釈すべきではない。しかしながら、共振は、電圧センサ1115および電流センサ1116ならびにインピーダンスアナライザ1108に対するダイナミックレンジ要件を低減するために有利であり得る。外来物体1150の存在に起因する絶対インピーダンス変化(たとえば、2πfsΔLSC)はいずれのリアクタンス補償とも無関係であるが、センス周波数fsを共振に同調させることによって誘導性センシングコイル1102にわたる総電圧が補償される場合、相対的(たとえば、パーセント)変化はより有効になる。なぜならば、電圧センサ1115、電流センサ1116およびインピーダンスアナライザ1108内の構成要素のダイナミックレンジ要件を決定するのは相対的インピーダンス変化であるからである。さらに、共振同調の利点が以下に説明される。
評価ユニット1140は、さらに、検出された複素インピーダンス波形
を処理して基準波形と比較し、また、IPT基準信号1124を介して受信された情報を考慮して、最終的に検出仮説Hiを選択する。そのような基準波形は、システム較正プロセスの中で取得され得る。
いくつかの実装形態では、評価および制御ユニット1140は、所定のレベルまたは量の変調を検出することと、検出された複素インピーダンス波形
における他の異なる特性とに基づいて、外来物体1150の存在を決定するように構成され得る。これらの特性(たとえば、変調高調波)は、時間領域において、または(たとえば、フーリエ級数によって)周波数領域において分析され得る。
いくつかの他の実装形態では、評価および制御ユニット1140はまた、決定された複素インピーダンス波形
と断続的交番磁場
のデューティサイクルとを相関させて、交番磁場バイアシングおよび/または加熱効果を介して外来物体1150の存在を決定することができる。
図12は、いくつかの実装形態による、連続波形応答手法に基づく別の強磁性外来物体検出回路1200の図である。回路1200は、周波数領域処理手法に基づいて強磁性物体(図示せず)の存在を決定し得る。回路1200は、十分な検出感度をIPTカプラの全表面エリア(たとえば、ベースパッド、図12に示さず)にわたって与えるために、誘導性センシングコイル1202を含む複数(N個)の誘導性センシングコイル(たとえば、コイルアレイ、図12に完全には示さず)を利用する。明快のために、図12は、外来物体検出プロセスのために使用され得るIPTシステム(図11に示す)の部分を省略している。回路1200は、それが、(たとえば、N個のアナログスイッチを備える)マルチプレクサ1254および1256を含み、電流センサ1116を省略していることを除いて、図11に示す回路と実質的に同じである。いくつかの実装形態では、複数の誘導性センシングコイルの電気的特性の複数の変化の測定値を多重化するための手段は、マルチプレクサ1254および1256のうちの少なくとも1つを備える場合がある。
この検出回路1200では、センス信号源(図11に示す1112)は、デジタルアナログ変換器(DAC)1250に供給する数値式周波数シンセサイザ1260によって達成される。DAC1250は、直列抵抗Rser1211およびマルチプレクサ1254を介して測定ポート1210(点線で示される)に接続された電圧源出力Voを供給する。DAC1250は、クリーンなセンス電圧信号を生成するために必要なアナログ信号復元フィルタ(図12に詳細には示さず)を含み得る。抵抗Rser1211はまた、マルチプレクサ1254内のそれぞれのスイッチのオン状態抵抗を含み得る。図12は、複数のN個の誘導性センシングコイル(図示せず)に共通する抵抗Rserを示す。しかしながら、いくつかの実装形態では、マルチプレクサ1254をセンス信号源(たとえば、DAC1250)に直接接続すること、およびマルチプレクサ1254の下流に(たとえば、出力の左方に)N個の抵抗を使用することが好ましい場合がある。この構成は、測定ポート1210におけるアナログスイッチからの寄生並列キャパシタンスの問題が少なくなる可能性がある。
DAC1250の出力電圧Voおよび抵抗Rser1211は、実質的に、準一定の正弦波電流Is,1をマルチプレクサ1254によって選択された誘導性センシングコイルの中に駆動する一定の交流(AC)源として働くように選択され得る。代替として、DAC1250は、直列抵抗Rser1211を必要としない一定のAC源出力を提供し得る。規定された一定のセンス電流Is,1を仮定すると、i番目のセンス回路(他の回路は示さず)の測定ポート1210において感知された電圧Vs,iは、インピーダンス
を直接反映するものと見なされてよい。
さらに、図12は、第2のマルチプレクサ1256(たとえば、N個のアナログスイッチを備える)を介してアナログデジタル変換器(ADC)1252に接続されたN個の電圧センサ出力の各々を示す。電圧センサ1215および/またはADC1252は、図12に詳細には示されない前置増幅フィルタおよび/またはアンチエイリアシングフィルタなどのアナログ信号事前調整回路を含み得る。次いで、複素電圧波形の狭帯域フィルタリングおよび検出は、デジタル(数値)領域内で実行され得る。マルチプレクサ1256を介するADC1252への入力である電圧波形Vs,i(t)は、図10に関して前に説明したように、各変調側波帯周波数に対するバンクである、2K+1個の同期検出器1258のうちの1つのバンクを使用してフーリエ(たとえば、周波数)領域内で分析される。Kに対する適切な値は2、3、4のうちのいずれかであり得るが、本出願はそのように限定されるものではなく、Kは任意の整数値を取ることができる。
(たとえば、バンク1268の中の)各同期検出器1258は、同相混合器1266、直交位相混合器1264、ローパスフィルタ1262、および
で示される複素振幅(たとえば、フーリエ係数を表す)を供給する複素(同相および直交位相)出力を供給し、ここでnはn番目のセンスコイルを指し、kはk次変調高調波を指し、|k|≦2Kである。ゼロ次変調高調波
はセンスキャリア信号成分を指し、Vs,i(t)と、周波数fsを有する正弦波直交位相波形とを混合することによって取得される。ローパスフィルタ1262は、フィルタリング要件および検出時間制約に関して数値決定される(dimensioned)、有限インパルス応答(FIR)タイプのフィルタであり得る。N個の誘導性センシングコイルおよび時間多重化を使用する外来物体検出システムでは、各センスコイルに対して利用可能な検出時間は、図11の回路1100に対して利用可能な検出時間の1/Nthに低減する。
同相混合器および直交位相混合器にそれぞれ入力される数値式周波数波形(0°、90°)は、図10に例示的に示される周波数を有する数値式周波数シンセサイザ1260によって生成される。いくつかの実装形態では、すべての周波数波形は、評価および制御ユニット1240から受信されたセンス周波数fs1218と、IPT伝達システムから受信された外部IPT基準信号1224とに基づく場合がある。いくつかの実装形態では、IPT基準信号1224は、残差IPT周波数電圧がi番目のセンス回路の測定ポートにおいて感知され得るときに、残差IPT周波数電圧から導出される。数値式周波数シンセサイザ1260は、内部の数値式発振器を外部のIPT基準信号1224に周波数同期および位相同期させるための手段を含み得る。
評価および制御ユニット1240は、適切なしきい値を使用して、検出された複素出力(Vs,n,K)のセットと基準値のセットとを比較することによって潜在的な物体の存在を決定し得る。基準値は、システム較正のプロセスにおいて取得され得る。その上、評価および制御ユニット1240は、たとえば、磁場バイアシングおよび/またはヒーティング効果を介して物体を検出するために、連続的に検出された出力のセットの時間シーケンスと交番磁場間隔とを相関させ得る。ゼロ次の係数
は、そのような相関手法において特に有効であり得る。
いくつかの実装形態では、複素電圧
の実数成分および虚数成分は、それぞれ、誘導性センシングコイル1202の等価抵抗および等価インダクタンスを反映すべきであり、複素電圧の実際のマッピングを必要とする。実際の電圧(たとえば、インピーダンス)マッピングは、潜在的な物体と他の外乱との間を弁別するための情報の大部分を提供し得る。しかしながら、実際の電圧マッピングは、DAC1250とADC1252との間のアナログ回路によってもたらされる位相誤差を補償することをシステムに要求する場合がある。この位相誤差は、一般に、周波数、選択されたセンスコイル1202、ならびに同様に、回路1200内の構成要素の温度および寿命によって変化する場合がある。
したがって、いくつかの実装形態では、評価および制御ユニット1240は、次の手順によって位相補正を実行する。最初に、センス周波数fs1218が、
の振幅を最小化するように同調される。この周波数において、測定ポート1210におけるインピーダンスは、理想的には、シャントインダクタLsh1206の影響を無視して、純粋に抵抗性(ゼロ位相)であるべきであり、そのことで、回路1200が位相誤差を決定することが可能になる。位相誤差を知ることで、回路1200は、測定された位相誤差の量だけ電圧フェーザ
を回転させることによって位相ゼロ化を実行し、測定された位相誤差を相殺することができる。この手順は、実際の電圧(たとえば、インピーダンス)マッピングに必要な、十分に正確な位相較正を提供し得る。
いくつかの実装形態では、位相補正はまた、(たとえば、IPT周波数fIPTにおいて誘導性センシングコイル1202内に誘起された電圧と実質的に同相のシンクロニシティであるべき)IPT周波数成分のために必要とされる場合がある。そのような補正は、誘導性センシングコイル1202の各々に対して個別に、数値式周波数シンセサイザ1260によって実行され得る。
シャントインダクタLsh1206内のIPTカプラ(図示せず)内で使用されるフェライトおよび回路1200内の他の固有の非線形性は、ある程度のインピーダンス変調を生じる場合がある。そのような内因性の変調効果は、較正プロセスにおいて無効にされ得る。
IPT電源によって生成されたスイッチングノイズ高調波成分は、IPTカプラコイル(図示せず)を介して誘導性センシングコイル1202に結合され、外来物体検出が影響を受けやすい周波数(たとえば、センスキャリア周波数fsおよび変調側波帯)に当たる場合がある。したがって、回路1200は、IPT高調波が、同期検出器1262の各々の帯域幅によって規定される敏感な周波数範囲のうちのいずれかの外に留まりながら実質的に共振を維持するように、センス周波数fsをインテリジェントに制御することによって、アクティブな干渉回避を実行することができる。逆に、システムは、IPT周波数fIPTを少量だけ調整する場合がある。
IPT周波数高調波の、関連する変調側波帯高調波のうちのいずれかとの潜在的な干渉は、高周波センス信号(たとえば、DAC1250においてIs,1を駆動するVo)がスイッチオフされるとき、同期検出器1262のバンクと評価および制御ユニット1240とによって実行される受動検出によって識別され得る。任意の潜在的な干渉は、検出器1262の出力のうちのいずれかにおける増大した信号レベルとして検出され得る。干渉が検出されると、評価および制御ユニット1240は、センス周波数fs1218をわずかに調整し、干渉が消滅するかまたは許容できるしきい値より下に低下するまで、数値式周波数シンセサイザ1260の周波数をわずかにシフトすることができる。
IPT電源(図示せず)はまた、センス周波数fsをシフトすることによって軽減され得ないブロードバンドノイズを生成する場合がある。ある程度まで、IPT電源はまた、測定ポート1210に現れるインピーダンスを変調する場合がある。これは、IPT電源(たとえば、図11に関する1122)の出力インピーダンス、および誘導性センシングコイル1202とIPTカプラコイル(たとえば、図11に関する1120)との間の何らかの結合の変動によって説明され得る。これらの出力インピーダンス変動はまた、IPT周波数fIPTの2倍である基本周波数を有するスペクトルを示し得る。
したがって、回路1200は、出力インピーダンスを安定させるため、およびセンス周波数範囲内でブロードバンドノイズを低減するための特別な手段を実装し得る。そのような手段は、電力コンバータとIPTシステムのIPTカプラとの間に挿入された高周波フィルタ(アイソレータ)を含み得る。これらの手段は、IPTチューニングおよび整合ネットワークの一体部分と見なされ得る。この手段は、円滑な(過渡現象のない)制御のために、およびジッタを最小化するために、IPT制御システム内に、特にパルス幅変調(PWM)駆動波形の生成器内に、特別な手段をさらに含み得る。ノイズおよびインピーダンス変調を低減するための上記の方法はまた、誘導性外来物体検出プロセスを同様に妨げる場合があるIPT電力シンク(たとえば、IPTレシーバ、図示せず)に適用され得る。
交番磁場バイアシングを介しておよび渦電流ヒーティングによって強磁性金属物体を検出する基本概念はまた、主に、インパルス応答(パルス誘導)検出技法に適用され得る。なぜならば、強磁性物体の存在はまた、バイアシング磁場の強度および物体の温度の関数であり得る、誘導性センシングコイルのインパルス応答を変更し得るからである。そのようなインパルス応答検出実装形態は、共振同調を必要としない。
図13は、いくつかの実装形態による、インパルス応答手法に基づくさらに別の強磁性外来物体検出回路1300の図である。動作中、誘導性センシングコイル1302は、短い時間期間の間、DC電圧源1312にわたって電流充電される。時間T0において、誘導性センシングコイル1302は、DC電圧源1312から切断され、理想的にはリンギングすることなく、シャント抵抗1334にわたって放電される。最終的に、誘導性センシングコイル1302にわたって測定される電圧Vsは、少なくとも1つの規定された時刻T0+Tkにおいてサンプリングされ、少なくとも1つの基準値と比較される。
図13は、IPTシステムの関連部分を付加的に示す。回路1300は、電流充電時間T0を規定するパルス発生器1316を制御するタイマー回路1326と、パルス充電を実行するためにパルス発生器1316によって制御されるスイッチ1314と、センスパルスの間に誘導性センシングコイル1302を充電するためのDC電圧源VDC1312と、放電期間の間に測定ポート1310において電圧Vs(t)を感知するための電圧センサ1315と、誘導性センシングコイル1302にわたる高速放電用に数値決めされたシャント抵抗Rsh1334とによって特徴づけられる。リミッタ1328は、測定信号のレベルを関係する範囲に制限(たとえば、クリップ)しながら、同時にリミッタ1328の出力を受信する増幅器1330の飽和を防ぐために、電圧センサ1315の出力を受信し得る。増幅器1330の出力は、タイマー1326によって制御される時刻T0+Tk, k=1...Kの番号Kにおいて電圧インパルス応答V's(t)をサンプリングするように構成されたサンプラー1332への入力である。評価および制御ユニット1340は、連続的に検出された電圧サンプルV's(T0+Tk)を評価し、電圧サンプルと基準値のセットとを比較することによって強磁性物体(たとえば、外来物体1350)の存在を決定する。
好ましい実装形態では、外来物体1350は、電圧パルスを誘導性センシングコイル1302に周期的に印加することによって検出される。パルシングは、IPT周波数fIPTに等しいかまたはfIPTの整数倍であるパルスレートを有し、かつIPT電源1322によって評価および制御ユニット1340に供給されるIPT基準信号1324に対してならびに実際のIPTシステム中に存在し得るスイッチング過渡現象に対して適切な時刻に調整されたパルス位相を有する、IPT周波数fIPTとのシンクロニシティにおいて実行され得る。このパルシングは、評価および制御ユニット1340からの曝露制御信号1342出力によって駆動され得る。評価および制御ユニット1340は、連続的にサンプリングされたインパルス応答に基づいて、変調(たとえば、変化)の程度、交番磁場曝露間隔との相関の程度、および取得された時系列内で感知される他の特性を分析することによって外来物体1350の存在を決定するように構成され得る。
その上、インパルス応答実装形態を複数(アレイ)の誘導性センシングコイルに拡張することは、センス回路1300のセンスパルス生成部におけるマルチプレクサを必要としない。なぜならば、それぞれのパルススイッチ1314は、それぞれのパルスを一度に1つのセンスコイルだけに個別に供給し得るからである。DC電圧源1312は、いくつかのセンス回路に共通のものであってよいが、シャント抵抗Rsh1334、電圧センサ1315、およびリミッタ1328は、誘導性センシングコイル(たとえば、コイル1302)ごとに個別のものであってもよい。感知された電圧の多重化は、リミッタ1328の下流(たとえば、後)、さらには増幅器1330の下流(たとえば、後)で実行されてよい。
以下は、本明細書で開示されるが図13に示す外来物体検出回路の文脈において説明される、任意の強磁性外来物体検出回路に適用され得る。
外来物体1350をバイアシング(変調)および/またはヒーティング交番磁場
に断続的に曝露することによる外来物体検出が、誘導電力伝達を開始する前に最初に適用され得る。回路1300が外来物体1350の存在を決定する場合、回路1300は、誘導電力伝達を開始しない。最初に物体が検出されなかった場合、通常電力伝達の間、回路1300は、少なくとも1つの外来物体検出プロセス、たとえばシステムが動作中であるときに機能空間内に入り込む物体を(たとえば、時間差分手法に基づいて)検出するのに適切なプロセス、を利用することができる。これは、同様に、交番磁場バイアシング、レーダーベースのプロセス、および/または任意の他のセンシングプロセスに部分的に依存し得る誘導性センシング方法のうちの1つであり得る。外来物体検出がシグナリングされる場合、回路1300は、最初に誘導電力伝達を停止し、次いで交番磁場バイアシングおよび/またはヒーティングを使用するプロセスを再適用することによって、そのような検出を検証することができる。これは、特に、低信頼の検出の場合に適用されてよい。前の検出が確認された場合、回路1300は、誘導電力伝達を中止してよい。前の検出が確認されなかった場合、回路1300は、誘導電力伝達を再び動作させてよい。
システムの能力に応じて、バイアシングおよびヒーティング交番磁場
は、有効電力を負荷、たとえば電気車両のバッテリーに伝達することによって生成され得る。代替として、磁場
は、車両側の負荷を切断することによって、ならびにベースIPTカプラ1320内および/または車両IPTカプラ(図示せず)内に実質的に無効電力を生成することによって生成され得る。
本明細書で開示する実装形態は、危険な状況が交番磁場
曝露間隔の間に発生するのを防止するために、より注意深く適用されてよい。たとえば、交番磁場
曝露は、危機に準ずるレベルにおいて開始されてよい。外来物体1350が検出されない場合、回路1300は、磁場
曝露のレベルを間隔ごとに順次増大させてよい(たとえば、上昇させてよい)。
いくつかの物体、たとえばペーパークリップは、それらの変調応答を、バイアシング交番磁場
のレベルに応じて顕著に変化させる場合がある。飽和に起因するこれらの効果は、外来物体1350の存在を決定するのに有用なさらなる情報を示し得る。変調応答の変化はまた、バイアシング交番磁場
の周波数を変更するときに観察され得る。バイアシング交番磁場
に対して異なるレベルを使用することはまた、たとえばIPTカプラ(図示せず)内のフェライトによって誘導性センシングコイル(1302)の環境内に生成される変調効果と、強磁性外来物体によって生成される変調効果との間を弁別するのに役立つ場合がある。なぜならば、これらの変調効果は、レベルが変更されるときに異なって変化する場合があるからである。したがって、いくつかの実装形態では、外来物体検出は、異なるレベルおよび異なる周波数のバイアシング交番磁場
のうちの少なくとも1つによって実行される。
本明細書で開示する方法は、(たとえば、図11に関して前に説明した)時間差分手法および(たとえば、図12に関して前に説明した)空間差分手法のうちの少なくとも1つと組み合わされてよい。時間差分手法では、外来物体検出システムは、絶対的決定規範を適用するのではなく、検出器出力の時系列において連続する検出器出力の間の差分に決定の根拠を置くことができる。対照的に、空間差分手法では、外来物体検出システムは、隣接する誘導性センシングコイルからの検出出力の間の差分に基づいて強磁性物体の存在を決定することができる。
誘導性センシングコイルの環境における金属構造(たとえば、車両パッドおよび車両底部)は、一時的に移動する場合がある。このことは、たとえば、人員が車両に乗車もしくは降車するとき、または車両が荷を積まれるかもしくは荷を降ろされるときに生じ得る。これらの移動は、上記で説明したプロセスに基づいて誘導性センシングを深刻に妨げる場合がある。そのような外乱は、外来物体検出アレイの誘導性センシングコイルの大部分に対して実質的に同時に発生することが予期される。したがって、そのようなシステムは、誘導性センシングコイルの特性の顕著な変化が大部分の誘導性センシングコイルに同時発生的に生じた場合に、交番磁場バイアシングおよび/またはヒーティングに基づく誘導性センシングを中断してよい。
図14は、いくつかの実装形態による、物体の存在を検出するための方法のフローチャート1400である。方法1400は、図4〜図13を参照しながら上記で説明した回路および/またはデバイスに関して本明細書で説明されるが、方法1400が他の適切なデバイスおよびシステムによって実装され得ることを当業者は諒解されよう。方法1400は、特定の順序に関して本明細書で説明されるが、様々な実装形態では、本明細書のブロックが異なる順序で実行されるか、または省略されることがあり、さらなるブロックが追加されることがある。動作ブロック1402は、誘導性センシングコイルの電気的特性の変化を検出するステップを含み、電気的特性は、誘導性センシングコイルが第1の磁場を生成するときに検出可能であり、電気的特性は、物体に同時に印加される第2の時変磁場に応じて変化するように構成される。動作ブロック1404は、検出された電気的特性の変化に基づいて物体の存在を決定するステップを含む。
図15は、いくつかの実装形態による、物体の存在を検出するための装置1500の機能ブロック図である。装置1500が図15に示す簡易化されたブロック図よりも多くの構成要素を有する場合があることを、当業者は諒解されよう。図15は、特許請求の範囲内の実装形態のいくつかの顕著な特徴を説明するのに有用な構成要素のみを含む。
装置1500は、物体に印加される時変磁場に応じて変化する誘導性センシングコイルの電気的特性の変化を検出するための手段1502を含む。いくつかの実装形態では、手段1502は、図11〜図13のいずれかの評価および制御ユニット1140、1240、1340、および/またはそれらの図面に関して説明される任意の他のモジュールまたは構成要素によって実装され得る。いくつかの実装形態では、検出するための手段1502は、ブロック1402(図14)の機能を実施するように構成され得る。たとえば、図9および図11に関して前に説明したように、誘導性センシングコイル1102の等価抵抗および等価インダクタンスは、第1の状態の各々において、すなわち、IPT電源1122が交番磁場を生成しているときおよびIPT電源1122が交番磁場を生成していないときに、決定され得る(たとえば、電気的特性の変化)。そのような等価抵抗および等価インダクタンスは、電圧センサ1115を介して電圧Vs(t)を、および電流センサ1116を介して電流Is(t)を感知すること、ならびに感知された値を等価インピーダンスZs(t)を決定するためにインピーダンスアナライザに入力することによって決定され得る。さらなる実装形態は、同様にまたは付加的に、図4〜図8、図10、図12および図13のうちのいずれかに対する前の説明に従うことができる。
本装置1500は、検出された電気的特性の変化に基づいて物体の存在を決定するための手段1504をさらに含む。いくつかの実装形態では手段1504は、評価および制御ユニット1140(図11)によって実装され得る。いくつかの実装形態では、決定するための手段1504は、ブロック1404(図14)の機能を実行するように構成され得る。たとえば、図9および図11に関して前に説明したように、等価インピーダンスZs(t)が、交番磁場が印加される第1の状態と交番磁場が印加されない第2の状態との間で所定の量を超えて変動(たとえば、変化)する場合、評価および制御ユニット1140は、外来物体1150が存在するとの決定を出力するように構成され得る。さらなる実装形態は、同様にまたは付加的に、図4〜図8、図10、図12および図13のうちのいずれかに対する前の説明に従うことができる。
上記で説明した方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび/もしくはソフトウェア構成要素、回路、ならびに/またはモジュールなど、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されてもよい。一般に、それらの動作を実行することができる相当する機能的手段によって、図に示された任意の動作が実行されてもよい。
様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して、情報および信号が表されてもよい。たとえば、上記の説明全体にわたって参照される場合があるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、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てもよい。
本明細書で開示する実装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、およびステップについて、上記では概してそれらの機能に関して説明した。そのような機能がハードウェアとして実装されるのか、それともソフトウェアとして実装されるのかは、特定の適用例および全体的なシステムに課された設計制約によって決まる。説明した機能は、特定の適用例ごとに様々な方法で実装され得るが、そのような実装決定は、実装形態の範囲からの逸脱を生じさせると解釈されるべきではない。
本明細書において開示される実装形態に関して説明された種々の例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(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ロジック、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書において説明され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を用いて、実装または実行され得る。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、代替形態では、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コアと連結した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装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の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、または送信され得る。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、リードオンリーメモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD-ROM、または当技術分野において既知の任意の形の記憶媒体内に存在する場合がある。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。代替形態では、記憶媒体はハードウェアプロセッサと一体であり得る。本明細書で使用するディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク(登録商標)、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、データを磁気的に再生し、ディスク(disc)は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に同じく含まれるものとする。ハードウェアプロセッサおよび記憶媒体は、ASIC中に存在し得る。
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。任意の特定の実装形態に従って、そのような利点の必ずしもすべてが実現され得るとは限らないことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書において教示または示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示された1つの利点または利点のグループを達成し、または最適化する方法で具現化または実施することができる。
上記で説明した実装形態の様々な修正が容易に明らかになり、本明細書で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装形態に適用され得る。したがって、本出願は、本明細書で示す実装形態に限定されることは意図されず、本明細書で開示する原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
100 ワイヤレス電力伝達システム
102a ベースワイヤレス充電システム
102b ベースワイヤレス充電システム
104a ベースカプラ
104b ベースカプラ
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
116 電気車両カプラ
118 バッテリーユニット
130 ローカル配電センター
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 ベースワイヤレス充電システム
204 ベースシステムカプラ
206 ベースシステム送信回路
208 電源
214 電気車両充電システム
216 電気車両カプラ
218 電気車両バッテリーユニット
222 電気車両受信回路
236 ベース充電システム電力コンバータ
238 電気車両電力コンバータ
300 ワイヤレス電力伝達システム
302 ベースワイヤレス充電システム
304 ベースシステムカプラ
314 電動車両充電システム
316 電気車両カプラ
336 充電システム電力コンバータ
338 電気車両電力コンバータ
342 ベース充電システムコントローラ
344 電動車両コントローラ
346 不明
348 ベース充電システム電力インターフェース
352 ベース整列システム
354 電気車両整列システム
356 整列メカニズム
358 ベース充電システム通信インターフェース
362 ベース案内システム
364 電気車両案内システム
366 案内リンク
372 ベース充電通信システム
374 電気車両通信システム
376 通信リンク
400 回路
402 誘導性センシングコイル
404 正弦波信号源
406 電圧
408 センス電流
410 電気伝導率
412 透磁率
415 バイアシング静磁場
450 外来物体
500 等価直列回路
505 直列インダクタンス
506 微分インダクタンス
510 直列抵抗
511 微分抵抗
515 ソース電圧
600 時図表
601 線
606 曝露オン間隔
607 曝露オフ間隔
610 等価インダクタンス
615 抵抗
700 回路
702 誘導性センシングコイル
704 電圧源
750 外来物体
800 等価回路図
806 等価インダクタンス
808 等価インダクタンス
810 等価直列抵抗
811 等価抵抗
818 電圧源
900 時図表
905 時間経過
906 オン間隔
907 オフ間隔
910 時間経過
915 時間経過
920 時間経過
1000 周波数スペクトル
1100 強磁性外来物体検出回路
1102 コイル
1104 キャパシタ
1106 シャントインダクタ
1108 インピーダンスアナライザ
1110 測定ポート
1111 直列抵抗
1112 センス信号電圧源
1115 電圧センサ
1116 電流センサ
1118 出力
1120 誘導電力伝達(IPT)コイル
1122 IPT電源
1124 IPT基準信号
1126 検出器モジュール
1128 検出器モジュール
1130 モジュール
1140 評価および制御ユニット
1142 出力
1150 外来物体
1200 強磁性外来物体検出回路
1202 誘導性センシングコイル
1206 シャントインダクタ
1210 測定ポート
1211 直列抵抗
1215 電圧センサ
1218 センス周波数
1224 外部IPT基準信号
1240 評価および制御ユニット
1250 デジタルアナログ変換器(DAC)
1252 アナログデジタル変換器(ADC)
1254 マルチプレクサ
1256 マルチプレクサ
1258 同期検出器
1260 数値式周波数シンセサイザ
1262 ローパスフィルタ
1264 直交位相混合器
1266 同相混合器
1268 バンク
1300 強磁性外来物体検出回路
1302 誘導性センシングコイル
1310 測定ポート
1312 DC電圧源
1314 スイッチ
1315 電圧センサ
1316 パルス発生器
1320 ベースIPTカプラ
1322 IPT電源
1324 IPT基準信号
1326 タイマー
1328 リミッタ
1330 増幅器
1332 サンプラー
1334 シャント抵抗
1340 評価および制御ユニット
1342 曝露制御信号
1350 外来物体

Claims (13)

  1. 物体を検出するための方法であって、
    センス信号を生成するステップと、
    前記センス信号に応答して誘導性センシングコイル内に第1の磁場を生成するステップであって、前記誘導性センシングコイルの電気的特性が、前記第1の磁場を生成するときに検出される、生成するステップと、
    前記誘導性センシングコイル以外のソースを利用して第2の時変バイアシング磁場を生成するステップと、
    前記第2の時変バイアシング磁場の生成の間に前記誘導性センシングコイルの前記電気的特性の変化を検出するステップであって、前記電気的特性が、前記物体に印加されている前記第2の時変バイアシング磁場に応じて変化するように構成される、検出するステップと、
    前記検出された前記電気的特性の変化に基づいて前記物体の存在を決定するステップとを含む、方法。
  2. 前記電気的特性が、等価抵抗、等価インダクタンス、等価インピーダンス、および前記誘導性センシングコイルのインパルス応答のうちの1つまたは複数を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記物体が、強磁性物体、金属膜、および金属箔のうちの1つまたは複数を備える、請求項1に記載の方法。
  4. 前記誘導性センシングコイルが複数の誘導性センシングコイルを備え、前記方法が、前記複数の誘導性センシングコイルの前記電気的特性の複数の変化の測定値を多重化するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記第2の時変バイアシング磁場が、交番磁場である、請求項1に記載の方法。
  6. 時間領域における前記電気的特性の前記変化を検出するステップをさらに含む、または、
    周波数領域における前記電気的特性の前記変化を検出するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  7. 実行されたときに、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法を装置に実行させるコードを含む非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
  8. 物体を検出するための装置であって、
    センス信号を生成するための手段と、
    前記センス信号に応答して誘導性センシングコイル内に第1の磁場を生成し、前記第1の磁場を生成するときに前記誘導性センシングコイルの電気的特性を検出するための手段と、
    第2の時変バイアシング磁場を生成するための手段であって、前記誘導性センシングコイル以外のソースを有する、手段と、
    第2の時変磁場の生成の間に前記誘導性センシングコイルの前記電気的特性の変化を検出するための手段であって、前記電気的特性が、前記物体に印加されている前記第2の時変磁場に応じて変化するように構成される、検出するための手段と、
    前記検出された前記電気的特性の変化に基づいて前記物体の存在を決定するための手段とを含む、装置。
  9. センス信号を生成するための前記手段が、センス信号源を含み、
    第2の時変磁場を生成するための手段が、送信コイルを含み、
    検出するための前記手段および存在を決定するための前記手段が、コントローラを含む、請求項8に記載の装置。
  10. 前記電気的特性が、等価抵抗、等価インダクタンス、等価インピーダンス、および前記誘導性センシングコイルのインパルス応答のうちの1つまたは複数を含む、請求項8または9に記載の装置。
  11. 前記誘導性センシングコイルを含む複数の誘導性センシングコイルをさらに備え、前記複数の誘導性センシングコイルの前記電気的特性の複数の変化の測定値を多重化するための手段をさらに含む、請求項8または9に記載の装置。
  12. 前記第2の時変磁場が、交番磁場である、請求項8または9に記載の装置。
  13. 前記電気的特性の前記変化を検出するための前記手段が、時間領域における前記変化を検出するように構成される、または、
    前記電気的特性の前記変化を検出するための前記手段が、周波数領域における前記変化を検出するように構成される、請求項8または9に記載の装置。
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