用于基于感应热感测的外来对象检测环的系统、方法和装置与流程
本公开大体涉及无线功率传输，并且更具体地涉及用于使用感应热感测在预定空间中的增强的外来对象检测的设备、系统和方法。
背景技术：
已经引入了包括从诸如电池的能量存储设备接收的电力导出的机动功率的诸如车辆的远程系统。例如，混合电动车辆包括车载充电器，其使用来自车辆制动和传统电机的功率来对车辆进行充电。常常提议电池电动车辆(电动车辆)通过诸如家用或商用AC供应源之类的某种类型的接线的交变电流(AC)进行充电。接线的充电连接需要被物理地连接到功率供应的线缆或其他类似的连接器。线缆和类似的连接器可能有时是不方便的或者繁琐的并且具有其他缺点。能够在自由空间中(例如，经由电磁场)传输功率以用于对电动车辆进行充电的无线充电系统可以克服接线的充电解决方案的缺陷中的一些。然而，使用电磁场可能感应位于该场内的良好导电(例如，金属)对象中的涡电流，从而可能导致对象变热、振动或使得邻近对象熔化或着火。因此，期望高效地且安全地传输用于对电动车辆进行充电的功率的无线充电系统和方法。
技术实现要素：
在随附权利要求的范围内的系统、方法和设备的各个实施例均具有若干方面，其中没有单个方面仅仅负责本文中描述的期望的属性。在不限制随附权利要求的范围的情况下，本文中描述了一些显著的特征。
在附图和下面的描述中阐述本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节。其他特征、方面和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得显而易见。注意，下面的图的相对尺寸可以不是按比例绘制的。
本公开的一个方面提供用于检测对象的装置。该装置包括线圈，其被配置为基于当对象被暴露于交变磁场时根据对象的温度而变化的线圈的电特性，来感应地感测对象的存在。该装置还包括控制器，其被配置为检测电特性的变化。
本公开的另一方面提供用于检测对象的存在的方法的实施例。该方法包括基于当对象被暴露于交变磁场时根据对象的温度而变化的线圈的电特性，来感测对象的存在。该方法还包括检测电特性的变化。
本公开的又一方面提供用于检测对象的存在的装置。该装置包括用于基于当对象被暴露于交变磁场时根据对象的温度而变化的线圈的电特性，来感测对象的存在的部件。该装置还包括用于检测电特性的变化的部件。
附图说明
图1是根据示例性实施例的用于对电动车辆进行充电的示例性无线功率传输系统的图。
图2是图1的无线功率传输系统的示例性核心组件的示意图。
图3是示出了图1的无线功率传输系统的示例性核心和辅助组件的另一功能框图。
图4是用于外来对象检测的示例性电路的图，其图示了根据本文中描述的实施例的使用感应感测线圈、基于对象的温度变化的外来对象检测的原理。
图5是在存在具有变化的温度的对象的情况下感应感测线圈的示例性等效模型的图。
图6是图示了根据本文中描述的实施例的基于对象的受刺激的涡电流加热的外来对象检测的原理的时序图，其示出了感测线圈的不同特性的预测的时间过程连同磁场暴露周期和得到的对象的温度。
图7是根据示例性实施例的外来对象检测(FOD)系统的示意图。
图8A是使用插入在多个感测线圈与共用电容器之间的多路复用器开关的串联调谐的配置中的感测电路的图。
图8B是使用插入在多个感测线圈与共用电容器之间的多路复用器开关的并联调谐的配置中的感测电路的图。
图8C是使用插入在多个电容器和电感器与共用电压/电流换能器之间的多路复用器开关的串联调谐的配置中的感测电路的图。
图8D是使用插入在多个电容器与共用电压/电流换能器之间的多路复用器开关的并联调谐的配置中的感测电路的图。
图8E是使用插入在多个电压/电流换能器与共用信号源之间的多路复用器开关的串联调谐的配置中的感测电路的图。
图8F是使用插入在多个测量单元与共用评估单元之间的多路复用器开关的串联调谐的配置中的感测电路的图。
图9是根据本文中描述的示例性实施例的基于冲激响应方法的外来对象检测系统的示意图。
图10是根据示例性实施例的用于检测对象的存在的示例性方法的流程图。
图11是根据示例性实施例的用于检测对象的存在的装置的功能框图。
附图中图示的各个特征可以不是按比例绘制的。因此，各个特征的尺寸可以为了清楚而被任意地扩大或减小。另外，附图中的一些附图可以不描绘给定系统、方法或设备的全部组件。最后，贯穿说明书和附图，相同的附图标记可以被用于表示相同的特征。
具体实施方式
下面结合附图阐述的具体实施方式旨在为示例性实施例的描述并且不旨在表示本发明可以被实践在其中的仅有实施例。贯穿本说明书使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或图示”，并且不一定应当被解释为优于其它示例性实施例的优选或优点。为了提供对示例性实施例的透彻理解的目的，具体实施方式包括具体细节。在一些实例中，一些设备以框图形式被示出。
无线地传输功率可以是指将与电场、磁场、电磁场或者另外的相关联的任何形式的能量从发射器传输到接收器，而不使用物理电导体(例如，功率可以通过自由空间被传输)。输出到电磁场(例如，磁场)中的功率可以由“接收线圈”接收、捕获或耦合以实现功率传输。
电动车辆在本文中用于描述远程系统，其中的一个示例是包括从可充电能量存储设备(例如，一个或多个可再充电电化学电池或其他类型的电池)导出的电功率作为其机动性能的一部分的车辆。作为非限制性示例，一些电动车辆可以是除了电机之外还包括传统内燃机以用于指导机动或对车辆的电池进行充电的混合电动车辆。其他电动车辆可以从电功率抽取所有机动能力。电动车辆不限于汽车，并且可以包括摩托车、推车(cart)、踏板车等。通过示例而非限制的方式，在本文中以电动车辆(EV)的形式描述了远程系统。另外，还设想可以至少部分地使用可充电能量存储设备供电的其他远程系统(例如，诸如个人计算设备等的电子设备)。
图1是根据示例性实施例的用于对电动车辆112进行充电的示例性无线功率传输系统100的图。无线功率传输系统100使得能够在电动车辆112被停泊在基本无线充电系统102a附近时对电动车辆112进行充电。针对两个电动车辆的空间被图示在停泊区中以停泊在对应的基本无线充电系统102a和102b上。在一些实施例中，本地配送中心130可以被连接到电力骨干132并且被配置为通过电力链路110将交变电流(AC)或直流电流(DC)供应提供到基本无线充电系统102a。基本无线充电系统102a还包括用于无线地传输或接收功率的基本系统感应线圈104a。电动车辆112可以包括电池单元118、电动车辆感应线圈116以及电动车辆无线充电系统114。电动车辆感应线圈116可以例如经由基本系统感应线圈104a生成的电磁场的区域与基本系统感应线圈104a进行交互。
在一些示例性实施例中，电动车辆感应线圈116可以在电动车辆感应线圈116位于基本系统感应线圈104a产生的能量场中时接收功率。该场对应于其中由基本系统感应线圈104a输出的能量可以由电动车辆感应线圈116捕获的区域。例如，由基本系统感应线圈104a输出的能量可以处于足以对电动车辆112进行充电或供电的水平。在一些情况下，该场可以对应于基本系统感应线圈104a的“近场”。近场可以对应于其中存在由基本系统感应线圈104a中的电流和电荷产生的不会将功率辐射远离基本系统感应线圈104a的强无功场的区域。在一些情况下，近场可以对应于如下面将进一步描述的在基本系统感应线圈104a的波长的大约1/2π内(并且对于电动车辆感应线圈116反之亦然)的区域。
本地配送1130可以被配置为经由通信回程134与外部源(例如，电力网)并且经由通信链路108与基本无线充电系统102a进行通信。
在一些实施例中，电动车辆感应线圈116可以与基本系统感应线圈104a对齐，并且因此，简单地通过驾驶员将电动车辆112相对于基本系统感应线圈104a正确地定位而被设置在近场区内。在一些其他实施例中，驾驶员可以被给予视觉反馈、听觉反馈或其组合以确定何时电动车辆112被适当地放置以用于无线功率传输。在又一些其他实施例中，电动车辆112可以由自动驾驶系统定位，自动驾驶系统可以将电动车辆112来回移动(例如，以之字形移动)直到对齐误差已经达到容许值。这可以由电动车辆112在没有或具有仅仅最小驾驶员干预的情况下自动地且自主地执行，假定电动车辆112被装备有伺服方向盘、超声传感器和用于调整车辆的智能。在再一些其他实施例中，电动车辆感应线圈116、基本系统感应线圈104a或其组合可以具有用于将感应线圈116和104a相对于彼此进行移位和移动的功能，以对它们进行更准确地定向并开发在它们之间的更高效的耦合。
基本无线充电系统102a可以位于各种位置中。作为非限制性示例，一些适当的位置包括在电动车辆112所有者的家里的停泊区、仿效传统石油加油站的用于电动车辆无线充电而保留的停车区、以及在诸如购物中心和工作场所的其他位置处的停车场。
对电动车辆进行无线地充电可以提供众多益处。例如，可以自动地执行充电，几乎无需驾驶员干预和操纵，由此改进对用户的方便度。还可以不存在暴露的电接触并且不存在机械磨损，由此改进无线功率传输系统100的可靠性。可以不需要使用线缆和连接器的操纵，并且可以不存在可能暴露于户外环境中的湿气和水的线缆、插头或插座，由此改进安全性。还可以不存在可见或可接近的插座、线缆和插头，由此减少对功率充电设备的潜在破坏。另外，由于电动车辆112可以被用作用于稳定电力网的分布式存储设备，所以对接到电网解决方案可以被用于提高针对车辆到电网(V2G)操作的车辆可用性。
如参考图1描述的无线功率传输系统100还可以提供美学的且无阻碍的优点。例如，可以不存在可以对车辆和/或行人造成阻碍的充电柱和线缆。
作为对车辆到电网能力的进一步解释，无线功率发射和接收能力可以被配置为是相互的，使得基本无线充电系统102a将功率传输到电动车辆112，并且电动车辆112例如在能量短缺时将功率传输到基本无线充电系统102a。该能力可以有用于通过允许电动车辆在由可再生能量产生(例如，风力或太阳能)中的过度需求或短缺引起的能量短缺时向总体配送系统贡献功率来使配电网稳定。
图2是图1的无线功率传输系统100的示例性核心组件的示意图。如图2所示，无线功率传输系统200可以包括包含具有电感L1的基本系统感应线圈204的基本系统发射电路206。无线功率传输系统200还包括包含具有电感L2的电动车辆感应线圈216的电动车辆接收电路222。本文中描述的实施例可以使用形成谐振结构的电容式加载的接线环(即，多匝线圈)，谐振结构能够在初级和次级两者都被调谐到共同的谐振频率的情况下高效地将来自初级结构(发射器)的能量经由近磁场或近电磁场耦合到次级结构(接收器)。线圈可以被用于电动车辆感应线圈216和基本系统感应线圈204。使用用于将能量进行耦合的谐振结构可以是指“磁耦合的谐振”、“电磁耦合的谐振”和/或“谐振感应”。无线功率传输系统200的操作将基于从基本无线功率充电系统202到电动车辆112的功率传输来描述，但是不限于此。例如，如以上所讨论的，电动车辆112可以将功率传输到基本无线充电系统102a。
参考图2，功率供应208(例如，AC或DC)将功率PSDC供应到基本无线功率充电系统202以将能量传输到电动车辆112。基本无线功率充电系统202包括基本充电系统功率转换器236。基本充电系统功率转换器236可以包括电路，诸如被配置为将来自标准市电AC的功率转换为处于适当的电压电平的DC功率的AC/DC转换器、以及被配置为将DC功率转换为处于适合于无线高功率传输的操作频率的功率的DC/低频率(LF)转换器。基本充电系统功率转换器236将功率P1供应到包括与基本系统感应线圈204串联的电容器C1的基本系统发射电路206，以发射处于期望的频率的电磁场。电容器C1可以与基本系统感应线圈204并联或串联耦合，或者可以由若干无功元件采用并联或串联拓扑结构的任何组合来形成。电容器C1可以被提供以与基本系统感应线圈204一起形成在期望的频率处谐振的谐振电路。基本系统感应线圈204接收功率P1并且以足以对电动车辆112进行充电或供电的水平无线地发射功率。例如，由基本系统感应线圈204无线地提供的功率水平可以处在千瓦特(kW)的量级(例如，从1kW到110kW的任何地方或更高或更低)。
包括基本系统感应线圈204的基本系统发射电路206和包括电动车辆感应线圈216的电动车辆接收电路222可以被调谐到基本上相同的频率并且可以被定位在由基本系统感应线圈204和电动车辆感应线圈116中的一个发射的电磁场的近场内。在这种情况下，基本系统感应线圈204和电动车辆感应线圈116可以被耦合到彼此，使得功率可以被传输到包括电容器C2和电动车辆感应线圈116的电动车辆接收电路222。电容器C2可以被提供以与电动车辆感应线圈216一起形成在期望的频率处谐振的谐振电路。电容器C2可以与电动车辆感应线圈204并联或串联耦合，或者可以由若干无功元件采用并联或串联拓扑结构的任何组合来形成。元素k(d)表示导致线圈分离的互耦合系数。等效电阻Req,1和Req,2表示可以是感应线圈204和216以及反电抗电容器C1和C2固有的损失。包括电动车辆感应线圈316和电容器C2的电动车辆接收电路222接收功率P2并且将功率P2提供到电动车辆充电系统214的电动车辆功率转换器238。
除了其它的之外，电动车辆功率转换器238可以包括被配置为将处于操作频率的功率转换回到处于与电动车辆电池单元218的电压电平相匹配的电压电平的DC功率的LF/DC转换器。电动车辆功率转换器238可以提供经转换的功率PLDC以对电动车辆电池单元218进行充电。功率供应208、基本充电系统功率转换器236和基本系统感应线圈204可以是固定的并且位于如以上所讨论的各种位置处。电池单元218、电动车辆功率转换器238以及电动车辆感应线圈216可以被包含于作为电动车辆112的一部分或电池组(未示出)的一部分的电动车辆充电系统214中。电动车辆充电系统214还可以被配置为通过电动车辆感应线圈216将功率无线地提供到基本无线功率充电系统202以将功率馈送回到电网。电动车辆感应线圈216和基本系统感应线圈204中的每个可以基于操作模式而用作发射感应线圈或接收感应线圈。
尽管未示出，但是无线功率传输系统200可以包括负载断开单元(LDU)以将电动车辆电池单元218或功率供应208从无线功率传输系统200安全地断开。例如，在紧急或系统故障的情况下，LDU可以被触发以将负载与无线功率传输系统200断开。LDU可以在用于管理对电池的充电的电池管理系统之外被提供，或者其可以为电池管理系统的一部分。
另外，电动车辆充电系统214可以包括用于选择性地将电动车辆感应线圈216连接到电动车辆功率转换器238并将电动车辆感应线圈216与电动车辆功率转换器238断开的开关电路(未示出)。将电动车辆感应线圈216断开可以使充电暂停，并且还可以调整如由(用作发射器的)基本无线充电系统102a“看见”的“负载”，其可以用于将(用作接收器的)电动车辆充电系统114从基本无线充电系统102a“掩蔽(cloak)”。负载改变可以在发射器包括负载感测电路的情况下进行检测。因此，诸如基本无线充电系统202的发射器可以具有用于确定何时诸如电动车辆充电系统114的接收器存在于基本系统感应线圈204的近场中的机制。
如以上所描述的，在操作时，假定能量朝向车辆或电池传输，从功率供应208提供输入功率，使得基本系统感应线圈204生成用于提供能量传输的场。电动车辆感应线圈216耦合到辐射的场并且生成用于由电动车辆112存储或消耗的输出功率。如以上所描述的，在一些实施例中，基本系统感应线圈204和电动车辆感应线圈116根据互谐振关系来配置，使得电动车辆感应线圈116的谐振频率和基本系统感应线圈204的谐振频率非常接近或基本上相同。在基本无线功率充电系统202与电动车辆充电系统214之间的传输损失当电动车辆感应线圈216位于基本系统感应线圈204的近场中时最小。
如所陈述的，通过将发射感应线圈的近场中的能量的大部分耦合到接收感应线圈，而非将能量的大多数以电磁波的方式传播到远场，来进行高效能量传输。当在近场中时，可以在发射感应线圈与接收感应线圈之间建立耦合模式。该近场耦合可以发生的感应线圈周围的区域在本文中被称为近场耦合模式区域。
尽管未示出，但是基本充电系统功率转换器236和电动车辆功率转换器238两者都可以包括振荡器、诸如功率放大器的驱动器电路、滤波器、和用于与无线功率感应线圈高效耦合的匹配电路。振荡器可以被配置为生成期望的频率，其可以响应于调节信号而被调节。振荡器信号可以由功率放大器响应于控制信号利用放大量进行放大。滤波器和匹配电路可以被包含以滤除谐波或其他不想要的频率，并且将功率转换模块的阻抗与无线功率感应线圈进行匹配。功率转换器236和238还可以包括整流器和开关电路以生成用于对电池进行充电的适当的功率输出。
如贯穿所公开的实施例所描述的电动车辆感应线圈216和基本系统感应线圈204可以被称为或被配置为“环形”天线，并且更具体地，多匝环形天线。感应线圈204和216还可以在本文中被称为或被配置为“磁”天线。术语“线圈”旨在于是指可以无线地输出或接收用于耦合到另一“线圈”的能量的组件。线圈还可以被称为被配置为无线地输出或接收功率的类型的“天线”。如本文中所使用的，线圈204和216是被配置为无线地输出、无线地接收和/或无线地中继功率的类型的“功率传输组件”的示例。环形(例如，多匝环形)天线可以被配置为包括空气芯或诸如铁氧体芯的物理芯。空气芯环形天线可以允许在芯区域内对其他组件的放置。包括铁磁或铁磁性材料的物理芯天线可以允许对更强的电磁场和改进的耦合的开发。
如以上所讨论的，在发射器与接收器之间的匹配的或几乎匹配的谐振期间，进行在发射器与接收器之间的能量的高效传输。然而，即使当在发射器与接收器之间的谐振不匹配时，能量可以以较低的效率被传输。通过将来自发射感应线圈的近场的能量耦合到驻存在建立该近场的区域内(例如，谐振频率的预定频率范围内，或近场区域的预定距离内)的接收感应线圈，而非将能量从发射感应线圈传播到自由空间中，来进行能量的传输。
谐振频率可以基于包括如以上所描述的感应线圈(例如，基本系统感应线圈204)的发射电路的电感和电容。如图2所示，电感可以一般是感应线圈的电感，然而，电容可以被添加到感应线圈以产生处于期望的谐振频率的谐振结构。作为非限制性示例，如图2所示，电容器可以与感应线圈串联地被添加以产生生成电磁场的谐振电路(例如，基本系统发射电路206)。因此，对于较大直径的感应线圈，感应谐振需要的电容的值可以随着线圈的直径或电感增大而减小。电感也可以取决于感应线圈的匝数。另外，随着感应线圈的直径增大，近场的高效能量传输面积可以增大。其他谐振电路是可能的。作为另一非限制性示例，电容器可以并联放置在感应线圈的两个端子之间(例如，并联谐振电路)。另外，感应线圈可以被设计为具有高质量(Q)因子以改进感应线圈的谐振。例如，Q因子可以是300或更大。
如以上所描述的，根据一些实施例，公开了将功率耦合在处于彼此的近场中的两个感应线圈之间。如以上所描述的，近场可以对应于电磁场存在于其中但是不可以传播或辐射远离感应线圈的感应线圈周围的区域。近场耦合模式区域可以对应于感应线圈的物理体积附近的体积，通常在波长的小分数内。根据一些实施例，诸如单匝环形天线和多匝环形天线的电磁感应线圈被用于发射和接收两者，因为在实际实施例中，与电类型天线(例如小偶极子)的电近场相比，磁近场幅度倾向于对于磁类型的线圈更高。这允许在对之间的可能更高的耦合。另外，可以使用“电”天线(例如，偶极子和单极子)或磁天线和电天线的组合。
图3是示出了图1的无线功率传输系统300的示例性核心和辅助组件的另一功能框图。无线功率传输系统300图示了通信链路376、引导链路366、和针对基本系统感应线圈304和电动车辆感应线圈316的对齐系统352、354。如以上参考图2所描述的，并且假定能量朝向电动车辆112流动，在图3中，基本充电系统功率接口354可以被配置为将功率从诸如AC或DC功率供应126的功率源提供到充电系统功率转换器336。基本充电系统功率转换器336可以从基本充电系统功率接口354接收AC或DC功率，以在其谐振频率处或附近激励基本系统感应线圈304。电动车辆感应线圈316当在近场耦合模式区域中时，可以从近场耦合模式区域接收能量以在谐振频率处或附近振荡。电动车辆功率转换器338将来自电动车辆感应线圈316的振荡信号转换为适合于经由电动车辆功率接口对电池进充电的功率信号。
基本无线充电系统302包括基本充电系统控制器342，并且电动车辆充电系统314包括电动车辆控制器344。基本充电系统控制器342可以包括到其他系统(未示出)的基本充电系统通信接口162，其他系统诸如例如为计算机以及功率配送中心或智能电力网。电动车辆控制器344可以包括到其他系统(未示出)的电动车辆通信接口，其他系统诸如例如为车辆上的车载计算机、其他电池充电控制器、车辆内的其他电子系统、以及远程电子系统。
基本充电系统控制器342和电动车辆控制器344可以包括用于利用单独的通信信道的专用应用的子系统或模块。这些通信信道可以是单独的物理信道或单独的逻辑信道。作为非限制性示例，基本充电对齐系统352可以通过通信链路376与电动车辆对齐系统354进行通信，以提供用于自主地或利用操作员的帮助将基本系统感应线圈304与电动车辆感应线圈316更严密地对齐的反馈机制。类似地，基本充电引导系统362可以通过引导链路与电动车辆引导系统364进行通信，以提供用于在将基本系统感应线圈304与电动车辆感应线圈316进行对齐中引导操作员的反馈机制。另外，可以存在由基本充电通信系统372和电动车辆通信系统374支持的单独的通用通信链路(例如，信道)，以用于在基本无线功率充电系统302与电动车辆充电系统314之间传达其他信息。该信息可以包括关于基本无线功率充电系统302和电动车辆充电系统314两者的电动车辆特性、电池特性、充电状态和功率容量的信息、以及针对电动车辆112的维护和诊断数据。这些通信信道可以是单独的物理通信信道，诸如例如蓝牙、zigbee、蜂窝等。
电动车辆控制器344还可以包括：管理电动车辆主电池的充电和放电的电池管理系统(BMS)(未示出)，基于微波或超声波雷达原理的停车帮助系统，被配置为执行半自动停车操作的制动系统，以及被配置为帮助高度自动化停车“按线停车”的方向盘伺服系统，高度自动化停车“按线停车”可以提供较高的停车准确性，由此减少对基本无线充电系统102a和电动车辆充电系统114中的任何中的机械水平感应线圈对齐的需要。另外，电动车辆控制器344可以被配置为与电动车辆112的电子设备进行通信。例如，电动车辆控制器344可以被配置为与视觉输出设备(例如，仪表盘显示器)、声学/音频输出设备(例如，蜂鸣器、扬声器)、机械输入设备(例如，键盘、触摸屏、以及诸如操纵杆、跟踪球等的指向设备)、以及音频输入设备(例如，具有电子语音识别的麦克风)进行通信。
另外，无线功率传输系统300可以包括检测和传感器系统。例如，无线功率传输系统300可以包括用于与系统一起使用以将驾驶员或车辆恰当地引导到充电点的传感器、用于利用所需要的分离/耦合来将感应线圈相互对齐的传感器、用于检测可能阻碍电动车辆感应线圈316移动到特定高度和/或位置以实现耦合的对象的传感器、以及用于与系统一起使用以执行系统的可靠的无损坏的且安全的操作的安全传感器。例如，安全传感器可以包括如下传感器，该传感器用于检测靠近无线功率感应线圈104a、116超过安全半径的动物或小孩的存在、用于检测基本系统感应线圈304附近的可能被加热(感应加热)的对象、用于检测诸如基本系统感应线圈304上的炽热对象的危险事件、以及用于基本无线功率充电系统302和电动车辆充电系统314组件的温度监测。
无线功率传输系统300还可以支持经由接线连接的插入式充电。接线的充电端口可以在将功率传输到电动车辆112或从电动车辆112传输之前集成两个不同的充电器的输出。开关电路可以根据需要提供功能以支持无线充电和经由接线的充电端口的充电两者。
为了在基本无线充电系统302与电动车辆充电系统314之间进行通信，无线功率传输系统300可以使用带内信令和RF数据调制解调器(例如，通过无许可的带内的无线电的以太网)两者。带外通信可以提供用于将增值服务分配到车辆用户/所有者的充分的带宽。无线功率载体的低深度幅度或相位调制可以用作具有最小干扰的带内信令系统。
另外，一些通信可以经由无线功率链路在不使用特定通信天线的情况下来执行。例如，无线功率感应线圈304和316还可以被配置为用作无线通信发射器。因此，基本无线功率充电系统302的一些实施例可以包括用于实现无线功率路径上的键控式协议的控制器(未示出)。通过利用预定义协议以预定义间隔来键控发射功率水平(幅移键控)，接收器可以检测来自发射器的串行通信。基本充电系统功率转换器336可以包括用于检测由基本系统感应线圈304生成的近场附近中的有源电动车辆接收器的存在或不存在的负载感测电路(未示出)。通过示例的方式，负载感测电路监测流动到功率放大器的电流，该电流受由基本系统感应线圈104a生成的近场附近中的有源接收器的存在或不存在的影响。对功率放大器上的负载的改变的检测可以由基本充电系统控制器342监测，以用于在确定是否启用用于发射能量的振荡器、是否与有源接收器进行通信或其组合中使用。
为了使得能够进行无线高功率传输，一些实施例可以被配置为传输处于从20kHz到150kHz的范围内的频率的功率。该低频率耦合可以允许可以使用固态设备实现的高效功率转换。另外，与其他波段相比较，可以存在较少的与无线电系统共存的问题。
关于感应充电，取决于能量传输速率(功率水平)、操作频率、初级磁结构和次级磁结构的大小和设计以及它们之间的距离，在一些位置处的空气间隙中的通量密度可以超过0.5mT并且可以达到几毫特斯拉。如果包括特定量的良好导电材料(例如，金属)的对象被插入到在初级结构与次级结构之间的空间中，则在该对象中生成涡电流(法拉第和楞次定律)，该涡电流可能导致功率消耗和随后的加热效应。该感应加热效应取决于磁通量密度、交变磁场的频率、对象的导电结构的大小、形状、定向和电导率。当对象被暴露于磁场充分长时间时，其可以加热到可能在几个方面被认为是危险的温度。在对象包括易燃材料时或其与这种材料直接接触(例如，包括薄金属箔的香烟包装)时，一个危险可以是自燃。另一危险可以是烧伤可能捡起这种热对象(例如硬币或钥匙)的人的手。另一危险可以是损坏初级结构或次级结构的塑料外壳，例如对象熔化成塑料。
还可以在包括可以基本上是不导电的但是呈现出显著的磁滞效应的铁磁材料的对象中或者在产生磁滞和涡电流损失两者的材料中，预期到温度增加。因此，检测这种对象有益于避免对应的有害后果。如果对象检测系统被集成在用于提供无线功率的系统内，则响应于检测到有害对象，系统可以减小功率水平或关闭直到可以采取措施来移除有害对象。基于它们的变化的温度来感应地感测对象可以被称为“感应热感测”。
在诸如在家里和公共区域中对电动车辆进行充电的感应功率传输的某些应用中，出于人和装备的安全的原因，可以强制能够检测具有加热到临界温度的可能的外来对象。在其中关键空间是开放且可接近的使得外来对象可以偶然进入该空间或可以(例如，在蓄意破坏的情况下)被有意地放入到该空间中的系统中，尤其可以是如此。
本文中描述的实施例涉及自动检测可以位于预定义空间中的危险外来对象(例如‘金属对象’)。具体地，某些实施例涉及检测位置与初级磁结构或次级磁结构的表面相邻的小金属对象(例如，硬币)，在该表面处磁通量密度可能超过特定值(例如，0.5mT)。
根据某些实施例，感应热感测可以有用于检测预定3维空间中的特殊种类的金属外来对象。该特殊种类可以包括在被暴露于如通常在无线功率传输系统(例如，无线功率传输系统100、200和300)的关键空间内部产生的交变磁场时相对快地加热到危险温度的对象。属于这种种类的对象的非限制性示例可以是包括金属箔的香烟包装、酸奶杯的盖、口香糖包装、以及具有金属点烟器头的点烟器。在一些实施例中，由感应热感测使用的组件和功能还可以应用到普通感应感测。感应热感测的一些方面可以被解释为增强的外来对象检测器的附加特征而非单独的且额外的装置。
在被暴露于具有高于1mT的通量密度并且具有从20到150kHz的范围内的频率的交变磁场时，以上限定的种类的金属对象可以加热到例如高于500开尔文(K)的温度。具有高于500K的温度的对象可以被认为在对象与诸如纸、干叶子、油、燃料等的易燃材料相接触时有着火的可能的风险。因此，这种对象必须被认为是在它们的功能空间(如果开放且可接近的话)中生成在毫特斯拉(mT)范围中的通量密度水平的无线功率传输系统的安全问题。
在一些实施例中，可以通过使用电导体的至少一个环(感测环或感测线圈，例如如下面所描述的感测线圈402或感测线圈702)，并且通过测量该至少一个感测环的可测量特性(例如等效电感、等效电阻或冲激响应)的变化，来感应地检测在预定空间中的对象(例如，金属对象)的存在。本文中描述的感测环、感测线圈或外来对象检测(FOD)系统可以被集成在无线功率接收器(例如，电动车辆感应线圈116)或无线功率发射器(例如，基本无线充电系统102a)中。在一些实施例中，FOD系统还可以应用到非集成的独立(分立)解决方案。在一些实施例中，无线功率接收器或发射器是“圆形”类型耦合器。该耦合器类型应当被解释为示例性的并且集成解决方案不限于此。该示例性耦合器包括线圈结构(例如，利用铜绞合线制成)、铁氧体结构(例如软铁氧体材料)、以及导电背板(例如铝)。本文中的描述和附图为简单起见假定单个外来对象，然而可以在预定空间内检测多于一个外来对象。被带入到感测环附近的足够大小的对象(例如金属对象)可以改变如由该感测环当利用电流驱动时生成的磁场强度H和通量密度B，并且因此其还可以改变感测环的可测量特性中的至少一个。因此，在一些方面中，可以通过检测至少一个测量的特性相对于如在对象不存在的情况下测量的相同特性(参考测量)的差异，来检测对象的存在。参考测量可以已经在对外来对象检测系统进行校准的过程中获得。
然而，为了增大的检测灵敏度要求，检测至少一个测量的特性的差异的该方法可能具有其限制。在一些方面中，其可能不能够将外来对象与位于无线功率传输系统的感测范围中的任何其他金属或铁磁结构区分开，因为两者可以相似地影响感测环的特性。在结构移动或改变其电性质和磁性质使得其对感测环的特性的影响也改变并且因此不能够简单地在校准过程中作废时，尤其可以是如此。
在具有电动车辆112下方的地面上的充电基本无线充电系统102a、并且具有被集成到基本无线充电系统102a中的至少一个感测线圈的电动车辆充电应用中，可能改变感测环的特性的这种金属结构可以是电动车辆感应线圈116或车辆的底部。附加地，基本无线充电系统102a中的导电或铁磁结构也可以改变感测线圈的电参数。改变可以是由于例如由机械应力和/或改变的温度引起的微移动或由于这些导电或铁磁结构的电性质和/或磁材料性质的改变(例如因为改变的温度)。此外，感测线圈本身可以由于机械应力、温度效应、或感测线圈被嵌入在其中的介电材料的性质的改变而改变其电参数。
在被设计用于检测位于表面(本质上在二维空间中)附近的金属对象的系统中，变化的环境的效应可以是次要的，但是其可以在被设计用于增大的灵敏度、例如用于检测扩展的(三维)空间中的金属对象的系统中具有重要影响。
以上限定的种类的外来对象可以通过如当被暴露于充分强的交变磁场时发生的它们的温度变化来检测。在通过以使得对象的温度不同地遵循暴露打开周期和暴露关闭间隔的方式间歇地应用磁场暴露来刺激对象的温度时，尤其可以是如此。
大多数金属的电导率和磁导率一般是温度θ的函数。大多数金属示出针对它们的电阻率ρ(θ)的优异线性温度行为，其中线性温度系数在从0.003到0.006 1/K的范围内(如下面的表1所示)。
表1
存在少数例外，例如呈现出很低的温度系数的康铜(镍铜合金)。线性温度模型可以被表示为：ρ(θ)＝ρ(θ0)(1+α(θ-θ0))，其中θ0表示参考温度，例如300K。假定线性定律的有效性，θ-θ0＝100K的温度增加将会将具有0.005的温度系数的金属的电阻改变50％。
金属的磁导率一般可以呈现出不能够利用简单线性模型近似的更复杂的行为。由于电导率和磁导率是负责感测线圈的特性的改变的那些金属性质，所以对象的温度的改变也被反映在感测线圈的特性的改变中，假定对象的存在施加完全可测量的效果。这种改变可以在如下情况下可能例如利用合理的复杂度和成本的分析器电路来测量：对象的存在实质上影响至少一个感测线圈的特性；对象的温度显著地改变，例如，至少超过100K的范围；或者当被暴露于交变磁场时，对象的温度比金属环境的温度改变更快(更大的时间梯度)。
感应热感测可以可能地提供针对能够检测基本上在第三维中延伸的预定空间中的以上限定的种类的对象的增强的外来对象检测(FOD)电路的解决方案。如以上所描述的该种类可以包括如下金属对象，该金属对象由于涡电流当被暴露于磁场时每单位质量消耗相当大的功率，具有相对低的热容量使得当被暴露于磁场时它们比环境中的金属结构更快地加热，或者包括具有由以上数字给出的数量级(例如，从0.003到0.006)的温度系数的金属，或者如以上所描述的该种类将包括具有基本上随温度变化的磁导率的铁磁材料。
图4是用于外来对象检测的示例性电路400的图。电路400包括：感应感测线圈402，其可以包括一个或多个环的线圈；和被暴露于磁场415的外来金属对象450。感应感测线圈402可以由在电压vs(t)406和导致感测电流is(t)408的感测频率(fs)的正弦信号源404来激励。磁场415可以是由以感应功率传输(IPT)频率(fIPT)操作的无线功率传输系统产生的磁场。暴露场、磁场415可以是如由基本无线充电系统102a(基本板)或由电动车辆感应线圈116(车辆板)生成的场，或者其可以是两个场之和(例如如在功率传输期间的情况)。
在fIPT的交变磁场415将涡电流感应到具有电导率σ(θ)410的金属对象450中，这可以引起金属对象的温度的显著增加。该感应加热效应可以在金属对象450也是铁磁的、具有大于一的相对磁导率μr(θ)412(例如诸如铁、钢等)时更强。由于可以被表示为下式的涡电流的趋肤深度δ：
随着μr增大而减小，其中μ0是磁导率常数，因此如由涡电流经历的电阻增大。如由σ(θ)410和μr(θ)412示出的,材料性质σ和μr两者可以一般是温度θ的函数。
图5是无线功率传输系统的示例性等效串联电路500的图。等效串联电路500可以适用于在fs的具有感应感测线圈(感测线圈402)的电压516的正弦激励515的稳态。等效串联电路500包括表示系统的总体能量存储效应的串联电感Lsc 505和表示系统的总体损失效应的串联电阻Rsc 510。等效串联电路500还包括被分解成空对象电感Lsc,0和空对象电阻Rsc,0并且被分解成差分电感ΔLsc(θ)506和差分电阻ΔRsc(θ)511的串联电感Lsc 505和串联电阻Rsc 510。空对象电感Lsc,0和空对象电阻Rsc,0分别意指在不存在外来对象的情况下的电感和电阻。差分电感ΔLsc(θ)506和差分电阻ΔRsc(θ)511表示由感测线圈的影响区中的金属对象施加的效应。如果对象的电导率和磁导率中的至少一个是温度θ的函数，则差分电感ΔLsc(θ)506和差分电阻ΔRsc(θ)511将一般也是对象(例如，外来对象450)的温度θ的函数。
图6是示出暴露周期以及对象的温度和感测线圈的特性的各种预测的时间过程的时序图。如图6所示，外来对象(例如，外来对象450)被间歇地暴露于交变磁场。检测方法基于“受刺激的”感应热感测，其中在最低限度的情况下，刺激可以包括跟随有暴露关闭时间的至少一个暴露打开周期。图6还指示跟随暴露时间分布605的对象的温度响应θ(t)601的典型指数时间变化，其中605表示振荡的包络。如所示出的，对象的温度响应θ(t)601在暴露打开周期606期间增大并且在暴露关闭间隔607期间减小。图6还显示了得到的感测线圈的等效电感Lsc+ΔLsc(t)610和电阻Rsc+ΔRsc(t)615的时间变化。如所示出的，等效电感Lsc+ΔLsc(t)610和电阻Rsc+ΔRsc(t)615两者在暴露打开周期606期间都增大，并且在暴露关闭间隔607期间都减小。这些变化可以披露可能感兴趣的外来对象，并且可以被用作将这种对象与传感器的环境中的其他金属结构区分开的独特的签名。
例如，在示例性实施例中，感测线圈402的特性中的至少一个(例如等效电阻Rsc+ΔRsc(t)615)在包括开始的暴露周期(例如，打开周期606和关闭间隔607)的至少一部分的时间段上被持续地测量并且记录。为了确定外来金属对象450的存在，在一个实施例中，将电阻Rsc+ΔRsc(t)615的至少一个记录的时间过程与暴露时间分布605进行比较，以找到可以使用合适的度量来量化的任何符合或一致性。在另一示例性实施例中，该比较是相关。将电阻Rsc+ΔRsc(t)615或其他感测线圈402特性的记录的时间过程与暴露时间分布605相关。在又一示例性实施例中，利用感测线圈402的特性中的至少一个的记录的时间过程的时间导数(例如，一阶导数d/dt(时间梯度))中的至少一个来执行相关。
在一些实施例中，假定具有温度的指数减小/增大的一阶温度模型的有效性，感测线圈402的特性中的一个特性(例如，等效电阻Rsc+ΔRsc(t)615)的增大/减小的时间常数可以是对将外来金属对象450与感测线圈402的环境中的金属结构区分开有用的另一特性。在一个方面中，感测线圈402的特性中的至少一个特性(例如等效电阻Rsc+ΔRsc(t)615)在包括其开始的暴露周期的至少一部分的时间段上被持续地测量并且记录。为了检测外来金属对象(例如，外来金属对象450)，无线功率传输系统可以在假定指数定律的情况下估算等效电阻的时间常数，并且将估算与所测量的值进行比较，并且确定差异是否在可接受的阈值内。
在一些实施例中，可以被认为表示感测线圈402的等效电感的量可以通过确定基本上在由感测线圈402和电容器形成的谐振电路的谐振频率处的频率fs来测量。该频率可以被定义为如下频率，在该频率处，如在测量端口处“看见”的谐振电路的阻抗Zs的辐角(相位角)以某一公差满足设置值设置值可以优选在从-30°到+30°的范围中来选择。可以被认为表示感测线圈402的等效电阻的量可以通过计算如在频率fs处测量的阻抗的幅值(绝对值)|Zs|来确定。
测量以上量可以要求适当的滤波和/或求平均以抑制噪声和其他线性或非线性扰动效应。针对包括感测线圈402的感测电路的适当的谐振频率(感测频率)的选择可以要求特别关注。IPT系统的基本噪声和谐波噪声可以可能地降低FOD系统的灵敏度，从而要求对所测量信号的足够滤波以便实现期望的灵敏度。在一些实施例中，远高于fIPT(例如高于1MHz)的感测频率可以是期望的。对于其主要目的是检测金属对象(例如，外来金属对象450)的FOD系统，感测频率不应当被选择为太高，例如高于10MHz，否则感测线圈402也可以对电场敏感(电容式感测)并且因此对非金属介电对象(例如，水、雪、冰)敏感。
图7是根据示例性实施例的外来对象检测(FOD)系统700的示意图。在该实施例中，外来对象检测系统700是IPT系统的一部分并且重新使用IPT系统的部分，例如生成用于使外来对象728受到交变磁场725的电流IIPT721的IPT功率源722。外来对象检测系统700包括感测线圈702，其是由电容器Cres 704相对于测量端口710并且针对优选在从1MHz到10MHz的范围内的谐振频率而串联调谐的。外来对象检测系统700还包括并联电感器Lsh706，其用于减小在例如低于150kHz的fIPT处感应的电压，从而防止在测量端口710处的高扰动电压。并联电感器Lsh 706的电感可以被选择为与抑制在fIPT处感应的电压需要的一样低，但是足够高使得仅仅在fs处的可忽略量的感测电流由并联电感器Lsh 706旁路。
为了生成如测量阻抗Zs(f)所需要的感测信号，FOD系统700使用提供用于控制振荡器频率fs的输入的正弦信号振荡器712。振荡器712可以实质上用作经由串联电阻Rser711连接到测量端口710的电压源。当在谐振频率处或附近操作时，该配置可以限制感测电流Is 714，其中测量端口710阻抗可以变得非常低。如用于确定|Zs|和所需要的感测电压717和感测电流714分别由电压换能器715和电流换能器716测量，其中对感测线圈702的等效电感和电阻产生最小影响。每个在其输出处提供分别表示感测电压Vs 717和感测电流Is 714的幅值和相位的信号。
电压换能器715和电流换能器716输出两者都在滤波器730处被滤波，以附加地抑制残余低频率分量和谐波噪声，以提供如阻抗计算器732通过以所需要的分辨率计算熵Vs/Is来计算阻抗Zs所需要的一样清洁的信号。输出相位734之后由相位比较器735使用，相位比较器735将输出相位734与参考相位737进行比较并将差输出到环路控制738，该差是由环路控制738调节振荡器712的频率所需要的控制环路误差。当环路已经安定在频率fs处时，控制环路误差应当在公差内。
频率fs的环路控制738输出也被发送到评估单元740，其可以用于确定外来对象728的存在。阻抗的绝对值|Zs|和输出相位734被发送到评估单元740。通过评估定期测量的量fs、|Zs|、等的时间系列(序列)，例如通过将fs或|Zs|的时间序列与暴露时间函数相关，并且通过最终在检测假设Hi 750上做出决定，评估单元740确定对象的存在。
外来对象728的温度变化还可以表明小于的相位734的微弱变化，因此可以不由频率控制环路738来补偿。在另一示例性实施例中，评估单元740附加地可以使用所测量的734的时间序列以用于确定外来对象728的存在。
在又一示例性实施例中，评估单元740可以通过采取在IPT功率源722上的控制并发送暴露控制信号741来控制磁场暴露。在一些方面中，评估单元740还接收并使用指示如由至少一个感测线圈702感测的暴露周期的精确定时和强度的反馈。该反馈经由表示在fIPT处被感应到感测线圈702中的电流Iind 703的信号I′ind739来实现。在一些方面中，Lsh 706可以不完全地旁路电流Iind 703，使得Iind 703的小但可测量的部分流动通过电流换能器716。信号I′ind739还可以被用于将对样本fs、|Zs|736和734的测量与如由IPT系统生成的低频率磁场725同步，并且用于利用存在较少噪声或较少扰动电压/电流的时间相位。
评估单元740还可以接收由IPT功率源722提供的参考信号724。参考信号724可以提供关于如例如递送到IPT线圈720的IPT功率信号的幅值、相位和频率的信息。结合I′ind739，该参考信号724可以有用于检测外来对象728的存在，因为外来金属对象一般还可以更改在该对象周围的磁场的幅值和相位。然而，其还可以用于与信号I′ind739一样的同步目的。为了覆盖比要检测的最小对象的大小大得多的区域，FOD系统700可以要求多个感测线圈702，例如感测线圈702的普通阵列，以便提供期望的灵敏度。量fs、|Zs|和可以之后针对每个感测线圈702单独测量。为了形成二维普通阵列，相等大小的感测线圈702可以按行和列布置。感测线圈702可以是重叠的或非重叠的。
使用被调谐到相同的或相似的谐振频率的多个感测线圈702可以要求对fs、|Zs|和的测量的时分多路复用，这意味着出于相互干扰的原因，一次仅仅一个感测线圈702可以是有源的(电流驱动的)。附加地，阵列的感测线圈702可以在某种程度上被耦合。对于邻近的感测线圈702并且在阵列被集成到也在感测频率处具有大铁氧体结构导电磁通量的IPT耦合器(基本无线充电系统102a)中的情况下，尤其是如此。在一些方面中，相互干扰可以通过将所有感测线圈702或感测线圈702的组调谐到基本上不同的谐振频率来消除。通过这么做，阵列的至少两个感测线圈702的同时使用(频分多路复用)可以是可能的。
基于共同谐振频率的实施方式可以要求如关于图8A-8F进一步描述的多路复用器(开关)，其将未使用中的感测线圈702与包括测量端口710的测量电路断开。如下面将示出和讨论的，多路复用/开关可以在感测电路中的不同级处被执行。
在一些方面中，感测线圈702的电抗补偿(调谐)拓扑结构可以提供某些益处。图7中示出的示例性实施例基于串联调谐。串联调谐可以比并联调谐更适合于多路复用/开关，因为开关/多路复用可以在电容器Cres 704和并联电感器Lsh 706之后被执行，从而导致多路复用器开关的较低电压要求。在一些方面中，Cres 704和Lsh 706形成针对在IPT频率处的感应电压的分压器。因此，串联拓扑结构可以看出例如针对具有有限电压范围的模拟开关(例如，FET开关)的使用尤其是有利的。另外，与感测信号源712断开的串联谐振电路将被完全地去调谐，因此可以不对使用中的感测电路产生负面影响。此外，未使用中的但是基本上在使用中的感测电路的频率处谐振的任何感测电路可以用作吸收来自使用中的该感测电路的能量的寄生谐振，因此降低其固有的灵敏度。
然而，在并联电容器之前、例如直接在感测线圈702的端子处执行开关/多路复用(从而要求具有较高额定电压的开关/多路复用器)的情况下，或者在感测线圈702被调谐到如以上所解释的不同的谐振频率的情况下，也可以使用并联调谐。
图8A到图8F的示意图图示了基于多个感测线圈的根据示例性实施例的FOD系统的不同的多路复用和调谐配置。图8A是涉及串联调谐的感测电路800并且示出在感测环702与电容器Cres 704之间的多路复用器805的图。在该配置中，包括电流换能器716和感测信号源712的测量电路由数目N个感测线圈702共用，从而导致低的总体电路复杂度。然而，该配置可以在额定电压和插入电阻方面对多路复用器805的开关产生高要求。为了保留感测线圈702的固有的灵敏度，后者理想地不应当超过例如感测线圈702的等效串联电阻的四分之一。
在图8B的图中示出了相同的多路复用配置但是针对并联调谐。该配置导致类似的复杂度并且在多路复用器805的额定电压和插入电阻方面是同等需求的。如与其中在感测电压最小值和感测电流最大值处执行测量的串联谐振相反，并联谐振要求在电压最大值和电流最小值处执行测量。
图8C是图示了串联调谐的感测电路802的图并且示出了被定位在电容器Cres，1704和电感器Lsh，1706之后的多路复用器806。该配置可以呈现出增大的复杂度，因为Cres，1704和电感器Lsh，1706现在各自用于每个感测线圈702。在多路复用器806的插入电阻方面是同等需求的，但是可以对其额定电压产生低得多的要求。
图8D是具有与图8C相同的多路复用配置但是针对并联调谐的感测电路803的图。该配置导致类似的复杂度，并且其可以对多路复用器806的额定电压产生类似的要求，但是可以在其插入电阻方面需求较少，因为谐振电流不再通过开关。一个缺点可以是需要将感测电路803调谐到如以上所解释的基本上不同的谐振频率。取决于感测线圈702的数目N，可能要求具有可能与对电场的低灵敏度的要求冲突的上边缘频率的相对宽的频带。
图8E是图示了串联调谐配置中的电压/电流换能器715/716与信号源712之间的多路复用器815的感测电路810的图。在该配置中，测量单元850从电压换能器715和电流换能器716接收输出，并且测量单元850的输出被发送到多路复用器860，在多路复用器860处该输出与来自其他N个测量单元850的输出被多路复用。多路复用器860之后将其输出发送到环路控制(例如，环路控制738)、评估单元(例如，评估单元740)等。在一些实施例中，除了信号源712，调谐、并联以及测量单元850可以各自用于每个感测线圈702，并且可以导致相对高的总体电路复杂度。然而，该配置可以对多路复用器815和860额定电压和插入电阻产生较低的要求。
图8F是图示了在测量单元850与信号源712之间的环路控制838的感测电路811的图。在该实施例中，完整感测电路811是在每个感测线圈702的基础上的，并且在感测电路811中根本不存在多路复用。然而，测量单元850的输出可以要求物理或逻辑多路复用(例如，多路复用器861)，其之后被发送到评估单元或其他电路。可能仍然需要低性能开关816以将感测线圈702与信号源712断开，以确保未使用的感测电路811不会对使用中的感测电路811产生负面影响。
图8A-8F中的所有以上概念和实施方式使用谐振感测电路、连续波正弦信号源712，并且至少测量如被认为表示感测线圈702的电感和电阻及其变化的量fs、|Zs|。该测量方法还可以被认为等同于测量阻尼谐振的复谐振角频率ss＝σs+jωs，其中系数σs与|Zs(ωs)|相关并且ωs＝2πfs。
然而，外来对象728的存在还可以通过分析感测线圈702的特性冲激响应来检测。该基本方法还可以应用到其中外来对象728由它们的温度变化来检测的感应热感测。外来对象728的存在以及由此的其温度的变化可以修改至少一个感测线圈702的特性冲激响应。该方法可以不需要谐振调谐，并且可以使用跨DC电压源被电流充电短时间段的感测线圈702来完成。
图9是根据本文中描述的示例性实施例的基于冲激响应方法的外来金属对象检测系统900的示意图。系统包括定时器电路916、限定电流充电时间的脉冲发生器914、执行充电脉冲的开关913、用于对感测线圈702进行充电的DC电压源VDC 912、用于在放电周期期间测量跨感测线圈702的电压vs(t)917的电压换能器915、用于以限定的方式对感测线圈702进行放电的并联电阻Rsh 904、剪掉在超出兴趣范围并且防止测量放大器922饱和的水平处的测量信号的限制器920、以及用于在限定的时刻T0+Tk处对电压响应信号v′s(t)进行采样的采样器924，其中索引k＝1..K，其中K表示每个冲激响应获取的样本的数目。在一些实施例中，在时间T0处，由开关913将感测线圈702与DC电压源912断开，并且启动跨限定的并联电阻Rsh 904的放电。如跨感测线圈702测量的电压vs(t)917可以在超出兴趣范围并且防止测量放大器922饱和的水平处由限制器920剪掉。电压响应信号v′s(t)之后由采样器924至少在一个限定的时刻T0+Tk处进行采样。采样器924从定时器电路916接收采样时刻T0+Tk。至少一个时间样本v′s(T0+Tk)之后被发送到评估单元940以确定检测假设Hi 950。
在一些实施例中，金属对象728的存在通过如下方式来确定：通过将电压脉冲914定期地应用到感测线圈702，并且通过在采样器924处至少在一个限定的时刻T0+Tk处对每个冲激响应v′s(t)进行采样，并且通过由评估单元940通过将至少一个时间样本v′s(T0+Tk)的时间序列与暴露时间分布(例如605)相关，来评估至少一个时间样本v′s(T0+Tk)的时间序列，评估单元940还在检测假设Hi 950上最终做出决定。
在另一示例性实施例中，系统900根据IPT频率来调整电压脉冲914定时，并且例如在如由感测线圈702拾取的噪声具有其最低水平的时间，与IPT频率同步地测量冲激响应。
在一些实施例中，对冲激响应方法到多个感测线圈702(感测线圈702的阵列)的扩展可以不要求感测电路中的额外的多路复用器。可以各自用于每个感测电路的脉冲开关913可以采用多路复用功能，例如因为脉冲一次被应用到仅仅一个感测线圈702。DC电压源912可以由许多感测线圈702共用，而并联电阻Rsh 904和电压换能器915以及限制器920也可以各自用于每个感测线圈702。对感测到的电压的多路复用可以在限制器920之后或者甚至在信号由放大器922(例如作为采样器924的一部分)放大之后被执行。
在一些实施例中，基于感应热感测的FOD可以最初在例如为了对电动车辆112进行充电的目的而启动正常感应功率传输之前被应用。如果FOD确定外来对象728的存在，则系统停止感应热感测，并且不启动正常感应功率传输。在正常功率传输期间，IPT系统可以采用至少一个其他检测方法，例如适合于检测进入关键空间的对象的方法，例如基于时间差分方法。这可以是另一感应感测方法、基于雷达的方法、基于运动的方法、以及任何其他感测方法中的一个。在FOD系统出错(trip)的情况下，FOD系统可以通过首先停止正常功率传输并使用间歇磁场暴露重新应用感应热感测，来验证该检测。这可以适用于具有低置信度的检测的情况。如果确认了外来对象的先前发现，则IPT系统终止正常感应功率传输，否则其重新启用正常功率传输。
取决于系统实施方式，如为了感应热感测的目的所需要的磁场暴露(例如，磁场725)可以通过将真实功率传输到负载(例如电动车辆112的电池)来生成，或者其可以本质上通过利用足够强的电流来驱动基本板(基本无线充电系统102a)和车辆板(电动车辆感应线圈116)中的至少一个、由无功功率来生成。在一些实施例中，如为了感应热感测的目的所需要的磁场暴露通过将真实功率传输到负载来生成。在一些方面中，感应热感测可以更加谨慎地被应用以防止在暴露周期期间的危险情形。在一些实施例中，磁场暴露可以在非临界的水平开始。如果没有检测到异常行为，则FOD系统可以一个周期一个周期地连续增大磁场暴露的水平。
针对某些种类的对象并且尤其针对具有较大热容量的对象(缓慢变热对象)，如以上所描述的受刺激的感应热感测不可以提供足够的检测性能。缓慢变热对象可能不能容易地与(例如，来自环境中的金属结构的)其他扰动温度效应区分开。
用于检测缓慢变热对象的示例性FOD系统可以将如从多个感测线圈702获得的至少一个特性的所记录的时间序列进行比较，以在外来金属对象728与传感器的环境中的金属结构之间进行鉴别。如果大多数感测线圈702的时间过程示出相似的与暴露周期的相关性，则系统可以得出结论环境效应正在发生。然而，如果仅仅少数的感测线圈702的时间过程示出显著的相关性，则系统可以假定来自可能的外来金属对象728的效应。该方法可以被认为是空间差分方法。
在一些实施例中，FOD系统可以使用多个感测线圈702，并将从第一感测线圈702获得的第一相关性结果与从至少一个第二感测线圈702获得的至少一个第二相关性结果进行比较。如果在第一相关性结果与至少一个第二相关性结果之间的差超出限定的阈值，则该系统可以得出外来金属对象728存在的结论。
在一些方面中，在感测线圈702的环境中的金属结构(例如车辆112底部)可能暂时地移动。这可以例如当人进入或离开车辆112时或当车辆112被装载或卸载时发生。这些移动可能干扰针对受刺激的感应热感测可能需要执行的测量。假定感应线圈702的阵列，这些干扰可以预计在感测线圈702的全部上或至少大多数上发生。在一些实施例中，FOD系统可以在大多数感测线圈702中检测到干扰时终止受刺激的感应热感测。
图10是根据本文中描述的某些实施例的用于检测对象的存在的示例性方法1000的流程图。尽管在本文中参考如以上关于图4-9讨论的电路和/或设备来描述方法1000，但是本领域普通技术人员将认识到方法1000可以由其他适当的设备和系统来实现。尽管在本文中参照特定顺序来描述方法1000，但是在各种实施例中，本文中的框可以以不同的顺序来执行、或者被省略，并且可以添加附加的框。
操作框1002包括基于当对象被暴露于交变磁场时根据对象的温度而变化的线圈的电特性，来感测对象的存在。操作框1004包括检测电特性的变化。
图11是根据本文中描述的某些实施例的用于检测对象的装置1100的功能框图。本领域技术人员将认识到装置1100可以具有比图11中示出的简化框图更多的组件。图11仅仅包括对描述权利要求的范围内的实施方式的一些显著特征有用的那些组件。
装置1100包括用于基于当对象被暴露于交变磁场时根据对象的温度而变化的线圈的电特性来感测对象的存在的部件1102。在某些实施例中，用于感测的部件1102可以由感测线圈702(图7)来实现。在某些实施例中，用于感测的部件1102可以被配置为执行框1002(图10)的功能。装置1100还包括用于检测电特性的变化的部件1104。在某些实施例中，用于检测的部件1104可以由评估部件740(图7)来实现。在某些实施例中，用于检测的部件1104可以被配置为执行框1002(图10)的功能。
以上描述的方法的各个操作可以由能够执行操作的任何适当的部件(诸如各种硬件和/或软件组件、电路和/或模块)来执行。一般地，附图中图示的任何操作可以由能够执行操作的对应的功能部件来执行。
信息和信号可以使用各种不同的技术法和技术中的任何来表示。例如，可以贯穿上述描述引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光学场或粒子、或其任何组合来表示。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和方法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的该可互换性，以上大体在它们的功能方面描述了各种说明性组件、框、模块、电路和步骤。这样的功能被实施为硬件还是软件取决于特定应用和施加于总体系统上的设计约束。所描述的功能可以以针对每个特定应用的变化的方式来实施，但是这样的实施例决策不应当被解释为引起与实施例的范围的脱离。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性框、模块和电路可以利用被设计为执行本文中描述的功能的以下项来实现或执行：通用硬件处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或其任何组合。通用硬件处理器可以是微处理器，但是在备选方案中，硬件处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。硬件处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP芯或任何其他这种配置的组合。
结合本文中公开的实施例描述的方法的步骤和功能可以被直接地体现在硬件中、在由硬件处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中。如果被实施在软件中，功能可以作为一个或多个指令或代码被存储在有形非暂态计算机可读介质上或被发射。软件模块可以驻存在随机访问存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除盘、CD ROM、或本领域中已知的任何其他形式的存储介质中。存储介质被耦合到硬件处理器，使得硬件处理器可以从存储介质中读取信息并将信息写入到存储介质。在备选方案中，存储介质可以被集成到硬件处理器。如本文中所使用的盘和磁盘包括紧凑盘(CD)、激光盘、光盘、数字多用盘(DVD)、软盘以及蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再生数据，而盘利用激光光学地再生数据。以上的组合还应当被包含在计算机可读介质的范围内。硬件处理器和存储介质可以驻存在ASIC中。ASIC可以驻存在用户终端中。在备选方案中，硬件处理器和存储介质可以驻存为用户终端中的分立部件。
为了概述本公开内容，已经在本文中描述了某些方面、优点和新颖特征。要理解，不必所有这样的优点可以根据任何特定实施例来实现。因此，本发明可以以实现或优化如本文中教导的一个优点或一组优点而不一定实现如可以在本文中教导或暗示的其他优点的方式来体现或实现。
以上描述的实施例的各种修改将是容易显而易见的，并且本文中限定的通用原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下被应用到其他实施例。因此，本申请不旨在被限于本文示出的实施例，而是要被赋予与本文中公开的原理和新颖特征一致的最广范围。
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