无线电力传输系统和检测该系统中物体的系统的制作方法

本公开涉及一种用于无线充电系统的物体检测，并且更具体地，涉及一种检测发射垫上的物体的感应无线电力传输系统。

背景技术：

随着电动和混合动力车辆的发展，充电系统的发展也在增加。用于充电应用的无线电力传输使用磁场无线传输电力。为了应用用于电动车辆的无线充电的这种无线电力传输，要求磁场很强。即，需要大量的能量来传输用于车辆的无线充电的电力。

已知的无线充电系统将铁氧体板和铝板用于充电垫，以提供这样的强磁场，同时减轻充电垫外部的磁场。但是，如果在电力传输过程中金属物体(例如钥匙、回形针、硬币或锡箔纸)掉落在充电垫之间，则会在金属物体中产生涡流，这会导致物体及其周围介质过热。另外，充电垫之间的强磁场可能对动物有害，特别是在电动车辆的无线充电系统中，在该充电系统中充电距离足够长，以使诸如猫或狗的动物处于充电空间内。

已经开发出各种技术来检测充电垫之间的物体的存在。例如，当将金属物体放在无线电力传输系统的充电区域中时，会检测到效率、输出功率、发射器和接收器线圈上的电流、发射器和接收器线圈的质量因素以及其他系统参数的变化。因此，系统参数的变化被用于检测物体。然而，这样的技术不适用于诸如电动车辆的无线充电的大功率应用。另外，发射器和接收器线圈之间可能会发生未对准，从而影响系统参数并提供对物体的错误指示。

另一项发达的技术使用传感器来检测无线电力传输区域中的物体。例如，热敏电阻传感器、热像仪、雷达传感器和超声传感器已用于检测物体。其他系统使用温度传感器来检测由于涡流产生而导致的物体温度升高。但是，传感器的增加进一步增加了整个系统的成本。

因此，需要技术开发以改善无线电力传输区域中的物体的检测。

技术实现要素：

本公开提供了一种感应无线电力传输系统，其中，检测发射垫上存在的物体以防止涡流、物体和周围结构的过热、火灾危害以及对诸如宠物的动物的伤害，这些动物可能无意地使自己进入电力传输系统的电磁场。

在示例性实施方式中，提供了感应无线电力传输系统。感应无线电力传输系统可包括接收器垫、发射垫、和设置在发射垫上以检测设置在其上的物体的检测线圈层。发射垫可被配置为产生电磁场以将能量传输提供到接收器垫。

在示例性实施方式中，检测线圈层可包括多层检测线圈，并且多层检测线圈的每一层可包括特定数量的检测线圈。每个检测线圈可包括与电阻器串联设置的电感器。检测线圈层可以是包括多个检测线圈组的单层，并且每个检测线圈组可包括以相反的极性串联连接的两个检测线圈。检测线圈层可以是4层线圈图案。各个层的各个检测线圈可重叠以消除每个检测线圈之间的间隙。盖可设置在检测线圈层上。

在示例性实施方式中，处理器可被配置为检测检测线圈的阻抗的变化，以检测设置在检测线圈层上的物体。处理器可被配置为通过谐振电路和信号处理电路将阻抗的变化转换为输出电压信号。为了确认物体的存在，处理器可被配置为确定没有物体设置在检测线圈层上时的阻抗与物体设置在检测线圈层上时的阻抗之间的差值大于预定阈值。

在示例性实施方式中，感应无线电力传输系统可包括谐振电路。谐振电路可包括串联连接到检测线圈层的检测线圈的第一电容器和并联连接到检测线圈的第二电容器。

在示例性实施方式中，感应无线电力传输系统可包括：第一谐振腔，具有至少一个电容器，该至少一个电容器被配置为与发射垫的发射器线圈谐振。感应无线电力传输系统可包括第二谐振腔，具有至少一个电容器，至少一个电容器被配置为与接收器垫的接收器线圈谐振。发射器线圈可包括多个检测线圈。感应无线电力传输系统可包括对应于多个检测线圈并且被配置为选择性地耦接每个检测线圈的多个开关。

在另一示例性实施方式中，提供了一种用于检测无线电力传输系统中物体的系统。系统可包括：谐振电路，被配置为接收输入电压信号。谐振电路可包括：检测线圈阵列和串联连接至检测线圈阵列的第一电容器以及并联连接至检测线圈阵列的第二电容器。系统可包括电压跟随器，连接到谐振电路并被配置为响应于从谐振电路接收到输入电压信号而隔离输入电压信号。系统可包括滤波器，连接到电压跟随器，并被配置为响应于从电压跟随器接收到输入电压信号而对输入电压信号进行滤波和放大。系统可包括：整流器，连接到滤波器，并被配置为响应于从滤波器接收输入电压信号来整流输入电压信号，并输出指示物体存在的电压。

检测线圈阵列可包括多个检测线圈组，并且每个检测线圈组可包括以相反的极性串联连接的两个检测线圈。检测线圈阵列可包括多层检测线圈，并且每个检测线圈可包括与电阻器串联设置的电感器。

注意，本公开不限于以上列出的元件的组合，并且可以以本文所述的元件的任何组合组装。下文公开了本公开的其他方面。

附图说明

提供每个附图的简要描述以更充分地理解在本公开的详细描述中使用的附图。

图1是根据本公开的示例性实施方式的物体检测系统的侧视图和示意图；

图2是根据本公开的示例性实施方式的检测线圈图案的平面图；

图3是根据本公开的示例性实施方式的检测线圈层的平面图；

图4是根据本公开的示例性实施方式的多层重叠的检测线圈的平面图；

图5是根据本公开的示例性实施方式的多层水平和垂直重叠的检测线圈的侧视图；

图6a是根据本公开的示例性实施方式的检测线圈的模型的透视图；

图6b是根据本公开的示例性实施方式的检测线圈的等效电路图；

图6c是根据本公开的示例性实施方式的等效电路模型的等效电路图；

图7是根据本公开的示例性实施方式的谐振电路的等效电路图；

图8是根据本公开的示例性实施方式的无线电力传输系统的等效电路图；和

图9是根据本公开的示例性实施方式的物体检测系统的整体电路配置。

应当理解，以上参考的附图不一定按比例绘制，呈现了示出本公开的基本原理的各种特征的稍微简化的表示。本公开的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由具体的预期应用和使用环境来确定。

具体实施方式

参考附图和以下详细描述的示例性实施方式，本公开的优点和特征以及实现本公开的方法将变得显而易见。然而，本公开不限于本文描述的示例性实施方式，并且可以以变型和修改来体现。提供示例性实施方式仅是为了使本领域的普通技术人员能够理解本公开的范围，本公开的范围将由权利要求的范围来限定。因此，在一些实施方式中，将不详细描述过程的公知操作、公知结构和公知技术，以避免模糊对本公开的理解。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

应当理解，本文所使用的术语“交通工具”或“交通工具的”或其他类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车(suv)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船只的船舶、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧，插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料汽车(例如，除石油以外的其他资源衍生的燃料)。

本文所使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解的是，当在本说明书中使用时术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联列出的项目的任何和所有组合。

除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差之内。“约”可理解为规定值的10％，9％，8％，7％，6％，5％，4％，3％，2％，1％，0.5％，0.1％，0.05％或0.01％之内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

尽管将示例性实施方式描述为使用多个单元来执行示例性处理，但是应当理解，示例性处理也可由一个或多个模块来执行。另外，应当理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为存储模块，并且处理器被具体配置为执行所述模块以执行将在下面进一步描述的一个或多个处理。

本公开总体上提供用于在无线电力传输期间检测异物的系统。在示例性实施方式中，感应无线电力传输系统包括接收器垫、发射垫和设置在发射垫上以检测在其上设置的物体的检测线圈层。发射垫产生电磁场以将能量传输提供到接收器垫。为了检测可能干扰能量传输的物体，系统被配置为检测流过系统各部分的电流的属性(例如，阻抗、电感、电阻等)的变化。

在使用中，感应无线电力传输系统检测在接收器垫和发射垫之间的诸如金属物体的异物。该系统可被配置为响应于检测到异物而发送限制或停止电力传输的信号。因此，该系统降低了由于存在此类金属物体而产生涡流的风险，并降低了过热、着火等风险。该系统适用于高功率应用，避免了对诸如传感器的相对高成本物品的需求，并提高了整体系统的效率和准确性。而且，该系统可减少执行异物检测中的盲点的风险。

本领域技术人员将理解，尽管本文公开了用于检测无线充电系统的异物的系统，但是该系统可用于多种其他无线系统中。

在一个示例性实施方式中，一种金属物体检测系统包括检测线圈和谐振电路。检测线圈中的阻抗响应于异物的存在而改变。

图1示出了用于无线电力传输系统的异物检测系统的示例性实施方式。图1的左侧是系统的侧视图，图1的右侧是系统组件的示意图。如图所示，在诸如金属物体105的异物位于无线电力传输系统的发射垫101和接收器垫102之间的状态下，金属物体105的温度将相对较高，并且金属物体105的存在可能不利地影响发射垫101和接收器垫102之间的电力传输效率。检测线圈图案(detectioncoilpattern)103可设置在发射垫101上，并且塑料盖板104可用于保护检测线圈图案103和发射垫101。在金属物体105位于检测线圈图案103上的情况下，检测线圈图案103的阻抗改变。在这种情况下，金属物体105可与塑料盖板104直接物理接触并且在检测线圈图案103上方。输入电压信号108可被提供给检测线圈图案103。由于金属物体105的存在而引起的阻抗的变化可通过谐振电路106和信号处理电路107转换为输出电压信号109的变化(相对于输入电压信号108)。因此，检测到金属物体105的存在并降低了由金属物体105引起的安全危害的风险。在图1的示出的示例性实施方式中，提供了检测线圈图案103和谐振电路106。如将在下面更详细地讨论的，该系统可包括各种配置的多个检测线圈，以及各种配置的一个或多个电路。

检测线圈可具有各种配置、形状和尺寸。在另一个示例性实施方式中，可提供多层检测线圈。多层检测线圈可利用感应电压和双极线圈。

图2示出了用于无线电力传输系统的异物检测系统的多层检测线圈的示例性实施方式的平面图。如图所示，检测线圈图案103由多层检测线圈组成。检测线圈的每一层可由一定数量的单独的检测线圈201组成。图2中示出了两个单独的检测线圈，尽管可提供任何合适的数量。单独的检测线圈201在平面图中可具有矩形或正方形的形状。当将单独的检测线圈201放置在发射垫101上(代替检测线圈图案103)时，单独的检测线圈201中将感应电压。单独的检测线圈201中的感应电压可被抵消。双极线圈实现了与主单极线圈的解耦，并且可抵消感应电压。两个相邻的单独的检测线圈a1，1和a1，2以相反的极性串联连接以形成检测线圈组202。与单独的检测线圈a1，1相邻的箭头表示逆时针流动方向。与单独的检测线圈a1，2相邻的箭头表示顺时针流动方向。这些流动方向可相反，只要它们彼此相对即可。

图3示出了用于无线电力传输系统的异物检测系统的多层检测线圈的阵列或层的示例性实施方式的平面图。如图所示，一层检测线圈303包括n个检测线圈组302。每个检测线圈组302可类似于图2所示的检测线圈组202。单独的检测线圈a2，1和a2，2可以以相反的极性串联连接，并且单独的检测线圈an，1和an，2可以以相反的极性串联连接。在单独的检测线圈a2，1和a2，2与单独的检测线圈an，1和an，2之间，可设置一个或多个单独的检测线圈an-1，1和an-1，2。

可在一层检测线圈303的单独的检测线圈301之间设置间隙。另外，在单独的检测线圈301的边缘处，由金属物体引起的单独的检测线圈301的阻抗变化可能相对较小。因此，在一层检测线圈303的单独的检测线圈301之间的间隙处、或者在单独的检测线圈301的边缘处都不能检测到金属物体。如果金属物体在检测线圈图案103上或上方，但是无法检测出(例如，由于金属物体位于上述间隙或边缘上)，将检测线圈图案103上的这种位置称为盲点。一层检测线圈303可消除许多盲点。如下所述的其他配置可更完全地消除盲点。

图4示出了用于无线电力传输系统的异物检测系统的4层重叠的多层检测线圈的示例性实施方式的平面图。如图所示，4层检测线圈形成检测线圈图案401。检测线圈图案401用于没有盲点的覆盖发射线圈。检测线圈a、b、c和d分别属于4层检测线圈。一层结构的单独的检测线圈与另一层结构的单独的检测线圈的边缘之间的间隙可被其他层的检测线圈覆盖。因此，可消除盲点。

请注意，图4示出了重复的直到n×4阵列的重叠的检测线圈的4×4阵列的重叠检测线圈。即，如图所示，第一段线圈包括与线圈c1，1和c1，2在同一行中的线圈a1，1和a1，2；与线圈b1，1和b2，1在同一列中的线圈a1，1和a2，1；与线圈d1，1和d1，2在同一行的线圈b1，1和b1，2；与线圈d1，1和d2，1在同一列中的线圈c1，1和c2，1；与线圈c2，1和c2，2在同一行中的线圈a2，1和a2，2；与线圈b1，2和b2，2在同一列中的线圈a1，2和a2，2；与线圈d2，1和d2，2在同一行中的线圈b2，1和b2，2；与线圈d1，2和d2，2在同一列中的线圈c1，2和c2，2。第n段线圈可具有与第一段线圈相同的配置。可在第一段和第n段之间设置一个或多个线圈段。然而，应理解，可设置任何合适的阵列。可存在任何合适数量的行和列以及任何合适数量的重复段。

图5示出了用于无线电力传输系统的异物检测系统的重叠的多层检测线圈的示例性实施方式的侧视图。如图所示，具有重叠层的检测线圈的4层印刷电路板被用于实现图4的重叠的4层检测线圈图案401。一层检测线圈的单独的检测线圈301之间的间隙被用于另一层的布线和路由。即，除了图4和上述所示的重叠以外，线圈图案可具有任何合适配置的重叠元件。

如图5所示，线圈a1，1与线圈b1，1完全垂直重叠；线圈a1，2与线圈b1，2完全垂直重叠；线圈c1，1与线圈d1，1完全垂直重叠；并且线圈c1，2与线圈d1，2完全垂直重叠。同样，线圈a1，1和b1，1的第一部分与线圈c1，1和d1，1的第一部分垂直地重叠；线圈c1，1和d1，1的第二部分与线圈a1，2和b1，2的第一部分垂直地重叠；线圈a1，2和b1，2的第二部分与线圈d1，2和c1，2的第一部分垂直地重叠。然而，应理解，可设置任何合适的阵列。可存在任何适当数量的重叠部分，并且线圈组之间的重叠程度和方向可以以任何适当的配置变化。

上面已经描述了检测线圈的各种物理配置，该系统可包括用于检测异物的各种等效电路。在图6a至图6c、图7和图8中提供了各种示例性实施方式的等效电路。图9示出了异物检测系统的整体电路配置的示例性实施方式。

图6a示出了具有异物602的检测线圈601的模型。检测线圈601的等效电路可被认为是与电阻器603串联的电感器604，如图6b所示。基于互耦合模型，在检测线圈601周围的，可能是金属物体的异物602的影响下的等效电路模型在图6c中示出。异物602可被认为是与电阻器606串联的电感器607。当在无线电力传输系统附近没有金属物体时，检测线圈的输入阻抗605可表示为等式(1)，如下：

zin＝rdet-i+jldet-i(1)

在等式(1)中，zin是输入阻抗605，rdet-i是检测线圈601的电阻器603的电阻，j是虚常数，ldet-i是检测线圈601的电感器604的电感。

当将金属物体放在充电区域上时，检测线圈的输入阻抗609可表示为等式(2)，如下：

在等式(2)中，zin是输入阻抗609，rdet-i是检测线圈601的电阻器603的电阻，ω是角频率，rmo是金属物体(mo)的电阻，lmo是金属物体(mo)的电感，j是虚常数，ldet-i是检测线圈601的电感器604的电感。

响应于输入阻抗605和输入阻抗609之间的差值608超过阈值，比较系统确定在无线电力传输系统的充电区域附近存在异物。

即使由于金属物体的存在而导致检测线圈的输入阻抗发生变化，但变化本身相对较小，并且在不放大的情况下则可能难以测量。在一些实施方式中，谐振电路700可被施加到检测线圈以放大阻抗变化。在图7中示出了谐振电路700的示例性实施方式的等效电路。串联电容器701和并联电容器702与检测线圈704一起谐振。可串联设置电压源705和电阻器709，并且串联连接的电压源705和电阻器709可与并联连接的电容器702并联连接。图7的右侧类似于图6c；因此，为简洁起见，在此省略相似的附图标记和相似的结构的描述。

如图8所示，在示例性实施方式中，提供了包括异物检测系统808的无线电力传输系统。感应无线电力传输系统可包括发射单元813的无线电力发射线圈809和接收单元814的无线电力接收线圈810。在发射单元813中，发射线圈809可被配置为产生电磁场，用于将能量传输提供到接收线圈810。同样，在发射单元813中，可将包括一个或多个电容器的谐振腔(resonanttank)811配置为与发射线圈809谐振。在接收单元814中，包括一个或多个电容器的谐振腔812可被配置为与接收线圈810谐振。库

为了增加对相对较小的金属物体(例如硬币或回形针)的检测灵敏度，可在无线电力传输系统的发射侧设置多个检测线圈804a、804b……804f。多个相应的开关或多路复用器800a、800b……800f可被配置为选择性地耦接每个检测线圈。尽管在图8中示出了三个检测线圈，但是，可设置任何合适的数量。例如，在一些实施方式中，类似于检测线圈804a、804b……804f，可提供50、60或70个检测线圈。图8的右上侧类似于图6c和图7的右侧，并且图8的右下侧类似于图7的左侧；因此，为简洁起见，在此省略相似的附图标记和相似的结构的描述。

图9示出了根据示例性实施方式的异物检测系统的整体电路配置。诸如金属物体105的异物会导致检测线圈的电感减小以及电阻增大。阻抗变化可由谐振电路903转换成电压信号的变化并被放大，例如，如图7和图8所示。谐振电路903可被配置为接收输入电压信号905。谐振电路903的输出电压可由电压跟随器906隔离，由高通和带通滤波器907滤波和放大，并由精密整流器908整流。然后，整流器908的输出电压909可用于指示异物的存在。

各种公开的实施方式的检测系统及其等同物促进了经由磁感应的无线电力传输的发展。上面描述的每个示例性系统，例如图1和图9中所示的那些，包括图2、图3、图4、图5和图6a所示的示例性检测线圈，并且包括图6b、图6c、图7和图8所示的示例性电路，被配置为检测无线电力传输系统的接收器垫和发射垫之间的诸如金属物体的异物。物体检测系统可被配置为响应于检测到异物而发送限制或停止无线电力传输系统的电力传输的信号。在使用中，物体检测系统降低了涡流的风险，降低了过热、着火等的风险，并且适用于功率相对较高的应用，避免了对诸如传感器的高成本物品的需要，提高整体系统效率，并减少盲点的风险。

上文中，尽管通过诸如具体组件等的具体事项、示例性实施方式和附图来描述本公开，但是提供它们仅是为了帮助对本公开的整体理解。因此，本公开不限于示例性实施方式。根据本说明书，本公开所属的领域的技术人员可做出各种修改和改变。因此，本公开的精神不应当限于上述示例性实施方式，并且所附权利要求以及与权利要求相等或等同地修改的所有技术精神应被解释为落入本公开的范围和精神内。