本發(fā)明是在感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的領(lǐng)域。更具體地，盡管非排他性，本發(fā)明涉及一種用于檢測存在于感應(yīng)電力傳輸表面上的異物的方法和系統(tǒng)，以及特別涉及一種用于檢測位于感應(yīng)電力傳輸表面和接收器之間的異物的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)用于從發(fā)射器設(shè)備向接收器無線提供功率。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在正用于手持設(shè)備的無線充電板。通常，初級側(cè)或發(fā)射器利用發(fā)射線圈或多個發(fā)射線圈產(chǎn)生時變磁場。這個磁場在合適的接收線圈或多個接收線圈中感應(yīng)出交流電，然后所述交流電可以用于對電池充電，或?yàn)樵O(shè)備或其它負(fù)載供電。在某些情況下，發(fā)射器線圈或接收器線圈可以連接到電容器以創(chuàng)建諧振電路，所述諧振電路可以以相對應(yīng)的諧振頻率來增加功率吞吐量或效率。

感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的常見問題是控制發(fā)射器應(yīng)該何時供電以及發(fā)射器應(yīng)該何時斷開。當(dāng)非接收器(異物)被帶進(jìn)發(fā)射器的范圍時另一個問題出現(xiàn)了，不需要的電流(因此熱量)在其中被感應(yīng)出來。這些非接收器通常被稱為寄生負(fù)載。此外，導(dǎo)電異物可以位于發(fā)射器和兼容的接收器之間。在此情況下傳輸可能導(dǎo)致對發(fā)射器和/或接收器的損壞。

已經(jīng)在傳統(tǒng)技術(shù)中描述了用于檢測異物的自動系統(tǒng)。例如：

·依賴于在發(fā)射器側(cè)中的用于異物檢測的額外線圈的系統(tǒng)

·使用檢測電路以檢測發(fā)射器線圈頻率的高次諧波的系統(tǒng)

·并入接收器的系統(tǒng)

用于異物檢測的許多系統(tǒng)依賴于額外的檢測電路。這樣做的缺點(diǎn)是增加感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的成本和體積。用于異物檢測的許多系統(tǒng)還依賴于發(fā)生在諧振電路中的電力傳輸，并且在非諧振電力傳輸中可能不見效?；诮邮掌鞯南到y(tǒng)依賴于被裝備用于異物檢測的每個可能的接收器?；诹硗饨邮掌鞯南到y(tǒng)可以僅檢測在發(fā)射器和接收器之間的異物。

本發(fā)明的目的是提供一種用于在感應(yīng)電力傳輸場中異物檢測的改進(jìn)的或可選的方法和系統(tǒng)，或者至少為公眾提供一個有用的選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一個示例性實(shí)施例，提供一種用于在感應(yīng)電力傳輸場中判斷存在異物的方法，其中感應(yīng)電力系統(tǒng)的控制電路執(zhí)行步驟：將功率提供給直流-交流轉(zhuǎn)換器；在感應(yīng)電力傳輸場中從轉(zhuǎn)換器向發(fā)射器線圈提供功率；等待發(fā)射器線圈中的電流穩(wěn)定；估算發(fā)射器線圈中的無功功率；估算發(fā)射器線圈中的有功功率；以及使用估算的無功功率和估算的有功功率來判斷是否存在異物。

根據(jù)另一示例性實(shí)施例，提供一種感應(yīng)電力傳輸設(shè)備，包括：轉(zhuǎn)換器，其適用于電連接到電源并且適用于將交流電輸出到發(fā)射器線圈；控制器，其用于控制轉(zhuǎn)換器輸出交流電的頻率；至少一個發(fā)射器線圈，其適用于從轉(zhuǎn)換器接收交流電，以及還適用于產(chǎn)生具有預(yù)定頻率和強(qiáng)度的時變磁場；至少一個傳感器，其適用于感測感應(yīng)電力傳輸設(shè)備電壓和電流的特性，以及將傳感器輸出提供給控制器，從所述特性可以進(jìn)行通過所述發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的估算；所述控制器被配置為：控制對發(fā)射器線圈的功率供應(yīng)；從傳感器接收關(guān)于流過所述發(fā)射器線圈的電流的信號；判斷發(fā)射器線圈中的電流何時已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)條件；從傳感器接收感應(yīng)電力傳輸設(shè)備電壓和電流的特性的傳感器輸出；從傳感器接收到的傳感器輸出估算在發(fā)射器線圈中的有功功率和無功功率；以及基于所述估算的有功功率和無功功率來判斷是否存在異物。

公認(rèn)的，在不同的權(quán)限下，術(shù)語“包含”、“包含了”和“包含有”可以歸因于排他的意思或包括的意思。為了本說明書的目的，除非另外說明，否則這些術(shù)語旨在具有包括的意思，即它們將被認(rèn)為是指包括使用直接引用的所列組件，以及可能還包括其它未指定的組件或元件。

在本說明書中對任何現(xiàn)有技術(shù)的引用不構(gòu)成承認(rèn)這些現(xiàn)有技術(shù)形成公知常識的一部分。

附圖說明

并入說明書中并且構(gòu)成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且附圖與上面給出的本發(fā)明的一般描述以及下面給出的實(shí)施例的詳細(xì)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1示出感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的框圖；

圖2示出在存在和不存在異物和/或接收器的情況下，四個頻率范圍的所得形狀；以及

圖3示出當(dāng)圖2中描繪的形狀b、c和d的中心(按各個形狀的總面積計算)被標(biāo)繪時所獲得的結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于在感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)中檢測或識別異物的方法。圖1是示出感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)1的一般表示的框圖。感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射器2和接收器3。發(fā)射器包括電連接到合適的電源5(諸如市電電源)的dc-ac轉(zhuǎn)換器4。在圖1中，這被示為轉(zhuǎn)換器4連接到dc-dc轉(zhuǎn)換器6，所述dc-dc轉(zhuǎn)換器6進(jìn)而連接到dc電源5。轉(zhuǎn)換器4可以是非諧振半橋式轉(zhuǎn)換器或適用于特定感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的其它轉(zhuǎn)換器(諸如推挽式轉(zhuǎn)換器)。轉(zhuǎn)換器4被配置為將預(yù)期頻率和幅度的交流電輸出到一個或更多個發(fā)射電感器7。轉(zhuǎn)換器的輸出的電壓也可以由轉(zhuǎn)換器4、dc-dc轉(zhuǎn)換器或兩者的組合來調(diào)節(jié)。

根據(jù)在特定應(yīng)用中需要的磁場的特性以及發(fā)射器的特定幾何形狀，發(fā)射電感器7可以是提供電感的一個或更多個線圈或其它電力無功組件的合適配置。在一些感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射電感器可以連接到無功組件(諸如電容器(未示出))以創(chuàng)建諧振電路。發(fā)射線圈從轉(zhuǎn)換器4接收交流電并且產(chǎn)生時變磁場。磁場的頻率和強(qiáng)度由控制器來控制。每個發(fā)射器線圈可以單獨(dú)操作。

圖1還示出了發(fā)射器2的控制電路或控制器8?？刂破骺梢灾苯踊蜷g接地連接到發(fā)射器的各種組件(塊)?？刂破鲝陌l(fā)射器的連接部分接收輸入，并且產(chǎn)生控制發(fā)射器那些部分的操作方式的輸出?？刂破骺梢园ɑ蚩梢岳秒娮觾Υ嫫?。在優(yōu)選實(shí)施例中，電子儲存器是在板存儲器(on-boardmemory)。控制器可以是可編程邏輯控制器，所述可編程邏輯控制器被編程為根據(jù)感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的需求來執(zhí)行不同的計算任務(wù)。

除了到目前為止概述的感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)1的特性之外，圖1還示出了用于感測發(fā)射器2的特定操作特性的傳感器10a和10b的表示。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)被感測的特性，傳感器10a和10b可以連接到與如所示的發(fā)射器不同的部分或其它部分，可以被設(shè)置為單個的集成傳感器或被設(shè)置為多于兩個的分布式傳感器。本發(fā)明在這方面不受限制。在圖1中，傳感器10a被示出為連接到dc-dc轉(zhuǎn)換器6和dc-ac轉(zhuǎn)換器4之間的接點(diǎn)，所述傳感器10a適合于測量被供應(yīng)給轉(zhuǎn)換器的電流，而傳感器10a被示出為連接到發(fā)射電感器7，所述傳感器10a適合于測量通過電感器7的電流或在電感器7之上的電壓。然而，可選地或另外地，傳感器10a和10b可以適用于在發(fā)射器系統(tǒng)中的其它地方感測所需的特性。

在后面討論的本發(fā)明的實(shí)施例中，討論用于進(jìn)行不同類型的測量的傳感器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，存在適用于所描述的感測的許多可能類型的傳感器，并且本發(fā)明在這方面不受限制。將理解的是，根據(jù)所需的功能將使用合適的傳感器進(jìn)行感測。

回到圖1，接收器3包括一個或更多個接收電感器11，所述接收電感器11被設(shè)置為提供電感的一個或更多個線圈或其它電力無功組件的合適配置，所述接收電感器11適當(dāng)?shù)剡B接到接收器電路12，所述接收器電路12進(jìn)而將接收到的功率提供到負(fù)載13。負(fù)載可以是，例如可再充電電池。接收器電路將感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成適用于負(fù)載的形式。在一些感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)中，接收電感器可以連接到無功組件(諸如電容器(未示出))以創(chuàng)建諧振電路。

接收器還可以包括作為接收器電路12的一部分或作為一個或更多個分立組件(未示出)的控制電路來禁止電流流入接收器負(fù)載中，有效地從系統(tǒng)1“斷開”負(fù)載。這種控制電路也可以在使電流流入負(fù)載之前產(chǎn)生包括時間延遲的啟動序列，或者在使電流流入負(fù)載之前等待來自發(fā)射器的信號。這個功能可以通過任何合適的裝置(諸如在負(fù)載和系統(tǒng)的其余部分之間的串聯(lián)電子開關(guān)設(shè)備)來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在將描述用于在感應(yīng)電力傳輸場中檢測異物或者用于檢測接收器的方法的若干實(shí)施例。盡管這些方法將關(guān)于圖1所述的感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)1來描述，但是將理解，所述方法可以適用于與任何數(shù)量的合適的感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)配置一起工作，并且類似地，感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)可以適用于與這些方法一起工作，并且本發(fā)明在這方面不受限制。在本說明書中，以下定義適用：“有功功率”被定義為在系統(tǒng)中消耗的總平均功率加上流入接收器負(fù)載的任何功率；“無功功率”被定義為未消耗掉的、在系統(tǒng)中的能量儲存器件(諸如電容器和電感器)之間來回流動的平均功率；以及“視在功率”被定義為進(jìn)入系統(tǒng)的均方根電流和進(jìn)入系統(tǒng)的均方根電壓的乘積。在所有這些定義中，“系統(tǒng)”是在進(jìn)行測量的點(diǎn)之后的任何事物，例如，當(dāng)在dc-ac轉(zhuǎn)換器的輸入端測量時，之前出現(xiàn)的任何事物不包括在“系統(tǒng)”中。

此外，在本說明書中，應(yīng)理解以下內(nèi)容。在非諧振“硬驅(qū)動”感應(yīng)電力發(fā)射器電路中，在發(fā)射線圈上的電壓基本上是方波，而通過該線圈的電流基本上是三角波。由于這些術(shù)語在感應(yīng)電力傳輸?shù)念I(lǐng)域中常用(與它們嚴(yán)格的技術(shù)定義相反)，因此在非諧振感應(yīng)電力發(fā)射器電路與諧振感應(yīng)電力發(fā)射器電路之間的差異如下。根據(jù)電感器和電容器的值以及驅(qū)動頻率，具有發(fā)射器導(dǎo)體和電容器的串聯(lián)電路可以是諧振的或非諧振的。在諧振發(fā)射器電路中，電感器和電容器的電抗具有相同的數(shù)量級從而實(shí)質(zhì)上導(dǎo)致具有可變相位差的正弦波形。在非諧振發(fā)射器電路中，電容器的電抗具有比電感器的電抗低的數(shù)量級，并且所得到的波形類似于沒有固定相位關(guān)系的方波(電壓)和三角波(電流)。

有功功率和無功功率：測量值

圖2示出了在存在異物和不存在異物的情況下，在多個頻率處估算有功功率和無功功率的曲線或形狀(這些術(shù)語在本文中被同義和可交換地使用)a、b、c和d的結(jié)果。在獲得測量值之前，儲存用于有功功率和無功功率兩者的校準(zhǔn)值。圖形的原點(diǎn)表示相對于該頻率的校準(zhǔn)值的0％偏移。如果測量的所有頻率具有與各個校準(zhǔn)測量值相同的值，則所有測量值點(diǎn)都在原點(diǎn)處。x軸線是在該頻率處有功功率與其相應(yīng)校準(zhǔn)測量值之間的用百分比表示的差異。y軸線是在該頻率處無功功率與其相應(yīng)校準(zhǔn)測量值之間的用百分比表示的差異?？梢栽诙鄠€頻率處進(jìn)行多次測量。每個數(shù)據(jù)集用其以曲線連接的點(diǎn)來繪制。因此，每個曲線是在不同頻率處測量值的數(shù)據(jù)集。曲線中的每個點(diǎn)是在不同頻率處的測量值，但是物體在場中的布置相同。這些點(diǎn)以頻率升序方式通過曲線連接。在圖2的曲線d中，dfirst和dlast分別表示曲線d的最低測量頻率和最高測量頻率。

在圖2中：

曲線a示出了在發(fā)射器場中沒有任何物體的情況下，當(dāng)在多個頻率處進(jìn)行有功功率測量和無功功率測量時通?？梢詼y量到的數(shù)據(jù)集。正如預(yù)期的，測量值實(shí)際上等于其相應(yīng)校準(zhǔn)值(這就是為什么在兩個軸線上各點(diǎn)距其校準(zhǔn)值顯現(xiàn)接近0％位移)；

曲線b是當(dāng)接收器處于發(fā)射器場中時可以測量的曲線的示例。在所觀測到的情況下，結(jié)果是在不同頻率處無功功率比校準(zhǔn)值低不同的量，而有功功率根據(jù)頻率而更低或更高。這些偏移高度依賴于特定的鐵氧體、所使用的線圈設(shè)計和電路、它們的頻率響應(yīng)以及精確的接收器定位；以及

曲線c和d是當(dāng)外來金屬物體位于接收器和發(fā)射線圈之間時可以測量的曲線的示例。在這些情況下，可以看到它們具有與曲線b相同的大致形狀，但是平均有功功率和平均無功功率較高。此外，有功功率和無功功率在頻率上的差異可以增加。這些差異高度依賴于特定的鐵氧體、所使用的線圈設(shè)計和電路、它們的頻率響應(yīng)以及它們的精確定位、以及外來金屬物體的材料、幾何形狀和定位。曲線d對應(yīng)于比曲線c大的異物，導(dǎo)致與曲線b相比，在平均值和尺寸方面比曲線c大的差異。

從圖2中可以清楚地看出，針對異物的曲線在擴(kuò)展尺寸和平均值兩方面相對于針對非異物的曲線偏移。偏移差異部分地取決于異物在線圈上重疊的程度，例如，當(dāng)異物僅部分地重疊線圈時，差異減小。

圖3示出了當(dāng)來自圖2的形狀的特性被用于異物判斷時獲得的結(jié)果。使用與這些形狀相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集，可以評價形狀的平均值和尺寸。于是平均值是相對于相應(yīng)校準(zhǔn)值的偏移的用百分比表示的平均值。尺寸是相對于相應(yīng)校準(zhǔn)值的偏移的最大值與最小值之間的差異。這是針對有功部分和無功部分來單獨(dú)評價，因此結(jié)果在圖3中被繪制在不同的軸線上。平均值按尺寸來計算。圖2中的曲線b、c和d中的每個分別由圖3中的單個點(diǎn)來表示為點(diǎn)b、c和d。然后可以將這些點(diǎn)與用于異物檢測的確定的閾值或預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較。圖3中的虛線是閾值的示例，在所呈現(xiàn)的情況下，所述虛線將異物情況(點(diǎn)c和點(diǎn)d)與非異物情況(點(diǎn)b)分離。

這個方法還可以用于在沒有接收器的情況下的異物檢測?；诋愇锖蚷pt接收器的這些測量到的關(guān)系和特性，可以使用不同的測量方案來檢測異物的存在?，F(xiàn)在描述這些方案的示例。

有功功率和無功功率：平均值和峰值電流

當(dāng)檢測到潛在接收器的存在時，發(fā)射器可以開始異物檢測。在開始異物檢測之前，接收器可以接近發(fā)射器。檢測潛在接收器的存在可以以多種方式來執(zhí)行，例如，可以使用pct公開號wo2013/165261中描述的各種方法和系統(tǒng)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，接收器被配置為當(dāng)接收器檢測到發(fā)射器的存在并且在由發(fā)射器充電之前，開始充電啟動模式。在這種模式下，因?yàn)榻邮掌鞅３州敵鲐?fù)載斷開，所以接收器在實(shí)質(zhì)上空載的條件下運(yùn)行。在這種情況下，仍然可以存在接收器控制器電路本身的負(fù)載。這個條件可以持續(xù)設(shè)定的時段或者直到從發(fā)射器接收到信號為止以停止啟動模式。發(fā)射器在啟動模式期間執(zhí)行異物檢測。一旦異物檢測完成并且如果沒有檢測到異物，則發(fā)射器可以發(fā)送信號。一旦預(yù)定時段期滿或從發(fā)射器接收到信號，則接收器開始充電，并且負(fù)載連接到接收器線圈。

當(dāng)發(fā)射器處于異物檢測模式時，控制器控制轉(zhuǎn)換器，使得其以一個或更多個測試頻率向電感器供應(yīng)交流電。通常，測試頻率具有與由感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)使用的電力傳輸頻率相同的數(shù)量級(也可以包括由感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)使用的電力傳輸頻率)。

在異物檢測模式下，一旦以測試頻率供應(yīng)電流，控制器就等待預(yù)定時段，以使在發(fā)射器線圈內(nèi)的電流穩(wěn)定。控制器還可以等待在接收器內(nèi)的電流穩(wěn)定。例如，預(yù)定時段通常為大約50毫秒。

傳感器10a被配置為感測進(jìn)入轉(zhuǎn)換器4(在dc-ac轉(zhuǎn)換之前)的平均直流電流。傳感器的輸出被提供給控制器。進(jìn)入dc-ac轉(zhuǎn)換器4的平均直流電流與電源電壓的乘積提供了在發(fā)射器線圈中的平均有功功率的估算。

控制器控制一個或更多個傳感器(例如，傳感器10b)以感測通過發(fā)射器線圈的峰值交流電流和發(fā)射器線圈兩端的峰值電壓。在一些實(shí)施例中，峰值電壓可以是固定的，因此不需要感測已知的峰值電壓。

控制器將這些值組合成無功功率的估算。在優(yōu)選實(shí)施例中，在發(fā)射器線圈中的無功功率被估算為

其中ipk是以安培為單位的通過發(fā)射器線圈的峰值電流，而vpk是以伏特為單位的發(fā)射器線圈兩端的峰值電壓。例如，控制器可以是微處理器、fpga、其它數(shù)字邏輯器件或模擬離散乘法器/積分器。

當(dāng)通過發(fā)射器線圈(其中電流被測量)的與無功功率相關(guān)的電流相對于與有功功率相關(guān)的電流占優(yōu)勢時，所估算的無功功率提供無功功率的近似估算。只要接收器抽取很少或不抽取有功功率，這就成立。

有功功率估算和無功功率估算可以在一個測試頻率處或在多個頻率或在系列掃描上來執(zhí)行，并且組合成數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步分析。多個頻率不限于發(fā)射器的充電頻率或工作頻率。

當(dāng)接收器處于實(shí)質(zhì)上空載條件時，接收器的有功功率和無功功率將取決于接收器的機(jī)械設(shè)計或材料設(shè)計(例如，鐵磁材料(例如鐵氧體、金屬等)的成比例使用)、位置(例如，與發(fā)射器線圈的距離以及與發(fā)射器線圈重疊的程度)、接收器電路本身以及任何異物的存在。與充電期間相反，當(dāng)沒有負(fù)載存在(即，斷開)時，有功功率和無功功率基本上不取決于接收器的負(fù)載。

一旦估算了發(fā)射器線圈中的有功功率和無功功率，則控制器判斷異物是否存在。這種判斷可以通過任何合適的方式，包括但不限于：將估算值與儲存在電子儲存器中的閾值進(jìn)行比較，將估算值與儲存在電子儲存器中的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定估算值的形狀或估算值的特性并且將其與閾值或預(yù)期值進(jìn)行比較。雖然數(shù)據(jù)集可以被視為形狀(參見圖2；稍后詳細(xì)討論)，但是發(fā)射器控制器對數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)學(xué)評價以確定數(shù)據(jù)集的特性。例如，平均值和中心可以直接從數(shù)據(jù)集確定。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，其它特性也可以直接從數(shù)據(jù)集確定。

在實(shí)施例中，沒有負(fù)載且沒有異物存在情況下的每個發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的校準(zhǔn)值被儲存在感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)存儲器中，并且為了比較目的而通過控制器來訪問。針對多個頻率的用于每個發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的校準(zhǔn)值可以被儲存在電子儲存器中。優(yōu)選地，這些頻率包括測試頻率。異物的存在可以通過將估算的通過發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率與校準(zhǔn)值進(jìn)行比較來確定。

如果假定異物是金屬，那么在估算點(diǎn)與其相應(yīng)校準(zhǔn)值或預(yù)期的非異物值之間的差異將隨著異物的引入而增加。然而，還有使情況更加復(fù)雜的其它影響。這些影響中的一種是接收器鐵氧體。在低接收器負(fù)載處，鐵氧體可以抵消由外來金屬引起的無功功率和/或有功功率的變化。在低負(fù)載處接收器鐵氧體的影響可以正如與其間的金屬(異物)的影響一樣大或更大。這也意味著當(dāng)測量多個頻率時看到的曲線不總是線性的或接近線性。通常在與接收器線圈相關(guān)聯(lián)的接收器中設(shè)置鐵氧體或更加泛指的鐵磁材料，以增大感應(yīng)磁場并且增加從發(fā)射器線圈耦合的功率量。

在多個頻率上重復(fù)有功功率估算和無功功率估算使得允許更接近地確定響應(yīng)。如前所述，估算可以組合成數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步分析。在多個頻率上的估算可以形成曲線?？刂破骺梢栽u價數(shù)據(jù)集并且找到形狀的特性以判斷異物是否存在。例如，從數(shù)據(jù)集評價形狀的尺寸、平均值或中心。

有功功率和無功功率：波形采樣和處理

當(dāng)檢測到潛在接收器存在時，發(fā)射器可以開始異物檢測。在開始異物檢測之前，接收器可以接近發(fā)射器。在本發(fā)明的實(shí)施例中，接收器被配置為當(dāng)接收器檢測到發(fā)射器的存在并且在由發(fā)射器充電之前，開始充電啟動模式。在這種模式下，因?yàn)榻邮掌鞅３州敵鲐?fù)載斷開，所以接收器在實(shí)質(zhì)上空載的條件下運(yùn)行。在這種情況下，仍然可以存在接收器控制器電路本身的負(fù)載。這個條件可以持續(xù)設(shè)定的時段或者直到從發(fā)射器接收到信號為止以停止啟動模式。發(fā)射器在啟動模式期間執(zhí)行異物檢測。一旦異物檢測完成并且如果沒有檢測到異物，則發(fā)射器可以發(fā)送信號。一旦預(yù)定時段期滿或從發(fā)射器接收到信號，則接收器開始充電，并且負(fù)載連接到接收器線圈。

當(dāng)發(fā)射器處于異物檢測模式時，控制器控制轉(zhuǎn)換器，使得其以一個或更多個測試頻率向電感器供應(yīng)交流電。通常，測試頻率具有與由感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)使用的電力傳輸頻率相同的數(shù)量級(以及可以包括由感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)使用的電力傳輸頻率)。

在異物檢測模式下一旦以測試頻率供應(yīng)電流，控制器就等待預(yù)定時段，以使在發(fā)射器線圈內(nèi)的電流穩(wěn)定。控制器還可以等待接收器內(nèi)的電流穩(wěn)定。預(yù)定時段通常為大約50毫秒。

控制器控制一個或更多個傳感器(例如，傳感器10b)以對通過發(fā)射器線圈的瞬時電壓和瞬時電流進(jìn)行采樣。來自傳感器的輸出被提供給控制器。針對其周期性波形的每個周期對發(fā)射器線圈上的瞬時電壓和通過發(fā)射器線圈的總瞬時電流進(jìn)行多次采樣并被儲存。這個過程在本文中被稱為“對波形進(jìn)行采樣”。電壓波形的至少一整個周期和電流波形的至少一整個周期由傳感器來采樣。對電流波形和電壓波形的整數(shù)個周期進(jìn)行采樣，或者對電壓波形和電流波形的大量周期進(jìn)行采樣，使得整數(shù)個周期不是必需的。

為了估算發(fā)射器線圈中的有功功率，控制器將電壓波形和電流波形一起相乘，并且對乘法運(yùn)算的乘積進(jìn)行積分。有功功率被估算為積分的結(jié)果除以波形被采樣的時間。

為了估算發(fā)射器線圈中的無功功率，控制器首先確定視在功率的估算。視在功率是電流和電壓的均方根(rms)值的乘積。控制器計算采樣的電壓波形和電流波形的均方根值。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，這些值可以使用積分或其它合適的技術(shù)從采樣的電壓波形和電流波形來很容易地計算出。估算的無功功率與估算的視在功率和估算的有功功率具有畢達(dá)哥拉斯關(guān)系，如以下等式(所有功率以瓦特為單位)：

在實(shí)施例中，有功功率估算和無功功率估算在一個測試頻率處或在多個頻率或一系列頻率上來執(zhí)行，并且組合成數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步分析。多個頻率不限于發(fā)射器的充電頻率或工作頻率。

當(dāng)接收器處于實(shí)質(zhì)上空載條件時，接收器的有功功率和無功功率將取決于接收器的機(jī)械設(shè)計或材料設(shè)計(例如，鐵磁材料(例如鐵氧體、金屬等)的成比例使用)、位置(例如，與發(fā)射器線圈的距離以及與發(fā)射器線圈重疊的程度)、接收器電路以及任何異物的存在。與充電期間相反，當(dāng)沒有負(fù)載存在(即，斷開)時，有功功率和無功功率基本上不取決于接收器的負(fù)載。

一旦估算了發(fā)射器線圈中的有功功率和無功功率，則控制器判斷異物是否存在。這種判斷可以通過任何合適的方式，包括但不限于：將估算值與儲存在電子儲存器中的閾值進(jìn)行比較，將估算值與儲存在電子儲存器中的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定估算值的形狀或者確定估算值的特性并且將其與閾值或預(yù)期值進(jìn)行比較。雖然數(shù)據(jù)集可以被視為形狀(參見圖2)，但是發(fā)射器控制器對數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)學(xué)評價以確定數(shù)據(jù)集的特性。例如，平均值和中心可以直接從數(shù)據(jù)集確定。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，其它特性可以直接從數(shù)據(jù)集確定。

在實(shí)施例中，沒有負(fù)載且沒有異物存在情況下的每個發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的校準(zhǔn)值被儲存在感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)存儲器中，并且為了比較目的通過控制器來訪問。針對多個頻率的用于每個發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的校準(zhǔn)值可以被儲存在電子儲存器中。優(yōu)選地，這些頻率包括測試頻率。異物的存在可以通過將估算的通過發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率與校準(zhǔn)值進(jìn)行比較來確定。

如果假定異物是金屬，那么在估算點(diǎn)與其相應(yīng)校準(zhǔn)值或預(yù)期的非異物值之間的差異將隨著異物的引入而增加。然而，還有使情況更加復(fù)雜的其它影響。這些影響中的一種是接收器鐵氧體。在低接收器負(fù)載下，鐵氧體可以抵消由外來金屬引起的無功功率和/或有功功率的變化。在低負(fù)載下鐵氧體的影響可以正如與其間的金屬(異物)的影響一樣大或更大。這也意味著當(dāng)測量多個頻率時看到的曲線不總是線性的或接近線性。通常在與接收器線圈相關(guān)聯(lián)的接收器中設(shè)置鐵氧體或更加泛指的鐵磁材料，以增大感應(yīng)磁場并且增加從發(fā)射器線圈耦合的功率量。

在多個頻率上重復(fù)有功功率估算和無功功率估算允許更接近地確定響應(yīng)。如前所述，估算可以組合成數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步分析。在多個頻率上的估算可以形成形狀。控制器可以評價數(shù)據(jù)集并且找到形狀的特性以判斷異物是否存在。例如，從數(shù)據(jù)集評價形狀的尺寸、平均值或中心。

有功功率和無功功率：幅度和相位測量

當(dāng)檢測到潛在接收器存在時，發(fā)射器可以開始異物檢測。在開始異物檢測之前，接收器可以接近發(fā)射器。在本發(fā)明的實(shí)施例中，接收器被配置為當(dāng)接收器檢測到發(fā)射器的存在時并且在由發(fā)射器充電之前，開始啟動模式。在這種模式下，因?yàn)榻邮掌鞅３州敵鲐?fù)載斷開，所以接收器在實(shí)質(zhì)上空載的條件下運(yùn)行。在這種情況下，仍然可以存在接收器控制器電路本身的負(fù)載。這個條件可以持續(xù)設(shè)定的時段或者直到從發(fā)射器接收到信號為止以停止啟動模式。發(fā)射器在啟動模式期間執(zhí)行異物檢測。一旦異物檢測完成并且如果沒有檢測到異物，則發(fā)射器可以發(fā)送信號。一旦預(yù)定時段期滿或從發(fā)射器接收到信號，則接收器開始充電，并且負(fù)載連接到接收器線圈。

當(dāng)發(fā)射器處于異物檢測模式時，控制器控制轉(zhuǎn)換器，使得其以一個或更多個測試頻率向電感器提供交流電。通常，測試頻率具有與由感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)使用的電力傳輸頻率相同的數(shù)量級(以及可以包括由感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)使用的電力傳輸頻率)。

在異物檢測模式下一旦以測試頻率供應(yīng)電流，控制器等待預(yù)定時段，以使在發(fā)射器線圈內(nèi)的電流穩(wěn)定?？刂破鬟€可以等待在接收器內(nèi)的電流穩(wěn)定。預(yù)定時段通常為大約50毫秒。

控制器控制傳感器以感測通過經(jīng)歷異物檢測的發(fā)射器線圈的電壓和電流的幅度?？刂破鬟€控制(另外的)傳感器以感測電壓波形和電流波形之間的相位差。

在諧振系統(tǒng)中，很有可能的是，通過發(fā)射器線圈的電壓波形和電流波形將實(shí)質(zhì)上是正弦的。在這種情況下，在發(fā)射器線圈中以瓦特為單位的有功功率可以由控制器估算為：

preal＝ipkvpkcos(θ)等式(3)

其中vpk是在發(fā)射器線圈上以伏特為單位的峰值電壓，

ipk是通過發(fā)射器線圈以安培為單位的峰值總電流，以及

θ是在電壓波形和電流波形之間以弧度為單位的相位差。

在發(fā)射器線圈中以瓦特為單位的無功功率可以由控制器估算為：

preactive＝ipkvpksin(θ)等式(4)，

其中符號是與前述等式中相同的參量。

實(shí)際上，電壓波形和電流波形可以實(shí)質(zhì)上不是正弦的。在這種情況下，用于有功功率和無功功率的等式(3)和(4)可能需要調(diào)整。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠?qū)o定公式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以解釋在波形上的變化。

在實(shí)施例中，有功功率估算和無功功率估算可以在一個測試頻率下或在多個頻率或一系列頻率上來執(zhí)行，并且組合成數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步分析。多個頻率不限于發(fā)射器的充電頻率或工作頻率。

當(dāng)接收器處于實(shí)質(zhì)上空載條件時，接收器的有功功率和無功功率將取決于接收器的機(jī)械設(shè)計或材料設(shè)計(例如，鐵磁材料(例如鐵氧體、金屬等)的成比例使用)、位置(例如，與發(fā)射器線圈的距離以及與發(fā)射器線圈重疊的程度)、接收器電路以及任何異物的存在。與充電期間相反，當(dāng)沒有負(fù)載存在(即，斷開)時，有功功率和無功功率基本上不取決于接收器的負(fù)載。

一旦估算了發(fā)射器線圈中的有功功率和無功功率，則控制器判斷異物是否存在。這種判斷可以通過任何合適的方式，包括但不限于：將估算值與儲存在電子儲存器中的閾值進(jìn)行比較，將估算值與儲存在電子儲存器中的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定估算值的形狀或者確定估算值的特性并且將其與閾值或預(yù)期值進(jìn)行比較。雖然數(shù)據(jù)集可以被視為形狀(參見圖2)，但是發(fā)射器控制器對數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)學(xué)評價以確定數(shù)據(jù)集的特性。例如，平均值和中心可以直接從數(shù)據(jù)集確定。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，其它特性也可以直接從數(shù)據(jù)集確定。

在實(shí)施例中，沒有負(fù)載且沒有異物存在情況下的每個發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的校準(zhǔn)值被儲存在感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)存儲器中，并且為了比較目的通過控制器來訪問。針對多個頻率的用于每個發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的校準(zhǔn)值可以被儲存在電子儲存器中。優(yōu)選地，這些頻率包括測試頻率。異物的存在可以通過將估算的通過發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率與校準(zhǔn)值進(jìn)行比較來確定。

如果假定異物是金屬，那么在估算點(diǎn)與其相應(yīng)校準(zhǔn)值或預(yù)期的非異物值之間的差異將隨著異物的引入而增加。然而，還有使情況更加復(fù)雜的其它影響。這些影響中的一種是接收器鐵氧體。在低接收器負(fù)載下，鐵氧體可以抵消由外來金屬引起的無功功率和/或有功功率的變化。在低負(fù)載下接收器鐵氧體的影響可以正如與其間的金屬(異物)的影響一樣大或更大。這也意味著當(dāng)測量多個頻率時看到的曲線不總是線性的或接近線性。通常在與接收器線圈相關(guān)聯(lián)的接收器中設(shè)置鐵氧體或更加泛指的鐵磁材料，以增大感應(yīng)磁場并且增加從發(fā)射器線圈耦合的功率量。

在多個頻率上重復(fù)有功功率估算和無功功率估算允許更接近地確定響應(yīng)。如前所述，估算可以組合成數(shù)據(jù)集用于進(jìn)一步分析。在多個頻率上的估算可以形成形狀?？刂破骺梢栽u價數(shù)據(jù)集并且找到形狀的特性以判斷異物是否存在。例如，從數(shù)據(jù)集評價形狀的尺寸、平均值或中心。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，存在可以用于估算通過發(fā)射器線圈的有功功率和無功功率的許多方法。上述實(shí)施例并非意在限制本發(fā)明?？梢允褂糜糜诠浪阌泄β屎蜔o功功率的其它方法。

此外，雖然本文的描述涉及采用ipt發(fā)射器的控制電路來執(zhí)行異物檢測或非ipt接收器檢測，但是異物檢測可以由ipt接收器的控制電路來同樣地執(zhí)行。在任一種情況下，ipt發(fā)射器和ipt接收器中的任一個或兩者的控制電路可以被配置為確保只有在未檢測到異物，或者如果所檢測到的異物的類型或位置被確定為不會導(dǎo)致感應(yīng)電力傳輸中的潛在問題時，才執(zhí)行感應(yīng)電力傳輸。

更進(jìn)一步地，在所描述的示例性實(shí)施例中，在ipt系統(tǒng)或接收器的操作的啟動階段或其它的非充電階段或功率傳輸階段期間來執(zhí)行異物檢測或非ipt接收器檢測。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，所描述的各種方法可以適用于在充電期間或功率傳輸期間在特定時間處或多個時間(例如，間歇地)通過臨時進(jìn)入非充電階段或功率傳輸階段來執(zhí)行，以便確保異物狀態(tài)沒有因充電或功率傳輸已經(jīng)開始而改變?？蛇x地或附加地，所描述的方法可以適用于在充電期間或功率傳輸期間來執(zhí)行。

此外，所描述的異物檢測或非接收器檢測的不同示例性方法可以在合適的ipt系統(tǒng)中作為獨(dú)立式異物檢測測試方案或者結(jié)合一個或更多個其它異物檢測測試來單獨(dú)地執(zhí)行或組合地執(zhí)行。這些單個的或擴(kuò)展的異物檢測測試方案可以在ipt系統(tǒng)中使用單個發(fā)射器線圈和單個接收器線圈(所謂的1:1系統(tǒng))的感應(yīng)耦合或使用多個發(fā)射器線圈和多個接收器線圈的感應(yīng)耦合(所謂的n：n系統(tǒng))來執(zhí)行。

應(yīng)當(dāng)注意，在本說明書中，詞語感測和測量可互換地應(yīng)用于傳感器。這些術(shù)語并不意味著限制。

雖然已經(jīng)通過對其實(shí)施例的描述說明了本發(fā)明，并且雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了實(shí)施例，但是申請人的意圖不是將所附權(quán)利要求的范圍限制或以任何方式限制到這些描述。額外的優(yōu)點(diǎn)和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面不限于所示和所描述的具體細(xì)節(jié)、代表性裝置和方法以及說明性示例。因此，在不脫離申請人的總體發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍的情況下，可以偏離這些細(xì)節(jié)。