在預定的空間中使用通過感應式功率發(fā)射器產生的磁場檢測金屬物體的系統(tǒng)、方法及設備的制作方法

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在預定的空間中使用通過感應式功率發(fā)射器產生的磁場檢測金屬物體的系統(tǒng)、方法及設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于在磁場中檢測物體(3024)的存在的設備(3000)，尤其是導電或金屬物體。所述設備包含電源電路(3036、3006)，其經配置以產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力，所述磁場造成所述物體(3024)的振動。所述設備(3000)進一步包含檢測電路(3030)，其經配置以發(fā)射信號且基于所述所發(fā)射的信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體(3024)的所述振動的頻率。
【專利說明】在預定的空間中使用通過感應式功率發(fā)射器產生的磁場檢測金屬物體的系統(tǒng)、方法及設備

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明一般來說涉及無線電力傳送（wireless power transfer)，且更具體來說，涉及與到例如包含蓄電池的車輛等遠程系統(tǒng)的無線電力傳送有關的裝置、系統(tǒng)及方法。更具體來說，本發(fā)明涉及外來物體的檢測。

【背景技術】
[0002] 已引入例如車輛的遠程系統(tǒng)，其包含源于從例如蓄電池等能量存儲裝置接收的電的運轉電力（locomotion power)。舉例來說，混合式電動車輛包含使用來自車輛制動及傳統(tǒng)電機的電力對車輛進行充電的機載充電器。僅僅為電動的車輛通常從其它來源接收電以用于對蓄電池進行充電。常常提議經由某一類型的有線交流電（AC)(例如，家用或商用AC 電源）對蓄電池電動車輛（電動車輛）進行充電。有線充電連接需要物理地連接到電力供應器的纜線或其它相似連接器。纜線及相似連接器有時可能不方便或麻煩且具有其它缺點。能夠在自由空間中傳送電力（例如，經由無線場）以用以對電動車輛進行充電的無線充電系統(tǒng)可克服有線充電解決方案的缺陷中的一些缺陷。因而，有效率地且安全地傳送電力以用于對電動車輛進行充電的無線充電系統(tǒng)及方法是理想的。

【發(fā)明內容】

[0003] 在所附權利要求書的范圍內的系統(tǒng)、方法及裝置的各種實施方案各自具有若干方面，所述方面中無任何單一方面僅僅負責本文所描述的理想屬性。在不限制所附權利要求書的范圍的情況下，本文描述一些顯著特征。
[0004] 隨附圖式及以下描述中闡述本說明書所描述的標的物的一或多個實施方案的細節(jié)。其它特征、方面及優(yōu)點將從描述、圖式及權利要求書變得顯而易見。應注意，以下諸圖的相對尺寸可能未按比例繪制。
[0005] 本發(fā)明的一個方面提供一種用于檢測物體的存在的設備。所述設備包含諧振電路，所述諧振電路具有諧振頻率。所述諧振電路包含感測電路，所述感測電路包含導電結構。所述設備進一步包含耦合電路，所述耦合電路耦合到所述感測電路。所述設備進一步包含檢測電路，所述檢測電路經由所述耦合電路耦合到所述感測電路。所述檢測電路經配置以響應于檢測到取決于所述諧振電路正在諧振的頻率的所測量特性與取決于所述諧振電路的所述諧振頻率的對應特性之間的差而檢測所述物體的所述存在。所述耦合電路經配置以縮減在不存在所述物體的情況下由所述檢測電路進行的所述諧振頻率的變化。
[0006] 本發(fā)明的另一方面提供一種用于檢測物體的存在的方法的實施方案。所述方法包含將信號施加到諧振電路，所述諧振電路具有諧振頻率。所述諧振電路包含感測電路，所述感測電路包含導電結構。耦合電路耦合到所述感測電路。所述方法進一步包含響應于檢測到取決于所述諧振電路正在諧振的頻率的所測量特性與取決于所述諧振電路的所述諧振頻率的對應特性之間的差而經由檢測電路檢測所述物體的所述存在，所述檢測電路經由所述耦合電路耦合到所述感測電路。所述耦合電路經配置以縮減在不存在所述物體的情況下由所述檢測電路進行的所述諧振頻率的變化。
[0007] 本發(fā)明的又一方面提供一種用于檢測物體的存在的設備。所述設備包含用于在諧振頻率下諧振的裝置。所述設備進一步包含用于響應于檢測到取決于所述諧振裝置正在諧振的頻率的所測量特性與取決于所述諧振裝置的所述諧振頻率的對應特性之間的差而檢測所述物體的所述存在的裝置。所述設備進一步包含用于縮減在不存在所述物體的情況下由所述檢測裝置進行的所述諧振頻率的變化的裝置。
[0008] 本發(fā)明所描述的標的物的另一方面提供一種用于檢測物體的存在的設備。所述設備包含第一感測電路，所述第一感測電路包含第一導電結構。至少所述第一感測電路形成第一諧振電路，所述第一諧振電路具有第一諧振頻率。所述設備進一步包含第二感測電路，所述第二感測電路包含第二導電結構。至少所述第二感測電路形成第二諧振電路，所述第二諧振電路具有第二諧振頻率。所述第二諧振頻率不同于所述第一諧振頻率。所述設備進一步包含檢測電路，所述檢測電路耦合到所述第一感測電路及所述第二感測電路。所述檢測電路經配置以響應于檢測到取決于所述第一諧振電路正在諧振的頻率的第一所測量特性與取決于所述第一諧振頻率的第一對應特性之間的差或取決于所述第二諧振電路正在諧振的頻率的第二所測量特性與取決于所述第二諧振頻率的第二對應特性之間的差而檢測所述物體的所述存在。
[0009] 本發(fā)明所描述的標的物的另一方面提供一種用于檢測物體的存在的方法的實施方案。所述方法包含將第一信號施加到第一感測電路，所述第一感測電路包含第一導電結構。至少所述第一感測電路形成第一諧振電路，所述第一諧振電路具有第一諧振頻率。所述方法進一步包含將第二信號施加到第二感測電路，所述第二感測電路包含第二導電結構。至少所述第二感測電路形成第二諧振電路，所述第二諧振電路具有第二諧振頻率。所述第二諧振頻率不同于所述第一諧振頻率。所述方法進一步包含響應于檢測到取決于所述第一諧振電路正在諧振的頻率的第一所測量特性與取決于所述第一諧振頻率的第一對應特性之間的差或取決于所述第二諧振電路正在諧振的頻率的第二所測量特性與取決于所述第二諧振頻率的第二對應特性之間的差而經由檢測電路檢測所述物體的所述存在。
[0010] 本發(fā)明所描述的標的物的另一方面提供一種用于檢測物體的存在的設備。所述設備包含用于在第一諧振頻率下諧振的第一裝置。所述設備進一步包含用于在第二諧振頻率下諧振的第二裝置。所述第二諧振頻率不同于所述第一諧振頻率。所述設備進一步包含用于響應于檢測到取決于所述第一諧振裝置正在諧振的頻率的第一所測量特性與取決于所述第一諧振頻率的第一對應特性之間的差或取決于所述第二諧振裝置正在諧振的頻率的第二所測量特性與取決于所述第二諧振頻率的第二對應特性之間的差而檢測所述物體的所述存在的裝置。
[0011] 本發(fā)明所描述的標的物的另一方面提供一種用于在磁場中檢測物體的存在的設備。所述設備包含電源電路，所述電源電路經配置以產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力。所述磁場造成所述物體的振動。所述設備進一步包含檢測電路，所述檢測電路經配置以發(fā)射信號且基于所述所發(fā)射信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體的所述振動的頻率。
[0012] 本發(fā)明所描述的標的物的另一方面提供一種用于在磁場中檢測物體的存在的方法的實施方案。所述方法包含產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力。所述磁場造成所述物體的振動。所述方法進一步包含發(fā)射信號且基于所述所發(fā)射信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體的所述振動的頻率。
[0013] 本發(fā)明所描述的標的物的另一方面提供一種用于在磁場中檢測物體的存在的設備。所述設備包含用于產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力的裝置。所述磁場造成所述物體的振動。所述設備進一步包含用于發(fā)射信號的裝置，及用于基于所述所發(fā)射信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體的所述振動的頻率的裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為根據示例性實施例的用于對電動車輛進行充電的示例性無線電力傳送系統(tǒng)的圖解。
[0015] 圖2為圖1的無線電力傳送系統(tǒng)的示例性核心組件的示意圖。
[0016] 圖3為展示圖1的無線電力傳送系統(tǒng)的示例性核心及輔助組件的另一功能框圖。
[0017] 圖4為根據示例性實施例的展示安置于電動車輛中的可更換非接觸式蓄電池的功能框圖。
[0018] 圖5A、5B、5C及為根據示例性實施例的用于感應線圈及鐵氧體材料相對于蓄電池的放置的示例性配置的圖解。
[0019] 圖6為根據示例性實施例的展示可用于對電動車輛進行無線充電的示例性頻率的頻譜的圖表。
[0020] 圖7為根據示例性實施例的展示可用于對電動車輛進行無線充電的示例性頻率及傳輸距離的圖表。
[0021] 圖8A、8B及8C為根據示例性實施例的示例性物體檢測電路系統(tǒng)的部分的圖解。
[0022] 圖9為根據實施例的經配置以檢測嵌入于磁性墊內的物體的感測回路的側視圖。
[0023] 圖10為根據示例性實施例的用于檢測相對于感測回路位于不同位置處的物體的示例性物體檢測電路系統(tǒng)的部分的圖解。
[0024] 圖IlAUlB及IlC為根據示例性實施例的用于經配置以檢測物體的感測回路的不同示例性配置的圖解。
[0025] 圖12為根據示例性實施例的經配置以基于磁場感測檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0026] 圖13為根據示例性實施例的經配置以基于感測回路阻抗測量檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0027] 圖14A為根據示例性實施例的經配置以基于感測回路諧振頻率測量檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0028] 圖14B為根據實施例的經配置以基于感測回路諧振頻率測量檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0029] 圖15為根據示例性實施例的經配置以基于感測回路諧振頻率測量檢測物體的示例性電路的另一功能框圖。
[0030] 圖16為根據示例性實施例的經配置以基于感測回路諧振頻率測量檢測物體的示例性電路的另一功能框圖。
[0031] 圖17A、17B及17C為根據示例性實施例的示例性弱耦合諧振感測回路配置的圖解。
[0032] 圖18A及18B為根據示例性實施例的等效電路及示例性電感耦合諧振感測回路的示意圖。
[0033] 圖19為根據示例性實施例的經配置以使用檢測電路與感測電路之間的耦合電路來檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0034] 圖20為根據示例性實施例的如圖19所展示的電路的功能框圖，其中檢測電路經由耦合回路與感測電路進行電感耦合。
[0035] 圖21為根據示例性實施例的如圖19所展示的電路的功能框圖，其中檢測電路與感測電路進行電容耦合。
[0036] 圖22為根據示例性實施例的經配置以使用檢測電路與多個感測電路之間的多個耦合電路來檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0037] 圖23為根據示例性實施例的經配置以使用經配置成具有不同諧振頻率的多個感測電路來檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0038] 圖24為根據示例性實施例的如圖23所展示的電路的功能框圖，其中檢測電路與具有不同諧振頻率的感測電路進行電感耦合。
[0039] 圖25A、25B、25C、25D、25E及25F為根據示例性實施例的與檢測電路進行電感或電容耦合的示例性配置感測回路陣列的圖解。
[0040] 圖26A、26B、26C、26D、26E及26F為根據示例性實施例的電感或電容耦合諧振回路陣列的示例性等效電路的示意圖。
[0041] 圖27為根據示例性實施例的展示在補償耦合回路的阻抗之前及之后的電感耦合諧振回路陣列的相位響應的曲線圖。
[0042] 圖28為根據示例性實施例的集成在經配置以無線地傳輸電力的感應式充電墊內的用于檢測物體的示例性電路的功能框圖。
[0043] 圖29為根據示例性實施例的用于檢測物體的示例性電感耦合諧振濾波器的功能框圖。
[0044]圖30A為根據示例性實施例的用于檢測物體的另一示例性系統(tǒng)的功能框圖。
[0045] 圖30B為根據示例性實施例的圖30A的系統(tǒng)的檢測電路的功能框圖。
[0046] 圖31為根據示例性實施例的用于檢測物體的存在的示例性方法的流程圖。
[0047] 圖32為根據示例性實施例的用于檢測物體的存在的設備的功能框圖。
[0048] 圖33為根據示例性實施例的用于在磁場中檢測物體的存在的示例性方法的流程圖。
[0049] 圖34為根據示例性實施例的用于在磁場中檢測物體的存在的設備的功能框圖。
[0050] 圖式所說明的各種特征可能未按比例繪制。因此，出于清楚起見，可能任意地擴大或縮減各種特征的尺寸。另外，圖式中的一些圖式可能并未描繪給定系統(tǒng)、方法或裝置的所有組件。最后，類似參考數字可用以貫穿本說明書及諸圖而表示類似特征。

【具體實施方式】
[0051] 下文結合附加圖式闡述的詳細描述希望作為示例性實施例的描述，且不希望表示可實踐本發(fā)明的僅有實施例。貫穿此詳細描述使用的術語"示例性"意謂"充當實例、例子或說明"，且未必應被認作比其它示例性實施例優(yōu)選或有利。出于提供對示例性實施例的透徹理解的目的，詳細描述包含特定細節(jié)。在一些例子中，以框圖形式展示一些裝置。
[0052] 無線地傳送電力可指在不使用物理電導體的情況下將與電場、磁場、電磁場或其它者相關聯(lián)的任何形式的能量從發(fā)射器傳送到接收器（例如，可經由自由空間傳送電力）。輸出到無線場（例如，磁場）中的電力可通過"接收線圈"接收、俘獲或耦合以實現(xiàn)電力傳送。
[0053] 本文使用電動車輛來描述遠程系統(tǒng)，其實例為包含（作為運轉能力的部分）源于可充電能量存儲裝置（例如，一或多個可再充電電化電池或其它類型的蓄電池）的電力的車輛。作為非限制性實例，一些電動車輛可為混合式電動車輛，其除了包含電動機以外還包含用于直接運轉或用以對車輛的蓄電池進行充電的傳統(tǒng)內燃機。其它電動車輛可從電力汲取所有運轉能力。電動車輛不限于汽車且可包含摩托車、手推車、小輪機踏車及其類似者。作為實例而非限制，本文以電動車輛（EV)的形式來描述遠程系統(tǒng)。此外，還預期可使用可充電能量存儲裝置來至少部分地供電的其它遠程系統(tǒng)（例如，例如個人計算裝置及其類似者等電子裝置）。
[0054] 圖1為根據示例性實施例的用于對電動車輛112進行充電的示例性無線電力傳送系統(tǒng)100的圖解。無線電力傳送系統(tǒng)100使得能夠在電動車輛112停放于基座無線充電系統(tǒng)（base wireless charging system) 102a附近時對電動車輛112進行充電。在待遍及對應基座無線充電系統(tǒng)l〇2a及102b而停放的停放區(qū)域中說明用于兩個電動車輛的空間。在一些實施例中，本地分配中心130可連接到電力骨干132,且經配置以將交流電（AC)或直流電（DC)供應經由電力鏈路110提供到基座無線充電系統(tǒng)102a?；鶡o線充電系統(tǒng)102a 還包含用于無線地傳送或接收電力的基座系統(tǒng)感應線圈104a。電動車輛112可包含蓄電池單元118、電動車輛感應線圈116,及電動車輛無線充電系統(tǒng)114。電動車輛感應線圈116 可與基座系統(tǒng)感應線圈l〇4a相互作用，例如，經由基座系統(tǒng)感應線圈104a所產生的電磁場的區(qū)。
[0055] 在一些示例性實施例中，當電動車輛感應線圈116位于由基座系統(tǒng)感應線圈104a 產生的能量場中時，電動車輛感應線圈116可接收電力。所述場對應于由基座系統(tǒng)感應線圈104a輸出的能量可由電動車輛感應線圈116俘獲的區(qū)。舉例來說，由基座系統(tǒng)感應線圈 l〇4a輸出的能量可處于足以對電動車輛112進行充電或供電的電平。在一些情況下，所述場可對應于基座系統(tǒng)感應線圈104a的"近場（near field)"。所述近場可對應于存在由基座系統(tǒng)感應線圈l〇4a中的電流及電荷引起的強電抗場的區(qū)，所述強電抗場不會使電力輻射離開基座系統(tǒng)感應線圈l〇4a。在一些情況下，近場可對應于處于基座系統(tǒng)感應線圈104a 的波長的約1/2 π內的區(qū)（且針對電動車輛感應線圈116反過來也一樣），如下文將進一步所描述。
[0056] 本地分配1130可經配置以經由通信回程134與外部來源（例如，電力柵格）通信，且經由通信鏈路108與基座無線充電系統(tǒng)102a通信。
[0057] 在一些實施例中，電動車輛感應線圈116可與基座系統(tǒng)感應線圈104a對準，且因此，簡單地由駕駛員使電動車輛112相對于基座系統(tǒng)感應線圈104a正確地定位而安置于近場區(qū)內。在其它實施例中，駕駛員可被給出視覺反饋、聽覺反饋或其組合，以確定電動車輛 112何時被適當地放置以用于無線電力傳送。在又其它實施例中，電動車輛112可通過自動引示系統(tǒng)定位，所述自動引示系統(tǒng)可使電動車輛112來回地移動（例如，以鋸齒形移動）直到對準誤差已達到容許值為止。此情形可由電動車輛112在無駕駛員干預或僅有最少駕駛員干預的情況下自動地且自主地執(zhí)行，其限制條件為：電動車輛112經裝備有伺服方向盤、超聲波傳感器，及用以調整所述車輛的智能。在又其它實施例中，電動車輛感應線圈116、基座系統(tǒng)感應線圈104a或其組合可具有用于使感應線圈116及104a相對于彼此移位及移動以使所述感應線圈更準確地定向且在所述感應線圈之間顯現(xiàn)更有效率的耦合的功能性。
[0058] 基座無線充電系統(tǒng)102a可位于多種位置中。作為非限制性實例，一些合適位置包含在電動車輛112的擁有者的住宅處的停放區(qū)域、在常規(guī)的以石油為基礎的加油站之后模型化的為電動車輛無線充電而保留的停放區(qū)域，及在例如購物中心及工作場所等其它位置處的停放坪。
[0059] 無線地對電動車輛進行充電可提供眾多益處。舉例來說，充電可自動地執(zhí)行，而實際上無駕駛員干預及操控，借此改善對用戶的方便性。還可能不存在曝露的電接點且不存在機械磨損，借此改善無線電力傳送系統(tǒng)100的可靠性?？蔁o需運用纜線及連接器的操控，且可能不存在可在戶外環(huán)境中曝露給濕氣及水的纜線、插頭或插座，借此改善安全性。還可能不存在可見或可接取的插座、纜線及插頭，借此縮減電力充電裝置的潛在破壞行為。另夕卜，因為電動車輛112可作為分配式存儲裝置而使電力柵格穩(wěn)定，所以可使用銜接到柵格解決方案來增加車輛針對車輛到柵格（V2G)操作的可用性。
[0060] 如參看圖1所描述的無線電力傳送系統(tǒng)100還可提供美學及非妨礙優(yōu)點。舉例來說，可能不存在可有礙于車輛及/或行人的料柱（charge column)及纜線。
[0061] 作為對車輛到柵格能力的進一步解釋，無線電力傳輸及接收能力可被配置為互逆的，使得基座無線充電系統(tǒng)l〇2a將電力傳送到電動車輛112且電動車輛112將電力傳送到基座無線充電系統(tǒng)l〇2a，例如，在能量短缺時間內。此能力可用于通過允許電動車輛在由需求過度造成的能量短缺時間或再生性能源產生（例如，風或太陽能）的短缺時間內將電力貢獻給整體分配系統(tǒng)而使電力分配柵格穩(wěn)定。
[0062] 圖2為圖1的無線電力傳送系統(tǒng)100的示例性核心組件的示意圖。如圖2所展示，無線電力傳送系統(tǒng)200可包含基座系統(tǒng)發(fā)射電路206,基座系統(tǒng)發(fā)射電路206包含具有電感 L1的基座系統(tǒng)感應線圈204。無線電力傳送系統(tǒng)200進一步包含電動車輛接收電路222,電動車輛接收電路222包含具有電感L 2的電動車輛感應線圈216。本文所描述的實施例可使用形成諧振結構的電容性負載電線回路（即，多匝線圈），如果初級及次級兩者被調諧到共同諧振頻率，那么所述諧振結構能夠經由磁性或電磁近場將能量從初級結構（發(fā)射器）有效率地耦合到次級結構（接收器）。所述線圈可用于電動車輛感應線圈216及基座系統(tǒng)感應線圈204。使用諧振結構以用于耦合能量可被稱作"磁耦合諧振"、"電磁耦合諧振"及/ 或"諧振感應"。無線電力傳送系統(tǒng)200的操作將基于從基座無線電力充電系統(tǒng)202到電動車輛112的電力傳送加以描述，但不限于此情形。舉例來說，如上文所論述，電動車輛112 可將電力傳送到基座無線充電系統(tǒng)l〇2a。
[0063] 參看圖2,電力供應器208(例如，AC或DC)將電力Psdc供應到基座無線電力充電系統(tǒng)202以將能量傳送到電動車輛112?；鶡o線電力充電系統(tǒng)202包含基座充電系統(tǒng)電力轉換器236?；潆娤到y(tǒng)電力轉換器236可包含例如以下各者等電路系統(tǒng)：AC/DC轉換器，其經配置以將電力從標準電源AC轉換為處于合適電壓電平的DC電力；及DC/低頻 (LF)轉換器，其經配置以將DC電力轉換為處于適合于無線高功率傳送的操作頻率的電力。基座充電系統(tǒng)電力轉換器236將電力P 1供應到基座系統(tǒng)發(fā)射電路206,基座系統(tǒng)發(fā)射電路 206包含與基座系統(tǒng)感應線圈204串聯(lián)以發(fā)射處于所要頻率的電磁場的電容器C 1。電容器 C1可并聯(lián)地或串聯(lián)地與基座系統(tǒng)感應線圈204耦合，或可由呈并聯(lián)或串聯(lián)拓撲的任何組合的若干電抗元件形成?？商峁╇娙萜鰿 1W與基座系統(tǒng)感應線圈204形成在所要頻率下諧振的諧振電路?；到y(tǒng)感應線圈204接收電力P1且在足以對電動車輛112進行充電或供電的電平下無線地傳輸電力。舉例來說，通過基座系統(tǒng)感應線圈204無線地提供的功率電平可為大約數千瓦特（kW)(例如，從1千瓦特到110千瓦特的任何值或更高或更低值）。
[0064] 包含基座系統(tǒng)感應線圈204的基座系統(tǒng)發(fā)射電路206及包含電動車輛感應線圈 216的電動車輛接收電路222可被調諧到實質上相同頻率，且可定位于由基座系統(tǒng)感應線圈204及電動車輛感應線圈116中的一者發(fā)射的電磁場的近場內。在此情況下，基座系統(tǒng) 感應線圈204及電動車輛感應線圈116可變得彼此耦合，使得電力可傳送到包含電容器C 2 及電動車輛感應線圈116的電動車輛接收電路222。可提供電容器C2以與電動車輛感應線圈216形成在所要頻率下諧振的諧振電路。電容器C 2可并聯(lián)地或串聯(lián)地與電動車輛感應線圈204耦合，或可由呈并聯(lián)或串聯(lián)拓撲的任何組合的若干電抗元件形成。元素 k(d)表示在線圈分離下引起的互耦合系數。等效電阻R e(1,2表示可為感應線圈204及216以及防電抗電容器C^SC2所固有的損耗。包含電動車輛感應線圈316及電容器C 2的電動車輛接收電路222接收電力P2且將電力P 2提供到電動車輛充電系統(tǒng)214的電動車輛電力轉換器238。
[0065] 電動車輛電力轉換器238可尤其包含LF/DC轉換器，所述LF/DC轉換器經配置以將處于操作頻率的電力轉換回到電壓電平匹配于電動車輛蓄電池單元218的電壓電平的 DC電力。電動車輛電力轉換器238可提供經轉換電力Puic以對電動車輛蓄電池單元218進行充電。電力供應器208、基座充電系統(tǒng)電力轉換器236及基座系統(tǒng)感應線圈204可靜止且位于如上文所論述的多種位置處。蓄電池單元218、電動車輛電力轉換器238及電動車輛感應線圈216可包含在為電動車輛112的部分或蓄電池組（未圖示）的部分的電動車輛充電系統(tǒng)214中。電動車輛充電系統(tǒng)214還可經配置以將電力經由電動車輛感應線圈216無線地提供到基座無線電力充電系統(tǒng)202以將電力反饋到柵格。電動車輛感應線圈216及基座系統(tǒng)感應線圈204中每一者可基于操作模式而充當發(fā)射或接收感應線圈。
[0066] 雖然未圖示，但無線電力傳送系統(tǒng)200可包含負載斷開連接單元（load disconnect unit，LDU)以使電動車輛蓄電池單元218或電力供應器208與無線電力傳送系統(tǒng)200安全地斷開連接。舉例來說，在緊急或系統(tǒng)失敗的情況下，LDU可經觸發(fā)以使負載與無線電力傳送系統(tǒng)200斷開連接。除了用于管理對蓄電池的充電的蓄電池管理系統(tǒng)以外還可提供LDU，或LDU可為蓄電池管理系統(tǒng)的部分。
[0067] 另外，電動車輛充電系統(tǒng)214可包含用于將電動車輛感應線圈216選擇性地連接到電動車輛電力轉換器238且使電動車輛感應線圈216與電動車輛電力轉換器238斷開連接的切換電路系統(tǒng)（未圖示）。使電動車輛感應線圈216斷開連接可暫時中止充電且還可調整如由基座無線充電系統(tǒng)102a(充當發(fā)射器）"經歷"的"負載"，此情形可用以"隱匿" 電動車輛充電系統(tǒng)114(充當接收器）以免為基座無線充電系統(tǒng)102a所見。如果發(fā)射器包含負載感測電路，那么可檢測負載改變。因此，例如基座無線充電系統(tǒng)202等發(fā)射器可具有用于確定例如電動車輛充電系統(tǒng)114的接收器何時存在于基座系統(tǒng)感應線圈204的近場中的機構。
[0068] 如上文所描述，在操作中，在假設能量朝向車輛或蓄電池傳送的情況下，從電力供應器208提供輸入電力，使得基座系統(tǒng)感應線圈204產生用于提供能量傳送的場。電動車輛感應線圈216耦合到輻射場且產生輸出電力以供電動車輛112存儲或消耗。如上文所描述，在一些實施例中，基座系統(tǒng)感應線圈204及電動車輛感應線圈116是根據相互諧振關系來配置，使得此時電動車輛感應線圈116的諧振頻率與基座系統(tǒng)感應線圈204的諧振頻率極接近或實質上相同。當電動車輛感應線圈216位于基座系統(tǒng)感應線圈204的近場中時，基座無線電力充電系統(tǒng)202與電動車輛充電系統(tǒng)214之間的傳輸損耗最小。
[0069] 如所陳述，通過將發(fā)射感應線圈的近場中的大部分能量耦合到接收感應線圈而不是以電磁波將大多數能量傳播到遠場而發(fā)生有效率能量傳送。當在近場中時，可在發(fā)射感應線圈與接收感應線圈之間建立耦合模式?？砂l(fā)生此近場耦合的圍繞感應線圈的區(qū)域在本文中被稱作近場耦合模式區(qū)。
[0070] 雖然未圖示，但基座充電系統(tǒng)電力轉換器236及電動車輛電力轉換器238兩者可包含振蕩器、例如功率放大器等驅動器電路、濾波器，及用于與無線電力感應線圈進行有效率耦合的匹配電路。振蕩器可經配置以產生所要頻率，所述所要頻率可響應于調整信號而加以調整。振蕩器信號可由功率放大器以響應于控制信號的放大量而放大?？砂瑸V波器及匹配電路以濾除諧波或其它非想要頻率且使電力轉換模塊的阻抗匹配于無線電力感應線圈。電力轉換器236及238還可包含用以產生合適電力輸出以對蓄電池進行充電的整流器及切換電路系統(tǒng)。
[0071] 如貫穿所揭示實施例而描述的電動車輛感應線圈216及基座系統(tǒng)感應線圈204可被稱作或被配置為"環(huán)形"天線，且更具體來說，多匝環(huán)形天線。感應線圈204及216還可在本文中被稱作或被配置為"磁性"天線。術語"線圈"希望指可無線地輸出或接收能量以用于耦合到另一"線圈"的組件。線圈還可被稱作經配置以無線地輸出或接收電力的類型的"天線"。如本文所使用，線圈204及216為經配置以無線地輸出、無線地接收及/或無線地中繼電力的類型的"電力傳送組件"的實例。環(huán)形（例如，多匝環(huán)形）天線可經配置以包含空芯或實芯，例如，鐵氧體芯?？招经h(huán)形天線可允許將其它組件放置于芯區(qū)域內。包含鐵磁體或鐵磁性材料的實芯天線可允許顯現(xiàn)較強電磁場及改善型耦合。
[0072] 如上文所論述，在發(fā)射器與接收器之間的匹配或幾乎匹配諧振期間發(fā)生發(fā)射器與接收器之間的有效率能量傳送。然而，即使當發(fā)射器與接收器之間的諧振不匹配時，也可以較低效率來傳送能量。通過將能量從發(fā)射感應線圈的近場耦合到駐留在其中建立此近場的區(qū)內（例如，在諧振頻率的預定頻率范圍內，或在近場區(qū)的預定距離內）的接收感應線圈而不是將能量從發(fā)射感應線圈傳播到自由空間中而發(fā)生能量傳送。
[0073] 諧振頻率可基于包含如上文所描述的感應線圈（例如，基座系統(tǒng)感應線圈204)的發(fā)射電路的電感及電容。如圖2所展示，電感通?？蔀楦袘€圈的電感，而電容可添加到感應線圈以創(chuàng)造處于所要諧振頻率的諧振結構。作為非限制性實例，如圖2所展示，可將電容器與感應線圈串聯(lián)地添加以創(chuàng)造產生電磁場的諧振電路（例如，基座系統(tǒng)發(fā)射電路206)。因此，對于較大直徑的感應線圈，誘發(fā)諧振所需要的電容的值可隨著線圈的直徑或電感增加而減低。電感還可取決于感應線圈的匝數。此外，隨著感應線圈的直徑增加，近場的有效率能量傳送面積可增加。其它諧振電路是可能的。作為另一非限制性實例，電容器可并聯(lián) 地放置于感應線圈的兩個端子之間（即，并聯(lián)諧振電路）。此外，感應線圈可經設計成具有高品質（Q)因數以改善感應線圈的諧振。舉例來說，Q因數可為300或更大。
[0074] 如上文所描述，根據一些實施例，揭示處于彼此的近場中的兩個感應線圈之間的耦合電力。如上文所描述，近場可對應于圍繞感應線圈的區(qū)，在所述區(qū)中，存在電磁場，但電磁場可能并不傳播或輻射離開感應線圈。近場耦合模式區(qū)可對應于接近感應線圈的實體體積的體積，通常在波長的小分數內。根據一些實施例，例如單匝及多匝環(huán)形天線的電磁感應線圈用于發(fā)射及接收兩者，這是因為：相比于電性類型天線（例如，小偶極）的電近場，對于磁性類型線圈，實際實施例中的磁性近場振幅傾向于較高。此情形允許所述對之間的潛在較高耦合。此外，可使用"電性"天線（例如，偶極及單極）或磁性天線與電性天線的組合。
[0075] 圖3為展示圖1的無線電力傳送系統(tǒng)300的示例性核心及輔助組件的另一功能框圖。無線電力傳送系統(tǒng)300說明通信鏈路376、導引鏈路366,及用于基座系統(tǒng)感應線圈304 及電動車輛感應線圈316的對準系統(tǒng)352、354。如上文參看圖2所描述，且在假設能量朝向電動車輛112流動的情況下，在圖3中，基座充電系統(tǒng)電力接口 354可經配置以將電力從例如AC或DC電力供應器126等電源提供到充電系統(tǒng)電力轉換器336。基座充電系統(tǒng)電力轉換器336可從基座充電系統(tǒng)電力接口 354接收AC或DC電力以使基座系統(tǒng)感應線圈304在其諧振頻率下勵磁或接近其諧振頻率而勵磁。當在近場耦合模式區(qū)中時，電動車輛感應線圈316可從近場耦合模式區(qū)接收能量以在諧振頻率下振蕩或接近諧振頻率而振蕩。電動車輛電力轉換器338將來自電動車輛感應線圈316的振蕩信號轉換為適合于經由電動車輛電力接口對蓄電池進行充電的電力信號。
[0076] 基座無線充電系統(tǒng)302包含基座充電系統(tǒng)控制器342,且電動車輛充電系統(tǒng)314包含電動車輛控制器344?；潆娤到y(tǒng)控制器342可包含介接到例如計算機及電力分配中心或智能型電力柵格的其它系統(tǒng)（未圖示）的基座充電系統(tǒng)通信接口 162。電動車輛控制器344可包含介接到例如車輛上的機載計算機、其它蓄電池充電控制器、車輛內的其它電子系統(tǒng)及遠程電子系統(tǒng)等其它系統(tǒng)（未圖示）的電動車輛通信接口。
[0077] 基座充電系統(tǒng)控制器342及電動車輛控制器344可包含用于具有分離通信信道的特定應用的子系統(tǒng)或模塊。這些通信信道可為分離物理信道或分離邏輯信道。作為非限制性實例，基座充電對準系統(tǒng)352可經由通信鏈路376與電動車輛對準系統(tǒng)354通信，以提供用于自主地或在操作員輔助的情況下使基座系統(tǒng)感應線圈304及電動車輛感應線圈316更緊密地對準的反饋機制。相似地，基座充電導引系統(tǒng)362可經由導引鏈路與電動車輛導引系統(tǒng)364通信，以提供用以導引操作員使基座系統(tǒng)感應線圈304及電動車輛感應線圈316 對準的反饋機制。另外，可存在由基座充電通信系統(tǒng)372及電動車輛通信系統(tǒng)374支持的分離的一般用途通信鏈路（例如，信道），以用于在基座無線電力充電系統(tǒng)302與電動車輛充電系統(tǒng)314之間傳達其它信息。此信息可包含關于電動車輛特性、蓄電池特性、充電狀態(tài)以及基座無線電力充電系統(tǒng)302及電動車輛充電系統(tǒng)314兩者的電力能力的信息，以及用于電動車輛112的維護及診斷數據。這些通信信道可為分離物理通信信道，例如，藍牙 (Bluetooth)、紫蜂（zigbee)、蜂窩式等等。
[0078] 電動車輛控制器344還可包含管理電動車輛主蓄電池的充電及放電的蓄電池管理系統(tǒng)（BMS)(未圖示）、基于微波或超聲波雷達原理的停放輔助系統(tǒng)、經配置以執(zhí)行半自動停放操作的制動系統(tǒng)，及方向盤伺服系統(tǒng)，方向盤伺服系統(tǒng)經配置以輔助很大程度上自動化停放"線控停放（park by wire)"，其可提供較高停放準確度，因此縮減針對基座無線充電系統(tǒng)l〇2a及電動車輛充電系統(tǒng)114中任一者中的機械水平感應線圈對準的需要。另夕卜，電動車輛控制器344可經配置以與電動車輛112的電子裝置通信。舉例來說，電動車輛控制器344可經配置以與視覺輸出裝置（例如，儀表板顯示器）、聲學/音頻輸出裝置（例如，蜂鳴器、揚聲器）、機械輸入裝置（例如，鍵盤、觸摸屏，及例如搖桿、軌跡球等指向裝置）及音頻輸入裝置（例如，具有電子語音辨識的麥克風）通信。
[0079] 此外，無線電力傳送系統(tǒng)300可包含檢測及傳感器系統(tǒng)。舉例來說，無線電力傳送系統(tǒng)300可包含供用以將駕駛員或車輛適當地導引到充電地點的系統(tǒng)使用的傳感器、用以使具有所需分離/耦合的感應線圈相互對準的傳感器、用以檢測可妨礙電動車輛感應線圈 316移動到特定高度及/或位置以實現(xiàn)耦合的物體的傳感器，及供用以執(zhí)行系統(tǒng)的可靠、無損壞且安全操作的系統(tǒng)使用的安全性傳感器。舉例來說，安全性傳感器可包含用于如下操作的傳感器：檢測在安全半徑之外的接近無線電力感應線圈l〇4a、116的動物或兒童的存在、檢測接近可被加熱（感應加熱）的基座系統(tǒng)感應線圈304的金屬物體、檢測基座系統(tǒng)感應線圈304上例如白熾物體等危險事件，及對基座無線電力充電系統(tǒng)302及電動車輛充電系統(tǒng)314的組件進行溫度監(jiān)視。
[0080] 無線電力傳送系統(tǒng)300還可支持經由有線連接的插入式充電。有線充電端口可集成兩個不同充電器的輸出，此后將電力傳送到電動車輛112或從電動車輛112傳送電力。切換電路可提供為支持無線充電及經由有線充電端口的充電兩者所需要的功能性。
[0081] 為了在基座無線充電系統(tǒng)302與電動車輛充電系統(tǒng)314之間通信，無線電力傳送系統(tǒng)300可使用帶內發(fā)信及RF數據調制解調器（例如，在未授權頻帶中的無線電上的以太網）兩者。帶外通信可提供足夠帶寬以用于將加值服務分配給車輛用戶/擁有者。無線電力載波的低深度振幅或相位調制可充當具有最小干涉的帶內發(fā)信系統(tǒng)。
[0082] 另外，可在不使用特定通信天線的情況下經由無線電力鏈路執(zhí)行某一通信。舉例來說，無線電力感應線圈304及316還可經配置以充當無線通信發(fā)射器。因此，基座無線電力充電系統(tǒng)302的一些實施例可包含用于在無線電力路徑上啟用鍵控型協(xié)議的控制器（未圖示）。通過在預定義時間間隔下以預定義協(xié)議來鍵控發(fā)射功率電平（幅移鍵控），接收器可檢測來自發(fā)射器的串行通信?；潆娤到y(tǒng)電力轉換器336可包含負載感測電路（未圖示），所述負載感測電路用于檢測在由基座系統(tǒng)感應線圈304產生的近場附近的有源電動車輛接收器的存在或不存在。作為實例，負載感測電路監(jiān)視流動到功率放大器的電流，所述電流受到在由基座系統(tǒng)感應線圈l〇4a產生的近場附近的有源接收器的存在或不存在影響。對功率放大器上的負載的改變的檢測可由基座充電系統(tǒng)控制器342來監(jiān)視，以用來確定是否啟用振蕩器以用于傳輸能量、與有源接收器通信，或其組合。
[0083] 為了啟用無線高電力傳送，一些實施例可經配置以傳送處于從10千赫茲到60千赫茲的范圍內的頻率的電力。此低頻耦合可允許可使用固態(tài)裝置實現(xiàn)的高度有效率電力轉換。另外，相比于其它頻帶，無線電系統(tǒng)可存在較少共存問題。
[0084] 所描述的無線電力傳送系統(tǒng)100可與包含可再充電或可更換蓄電池的多種電動車輛102 -起使用。圖4為根據示例性實施例的展示安置于電動車輛412中的可更換非接觸式蓄電池的功能框圖。在此實施例中，低蓄電池位置可用于電動車輛蓄電池單元，所述電動車輛蓄電池單元集成無線電力接口（例如，充電器到蓄電池無線接口 426)且可從嵌入于地面中的充電器（未圖示）接收電力。在圖4中，電動車輛蓄電池單元可為可再充電蓄電池單元，且可容納于蓄電池隔室424中。電動車輛蓄電池單元還提供無線電力接口 426,無線電力接口 426可集成整個電動車輛無線電力子系統(tǒng)，所述整個電動車輛無線電力子系統(tǒng) 包含在以地面為基礎的無線充電單元與電動車輛蓄電池單元之間進行有效率且安全的無線能量傳送所需要的諧振感應線圈、電力轉換電路系統(tǒng)以及其它控制及通信功能。
[0085] 以下情形可為有用的：使電動車輛感應線圈與電動車輛蓄電池單元的底側或車輛主體齊平地集成，使得不存在突起部分且使得可維持所指定地面到車體間隙。此配置可能需要電動車輛蓄電池單元中專用于電動車輛無線電力子系統(tǒng)的一些空間。電動車輛蓄電池單元422還可包含蓄電池到EV無線接口 422及充電器到蓄電池無線接口 426,充電器到蓄電池無線接口 426在電動車輛412與如圖1所展示的基座無線充電系統(tǒng)102a之間提供非接觸式電力及通信。
[0086] 在一些實施例中且參看圖1，基座系統(tǒng)感應線圈104a及電動車輛感應線圈116可處于固定位置，且所述感應線圈是通過電動車輛感應線圈116相對于基座無線充電系統(tǒng) 102a的整體放置而被帶入于近場耦合區(qū)內。然而，為了快速地、有效率地且安全地執(zhí)行能量傳送，可能需要縮減基座系統(tǒng)感應線圈104a與電動車輛感應線圈116之間的距離以改善耦合。因此，在一些實施例中，基座系統(tǒng)感應線圈104a及/或電動車輛感應線圈116可為可部署及/或可移動的以使其進行優(yōu)選對準。
[0087] 圖5A、5B、5C及為根據示例性實施例的用于感應線圈及鐵氧體材料相對于蓄電池的放置的示例性配置的圖解。圖5A展示完全鐵氧體嵌入式感應線圈536a。無線電力感應線圈可包含鐵氧體材料538a及圍繞鐵氧體材料538a纏繞的線圈536a。線圈536a自身可由絞合漆包線（stranded Litz wire)制成。可提供導電屏蔽532a以保護車輛的乘客免于過度EMF傳輸。導電屏蔽可特別用于由塑料或復合物制成的車輛中。
[0088] 圖5B展示用以增強耦合及縮減導電屏蔽532b中的渦電流（熱耗散）的經最優(yōu)地設置尺寸的鐵氧體板（即，鐵氧體背襯）。線圈536b可完全地嵌入于非傳導非磁性（例如，塑料）材料中。舉例來說，如圖5A到所說明，線圈536b可嵌入于保護性外殼534b中。由于磁親合與鐵氧體磁滯損耗之間的取舍，在線圈536b與鐵氧體材料538b之間可存在分離。
[0089] 圖5C說明線圈536c (例如，銅絞合漆包線多匝線圈）可在橫向（"X"）方向上移動的另一實施例。圖說明感應線圈模塊在向下方向上部署的另一實施例。在一些實施例中，蓄電池單元包含可部署及非可部署電動車輛感應線圈模塊540d中的一者作為無線電力接口的部分。為了防止磁場穿透到蓄電池空間530d且穿透到車輛的內部中，在蓄電池空間530d與車輛之間可存在導電屏蔽532d (例如，銅薄片）。此外，非導電（例如，塑料）保護層533d可用以保護導電屏蔽532d、線圈536d及鐵氧體材料5d38免于環(huán)境影響（例如，機械損壞、氧化等等）。此外，線圈536d可在橫向X及/或Y方向上移動。圖說明電動車輛感應線圈模塊540d在向下Z方向上相對于蓄電池單元本體部署的實施例。
[0090] 此可部署電動車輛感應線圈模塊542b的設計相似于圖5B的設計，除了在電動車輛感應線圈模塊542d處不存在導電屏蔽以外。導電屏蔽532d與蓄電池單元本體留在一起。當電動車輛感應線圈模塊542d不處于部署狀態(tài)時，保護層533d (例如，塑料層）提供于導電屏蔽432d與電動車輛感應線圈模塊542d之間。電動車輛感應線圈模塊542與蓄電池單元本體的物理分離可對感應線圈的性能有正面影響。
[0091] 如上文所論述，所部署的電動車輛感應線圈模塊542d可僅含有線圈536d(例如，絞合漆包線）及鐵氧體材料538d。可提供鐵氧體背襯以增強耦合及防止車底中或導電屏蔽532d中的過度渦電流損耗。此外，電動車輛感應線圈模塊542d可包含與電力轉換電子裝置及傳感器電子裝置的柔性電線連接。此電線束可集成到機械齒輪中以用于部署電動車輛感應線圈模塊542d。
[0092] 參看圖1，上文所描述的充電系統(tǒng)可在多種位置中用于對電動車輛112進行充電或將電力傳送回到電力柵格。舉例來說，可在停放坪環(huán)境中發(fā)生電力傳送。應注意，"停放區(qū)域"還可在本文中被稱作"停放空間"。為了增強車輛無線電力傳送系統(tǒng)100的效率，可使電動車輛112沿著X方向及Y方向對準，以使電動車輛112內的電動車輛感應線圈116能夠與相關聯(lián)停放區(qū)域內的基座無線充電系統(tǒng)l〇2a適當地對準。
[0093] 此外，所揭示實施例適用于具有一或多個停放空間或停放區(qū)域的停放坪，其中停放坪內的至少一停放空間可包括基座無線充電系統(tǒng)l〇2a?？墒褂脤б到y(tǒng)（未圖示）來輔助車輛操作員將電動車輛112定位于停放區(qū)域中，以使電動車輛112內的電動車輛感應線圈116與基座無線充電系統(tǒng)102a對準。導引系統(tǒng)可包含以電子為基礎的途徑（例如，無線電定位、測向原理，及/或光學、準光學及/或超聲波感測方法）或以機械為基礎的途徑 (例如，車輪導引、軌跡或停止），或其任何組合，以用于輔助電動車輛操作員定位電動車輛 112,以使電動車輛112內的感應線圈116能夠與充電基座（例如，基座無線充電系統(tǒng)102a) 內的充電感應線圈適當地對準。
[0094] 如上文所論述，電動車輛充電系統(tǒng)114可放置在電動車輛112的底面上以用于從基座無線充電系統(tǒng)l〇2a傳輸及接收電力。舉例來說，電動車輛感應線圈116可集成到車底中，優(yōu)選地接近中心位置，從而提供關于EM曝露的最大安全距離且準許電動車輛的前向及反向停放。
[0095] 圖6為根據示例性實施例的展示可用于對電動車輛進行無線充電的示例性頻率的頻譜的圖表。如圖6所展示，用于到電動車輛的無線高功率傳送的潛在頻率范圍可包含：在3千赫茲到30千赫茲頻帶中的VLF ;在30千赫茲到150千赫茲頻帶中的較低LF (對于類 ISM應用），其中存在一些排除；HF 6. 78兆赫茲（ITU-R ISM頻帶6. 765兆赫茲到6. 795兆赫茲）；HF 13. 56 兆赫茲（ITU-R ISM 頻帶 13. 553 到 13. 567);及 HF 27. 12 兆赫茲（ITU-R ISM 頻帶 26. 957 到 27. 283)。
[0096] 圖7為根據示例性實施例的展示可用于對電動車輛進行無線充電的示例性頻率及傳輸距離的圖表?？捎糜陔妱榆囕v無線充電的一些實例傳輸距離為約30毫米、約75毫米及約150毫米。一些示例性頻率可為VLF頻帶中的約27千赫茲，及LF頻帶中的約135 千赫茲。
[0097] 本文所描述的各種實施例的方面涉及物體（例如，所指定區(qū)內的金屬物體）的檢測。如本文所描述的用于金屬物體的檢測的系統(tǒng)及方法可并入到上文針對無線電力傳送所描述的系統(tǒng)中。舉例來說，如下文所描述的用于物體的檢測的實施例可被并入作為系統(tǒng) (例如，上文針對電能從初級結構橫越氣隙到次級結構的感應式傳送所描述的系統(tǒng)）的部分。用于能量的感應式傳送的示例性頻率可在從20千赫茲到150千赫茲的范圍內，但不限于此頻率范圍。更具體來說，用于物體的檢測的實施例及本文所描述的方法的一個應用為靜止電動道路車輛的感應式充電，且明確地說，在地面上存在磁性結構（充電墊）且存在裝設于車輛的底側（車底）處的拾取墊的實施例。其它應用可為在移動中的電動車輛的感應式供電或充電（動態(tài)充電）、便攜式電裝置及電子裝置的感應式充電、感應加熱，或產生強交變磁場的任何其它系統(tǒng)。
[0098] 此外，雖然某些實施例可用于無線電力傳送系統(tǒng)中，但應了解，本文所描述的各種實施例可適用于在與產生交變磁場的系統(tǒng)無關的預定空間中檢測金屬物體的其它應用。舉例來說，本文所描述的實施例的方面可用于檢測從預定空間移除的金屬物體的防盜檢測器、安全性系統(tǒng)、質量保證系統(tǒng)、電子物品監(jiān)測、電子物品管理及其類似者中。
[0099] 本文可使用以下縮寫：
[0100] EMF 電磁場
[0101] FOD 外來物體檢測
[0102] HF 高頻
[0103] IF 中頻
[0104] LF 低頻
[0105] LMS 最小均方
[0106] MTBF平均故障間隔時間
[0107] MUX 多路復用器
[0108] NCO 數值控制振蕩器
[0109] PCB 印刷電路板
[0110] PSTN公眾交換式電話網絡
[0111] PffB 印刷線路板
[0112] SNR 信噪比
[0113] 本文所描述的原理、方法及實施例的某些描述提及電動車輛（EV)或混合式電動車輛（HEV)的感應充電且在此上下文中必須被重視。基本原理中的一些原理還可用于如上文所提及的其它應用。然而，可修改實施例且使其適應于這些應用的特定要求。
[0114] 關于感應充電，取決于能量傳送速率（功率電平）、操作頻率、初級及次級磁性結構的大小及設計以及所述磁性結構之間的距離，一些位置處的氣隙中的通量密度可超過 0.5毫特斯拉且可達到幾毫特斯拉（Millitesla)。如果將包含某一量的良好導電材料（例如，金屬）的物體插入到初級結構與次級結構之間的空間中，那么在此物體中產生渦電流 (楞次定律（Len^ s law))，其可導致電力耗散及后續(xù)加熱效應。此感應加熱效應取決于磁通量密度、交變磁場的頻率、物體的導電結構的大小、形狀、定向及電導率。當物體曝露給磁場歷時足夠長時間時，其可變熱到可被認為關于如下方面而危險的溫度：
[0115] ?自燃（如果物體包含易燃材料，或如果其直接接觸此類材料，例如，包含薄金屬化箔的香煙封裝）；
[0116] 魯可拾取此類熱物體（例如，錢幣或鑰匙）的個人的手的灼傷；或
[0117] 魯初級或次級結構（例如，熔融成塑料的物體）的塑料殼體的損壞。
[0118] 還可在包含可實質上非傳導但展現(xiàn)明顯磁滯效應的鐵磁性材料的物體中或在產生磁滯損耗及渦電流損耗兩者的材料中預期溫度增加。因而，檢測此類物體有益于避免對應有害結果。如果物體檢測系統(tǒng)集成在用于提供無線電力的系統(tǒng)內，那么響應于檢測到有害物體，所述系統(tǒng)可縮減功率電平或關斷直到可采取措施移除有害物體為止。
[0119] 在家庭及公眾地區(qū)中的電動車輛的感應式電力傳送（例如，充電）的某些應用中，出于個人及裝備的安全性的原因，可強制性的是能夠檢測具有變熱到臨界溫度的可能性的外來物體。此情形可在其中臨界空間敞開且可被接取以使得外來物體可偶然地到達或可被有意地放到此空間中（例如，在惡意破壞的情況下）的系統(tǒng)中特別成立。
[0120] 舉例來說，用于電動道路車輛的感應式充電的德國VDE/DKE準則（VDE-AR-E 2122-4-2Elektrische Ausrilstung von Elektro-Stra^enfahrzeugen-Induktive Ladung von Elektrofahrzeugen-Teil 4-2 :Niedriger Leistungsbereich)(在下文中為 "VDE-AR-E"）（例如）定義針對感應式充電系統(tǒng)的功能空間中的熱效應的保護極限。已遵循關于低電壓電氣設備的國際標準（IEC 60364-4-42 :2010-05的"低電壓電氣設備-第4 到42部分：安全保護-防止熱效應的保護（Low-voltage electrical installations-Part 4-42 protection for safety-Protection against thermal effects) "）選擇這些極限。德國準則VDE-AR-E還定義待用于符合測試的參考物體，例如，€5分錢幣及鋁涂布箔。
[0121] 本文所描述的實施例涉及在下文中自動地檢測可位于預定義空間中的危險外來物體（例如，"金屬物體"）。明確地說，某些實施例涉及檢測經定位成鄰近于初級或次級磁性結構的表面（其中磁通量密度可超過特定值（例如，0.5毫特斯拉））的小金屬物體（例如，錢幣）。
[0122] 金屬檢測在各種工業(yè)、軍事及安全性相關區(qū)域中具有許多應用。金屬檢測器用于 (例如）：排雷（地雷檢測）；例如刀及槍等武器的檢測，例如，機場安檢；地球物理勘探；考古學；及尋寶。金屬檢測器還用以檢測食品中的外來物體，且在建筑工業(yè)中用以檢測混凝土中的鋼筋以及埋入于墻壁及地板中的管路及電線。
[0123] 在許多應用中，金屬檢測器通過頻繁地重新校準其傳感器及電路而實現(xiàn)所需高敏感度。在這些應用中，在基于用戶輸入的重新校準過程期間可排除金屬物體的存在。與此對比，高功率感應充電應用可能必須很大程度上自動地、自主地且無人式地操作。因而，各種實施例的某些方面涉及經配置以在無需實質重新校準的情況下提供固有檢測敏感度及穩(wěn)定性達數年的物體檢測系統(tǒng)。
[0124] 使用在可見光中及/或在短波紅外線中敏感的攝影機的無源光學感測 (Conductix-Wampfler、Abschlussbericht zum Verbundvorhaben 的''Kabelloses Laden von Elektrofahrzeugenim Rahmen des FuE-Programms 的''Fordcrung von Forschung und Entwicklung im Bereich der Elcklromobililar, (Weil am Rhein，2011 年 10 月）（在下文中為"Conductix-Wampfler"））可用以檢測預定區(qū)域中的外來物體。因為"金屬物體" 一般在此波長范圍內不具有特異特性，所以此方法可能無法提供足夠選擇性，使得將檢測到任何外來物體，包含不表示危險物的外來物體。在一些情況下，此情形對于系統(tǒng)的用戶來說可為不合需要的。此外，光學傳感器可能并不特別適合于如在車輛下方預期的惡劣環(huán)境中，其中通常存在強污染及由機械影響引起的損壞風險?？赡苄枰缱詣忧鍧嵉鹊鹊奶?殊保護性措施。
[0125] 可提供通過發(fā)射在可見光或短波IR范圍內的光信號對外來物體的有源光學感測。此技術是結合基于Ringbeck，T、Hagebeuker，B.的"用于物體檢測的飛行攝影機的3D 時間（A 3D time of flight camera for obiect detection)"（光學 3-D 測量技術，ETH Zurich，全體會議I :測距成像I，2007年7月9日到12日（在下文中為"Rinkbeck"））中描述的飛行時間測距技術的3D攝影機而使用。在一些情況下，使用有源光學感測可能不能夠解析處于能量傳送墊的表面上的小且薄的物體（例如，錢幣）。此外，如同無源光學感測一樣，所述方法可能不能夠區(qū)分金屬物體與非金屬物體。可檢測在光學波長下顯得不透明的任何物體。
[0126] 因為危險物體為具有變熱到臨界溫度的可能性的那些物體，所以 Conductix-Wampfler中描述的熱感測為忽視環(huán)境因素的另一途徑?？赏ㄟ^將溫度傳感器集成到能量傳送墊的殼體中而實現(xiàn)一個解決方案。為了局域化小熱物體，可提供高傳感器密度，例如，具有30毫米的光柵大小。因為傳感器需要受到機械地保護，所以其可以足夠深度嵌入到塑料殼體中，此情形可減低其敏感度且歸因于熱傳播延遲而增加其檢測時延。此類途徑關于檢測具有高燃燒風險的物體（例如，薄金屬化紙箔）來說可為緩慢且不可靠的。
[0127] 使用 Conductix-Wampfler 中描述且 TO 2011/006876A2 (Wechlin M.，Green， A. (Conductix-Wampfler AG)，"用于電能的感應式傳送的裝置（Device for the inductive transfer of electric energy)"）中描述的熱電無源紅外線（PIR)傳感器可提供替代熱感測解決方案。通常用于根據個人的運動檢測個人的這些傳感器在長波IR范圍內敏感，在長波IR范圍內，輻射譜密度針對處于低于l〇〇°C的溫度的物體變得最大（韋恩定律（WieY s law))。由于每單位面積的傳感器的數目與成本之間的取舍，PIR傳感器陣列可能并不提供適當空間分辨率以用于檢測例如電動車輛感應式充電墊等較大區(qū)域上的小到20毫米的物體。此情形可在外來物體與墊表面之間的溫度差變低（例如，在可能在車輛被停放以供充電之前發(fā)生的通過太陽輻照進行的墊加熱的情況下）的情況下特別成立。除了有限敏感度以外，此解決方案還可易受污染及機械影響。
[0128] 基于福射熱計焦點陣列的Conductix-Wampfler中描述的IR攝影機可在最佳波長范圍內提供足夠分辨率。然而，其成本可能較高。此情形可針對（例如）適合于安裝在車輛下的高低不平設計特別成立。此類攝影機可能需要特殊保護性措施，例如，在不使用熱檢測且車輛在移動中的情況下閉合的機械擋板。另外，可能需要使用很少雨刷的IR透鏡保護窗的自動清潔或相似概念。另外，如果必須考慮最小地面間隙，那么車輛底部裝設式攝影機可具有用于監(jiān)視整個臨界空間的不利視角及用于監(jiān)視所述攝影機的有限空間。如果攝影機經裝設成接近于磁性結構，那么可能需要自訂超廣角IR透鏡，或如果攝影機裝設于某一距離內（其中風景顯得高度透視且并未良好地匹配于商用現(xiàn)貨輻射熱計陣列），那么可能需要高分辨率（高數目個像素）。
[0129] Conductix-Wampfler中描述的聲學感測可為用于檢測外來物體的替代途徑?？?使用雷達原理通過發(fā)射超聲波信號且分析所接收響應來有源地執(zhí)行聲學感測。超聲波頻率 (例如，高于200千赫茲）可提供足夠分辨率以用于檢測處于能量傳送墊的表面上的小且薄的物體（例如，錢幣）的存在。然而，具有某一質量密度的所有物體可被檢測到，因此傾向于假警報。
[0130] 相對于超聲波雷達，Conductix-Wampfler中描述的無源聲學感測具有選擇性地檢測金屬物體的可能性。當曝露給強磁場時，導電物體歸因于在磁性結構的移動電荷（電流）與外來物體的移動電荷（渦電流）之間發(fā)生的力而開始振動。這些力可通過楞次定律及勞侖茲力來解釋。這些力在交變磁場的第一諧波（雙重頻率）下交替。對于高于20千赫茲的磁場頻率，這些聲學發(fā)射可在超聲波范圍內高于40千赫茲。因此，金屬物體可通過其在雙重頻率下或甚至在其諧波下的聲學發(fā)射來檢測。因為整個磁性結構在所述頻率下振動，所以可提供高空間分辨率，以便檢測小物體的存在。此情形可在超聲波頻率下使用需要高數目個傳感器的相控陣列技術來實現(xiàn)。由于感應加熱及不可接受的渦電流損耗，在一些情況下可能難以將傳感器集成到墊表面中?？赡鼙仨殻ɡ纾┭刂囕v墊的外圍布置傳感器，如Conductix-Wampfler中所建議，所述解決方案為很可能不提供用于可靠地檢測小物體的足夠分辨率的解決方案。如同光學及IR傳感器一樣，超聲波傳感器可傾向于污染及由機械影響引起的損壞。
[0131] Conductix-Wampfler中描述的電容性感測為基于電場感測的途徑。電容性感測用于觸摸屏中?？桑ɡ纾┦褂卯a生泄漏電場的薄敞開回路電線結構來實現(xiàn)電容性傳感器陣列。此電線結構可嵌入到墊的塑料殼體中。如同光學感測一樣，電容性感測無法提供金屬的選擇性檢測。電容性感測可感測改變電場且因此改變電容的任何物體。此物體包含導電材料及非導電介電材料，例如，小石頭、濕葉子等等。
[0132] 根據某些實施例，可優(yōu)選地使用基于磁場的感應式感測，這是因為可經由磁場感測的物體可為潛在地危險的物體。磁場感測可對導電及鐵磁性物體具高度選擇性。在（例如）低于20兆赫茲的頻率下（其中磁場可被認為準靜止），實際上可能不存在與非導電介電物體的相互作用，且?guī)缀醪淮嬖谂c例如具有高鹽度的水或水浸潤的紙、濕木材及樹葉等等的不良傳導材料的相互作用。
[0133] 在一些情況下，可歸因于有限范圍而稍微難以檢測小物體。在一些情況下，如果較小物體極接近于傳感器，那么可檢測較小物體。在空間中可存在物體需要被檢測的位置，其中較小物體不能被檢測。此情形在出于機械保護及穩(wěn)固性的原因而將磁場傳感器集成到能量傳送墊的殼體中的情況下特別成立。
[0134] TO 2011/006758A2(Wechlin，M.，Green，A. (Conductix-Wampfler AG)的"用于電能的感應式傳送的裝置（Device for the inductive transfer of electric energy)'，） (在下文中為"Wechlin"）揭示用于檢測位于初級電感與次級電感之間的預定空間內的金屬物體的存在的裝置。此裝置具有用于測量電感的至少一個單元、用于測量所述測量電感的阻抗的測量單元，及連接到所述測量單元的評估單元。
[0135] 根據Wechlin，測量電感可相似于初級電感，且初級電感用于檢測金屬物體。此情形可適用于需要（例如）針對較大物體的較小檢測敏感度的解決方案。為了增加（例如）針對顯著地小于初級結構的物體的檢測敏感度，可縮減測量電感的大小。
[0136] Wechlin的感測裝置可經裝備有多個較小測量電感，所述測量電感形成大致在一個平面中延伸的規(guī)則二維布置。所述平面垂直于由初級電感在操作期間產生的磁場的主方向。關于較低成本及較容易生產，這些測量電感可為共同襯底（例如，多層PCB)上的平面線圈。為了實現(xiàn)增加的線圈封裝密度（線圈重疊），Wechlin描述具有相等光柵大小但相對于第一陣列偏移達所述光柵大小的一半的第二線圈陣列的集成。
[0137] Wechlin還描述測量電感連接在一起而形成群組，且每群組存在一阻抗測量單元。在另一實施例中，Wechl in描述用于整個陣列的共同阻抗測量單元。在此實施例中，阻抗測量單元可經由模擬多路復用器（開關）連接到單個測量電感或測量電感群組。
[0138] 如Wechlin中描述的評估單元比較所測量阻抗值與經預先存儲的參考值且提供輸出以指示超過預定值的偏差。這些輸出可連接到控制單元及指示器裝置以輸出光學或聲學提醒信號?？刂茊卧€可輸出命令以撤銷啟動感應式能量傳送。
[0139] 在Conductix-Wampfler中，描述用于檢測導電或可磁化物體的替代方法。此方法使用放置在初級結構的頂部上的數個測量線圈。在此方法中，金屬物體或鐵磁性物體的檢測是基于其變更或擾動如存在于初級結構的表面處的磁場的效應。Conductix-Wampfler描述測量在感應式電力傳輸頻率下感應到線圈中每一者中的電壓。Conductix-WampIfer還指示此方法很可能對在X及y上的位移敏感，但未明確地提及次級結構相對于初級結構的位移（對準偏移）。
[0140] Conductix-Wampfler還描述被稱為"trafo"的另一方法。所述"trafo"方法使用經調諧到接近1兆赫茲的頻率的電容性負載線圈，從而形成諧振變壓器。放置在變壓器線圈上的金屬物體改變場且因此改變經傳輸電力。
[0141] 圖8A為根據實施例的示例性物體檢測電路系統(tǒng)的一部分的圖解，所述物體檢測電路系統(tǒng)經配置以經由測量感應到感測回路822a中的電壓而檢測物體824a。根據各種實施例，感測回路822a可為多匝回路（線圈），例如，以用于增加敏感度。經放置成接近于所述回路的金屬物體824a中的渦電流改變通過所述回路的磁通量且因此改變感應電壓。磁場經產生用于進行操作頻率下的感應式能量傳送的外部場。舉例來說，基座系統(tǒng)感應線圈104a可產生磁場B rai。一般來說，感測回路感應電壓取決于物體的電性質及磁性質而在振幅及相位兩者方面改變。
[0142] 圖8B為根據實施例的示例性物體檢測電路系統(tǒng)的一部分的另一圖解，所述物體檢測電路系統(tǒng)經配置以經由測量感測回路阻抗檢測物體824b。一般來說，感測回路822b 可為多匝回路（線圈）。為了測量回路阻抗，將小高頻感測電流IseffiJi入到感測回路822b 中。接近于所述回路的金屬物體824b修改如由感測回路電流Isensf生的磁通量且因此修改所述回路的電感及電阻（阻抗的虛數及實數部分）。
[0143] 與外部磁場不同的頻率（例如，經提供用于無線能量傳送的另一磁場）可用于阻抗測量，以便避免來自外部磁場的基波或諧波的干涉。
[0144] 圖8C為根據實施例的示例性物體檢測電路系統(tǒng)的一部分的又一圖解，所述物體檢測電路系統(tǒng)經配置以經由測量初級感測回路結構822c與次級感測回路結構822d之間的耦合或互阻抗（互感）檢測物體824c。一般來說，感測回路822c及822d可為多匝回路 (線圈）?？赏ㄟ^將小高頻電流注入到初級回路822c中且測量次級回路處的開路電壓（振幅及相位）來感測互感或互阻抗改變?；蛘?，次級回路可為電阻性負載的，且測量到負載中的能量傳送。此處，金屬物體修改由初級回路電流I smse產生且正傳遞通過次級回路的磁通量，因此修改一般具有虛數及實數部分的互阻抗。
[0145] 互阻抗方法還可被理解為回路感應電壓方法，然而，其中差異為：外部磁場（例如，如用于無線電力傳送）是由特別出于由專用初級感測回路822c在不同于如用于（例如）能量傳送的外部磁場的頻率的頻率下進行金屬檢測的目的而產生的磁場取代。初級回路可覆蓋整個區(qū)域或所述區(qū)域的實質待保護部分。
[0146] 感應式感測
[0147] 根據某些實施例的某些方面，感應式感測或磁場感測可提供若干益處，例如：
[0148] 魯感應式感測可對良好傳導（金屬）物體具高度選擇性；
[0149] 魯預期無由其它非金屬（電介質）物體造成的減損；
[0150] ?感應式感測電路系統(tǒng)可集成到能量傳送墊的塑料殼體中以保護傳感器免于環(huán) 境影響（污染、機械），其具有微小性能降級；以及
[0151] ?感應式感測電路系統(tǒng)可并入到充電基座中，這是因為：在大多數情況下，物體可位于基座墊表面上。此情形可允許車輛機載裝備的成本節(jié)省。
[0152] 用以增強感應式感測的方法及概念
[0153] 如上文所陳述，大回路可能并不提供如檢測可顯著地小于待保護區(qū)域的錢幣、鑰匙或飲料罐蓋子所需要的足夠高敏感度。根據各種實施例，為了檢測小物體，可根據各種實施例使用多個較小回路。
[0154] 圖9為根據示例性實施例的嵌入于無線充電墊926內的感測回路922的側視圖，感測回路922經配置以檢測物體924。所述墊具有塑料殼體928,且可經配置以固持平面感測回路922且檢測放置在墊926的表面上的任何地方的物體。充電墊926可進一步包含基座系統(tǒng)感應線圈104a(圖1)及如上文參看圖1到3所描述的相關聯(lián)電路系統(tǒng)，且可經配置以檢測墊926上的物體。圖5A到中展示墊配置的其它實例。
[0155] 傳感器的先天敏感度可被定義為如由最小物體（參考物體）的存在（如果放置在最壞情況位置處）造成的所測量量（例如，回路感應電壓、回路阻抗）的百分比改變。外來物體檢測器的總敏感度取決于傳感器的先天敏感度且取決于可為（例如）評估單元的部分的額外后處理方法的性能。
[0156] 對于小于回路大小的物體，先天敏感度隨著回路大小減低而增加。減低回路大小隱含增加覆蓋給定區(qū)域所需要的回路的數目，從而引起增加的復雜性及成本以及較高的假警報及失敗概率。
[0157] 根據某些實施例，可在運用與最小待檢測物體的大小相等或為最小待檢測物體的大小的兩倍的回路光柵大小的情況下實現(xiàn)先天敏感度與電路復雜性之間的適當取舍。舉例來說，如果最小物體為具有20毫米直徑的錢幣，那么適當回路光柵大小可為30毫米。此情形可用于回路感應電壓方法及回路阻抗方法兩者。
[0158] 圖10為根據示例性實施例的用于檢測相對于感測回路1022位于不同位置處的物體1024的示例性物體檢測電路系統(tǒng)的一部分的圖解。作為實例，圖10可說明在40千赫茲下使用放置在矩形電線回路1022上的不同位置處的錢幣1024(例如，直徑為25毫米且厚度為1.7毫米）進行的以百分比來計的回路感應電壓的改變。所述回路可由3匝細瓷漆銅線制成。關于回路陣列到如圖9所展示的磁性墊926的塑料殼體928中的可能的未來集成，可將錢幣放置在回路結構上方的高度處。舉例來說，當物體1024放置在感測回路1022的左上角時，回路感應電壓的百分比改變可為大約（例如）負百分之六。當物體1024放置在感測回路1022的中心時，回路感應電壓的百分比改變可為大約（例如）負百分之二十二。當物體1024放置為朝向感測回路1022的右上角時，回路感應電壓的百分比改變可為大約 (例如）負百分之十五。提供這些值以說明當物體1024位于不同位置中時的回路感應電壓的百分比改變的相對程度，且這些值僅為示例性的。
[0159] 同樣地，還可針對用于圖10所展示的配置的不同位置提供回路阻抗改變。對于物體1024,所測量阻抗改變?yōu)閷嵸|上歸因于其改變電感的改變。舉例來說，當物體1024放置在感測回路1022的左上角時，回路阻抗的百分比改變可為大約（例如）負百分之二。當物體1024放置在感測回路1022的中心時，回路阻抗的百分比改變可為大約（例如）負百分之八。當物體1024放置為朝向感測回路1022的右上角時，回路阻抗的百分比改變可為大約（例如）負百分之五。提供這些值以說明當物體1024位于不同位置中時的阻抗的百分比改變的相對程度，且這些值僅為示例性的。
[0160] 盡管展示較高先天敏感度，但感應回路方法可能需要克服如由鄰近磁性墊、車底結構或導電地面的變化位置（偏移及距離）造成的磁場的顯著改變?？赡苄枰紤]這些效應。
[0161] 另一方面，回路阻抗方法展現(xiàn)較低先天敏感度，但還可能對其金屬及鐵磁性環(huán)境的改變較不敏感。相對于感應回路方法，如果經由連接引線進行測量，那么其敏感度可稍微降級。取決于回路陣列的大小及阻抗分析器的位置，可能最壞情況引線長度可為1米（其中假設阻抗分析器集成到磁性墊926中）。
[0162] 對于兩種方法，物體924可在放置于回路922的中心的情況下具有最強影響且在放置于邊緣上且特別是放置于角落中時具有最弱影響。然而，應注意，對于"邊緣"及"角落" 位置，阻抗/感應電壓在鄰近回路中還可改變（其中假設回路陣列）。根據各種實施例，可在后處理中采用鄰近回路中的同步改變以改善總檢測敏感度。
[0163] 感測回路的形狀、宙向及包裝
[0164] 圖IlAUlB及IlC為根據示例性實施例的用于經配置以檢測物體的感測回路的不同示例性配置的圖解。使用如圖IlA所說明（例如，如圖IlA所展示）的重疊回路1122a 及1122b的陣列1122可改善感應式傳感器系統(tǒng)的先天敏感度。在此布置中，回路1122a及 1122b稍微大于所述陣列的光柵大小。使如圖IlA所展示的回路重疊會改善最壞情況敏感度，而以最好情況敏感度為代價（定中心于回路中的錢幣）。重疊會縮減對感測回路陣列 1122的敏感度漣波。對于使用印刷電路板的實施例，行及列中的重疊可使用（例如）至少 4個銅層。
[0165] 可通過將回路的尺寸設置成在X方向及y方向兩者上同樣地稍微大于光柵大小而使先天敏感度變化相等。重疊面積對非重疊面積的比率可在從〇. 5到2的范圍內，其可提供各種益處。
[0166] 根據各種實施例，代替使用正方形或矩形形狀，回路1122a及1122b可為圓形、六邊形、三角形。在回路陣列1122中，經致密包裝的六邊形回路可提供改善型敏感度，其中非重疊結構在實施于印刷電路板中時需要較低數目個銅層。
[0167] 此外，回路的大小、形狀或光柵大小可適應于局部敏感度要求。在具有（例如）磁通量密度的局部變化的表面上，可存在具有熱效應的較低可能性而因此具有放寬的敏感度要求的區(qū)域/地區(qū)。較大回路可放置在這些較不關鍵區(qū)域中，從而對敏感度、布線及電路復雜性進行取舍。
[0168] 對于回路阻抗測量方法，產生磁通量的例如如圖IlB所展示的雙重回路、三重回路（三葉草）或甚至四重回路的其它回路拓撲在受到感測電流驅動時從一個極點區(qū)域到另一極點區(qū)域成拱形。圖IlB展示用于雙重回路1122c的拓撲，其展示感測電流方向。這些結構可用于優(yōu)化檢測性能，例如，其中主要水平場分量可用于檢測金屬物體的應用中。
[0169] 產生經不同定向的磁場的結構的組合（例如，雙重回路加單個回路）在以90°相位偏移受到驅動的情況下產生旋轉磁性向量場。使用此類圓形或橢圓形偏振場還可在某些應用中導致改善型檢測性能。
[0170] 根據一實施例，通過在實質上平行于磁場線的平面中使用電線回路922,使得實際上零通量傳遞通過所述回路，可顯著地增加回路感應電壓方法的先天敏感度。為了將其集成到充電墊926的殼體中，存在如圖IlC所說明的低剖面螺線管線圈1122,在圖IlC中，螺線管線圈1122可處于實質上平行于磁場的方向的平面中。
[0171] 即使小金屬物體也可急劇地提升通過回路的通量，這是因為其改變磁場線的方向。在此情況下的回路感應電壓的相位通常相對于外部磁場而偏移。如上文已經陳述，此相位偏移取決于物體的電性質及磁性質。導電物體相比于鐵磁性物體產生不同相移。
[0172] 然而，如果磁性墊移位或墊電流改變，那么還可經歷增加的通量及相移。諧振感應式能量傳送的特征為初級電流與次級電流之間的90度相移。此情形還可造成經感測電壓的相移。
[0173] 根據一些實施例，使用正交回路系統(tǒng)（實質上處于垂直平面中的回路，例如，平面線圈及螺線管）還可增強回路感應電壓方法的敏感度。因為金屬物體通?？筛淖兤渫饨?中的磁場的方向，所以通過正交回路布置感測通量分量可提供額外信息以改善檢測器的性能。
[0174] 此外，使用一對回路（例如，呈雙重"D"布置）的感應平衡為實施于金屬檢測器中的技術，例如，如用于地雷檢測。通過連續(xù)地執(zhí)行校準過程而維持平衡。外來物體可稍微改變傳遞通過兩個線圈的通量。一般來說，此改變在兩個回路中可不相等，因此暫時使橋接器不平衡。此方法可對磁場可歸因于其它因素而改變的情形敏感。
[0175] 還可基于圖8A的回路阻抗實現(xiàn)感應式平衡或基于使用圖8C的兩個耦合回路的互阻抗方法實現(xiàn)感應式平衡。對于后者，回路822c及822d可經定位成使得由初級回路822c 產生的通量在次級回路822d中實際上或實質上抵消（零耦合）。當將物體放置在這些回路 822c及822d的敏感區(qū)域中時，其使通過次級的通量不平衡，因此急劇地增加耦合。墊的磁性結構還可使系統(tǒng)不平衡。即使在印刷電路板布局中考慮這些效應，解決方案也可對制造公差極其敏感。
[0176] 為了在感測回路中的短路的不太可能事件中避免PWB的過度加熱及連續(xù)損壞，可使回路熔斷。可根據設計使用細電線或細PWB跡線來實現(xiàn)熔斷，或在通過在經界定位置處將尖頂插入于PWB跡線中而不準許電阻增加的情況下，可實現(xiàn)熔斷。
[0177] 用于增強磁場感測的方法
[0178] 圖12為根據示例性實施例的經配置以基于磁場感測檢測物體的示例性電路1200 的功能框圖。此章節(jié)描述用于增強基于感測如由磁性結構（例如，遍及預定區(qū)域的充電墊 926)產生的磁場（通量密度）的金屬物體檢測器的性能的實施例。充電墊926可對應于如上文參看圖1到3所描述的充電系統(tǒng)。電路1200可包含若干感測回路1222a、1222b、1222c 及1222d(在下文中被集體地稱作感測回路1222)。感測回路1222可形成覆蓋其中金屬物體可被檢測的待保護區(qū)域的經致密包裝回路陣列的部分。如上文所描述，可通過測量感應到感測回路1222中的電壓實現(xiàn)物體924的檢測。電路1200包含檢測電路1230,檢測電路 1230經由多路復用器1228選擇性地耦合到感測回路1222中的每一者。檢測電路1230包含磁場測量單元1234,磁場測量單元1234經配置以測量感測回路1222中的每一者的磁場強度。將感測回路的所測量值B k提供到包含比較器1236及決策器1238的評估單元1232。比較器接收所測量磁場值Bk且比較值B k與參考磁場值B Mf,k。參考磁場值可對應于在不存在任何待檢測物體的情況下用于感測回路1222a的磁場的預期值?；诒容^器1236的輸出，決策器1238經配置以確定是否存在物體。舉例來說，決策器1238可確定所測量值B k與參考值之間的差大于閾值且作為響應而輸出物體被檢測到的信號。決策器1238可基于可影響結果以使其增加的已知操作特性進一步補償比較器的輸出。
[0179] 或者，關于圖12中的電路，可使用霍耳效應傳感器的陣列或基于巨磁電阻（GMR) 效應或適合于感測磁場的任何其它方法的傳感器。
[0180] 還可為有用的是分尚地感測磁場向量的X分量、y分量及z分量中的至少一者。
[0181] 根據圖12的電路的實施例可在如下使用情況下有用：其中在基座墊表面上存在經受（例如）歸因于可處于不同垂直及水平位置（不同對準偏移）的車輛拾取墊及金屬車底結構的存在產生的暫時改變（擾動、失真）的磁場。評估可基于最小均方誤差準則且可被實施到檢測器的評估單元1232中。還可使用運用其它誤差度量及反復過程的其它更復雜方法，例如，隨機樣本一致方法（RANSAC)。
[0182] 可如下制訂用于檢測物體的示例性過程：
[0183] 尋找摘錄對如存在于磁性充電墊的表面上的磁場型樣的很小影響（失真、擾動、干擾）的小金屬物體。此場型樣可展現(xiàn)歸因于非均質磁性結構（錢幣、鐵氧體）的流量密度的強變化，及歸因于車輛墊及金屬車底結構的不同位置的額外暫時變化（失真）。舉例來說，可存在顯著場失真及來自墊對準偏移的其它影響。
[0184] 然而，相比于歸因于對準偏移的場失真，由小金屬物體（例如，錢幣，特別是在以四個鄰近回路的次序進行放置的情況下，其中每一回路的先天敏感度較低）施加的對墊 936的表面上的磁場的影響可較小。在此類情況下，對磁通量密度型樣的影響可較小。
[0185] 然而，可通過從在存在物體的情況下測量的場型樣減去如在不存在物體924的情況下測量的場型樣（參考場型樣）而使物體924的影響可見。
[0186] 在一些情況下，在必須在相對于參考型樣失真的磁場型樣中檢測物體924的情況下可為困難的。作為校準程序的部分，可在零偏移條件下且在經界定氣隙距離處采取參考型樣且將參考型樣存儲在系統(tǒng)中。然而，可必須在如在現(xiàn)實使用情況下引起的不同條件下檢測物體。在一些情況下，計算差異場型樣的方法可歸因于誤差而不足，所述誤差是歸因于在偏移條件下的場失真可遠大于物體的影響，從而需要更復雜方法。
[0187] 因而，根據一實施例，改善型檢測方法可基于最小均方途徑，如下：
[0188] 定義：
[0189] Bref(Xi，yj):參考通量密度值（在X及y方向上延伸的參考場型樣），例如，如存儲在外來物體檢測系統(tǒng)中且在工廠生產時在預定條件下通過校準而獲得
[0190] 如在現(xiàn)實情境中（例如，在存在偏移及不同氣隙距離的情況下）測量的實際流量密度值（失真場型樣）
[0191] γ O^yya1, a2，…，aj :補償實際場型樣中的失真效應的具有多個參數的校正函數。在最簡單情況下，此函數可為Z偏移以及X斜率及y斜率可通過參數ai，a2, a3修改的平面。
[0192] 所述方法可包含計算在將校正函數施加到實際所測量場值且減去參考通量密度值之后引起的差異場值的均方誤差

【權利要求】
1. 一種用于在磁場中檢測物體的存在的設備，所述設備包括：電源電路，其經配置以產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力；以及檢測電路，其經配置以發(fā)射信號且基于所述所發(fā)射信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體的振動的頻率。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中所述電源電路包括天線，所述電源電路經配置以在一頻率下將交流電施加到所述天線以產生所述磁場，且其中所述檢測電路經配置以基于所述振動頻率檢測出所述物體為金屬物體。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中所述檢測電路經配置以響應于所述檢測出所述振動頻率為所述交流電的所述頻率的實質上兩倍而檢測出所述物體為金屬物體。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中所述信號包括微波載波信號，且其中所述檢測電路經配置以基于微多普勒效應檢測所述振動頻率。
5. 根據權利要求4所述的設備，其中所述檢測電路經配置以至少部分地基于檢測在距所述微波載波信號的一頻率的偏移下的所述信號的所述反射中的響應而檢測所述振動頻率。
6. 根據權利要求1所述的設備，其中所述檢測電路經配置以確定所述物體的類型或所述物體與所述檢測電路相隔的距離中的至少一者。
7. 根據權利要求6所述的設備，其中所述檢測電路包括經配置以發(fā)射所述信號的處于不同位置的元件陣列，所述檢測電路經配置以基于由所述陣列中的所述元件接收的所述信號的所述反射確定所述物體的所述類型或所述物體的所述距離中的至少一者。
8. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括第二電路，所述第二電路經配置以響應于基于所述振動頻率檢測出所述物體為金屬物體而產生磁性脈沖，所述磁性脈沖具有高于所述磁場的磁場強度的磁場強度。
9. 根據權利要求8所述的設備，其中所述檢測電路經配置以檢測取決于所述物體響應于所述磁性脈沖的移動的特性以確認所述金屬物體的所述存在。
10. 根據權利要求9所述的設備，其中所述特性包括在所述物體響應于所述磁性脈沖而移動時的所述物體的速度。
11. 根據權利要求1所述的設備，其中所述負載包括電動車輛的蓄電池。
12. -種用于在磁場中檢測物體的存在的方法，所述方法包括：產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力，所述磁場造成所述物體的振動；以及發(fā)射信號且基于所述所發(fā)射信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體的所述振動的頻率。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中產生所述磁場包括在一頻率下將交流電施加到天線，且其中檢測包括基于所述振動頻率檢測出所述物體為金屬物體。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中檢測包括響應于所述檢測出所述振動頻率為所述交流電的所述頻率的實質上兩倍而檢測出所述物體為金屬物體。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中所述信號包括微波載波信號，且其中檢測包括基于微多普勒效應檢測所述振動頻率。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中檢測包括至少部分地基于檢測在距所述微波載波信號的一頻率的偏移下的所述信號的所述反射中的響應而檢測所述振動頻率。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中發(fā)射信號包括從處于不同位置的元件陣列中的每一元件發(fā)射信號，其中所述方法進一步包括基于由所述陣列中的所述元件接收的所述信號的所述反射確定所述物體的類型或所述物體的距離中的至少一者。
18. 根據權利要求11所述的方法，其進一步包括響應于基于所述振動頻率檢測出所述物體為金屬物體而產生磁性脈沖，所述磁性脈沖具有高于所述磁場的磁場強度的磁場強度。
19. 根據權利要求18所述的方法，其進一步包括檢測取決于所述物體響應于所述磁性脈沖的移動的特性以確認所述金屬物體的所述存在。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中所述特性包括在所述物體響應于所述磁性脈沖而移動時的所述物體的速度。
21. -種用于在磁場中檢測物體的存在的設備，所述設備包括：用于產生所述磁場且在足以對負載進行供電或充電的電平下經由所述磁場無線地傳送電力的裝置；以及用于發(fā)射信號的裝置，及用于基于所述所發(fā)射信號的反射檢測由所述磁場造成的所述物體的振動的頻率的裝置。
22. 根據權利要求21所述的設備，其中所述用于產生所述磁場的裝置包括用于在一頻率下產生所述磁場的裝置，且其中所述用于檢測的所裝置包括用于基于所述振動頻率檢測出所述物體為金屬物體的裝置。
23. 根據權利要求22所述的設備，其中所述用于檢測的裝置包括用于響應于所述檢測出所述振動頻率為所述磁場的所述頻率的實質上兩倍而檢測出所述物體為金屬物體的裝置。
24. 根據權利要求21所述的設備，其中所述信號包括微波載波信號，且其中所述用于檢測的裝置包括用于基于微多普勒效應檢測所述振動頻率的裝置。
25. 根據權利要求24所述的設備，其中所述用于檢測的裝置包括用于至少部分地基于檢測在距所述微波載波信號的一頻率的偏移下的所述信號的所述反射中的響應而檢測所述振動頻率的裝置。
26. 根據權利要求21所述的設備，其中所述用于發(fā)射信號的裝置包括用于從處于不同位置的元件陣列中的每一元件發(fā)射信號的裝置，其中所述設備進一步包括用于基于由所述陣列中的所述元件接收的所述信號的所述反射確定所述物體的類型或所述物體的距離中的至少一者的裝置。
27. 根據權利要求21所述的設備，其進一步包括用于響應于基于所述振動頻率檢測出所述物體為金屬物體而產生磁性脈沖的裝置，所述磁性脈沖具有高于所述磁場的磁場強度的磁場強度。
28. 根據權利要求27所述的設備，其進一步包括用于檢測取決于所述物體響應于所述磁性脈沖的移動的特性以確認所述金屬物體的所述存在的裝置。
29. 根據權利要求28所述的設備，其中所述特性包括在所述物體響應于所述磁性脈沖而移動時的所述物體的速度。
【文檔編號】G01S13/56GK104428692SQ201380036632
【公開日】2015年3月18日申請日期:2013年7月10日優(yōu)先權日:2012年7月13日
【發(fā)明者】漢斯彼得·威德默, 馬庫斯·比特納, 盧卡斯·西貝爾, 馬塞爾·菲舍爾申請人:高通股份有限公司

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