無線能量傳送系統(tǒng)中的外部物體檢測的制作方法
【專利摘要】一種無線能量傳送系統(tǒng)包括外部物體碎片檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個被配置成產(chǎn)生振蕩磁場的無線能量傳送源。可以通過放置在振蕩磁場中的至少一個場梯度計來檢測外部物體碎片。可以使用讀出電路來測量至少一個場梯度計的電壓，以及可以使用基于來自梯度計的讀數(shù)的反饋環(huán)來控制無線能量源的參數(shù)。
【專利說明】無線能量傳送系統(tǒng)中的外部物體檢測
[0001]交叉申請的相關(guān)引用
[0002]本申請要求享受于2011年9月提交的美國臨時專利申請61/532，785的權(quán)益。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開內(nèi)容涉及無線能量傳送以及用于在無線功率傳輸系統(tǒng)上檢測外部物體碎片(FOD)的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]可以使用各種已知的輻射的、或遠(yuǎn)場的、以及非輻射的、或近場的技術(shù)來無線地傳送能量或功率，上述技術(shù)如在例如共同擁有的、于2010年5月6日公布為US2010/010909445 的并且名稱為 “Wireless Energy Transfer Systems” 的美國專利申請12/613,686、于2010年12月9日公布為2010/0308939并且名稱為“IntegratedResonator-Shield Structures”的美國專利申請 12/860，375、于 2012 年 3 月 15 日出版為2012/0062345 并且名稱為 “Low Resistance Electrical Conductor” 的 emigration 專利申請 13/222，915、以及公布的并且名稱為 “Mult1-Resonator Wireless Energy Transferfor Lighting”的美國專利申請13/283，811中進(jìn)行了詳細(xì)描述，通過引用的方式將上述專利申請的內(nèi)容并入本文。
[0005]依賴兩個耦合的共振器之間的振蕩磁場的無線充電系統(tǒng)可以是有效的、非輻射的以及安全的。在共振器之間插入的非磁性和/或非金屬的物體不會在實質(zhì)上與用于無線能量傳送的磁場相互作用。在一些實施例中，無線功率傳送系統(tǒng)的用戶可能希望檢測到這些“外部物體”的存在并且希望控制、減小、關(guān)閉、警告等該無線功率傳送系統(tǒng)。插入共振器之間的金屬物體和/或其它物體可能以使得該金屬物體和/或其它物體擾亂無線能量傳送和/或大幅地加熱的方式與無線功率傳送系統(tǒng)的磁場相互作用。在一些實施例中，無線功率傳送系統(tǒng)的用于可能希望檢測到這些“外部物體”的存在，并且可能希望控制、減小、關(guān)閉、警告等該無線功率傳送系統(tǒng)。
[0006]位于無線功率傳輸系統(tǒng)附近的外部物體碎片(FOD)可以是良性的和/或可以以良性的方式與用于能量傳送的場相互作用。良性FOD的示例可以包括:灰塵、沙子、葉子、小枝、雪、油脂、油、水以及不與低頻磁場顯著相互作用的其他物質(zhì)。在實施例中，F(xiàn)OD可能包括可能以良性的方式與用于無線能量的場相互作用的物體，但是由于感知到的危險或者出于占優(yōu)勢的謹(jǐn)慎，限制其不能非?？拷鼰o線傳送系統(tǒng)的共振器的區(qū)域。該類型的FOD的常見示例是:例如，一只貓可能希望睡在無線EV充電系統(tǒng)的線圈之間。在實施例中，一些FOD可能以可能擾亂用于能量傳送的共振器的特征、可能阻礙或減少用于能量傳送的磁場或可能產(chǎn)生或或燃燒危險的方式與磁場相互作用。在一些應(yīng)用中，為了避免易燃的金屬物體變得足夠熱以在高功率充電期間燃燒，特殊的預(yù)防是必要的。一些金屬物體可以加熱并且具有足夠的熱容量，以導(dǎo)致燃燒或?qū)υ谄淙匀粺岬臅r候撿起其的人導(dǎo)致不舒服。示例包括工具、線圈、金屬塊、易拉罐、鋼絲絨、食物(口香糖、漢堡包等)包裝紙、具有金屬箔的香煙包等。[0007]因此，需要的是用于檢測或減輕在無線能量傳送系統(tǒng)附近的FOD效應(yīng)的方法和設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，一種外部物體碎片檢測系統(tǒng)可以使用磁場傳感器和/或梯度計來測量圍繞無線能量傳送系統(tǒng)的共振器的磁場中的擾動?？梢詫鞲衅骱?或梯度計放置在無線能量傳感系統(tǒng)的磁場中。該傳感器和/或梯度計可以包括線環(huán)和/或形成環(huán)的印刷導(dǎo)體軌跡、數(shù)字8形環(huán)、和/或包括產(chǎn)生穿過其表面、與磁通量的量成正比的電信號的一個環(huán)或多個環(huán)的結(jié)構(gòu)。可以將該一個環(huán)和/或多個環(huán)連接到高輸入阻抗讀出電路。該讀出電路可以測量環(huán)中的電壓和/或電流、和/或電壓和/或電流的相對相位。在實施例中，該系統(tǒng)可以包括用于增加FOD的檢測可能性的多層環(huán)。在實施例中，可以將上述環(huán)設(shè)計成在不顯著影響無線功率傳送系統(tǒng)的特征的情況下操作，上述無線功率傳送系統(tǒng)的特征例如為共振器的擾動質(zhì)量因子、能量傳送的效率、所傳送的功率量、由系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱
且雄里寺。
[0009]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，提供了一種無線能量傳送系統(tǒng)，其可以包括外部物體碎片檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括配置成產(chǎn)生振蕩磁場的無線能量傳送源?？梢杂煞胖迷谡袷幋艌鲋械膱鎏荻扔媮頇z測外部物體碎片?？梢允褂米x出電路來測量場梯度計的電壓和/或電路，以及可以使用基于來自梯度計的讀數(shù)的反饋環(huán)來控制無線能量源的參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1示出了具有提供被動FOD減輕的共振器蓋的共振器的側(cè)視圖。
[0011]圖2是可以用作單獨(dú)的場傳感器并且可以被制成梯度計的兩個線圈，上述梯度計檢測由上述兩個單獨(dú)的場傳感器捕獲的磁通量中的差異。
[0012]圖3A示出了被布置成具有相反的磁偶極子(可以將這樣的結(jié)構(gòu)稱為磁四極)的兩個小導(dǎo)體環(huán)路的雙葉配置；3B示出了對齊的磁四極的4葉配置；3C示出了相反的四極的4葉配置，有時稱為八極；以及3D示出了在線性維度擴(kuò)展的4葉配置。“ + ”和符號以相對的參考系指不每一環(huán)路的磁偶極子的方向。
[0013]圖4A示出了 FOD檢測器陣列，其包括具有方形的環(huán)路，以實現(xiàn)較高的區(qū)域填充因子；并且4B示出了具有兩個偏移陣列、可以用于消除盲點的布置的實施例。
[0014]圖5示出了連接到讀出電路的FOD檢測器。
[0015]圖6示出了連接到讀出電路的FOD檢測器陣列。
[0016]圖7示出了連接到讀出電路和同步路的FOD檢測器陣列。
[0017]圖8示出了 FOD檢測器環(huán)路的示例性實施例。
[0018]圖9A-9C示出了來自數(shù)字8形梯度計傳感器的示例性電壓測量曲線。
[0019]圖10示出了示例性EV充電器系統(tǒng)的框圖。
【具體實施方式】
[0020]可以將用于減輕FOD風(fēng)險的方法分類為被動減輕技術(shù)和主動減輕技術(shù)。被動減輕技術(shù)可以用于避免FOD進(jìn)入或保持在高磁場的區(qū)域內(nèi)。被動減輕技術(shù)可以降低FOD與磁場危險地相互作用的可能性。主動減輕技術(shù)可以用于檢測FOD的存在并對FOD的存在做出反應(yīng)。
[0021]被動減輕技術(shù)
[0022]被動減輕技術(shù)可以用于使FOD不進(jìn)入共振器之間的區(qū)域或高磁場的特定區(qū)域，從而避免了 FOD與磁場之間的相互作用。
[0023]通過額外的示例性實施例，無線功率傳送系統(tǒng)中的共振器蓋的設(shè)計可以提供被動的FOD減輕技術(shù)。在實施例中，可以形成源和/或設(shè)備和/或轉(zhuǎn)發(fā)器共振器的外殼的形狀，以避免FOD來到接近磁場可能較大的共振器和/或共振器線圈的區(qū)域?？梢詫⒐舱衿魍鈿ぴO(shè)計成彎曲的、有角的或形成為迫使蓋上的任何FOD滾離該蓋并且遠(yuǎn)離共振器和/或高磁場的形狀?？梢孕纬晒舱衿魍鈿さ男螤罨蚍胖闷湟栽试S重力將物體拉離共振器。在其他實施例中，可以將共振器的外殼和位置設(shè)計成使用其他自然的或普遍存在的力量，以移開F0D。例如，可以使用水流、風(fēng)、振動等的力量來避免FOD累積或停留在外繞共振器的不想要的區(qū)域。在實施例中，可以將共振器布置成基本上垂直于地面，使得物體不能自然地停留或累積在共振器上。在實施例中，共振器外殼可以包括為FOD和共振器不僅之間提供最小距離的排除區(qū)域。該排除區(qū)域可以充分大，以確保在排除區(qū)域之外的場充分小，以不造成安全或性能隱患。
[0024]在圖1中示出了提供一定程度的被動FOD保護(hù)的示例性共振器。無線功率傳送系統(tǒng)的磁共振器104可以利用成形的蓋102包圍、或由成形的蓋102封入、或被放置在成形的該102的下面。蓋102的形狀可以迫使F0D106由于重力滾下蓋102。蓋102的形狀通過迫使任何FOD到共振器的側(cè)面和/或離開圍繞共振器的、在其中磁場的強(qiáng)度高得足夠?qū)е掠捎贔OD的加熱造成的危險情況的區(qū)域，可以避免F0D106在蓋102的頂部累積和/或位于共振器104的附近。在實施例中，可以迫使FOD離高場區(qū)域足夠遠(yuǎn)，以不再對被場加熱和/或點燃構(gòu)成風(fēng)險。
[0025]在其他示例性且非限制性的實施例中，被動的FOD技術(shù)可以包括規(guī)定共振器和/或共振器部件的尺寸，以減少無線功率交換區(qū)域中任何地方的最大磁場密度低于期望極限。在實施例中，可以使用相對大的共振器線圈來減輕FOD風(fēng)險的子集。對于固定級別的功率傳送，較大共振器線圈的使用可以用于減少無線傳送一定量的功率所需的每單位區(qū)域磁場強(qiáng)度。例如，可以將由源產(chǎn)生的最大磁場強(qiáng)度減少至低于一閾值，可以知道在該閾值上要發(fā)生加熱或其他危險。被動減輕技術(shù)可能并不總是可行的或?qū)嶋H的或充分的。例如，由于系統(tǒng)成本的限制或要將共振器并入到指定容積的系統(tǒng)內(nèi)的期望，因此通過增加共振器的大小減少FOD危險可能是不實際的。但是，即使在完全地被動技術(shù)不可能的應(yīng)用中，還可以至少部分地使用實際的和/或充分的、被動減輕技術(shù)來減少FOD風(fēng)險，并且其可以與主動減輕技術(shù)互補(bǔ)。
[0026]主動減輕技術(shù)
[0027]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，用于FOD的主動減輕技術(shù)可以包括可以檢測金屬物體、熱物體、共振器參數(shù)的擾動和/或磁場分布中的擾動的檢測器系統(tǒng)。
[0028]根據(jù)示例性和非限制性的實施例，諸如金屬物體之類的FOD物體可能具有足夠的大小、程度和/或金屬成分以擾亂無線能量傳送系統(tǒng)的效率或功率傳送能力。在這樣的情況下，可以通過檢測與無線功率系統(tǒng)的源共振器和/或設(shè)備共振器和/或轉(zhuǎn)發(fā)器共振器相關(guān)聯(lián)的電壓、電流、和/或功率中的一個多個的變化來確定所述FOD物體的存在。一些FOD物體可能擾亂用于能量傳送的共振器的參數(shù)和/或可能擾亂該能量傳送的特征。例如，F(xiàn)OD物體可能改變共振器的阻抗。根據(jù)示例性且非限制性的實施例，可以通過測量共振器和無線能量傳送的電壓、電流、功率、相位、頻率等來檢測這些擾亂。可以使用預(yù)期的或預(yù)測的值的改變或偏差來檢測FOD的存在。在示例性的實施例中，在無線功率系統(tǒng)中可能不需要專用的FOD傳感器來檢測FOD或?qū)OD做出反應(yīng)。
[0029]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，F(xiàn)OD物體可能只微弱地擾亂無線能量傳送，并且通過監(jiān)測共振器的電參數(shù)和/或無線能量傳送的特征，可能在實質(zhì)上不能檢測。但是，這樣的物體可能仍然產(chǎn)生危險。例如，僅微弱地與磁場相互作用的FOD物體可能仍然大幅加熱。可能僅微弱地與磁場相互作用、但是可能經(jīng)歷顯著加熱的FOD物體的示例是金屬箔和包裝紙，例如經(jīng)常在口香糖和香煙的包裝中發(fā)現(xiàn)的以及例如經(jīng)常用于包裝來自諸如漢堡王和肯德基炸雞之類的快餐店的食物的。當(dāng)被放置在3.3-Kw無線能量車輛充電系統(tǒng)的共振器之間時，通過檢測與共振器和/或能量傳送系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的電氣參數(shù)，口香糖包裝紙可能無法檢測到。但是，所述的包裝紙可能仍然吸收了足夠的功率，以快速地加熱并使得紙最終燃
Jyti ο
[0030]根據(jù)示例性和非限制性的實施例，針對FOD的活動減輕系統(tǒng)可以包括溫度傳感器來檢測靠近無線能量傳送系統(tǒng)的熱點、熱區(qū)域、和/或熱物體。一種系統(tǒng)可以包括用于檢測圍繞能量傳送系統(tǒng)的熱源、熱梯度等任何數(shù)量的溫度傳感器、紅外檢測器、照相機(jī)等。在實施例中，可以單獨(dú)使用熱物體感測或除了其他活動和被動的減輕技術(shù)之外，還是要熱物體感測，并且可以使用熱物體感測來進(jìn)一步提高熱FOD的可檢測性和/或減少其他活動FOD系統(tǒng)的誤警率。
[0031]根據(jù)示例性和非限制性的實施例，僅微弱地擾亂兩個共振器之間的磁場的針對FOD物體的活動減輕系統(tǒng)可以包括:用于測量在FOD物體附近的磁場的小變化的傳感器。例如，金屬箔和紙口香糖包裝可能不會實質(zhì)上改變兩個共振器之間的磁通量，但是如果其覆蓋和/或阻擋了線圈或環(huán)路區(qū)域的任何部分，則其可能實質(zhì)上改變通過小得多的傳感器線圈或環(huán)路的磁通量。在實施例中，通過測量在FOD附近的磁場變化、振動、梯度等可以檢測由FOD的存在所導(dǎo)致的磁場中的局部干擾。
[0032]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，如圖2中所示出的，可以使用兩個小線圈202、204來實現(xiàn)FOD傳感器?？梢詫⑦@樣的傳感器放置在用于無線能量傳送的共振器上或附近。在操作期間，無線能量傳送系統(tǒng)產(chǎn)生穿過兩個線環(huán)的磁場。每個單獨(dú)的環(huán)形成與穿過每一環(huán)206、208的內(nèi)部的磁通量的數(shù)量成正比的電壓。對于第一階，由兩個環(huán)形成的電壓之間的差與接近環(huán)的磁場的梯度成正比。如果將兩個環(huán)放在均勻場的區(qū)域中，并且上述環(huán)基本相似，則由兩個環(huán)形成的電壓之間的差異可能非常小。例如，如果放置口香糖包裝使得其部分地覆蓋環(huán)中的一個但是不覆蓋另一個，則由兩個環(huán)形成的電壓的差異將比包裝不在時大，這是因為口香糖包裝的金屬箔可以使本將正常穿過該環(huán)的磁通量中的一些轉(zhuǎn)向或吸收了本將正常穿過該環(huán)的磁通量中的一些。在實施例中，來自兩個環(huán)的輸出可以彼此相減，使得當(dāng)所感測的場基本均勻時，環(huán)的組合產(chǎn)生小信號，當(dāng)在兩個環(huán)之間的場存在梯度時，環(huán)的組合產(chǎn)生可測量地更大的信號。當(dāng)環(huán)和/或線圈被配置成在存在場梯度的情況下產(chǎn)生信號時，可以將其稱為被安排成梯度計。請注意，可以使用模擬電路、數(shù)字電路和/或通過在特定的配置中將環(huán)連接在一起來減去來自環(huán)的信號。傳感器和/或梯度計的靈敏度可以與兩個環(huán)之間的電壓差的幅度和/或相位相關(guān)。
[0033]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，可以調(diào)整傳感器和/或梯度計的靈敏度，以優(yōu)先地檢測給定大小或大于給定大小的物體。可以調(diào)整靈敏度以減少誤檢率、降低檢測系統(tǒng)的噪聲、和/或在一頻率范圍上操作。在實施例中，可以調(diào)整環(huán)的大小和形狀，以調(diào)整傳感器的靈敏度。可以將環(huán)調(diào)整成包含更多轉(zhuǎn)彎和或包括額外的環(huán)，例如諸如四個環(huán)或8個環(huán)之類的。在實施例中，可以放置環(huán)以具有旋轉(zhuǎn)對稱或可以將其安排成直線排列或使其成形為充滿任何大小和形狀的區(qū)域。
[0034]在場密度在可以放置梯度計和/或可以實現(xiàn)其他的梯度計和/或環(huán)設(shè)計的位置中可能不均勻的實施例中，金屬物體的存在可能導(dǎo)致與兩個環(huán)電壓之間的差對應(yīng)的波形的幅度和/或相位變化。在實施例中，上述環(huán)可以具有多個轉(zhuǎn)彎。根據(jù)示例性且非限制性的實施例，可以根據(jù)無線能量傳送系統(tǒng)、該檢測方法的期望靈敏度、該系統(tǒng)的復(fù)雜性等的磁場長度來設(shè)置環(huán)區(qū)域206、208的大小。如果金屬FOD基本上小于環(huán)區(qū)域，則當(dāng)FOD存在時，僅可能出現(xiàn)微弱的信號。該微弱的信號可能存在被噪聲或干擾信號淹沒的風(fēng)險。如果環(huán)的大小為要檢測的最小FOD大小的階數(shù)(例如，在因子3之內(nèi))，則對于以較低的誤警率檢測，該信號可能足夠大。在實施例中，F(xiàn)OD傳感器和/或梯度計可以包括一個或多個不同大小、形狀和/或排列布置的環(huán)。在實施例中，F(xiàn)OD傳感器可以包括具有一個傳感器、超過一個傳感器或沒有傳感器的區(qū)域。
[0035]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，用于測量在金屬物體附近的場梯度的另一方是可以是以直接輸出與磁場中的本地梯度成正比的電壓的方式來創(chuàng)建線圈(也稱為環(huán))。這樣的線圈起到在圖2中描繪的兩個線圈的目的，但是僅需要電壓測量。例如，如果一個人要使圖2中描繪的環(huán)中的一個的區(qū)域加倍并且然后將其扭動成數(shù)字8形的形狀，在數(shù)字8形的形狀中，8的每一葉具有大致相等的區(qū)域，但是由本地磁場在每一環(huán)中引起的電流在不同的方向傳送，則橫跨其兩端形成的電壓將與在兩個葉之間的磁通量中的差成正比。圖3A-3D描繪了可以直接輸出與磁場中的本地梯度成正比的電壓的扭曲的環(huán)的一些示例性的配置。
[0036]分別地，圖2中示出的兩個環(huán)可以被稱為磁偶極子，圖3A中的環(huán)可以被稱為梯度計和/或磁四極，圖3B中的環(huán)被稱為梯度計和/或八極。四極配置可以在從左到右的方向形成與磁場梯度成正比的電壓。4葉配置可以被配置成測量場梯度(圖3B)、以及場梯度的梯度(圖3C)。圖3D代表在其中多個葉可以沿著線性維度延伸的實施例。在實施例中，具有偶數(shù)的葉的較高階多極也可以被配置成測量對磁場的空間擾動。在實施例中，在圖3A-3D中描繪的葉可以使用導(dǎo)體的多個轉(zhuǎn)彎。
[0037]這些配置中的每一個可以完成測量由于金屬FOD的存在所導(dǎo)致的磁場擾動的目標(biāo)。具有多個葉的配置可以在不實質(zhì)性減少檢測具有與葉相類似特征的FOD的可能性的情況下，在覆蓋更多的區(qū)域方面具有優(yōu)勢。
[0038]在圖2和圖3A-3D中描繪的環(huán)配置被描繪成圓形的，以示出在存在振蕩磁場的情況下所引起的電流的方向。加號和減號指示所引起的電流大部分是逆時針或順時針的。不同于圓的形狀可能更適合具有較高區(qū)域填充因子的陣列。示例包括正方形、矩形、六邊形以及其他以在其間具有很小的間隙空間鋪設(shè)的形狀。圖4A示出了方形線圈的示例，其中，假定該陣列進(jìn)一步延伸超出所示出的，并且具有相等數(shù)量的加環(huán)和減環(huán)。線圈的繞線可以是連接的，使得引起的電路在由加號和減號所指示的方向流動。
[0039]針對在圖4A中示出的配置，可以在鄰接的環(huán)之間的位置中放置一件對稱的F0D，使得場擾動不會產(chǎn)生可檢測的磁場梯度。在圖4A中描繪了這樣的“盲點”。根據(jù)示例性且非限制性的實施例，環(huán)陣列的第二層可以被放置在第一層之上，并且如圖4B中所示出的，并且可以在側(cè)面偏移?？梢赃x擇偏移，使得第一層傳感器的“盲點”與針對第二層的最大可檢測性的位置相對應(yīng)。在實施例中，該偏移可以是相對于單個陣列檢測的可能性提高FOD檢測的可能性的任何偏移。以此方式，可以減少具有大量盲點的可能性，其中，在盲點中一件FOD可能無法檢測。一個或多個偏移陣列的類似方案可以在減少盲點方面大致獲得相同的優(yōu)點。也可以將在多個陣列中環(huán)的方向改變成處理非均勻磁場。
[0040]在實施例中，單個環(huán)或偶極、四極、八極等中的葉可以具有多個大小或具有非均勻的大小。在梯度計可能覆蓋非均勻磁場的區(qū)域的實施例中，可以設(shè)計環(huán)的大小，以確保在FOD不存在時，在梯度計環(huán)路的輸出處電壓最小?？梢栽O(shè)計環(huán)的大小，使得較大的環(huán)被放置在較弱的磁場中，較小的環(huán)被放置在較高的磁場中。在實施例中，可以設(shè)計環(huán)的大小，使得較大的環(huán)被放置在更均勻的磁場的區(qū)域中，較小的環(huán)被放置在更不均勻的磁場的區(qū)域中。
[0041]根據(jù)示例性且非限制性的實施例中，F(xiàn)OD傳感器陣列可以包括多種類型的傳感器。在實施例中，F(xiàn)OD傳感器可以包括單環(huán)傳感器和/或偶極梯度計和/或四極梯度計和/或八極梯度計等。FOD傳感器的一些區(qū)域可以不包括梯度計。FOD傳感器可以包括溫度傳感器、有機(jī)材料傳感器、電場傳感器、磁場傳感器、電容傳感器、磁傳感器、運(yùn)動傳感器、重量傳感器、壓力傳感器、水傳感器、振動傳感器、光學(xué)傳感器以及傳感器的任何組合。
[0042]活動FOD檢測處理
[0043]上文(圖2至圖5)描述的線圈配置可以在存在非均勻的振蕩磁場的情況下，形成振蕩電壓，這是因為例如存在F0D。根據(jù)示例性且非限制性的實施例，連接到給定線圈的讀出放大器可能具有高輸入阻抗。該布置可以避免在傳感器線圈中形成實質(zhì)性的環(huán)流，上述環(huán)流將破壞用于無線能量傳送的共振器的Q因子。在實施例中，可以將環(huán)、線圈、梯度計等連接到放大器和/或濾波器和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器和/或操作放大器，和或可以被布置成具有高輸入阻抗的任何電子部件。在實施例中，F(xiàn)OD傳感器可以包括導(dǎo)電環(huán)和高輸入阻抗電子部件。
[0044]根據(jù)示例性和非限制性的實施例，可以將來自陣列中的每一線圈(環(huán)、傳感器、梯度計)的每一導(dǎo)體對連接到讀出放大器和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖5中所示出的?？梢詫⒚恳画h(huán)導(dǎo)體502連接到放大器506和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器508，并且可以產(chǎn)生輸出504，該輸出504可以由無線能量傳送系統(tǒng)的其他元件使用或作為到用于存儲和分析線圈、環(huán)、傳感器和/或梯度計的輸出的、諸如微處理器之類的處理元件(未示出)的輸入。
[0045]在其它實施例中，如圖6中所示出的，可以順序地測量或可以以允許較少的讀出放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器來采樣該陣列的方式來復(fù)用陣列中每一線圈上的電壓?？梢詫⑻荻扔嫷沫h(huán)陣列602、604、606連接到復(fù)用的放大器608以及連接到一個或多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器610上。數(shù)模轉(zhuǎn)換器612的輸出可以由無線能量傳送系統(tǒng)的其它元件使用或作為到用于存儲和分析梯度計的輸出的、諸如微處理器之類的處理元件(未示出)的輸入。
[0046]在實施例中，可以將傳感器和/或梯度計環(huán)路的每一導(dǎo)體對連接到主動或被動的濾波器電路，以以非常高或非常低的頻率提供高終端阻抗。[0047]可以以允許處理器確定相對于參考波形所引起的波形的幅度和相位的增量來對給定線圈上的電壓進(jìn)行采樣。在實施例中，可以每一振蕩周期至少兩次(即，以奈奎斯特速率或高于奈奎斯特速率)對給定線圈上的電壓進(jìn)行采樣。在實施例中，可以更不頻繁地對給定線圈上的電壓進(jìn)行采樣(即，在高階奈奎斯特頻帶中)?？梢栽诓蓸忧皩㈦妷翰ㄐ芜M(jìn)行模擬濾波或調(diào)節(jié)，以提高信噪比或以減少要被采樣的信號的諧波量。在采樣后，可以將電壓波形進(jìn)行數(shù)字濾波或調(diào)節(jié)。
[0048]可以處理來自FOD檢測器線圈的經(jīng)時間米樣的電信號，以確定相對于參考信號的幅度和相位?？梢詮挠糜诩钣糜跓o線能量傳送的共振器的相同時鐘來導(dǎo)出參考信號。
[0049]如圖7中所示出的，在一些實施例中，F(xiàn)OD檢測系統(tǒng)可以包括單獨(dú)的頻率、場強(qiáng)、和/或用于將傳感器和/或梯度計讀數(shù)同步到無線能量傳送系統(tǒng)的振蕩磁場的相位采樣環(huán)704和電子設(shè)備702。
[0050]在實施例中，參考信號可以來自處于不同頻率的不同振蕩器。
[0051]處理用于FOD檢測的數(shù)字8形八極配置(圖3A)的示例可以如下所述:
[0052]1.不存在F0D，從數(shù)字8形環(huán)的一個中收集經(jīng)時間采樣的電壓波形
[0053]2.計算基本頻率部件的幅度和相位(或其諧波)
[0054]3.將幅度和相位存儲為參考基準(zhǔn)
[0055]4.不存在FOD，從相同的數(shù)字8形環(huán)收集電壓波形
[0056]5.計算基波幅度和相位(或其諧波)
[0057]6.將該幅度和相位與參考相比較
[0058]7.在極坐標(biāo)圖上(或在幅度和相位空間中)，如果該信號和該參考之間的距離超過預(yù)定的閾值，則宣布檢測到FOD。
[0059]在實施例中，可以使用模擬電子電路、數(shù)字電子或兩者來執(zhí)行信號的處理。在實施例中，可以比較和處理來自多個傳感器的信號。在實施例中，F(xiàn)OD傳感器可以僅位于無線功率傳送系統(tǒng)中的共振器的一個上、或全部上、或一些上。在實施例中，可以處理來自不同共振器上的、FOD傳感器的信號，以確定FOD的存在和/或以給予無線功率系統(tǒng)控制信息。在實施例中，可以可控地開啟或關(guān)閉FOD檢測。在實施例中，可以使用FOD檢測和處理來控制無線功率傳送系統(tǒng)的頻率、由無線功率系統(tǒng)傳送的功率級別、和/或啟用和/或禁用無線功率傳送的時間段。在實施例中，F(xiàn)OD檢測器可以是可以向系統(tǒng)用戶報告FOD存在和/或可以向更高級別的系統(tǒng)報告FOD存在或不存在的報告系統(tǒng)的一部分。在實施例中，F(xiàn)OD檢測系統(tǒng)可以包括可以用于識別某種類型的FOD “學(xué)習(xí)能力”，并且其可以包括用于將FOD的類型分類為無害的、有加熱危險的、由于其他原因而不允許的等的系統(tǒng)和/或系統(tǒng)反饋。
[0060]根據(jù)示例性且非限制性的實施例，可以將處理嵌入FOD檢測子系統(tǒng)中或者可以向中央處理器返回數(shù)據(jù)。該處理可以將所收集的電壓波形與參考波形進(jìn)行比較，并且在統(tǒng)計上尋找顯著變化。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，可以在幅度和相位、I或Q分量、正弦或余弦部件方面、在復(fù)數(shù)平面等比較上述波形。
[0061]示例性的活動FOD檢測實施例
[0062]在下文描述了所構(gòu)造的兩個具體的且非限制性的FOD檢測系統(tǒng)的實施例。已經(jīng)從這兩個實施例中收集的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)顯示它們工作為FOD檢測器。
[0063]在第一實施例中，一絞線形成數(shù)字8形環(huán)，如圖8中所示出的，數(shù)字8形環(huán)形成了在兩個環(huán)之間具有較長線的四極(梯度計I)。第二實施例被設(shè)計為如圖8中的梯度計2所示出的。數(shù)字8形環(huán)大約5cm長。圖9A-9C示出了從放置在無線能量源的頂部、位于用于
3.3-kW無線能量傳送系統(tǒng)的共振器之間的兩個傳感器收集的電壓波形，此時，該系統(tǒng)正在向負(fù)載傳送3.3kW。圖9A示出了圖8繪出的兩個梯度計上的小殘余電壓(?30mVrms)。殘余電壓是由非均勻磁場、葉區(qū)域的略微變化以及電氣干擾的組合所導(dǎo)致的。來自梯度計#1和#2的結(jié)果分別被繪制為曲線904和曲線902。當(dāng)將金屬口香糖箔放置在梯度計#2的右葉上時，阻止了一些流量，在圖9B、曲線902中可以觀察到實質(zhì)性的幅度增加和微小的相移。相反地，當(dāng)將箔移到梯度計#2的左葉中時，如在圖9C中所示出的，幅度保持相同，但是相位改變了 180°?？梢允褂眠@些相位和幅度讀數(shù)中的變化來檢測傳感器上FOD的存在。
[0064]還使用印刷電路板(PCB)技術(shù)來實現(xiàn)傳感器線圈或環(huán)來構(gòu)造數(shù)字8形傳感器的實施例。該實施例可以具有包括低成本、較高的填充因子(由于可以將環(huán)制成任何形狀并且使用標(biāo)準(zhǔn)的PCB處理技術(shù)容易地鋪設(shè))、較高的均勻性、較高的再現(xiàn)性、小尺寸等優(yōu)點。對于單個數(shù)字8形傳感器的16信道陣列，使用鋪設(shè)的矩形環(huán)獲得較高的填充因子。印制的環(huán)高度均勻，當(dāng)沒有FOD存在時，導(dǎo)致來自傳感器的基準(zhǔn)讀數(shù)較小(以及較平坦)。
[0065]其它實施例
[0066]在實施例中，可以將上文描述的傳感器和梯度計與其他類型的FOD組合，以提高檢測可能性和較低的誤警(當(dāng)不存在FOD時，系統(tǒng)檢測到F0D)。例如，可以將溫度傳感器陣列組合地集成到共振器中。如果一件FOD開始加熱，其將干擾正常預(yù)期的空間溫度分布。可以使用該偏差來向系統(tǒng)控制器發(fā)送警報。在實施例中，可以單獨(dú)使用溫度傳感器或與金屬物體傳感器組合使用溫度傳感器和/或可以將溫度傳感器用作針對金屬物體傳感器的備份或確認(rèn)傳感器。
[0067]諸如寵物之類的生物可能難以檢測到。通常，它們可能不以實質(zhì)性的方式與磁場相互作用。此外，當(dāng)暴露在磁場中時，生物不會明顯地變熱。然而，如果生物侵入某種場強(qiáng)度的磁場中，則可能需要關(guān)閉無線功率系統(tǒng)。該場強(qiáng)度限度可以是依賴于頻率的且可以基于標(biāo)準(zhǔn)限度、安全限度、公眾認(rèn)知的限度等。在實施例中，諸如長線之類的測量來自導(dǎo)體的邊緣電容的變化的非傳導(dǎo)性傳感器可以檢測生物的臨近。在實施例中，這種類型的傳感器可以在診斷測試期間、在無線能量傳送之前以及在無線能量傳送期間使用。
[0068]對車輛充電的應(yīng)用
[0069]在許多類型的無線能量傳送系統(tǒng)中，對FOD的檢測可能是重要的安全預(yù)防措施。對于3.3-kff的小汽車充電系統(tǒng)的示例，實施例的一個示例如下所述。
[0070]在圖10中示出了示例性的EV充電器系統(tǒng)的框圖。可以將該系統(tǒng)劃分成源模塊和設(shè)備模塊。源模塊可以是充電站的一部分，可以將設(shè)備模塊安裝到電動車輛。經(jīng)由共振器，從源向設(shè)備無線地傳送功率?？梢酝ㄟ^源模塊和設(shè)備模塊之間的帶內(nèi)和/或帶外RF通信鏈路來執(zhí)行對所發(fā)送的功率的閉環(huán)控制。
[0071]可以將FOD檢測系統(tǒng)(未示出)集成到的各種地方的系統(tǒng)中。在實施例中，可以將FOD系統(tǒng)集成到源模塊中、源共振器中、源共振器的殼體或外殼中等。在其它實施例中，可以將FOD系統(tǒng)集成到系統(tǒng)的設(shè)備側(cè)上。在其他實施例中，可以在無線功率傳輸系統(tǒng)的源和設(shè)備側(cè)都實現(xiàn)FOD系統(tǒng)。在實施例中，F(xiàn)OD檢測系統(tǒng)可以包括多個傳感器和具有辨別算法的處理器。可以將該處理器連接到充當(dāng)源控制電子設(shè)備的互鎖的接口。可以將其他FOD檢測系統(tǒng)通過另外的接口或通過外部接口連接到充電器系統(tǒng)。在每一模塊處的本地I/o可以在使用FOD檢測的無線功率系統(tǒng)中提供用于系統(tǒng)級別管理和控制功能的接口。
[0072]高功率(3.3+kff)車輛充電系統(tǒng)中的源共振器可以在靠近繞組的邊界處，并且可選地，任何磁材料，具有最高的磁場密度。在此區(qū)域，包含兩個具有矩形葉的數(shù)字8形線圈的多個信道的陣列可以避免金屬FOD的無意中加熱。該陣列可以在PCB上制造并且可以在該板上包含集成的濾波和信號調(diào)節(jié)。等同設(shè)計的第二 PCB可以放得略高于第一 PCB，并且其以圖4B中的方式在側(cè)面平移。如上文描述的算法可以在板上處理器中運(yùn)行，其中，該處理器的輸出可以被發(fā)送至系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)控制器可以比較金屬FOD檢測器的輸出與諸如測量溫度曲線或非傳導(dǎo)性變化的FOD檢測器之類的另外的FOD檢測器的輸出。然后，如果檢測到F0D，則該系統(tǒng)可以決定是否關(guān)小或關(guān)閉系統(tǒng)。
[0073]FOD檢測系統(tǒng)的一些可能的操作模式如下所示:
[0074]可以在車輛不在的情況下執(zhí)行低功率診斷測試，以檢查充電站的健康和狀態(tài)(罕見的)以及以在車輛通過源驅(qū)動之前檢查FOD (更常見)。
[0075]在車輛到達(dá)并且位于源模塊上之后，但是在進(jìn)行高功率充電之前，F(xiàn)OD檢測器可以證明該源仍然沒有F0D。
[0076]在高功率充電期間，F(xiàn)OD檢測器可以證明沒有額外的FOD移動到線圈上。
[0077]雖然已經(jīng)結(jié)合某些優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員中的一個將理解其他的實施例，并且其他實施例意在落入本公開內(nèi)容的保護(hù)范圍之內(nèi)，其將以法律所允許的最廣泛意義來解釋。例如，上文已經(jīng)與各種具體應(yīng)用及其示例一起描述了與發(fā)送無線功率相關(guān)的設(shè)計、方法、部件的配置等。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白，可以組合地、或可互換地使用本申請中描述的設(shè)計、部件、配置或組件，并且上文的描述不將組件的這樣的互換性或組合限制在僅本申請中所描述的。
[0078]還要注意的是，可以將在此描述的技術(shù)應(yīng)用與使用電磁場發(fā)送功率的任何無線功率系統(tǒng)。在我們已經(jīng)描述了高度共振的無線功率系統(tǒng)的源和設(shè)備共振器的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，可以針對使用一次線圈和二次線圈的感應(yīng)系統(tǒng)描述相同的傳感器、檢測器、算法、子系統(tǒng)等。
[0079]在此通過引用的方式并入本申請中所參考的所有文獻(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于無線能量傳送系統(tǒng)的外部物體碎片檢測系統(tǒng)，包括: 至少一個磁場傳感器，以及 至少一個讀出電路，其用于測量所述至少一個磁場傳感器的電參數(shù)， 其中，所述至少一個磁場傳感器被放置在所述無線能量傳送系統(tǒng)的所述磁場中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個磁場傳感器包括磁場梯度計。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個磁場梯度計包括數(shù)字8形四極導(dǎo)體環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個磁場梯度計包括八極導(dǎo)體環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述讀出電路具有足以充分地防止所述梯度計環(huán)路中的循環(huán)電流的輸入阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字8形四極導(dǎo)體環(huán)是印刷在電路板上的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字8形四極導(dǎo)體環(huán)是矩形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括放置在所述無線能量傳送的所述磁場中的梯度計環(huán)路的陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括多層偏移并且重疊的梯度計環(huán)路。`
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述讀出電路在多個梯度計環(huán)路之間被復(fù)用。
11.根據(jù)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，還包括: 反饋環(huán)路，其用于基于來自所述外部物體碎片檢測系統(tǒng)的讀數(shù)來調(diào)整所述無線能量傳送的所述參數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述梯度計是要檢測的最小外部物體碎片(FOD)的大小的至少兩倍。
13.一種利用外部物體碎片檢測的無線能量傳送系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 至少一個無線能量傳送源，其配置為產(chǎn)生振蕩磁場； 至少一個磁場梯度計，其被放置在所述振蕩磁場中； 讀出電路，其用于測量所述場梯度計的電參數(shù)；以及 反饋環(huán)路，其用于響應(yīng)于所測量的所述場梯度計的電參數(shù)來控制所述無線能量傳送源的所述參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括: 至少一個溫度傳感器，其中，所述溫度傳感器被放置以測量所述無線能量傳送源附近的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，使用來自所述梯度計的讀數(shù)來關(guān)閉所述至少一個無線能量傳送源的所述能量傳送。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括:連接到高輸入阻抗讀出電路的場梯度計陣列。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述高阻抗讀出電路監(jiān)測所述梯度計環(huán)路的電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述高阻抗讀出電路監(jiān)測所述梯度計環(huán)路的電壓信號的相位。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括:場感測環(huán)路，其用于使所述讀出電路與所述至少一個無線能量傳送源的所述振蕩磁場的頻 率同步。
【文檔編號】H02J17/00GK103875159SQ201280049601
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月9日
【發(fā)明者】S·韋爾蓋塞, M·P·凱斯勒, K·霍爾, H·T·盧 申請人:WiTricity公司