CN120530552A - 用于无线充电异物检测的系统和方法 - Google Patents

用于无线充电异物检测的系统和方法

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CN120530552A CN202380072335.1A CN202380072335A CN120530552A CN 120530552 A CN120530552 A CN 120530552A CN 202380072335 A CN202380072335 A CN 202380072335A CN 120530552 A CN120530552 A CN 120530552A
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Abstract

提出一种用于与无线充电器系统一起使用的容许未对准的异物检测方法，其中传感器线圈或其部分围绕一个或多个径向对称轴是镜像的。提出适合于x轴未对准容限的第一种变体，且提出用于同时x轴和y轴未对准容限的第二种变体。提出具有额外旋转未对准容限的另外变体。尽管接收器和发射器线圈未对准仍能检测到异物是一个重要的安全性和效率考虑因素。

Description

用于无线充电异物检测的系统和方法
交叉引用
本申请是2022年10月14日提交的名称为“用于无线充电异物检测的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR WIRELESS CHARGING FOREIGN OBJECT DETECTION)”第63/416,352号美国申请的非临时申请，并要求该美国申请的所有权益，包含优先权。此文档以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开的实施例涉及无线充电的领域，且更具体来说，实施例涉及容许未对准的用于异物检测(foreign object detection，FOD)的装置、系统和方法。
引言
在无线充电系统中，重要的是检测金属物体的存在，以避免由于发射器线圈的磁场生成的涡流损失而造成金属物体过热。先前方法使用对称放置的线圈的阵列用于检测金属物体。测量互补对的线圈之间的电压差且与先前测量进行比较。金属物体的存在改变面对金属物体的传感器线圈两端的感应电压。如果检测到与先前测得的互补线圈之间的差分电压的任何偏差，则FOD系统将触发，且将检测到金属物体。
现有FOD方法的挑战在于，它们由于相对于线圈的未对准的不对称设计而无法在未对准条件下操作。减少排放或零排放电动车辆是合乎需要的，因为采用它们相对于内燃机来说将更有助于解决或减轻环境影响和/或节省自然环境或自然资源，而面临的挑战是在EV无线充电应用中，由于驾驶员不准确性的原因，充电垫的未对准是不可避免的。
因此，改进的FOD系统是合乎需要的。
发明内容
根据各种实施例，提出一种改进的异物检测(FOD)传感器线圈方法，其能抵御无线充电系统的未对准(例如，接收器和发射器未对准)。未对准是商业实施方案中出现的实际问题，当在非理想对准条件下操作时，会给FOD系统带来问题。如本文所描述，所述改进的方法包含可并入到FOD系统中的电路布局/拓扑，以及特定控制方法和检测方法。改进的FOD系统可以是用于耦合到一个或多个无线充电垫的独立电路，或者其可包含耦合到FOD系统以从其接收各种信号的一个或多个无线充电垫。FOD系统可耦合到发射器垫或接收器垫或这两者。举例来说，发射器垫可嵌入到停车位中，且接收器垫例如可以嵌入到待充电的电动车辆中。改进的FOD系统识别差分电压和/或电流，且尽管存在某些类型的未对准，元件的几何形状/定位也产生检测能力。改进的FOD系统可以在操作中触发状态改变，例如，减少电力传送、打开温度计、关闭操作、发出警报(声音、通知)，这些状态改变可以基于检测到的差分电压和/或电流的特性(例如，不同状态改变的不同阈值)。
FOD的未对准容限是重要的，因为某些异物的存在会影响无线充电效率和安全性，因此重要的是尽管存在一定程度的未对准仍能够识别异物的存在和/或特性。例如，当电动车辆在停车位上没有定位于接收器垫正上方时，就会发生未对准。异物的危险在于，它们会对电力传送造成影响，降低效率，或可能吸收能量。这会导致热量增加，从而产生安全隐患(如加热物体而伤害拿起物体的人)或热隐患(如熔化)。异物可能被意外放置或掉入无线充电路径(如从口袋中掉落的硬币)。
在检测到异物后，改进的FOD方法可产生数据集或指示异物(或在一些实施例中，大于阈值大小的异物或具有阈值特性的异物)的信号，可用于采取缓解措施，如减少电力传送(例如，通过建立一个限制，直到检测到异物不再存在)、关闭(例如，临时关闭，直到检测到异物不再存在)、警报信号或其组合。
异物检测电路可以采用不同的拓扑。本文所描述的拓扑可包含相对于无线发射器的充电线圈定位的一组传感器线圈，所述一组传感器线圈包含相对于无线发射器的操作平面彼此定位的第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1。线圈组可以进行地理空间配置，使其定位围绕一个或多个径向对称轴(如对角线)镜像，这样a1和b1就是镜像的。
还描述了更复杂的变化。在变体实施例中，传感器线圈组是a和b，而传感器线圈是可由多个部分组成的a1、b1、a2、b2、a3、b3等。将传感器线圈成对进行比较，以获得两组线圈之间的多个差值a1-b1、a2-b2等。
至少一个比较器(例如比较器电路)可以耦合到第一传感器线圈组中的线圈和第二传感器线圈组中的线圈，以确定第一传感器线圈组a和第二传感器线圈组b中的线圈的电压/电流之间的差分电压/电流。例如，比较器电路可以是一个电位器或两个恒定电阻器的串联连接。可以使用多路复用器电路或多个模/数转换器(ADC)作为替代方案，使用多路复用器将减少所需的ADC通道数目。在此实例中，微控制器内的多个ADC可用以感测信号，并且接着在微控制器内处理信号。此处的变化可由比较器用于电特性感测。
归因于径向对称性，由于第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1相对于彼此的对角线定位，补偿了由于发射器线圈和接收器线圈的未对准导致的第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1中的感应电压的变化，且借助于所述配置在一定程度上抵御了未对准。
不同的变化提供了在不同轴线中对未对准的不同程度的抵御。举例来说，在第一变体中，具有第一组a1和第二组b1可防止发生x轴或y轴未对准中的一个。然而，在所述组中建立额外部分的其它变体中，可同时防止发生x轴和y轴未对准。通过增加不同的对称轴，还可以涵盖旋转未对准。旋转未对准是发射器和接收器的一个边缘之间存在未对准角(而不是平行)的情况。
关于基于例如差分电压的目标电压灵敏度等所需的特性确定系统的部分数目和宽度，本文描述了一些进一步的变化。
本文的方法不仅可用于电动汽车，还可用于其它电动车辆，如无人机、货船/游轮充电、自主水下航行器(AUV)、自动导引车辆(AGV)和/或自主轮椅充电。发射器垫无需固定在某一位置，在一些实施例中，发射器垫可移动以与接收器垫配合，举例来说，发射器垫固持于臂上并移动。
本文所描述的方法有助于鼓励和改进电动充电基础设施的采用，从而支持改进绿色技术，帮助减轻环境挑战。更多采用电动车辆可以提高向污染较少的技术过渡的速度。
重要的是，尽管发射器垫和接收器垫之间存在未对准，但电动充电基础设施仍应包含保障措施，以提高安全性和/或保持充电效率。
附图说明
在附图中，通过举例的方式展示了实施例。应明确理解，描述和附图仅用于说明性目的，并且作为对理解的帮助。
现在将参考附图仅通过举例的方式描述实施例，其中在附图中：
图1是示出无盲区异物检测系统的示意图。
图2是示出异物检测电路的电路图。
图3A-D是说明图，示出了在未对准下的替代方法异物检测系统。
图4是一个示意图，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称异物检测系统。
图5是一个示意图，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称异物检测系统。
图6是一个示意图，示出了根据一些实施例为金属物体定义的坐标系。
图7A-C是示出根据一些实施例的异物检测系统在正常对准条件下与在150mm的Y方向未对准条件下的操作的曲线图。
图8A-C是示出根据一些实施例的异物检测系统在正常对准条件下与在75mm的X方向未对准和150mm的Y方向未对准条件下的操作的曲线图。
图9是一个说明图，示出了根据一些实施例的作为(a)-(f)的未对准位置和差分未对准。
图10是一个示意图，示出了根据一些实施例的具有更多对称轴的扩展的异物检测系统。
图11是一个说明图，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称异物检测系统。
图12是一个说明图，示出了根据一些实施例的另一实例容许未对准的对称异物检测系统。
图13是一个说明图，示出了根据一些实施例的具有更多对称轴的扩展的异物检测系统。
图14是一个说明图，示出了根据一些实施例的圆形传感器线圈结构。
图15是一个说明图，示出了根据一些实施例的圆形传感器线圈结构。
图16是说明图，示出了根据一些实施例的方形传感器线圈结构实例。
图17是方法图，示出了根据一些实施例的示例系统的操作的实例过程。
图18是一个说明图，示出了根据一些实施例在第一方向(例如x方向)上的潜在未对准。
图19是一个说明图，示出了根据一些实施例在多个方向上同时发生的潜在未对准(例如x-y方向未对准)。
图20是示出根据一些实施例的与无线电力传输系统和警示/操作条件纠正系统结合的异物检测系统操作的图形。
具体实施方式
根据各种实施例，提出一种改进的异物检测(FOD)传感器线圈方法，其能够抵御无线充电系统的未对准。
如本文所描述，所述改进的方法包含可并入到FOD系统中的电路布局/拓扑，以及特定控制方法和检测方法。在操作中，异物检测系统方法可以用于执行用于检测一个或多个异物的方法。所述方法在时间上是在无线充电开始之前(例如，当无线充电器被激活时但在充电开始之前)进行。这可以作为充电的前提条件紧接在充电之前完成，或者可以周期性地完成。这样做的原因是检查可能存在的异物(可能会带来效率或安全性问题)。
举例来说，效率和安全性可以结合在一起，因为充电路径中的异物可能会无意中接收能量、发热并热损坏(例如熔化)无线充电器、正在充电的装置或无线充电器的外壳。举个实际的实例，这可能包括一个启用了无线充电功能的停车位，在这个停车位上有一块金属板从格栅上掉了下来。如果无线充电开始，则所述板可能会发热，最终融化无线充电垫或损坏周围的沥青。当发射器线圈和接收器线圈未对准时(由于车辆和停车位的偏移对准，在停车位无线充电的情形中可能会出现这种情况)，检测异物的难度很大。
在检测到异物后，改进的FOD方法可产生数据集或指示异物(或在一些实施例中，大于阈值大小的异物或具有阈值特性的异物)的信号，可用于采取缓解措施，如减少电力传送(例如，通过建立一个限制，直到检测到异物不再存在)、关闭(例如，临时关闭，直到检测到异物不再存在)、警报信号或其组合。
异物检测电路可以采用不同的拓扑。本文所描述的拓扑有许多变体，其复杂程度各不相同，可产生特定的额外改进，例如同时跨多个轴或防止旋转未对准的稳健性。还描述了相对于用以实现不同操作特性的不同宽度和部分的具体方法。
在无线充电系统中，可重要的是检测金属物体的存在，以避免由于发射器线圈的磁场生成的涡流损失而造成金属物体过热。在替代方法中，使用对称放置的线圈的阵列来检测金属物体。测量互补对的线圈之间的电压差且与先前测量进行比较。金属物体的存在改变面对金属物体的传感器线圈两端的感应电压。如果检测到与先前测得的互补线圈之间的差分电压的任何偏差，则此FOD系统将触发，且将检测到金属物体。
具体地说，提出的方法包含首先在传感器线圈上施加辅助高频电压。举例来说，辅助高频电压可定义在几MHz的范围内。选择3MHz的频率范围，原因在于其灵敏度较高且易于实施。例如1-6.8MHz等其它频率范围是可能的。然后，所述方法包含使用一组相对于无线发射器充电线圈定位的传感器线圈来感测一个或多个电压或电流，这组传感器线圈包含第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，它们相对于无线发射器的操作平面围绕一个或多个径向对称轴彼此镜像。传感器线圈位于无线发射器充电线圈的顶部上。例如，每个传感器线圈组可以包含12对，如本文所述的一个实例所示。也可以有其它的对数，12对是一个示例性的非限制性实例。
在实际情境中，通常会连续感测电压或电流，以检测是否存在例如铝罐等异物。随后操作传感器线圈以基于至少一个或多个电压或电流而确定差分电压或电流。识别差分电压或电流(例如，第一传感器线圈组与第二传感器线圈组之间)，且在实际情境中的实例可以是在一个传感器线圈组中为0.2V，在另一传感器线圈组中为0.3V。两组之间的差为0.1V，指示存在金属物体。
因为线圈组是围绕径向对称轴镜像的，因此尽管存在未对准，差分电压或电流仍然有用，因为如果传感器线圈上没有金属物体，电压将是相等的。在未对准的情况下，由于传感器设计的对称性，两个线圈组面对的磁场相似，因此线圈组的测量电压不会增加偏移量。
然而，在一个示例劣质设计中，其中一个线圈组会因未对准而上移，从而破坏检测解决方案(例如，由于物理未对准，检测算法无法正常工作)。在此实例中，一个线圈可以是1.2V，另一线圈组是0.3V。可见在此情况下，差分电压不可用于检测金属物体的存在，因为此传感器设计无法区分未对准和金属物体对差分电压的影响。
具体地说，由于第一传感器线圈组和第二传感器线圈组相对于彼此的定位，补偿了由于发射器线圈和接收器线圈的未对准导致的第一传感器线圈组和第二传感器线圈组中线圈或辅助负载电压或电流的变化。在此上下文中，术语补偿意指相对于发射器和接收器未对准轴的对称放置。这种方法能够处理EV充电应用中200mm范围内的未对准，并且与其它方法相比在技术上有所改进，因为它增强了尽管未对准仍然操作的能力。如上所述，其它方法由于对传感器线圈电压的未对准影响和检测金属物体的能力失灵而不够完善，这可能导致重大的安全问题或需要昂贵的变通方法。
提出的方法虽然需要额外的前期投资，但提供了一个解决安全性/效率问题的优雅方法，并为改进的FOD设计提供了一个实际应用，其中建议地理空间定向和改进的操作方法串联地运行。所述方法立足于实际可行的实施例，例如嵌入或耦合到停车位中的无线充电器。虽然这种方法并不局限于电动车辆，但它可以减少与充电和续航里程焦虑相关联的摩擦点，从而有助于提高绿色技术的采用率，因为驾驶员可以例如在跑腿时方便地为车辆充电，而无需采取实际连接有线充电器等步骤。然而，对于大功率无线充电而言，设计出能够抵御实际非理想情况的系统非常重要，所述非理想情况例如由发射器与接收器之间的不准确耦合导致的未对准。
在确定差分电压或电流(例如，大于5％的阈值或设计者可设置的任何其它值)后，一个实际应用是，系统可以发出警报通知(可以是物理警报，如铃声或触发通知的电子信号)，请求检查无线充电器是否有异物，或触发控制元件，如与马达等耦合的致动器臂，以尝试将异物扫除。在一些实施例中，在系统重新检查并发出“一切正常”信号之前，不允许开始无线充电。在另一种变化中，允许开始无线充电，但降低功率电平，例如标称功率的1％-10％，且无线充电器可被配置成周期性地检查异物，并在发出“一切正常”信号时恢复全功率。
检查异物一般需要100毫秒左右。在另一个变体中，所述系统与额外的安全传感器耦合，且异物检测系统是控制器电路的输入，所述控制器电路在控制无线充电器的操作时使用输入的组合。警报通知可用于触发安全机制，例如控制清扫臂的致动器以尝试清除物体，或减少电力递送。在又一实施例中，警报通知可用于自动开启或完全关闭电力递送。
在EV无线充电应用中，由于驾驶员的不准确性，充电垫的未对准是不可避免的。举例来说，驾驶员停车时可能无法完全对准于充电垫上方。这些替代的FOD方法和途径由于相对于线圈未对准的不对称设计，因此无法在未对准条件下运行。
例如，现有的替代方法使用网格方法。考虑到X轴和Y轴，这些系统可能会在(1,1)等位置具有传感器，并测量得到图像的每个点处的通量，然后可用于某种形式的图像辨识。图像辨识可以确定它是否与正常通量模式相匹配。这些现有的替代方法存在各种问题，需要在技术上加以改进。例如，在替代方法中，需要假定场是对称的，如果接收线圈在任何方向上移位，都会移动所述场，从而使其失去作用。
通过将传感器线圈设计成相对于未对准方向对称(例如镜像)，在一些实施例中，尽管存在某些类型的充电线圈未对准(例如在一些轴上，或同时在多个轴上，或同时旋转)，提出的FOD系统仍可运行。本文描述的方法克服了早期方法中可能出现的一些挑战，例如，由于未对准造成的挑战。本文提出了一些不同的变体，它们具有不同的未对准容限和设计复杂性变化。
未对准有不同类型：例如，左右对称(x轴)或未对准上下移位(y轴)。
在提出的变体中，建议增加更多的对称轴，且因为它们可能是对称的，因此净差值为零(或者如果存在非理想状态，则净差值很小)，但如果充电垫上有异物，则系统仍可检测到所述异物。取决于具体情况和未对准的实际趋势(例如，停车位最有可能在一个方向上具有最多的未对准，而在另一个方向上具有一些未对准)，设置多个容限轴是有帮助的。如前所述，在实际情境中，有时未对准也可能与旋转未对准有关。
在一实施例中，系统可分为四个象限，每个象限中都有一对线圈，可以进行比较。在一些实施例中，这些对线圈可以不并排，而是交错，这样系统就能检测到中间的异物。
现有的FOD传感器线圈布局对无线充电系统发射器和接收器线圈的未对准很敏感。这是由于相对于未对准轴的不对称设计造成的。
根据一些实施例，提出的FOD系统使用传感器线圈，这些线圈被配置成利用例如横跨x轴和y轴的对称性。在一些实施例中，传感器线圈被设计成彼此放置的组，这样传感器线圈或成对的传感器线圈部分之间可以有一个或多个径向对称轴。如本文所述，提出的FOD系统可以关于未对准的x轴和y轴中的一个或两个轴对称，这可以使其能够抵御无线充电线圈的未对准。
实验分析表明，某些变化的系统在对准和未对准操作条件之间的性能有所改善(例如，差异减小)。这就提高了系统对异物(如金属物体)存在的敏感度。虽然串联线圈的数目可以增加，但传感器线圈的灵敏度也可以通过改变每个线圈部分的宽度来控制。相对于替代的FOD传感器方法，一些印刷电路板(PCB)层可能与替代FOD传感器方法类似，因此在某些情况下不会增加系统的额外成本。
无线电力传送和异物
基于电感性耦合的无线电力传送(WPT)是一种方便、安全、可靠的电动车辆(EV)充电技术[2]。在这项技术中，充电系统的发射器侧被逆变器产生的高频电压激励[3]。根据SAE标准，EV充电应用的逆变器频率可设置为85kHz频带[4]。逆变器产生的矩形高频电压通过谐振网络以补偿磁耦合器的无功功率，从而提高效率并降低逆变器的伏安要求[5,6]。磁耦合器是一组发射器和接收器线圈，当它们彼此靠近放置时会电磁耦合。发射器线圈上的激励电流产生交变磁场，所述交变磁场在接收器线圈上感应出电压。此电压经二极管桥或有源整流器整流后供应给负载[7]。
由于发射器和接收器线圈之间存在交变磁场，因此制定了不同的标准来保护附近的异物和活动物体[4]。充电区域中的磁场会在附近的金属物体中产生涡电流。这种涡电流会导致功率损耗，即涡电流损耗。
如果金属物体留在磁场内，则由于涡流损耗，物体的温度会显著升高。例如，当物体发热时，它可能会损坏物体或伤害靠近或接触金属物体的人。如果物体发热，它的热量也会足以融化附近的物体或损坏表面。
因此，需要技术解决方案来检测金属物体，并通过关闭无线充电系统来防止物体发热。根据一些实施例，提出了几种方法来检测EV无线充电应用中的金属物体。这些方法可最终有助于提高用户、旁观者和财产的安全。
可考虑三组不同的异物检测(FOD)系统：参数检测方法、基于传感器的方法和基于感测模式的方法[8,9]。
在基于参数的方法中，测量系统参数的值，如主无线充电线圈的自感[10]、输入功率、效率、线圈电流[11]和输入相角，并与系统的正常操作状态进行比较。测量值与系统参数初始值之间的任何不匹配都可解释为无线充电器的磁场内存在金属物体。由于系统中没有添加额外的组件，因此这种方法是一种简单、低成本的金属检测解决方案。然而，这种方法只适用于金属物体尺寸与磁耦合器尺寸相对比较接近的低功率无线充电系统[8]。否则，金属物体对系统参数的影响将可以忽略不计，金属物体也将无法检测到。
第二组金属检测方法是基于传感器测量，如压力、雷达、摄像头、热传感相机和温度[8]。这一组的优点是：检测不受无线充电线圈未对准的影响，检测不需要发射器侧产生的磁场，灵敏度高[8]，并且可以检测到金属物体和活动物体两者[12]。例如，热传感相机可以将金属物体检测和活动物体检测特征组合起来[13]。然而，在这种方法中，金属物体在未发热时是无法检测到的。换句话说，除非开始充电，否则无法检测到金属物体。在[12]中，提出了超光谱成像技术，用于在金属物体发热之前区分金属物体与非金属物体。然而，当金属物体被完全覆盖时，这种方法无法检测到金属物体。此外，传感器的成本和额外的计算能力也是基于传感器的金属物体检测方法的主要缺点。
可用于EV无线充电应用的最后一组金属物体检测方法是基于模式感测的方法。这种方法可分为被动测量和主动测量[14]。在被动测量中，检测线圈阵列被放置在无线充电发射器线圈的顶部上。与系统的正常操作相比，将金属物体引入系统会导致传感器线圈上的感应电压发生变化。这种方法的主要缺点是发射器平面上存在盲区，其中发射器产生的磁场与传感器线圈平行。在这些区中，金属物体不会明显改变传感器线圈的感应电压，因此无法检测到金属物体。在主动测量方法中，交变信号被施加到传感器线圈，可以测量传感器线圈上的阻抗、相位角和/或电压幅度，以检测金属物体的存在[14]。与被动测量相比，感测线圈的操作不取决于发射器的磁场。因此，在充电过程开始之前就能检测到金属物体的存在。
在[15]中，提出用于FOD的双层不重叠线圈组。这种方法是基于对传感器线圈和主发射器线圈之间的互感变化的检测。遗憾的是，由于磁场分布不均，这种设计中无线充电线圈的未对准导致FOD传感器线圈一侧上的感应电压较高。因此，当WPT系统在未对准情况下操作时，这种设计无法检测到金属物体。此外，由于使用了多层线圈结构，因此线圈迹线铜覆盖面积较大，导致传感器线圈中的涡电流损耗增加。在[1,16]中，采用了对称的线圈布局(相对于发射器中心)和类似的方法来消除发射器中间的盲区。这种类型可抵御x方向的未对准。然而，这些方法也不适合于在无线充电线圈在x和y方向上都高度未对准的情况下运行。
提出的容许未对准的方法
根据一些实施例，本文提出了一种新的对称(相对于未对准)传感器线圈布局，以解决上述有关无线充电线圈未对准的问题。在一些实施例中，此FOD系统是基于被动的基于模式感测的方法，但也可以采用主动方法。
首先，研究了对称FOD结构的操作原理，并分析了未对准的影响。其次，通过模拟和实验对根据一些实施例提出的对称布局进行说明和分析。
本文表明，所提出的布局的某些变体能够抵御无线充电线圈的未对准，并为现有方法的上述问题提供了技术解决方案。
操作原理
在[1]中，提出了一种基于具有对称布局的不重叠传感器线圈的无盲区FOD系统，如图1中所示。图1是示出无盲区异物检测系统100的示意图。然而，在图1所示的设计中，其中一个线圈组会因未对准而上移，且干扰检测算法。在此实例中，一个线圈可以是1.2V，另一线圈组是0.3V。可见在此情况下，差分电压不可用于检测金属物体的存在，因为常规传感器设计无法区分未对准和金属物体对差分电压的影响。
可以看出，发射器线圈被窄宽度矩形传感器线圈覆盖。在发射器和接收器线圈之间没有未对准或金属物体的情况下，传感器线圈上的感应电压将在每对互补线圈之间对称。在这种情况下，假设发射器线圈布局是对称的，磁场分布在x和y方向上也是对称的。每个传感器线圈上的感应电压与其对称放置的互补线圈相似。因此，在这些条件下，电压差将为零。理想情况下，每对传感器线圈的差分电压Vdi可表达为：
其中，a和b分别是负x轴和正x轴上的线圈组，N＝{1,2,3,…,n-1,n}是传感器线圈组，如图1所示。
当金属物体放在任何一个传感器线圈上时，传感器线圈的感应电压都会发生变化。这将导致所述传感器线圈对的差分电压偏离标称值，从而导致Vdi≠0，这表明传感器线圈对i的顶部上有金属物体。例如，如果金属物体位于线圈a1的顶部上，则线圈a1上的感应电压与线圈b1上的感应电压不同，因此差分电压将偏离零。
图2是示出异物检测电路的电路图200。为了测量所有差分电压，在[1]中提出了一种基于模拟多路复用器的检测电路。在此电路中，每对传感器线圈都通过多路复用器连接到电位计。电位器中点上的电压就是差分电压。然后，通过精密整流器级对此电压进行滤波和放大。示出此电路的示意图可见于200。
未对准问题
由于驾驶技术的不完善和实际条件的限制，无线充电线圈的未对准是可能的(在商业化的实际实施例中可能是不可避免的)。因此，在未对准下的运行是EV无线充电系统的一个关键要求，因为它可能会影响安全性和效率。
应该注意的是，替代FOD方法是基于发射器线圈电流产生的磁场引起的FOD传感器线圈上的感应电压的变化。因此，磁场的定向对FOD系统的性能影响很大。在高未对准的情况下运行时，磁场分布会发生变化，并向未对准方向移位。因此，在未对准情况下，无线充电发射器线圈在传感器线圈上的感应电压会与标称的对准条件不同。在这种情况下，差分电压会增加一个偏移值，灵敏度也会降低。
图3A-D是说明性图，显示了根据一些实施例，在未对准情况下的替代方法异物检测系统。
替代FOD系统的正常操作和未对准下的操作分别如图3A和图3B所示。例如，在ANSYS MaxwellTM中对6.6kW的无线充电系统进行建模，得出的300A和300B的磁场分别如图3C和图3D所示。从300C和300D中可以看出，磁场分布受接收线圈位置的影响很大。最重要的是，如300D所示，可以清楚地看到，在y方向未对准的情况下，磁场分布沿x轴是不对称的。
提出的FOD系统
图4是一个示意图，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称FOD系统400。在提出的示例性FOD系统400中，每个传感器线圈可分为两部分，并如图所示对角放置。在操作中，异物检测系统方法可以用于执行用于检测一个或多个异物的方法。
所述方法在时间上是在无线充电开始之前(例如，当无线充电器被激活时但在充电开始之前)进行。这可以作为充电的前提条件紧接在充电之前完成，或者可以周期性地完成。这样做的原因是检查可能存在的异物(可能会带来效率或安全性问题)。举例来说，效率和安全性可以结合在一起，因为充电路径中的异物可能会无意中接收能量、发热并热损坏(例如熔化)无线充电器、正在充电的装置或无线充电器的外壳。
举个实际的实例，这可能包括一个启用了无线充电功能的停车位，在这个停车位上有一块金属板从格栅上掉了下来。如果无线充电开始，则所述板可能会发热，最终融化无线充电垫或损坏周围的沥青。当发射器线圈和接收器线圈未对准时(由于车辆和停车位的偏移对准，在停车位无线充电的情形中可能会出现这种情况)，检测异物具有挑战性。
存在作为主充电线圈的无线发射器线圈。FOD系统400的传感器线圈相对于主充电线圈进行定位(例如置于其顶部上)。传感器线圈可设计成多个部分的组。
指示这样一组传感器线圈，其中两个线圈部分串联连接，组成传感器线圈组a1。类似地，指示另一组传感器线圈，其中两个线圈部分串联连接，组成传感器线圈组b1。线圈a1和b1之间的电压差可以产生一个差分电压，所述差分电压可以用于检测金属物体的存在。
如前所述，这只是一个简化实例，还可以有更复杂的变化，例如线圈的附加部分等。例如，可以有多个线圈对(即a1对b1、a2对b2、a3对b3等)。每个线圈(a1、b2、a2等)可以包含多个部分(回路)，但线圈取自组a和b，并以互补对的形式进行比较。可以将部分、组合或所有的比较作为一个整体来考虑，以确定系统上是否有异物。
在未对准的情况下操作时，每个传感器线圈对的一个部分可能会经历相同的磁场分布变化。每对传感器线圈组的差分电压Vdi可表达为：
理想情况下，在没有金属物体的标称条件下，差分电压Vdi应接近于零。在一些实施例中，每当有金属物体进入系统时，面对金属物体的传感器线圈的电压可能会偏离标称值，导致差分电压值偏离零。
具体地说，所述方法包含首先在传感器线圈上施加辅助高频电压。举例来说，辅助高频电压可定义在几MHz的范围内。选择3MHz的频率范围，原因在于其灵敏度较高且易于实施。例如1-6.8MHz等其它频率范围是可能的。所述方法包含使用一组相对于无线发射器充电线圈定位的传感器线圈来感测一个或多个电压或电流，这组传感器线圈包含第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，它们相对于无线发射器的操作平面围绕一个或多个径向对称轴彼此镜像。传感器线圈位于无线发射器充电线圈的顶部上，这在图4所示的一个实例中提供。例如，每个传感器线圈组可包含12对，如图4的实例所示。
在典型操作中，在实际情境中会连续感测电压或电流，以检测是否存在例如铝罐等异物。
随后操作传感器线圈以基于至少一个或多个电压或电流而确定差分电压或电流。识别差分电压或电流(例如，第一传感器线圈组与第二传感器线圈组之间)，且在实际情境中的实例可以是在一个传感器线圈组中为0.2V，在另一传感器线圈组中为0.3V。两组之间的差为0.1V，指示存在金属物体。
因为线圈组是围绕径向对称轴镜像的，因此尽管存在未对准，差分电压或电流仍然有用，因为如果传感器线圈上没有金属物体，电压将是相等的。在未对准的情况下，由于传感器设计的对称性，两组线圈面对的磁场相似，因此线圈组的测量电压不会增加偏移量。然而，在图1所示的常规设计中，其中一个线圈组会因未对准而上移，且干扰检测算法。在此实例中，一个线圈可以是1.2V，另一线圈组是0.3V。可见在此情况下，差分电压不可用于检测金属物体的存在，因为常规传感器设计无法区分未对准和金属物体对差分电压的影响。
具体地说，由于第一传感器线圈组和第二传感器线圈组相对于彼此的定位，补偿了由于发射器线圈和接收器线圈的未对准导致的第一传感器线圈组和第二传感器线圈组中线圈或辅助负载电压或电流的变化。在此上下文中，术语“补偿”可意指相对于发射器和接收器未对准轴的对称放置。
这种方法能够处理EV充电应用中200mm范围内的未对准，并且与其它方法相比在技术上有所改进，因为它增强了尽管未对准仍然操作的能力。如上所述，其它方法由于对传感器线圈电压的未对准影响和检测金属物体的能力失灵而不够完善，这可能导致重大的安全问题或需要昂贵的变通方法。所提出的方法虽然需要额外的前期投资，但提供了一个解决安全性/效率问题的精致方法，并为改进的FOD设计提供了一个实际应用，其中建议地理空间定向和改进的操作方法串联地运行。
所述方法立足于实际可行的实施例，例如嵌入或耦合到停车位中的无线充电器。虽然这种方法并不局限于电动车辆，但它可以减少与充电和续航里程焦虑相关联的摩擦点，从而有助于提高绿色技术的采用率，因为驾驶员可以例如在跑腿时方便地为车辆充电，而无需采取实际连接有线充电器等步骤。然而，对于大功率无线充电而言，设计出能够抵御实际非理想情况的系统非常重要，所述非理想情况例如由发射器与接收器之间的不准确耦合导致的未对准。
在确定差分电压或电流(例如，大于5％的阈值或设计者可设置的任何其它值)后，系统可发出警报通知，请求检查无线充电器是否有异物，或触发控制元件，如与马达等相连的致动器臂，以尝试将异物扫除。在一些实施例中，在系统重新检查并发出“一切正常”信号之前，不允许开始无线充电。在另一种变化中，允许开始无线充电，但降低功率电平，例如标称功率的1％-10％，且无线充电器可被配置成周期性地检查异物，并在发出“一切正常”信号时恢复全功率。检查异物一般需要100毫秒左右。在另一个变体中，所述系统与额外的安全传感器耦合，且异物检测系统是控制器电路的输入，所述控制器电路在控制无线充电器的操作时使用输入的组合。
与替代FOD系统方法相比，当存在未对准时，由于线圈的镜像(如对角线)对称放置，传感器线圈的每一部分上的感应电压的变化可由互补线圈补偿。举例来说，在Ymis＝150mm的操作的情况下，线圈b1-bot和a1-bot上的感应电压可大于标称条件。相比之下，b2-bot和a2-bot上的感应电压可小于标称条件。因此，根据(2)，未对准的影响将被抵消。因此，在一些实施例中，如果在未对准较大的情况下运行，则FOD系统的性能不会受到影响。
可应用的最大未对准取决于无线充电器磁性结构的设计。然而，FOD系统对未对准的容许度在无线充电系统能够容许的范围内。
提出的系统的一个实际挑战是传感器PCB设计。每对传感器线圈之间的迹线应当相同，以便在正常操作条件下电压为零。否则，由于传感器回路上的磁场分布不平衡，因此在未引入金属物体时，差分电压将偏离零(偏移)。然而，这种偏移电压是恒定的，幅度较小，可以在后处理算法中消除。
图5是一个示意图，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称异物检测系统500。通过详细叙述其它实施例的对称性的结构修改，可进一步改进FOD。替代实施例可以进一步细分线圈结构，叠加额外的传感器线圈，或使用更大的传感器线圈组。后一种情况的实例在图5中示出。在这个示例性FOD系统中，每个线圈组a和b被分成四个部分并对角放置。与图4所示的根据实施例的前面提到的示例性布局相比，这种布局的优势在于，在同时应用X和Y方向未对准的情况下，这种布局是对称的。
可以串联更多的线圈，但FOD系统的灵敏度可能降低。为了提高系统的灵敏度，可以调整(减小)每个传感器线圈部分的宽度。例如，当从图4所示的布局切换到图5时，每个线圈部分的宽度可改为原来大小的一半，且线圈部分的数目可加倍，以保持对金属物体的良好灵敏度。作为非限制性实例，在图4中，线圈宽度为30mm，可以有20个线圈(每组10个线圈)。也可以采用其它线圈数目和宽度。例如，在替代实施例中，在图5的布局中，可以实际上有40个线圈，宽度减至15mm，以保持对金属物体的良好灵敏度。
可以将提出的系统修改为主动FOD系统。随后，每个线圈都连接到谐振电路和感测电阻器。随着传感器线圈电感的变化，感测电阻器的电压也会发生变化。感测电阻器的电压或电流波动可能表明传感器线圈上存在金属物体。
模拟结果
图6是示意图600，示出了根据一些实施例为金属物体定义的坐标系。
作为案例研究，考虑一个以85kHz运行的非限制性的示例性6.6kW无线充电系统(根据SAE2954)。无线充电线圈为矩形类型，尺寸为640×508mm2。发射器线圈下方放置了铁氧体块，以减少磁场泄漏，并提高系统效率。铁氧体块是根据EPCOSTM公司的N87材料建模的。补偿网络是一个双侧LCC谐振网络，调谐频率为85kHz。无线充电线圈和FOD系统在ANSYSMaxwellTM中建模，以测量感应电压并计算差分电压。此模拟中的金属物体是一个30×30×2mm3的铝块，与FOD传感器板的Z距离为7mm。在本案例研究中，FOD传感器线圈的宽度为24.2mm。
在无线充电系统正常操作时，假设充电垫之间没有未对准。在此模拟中，金属物体从发射器线圈的外侧(Xmo＝-350mm)移动到发射器的中点(Xmo＝0mm)，且针对金属物体考虑不同的Y位置(90mm、140mm和240mm)。金属物体位置的坐标系在图6中定义。为了评估FOD系统的性能，应用了150mm的Y方向未对准。
案例研究基于所使用的根据实施例的示例性FOD系统提出了若干考虑因素：
点Xmo＝-350mm是金属物体位于发射器线圈之外的位置。
点Xmo＝0mm是金属物体位于发射器线圈中心的位置。
对金属物体的灵敏度越高，传感器的性能就越好。
对金属物体的较高灵敏度意指在没有金属物体的条件(Xmo＝-350)和金属物体在发射器线圈上的情况(例如Xmo＝-150)之间的差异较大。
对未对准的灵敏度越高，传感器的性能就越差。
对未对准的较高灵敏度意指不同未对准条件下的电压差曲线之间存在较大间隙。
图7A、7B、7C是示出根据一些实施例的异物检测系统在正常对准条件下与在150mm的Y方向未对准条件下的操作的曲线图。
左侧曲线图700A、700B和700C示出在不同的未对准条件下，替代系统在金属物体的不同位置处的性能。
曲线704A、706A、704B、706B、704C、706C和曲线708A、710A、708B、710B、708C、710C分别示出FOD系统在对准和未对准操作条件下的差分电压。
从700A、700B和700C中可以观察到，无线充电系统的未对准导致差分电压明显高于对准操作模式(曲线704A-C)。此外，在未对准情况下，差分电压相对于金属物体位置XMO的变化可以忽略不计。在此系统中，在未对准下的差分电压几乎是对准操作条件下的7-10倍。因此，未对准会降低FOD系统对金属物体存在的灵敏度，或使FOD系统完全失效。
相比之下，对于根据一些实施例提出的系统，当系统在未对准下操作时(曲线710A-C)，差分电压非常接近于对准操作(曲线706A-C)，如右侧曲线图702A、702B和702C所示。因此，在一些实施例中，提出的系统可以检测到金属物体的存在，而不受未对准条件的影响。对于第二种布局(实施例变体II，如图5所示)，也可以得出类似的结果。
换句话说，替代系统在未对准下操作时失去了对金属物体的灵敏度。然而，在一些实施例中，提出的FOD系统在对准和未对准操作条件下都示出类似的性能。因此，FOD系统对金属物体的灵敏度保持不变，与主无线充电线圈的未对准无关。
图8A、8B、8C是示出根据一些实施例的异物检测系统在正常对准条件下与在75mm的X方向未对准和150mm的Y方向未对准下的操作的曲线图。以一般化的容许未对准的FOD传感器(变体II，如图5所示)为例，传感器线圈的宽度可改为原始设计的一半。替代现有系统、提出的变体I(如图4所示)和一般化形式(变体II，如图5所示)的结果在图8A-C中示出。
从曲线图800A中可以看出，在同时施加x和y未对准的情况下，替代系统的差分电压会出现显著差异(对金属物体的灵敏度非常低，而对未对准的灵敏度较高)，从而无法检测到金属物体。例如图4所示的所提出的变体I示出通过缩小对准情况与未对准情况之间的间隙而得到的更好的结果，这一点可从曲线图800B中看出。然而，对准操作与未对准操作之间仍存在明显差异。左侧的曲线图800C示出了一般化的容许未对准的FOD的结果；右侧的曲线图802C也呈现了放大版本。可以看出，对准情况和未对准情况之间的差异明显缩小。这意味着FOD系统在保持对金属物体的灵敏度的同时，还能抵御x和y未对准(同时)。如图所示，所述系统可用于在无线充电期间检测一个或多个异物，其适合于尽管发射器线圈和接收器线圈未对准仍然继续操作。
比较器电路可耦合到第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，以确定第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1的电压之间的差分电压，且比较器电路可以有多种变化。由于第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1相对于彼此的对角线定位，补偿了由于发射器线圈和接收器线圈的未对准导致的第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1中的感应电压的变化。
在一些实施例中，线圈a1可以围绕一个或多个径向对称轴进行镜像，以产生线圈b1。同样，在一些实施例中，线圈a2和b2也是如此，依此类推。传感器线圈组可称为a和b，而“传感器线圈”可为a1、b1、a2、b2、a3、b3等，它们可以由多个部分组成。传感器线圈可以成对进行比较，以获得两组线圈之间的多个差值a1-b1、a2-b2等。比较器电路确定电流或电压差。
下文提出了另一个变体，标注为变体II，其中第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1中的至少一个被细分为多个部分，这些部分以对称布局的方式定位，其中发射器线圈和接收器线圈的未对准在多个方向未对准中同时得到补偿。
图9是说明性参考图900，示出了未对准位置和差分未对准。例如，系统500还可以防止如图9中指定的类型(e)的Z方向未对准。然而，通过增加不同的对称轴(例如，如图5所示，基于变体II的新布局)，也可以涵盖旋转未对准。旋转未对准是发射器和接收器的一个边缘之间存在未对准角(而不是平行)的情况。
在图9中指定的未对准方向下，变体I(例如图4中所见)可一次一个地抵御(a)或(b)型未对准。例如，如图5所见的变体II可同时抵御(a)和(b)两种情况，从而避免(c)型未对准。通过进一步将线圈划分为更多部分，在一些实施例中，可以增加更多的对称轴，从而在一定程度上涵盖类型(d)。
图10是示意图1000，示出了根据一些实施例的具有更多对称轴的扩展的异物检测系统。示出的实例布局可承受例如约22.5度的接收器线圈旋转，且抵御未对准类型(d)，如图9中指定。
在另一实施例中，第一传感器线圈组a1和第二传感器线圈组b1中的每一个各自细分为四个部分，并相对于彼此镜像定位(如对角线定位)。
在另一实施例中，第一传感器线圈组a1或第二传感器线圈组b1的多个部分的数目是基于差分电压的目标电压灵敏度确定的。
部分的数目对于抵御未对准可能更为重要(因为部分的分布可以产生更多的对称轴)。然后可基于目标物体大小(与电压灵敏度相关)调整宽度。
在另一实施例中，比较器电路通过多路复用器电路跨越电位器耦合到第一传感器线圈组和第二传感器线圈组。
在一些实施例中，电位器可类似于比较器电路。在一些实施例中，可以使用两个恒定电阻器的简单串联连接来代替电位器。电位器可以主动地将电压差归零，但在一些实施例中可能没有必要使用。多路复用器电路也不是必要的，例如可以改为使用多个ADC。使用多路复用器可以减少所需的ADC通道的数目。
在一实施例中，在电位器的中点处获得差分电压。
在另一实施例中，传感器线圈组中每个传感器线圈的宽度至少是基于差分电压的目标电压灵敏度确定的。
在另一实施例中，传感器线圈组中每个传感器线圈的宽度至少是基于第一传感器线圈组a1或第二传感器线圈组b1的所述多个部分的数目确定的。
在一实施例中，在电源与电动车辆或便携式电子装置之间进行无线充电。
在另一实施例中，当差分电压大于阈值差分电压时，就会生成警报通知或控制输出。
在一些实施例中，系统可以比较初始充电状态与当前充电状态之间的差分电压。
在一些实施例中，系统可以例如改装现有的无线充电系统。在一些实施例中，系统可以是与无线充电系统一起实施或耦合的系统。在一些实施例中，它可以是一个带有警报、通知和/或纠正机制的无线充电系统。举例来说，在一些实施例中，系统可以在检测到异物时通知驾驶员，或者在汽车停放位置与充电垫未对准过多时通知驾驶员。
一些实施例可包含物体忽略功能，例如，如果检测到的异物低于阈值，则可以允许系统忽略所述异物。在一些实施例中，系统可以跟踪热量，但只要热量保持在设定阈值以下，就会继续充电。在一些实施例中，FOD系统可与活物体检测系统(热/IR相机、移动检测、电容式检测等)结合使用。在一些实施例中，系统可包含检测到物体或在超过阈值时关闭充电的警报。
在一些实施例中，例如可在下游激活加热检测机制。
根据一些实施例，系统可按示例性顺序操作，例如，系统可开始充电，可检测到异物，FOD系统可指示问题所在(例如，可向车主发送警示)，和/或系统可关闭并停止充电。
应当注意的是，所描述的异物检测和充电的系统和方法可抵御未对准，且并不局限于EV充电应用。在一些实施例中，所述系统可用于手机充电/充电器、外部电池充电/充电器、汽车充电/充电器(如混合动力车辆)、无人机充电/充电器、货船和游轮充电/充电器、用于自主水下航行器和自动导引车辆的充电/充电器，以及自主轮椅充电/充电器以及其它应用。
图11是说明图1100，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称异物检测系统。在某些实施例中，图11示出的系统可与图4所示的系统类似。
图12是说明图1200，示出了根据一些实施例的容许未对准的对称异物检测系统。在一些实施例中，图12示出的系统可与图5所示的系统类似。
图13是说明图1300，示出了根据一些实施例的具有更多对称轴的扩展的异物检测系统。在一些实施例中，通过增加不同的对称轴，还可以涵盖旋转未对准。旋转未对准是发射器和接收器的一个边缘之间存在未对准角而不是平行的情况。
图14是说明图1400，示出了根据一些实施例的圆形传感器线圈结构。在这种结构中，尽管所示结构中可能存在盲点，但沿4个对称轴的未对准容限可能较大。
图15是说明图1500，示出了根据一些实施例的圆形传感器线圈结构。在这种结构中，沿4个对称轴可能存在中等未对准容限，但所示结构中可能几乎没有盲点。
图16是说明图，示出了根据一些实施例的方形传感器线圈结构实例。在这样的结构中，可能存在中等未对准容限、4个对称轴，且盲点可能很少。
图17是方法图1700，示出了根据一些实施例的示例系统的操作的实例过程。方法的步骤如1702、1704、1706所示，其中可以检测差分电压或电流，并用于修改系统的操作状态或状态。
图18是说明图1800，示出了根据一些实施例在第一方向(例如x方向)上的潜在未对准。示出了无线发射器部分1802和接收器1804，它们在一个方向上未对准。例如，当车辆没有正确停放在无线充电区上方时(例如，车辆没有停得足够远)，就会出现这种情况。重要的是，尽管存在这种未对准，异物检测系统仍能正确地操作。
图19是说明图1900，示出了根据一些实施例在多个方向上同时发生的潜在未对准(例如x-y方向未对准)。示出了无线发射器部分1902和接收器1904，它们在两个方向上未对准。
例如，当车辆没有正确停放在无线充电区上方时，就会出现这种情况，与图18相比，车辆以歪斜的定向停放在车位上(例如，批发零售商的超宽停车位)。重要的是，异物检测系统要在这种更复杂类型的未对准情况下仍能正确地操作，这一点已在上文提出的一些变体中得到解决。
图20是方框示意图2000，示出了根据一些实施例的异物检测系统2004与无线电力传输系统2002和警示/操作条件纠正系统2006/2008结合操作的情况。用于跟踪差分电压或电流的电路(如比较器)在2005处示出。示例图中示出了异物2010。如本文所述，异物可包含对从发射器到接收器的电力传送操作有影响的各种物体。这些物体可包含但不限于金属物体(如硬币、板、碎片)或其它类型的材料，它们会吸收或以其它方式影响功率流(如反射)。在无线充电系统的广泛商业实施方案中，可能会出现以下情况，例如，车辆的部件掉落到充电路径上(如隔热板)，碎片掉落到所述区域(如钉子、螺钉)，物品从口袋中掉落(如硬币)。
在操作中，异物检测系统方法可以用于执行用于检测一个或多个异物的方法。所述方法是在无线充电开始之前(例如，当无线充电器被激活时但在充电开始之前)进行。这可以作为充电的前提条件紧接在充电之前完成，或者可以在充电操作期间周期性地完成。这样做的原因是检查可能存在的异物(可能会带来效率或安全性问题)。举例来说，效率和安全性可以结合在一起，因为充电路径中的异物可能会无意中接收能量、发热并热损坏(例如熔化)无线充电器、正在充电的装置或无线充电器的外壳。举个实际的实例，这可能包括一个启用了无线充电功能的停车位，在这个停车位上有一块金属板从格栅上掉了下来。如果无线充电开始，则所述板可能会发热，最终融化无线充电垫或损坏周围的沥青。当发射器线圈和接收器线圈未对准时(由于车辆和停车位的偏移对准，在停车位无线充电的情形中可能会出现这种情况)，检测异物的难度很大。
具体地说，所述方法包含首先在传感器线圈上施加辅助高频电压。举例来说，辅助高频电压可定义在几MHz的范围内。选择3MHz的频率范围，原因在于其灵敏度较高且易于实施。例如1-6.8MHz等其它频率范围是可能的。
然后，所述方法包含使用一组相对于无线发射器充电线圈定位的传感器线圈来感测一个或多个电压或电流，这组传感器线圈包含第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，它们相对于无线发射器的操作平面围绕一个或多个径向对称轴彼此镜像。传感器线圈位于无线发射器充电线圈的顶部上，这在图4所示的一个实例中提供。例如，每个传感器线圈组可包含12对，如图4中的实例所示。
在实际情境中，通常会连续感测电压或电流，以检测是否存在例如铝罐等异物。
随后操作传感器线圈以基于至少一个或多个电压或电流而确定差分电压或电流。识别第一传感器线圈组与第二传感器线圈组之间的差分电压或电流。实际情境中的实例可以是在一个传感器线圈组中为0.2V，在另一传感器线圈组中为0.3V。两组之间的差为0.1V，指示存在金属物体。因为线圈组是围绕径向对称轴镜像的，因此尽管存在未对准，差分电压或电流仍然有用，因为如果传感器线圈上没有金属物体，电压将是相等的。在未对准的情况下，由于传感器设计的对称性，两组线圈面对的磁场相似，因此线圈组的测量电压不会增加偏移量。
然而，同样的操作方法不适用于现有的替代设计，如图1所示的实例。从线圈组中的一个测得的电压将由于未对准而上移，进而干扰检测算法。在此实例中，一个线圈可以处于1.2V，另一线圈组是0.3V。可见在此情况下，差分电压不可用于检测金属物体的存在，因为常规传感器设计无法区分未对准和金属物体对观察到的差分电压的影响。
具体地说，由于发射器线圈和接收器线圈的未对准，导致第一传感器线圈组和第二传感器线圈组中的线圈或辅助负载电压或电流发生变化，在这种情况下，通过第一传感器线圈组和第二传感器线圈组相对于彼此以及相对于发射器和接收器未对准轴的对称放置来对这种变化进行补偿。这种方法能够处理EV充电应用中200mm范围内的未对准，并且与其它方法相比在技术上有所改进，因为它增强了尽管未对准仍然操作的能力。如上所述，其它方法由于对传感器线圈电压的未对准影响和检测金属物体的能力失灵而不够完善，这可能导致重大的安全问题或需要昂贵的变通方法。所提出的方法虽然需要额外的前期投资，但提供了一个解决安全性/效率问题的精致方法，并为改进的FOD设计提供了一个实际应用，其中建议地理空间定向和改进的操作方法串联地运行。所述方法立足于实际可行的实施例，例如嵌入或耦合到停车位中的无线充电器。
在确定差分电压或电流(例如，大于5％的阈值或设计者可设置的任何其它值)后，系统可发出警报通知，请求检查无线充电器是否有异物，或触发控制元件，如与马达等相连的致动器臂，以尝试将异物扫除。在一些实施例中，在系统重新检查并发出“一切正常”信号之前，不允许开始无线充电。在另一种变化中，允许开始无线充电，但降低功率电平，例如标称功率的1％-10％，且无线充电器可被配置成周期性地检查异物，并在发出“一切正常”信号时恢复全功率。检查异物一般需要100毫秒左右。在另一个变体中，所述系统与额外的安全传感器耦合，且异物检测系统是控制器电路的输入，所述控制器电路在控制无线充电器的操作时使用输入的组合。
在一些实施例中，系统还可以与相机系统或其它系统互操作，以验证物体的存在，或发送带有图像的警示，以便看护人员能够清除物体。如本文所述，在某些变体中，还可以对物体的大小或影响进行评估，以基于特性修改系统的操作(例如，极小->什么也不做，小->降低功率，中等/大->关闭，直到确认清除为止)。
虽然这种方法并不局限于电动车辆，但它可以减少与充电和续航里程焦虑相关联的摩擦点，从而有助于提高绿色技术的采用率，因为驾驶员可以例如在跑腿时方便地为车辆充电，而无需采取实际连接有线充电器等步骤。然而，对于大功率无线充电而言，设计出能够抵御实际非理想情况的系统非常重要，所述非理想情况例如由发射器与接收器之间的不准确耦合导致的未对准。
本文提出的是根据一些实施例的用于FOD系统的新型对称传感器线圈布局，其例如用于EV无线充电应用。在一些实施例中，提出的布局可以在X和Y未对准方向上都对称。因此，磁场分布的变化可能不会影响FOD系统的灵敏度。通过模拟已经表明，与现有的替代系统相比，提出的系统更能抵御未对准的变化。此外，还构建了一个带有矩形主线圈的示例性6.6kW无线充电系统，以评估提出的FOD系统的性能。已经表明，在一些实施例中，所述FOD系统能够检测出在X和Y方向上在0到150mm的未对准范围内的金属物体。
申请人注意到所描述实施例和实例为说明性且非限制性的。特征的实际实施可以结合方面中的一些或所有方面的组合，并且本文所述的特征不应被视为未来或现有产品计划的指示。申请人参与基本研究和应用研究，且在一些情况下，在探索性基础上开发所描述特征。
术语“连接”或“耦合到”可包含直接耦合(其中两个彼此耦合的元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个额外元件位于所述两个元件之间)。
尽管已经详细描述了实施例，但是应当理解，在不偏离范围的情况下，可以在本文中作出各种改变、替代和更改。此外，本申请的范围不旨在限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、构件、方法和步骤的具体实施例。
如本领域的普通技术人员将从本公开容易地理解的，可以利用进行与本文所述的对应实施例中的功能基本上相同的功能或实现与本文所述的对应实施例中的结果基本上相同的结果的当前存在或稍后待开发的过程、机器、制造、物质组成、构件、方法或步骤。因此，实施例既定在其范围内包含这些过程、机器、制品、物质组成、构件、方法或步骤。
如可以理解的，上文所述和所展示的实例旨在仅是示例性的。
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Claims (32)

1.一种用于在无线充电期间检测一个或多个异物的系统，所述系统适合于尽管发射器线圈和接收器线圈未对准仍然继续操作，所述系统包括：
一组传感器线圈，所述一组传感器线圈相对于无线发射器的充电线圈定位，所述一组传感器线圈包含第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组相对于所述无线发射器的操作平面围绕一个或多个径向对称轴彼此镜像；
至少一个比较器，其耦合到所述第一传感器线圈组中的线圈和所述第二传感器线圈组中的线圈以确定所述第一传感器线圈组与所述第二传感器线圈组之间的差分电压或电流；
其中由于所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组相对于彼此的定位，补偿了由于所述发射器线圈和所述接收器线圈的所述未对准导致的所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的感应电压或电流的变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的至少一个细分成以对称布局定位的多个部分，在所述对称布局中，所述发射器线圈和所述接收器线圈的所述未对准在多个方向或旋转未对准中同时得到补偿。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的每一个各自细分成多个部分，且所述细分部分的对相对于彼此是镜像的。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一传感器线圈组或所述第二传感器线圈组的所述多个部分的数目是基于所述差分电压或电流的目标灵敏度而确定的。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述比较器通过多路复用器电路跨越电位器中的至少一个耦合到所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述差分电压或电流是在所述电位器的中点处获得的。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述一组传感器线圈中的每个传感器线圈的宽度是至少基于所述差分电压或电流的目标电压或电流灵敏度或目标物体大小而确定的。
8.根据权利要求4所述的系统，其中所述一组传感器线圈中的每个传感器线圈的宽度是至少基于所述第一传感器线圈组或所述第二传感器线圈组的所述多个部分的所述数目而确定的。
9.根据权利要求1所述的系统，其中在电源与电动车辆或便携式电子装置之间进行所述无线充电。
10.根据权利要求1所述的系统，其中在所述差分电压或电流大于阈值差分电压或电流之后即刻生成警报通知或控制输出。
11.一种用于在无线充电期间检测一个或多个异物的方法，所述方法适合于尽管发射器线圈和接收器线圈未对准仍然继续操作，所述方法包括：
使用相对于无线发射器的充电线圈定位的一组传感器线圈感测一个或多个电压或电流，所述一组传感器线圈包含第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组相对于所述无线发射器的操作平面围绕一个或多个径向对称轴彼此镜像；
至少基于所述一个或多个电压或电流而确定差分电压或电流；
其中由于所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组相对于彼此的定位，补偿了由于所述发射器线圈和所述接收器线圈的所述未对准导致的所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的感应电压或电流的变化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的至少一个细分成以对称布局定位的多个部分，在所述对称布局中，所述发射器线圈和所述接收器线圈的所述未对准在多个方向或旋转未对准中同时得到补偿。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的每一个各自细分成多个部分，且所述细分部分的对相对于彼此是镜像的。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一传感器线圈组或所述第二传感器线圈组的所述多个部分的数目是基于所述差分电压或电流的目标灵敏度而确定的。
15.根据权利要求11所述的方法，其中比较器用于检测所述差分电压或电流，且所述比较器通过多路复用器电路跨越电位器中的至少一个耦合到所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述差分电压或电流是在所述电位器的中点处获得的。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述一组传感器线圈中的每个传感器线圈的宽度是至少基于所述差分电压或电流的目标电压或电流灵敏度或目标物体大小而确定的。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述一组传感器线圈中的每个传感器线圈的宽度是至少基于所述第一传感器线圈组或所述第二传感器线圈组的所述多个部分的所述数目而确定的。
19.根据权利要求11所述的方法，其中在电源与电动车辆或便携式电子装置之间进行所述无线充电。
20.根据权利要求11所述的方法，其中在所述差分电压或电流大于阈值差分电压或电流之后即刻生成警报通知或控制输出。
21.一种用于在无线充电开始之前检测一个或多个异物的方法，所述方法适合于尽管发射器线圈和接收器线圈未对准仍然继续操作，所述方法包括：
在传感器线圈上施加辅助高频电压，且使用相对于无线发射器的充电线圈定位的一组传感器线圈感测一个或多个电压或电流，所述一组传感器线圈包含第一传感器线圈组和第二传感器线圈组，所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组相对于所述无线发射器的操作平面围绕一个或多个径向对称轴彼此镜像；
至少基于所述一个或多个电压或电流而确定差分电压或电流；
其中由于所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组相对于彼此的定位，补偿了由于所述发射器线圈和所述接收器线圈的所述未对准导致的所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的线圈或辅助负载电压或电流的变化。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的至少一个细分成以对称布局定位的多个部分，在所述对称布局中，所述发射器线圈和所述接收器线圈的所述未对准在多个方向或旋转未对准中同时得到补偿。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组中的每一个各自细分成多个部分，且所述细分部分的对相对于彼此是镜像的。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一传感器线圈组或所述第二传感器线圈组的所述多个部分的数目是基于所述差分电压或电流的目标灵敏度而确定的。
25.根据权利要求21所述的方法，其中比较器用于检测所述差分电压或电流，且所述比较器通过多路复用器电路跨越电位器中的至少一个耦合到所述第一传感器线圈组和所述第二传感器线圈组。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述差分电压或电流是在所述电位器的中点处获得的。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述一组传感器线圈中的每个传感器线圈的宽度是至少基于所述差分电压或电流的目标电压或电流灵敏度或目标物体大小而确定的。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述一组传感器线圈中的每个传感器线圈的宽度是至少基于所述第一传感器线圈组或所述第二传感器线圈组的所述多个部分的所述数目而确定的。
29.根据权利要求21所述的方法，其中在电源与电动车辆或便携式电子装置之间进行所述无线充电。
30.根据权利要求21所述的方法，其中在所述差分电压或电流大于阈值差分电压或电流之后即刻生成警报通知或控制输出。
31.根据权利要求21所述的方法，其中所述辅助高频电压具有在1至6.8MHz的范围内的频率。
32.一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有机器可解译的指令，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行用于在无线充电期间检测一个或多个异物的方法的步骤，所述方法适合于尽管发射器线圈和接收器线圈未对准仍然继续操作，所述方法是根据权利要求11至31中任一项所述的方法。
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