JP2017521040A - 誘導型電力伝送フィールドにおける異物検出 - Google Patents

Abstract

誘導型電力伝送フィールドにおいて異物の存在を判定する方法であって、誘導型電力システムの制御回路が、直流−交流コンバータに電力を供給するステップと、誘導型電力伝送フィールドにおける送信機コイルにコンバータから電力を供給するステップと、送信機コイルにおいて電流が安定化するのを待つステップと、送信機コイルにおける無効電力を推定するステップと、送信機コイルにおける有効電力を推定するステップと、推定された無効電力及び推定された有効電力を用いて、異物が存在するかを判定するステップと、を実行する方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導型電力伝送システムの領域である。より具体的には、専らではないが、本発明は、特に誘導型電力伝送面及び受信機との間に位置する異物に対して、誘導型電力伝送面上に存在する異物を検出するための方法及びシステムに関する。

誘導型電力伝送システムが、送信機器から受信機へ無線で電力を供給するために用いられている。この技術は、現在、携帯端末に対する無線充電パットにおいて使用されている。通常、プライマリサイド又は送信機は、１つまたは複数の送信コイルを用いて時間変動する磁界を生成する。この磁界は、その後にバッテリを充電し又は機器若しくは他の負荷に電力供給するのに用いられうる交流電流を、適切な１つまたは複数の受信コイルにおいて生じさせる。いくつかの例では、送信機コイル又は受信機コイルは、対応する共振周波数において電力スループット又は効率を増加させることができる共振回路を作るために、キャパシタと接続されうる。

誘導型電力伝送システムに伴う共通の問題は、送信機に電力が供給されるべきとき及び送信機がスイッチオフされるべきときの制御である。さらなる問題は、非受信機（異物）が送信機の範囲内に持ち込まれた、不要な電流（及びそれに伴う熱）がそこに引き起こされる場合に生じる。これらの非受信機は、通常、寄生負荷として知られている。さらに、導電性の異物は、送信機と、互換性のある受信機との間に位置しうる。この場合での送信は、送信機と受信機との少なくともいずれかにおける破損を生じさせうる。

異物の検出のための自動システムが従来技術において説明されている。例えば：
・異物検出のための送信機側における追加のコイルに依存するシステム
・送信機コイル周波数のより高い調波を検出するための検出回路を用いるシステム
・受信機内に組み込まれるシステム。

異物検出のための多くのシステムは、追加の検出回路に依存している。これの難点は、誘導型電力伝送システムに対してコスト及び容積を追加することである。また、異物検出のための多くのシステムは、共振回路に生じる電力伝送に依存しており、非共振電力伝送において効果的でないかもしれない。受信機に基づくシステムは、異物検出のために備えられている可能性のある各受信機に依存する。さらに、受信機に基づくシステムは、送信機と受信機との間の異物を検出することしかできない。

本発明の目的は、誘導型電力伝送フィールドにおける異物検出のための改善された又は代替的な方法及びシステムを提供すること、又は、少なくとも、世間に有用な選択の範囲を提供することである。

１つの例示の実施形態によれば、誘導型電力伝送フィールドにおいて異物の存在を判定するための方法であって、誘導型電力システムの制御回路が、直流−交流コンバータに電力を供給するステップと、そのコンバータから誘導型電力伝送フィールドにおける送信機コイルへ電力を供給するステップと、送信機コイルにおける電流が安定するのを待つステップと、送信機コイルにおける無効電力を推定するステップと、送信機コイルにおける有効電力を推定するステップと、異物が存在するかを判定するために推定された無効電力及び推定された有効電力を使用することと、を実行する方法が提供される。

他の例示の実施形態によれば、誘導型電力伝送装置であって、電気的に電源に接続されるように構成されると共に送信機コイルに対して交流電流を出力するように構成されるコンバータと、コンバータの出力交流電流の周波数を制御するためのコントローラと、コンバータからの交流電流を受信するように構成され、さらに所定の周波数及び強さの時間変動する磁界を生成するように構成される少なくとも１つの送信機コイルと、誘導型電力伝送装置の電圧及び電流の特徴であって、当該特徴から送信機コイルを通る有効及び無効電力の推定を行うことができる特徴を検知しセンサ出力をコントローラへ供給するように構成される少なくとも１つのセンサと、を有し、コントローラが、送信機コイルへの電力の供給を制御し、送信機コイルを通る電流フローに関するセンサからの信号を受信し、送信機コイルにおける電流がいつ定常状態条件に達するか判定し、誘導型電力伝送装置の電圧及び電流の特徴のセンサからのセンサ出力を受信し、センサから受信されたセンサ出力から、送信機コイルにおける有効及び無効電力を推定し、推定された有効及び無効電力に基づいて異物が存在するかを判定する、ように構成される誘導型電力伝送装置が提供される。

用語「comprise」、「comprises」、「comprising」（有する）は、各管轄下において、排他的又は包含的な意味に帰属しうることが知られている。この明細書のために、そして別途言及されない限り、これらの用語は、包含的な意味を有することが意図されている−すなわち、それらは、その使用が直接的に参照するリスト化された要素の、そして場合によっては他の特定されていない要素又は成分の、包含を意味するために用いられる。

本明細書における先行技術への参照は、そのような先行技術が周知の一般的な事実の一部を形成することの自白を形成するものではない。

明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を図解しており、上記の本発明の一般的な説明及び下記の実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するために用いる。

図１は誘導型電力伝送システムのブロック図を示している。 図２は、異物と受信機との少なくともいずれかが存在するのと存在しないのとでの４つの周波数掃引の結果の形状を示している。 図３は、図２において描画された形状Ｂ、Ｃ及びＤの中心がそれぞれの形状の全体の領域によって重み付けされてプロットされるときに得られる結果を示している。

本発明の実施形態は、誘導型電力伝送システムにおいて異物を検出し又は特定する方法に関する。図１は、誘導型電力伝送システム１の一般的な表現を示すブロック図である。誘導型電力伝送システムは、送信機２及び受信機３を含む。送信機は、コンセントを使った電源などの適切な電源５に電気的に接続されたＤＣ−ＡＣコンバータ４を含む。図１において、これは、次にＤＣ電源５に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ６に接続されているコンバータ４として示されている。コンバータ４は、非共振ハーフブリッジコンバータや、プッシュプルコンバータなどの特定の誘導型電力伝送システムのために適合された他のコンバータでありうる。コンバータ４は、１つ以上の送信インダクタ７に所望の周波数及び振幅の交流電流を出力するように構成される。また、コンバータの出力の電圧は、コンバータ４、ＤＣ−ＤＣコンバータ、又はこの両者の組み合わせによって調整されうる。

送信インダクタ７は、送信機の具体的な用途及び具体的な配置において要求される磁界の特性に応じた、１つ以上のコイル又はインダクタンスを提供する他の電気的な反応性素子の適切な構成でありうる。いくつかの誘導型電力伝送システムでは、送信インダクタは、共振回路を生成するように、キャパシタなどの反応性素子（不図示）に接続されうる。送信コイルは、コンバータ４から交流電流を受信し、時変の磁界を生成する。磁界の周波数及び強度は、コントローラによって制御される。各送信機コイルは、別個に操作されうる。

また、図１は、送信機２の制御回路又はコントローラ８を示している。コントローラは、送信機の様々な要素（ブロック）に直接的に又は間接的に接続されうる。コントローラは、送信機の接続された部分から入力を受信して、送信機のそれらの部分が動作する方法を制御する出力を生成する。コントローラは、電子記憶装置は、電子記憶装置９を含み、又はそれにアクセスしうる。好ましい実施形態において、電子記憶装置は、オンボードメモリである。コントローラは、誘導型電力伝送システムの要求に応じて様々な計算タスクを実行するようにプログラムされたプログラマブル論理コントローラでありうる。

これまで概説された誘導型電力伝送システム１の特徴に加え、図１は、さらに、送信機２の特定の動作特性をセンスするためのセンサ１０ａ及び１０ｂの表示を示している。センサ１０ａ及び１０ｂは、センスされる特性に応じて、描画されている以外の送信機の他の又は様々な部分に接続されてもよいし、単一の集積センサとして提供されてもよいし、２つより多くの分散センサであってもよいことが理解される。本発明は、この態様に限定されない。図１では、センサ１０ａが、コンバータに供給される電流を測定するのに適切な、ＤＣ−ＤＣコンバータ６とＤＣ−ＡＣコンバータ４との間の接点に接続されて示されており、センサ１０ｂは、インダクタ７を通る電流又はインダクタ７上の電圧を測定するのに適切な送信インダクタ７に接続されて示されている。しかしながら、センサ１０ａ及び１０ｂは、代わりに又は追加的に、送信機システムにおける他の場所の要求される特性をセンスするように適合されうる。

後述の本発明の実施形態では、様々なタイプの測定を行うためのセンサについて議論する。当業者は、説明されるセンシングに適合される多くの可能な種類のセンサがあること、そして、本発明がこの態様に限定されないことを理解する。適切なセンサが要求される機能性に応じたセンシングに用いられることが理解されるだろう。

図１に戻り、受信機３は、その後に負荷１３に受信した電力を供給する受信機回路１２に適切に接続される１つ以上のコイル又はインダクタンスを提供する他の電気的な反応性素子の適切な構成として提供される１つ以上の受信インダクタ１１を含む。負荷は、例えば、再充電可能なバッテリでありうる。受信機回路は、引き起こされた電流を負荷に対して適切な形式に変換する。いくつかの誘導型電力伝送システムでは、受信インダクタは、共振回路を生成するために、キャパシタなどの反応性素子（不図示）に接続されうる。

受信機は、受信機回路１２の一部又は受信機負荷に電流が流れことができないないようにする、システム１から負荷を効果的に「切断する」ための１つ以上の別個の要素（不図示）のいずれかとして、制御回路を含んでもよい。この制御回路は、負荷に電流が流れることを可能とする前の時間遅延を含んだスタートアップシーケンスを生成してもよく、又は、負荷に電流が流れることを可能とする前に送信機からの信号を待ってもよい。この機能は、負荷とシステムのその他の部分との間の直列電子スイッチング機器などの任意の適切な手段によって実装されうる。

ここで、誘導型電力伝送フィールドにおいて異物を検出する又は受信機を検出する方法のいくつかの実施形態について説明する。図１に関連して説明された誘導型電力伝送システム１に関してこれらの方法を説明するが、任意の多数の適切な誘導型電力伝送システムの構成で動作するように適合されうること、同様に誘導型電力伝送システムがこれらの方法と共に動作するように適合されうること、そして、本発明がこの態様に限定されないことが理解される。この説明において、以下の定義が適用される：「有効電力（有効電力）」は、システム内で消散する総平均電力プラス受信機の負荷に流れ込む任意の電力として定義される；「無効電力（無効電力）」は、消散することなく、システム内の（キャパシタ及びインダクタなどの）電力蓄積装置の間を行き来している平均電力として定義される；「皮相電力（皮相電力）」は、システムに入る二乗平均平方根電流及びシステムに入る二乗平均平方根電圧の積として定義される。これらの定義のすべてにおいて、「システム」は、測定が行われる点より後のものであり、例えば、ＤＣ−ＡＣコンバータの入力において測定される場合に、それより前に来るものはシステムには含まれない。

さらに、本説明において、以下が理解されるべきである。非共振「ハード主導型の」誘導電力送信機回路において、送信コイル上の電圧は実質的に矩形波であり、そのコイルを通る電流は実質的に三角波である。非共振と共振の誘導電力送信機回路の違いは、用語が（それらの厳密な技術定義とは対照的に）誘導型電力伝送のフィールドにおいて共通して用いられるように、以下の通りである。送信機コンダクタ及びキャパシタを有する直列回路は、インダクタ及びキャパシタの値及び駆動周波数に応じて共振又は非共振でありうる。共振送信機回路では、インダクタ及びキャパシタのリアクタンスが、可変の位相差を有する正弦曲線の波形をもたらす同じオーダの大きさとなる。非共振送信機回路では、キャパシタのリアクタンスがインダクタのそれより小さいオーダの大きさとなり、結果の波形は、固定された位相の関係を有しない矩形波（電圧）及び三角波（電流）に似る。

有効及び無効電力測定
図２は、異物の存在がある場合とない場合との複数の周波数における有効電力と無効電力との推定値の曲線又は形状（ここでは、これらの用語を、同委と伍してかつ交換可能に使用する）Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤにおける結果を示している。測定値を得る前に、有効電力と無効電力との両方に対するキャリブレーション値が記憶される。グラフの原点は、その周波数に対するキャリブレーション値からの０％オフセットを示している。測定された全ての周波数がそれぞれのキャリブレーション測定値と同じ値を有する場合、すべての測定点は原点にある。ｘ軸は、その周波数における有効電力とその対応するキャリブレーションとの間の百分率の差である。ｙ軸は、その周波数における無効電力とその対応するキャリブレーションの測定値との間の百分率の差である。複数の測定が、複数の周波数において行われうる。データセットのそれぞれが、曲線によって接続されたそれらの点を用いてプロットされている。このように、各曲線が異なる周波数での測定のデータセットである。曲線中の各点は、異なる周波数ではあるが、フィールドにおけるオブジェクトの同じ配置を伴う測定である。点は、周波数の昇順で曲線により接続されている。図２の曲線Ｄでは、Ｄ_first及びＤ_lastが、それぞれ、曲線Ｄに対する最低及び最高の測定周波数を表している。

図２において：
曲線Ａは、送信機フィールドにいかなるオブジェクトもなく、複数の周波数で有効電力測定及び無効電力測定を行ったときに典型的に測定されうるデータセットを示している。予想通りに、測定値は、それらの対応するキャリブレーション値に事実上等しい（点が両軸上でそれらのキャリブレーションからの０％に近い変位で表れているからである）；
曲線Ｂは、受信機が送信機フィールド内にある場合に測定されうる曲線の例である。観測されたケースでは、結果は、無効電力がキャリブレーション値より異なる周波数において可変な量だけ小さく、有効電力が周波数に応じて低いか又は高いものである。これらのオフセットは、特定のフェライト、使用されるコイル設計並びに回路、周波数応答及び厳密な受信機の位置に強く依存する；
曲線Ｃ及びＤは、金属異物が受信機と送信コイルとの間に位置する場合に測定されうる曲線の例である。これらのケースでは、曲線Ｂと全体的には同じ形状を有するように見えるが、平均の有効電力及び無効電力はより高い。また、周波数にわたる有効電力及び無効電力における差が増えうる。これらの差は、特定のフェライト、使用されるコイル設計並びに回路、それらの周波数応答及びそれらの厳密な位置、−及び金属異物の材料、配置及び位置に強く依存する。曲線Ｄは、曲線Ｃより大きい異物に対応し、これは、曲線Ｃより、曲線Ｂと比較して平均及びサイズにおいてより大きい差をもたらす。

図２から、異物に対する曲線はスプレッドサイズ及び平均値において異物のないそれらからオフセットがあることが明らかにわかる。オフセットの差分は、コイル上での異物の重なる程度に部分的に依存し、例えば異物がコイルに部分的にしか重なっていない場合には差が縮まる。

図３は、図２からの形状の特性が異物判定に用いられる場合に得られる結果を示している。これらの形状に関連するデータセットを用いて、その形状の平均及びサイズが評価されうる。そして、平均は、対応するキャリブレーションからの平均百分率オフセットである。サイズは、対応するキャリブレーションからの最大および最小の間の差である。これは、有効部分と無効部分とに対して別個に評価され、したがって、図３において別個の軸にプロットされている。平均はサイズによって重み付けされる。図２において曲線Ｂ、Ｃ及びＤのそれぞれは、図３において点Ｂ、Ｃ、及びＤとして単一の点によってそれぞれ表されている。その後、これらの点は、異物検出のために決定された又は事前設定された閾値と比較されうる。図３における点線は、提示される場合において、異物状況（点Ｃ及びＤ）を非異物状況（点Ｂ）から分離する閾値の例である。

この方法は、受信機のない異物検出にも用いられうる。異物及びＩＰＴ受信機のこれらの測定された関係及び特性に基づいて、様々な測定体制が異物の存在を検出するために用いられうる。ここでは、このような体制の例について説明する。

有効電力及び無効電力：平均及びピーク電流
送信機は、潜在的な受信機の存在が検出される場合に異物検出を開始しうる。受信機は、異物検出を開始する前に送信機の近傍に持って来られうる。潜在的な受信機の存在の検出は、多くの方法で実行されることができ、例えば、その全体の内容がここに参照として組み込まれうる国際公開第ＷＯ２０１３／１６５２６１号に記載の様々な方法及びシステムが用いられうる。

本発明の実施形態では、受信機は、受信機が送信機の存在を検出したときであって送信機によって変化する前に、スタートアップモードを開始するように構成される。このモードにおいて、受信機が出力負荷を切断状態に保つように、受信機は実質的に負荷のない条件で動作する。この条件では、なおも、受信機コントローラ回路自身の負荷は存在しうる。この条件は、設定された期間の間又はスタートアップモードを停止するための信号を送信機から受信するまで、継続しうる。送信機は、スタートアップモード中に異物検出を実行する。送信機は、異物検出が完了すると、そして、異物が検出されない場合に、その信号を送信しうる。所定の期間が経過すると、又は信号を送信機から受信すると、受信機は、充電を開始し、負荷が受信機コイルに接続される。

送信機が異物検出モードにいる場合、コントローラは、１つ以上のテスト周波数での交流電流をインダクタに供給するように、コンバータを制御する。通常、テスト周波数は、誘導型電力伝送システムによって使用される電力伝送周波数と同じオーダのものである（そして、それを含みうる）。

テスト周波数での電流を供給すると、コントローラは、所定期間の間、異物検出モードにおいて送信機コイル内で電流が安定するのを待つ。コントローラは、受信機内で電流が安定するのを待ってもよい。例えば、所定の期間は、典型的には約５０ミリ秒である。

センサ１０ａは、（ＤＣ−ＡＣ変換の前に）コンバータ４への平均直流電流をセンスするように構成される。センサからの出力は、コントローラに供給される。ＤＣ−ＡＣコンバータ４への平均直流電流の電源電圧との積は、送信機コイルにおける平均有効電力の推定値を与える。

コントローラは、送信機コイルを通るピーク交流電流と送信機コイルを渡るピーク電圧とをセンスするように、１つ以上のセンサ（例えばセンサ１０ｂ）を制御する。いくつかの実施形態では、ピーク電圧は固定されていてもよく、したがって、既知のピーク電圧についてはセンスする必要がない。

コントローラは、これらの値を、無効電力の推定に組み合わせる。好ましい実施形態では、送信機コイルにおける無効電力は、Ｉ_pkがアンペアでの送信機コイルを通るピーク電流であり、Ｖ_pkがボルトでの送信機コイルを渡るピーク電圧である場合に、
式（１）
のように推定される。例えば、コントローラは、マイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ、他のデジタル論理デバイスまたはアナログ離散乗算器／積分器でありうる。

推定された無効電力は、電流が測定される送信機コイルを通る有効電力に関連する電流に対して無効電力に関する電流が支配的であると、無効電力の近い推定値を与える。これは、受信機によって取り出されている有効電力が小さい又はない限り、持続する。

有効電力推定及び無効電力の推定は、１つのテスト周波数において又は複数の周波数又は周波数範囲にわたって実行されることができ、さらなる解析のために結合されてデータセットにされうる。複数の周波数は、送信機の充電又は動作周波数に限定されない。

受信機が実質的に負荷のない条件にある場合、受信機の有効電力及び無効電力は、受信機の機械的な又は材料的な設計（例えば、強磁性体材料、例えばフェライト、金属など、の使用比率）、位置（例えば、送信機コイルからの距離及び送信機コイルとの重なっている程度）、受信機回路自身、及び異物の存在に依存する。充電中と対照的に、負荷が存在しない（すなわち接続されていない）場合、有効電力及び無効電力は、受信機の負荷に実質的に依存しない。

送信機コイルにおける有効電力及び無効電力が推定されると、コントローラは、異物が存在するかを判定する。この判定は、任意の適切な手段によって実行されることができ、推定値を電子記憶装置に記憶された閾値と比較することと、推定値を電子記憶装置に記憶されたキャリブレーション値と比較することと、推定値の形状又は推定値の特性を判定することと、これを閾値または期待値と比較することを含むがこれに限定されない。データセットが形状として見られうる（図２を参照、以下で詳細に議論する）一方、送信機コントローラは、データセットの特性を判定するために数学的にそのデータセットを評価する。例えば、平均値と中心とが、データセットから直接判定されうる。当業者であれば、他の特性がデータセットから直接判定されうることに気付くだろう。

実施形態において、負荷がなく異物が存在しない各送信機コイルに対する有効電力及び無効電力のキャリブレーション値は、誘導型電力伝送システムのメモリに記憶され、コントローラによって比較のためにアクセスされる。各送信機コイルに対する有効電力及び無効電力についてのキャリブレーション値は、複数の周波数について電子記憶装置に記憶されてもよい。好ましくは、これらの周波数は、テスト周波数を含む。異物の存在は、推定された送信機コイルを通る有効電力及び無効電力をキャリブレーション値と比較することにより判定されうる。

異物が金属であるとすると、推定値の点とその対応するキャリブレーション値又は異物なしの期待値との間の差は、異物が導入されたことによって大きくなる。その一方で、状況をより複雑にする他の影響が存在する。これらの影響のうちの１つは、受信機のフェライトである。受信機の負荷が低い際に、フェライトは、異金属に起因する無効電力と有効電力との少なくともいずれかによる変化を相殺しうる。低負荷時の受信機のフェライトに対する影響は、中間の金属（異物）のものと丁度同じ大きさ又はそれより大きいかもしれない。それは、複数の周波数が測定されたときに見られる曲線が常に線形又は線形に近いわけではないことも意味する。フェライト、又はより一般的には強磁性体材料は、通常、引き起こされる磁界を増大して送信機コイルから結合される電力の量を増やすために、受信機コイルと関連して受信機に備えられている。

複数の周波数にわたって有効電力及び無効電力の推定を繰り返すことによって、応答をより厳密に判定することが可能となる。先に述べたように、推定値は、さらなる解析のために結合されてデータセットにされうる。複数の周波数にわたる推定値は、曲線を形成しうる。コントローラは、異物が存在するか否かを判定するために、データセットを評価し、形状の特性を発見しうる。例えば、形状のサイズ、平均値又は中心がデータセットから評価される。

有効電力及び無効電力：波形サンプリング及び処理
送信機は、潜在的な受信機の存在が検出された場合に異物検出を開始しうる。受信機は、異物検出を開始する前に送信機の近傍に持って来られうる。本発明の実施形態では、受信機は、受信機が送信機の存在を検出した際であって送信機によって変化させられる前に、スタートアップモードを開始するように構成される。このモードでは、受信機が出力負荷を接続しないままにするため、受信機は、実質的に負荷のない条件で動作する。この条件において、受信機のコントローラ回路自身の負荷はなおも存在しうる。この条件は、設定された期間の間、又はスタートアップモードを停止するための信号が送信機から受信されるまで継続しうる。送信機は、スタートアップモードの間に異物検出を実行する。送信機は、異物検出が完了すると、そして異物が検出されなかった場合に、その信号を送信しうる。所定の期間が経過すると、又は信号が送信機から受信されると、受信機は充電を開始し、負荷を受信機コイルへと接続する。

送信機が異物検出モードにある場合、コントローラは、１つ以上のテスト周波数での交流電流をインダクタに供給するようにコンバータを制御する。通常、テスト周波数は、誘導型電力伝送システムによって使用される電力伝送周波数と同じオーダの大きさのものである（そしてそれを含みうる）。

テスト周波数での電流の供給を行うと、コントローラは、所定期間の間、異物検出モードにおいて送信機コイル内で電流が安定するのを待つ。コントローラは、また、受信機内で電流が安定するのを待ちうる。所定の期間は、典型的には約５０ミリ秒である。

コントローラは、送信機コイルを通る瞬時電圧と電流をサンプリングするように、１つ以上のセンサ（例えばセンサ１０ｂ）を制御する。センサからの出力はコントローラに供給される。送信機コイル上の瞬時電圧及び送信機コイルを通る瞬時電流の複数のサンプルは、それらの周期波形の各サイクルに対して取られて記憶される。ここでは、この処理を、「波形のサンプリング」と呼ぶ。電圧波形の少なくとも１つの周期の全体及び電流波形の１つの周期の全体がセンサによってサンプリングされる。整数周期が必須ではないように、電流波形及び電圧波形の整数周期又は電圧波形及び電流波形の多数周期のいずれかがサンプリングされる。

送信機コイルにおける有効電力を推定するために、コントローラは、電圧波形と電流波形とを共に乗じ、その乗算の積が積分される。有効電力は、その積分が波形がサンプリングされた時間によって除算された結果として推定される。

送信機コイルにおける無効電力を推定するために、コントローラは、まず、皮相電力の推定値を判定する。皮相電力は、電流及び電圧の二乗平均平方根（ＲＭＳ）値の積である。コントローラは、サンプリンがされた電圧波形と電流波形の二乗平均平方根値を計算する。当業者であれば、積分または他の適切な技術を用いてこれらの値がサンプリングされた電圧波形及び電流波形から容易に計算されることを理解するだろう。推定される無効電力は、（すべての電力をワットとして）以下の式に示すように、推定された皮相電力及び推定された有効電力とのピタゴラスの関係を有する：
式（２）

実施形態において、有効電力及び無効電力の推定は、１つのテスト周波数において又は複数の周波数又は周波数範囲にわたって実行され、さらなる解析のために結合されてデータセットにされる。複数の周波数は、送信機の充電又は動作周波数に限定されない。

受信機が実質的に負荷のない条件にある場合、受信機の有効電力及び無効電力は、受信機の機械的な又は材料的な設計（例えば、強磁性体材料、例えばフェライト、金属など、の使用比率）、位置（例えば、送信機コイルからの距離及び送信機コイルとの重なっている程度）、受信機回路、及び異物の存在に依存する。充電中と対照的に、負荷が存在しない（すなわち接続されていない）場合、有効電力及び無効電力は、受信機の負荷に実質的に依存しない。

送信機コイルにおける有効電力及び無効電力が推定されると、コントローラは、異物が存在するかを判定する。この判定は、任意の適切な手段によって実行されることができ、推定値を電子記憶装置に記憶された閾値と比較することと、推定値を電子記憶装置に記憶されたキャリブレーション値と比較することと、推定値の形状又は推定値の特性を判定することと、これを閾値または期待値と比較することを含むがこれに限定されない。データセットが形状として見られうる（図２を参照）一方、送信機コントローラは、データセットの特性を判定するために数学的にそのデータセットを評価する。例えば、平均値と中心とが、データセットから直接判定されうる。当業者であれば、他の特性がデータセットから直接判定されうることに気付くだろう。

実施形態において、負荷がなく異物が存在しない各送信機コイルに対する有効電力及び無効電力のキャリブレーション値は、誘導型電力伝送システムのメモリに記憶され、コントローラによって比較のためにアクセスされる。各送信機コイルに対する有効電力及び無効電力についてのキャリブレーション値は、複数の周波数について電子記憶装置に記憶されてもよい。好ましくは、これらの周波数は、テスト周波数を含む。異物の存在は、推定された送信機コイルを通る有効電力及び無効電力をキャリブレーション値と比較することにより判定されうる。

異物が金属であるとすると、推定値の点とその対応するキャリブレーション値又は異物なしの期待値との間の差は、異物が導入されたことによって大きくなる。その一方で、状況をより複雑にする他の影響が存在する。これらの影響のうちの１つは、受信機のフェライトである。受信機の負荷が低い際に、フェライトは、異金属に起因する無効電力と有効電力との少なくともいずれかによる変化を相殺しうる。低負荷時の受信機のフェライトの影響は、中間の金属（異物）のものと丁度同じ大きさ又はそれより大きいかもしれない。それは、複数の周波数が測定されたときに見られる曲線が常に線形又は線形に近いわけではないことも意味する。フェライト、又はより一般的には強磁性体材料は、通常、引き起こされる磁界を増大して送信機コイルから結合される電力の量を増やすために、受信機コイルと関連して受信機に備えられている。

複数の周波数にわたって有効電力及び無効電力の推定を繰り返すことによって、応答をより厳密に判定することが可能となる。先に述べたように、推定値は、さらなる解析のために結合されてデータセットにされうる。複数の周波数にわたる推定値は、形状を形成しうる。コントローラは、異物が存在するか否かを判定するために、データセットを評価し、形状の特性を発見しうる。例えば、形状のサイズ、平均値又は中心がデータセットから評価される。

有効電力及び無効電力：振幅および位相測定
送信機は、潜在的な受信機の存在が検出された場合に異物検出を開始しうる。受信機は、異物検出を開始する前に送信機の近傍に持って来られうる。本発明の実施形態では、受信機は、受信機が送信機の存在を検出した際であって送信機によって変化させられる前に、スタートアップモードを開始するように構成される。このモードでは、受信機が出力負荷を接続しないままにするため、受信機は、実質的に負荷のない条件で動作する。この条件において、受信機のコントローラ回路自身の負荷はなおも存在しうる。この条件は、設定された期間の間、又はスタートアップモードを停止するための信号が送信機から受信されるまで継続しうる。送信機は、スタートアップモードの間に異物検出を実行する。送信機は、異物検出が完了すると、そして異物が検出されなかった場合に、その信号を送信しうる。所定の期間が経過すると、又は信号が送信機から受信されると、受信機は充電を開始し、負荷を受信機コイルへと接続する。

送信機が異物検出モードにある場合、コントローラは、１つ以上のテスト周波数での交流電流をインダクタに供給するようにコンバータを制御する。通常、テスト周波数は、誘導型電力伝送システムによって使用される電力伝送周波数と同じオーダの大きさのものである（そしてそれを含みうる）。

テスト周波数での電流の供給を行うと、コントローラは、所定期間の間、異物検出モードにおいて送信機コイル内で電流が安定するのを待つ。コントローラは、また、受信機内で電流が安定するのを待ちうる。所定の期間は、典型的には約５０ミリ秒である。

コントローラは、異物検出中の送信機コイルを通る電圧および電流の振幅をセンスするようにセンサを制御する。コントローラは、さらに、電圧波形と電流波形との間の位相差をセンスするように、（さらなる）センサを制御する。

共振システムでは、おそらく送信機コイルを通る電圧波形と電流波形とが実質的に正弦波形である。この場合、送信機コイルにおけるワットでの有効電力は、コントローラによって、
式（３）
のように推定することができ、ここで、Ｖ_pkはボルトでの送信機コイル上のピーク電圧であり、Ｉ_pkはアンペアでの送信機コイルを通るピーク総電流であり、θはラジアンでの電圧波形と電流波形との間の位相差である。

ワットでの送信機コイルにおける無効電力は、コントローラによって、
式（４）
のように推定することができ、ここで、シンボルは先の等式と同じ量である。

実際には、電圧波形及び電流波形は、実質的に正弦波形ではないかもしれない。この場合、有効電力及び無効電力についての式（３）及び（４）は調整が必要となりうる。当業者であれば、波形の変化を考慮するように所与の数式に適切な調整を行うことができるだろう。

実施形態において、有効電力及び無効電力の推定は、１つのテスト周波数において又は複数の周波数又は周波数範囲にわたって実行され、さらなる解析のために結合されてデータセットとされる。複数の周波数は、送信機の充電又は動作周波数に限定されない。

受信機が実質的に負荷のない条件にある場合、受信機の有効電力及び無効電力は、受信機の機械的な又は材料的な設計（例えば、強磁性体材料、例えばフェライト、金属など、の使用比率）、位置（例えば、送信機コイルからの距離及び送信機コイルとの重なっている程度）、受信機回路、及び異物の存在に依存する。充電中と対照的に、負荷が存在しない（すなわち接続されていない）場合、ここでは有効電力及び無効電力は、受信機の負荷に実質的に依存しない。

送信機コイルにおける有効電力及び無効電力が推定されると、コントローラは、異物が存在するかを判定する。この判定は、任意の適切な手段によって実行されることができ、推定値を電子記憶装置に記憶された閾値と比較することと、推定値を電子記憶装置に記憶されたキャリブレーション値と比較することと、推定値の形状又は推定値の特性を判定することと、これを閾値または期待値と比較することを含むがこれに限定されない。データセットが形状として見られうる（図２を参照）一方、送信機コントローラは、データセットの特性を判定するために数学的にそのデータセットを評価する。例えば、平均値と中心とが、データセットから直接判定されうる。当業者であれば、他の特性がデータセットから直接判定されうることに気付くだろう。

実施形態において、負荷がなく異物が存在しない各送信機コイルに対する有効電力及び無効電力のキャリブレーション値は、誘導型電力伝送システムのメモリに記憶され、コントローラによって比較のためにアクセスされる。各送信機コイルに対する有効電力及び無効電力についてのキャリブレーション値は、複数の周波数について電子記憶装置に記憶されてもよい。好ましくは、これらの周波数は、テスト周波数を含む。異物の存在は、推定された送信機コイルを通る有効電力及び無効電力をキャリブレーション値と比較することにより判定されうる。

異物が金属であるとすると、推定値の点とその対応するキャリブレーション値又は異物なしの期待値との間の差は、異物が導入されたことによって大きくなる。その一方で、状況をより複雑にする他の影響が存在する。これらの影響のうちの１つは、受信機のフェライトである。受信機の負荷が低い際に、フェライトは、異金属に起因する無効電力と有効電力との少なくともいずれかによる変化を相殺しうる。低負荷時の受信機のフェライトの影響は、中間の金属（異物）のものと丁度同じ大きさ又はそれより大きいかもしれない。それは、複数の周波数が測定されたときに見られる曲線が常に線形又は線形に近いわけではないことも意味する。フェライト、又はより一般的には強磁性体材料は、通常、引き起こされる磁界を増大して送信機コイルから結合される電力の量を増やすために、受信機コイルと関連して受信機に備えられている。

複数の周波数にわたって有効電力及び無効電力の推定を繰り返すことによって、応答をより厳密に判定することが可能となる。先に述べたように、推定値は、さらなる解析のために結合されてデータセットにされうる。複数の周波数にわたる推定値は、形状を形成しうる。コントローラは、異物が存在するか否かを判定するために、データセットを評価し、形状の特性を発見しうる。例えば、形状のサイズ、平均値又は中心がデータセットから評価される。

当業者には、送信機コイルを通る有効電力及び無効電力を推定するのに用いられうる数多くの方法があることが理解されるだろう。上述の実施形態は、本発明を限定することが意図されたものではない。有効電力及び無効電力を推定する他の方法が用いられてもよい。

さらに、ここでの説明は、ＩＰＴ送信機の制御回路を用いて異物又は非ＩＰＴ受信機検出を実行することに関するが、異物検出は、ＩＰＴ受信機の制御回路によって同様に実行されうる。いずれの場合も、ＩＰＴ送信機と受信機とのいずれか又は両方の制御回路は、異物が検出されなかった場合又は検出された異物のタイプ又は位置が誘導型電力伝送における潜在的な問題を引き起こさないと判定された場合にのみ誘導型電力伝送が実行されることを確実にするように構成されうる。

またさらに、説明した例示の実施形態では、異物又は非ＩＰＴ受信機検出がスタートアップ又は他のＩＰＴシステム又は受信機の動作の非充電若しくは非電力伝送ステージの間に実行される。当業者は、説明された様々な方法が、充電又は電力伝送が開始されてから異物条件が変化していないことを確実にするために、一時的に非充電又は非電力伝送ステージに入ることを通じて充電又は電力伝送中の特定の１つ又は複数の時間（例えば間欠的に）において実行されるように適合可能であろうことを理解する。代わりに、又は追加して、説明された方法は、充電又は電力伝送中に実行されるように適合されてもよい。

さらに、説明された異物又は非受信機検出の様々な例示の方法は、スタンドアローンの異物検出テスト体制として又は適用可能なＩＰＴシステムにおける１つ以上の他の異物検出テストとの組み合わせてのいずれかで、単独で又は組み合わせて実行されうる。このような単一の又は拡張された異物検出テスト体制は、単一の送信機コイルと受信機コイルの誘導結合を用いるＩＰＴシステム、いわゆる１：１システム、又は複数の送信機コイルと受信機コイルの誘導結合を用いるＩＰＴシステム、いわゆるＮ：Ｎシステムにおいて実行されうる。

本明細書において用語センス及び測定は、交換可能にセンサに適用されることに留意すべきである。これらの用語は限定を意味しない。

本発明について、その実施形態の説明によって明らかにし、実施形態について詳細に説明したが、添付の請求項の範囲を、そのような詳細に抑制し又はいかなる方法によっても限定することは出願人の意図するところではない。追加の利点及び変更が、当業者にとってはすでに明らかであろう。したがって、そのより広い態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置並びに方法、及び示されて説明された実例のための例に限定されない。したがって、出願人の全体的な発明のコンセプトの精神又は範囲から離れることなく、このような詳細からの逸脱がなされうる。

Claims (44)

1. 誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法であって、
   誘導型電力システムの制御回路が、
   直流−交流コンバータに電力を供給するステップと、
   前記誘導型電力伝送フィールドにおける送信機コイルへ前記コンバータから電力を供給するステップと、
   前記送信機コイルにおいて電流が安定するのを待つステップと、
   前記送信機コイルにおける無効電力を推定するステップと、
   前記送信機コイルにおける有効電力を推定するステップと、
   推定された前記無効電力と推定された前記有効電力とを用いて、異物が存在するかを判定するステップと、
   を実行することを特徴とする方法。
2. 前記コンバータへの直流電流をセンスして、この値を電源電圧の値と合成することによって前記有効電力を推定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
3. 前記送信機コイルを通るピーク交流電流をセンスすることにより、前記無効電力を推定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
4. 前記送信機コイルにおけるピーク電圧と合成された前記送信機コイルを通るセンスされた前記交流電流として、前記無効電力を推定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項３に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
5. 前記送信機コイルを通る瞬時電流及び電圧波形をサンプリングするステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
6. サンプリングされた前記瞬時電流及び電圧波形を乗算し、前記乗算の積を積分し、サンプリングされた時間によって前記積分を除算した結果として前記有効電力を推定するステップをさらに有する、ことを特徴とする請求項５に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
7. サンプリングされた電圧及び電流波形の二乗平均平方根値を計算し、その二乗平均平方根電流と二乗平均平方根電圧の積として皮相電力を推定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項５に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
8. 前記送信機コイルを通る電圧の大きさをセンスし、前記送信機コイルを通る電流の大きさをセンスし、前記大きさの波形と電流波形との間の位相差をセンスするステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
9. 前記有効電力は前記送信機コイルを通る前記電圧および電流の大きさと、前記大きさの波形と電流波形との間の前記位相差の余弦とから推定される、ことを特徴とする請求項８に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
10. 前記無効電力は前記送信機コイルを通る前記電圧および電流の大きさと、前記大きさの波形と電流波形との間の前記位相差の正弦とから推定される、ことを特徴とする請求項８に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
11. 複数の周波数において前記有効電力及び無効電力をセンスするステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
12. 前記推定した値を結合してデータセットとするステップと、当該データセットの少なくとも１つの特性を判定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
13. 前記特性は中心、サイズ、又は平均値のうちの１つである、ことを特徴とする請求項１２に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
14. 前記データセットに応じて、測定値が異物に関するかを区別するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
15. 受信機が存在せず異物が存在しないときに各送信機コイルについて有効電力及び無効電力のキャリブレーション値を記憶するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送システムにおける異物の存在を判定する方法。
16. 複数の周波数において各送信機コイルについて有効電力及び無効電力のキャリブレーション値を記憶するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１５に記載の誘導型電力伝送システムにおける異物の存在を判定する方法。
17. 推定された前記有効電力及び無効電力を前記キャリブレーション値と比較するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の誘導型電力伝送システムにおける異物の存在を判定する方法。
18. 送信機コイルに電力を供給するステップの前に前記誘導型電力伝送フィールドの受信機を近接させるステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
19. 前記受信機は、所定の期間の間又は前記送信機から信号を送信されるまで、電流が取り出されないスタートアップシーケンスを実行するように適合される、ことを特徴とする請求項１８に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
20. 前記有効電力及び無効電力を推定する前に、前記受信機の電流と電圧との少なくともいずれかが安定状態に達するのを待つステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
21. 前記受信機が実質的に電流を取り出さないときに前記有効電力及び無効電力を推定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１９に記載の誘導型電力伝送フィールドにおける異物の存在を判定する方法。
22. 誘導型電力伝送装置であって、
    電源に電気的に接続されるように適合されると共に、送信機コイルに交流電流を出力するように適合されるコンバータと、
    前記コンバータの出力の交流電流の周波数を制御するコントローラと、
    前記コンバータから交流電流を受信するように適合され、さらに、所定の周波数及び強度で時変の磁界を生成するように適合される少なくとも１つの送信機コイルと、
    前記誘導型電力伝送装置の電圧及び電流の特徴であって、当該特徴から前記送信機コイルを通る有効電力及び無効電力の推定を行うことができる当該特徴をセンスする少なくとも１つのセンサであって、前記センサの出力を前記コントローラに供給するように適合される少なくとも１つのセンサと、
    を有し、
    前記コントローラは、
    前記送信機コイルへの電力の供給を制御し、
    前記送信機コイルを流れる電流について前記センサから信号を受信し、
    前記送信機コイルにおける前記電流が安定状態条件に達する時を判定し、
    前記誘導型電力伝送装置の電圧及び電流の特徴の前記センサからのセンサ出力を受信し、
    前記センサから受信した前記センサ出力から、前記送信機コイルにおける前記有効電力及び無効電力を推定し、
    推定された前記有効電力及び無効電力に基づいて異物が存在するかを判定する、
    ように構成されることを特徴とする誘導型電力伝送装置。
23. 前記センサは、前記コンバータへの直流電流をセンスするように適合される、ことを特徴とする請求項２２に記載の誘導型電力伝送装置。
24. 前記コントローラは、測定された前記コンバータへの前記直流電流から有効電力を推定して、この値を前記電源の電圧の値と合成するように適合される、ことを特徴とする請求項２３に記載の誘導型電力伝送装置。
25. 前記センサは、前記送信機コイルを通るピークの前記交流電流を測定するように適合される、ことを特徴とする請求項２２から２４のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送装置。
26. 前記コントローラは、センスされた送信機コイルを通るピークの前記交流電流から、前記無効電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項２５に記載の誘導型電力伝送装置。
27. 前記コントローラは、前記送信機コイルにおけるピークの電圧と合成された前記送信機コイルを通るセンスされた前記交流電流として、前記無効電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項２６に記載の誘導型電力伝送装置。
28. 前記センサは、前記送信機コイルを通る瞬時電流及び電圧波形をサンプリングするように適合される、ことを特徴とする請求項２２に記載の誘導型電力伝送装置。
29. 前記コントローラは、サンプリングされた前記瞬時電流及び電圧波形を乗算し、当該乗算の積を積分し、当該積分をサンプリングされた時間によって除算した結果として前記有効電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項２８に記載の誘導型電力伝送装置。
30. 前記コントローラは、サンプリングされた前記電圧及び電流波形の二乗平均平方根値を計算し、前記二乗平均平方根電流及び二乗平均平方根電圧の積として皮相電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項２８に記載の誘導型電力伝送装置。
31. 前記センサは、前記送信機コイルを通る電圧の大きさをセンスし、前記送信機コイルを通る電流の大きさをセンスし、前記大きさの波形と電流の波形との間の位相差をセンスするように適合される、ことを特徴とする請求項２２に記載の誘導型電力伝送装置。
32. 前記コントローラは、前記送信機コイルを通る電圧及び電流の大きさと前記大きさの波形と電流の波形との間の前記位相差の余弦から前記有効電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項３１に記載の誘導型電力伝送装置。
33. 前記コントローラは、前記送信機コイルを通る電圧及び電流の大きさと前記大きさの波形と電流の波形との間の前記位相差の正弦から前記無効電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項３１に記載の誘導型電力伝送装置。
34. 前記コントローラは、複数の周波数で前記有効電力及び無効電力を推定するように適合される、ことを特徴とする請求項２２から３３のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送装置。
35. 前記コントローラは、測定値を結合してデータセットとし、当該データセットの少なくとも１つの特性を判定するように適合される、ことを特徴とする請求項３４に記載の誘導型電力伝送装置。
36. 前記特性は、中心、サイズ又は平均測定値のうちの１つである、ことを特徴とする請求項３５に記載の誘導型電力伝送装置。
37. 前記コントローラは、さらに、前記データセットに応じて前記推定値が異物に関するかを区別するように適合される、ことを特徴とする請求項３５又は３６に記載の誘導型電力伝送装置。
38. 前記コントローラによってアクセス可能な電子記憶装置であって、受信機が存在せず異物が存在しないときの各送信機コイルについて有効電力及び無効電力のキャリブレーション値を少なくとも記憶する電子記憶装置をさらに有する、ことを特徴とする請求項２２から３７のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送装置。
39. 前記電子記憶装置は複数の周波数での各送信機コイルについての有効電力及び無効電力のキャリブレーション値を記憶する、ことを特徴とする請求項３８に記載の誘導型電力伝送システム。
40. 前記コントローラは、推定された前記有効電力及び無効電力を前記キャリブレーション値と比較する、ことを特徴とする請求項３８又は３９に記載の誘導型電力伝送システム。
41. 送信機コイルに電力を供給する前に誘導型電力伝送フィールドに近接させられる受信機をさらに有する、ことを特徴とする請求項２２から４０のいずれか１項に記載の誘導型電力伝送システム。
42. 前記受信機は、所定期間の間又は前記送信機から信号が送信されるまで、電流が取り出されないスタートアップシーケンスを実行するように適合される、ことを特徴とする請求項４１に記載の誘導型電力伝送システム。
43. 前記コントローラは、前記有効電力及び無効電力を推定するのに使用することができる測定値を得るように前記センサに指示する前に、前記受信機の電流と電圧との少なくともいずれかが安定状態に達するのを待つ、ことを特徴とする請求項４１又は４２に記載の誘導型電力伝送システム。
44. 前記コントローラは、前記受信機が実質的に電流を取り出さないときに、前記有効電力及び無効電力を推定する、ことを特徴とする請求項４２に記載の誘導型電力伝送システム。