CN113631417A - 无线功率传输系统 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种用于无线功率传输的充电单元。该充电单元包括用于感应功率传输的至少一个线圈，具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场的传感器线圈阵列，以及控制器。该控制器被配置为移动该传感器线圈阵列和/或感测场，使得该感测场可以扫描感测区域，并且被配置为基于该感测阵列输出来检测该感测区域中至少一个外来物体的存在。该传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得该感测场可以：a)定位在该感测区域中，使得该感测场不与该至少一个外来物体重叠，以及b)定位在该感测区域中，使得该感测场与该至少一个外来物体重叠。

Description

无线功率传输系统

技术领域

本发明涉及无线功率传输系统(充电或实时电力系统)和用于检测其上的外来物体的设备。

背景技术

图1示出了用于对电动车辆11进行充电的现有技术的无线功率传输充电系统10。该充电系统包括中央充电单元12，该中央充电单元具有电源9和用于控制到该电动车辆11的功率供应的控制器8，并且还包括无线充电单元13，该无线充电单元感应地将功率15传输到该电动车辆11。中央充电单元12与无线充电单元13电耦合16。该无线充电单元13可以采取无线充电垫40的形式，该无线充电垫包括一个或多个感应线圈14以用于将功率传输至电动车辆11。

在操作中，中央充电单元12将交流电感应到感应线圈14中，这在感应线圈14之中和周围产生变化的电磁场/通量。该电动车辆具有接收器17，该接收器17接收从无线充电单元13感应传输的功率。接收器17电耦合到可再充电电池18。如果电动车辆11的接收器17在无线充电垫13附近，则变化的电磁场/通量在接收器17的感应线圈中感应出交流电，从而产生功率15到电动车辆11的无线传输。

如果外来物体也位于无线充电垫13的附近，则变化的电磁场将在外来物体内感应涡电流。如果外来物体的电阻较低，那么外来物体将开始加热，并且持续暴露于电磁通量增加了外来物体变成加热和/或火灾危险的风险。

发明内容

本发明的一个目的是提供无线功率传输中的物体感测。

本实施例提供了一种用于无线功率传输充电系统10的外来物体检测系统，使得如果外来物体在无线充电垫13上或足够靠近无线充电垫13，则可以采取补救措施。例如，无线充电垫13可以断电和/或关闭以防止外来物体成为安全危险。

在一个方面，本发明可以被说成包括用于无线功率传输的充电单元，该充电单元包括：用于感应功率传输的至少一个线圈，具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场的传感器线圈阵列，以及

控制器，其被配置为用于：移动该传感器线圈阵列和/或感测场以使得该感测场可以扫描感测区域，并且基于该感测阵列输出来检测该感测区域中至少一个外来物体的存在，其中该传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得该感测场可以：

a)定位在该感测区域中，使得该感测场不与该至少一个外来物体重叠，以及b)定位在该感测区域中，使得该感测场与该至少一个外来物体重叠。

可选地，该充电单元用于通过感应功率传输对电动车辆进行无线充电。

可选地，所述充电单元还包括臂，其中所述传感器线圈阵列布置在所述臂上，所述控制器能够控制所述臂移动以在所述感测区域中定位所述感测场。

可选地，所述臂作为可旋转臂并且所述控制器能够旋转所述臂以定位所述感测场。

可选地，所述臂是可滑动臂，并且所述控制器能够滑动所述臂以定位所述感测区域。

可选地，充电单元具有操作区域，并且感测区域与操作区域重叠。

可选地，传感器线圈阵列和/或感测场小于操作区域。

可选地，所述充电单元还包括用于感测所述至少一个外来物体的存在的一个或多个附加传感器阵列。

可选地，每个附加传感器阵列布置在相应的附加臂上。

可选地，充电单元包括用于屏蔽传感器线圈阵列免受电磁干扰的电磁屏蔽材料。

可选地，该充电单元用于对以下各项中的一个或多个进行无线充电：

·电气系统

·电池

·踏板车

·电动自行车

·机器人

·其他电子装置

在另一方面，本发明可以被说成包括用于通过感应功率传输对电动车辆进行无线充电的充电单元，该充电单元包括：用于感应功率传输的至少一个线圈，具有用于感测外来物体的存在的感测场的传感器线圈阵列，以及控制器，该控制器被配置为：移动传感器线圈阵列和/或感测场，使得感测场可以扫描感测区域以及基于所述感测阵列输出来检测所述感测区域中外来物体的存在，其中所述传感器线圈阵列和/或所述感测场是可移动的，使得所述感测场可以：a)定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述外来物体重叠，以及b)定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述外来物体重叠。

在另一方面，本发明可以被说成包括用于无线功率传输的充电单元的感测单元，该充电单元包括：具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场的传感器线圈阵列，以及控制器或与控制器通信，该控制器被配置为：移动该传感器线圈阵列和/或感测场，使得感测场能够扫描感测区域，并且基于感测阵列输出来检测感测区域中至少一个外来物体的存在，其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：

a)定位在该感测区域中，使得该感测场不与该至少一个外来物体重叠，以及定位在该感测区域中，使得该感测场与该至少一个外来物体重叠。

可选地，该充电单元用于通过感应功率传输对电动车辆进行无线充电。

可选地，所述充电单元还包括用于感测所述至少一个外来物体的存在的一个或多个传感器阵列。

可选地，该充电单元用于对以下各项中的一个或多个进行无线充电：

·电气系统

·电池

·踏板车

·电动自行车

·机器人

·其他电子装置

在另一方面，本发明可以被说成包括无线功率传输系统，该无线功率传输系统包括根据本发明前述方面中的任一方面的充电单元和/或感测单元。

在另一方面，本发明可以被说成包括用于系统或装置的充电和/或实时供电的无线功率传输的电力系统，包括：用于感应功率传输的至少一个线圈，具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场的传感器线圈阵列，以及控制器，该控制器被配置为：移动传感器线圈阵列和/或感测场，使得感测场可以扫描感测区域；以及基于所述感测阵列输出来检测所述感测区域中所述至少一个外来物体的存在，其中所述传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得所述感测场可以：a)定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述至少一个外来物体重叠，以及b)定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述至少一个外来物体重叠。

本说明书和权利要求书中使用的术语“包括”意指“至少部分由…组成”。当解释本说明书和权利要求书中包含术语“包括”的每个表述时，还可以存在不同于该术语或由该术语开头的那些特征。相关术语例如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”将以相同的方式解释。

本文公开的数字范围(例如，1至10)也包括提及该范围内的所有有理数(例如，1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9和10)以及该范围内的有理数任何范围(例如，2到8、1.5到5.5和3.1到4.7)。

本发明还可以被广泛地描述为包括在本申请的说明书中单独地或共同地提及或指示的零件、元件和特征，以及所述零件、元件或特征中的任何两个或更多个的任何或所有组合，并且其中在此提及了具体的整数，这些具体的整数在本发明所涉及的领域中具有已知的等效物，这些已知的等同物被认为并入本文，就像单独阐述一样。

附图说明

将仅通过示例并参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1是现有技术的无线功率传输充电系统的概况。

图2是根据所描述的实施例的无线功率传输充电系统的总体概况。

图3是根据所述实施例的无线充电单元的框图概况。

图4是根据所述实施例的感测单元的框图概况。

图5是感测单元的一个实施例的平面图。

图6是示出感测单元的一个实施例如何感测并检测外来物体的示例的线图。

图7是感测单元的另一个实施例的平面图。

图8是示出感测单元的另一实施例如何感测并检测外来物体的示例的线图。

图9是感测单元的另一个实施例的平面图。

图10是感测单元的另一个实施例的平面图。

图11是现有技术的外来物体检测系统的平面图。

图12是表示利用现有技术的外来物体检测系统难以检测外来物体的原因的线图。

具体实施方式

所描述的实施例的概述

图2示出了用于对电动车辆11进行充电的无线功率传输充电系统10，该无线功率传输充电系统被配置为使得能够检测无线充电单元13的操作区中的外来物体。

无线功率传输充电系统10包括用于控制对电动车辆11的功率供应的中央充电单元12，并且还包括感应地将功率15传输到电动车辆11的无线充电单元13。充电单元13与中央充电单元12电耦合16。该无线充电单元13可以采取无线充电垫的形式，该无线充电垫包括一个或多个感应线圈14以用于将功率15传输至电动车辆17、18。

在操作中，中央充电单元12将交流电感应到感应线圈14中，这在感应线圈14之中和周围产生变化的电磁场/通量。电动车辆11具有接收器17，该接收器17接收从无线充电单元13感应传输15的功率。接收器17电耦合到可再充电电池18。如果电动车辆11的接收器17在无线充电垫13附近，则变化的电磁场/通量在接收器17的感应线圈中感应出交流电，从而产生功率15到电动车辆13的无线传输。设置有外来物体感测单元20以检测充电单元13的操作区中的任何外来物体。

概括地说，所描述的实施例提供了感测单元20，具有感测单元20的无线功率传输充电单元13和/或具有充电单元13的无线功率传输充电系统10，由此感测单元20可以感测和检测可能存在如先前所陈述的危险的外来物体(在充电单元上或附近)。

根据感测和检测与两个或更多个外来物体相对的单个外来物体来描述本文公开的实施例。这是为了提供关于如何通过在此描述的实施例检测和感测外来物体的简化解释。本领域的技术人员将理解，所描述的实施例能够感测和检测单个外来物体，并且还能够感测和检测两个或更多个外来物体。这是因为用于感测和检测单个外来物体的技术也可以用于检测两个或更多个外来物体。

本文描述的无线功率传输充电系统10、感测单元20和无线功率充电单元13的实施例全部在对电动车辆11无线充电的上下文中描述。然而，本领域技术人员将理解，所描述的实施例还可以适用于对电气系统实时供电或适用于对电池充电的系统。此外，所描述的实施例可适用于为踏板车、电动自行车、机器人和其它类似电子装置充电。

描述了可以感测外来物体的无线充电单元13的各种实施例。总的来说，参见图3，实施例提供了可以扫描感测区域31的感测线圈阵列34和可以检测感测区域31中的外来物体33的控制器32。在检测时，可以采取适当的动作来防止危险，例如关闭无线充电单元13。典型地，感测线圈阵列将在充电单元13的壳体中。

控制器32能够检测外来物体33。此外，控制器32可以用于操作用于移动感测阵列34的任何致动器，并且控制器32可以用于为感测线圈阵列34(包括感测线圈本身)供电。控制器32可以指可以放置在无线充电单元13中的任何地方的一个或多个控制器。

参考图4，以一般图解形式示出了无线充电单元13和感测单元20的各种一般特征。各种几何区域仅为了说明的目的而示出，并且可以不对应于根据所描述的实施例的充电单元的实际几何区域。

充电单元13采用具有覆盖区域的壳体的充电垫40的形式。在这种情况下，垫40和壳体是圆形的，但是它们可以采用其他形状，例如方形、矩形或其他形状。充电垫40包括无线功率传输充电线圈(“功率线圈”)14-在这种情况下是一个，尽管实际数量将取决于充电单元13。该线圈14具有操作区域41，该操作区域是这些功率线圈14的电磁场可以操作以将功率传输15提供给电动车辆11的区域。落在操作区域41内的外来物体42处于产生过热危险的风险中，因为它们接收用于车辆11的功率。因此，这里的实施例旨在检测操作区域41内的这种外来物体42。操作区域41的几何形状可以与充电垫区域40的几何形状完全重合或不完全重合。取决于无线功率传输15的范围，操作区41可以与充电垫区域40重合、部分重合、更大或更小。通常，操作区域41和充电垫区40将紧密对准。关于操作区域41和充电垫40的术语“重叠”将意味着操作区域41至少部分地与充电垫40重合(不管它是更大还是更小)，并且可以与充电垫40完全重合(即，相同的尺寸并且基本上完全对准)，或者它甚至可以比充电垫40大。术语“覆盖”是指所述区域至少与另一区域对准或甚至比另一区域大。

该充电单元13具有感测单元(总体上描绘为43)。感测单元43可以与充电单元13或单独的设备集成，并且可以是可翻新的或在制造时并入。感测单元43包括传感器臂44和布置在传感器臂44上的传感器线圈阵列45。传感器线圈阵列45被示出为多个感测线圈例如45a的单个阵列，但是这仅是示例性的，并且感测线圈的其他几何形状和数量是可能的。传感器线圈阵列45具有电磁感测场(“感测场”)46，其为传感器线圈阵列45可在其上操作/感测外来物体42到合适测量水平的几何区域。

传感器线圈阵列45(以及因此感测场46)小于操作区域41，其有利的原因将在后面解释。结果，感测场46不覆盖/重叠，并且不能在整个操作区域上(当静止时)感测外来物体42。因此，感测单元46具有控制器32和致动器47，致动器47在控制器32的控制下可以操作传感器线圈阵列45，使得感测场46可以扫描更大的区域。这可以是通过移动传感器臂44和/或传感器线圈阵列45使得感测场46扫描更大的区域。感测场46扫描的区域是感测区域48。感测区域48是外来物体感测单元20能够感测并检测外来物体42的区域。优选地，感测区域48至少与充电单元13的操作区域41的尺寸相同并且完全覆盖该操作区域。感测区域面积48可以大于操作区域面积41。然而，感测区域48与操作区域41的尺寸相同或比操作区域41的尺寸大可能不是绝对必要的，并且仅覆盖操作区域41的一部分的感测区域48可能仍然是有用的。即使感测区48与操作区41不完全重合，例如它重叠但没有完全覆盖它，仍然可以获得一些益处。然而，任何未被扫描的操作区域41都处于隐藏将不会被探测到的外来物体42的危险中，并且可能造成加热危险。关于操作区域41和感测区域48的术语“重叠”将意味着感测区域48至少部分地与操作区域41重合(不管它是更大还是更小)，并且可以与操作区域41完全重合(即，相同的尺寸并且基本上完全对准)，或者它甚至可以比操作区域41大。术语“覆盖”是指所述区域至少与另一区域对准或甚至比另一区域大。如图4所示，感测区域48略大于操作区域41。感测场46可以与传感器臂44的几何形状不一致。典型地，它可以比传感器臂44大，尽管这不是必须的，并且它可以与传感器臂44具有其他关系，例如与传感器臂44一致，部分或完全重叠传感器臂44和/或小于传感器臂44。

如图4所示，臂44可以通过致动器47移动，使得感测线圈阵列45旋转以扫描(扫出)感测区域48。在这种情况下，旋转臂44以扫出圆形感测区域48。可以看出，臂44扫过的实际区域(臂移动区域49)小于感测区域48，因为感测场46稍微长于臂44，所以它扫过较大的半径。具有旋转传感器臂44仅是用于移动感测场46的一个选项，并且其他选项是可能的，从而创建不同形状感测区域48，其中的一些将在下面描述。

该感测场46和感测区域48的几何形状相对于操作区域41被布置成使得存在感测场46的至少一个位置使得感测场46不与操作区41中的外来物体42重叠(这意味着其不部分地或完全地重合)，并且存在感测区域的至少一个位置使得其不与操作区41中的外来物体42重叠(这意味着其至少部分地或完全地重合)。实际上，通常存在两者的多个位置，但是只要每个位置存在至少一个位置，感测场46、感测区域48可以和移动可以采取各种不同的几何形状和运动。

屏蔽有助于衰减从功率线圈14发射的电磁场，使得减轻与感测阵列45的感测线圈45a中感应的信号的电磁干扰。本实施例的臂可以结合更多的屏蔽材料，因为感测杆44相对于传感区域48占据更小的面积。

应当理解，图4所示的涉及电磁场的区域的边界可能不是这些区域的实际形状。这些形状仅出于示例性目的而示出。还应当理解，示出的区域的边界实际上将不是“硬”边界，即，所描绘的电磁场将不必在紧邻边界之外变为零。相反，电磁场作为与场源的距离的函数而衰减。所描绘的区域的边界仅仅是指示性的，并且示出了可以认为有效场已经结束的位置。本领域技术人员将理解这一点，并且不应将边界视为以这样的方式进行限制，即它们以与本文所述的概念相反的方式限制本发明的范围。

本文所述的实施例具有如下优于现有技术感测阵列的优点。

·传感器线圈阵列45不需要与操作区41相同的尺寸以有效地检测操作区域中的外来物体42。而是可以使用更小的传感器线圈阵列45。可以使用传感器线圈阵列45的小覆盖区。这节省了线圈以及伴随的控制和感测电子器件的成本。

·现有技术感测阵列的线圈优选地被屏蔽，使得无线功率传输线圈14的场不干扰感测线圈45。但是，如果现有技术的线圈阵列具有相当大的尺寸，则存在大的屏蔽区域，这将防止或衰减传递到车辆11的功率。相反，在此描述的实施例的更小的传感器线圈阵列45需要更小的屏蔽区域，因此它们不屏蔽功率线圈14的全部或大部分，并且因此不在很大程度上衰减功率传输。因为传感器线圈阵列45需要更小的屏蔽面积，所以可以在不妨碍无线功率传输线圈14的操作的情况下提供传感器线圈阵列45周围的更高水平(例如厚度)的屏蔽。额外的屏蔽减少了来自无线功率传输线圈14的电磁干扰，这提高了由传感器线圈阵列45感测的信号的质量。这提高了传感器线圈阵列15测量的准确度和/或精度。此外，额外的屏蔽厚度允许将控制器32放置得更靠近传感器线圈阵列45。将控制器32物理上放置得更靠近传感器线圈阵列45也提高了传感器线圈阵列45测量的准确度和/或精度。

·当使用传感器线圈阵列检测外来物体42时，具有参考有助于区分外来物体42是否存在。例如，如图11所示，利用覆盖大部分或全部操作区域的现有技术传感器线圈阵列15，有可能总是在某种程度上感测到外来物体42。因此，难以确定从物体42存在时到它不存在时的差异，例如参见图12。相反，本实施例具有这样的情况，其中感测场46的大小使得有时仅感测物体42，而其他时间没有，因此这两个读数可以区分物体42是否在那里。

现在将描述特定的示例性实施例。这些不是限制性的，并且仅作为示例。所属领域的技术人员可设想仍满足本发明的方面的各种其它实施例。

现在将讨论根据本发明的具体实施例。

1.第一实施例

现在将参考图5和6讨论第一实施例。

形成图2的系统的一部分的充电单元13可以如图5和图6所示。此实施例的各种特征将相对于先前附图重新编号，但其仍涉及上下文指定的相同方面。该实施例的充电单元13包括圆形垫50，该圆形垫50包括壳体和至少一个无线功率传输线圈57。充电单元13具有可旋转传感器臂(“可旋转臂”)54，该可旋转传感器臂被布置在可旋转致动器(例如电动机)上的垫50上方。优选地，可旋转臂在充电单元壳体中，尽管这不是必需的。该可旋转致动器被控制成通过控制器(例如图3中的32)来旋转，该控制器被布置在该充电单元13中或被布置在该系统中的别处。传感器线圈阵列55布置在可旋转臂54上。该臂的尺寸适合于承载传感器线圈阵列55。传感器线圈55可以是本领域中使用的任何合适的线圈。可旋转臂54和/或传感器线圈55可以被屏蔽以减少来自充电线圈14的干扰。

还示出了以下区域：

·圆形的充电垫壳体50。

·圆形操作区域51，是无线功率传输线圈14可以在其上传输功率的区域。这通常是与充电垫50类似的区域，即它们重叠。

·可旋转臂54，其具有覆盖细长矩形区域的传感器线圈55。

·感测场53，其为当可旋转臂54/传感器线圈阵列55处于特定位置时传感器线圈55可感测物体52的区域。

·圆形感测区域58，是感测场53通过臂54的可旋转移动而扫描或扫过的区域。

由传感器线圈阵列55和可旋转臂54以及感测场53覆盖的区域是整个操作区51的一小部分，由于上述原因这是有利的。特别地，感测场53和感测区域几何形状58相对于操作区域51布置，使得存在感测场53的至少一个位置，使得其不与操作区中的外来物体52重叠(例如，参见位置A、位置C和位置D)，以及感测场53的至少一个位置，使得其与操作区中的外来物体52重叠(参见位置B)。实际上，每个都有许多这样的位置。在可旋转臂54和充电单元垫50之间存在竖直间隙，使得当臂54旋转时，其将在垫50上的任何外来物体52上方经过或以其他方式在操作区51中经过。

在使用中，可旋转臂54在控制器32的控制下由致动器旋转，使得传感器线圈阵列55扫描/扫出圆形臂移动区域59，并且感测场53扫描/扫出感测区域58，从而允许传感器线圈阵列55感测位于感测区域58/操作区域51中的任何外来物体52。示出了可旋转臂54的四个位置(位置A、B、C和D)，但是应当理解，臂54将旋转通过连续范围的不同位置。可以看出，随着臂54旋转，对于大部分位置，感测场53不覆盖外来物体52，但是对于扫描的一小部分(对于更小范围的位置)，臂54覆盖(因此感测场53覆盖)外来物体52。

当旋转臂54/传感器线圈阵列55被定位成使得感测场53不与任何外来物体52重叠(例如不覆盖或太远而不能感测)时，传感器线圈阵列55将不感测物体52。参见例如位置A和C。控制器32从传感器线圈阵列接收基本上为零信号60(参见图6)或表示没有物体的信号的输出。一旦传感器线圈阵列55处于感测场53与外来物体52重叠(例如覆盖或接近于感测)的位置之一(例如位置B)，控制器32从传感器线圈阵列55接收作为正信号61a、b(参见图6)的输出，控制器从该正信号61a、b检测外来物体52。控制器32可以使用从感测场53未感测或重叠物体52时到其重叠/感测物体52时的相对输出来帮助区分这两个事件。

例如，在位置A处，感测杆54被定向在“南北”方向上，并且外来物体52不与感测场53重叠(并且距离感测场53太远)。外来物体52距离感测场53太远而不能将电信号感应到沿着臂54定位的任何感测线圈55中。由于在任何感测线圈55中没有感应出电信号，控制器32从传感器线圈阵列55接收(“低”)零读数60。可旋转臂54开始顺时针朝向位置B旋转。在位置B，臂54定向在“东北方向-西南方向”上。在该位置，传感器线圈阵列55与外来物体52重叠。由于在至少一个感测线圈55中感应出电信号，因此控制器32接收(“高”)非零读数61。臂54继续朝位置C顺时针旋转。在位置C，传感器线圈阵列55定向在“西-东”方向。在该位置处，外来物体52距离传感器线圈阵列55太远而不能将电信号感应到沿可旋转臂54定位的任何感测线圈55中。由于在任何感测线圈55中没有感应出电信号，控制器32从传感器线圈阵列55接收(“低”)零读数60。臂54继续朝位置D顺时针旋转。在位置D，感测杆54定向在“西北-东南”方向。在该位置处，外来物体52离传感器线圈阵列55/感测场53太远而不能将电信号感应到沿可旋转杆54定位的感测线圈55中的任一个中。由于在任何感测线圈55中没有感应出电信号，控制器从传感器线圈阵列接收(“低”)零读数60。臂54继续朝位置A顺时针旋转，可以继续顺时针旋转。

通过将感测杆54从位置A再次旋转到位置D和位置A，控制器32接收(“低”)零读数60和(“高”)非零读数61。控制器能够对照(“低”)零60读数来参考(“高”)非零读数61，以正确地确定在感测区域58内存在外来物体52。然后，控制器32使充电垫的感应线圈57断电以防止感应加热外来物体52。于是，外来物体52不再是感应加热危险。

一旦检测发生，控制器32可以与中央充电单元12通信以采取适当的动作，例如关闭功率传输。

本领域的技术人员将理解，作为在连续顺时针方向上连续移动杆54的替代，杆54可以以其他方式旋转。例如，可旋转杆54可以以交替的“停止”和“开始”移动来移动。在另一个示例中，可旋转杆54可以在逆时针方向上旋转。在另一示例中，可旋转杆54可在顺时针方向与逆时针方向之间交替移动。

所公开的实施例建议感测和检测不同的电压信号(即，在存在外来物体时的非零读数，以及在不存在外来物体时的零读数)，以确定在感测区域53中是否存在外来物体52。本领域的技术人员将理解，控制器32可以被配置为替代地测量不同的参数以确定在感测区域53中是否存在外来物体52。即，代替使用相对电压电平，控制器可以替代地测量例如频率、相移或一些其他参数。

2.第二实施例

现在将参考图7和图8讨论第二实施例。

形成图2的系统的一部分的充电单元13可以如图7和图8所示。此实施例的各种特征将相对于先前附图重新编号，但其仍涉及上下文指定的相同方面。该实施例的充电单元13包括矩形焊盘70，该矩形焊盘70包括壳体和至少一个功率线圈77(在该情况下为三个线圈)。该充电单元13具有可滑动的传感器臂(“可滑动臂”)74，该传感器臂被布置在滑动致动器(例如线性马达)上的垫70上方。优选地，可滑动臂在充电单元壳体中，尽管这不是必需的。该致动器被控制成通过控制器32来滑动该臂74，该控制器被布置在该充电单元13中或被布置在该系统中的别处。传感器线圈阵列75布置在可滑动臂74上。臂74是矩形的并且跨越略小于感测区域78的宽度的宽度。这些感测线圈75被联接到控制电子器件上。臂74的尺寸适于承载传感器线圈阵列75。传感器线圈75可以是本领域中使用的任何合适的线圈。可滑动臂74和/或传感器线圈75可以被屏蔽以减少来自充电线圈77的干扰。

还示出了以下区域：

·矩形的充电垫70外壳。

·操作区域71，是无线功率传输线圈可以在其上传输功率的区域。这通常与充电垫70具有类似的区域。这实际上可以是准-椭圆形，或反映功率线圈77的总电磁场的一些其他形状。无论如何，操作区71将最可能具有类似大小的尺寸并覆盖或延伸超过矩形垫区域70。即，优选地，感测区域78与操作区域71重合。然而，即使没有完全重合，也可以获得一些有用的增益。

·可滑动臂74，其具有覆盖细长矩形区域的传感器线圈75。

·传感器场73，其为当可旋转臂74/传感器线圈阵列75处于特定位置时传感器线圈77可感测物体72的区域。

·大致矩形的感测区域78，是感测场73通过臂74的滑动移动而扫描或扫过的区域。

由传感器线圈阵列75和可滑动臂74以及感测场73覆盖的区域是整个操作区71的一小部分，由于上述原因这是有利的。具体地，感测场73和感测区域几何形状78相对于操作区域71被布置成使得存在感测区域73的至少一个位置使得它在操作区71中不与外来物体72重叠(参见位置A和C)，以及感测场73的至少一个位置，使得其在操作区71中与外来物体72重叠(参见位置B)。实际上，每个都有许多这样的位置。在可滑动臂74与充电单元垫70之间存在间隙，使得当臂74移动时，其将在垫70上的任何外来物体72上方经过或以其他方式在操作区71中经过。

在使用中，臂74由致动器操纵，该致动器可将杆移动越过感测区域，例如位置A通过位置B至位置C。该致动器可以是任何合适的机构，例如电磁轨道。该致动器由该充电单元中、该控制器单元32中，或该系统中的其他地方的控制器32控制。可滑动杆74在控制器32的控制下通过致动器侧向移动，使得传感器线圈阵列75扫描/扫过矩形移动区域79并且感测场73扫描/扫出准矩形感测区域78，从而允许传感器线圈阵列55感测位于感测区域78/操作区域71中的任何外来物体72。可滑动臂74的三个位置示出为A、B、C，但是应当理解，臂74将移动通过连续范围的不同位置。可以看出，随着臂74移动，对于大部分位置，感测场73不覆盖外来物体72，但是对于扫描的一小部分(对于更小范围的位置)，臂74覆盖(因此感测场73覆盖)外来物体72。

臂74从感测区域78的一端横向移动到相对端，允许区域和感测场73扫描感测区域78以感测位于操作区域71中的任何外来物体72。当臂74/传感器线圈阵列75被定位成使得传感器场73不与外来物体72重叠(例如不覆盖或太远而不能感测到)时，传感器线圈阵列75将不感测物体72。参见例如位置A和C。控制器32从传感器线圈阵列75接收基本上为零信号80(参见图8)或表示没有物体的信号的输出。一旦传感器线圈阵列75处于感测场73与外来物体72重叠(例如覆盖或接近于感测)的位置之一(例如位置B)，控制器32从传感器线圈阵列75接收作为正信号81的输出，控制器32从该正信号81检测外来物体72。控制器32可以使用从感测场73未感测或重叠物体72时到其重叠/感测物体72时的相对输出来帮助区分这两个事件。

例如，参见图7和图8，在位置A处，臂74在感测区域78的边缘处，并且外来物体72离臂74太远而不能将电信号感应到沿着臂74定位的感测线圈75中的任一个中。由于在任何感测线圈75中没有感应出电信号，控制器32从臂接收(“低”)零读数80。臂74开始进一步向右朝向位置B移动。在位置B，感测杆74位于感测区域78的中部。在该位置处，感测杆74与外来物体72重叠，并且外来物体72足够靠近以将电信号感应到沿着臂74定位的至少一个感测线圈75中。由于在至少一个感测线圈75中感应出电信号，因此控制器32接收(“高”)81非零读数。臂74继续朝着位置C进一步向右移动。在位置C，臂74位于感测区域78的边缘，并且类似于位置A，外来物体72离臂74/感测场73太远，并且因此控制器32从臂74接收(“低”)80零读数。从位置C开始，感测杆74的行进方向可以反转，从而使感测杆74开始向位置A返回。

通过将感测杆74从位置A移动到位置C，控制器32接收(“低”)80零读数和(“高”)81非零读数。控制器能够对照(“低”)零读数80来参考(“高”)非零读数81，以正确地确定在感测区域78内存在外来物体72。然后，控制器32使充电垫的感应线圈77断电以防止感应加热外来物体72。于是，外来物体72不再是感应加热危险。

一旦检测发生，控制器32可以与系统控制器通信以采取适当的动作，例如关闭功率传输。本领域的技术人员将理解，作为以连续运动连续移动杆74的替代，杆74可以以其它方式旋转。例如，可滑动杆74可以以交替的“停止”和“开始”移动来移动。

所公开的实施例建议感测和检测不同的电压信号(即，在存在外来物体时的非零读数，以及在不存在外来物体时的零读数)，以确定在感测区域73中是否存在外来物体72。本领域的技术人员将理解，控制器32可以被配置为替代地测量不同的参数以确定在感测区域73中是否存在外来物体72。即，代替使用相对电压电平，控制器可以替代地测量例如频率、相移或一些其他参数。

3.变化

应当理解，对于上述实施例，可以存在许多变化。例如，对于传感器线圈阵列不需要单个线圈阵列-可以有两个、三个或甚至更多个线圈阵列，每个阵列包括一个或多个线圈列。此外，每个线圈阵列可以各自布置在其自身的臂上-即，一些实施例可以具有多个感测臂，每个感测臂具有其自身的线圈阵列。每个感测臂可以独立地或一起移动。此外，线圈的数量可以是任何合适的数量。对线圈数量的考虑当然是灵敏度，而且也是在该考虑和优化传感器线圈阵列(以及因此臂)的最小尺寸之间的折衷，使得成本可以保持在期望的水平，即屏蔽可以保持在期望的水平，并且阵列也可以总是被放置在它没有检测到外来物体的位置和它没有检测到外来物体的另一位置，以使得两个读数之间的参考能够改进检测。

参照图9，在操作区91和感测区域98为矩形的可滑动臂94布置中，通常传感器线圈阵列95的最大尺寸将产生具有略小于感测区域98的面积的一半的面积的感测场93，使得可以存在外来物体的至少非感测和感测位置。实际上，期望具有产生比这小得多的感测场93的传感器线圈阵列95。例如，感测场93的面积可以小于感测区域98的面积的50％，或小于感测区域98的面积的40％，或小于感测区域98的面积的30％，或小于感测区域98的面积的25％，或小于感测区域98的面积的10％。

参考图10，在操作区101和感测区域是圆形的旋转臂布置104中，传感器线圈阵列104在理论上可以是整个圆的重要部分，以产生感测场103，感测场103是具有小面积的整个圆的重要部分，感测场103不会出现。这意味着当发生传感器线圈阵列105的旋转时，仍然存在感测区域108中没有发生感测的小区域。然而，实际上，更期望具有这样的传感器线圈阵列105，其产生远小于此的感测场103，更类似于上述实施例中所描述的。

上述实施例涉及充电单元。无线功率传输还可用于在不充电或除充电之外的系统及/或装置的实时供电。上述实施例也可以与这样的系统一起使用。

4.屏蔽

如上所述，屏蔽有助于衰减从感应线圈14、57、77发射的电磁通量，从而减轻与感测阵列45、55、75的感测线圈中感应的信号的电磁干扰。与感测阵列相比，根据所公开的实施例的感测杆44、54、74可以结合更多的屏蔽材料，因为感测杆44、54、74相对于扫描区域48、58、78占据更小的面积。

5.优点

所公开的实施例可以具有以下优点中的一个或多个：

·感测杆44、54、74相对于它们需要扫描的感测区域48、58、78的尺寸较小。感测杆44、54、74可移动以扫描整个传感区域48、58、78。杆44、54、74的尺寸(相对于感测区域48、58、78的尺寸)和移动感测杆44、54、74的装置的组合确保无线充电垫40、50、70能够检测存在外来物体42、52、72，与外来物体42、52、72的尺寸无关，外来物体42、52、72位于感测区域48、58、78内的位置，或者外来物体42、52、72是否静止。

·感测杆44、54、74的小面积限制了线圈材料的量和/或限制了可以放置的感测线圈45、55、75的数量。因此，需要更少的支撑电子部件，产生更简单的电子电路以制造和修复。因此制造和维护的成本更便宜。

·感测杆44、54、74可以具有比覆盖无线充电垫40、50、70的大部分感测区域48、58、78的感测阵列所可能的屏蔽更多的屏蔽。感测杆44、54、74可以具有的额外屏蔽意味着感测线圈45、55、75从感应线圈14、57、77产生的电磁通量获得较少的干扰，同时仍然确保存在从无线充电垫40、50、70到电动车辆11的足够的无线功率传输的足够速率。因为传感器线圈阵列45、55、75需要更小的屏蔽区域，所以可以在不妨碍无线功率传输线圈14、57、77的操作的情况下提供传感器线圈阵列45、55、75周围的更高水平(例如厚度)的屏蔽。额外的屏蔽减少了来自无线功率传输线圈14、57、77的电磁干扰，这提高了由传感器线圈阵列45、55、75感测的信号的质量。这提高了传感器线圈阵列45、55、75的测量的准确度和/或精度。此外，额外的屏蔽厚度允许将控制器32放置得更靠近传感器线圈阵列45、55、75。将控制器32物理上放置得更靠近传感器线圈阵列45、55、75也提高了传感器线圈阵列45、55、75测量的准确度和/或精度。

如图11、图12所示，现有技术布置通常包括位于无线充电垫的充电表面(这里称为“感测区域”)下面的感测线圈阵列(这里称为“感测阵列”)。该感测线圈阵列通常跨越该充电垫区域的整个(或至少大部分)。感测阵列相对于无线充电垫的尺寸的大尺寸由于以下几个原因而存在问题：

·首先，如果表示外来物体存在的感应测量(“高”和/或“非零”)可以参照表示外来物体不存在的较弱或基本不存在的(“低”和/或“零”)测量，则使用传感器线圈感测外来物体的现有技术布置只能检测外来物体。在操作之前，校准现有技术，使得系统可以区分“高”和“低”测量和/或区分“非零”和“零”测量。如果在起动期间静止的外来物体位于垫上，现有技术布置将不能检测到外来物体。这是因为感测阵列过大，使得其总是感测外来物体的存在；并且因为总是不存在“低”和/或“零”测量，所以“高”和/或“非零”测量被“误解”为不确定测量。在图9和图10所示的示例中，外来物体被定位成使得感测阵列的一部分总是与外来物体“重叠”。

·第二，无线充电垫覆盖需要扫描外来物体的相对大的表面区域。现有技术布置需要大量的感测线圈，使得可以扫描整个充电垫的外来物体。这意味着需要大量的线圈材料。此外，为了检测小的外来物体(例如，其可以至少与发针或纸夹一样小)，需要将感测线圈非常靠近地放置在一起以实现高分辨率感测。感测线圈的这种布置加剧了需要制造无线充电垫所需的大量线圈材料的问题。

·第三，感测阵列具有屏蔽材料以衰减从感应线圈发射的电磁通量，使得减轻与感测阵列的感测线圈中感应的信号的电磁干扰。该屏蔽材料应该仍然是足够磁性“多孔的”，这样使得从这些感应线圈发射的电磁通量仍然可以穿过，这样使得仍然存在足够的无线传输功率。返回参照图11的示例，感测阵列的尺寸相对于感测阵列的顶表面是大的，这限制了可以将多少屏蔽材料施加到感测阵列的上限。过量的屏蔽将限制从无线充电垫到电动车辆的无线功率传输的速率。

Claims (18)

1.一种用于无线功率传输的充电单元，包括：

至少一个线圈，其用于感应功率传输，

传感器线圈阵列，其具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场；

以及

控制器，其被配置为：

移动所述传感器线圈阵列和/或感测场，使得所述感测场可以扫描感测区域，并且

基于所述感测阵列输出来检测所述感测区域中所述至少一个外来物体的存在，

其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：

a)定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述至少一个外来物体重叠，以及

b)定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述至少一个外来物体重叠。

2.根据权利要求1所述的充电单元，其中所述充电单元用于通过感应功率传输对电动车辆进行无线充电。

3.根据权利要求1或2所述的充电单元，进一步包括臂，其中所述传感器线圈阵列被布置在所述臂上，并且所述控制器可以控制所述臂的移动以将所述感测场定位在所述感测区域中。

4.根据权利要求3所述的充电单元，其中所述臂是可旋转臂并且所述控制器可以旋转所述臂以定位所述感测场。

5.根据权利要求3所述的充电单元，其中所述臂作为可滑动臂并且所述控制器能够滑动所述臂以定位所述感测场。

6.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述充电单元具有操作区域并且所述感测区域与所述操作区域重叠。

7.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述传感器线圈阵列和/或感测场小于所述操作区域。

8.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，进一步包括用于感测所述至少一个外来物体的存在的一个或多个附加传感器阵列。

9.根据权利要求8所述的充电单元，其中每个附加传感器阵列被布置在相应的附加臂上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述充电单元包括用于屏蔽所述传感器线圈阵列免受电磁干扰的电磁屏蔽材料。

11.根据前述权利要求中任一项所述的充电单元，其中所述充电单元用于对以下各项中的一个或多个进行无线充电：

·电气系统

·电池

·踏板车

·电动自行车

·机器人

·其他电子装置

12.一种用于通过感应功率传输对电动车辆进行无线充电的充电单元，包括：

至少一个线圈，其用于感应功率传输，

传感器线圈阵列，其具有用于感测外来物体的存在的感测场；

以及

控制器，其被配置为：

移动所述传感器线圈阵列和/或感测场，使得所述感测场可以扫描感测区域，并且

基于所述感测阵列输出来检测所述感测区域中外来物体的存在，

其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：

a)定位在感测区域中，使得感测场不与外来物体重叠，以及

b)定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述外来物体重叠。

13.一种用于无线功率传输的充电单元的感测单元，包括：

传感器线圈阵列，其具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场；

以及

控制器或与控制器通信，所述控制器被配置为：

移动所述传感器线圈阵列和/或感测场，使得所述感测场可以扫描感测区域，并且

基于所述感测阵列输出来检测所述感测区域中所述至少一个外来物体的存在，

其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：

a)定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述至少一个外来物体重叠，以及

定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述至少一个外来物体重叠。

14.根据权利要求13所述的感测单元，其中所述充电单元用于通过感应功率传输对电动车辆进行无线充电。

15.根据权利要求13或14所述的感测单元，进一步包括用于感测所述至少一个外来物体的存在的一个或多个传感器阵列。

16.根据权利要求中任一项所述的感测单元，其中所述充电单元用于对以下各项中的一个或多个进行无线充电：

·电气系统

·电池

·踏板车

·电动自行车

·机器人

·其他电子装置

17.一种无线功率传输系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的充电单元和/或感测单元。

18.一种用于对系统或装置进行充电和/或实时供电的无线功率传输的电力系统，包括：

至少一个线圈，其用于感应功率传输，

传感器线圈阵列，其具有用于感测至少一个外来物体的存在的感测场；

以及

控制器，其被配置为：

移动所述传感器线圈阵列和/或感测场，使得所述感测场可以扫描感测区域，并且

基于所述感测阵列输出来检测所述感测区域中所述至少一个外来物体的存在，

其中传感器线圈阵列和/或感测场是可移动的，使得感测场可以：

a)定位在所述感测区域中，使得所述感测场不与所述至少一个外来物体重叠，以及

b)定位在所述感测区域中，使得所述感测场与所述至少一个外来物体重叠。

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