无线功率传输系统中的异物检测技术方案

一种功率发射器(101)包括驱动器(201)，所述驱动器生成针对发射器线圈的驱动信号，以在功率传输时间间隔期间生成功率传输信号并且在异物检测时间间隔期间生成电磁测试信号。一组平衡检测线圈(207、209)包括两个检测线圈，所述两个检测线圈被布置为使得由所述发射器线圈生成的电磁场在所述两个检测线圈中感应的信号相互补偿。异物检测器(205)被耦合到检测线圈并且在所述异物检测时间间隔期间执行异物检测。所述异物检测器(205)被布置为响应于来自检测线圈的信号的特性满足异物检测准则而检测异物。变压器(1101)具有初级绕组和与所述一组平衡检测线圈串联耦合的次级绕组。补偿电路(1103)被耦合到所述初级绕组并且被布置为生成针对所述初级绕组的补偿驱动信号，所述补偿驱动信号偏移所述一组检测线圈的组合电压。电压。电压。

Foreign object detection in wireless power transmission system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无线功率传输系统中的异物检测


[0001]本专利技术涉及无线功率传输系统中的异物检测，并且具体地但非排他地，涉及针对向较高功率设备(例如，厨房器具)提供感应功率传输的功率发射器的异物检测。

技术介绍

[0002]当今的大多数电气产品需要专用的电接触以便从外部电源供电。然而，这倾向于是不切实际的并且需要用户物理地插入连接器或以其他方式建立物理电接触。通常，功率要求也显著不同，并且当前大多数设备被提供有它们自己的专用电源，导致通常用户具有大量不同的电源，每个电源专用于特定设备。尽管使用内部电池可以避免在使用期间对有线连接到电源的需要，但这仅提供部分解决方案，因为电池将需要再充电(或更换)。电池的使用也可能显著增加设备的重量和潜在的成本和尺寸。
[0003]为了提供显著改善的用户体验，已经提出使用无线电源，其中，功率从功率发射器设备中的发射器感应器感应地传送到各个设备中的接收器线圈。
[0004]通过磁感应的功率传输是众所周知的概念，主要应用于在初级发射器线圈与次级接收器感应器/线圈之间具有紧密耦合的变压器中。通过在两个设备之间分离初级发射器线圈和次级接收器线圈，基于松散耦合的变压器的原理，这些之间的无线功率传输变得可能。
[0005]这样的布置允许到设备的无线功率传输，而不需要进行任何电线或物理电连接。实际上，其可以简单地允许将设备放置在发射器线圈附近或之上，以便从外部再充电或供电。例如，功率发射器设备可以被布置有水平表面，在该水平表面上可以简单地放置设备以便被供电。
[0006]此外，可以有利地设计这样的无线功率传输设备，使得功率发射器设备可以与一系列功率接收器设备一起使用。特别地，已经定义了称为Qi规范的无线功率传输方法，并且目前正在进一步开发。该方法允许符合Qi规范的功率发射器设备与也满足Qi规范的功率接收器设备一起使用，而不是必须来自同一制造商或必须对彼此专用。Qi标准还包括用于允许操作适应特定功率接收器设备的一些功能(例如，取决于特定的功率抽取)。
[0007]Qi规范由无线充电联盟(Wireless Power Consortium)开发，并且更多信息可以在他们的网站上找到：http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html，在其上特别是可以找到定义的规范文档。
[0008]无线功率传输的潜在问题是功率可能无意地被转移到例如碰巧位于功率发射器附近的金属物体。例如，如果将诸如硬币、钥匙、戒指等的异物放置在被布置为接收功率接收器的功率发射器平台上，则由发射器线圈生成的磁通量将在金属物体中引入涡电流，这将导致物体升温。热量增加可能非常显著并且可能非常不利。
[0009]为了降低出现这种情况的风险，已经提出引入异物检测，其中，功率发射器可以检测到异物的存在并且当发生肯定性检测时降低发射功率和/或生成用户警告。例如，Qi系统包括用于检测异物的功能，以及用于在检测到异物时降低功率的功能。具体地，Qi规范版本
1.2.1，第11节描述了检测异物的各种方法。
[0010]在WO 2015018868A1中公开了一种检测这样的异物的方法。在WO 2012127335中提供了另一个示例，其公开了一种基于确定未知功率损耗的方法。在所述方法中，功率接收器和功率发射器都测量它们的功率，并且接收器将其测得的接收功率传送到功率发射器。当功率发射器检测到发射器发送的功率与接收器接收的功率之间的显著差异时，可能潜在地存在不需要的异物，并且出于安全原因可以减少或中止功率传输。该功率损耗方法需要由功率发射器和功率接收器执行的同步的准确功率测量。
[0011]例如，在Qi功率传输标准中，功率接收器估计其接收功率，例如通过测量经整流的电压和电流，将它们相乘并且加上功率接收器中的内部功率损耗的估计(例如，作为接收器的一部分的整流器、接收器线圈、金属部件等的损耗)。功率接收器以例如每四秒的最小速率向功率发射器报告所确定的接收功率。
[0012]功率发射器估计其发射功率，例如通过测量逆变器的DC输入电压和电流，将它们相乘并通过减去发射器中内部功率损耗(例如作为功率发射器的一部分的逆变器、初级线圈和金属部件中的估计功率损耗)的估计来校正结果。
[0013]功率发射器可以通过从发射功率中减去报告的接收功率来估计功率损耗。如果差值超过阈值，则发射器将假设在异物中消耗太多功率，并且然后它可以进行终止功率传输。
[0014]或者，已经提出测量由初级线圈和次级线圈形成的谐振电路的质量因子或Q因子以及相应的电容和电阻。测量的Q因子的减少可以指示存在异物。该方法通常在功率传输之前使用。
[0015]实际上，使用Qi规范中描述的方法倾向于难以获得足够的检测精度。关于具体的当前操作条件的许多不确定性加剧了这种困难。
[0016]例如，特定问题是友好金属(即实施功率接收器或功率发射器的设备的金属部件)的潜在存在，因为这些项的磁和电性质可能是未知的(并且在不同的设备之间变化)，因此可能难以补偿。
[0017]此外，即使相对少量的功率在金属异物中耗散，也可能导致不希望的加热。因此，有必要检测发送和接收功率之间的更加小的功率差异，并且当功率传输的功率水平增加时这可能是特别困难的。
[0018]在许多情况下，Q因子退化方法对于检测金属物体的存在具有更好的灵敏度。然而，它可能仍然不能提供足够的精度，并且例如也可能受到友好金属的影响。
[0019]异物检测的性能取决于实际执行测试时存在的特定操作条件。例如，如Qi规范中所述，如果在功率传输初始化过程的选择阶段执行异物检测测量，则功率发射器为测量提供的信号必须足够小以防止其唤醒上电源接收器。然而，对于这样一个小信号，信噪比通常不好，导致测量精度降低。
[0020]另一个问题是，异物检测通常是一种非常敏感的测试，期望在正在执行测试的操作条件和场景可能有很大变化的环境中检测由异物的存在引起的相对较小的变化。
[0021]针对更高的功率水平传输，这些问题倾向于被放大，而无线功率的当前发展趋势倾向于朝着更高的功率水平传输。例如，无线功率联盟正在开发无线厨房规范，旨在支持高达2000W或者甚至更高的高功率水平。对于更高的功率水平，异物检测算法需要更准确，以防止将异物加热到安全温度之上。实际上，温升是由绝对功率水平给出的，并且因此对于更
高的功率水平，需要检测的相对功率损耗可能大大降低。
[0022]在WO2019053194中已经提出，在功率传输操作期间，在功率接收器的负载被关断的时隙中进行异物检测，从而实现在要被检测的异物中消耗更小的绝对功率水平。然而，在异物检测期间断开负载在许多高功率应用中可能是有问题的，因为断开开关通常会引入额外的损耗和/或增加成本。此外，对于许多应用，实施这种断开是不可行的，例如，如果负载是由功率发射器加热的加热元件，其生成的电磁场直接在加热元件中生成涡流。
[0023]此外，对于更高的功率水平，异物检测的检测的准确度变得越来越重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于经由感应功率传输信号向功率接收器(105)无线地提供功率的功率发射器(101)；所述功率发射器(101)包括：发射器线圈(103)；驱动器(201)，其用于生成针对所述发射器线圈(103)的驱动信号，所述驱动器(201)被布置为生成针对所述发射器线圈的所述驱动信号以在重复时间范围的至少一个功率传输时间间隔期间生成功率传输信号并且在所述重复时间范围的至少一个异物检测时间间隔期间生成电磁测试信号；串联耦合的一组平衡检测线圈(207、209)，所述一组平衡检测线圈包括两个检测线圈，所述两个检测线圈被布置为使得由所述发射器线圈生成的电磁场在所述两个检测线圈中感应的信号相互补偿；异物检测器(205)，其被耦合到所述一组平衡检测线圈并被布置为在所述异物检测时间间隔期间执行异物检测，所述异物检测器(205)被布置为响应于来自所述一组平衡检测线圈的信号的特性符合异物检测准则而检测异物；变压器(1101)，其具有初级绕组和次级绕组，所述次级绕组与所述一组平衡检测线圈串联耦合；以及补偿电路(1103)，其被耦合到所述初级绕组并且被布置为生成针对所述初级绕组的补偿驱动信号，所述补偿驱动信号将所述一组检测线圈的组合电压偏移。2.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，第一组平衡检测线圈与所述次级绕组之间的耦合的组合电阻小于100欧姆。3.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，所述次级绕组的匝数不少于所述初级绕组的匝数的十分之一。4.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，所述补偿电路(1103)被布置为在所述异物检测时间间隔期间生成具有与所述驱动信号的频率相匹配的频率的所述补偿驱动信号。5.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，所述补偿电路(1103)被布置为动态地调整所述驱动信号的参数，所述参数是所述驱动信号的电压幅值和相位中的至少一个。6.根据权利要求5所述的功率发射器(101)，其中，所述补偿电路(1103)被布置为改变所述驱动信号的所述参数以确定参考参数值，针对所述参考参数值，来自第一次级绕组的信号具有最小幅值，并且所述补偿电路被布置为在执行异物检测操作时将所述驱动信号设置为所述参考参数值。7.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，包括：多组平衡检测线圈，其包括所述一组平衡检测线圈和至少第二组平衡检测线圈，所述第二组平衡检测线圈包括两个检测线圈，所述两个检测线圈被布置为使得由所述发射器线圈生成的电磁场在所述两个检测线圈中感应的信号相互补偿；开关电路(1401)，其用于将所述多个平衡检测线圈中的一个平衡检测线圈经由串联耦合而在时间上顺序地耦合到所述次级绕组；并且其中，所述补偿电路(1103)被布置为根据哪组平衡检测线圈被耦合到所述次级绕组而针对所述驱动信号应用不同的参数值。
8.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，在所述异物检测时间间隔期间的驱动信号的频率不低于比在所述功率传输时间间隔期间的驱动信号的频率高50％。9.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，在所述异物检测时间间隔期间的驱动信号的电压幅值不高于在功率传输时间间隔期间的驱动信号的电压幅值的50％。10.根据任一前述权利要求所述的功率发射器(101)，其中，在所述异物检测时间间隔期间，所述驱动信号的电压幅值是恒定的。11.一种操作用于经由感应功率传输信号向功率接收器(105)无线地提供功率的功率发射器(101)的方法；所述功率发射器(101)包括：发射器线圈(103)；串联耦合的一组平衡检测线圈(207、209)，所述一组平衡检测线圈包括两个检测线圈，所述两个检测线圈被布置为使得由所述发射器线圈生成的电磁场在所述两个检测线圈中感应的信号相互补偿；变压器(1101)，其具有初级绕组和次级绕组，所述次级绕组与所述一组平衡检测线圈串联耦合；所述方法包括：生成针对所述发射器线圈(103)的驱动信号，包括生成针对所述发射器线圈的所述驱动信号以在重复时间范围的至少一个功率传输时间间隔期间生成功率传输信号并且在所述重复时间范围的至少一个异物检测时间间隔期间生成电磁测试信号；被耦合到所述一组平衡检测线圈的异物检测器(205)在所述异物检测时间间隔期间执行异物检测，所述异物检测器(205)被布置为响应于来自所述一组平衡检测线圈的信号的特性符合异物检测准则而检测异物；被耦合到所述初级绕组的补偿电路(1103)生成针对所述初级绕组的补偿驱动信号，所述补偿驱动信号将所述一组检测线圈的组合电压偏移。12.一种用于经由感应功率传输信号向功率接收器(105)无线地提供功率的功率发射器(101)；所述功率发射器(101)包括：发射器线圈(103)；驱动器(201)，其用于生成针对所述发射器线圈(103)的驱动信号，所述驱动器(201)被布置为生成针对所述发射器线圈的所述驱动信号以在重复时间范围的至少一个功率传输时间间隔期间生成功率传输信号并且在所述重复时间范围的至少一个异物检测时间间隔期间生成电磁测试信号；串联耦合的一组平衡检测线圈(207、209)，所述一组平衡检测线圈包括两个检测线圈，...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：