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基于异物检测的扩展范围定位系统的制作方法

文档序号:24892266发布日期:2021-04-30 13:19
基于异物检测的扩展范围定位系统的制作方法

本公开总体上涉及无线功率转移,并且更具体涉及无线电动车辆充电(wevc)系统。具体地,本公开涉及提供基座功率转移系统附近的扩展范围中的位置信息。



背景技术:

无线功率转移系统可以在许多方面不同,包括电路拓扑、磁路布局、以及功率传输能力或要求。无线功率转移系统的部件之间的功率转移的量和功率转移的效率可以取决于无线功率转移系统的发射器和电动车辆的接收器之间的对准。因此,一些无线功率转移系统从对准系统受益。



技术实现要素:

描述了基于使用异物检测(fod)硬件和处理电路装置的扩展范围定位系统的系统和方法。具体地,电路装置被实现为用提供基座功率转移系统附近的扩展范围中的位置信息的有源信标定位系统来扩展使用无源信标提供精确短距离位置信息的信标定位系统。因为无源信标系统当放置在基座功率转移系统之时精确运行,而有源信标定位系统在基座功率转移系统的附近、但不在基座功率转移系统的正上方时更精确地运行,所以两种系统彼此互补。因此,结合两种系统的能力,实现了具有约2.0米到零米的精度或更高精度的引导车辆方法。

在示例方面中,公开了功率转移装置。功率转移装置包括线圈,该线圈被配置为基于流过线圈的电流生成磁场。功率转移装置还包括异物检测(fod)系统,该系统包括多个fod感测回路、fod电路、以及有源信标电路。功率转移装置还包括异物检测(fod)系统,fod系统包括多个fod感测回路、fod电路装置、以及有源信标电路装置。fod感测回路被配置为基于多个fod感测回路中的一个或多个fod感测回路的一个或多个电特性的变化来检测线圈产生的磁场内的物体。fod电路装置被配置为处理一个或多个fod感测回路的一个或多个电特性的调制模式并且提供对应于电动车辆处的无源信标的第一定位信息。有源信标电路装置被配置为处理在至少两个感测回路中的感应电压以提供对应于电动车辆处的有源信标的第二定位信息。在各方面中,两个感测回路也是fod感测回路。备选地,除fod感测回路外的专用集成感测回路可以被用来测量感应电压。在一些情况下,fod电路装置可以处理单个感测回路的感应电压,以提供对应于电动车辆处的有源信标的第二定位信息,诸如半径信息。

在示例方面中,公开了无线功率接收器装置。无线功率接收器装置包括无源信标电路以及有源信标电路。无源信标电路包括信标回路,该信标回路被配置为基于无源信标电路的调制阻抗状态来生成调制,该调制可以由用于确定信标回路相对于fod系统的第一定位信息的无线功率发射器装置处的fod系统所检测到。有源信标电路包括信号发生器电路,该信号发生器电路被配置为耦合至电动车辆的接收线圈的调谐电容器的一部分上。有源信标电路被配置为将电流注入至接收线圈中以引起接收线圈用作信标发射天线,该信标发射天线生成可以由用于确定电动车辆相对于fod系统的第二定位信息的fod系统检测到的有源信标信号。

在示例方面中,公开了用于检测有源信标的存在和位置的方法。方法包括响应于由在接收器设备中的信标发射器生成的磁场来检测fod系统的两个或更多个fod感测回路中的感应电压。方法还包括测量两个和更多个fod感测回路处的感应电压的大小和相位。方法还包括基于在两个和更多fod感测回路处测量到的幅度来估计有源信标和fod系统上的目标位置之间的距离。此外,方法包括基于两个或更多个fod感测回路的幅度之间的比较来确定接收器设备相对于fod系统的横向偏移。方法还包括基于估计距离和横向偏移来生成位置信息,位置信息可用于将接收器设备与基座功率转移装置对准,用于将功率转移至连接至接收器设备的电设备。

在示例方面中,公开了基座功率转移装置。基座功率转移装置包括线圈和异物检测系统。线圈被配置为基于流过用于将功率转移到电动车辆的感应功率转移线圈的电流来生成磁场。异物检测系统包括分布于跨越感应功率转移线圈的区域的多个异物检测感测回路。异物检测系统还包括选择性地电连接至多个异物检测感测回路中的一个异物检测感测回路的第一处理电路。此外,异物检测系统包括选择性地并联电连接至多个异物检测感测回路中的至少一个异物检测感测回路的第二处理电路。在一个方面中,第二处理电路包括电容器,当第二处理电路电连接至多个异物检测感测回路中的至少一个异物检测感测回路时,该电容器电并联电连接至多个异物检测感测回路中的至少一个异物检测感测回路。

在示例方面中,公开了异物检测系统(fod)。fod系统包括用于基于多个fod感测回路中的一个或多个fod感测回路的一个或多个电特性的变化来检测由ipt线圈生成的磁场内的物体的装置。fod系统还包括用于处理一个或多个fod感测回路的一个或多个电特性的调制模式、以当无源信标位于基座功率转移系统上方时提供对应于电动车辆处的无源信标的第一定位信息的装置。fod系统还包括用于处理fod感测回路的至少两个感测回路中的感应电压、以当电动车辆位于基座功率转移系统的附近区域时提供对应于电动车辆处的有源信标的第二定位信息的装置。

附图说明

图1是示例无线功率转移系统的功能框图。

图2图示了其中有源和无源信标被用于电动车辆定位的区域的示例实现。

图3图示了具有集成无源信标和fod回路阵列的wevc磁路的示例层结构。

图4图示了被配置为用于有源信标定位的基座功率转移系统的磁路结构的示例实现。

图5图示了取决于车辆功率转移系统的位置的、针对示例角有源信标接收器天线的结果感应电压的示例。

图6图示了多个有源信标接收器天线的示例布置。

图7图示了有源信标发射器电路的示例实现,有源信标发射器电路可用于采用针对基于fod的扩展范围定位系统的有源信标。

图8图示了有源信标发射器电路的另一示例实现,有源信标发射器电路可用于采用针对基于fod的扩展范围定位系统的有源信标。

图9图示了有源信标发射器电路的又一示例实现,有源信标发射器电路可用于采用针对基于fod的扩展范围定位系统的有源信标。

图10a图示了fod系统的示例实现。

图10b图示了来自图10a的有源信标接收器电路的示例实现。

图11描绘了用于基于异物检测来检测有源信标的存在和位置的示例过程的流程图。

图12图示了示例无线功率转移系统。

具体实施方式

车辆功率转移系统和基座功率转移系统之间的不对准可以不利地影响功率转移至电动车辆的效率。

本文公开了基于异物检测(fod)系统的扩展范围定位系统。在各方面中,被配置为用于短距离定位的无源信标定位系统与更长距离有源信标定位系统结合以提供基座功率转移系统附近扩展范围的位置信息。

有源信标定位系统使用车辆功率转移系统中的信标发射天线以发射信标信号。有源信标电路将电流注入至电动车辆的感应功率转移(ipt)线圈中以使ipt线圈用作信标发射天线。备选地,单独的线圈可以被添加至车辆功率转移系统以响应于此处注入的电流来创建有源信标。在信标发射天线附近生成了准静态磁场,该准静态磁场然后可以由适当的接收器接收并且用来获取位置信息。接收器可以是内置在基座功率转移系统中的fod系统,或是专用电路。接收器可以包括用于检测信标信号的并联调谐电路。在各方面中,接收器可以测量在至少两个间隔开的fod回路(诸如矩形fod回路阵列的两个角fod回路)中的感应电压。当电动车辆接近基座功率转移中的fod系统时,接收器可以确定定位信息,诸如从fod回路阵列上方的目标位置到有源信标的距离,以及有源信标相对于fod回路阵列的中心线的横向偏移。通过使用fod系统,现有的硬件部件可以被重复使用,从而减少了整体wevc系统的成本与复杂度。

无源信标系统使用车辆功率转移系统中的无源信标以确定车辆功率转移系统相对于基座功率转移系统的位置。在至少一些方面中,位置信息可以被计算出在由fod系统覆盖区域中,诸如对应于基座功率转移系统的区域。无源信标系统使用由开关(金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))控制的共振信标回路以创建无源信标信号,该无源信标信号可以通过在fod系统的感测回路中感应阻抗变化或导纳变化,基于fod检测出来。在方面中,信标回路不是用信号驱动的,但开关被用于调制信标回路共振以创建在fod系统的感测回路处被观察为变化的电特性(例如,阻抗或导纳特性)的调制。调制改变至少两个阻抗状态之间的信标回路阻抗以在fod感测回路处在频率上呈现两个不同响应(例如,就像在两个具有不同特性的不同金属物体之间交替)。在频率上的两个状态允许fod系统将物体表征/识别为信标回路。检测信标回路允许确定信标回路相对于fod感测回路的定位。在一个示例中,无源信标电路包括串联电连接至电容器的信标回路以形成共振电路,其中该共振电路电连接至晶体管,晶体管被配置为响应于调制控制信号来调制无源信标的阻抗状态。因此,当信标回路由于在线圈处生成的fod场而共振时,因为调制,信标回路可以被检测为特殊的金属物体,并且基于哪个fod感测回路检测到无源信标以及由这些fod感测回路检测到的电特性的变化的量,可以确定位置信息。不仅可应用于车辆,本文所描述的技术还可以应用于其他应用(诸如消费电子产品、无人机等)的其他无线功率转移系统。

图1图示了示例无线电动车辆充电(wevc)系统100,该系统使得能够向电动车辆102。电动车辆102可以全部或部分地使用wevc系统100来充电/供能。发射电路装置106可以是发射器104的一部分。发射电路装置106可以被耦合至功率主干108(例如,电网)。发射电路装置106被配置为从功率主干108接收功率。发射器104(其还可以被称为功率发射电路)可以被耦合至发射电路装置106并且被配置为从发射电路装置106接收功率。发射器104可以包括耦合至发射电路装置106的至少一个基座功率转移装置110(例如,线圈)。如图1中所示出,发射器104可以位于或低于地面(如虚线所表示)。

电动车辆102可以包括电池单元112、车辆功率转移装置114、以及电动车辆电池充电系统116。电动车辆电池充电系统116和车辆功率转移装置114组成电动车辆无线充电系统。车辆功率转移装置114可以与基座功率转移装置110交互,例如,基于经由基座功率转移装置110所生成的磁场的区域的共振感应耦合。在一些示例性实现中,当车辆功率转移装置114位于由基座功率转移装置110生成的磁场中时,车辆功率转移装置114可以接收功率。

车辆功率转移装置114(本文中还被称为“无线功率接收器装置”)可以被定位在基座功率转移装置110(本文中还被称为“无线功率发射器装置”)的充电区域内以接收功率。电动车辆电池充电系统116被配置为从车辆功率转移装置114接收功率。电动车辆电池充电系统116被配置为处理由车辆功率转移装置114接收到的功率,以对电池单元112或其他负载(诸如电机或在电动车辆102静止时的其他附件,包括加热系统或空调系统)供电或充电。

车辆功率转移装置114被图示为包括有源信标118和无源信标120。在各方面中,有源信标118被配置为当电动车辆102接近基座功率转移装置110时启用电动车辆102的引导和定位。有源信标118被配置为发射信标信号,该信标信号创建在基座功率转移装置110处实施的基座接收器122的感测回路中的可检测信号,例如感应电压。信标信号用于获取当电动车辆102接近基座接收器122时电动车辆102相对于基座功率转移装置110的位置信息。在一些方面中,无源信标和有源信标可以共享某些电路装置。例如,在一些实现中,无源信标回路可以连接至用创建有源信标信号的信号来驱动无源信标回路的电路装置。在其他实现中,如将在本文中进一步所描述的,车辆功率转移装置的ipt线圈用作有源信标部件以发射有源信标。在又一其他实现中,车辆功率转移装置处的ipt线圈可以用作无源信标回路,并且以可以以由fod系统可检测的方式被调制为共振或不共振。基座接收器122可以是内置在基座功率转移装置110中的fod系统,或专用电路。

在各方面中,无源信标120被配置为一旦无源信标120位于在基座功率转移装置110处实施的基座接收器122的感测回路的正上方,启用电动车辆102的引导和定位。无源信标120被配置为创建在基座接收器122的感测回路中的可检测变化,诸如阻抗变化。此方面和其他方面的更多细节将在下面参考图2至10描述。

图2图示了于其中有源和无源信标用于电动车辆的定位的区域的示例实现200。当电动车辆102接近基座功率转移装置110时,车辆102进入接近区202。接近区202表示于其中基座功率转移装置110的基座接收器122可以检测到车辆功率转移装置114中的有源信标118并且确定电动车辆102的相对于基座功率转移装置110的位置信息的区域。当电动车辆在接近区202中时,无源信标120可以被调制以启用基座接收器122进行检测。然而,相比从无源信标120获取的信息,基座接收器122可以使用从接近区202中的有源信标118获取的位置信息,以用于更精确的位置信息。

在示例中,当电动车辆102进入目标区204时,基座接收器122可以依赖于从无源信标120获取的位置信息。在各方面中,当车辆功率转移装置114中的无源信标120位于基座接收器122的感测回路的正上方时,可以高精确地确定无源信标120相对于基座接收器122的位置。

在停车操作期间,如果电动车辆102超过了基座功率转移装置110,则车辆进入离开区206。在离开区206中,基座接收器122可以使用从有源信标118获取的位置信息以检测车辆功率转移装置114相对于基座功率转移装置110或相对于基座功率转移装置110上的目标位置的位置。

因此,有源信标118和无源信标120两者在停车操作期间是可操作的,并且基座接收器122可以处理从这两个信标接收到的信号。然而,当无源信标120与基座接收器122重叠时,例如,当无源信标120在基座接收器122的传感回路的正上方时,无源信标120可以仅能被基座接收器122可检测到。因此,在无源信标被检测到之前,基座接收器122可以使用从有源信标118获取的位置信息。然后,一旦无源信标120变为可用时,基座接收器122就可以自动地切换至使用从无源信标120获取的位置信息。

在另一个示例中,当基座功率转移装置110的处理器检测到接近区202中的电动车辆102的有源信标时,fod系统开始监听(例如,监视)无源信标调制。基座接收器122可以从在基座功率转移装置110正上方的电动车辆102的无源信标120检测高精确位置信息,以及从基座功率转移装置110附近区域中的有源信标118检测精确位置信息。因此,当与无源信标120结合使用时,有源信标118增大了其中由电动车辆102提供位置信息的区域。

图3图示了具有集成信标回路和fod回路阵列的无线电动车辆充电(wevc)磁路的示例层结构300。车辆功率转移装置114被图示为包括背板302、铁氧体304、感应功率转移(ipt)线圈306、以及无源信标回路308。背板302被配置为屏蔽车辆部件不受由基座功率转移装置110感应的磁场。铁氧体304被配置为引导磁场的磁通量。无源信标回路308被配置为创建由基座功率转移装置110的图1的基座接收器122中的感测回路可检测的调制(可以被配置为共振器以提供更有效的调制)。ipt线圈306可以被用作有源信标发射器天线,或可以使用专用线圈。可以使用产生不同场极化的不同线圈拓扑。例如,双d(dd)线圈或螺线管线圈生成主要水平的磁场分量(例如,与线圈限定的平面基本共面),而环形线圈生成主要垂直的磁场分量(例如,与线圈限定的平面基本正交)。

基座功率转移装置110被图示为包括fod回路阵列310、ipt线圈312、铁氧体314、以及背板316。fod回路阵列被设置在ipt线圈312上方,ipt线圈312位于铁氧体314上方。这样,ipt线圈312(例如,绞合线)放置于铁磁体314和fod回路阵列310之间,这不同于包括在铁氧体和绞合线之间的线圈的系统。换句话说,fod回路阵列310包括至少两个感测回路,其中每个感测回路包括设置为在线圈312的与铁氧体313的相对侧上与线圈312相邻的接收器线圈。fod回路阵列310包括多个感测回路,其检测金属异物的存在,包括在基座功率转移装置110上方或附近的无源信标回路308和ipt线圈306(例如,用作有源信标118)。fod回路阵列310可以表示图1的基座接收器122。使用感测回路的fod系统被配置为检测无意间放置的无源金属异物(例如,硬币)的存在。这些无意的金属物体的存在基于金属物体与感测回路生成的场的相互作用而被检测到,例如,该相互作用改变感应回路处的阻抗,然后可以检测到这些改变。感测回路被配置为生成高频磁场,其可以与金属物体相互作用,并且创建感测回路处的可检测到的变化(例如,阻抗)以能够检测金属物体。fod系统可以基于fod回路阵列310中的一个或多个感测回路经历的可检测到的变化来确定金属物体、无源信标回路308、或有源信标118的位置。例如,当无源信标回路308位于fod回路阵列310之上时,阵列中的感测回路中的一个或多个感测回路可以检测到阻抗变化并且阵列中的一个或多个其他感测回路可能检测不到任何阻抗变化(或至少一个或多个其他感测回路中的阻抗变化小于感测回路中的一个或多个感测回路的阻抗变化)。随着无源信标回路308在fod回路阵列310之上移动,一些感测回路中的阻抗变化可以减少或增加,提供无源信标回路308朝着与检测到增加的阻抗变化的特定感测回路相对应的区域移动的指示。

关于层结构,整体得到的系统结构可以是对称的。基座功率转移装置110中的fod回路阵列被集成至壳体,例如基座功率转移装置110的外壳中。同样,车辆功率转移装置114中的无源信标回路被集成至车载功率转移装置114的壳体中。

图4图示了被配置为用于有源信标定位的基座功率转移系统的磁路结构的示例实现400。在图示示例中,基座功率转移装置110包括感测回路402,每个感测回路被定位成邻近基座功率转移装置110的角。这些环形角回路可以用作有源信标接收器天线。尽管参照角描述了图示示例,但是感测回路402可以被布置为间隔开的感测回路的任何配置。此外,车辆功率转移装置114被示为具有铁氧体304和ipt线圈306。为了简化讨论,未示出车辆功率转移装置114和基座功率转移装置110的其他元素。基座和车辆功率转移装置两者的铁氧体结构影响所涉及到的不同回路天线之间的耦合,并且因此相当大地决定了所产生的场配置。在一些情况下,车辆功率转移装置114包括水平极化的发射器,使得发射器的极化基本平行于发射器限定的平面,并且感测回路402中的每个回路是环形接收器(还被称为环形接收器线圈),其被垂直极化使得环形接收器的极化基本与环形接收器限定的平面正交。针对水平磁化的发射器,极化可以是x-或y-方向之一。在一些实现中,感测回路402可以是水平极化的(例如,在dd结构中),而有源信标回路可以是垂直极化的(例如,在环形结构中)。至少将有源信标线圈在不同于fod感测回路的方向中极化可能是有益处的,这可以允许提高位置灵敏度。此外,环形接收器线圈(例如,感测回路402)实质上在尺寸上小于发射器线圈(例如,ipt线圈306)。每个接收器线圈是小型局部天线,其位于在较大的ipt线圈312和较大的铁氧体(例如,铁氧体314)表面上。例如,每个线圈限定了小于由面向接收器线圈的铁氧体表面所限定的区域的平面区域。尺寸差异的示例包括接收器线圈402是铁氧体314的表面的尺寸的约1/128、1/64、1/32、或1/16。

关于天线,有不同的选项来实现发射电子设备和接收电子设备。如果使用车辆ipt线圈306作为有源信标发射器天线,则为了有源信标对ipt线圈306应用信号的驱动电路可以与车辆侧功率电子设备集成。如果使用专用的单独的线圈来作为发射天线,则电子设备也可以是单独的(例如,驱动电路可以与车辆侧功率电子设备集成)。在接收器侧,电子设备可以与fod电子设备集成,从而对fod模拟电路装置仅有较小变化。备选地,单独的电子产品可以用于接收器侧上。

有源信标的示例可用频率范围可以是约20千赫兹至30兆赫兹。然而,由于给定的监管约束,当前使用的范围是119至148.5千赫兹。最简单形式的发射信号包括连续波(cw)。如果需要转移额外信息,可以添加调制(调幅(am)、调频(fm)、或调相(pm))。

图5图示了针对每个角有源信标接收器天线的、取决于车辆功率转移设备(有源信标发射器)的位置的结果感应电压的示例500。在示例中,车辆ipt线圈306被用作有源信标发射器天线。车辆ipt线圈306被实现为生成x-方向的主要为水平的磁场的dd线圈。在基座侧,fod系统的四个角回路(左前502、右前504、左后506、以及右后508)被用作有源信标接收器天线。

在图示示例中,测量了有源信标接收器天线中的每个天线的感应电压的幅度。上面两张图表示左前502回路和右前504回路,例如,前是当在实行停车操作时电动车辆接近的基座功率转移装置110的一侧。下面两张图表示左后506回路和右后508回路,例如,后与前相对。

将车辆功率转移装置114对准基座功率转移装置110的ipt线圈312的中心线的左侧(y>0),导致左侧回路中较高的接收信号水平(例如,大小)以及右侧回路中较低的接收信号水平。将车辆功率转移装置114对准中心线的右侧(y<0),导致相反的情形,例如,左侧回路中较低的接收信号水平以及右侧回路中较高的接收信号水平。将车辆功率转移装置114定位在y=0处导致左侧回路和右侧回路两者中的基本相等的接收信号水平。在x-方向中移动车辆功率转移装置114导致针对较近位置的较高接收信号水平以及针对较远位置的较低接收信号水平。

至少对于后侧回路而言,相关联的函数可以单调上升。在下文中进一步描述,由于可以仅通过评估在左侧和右侧回路之间的平衡来估计y-位置,并且基于绝对接收水平来估计x-位置,因此,该整体行为导致健壮且稳定的系统。为了使用绝对接收水平,定位系统使用发射器电流。

图6图示了多个有源信标接收器天线600的示例布置。在各方面中,定位系统确定从目标位置(例如,图3的fod回路阵列的中心)到有源信标118的距离估计以及定义车辆功率转移装置114(或有源信标118)相对于基座功率转移装置110的中心线602的偏移的距离的横向偏移估计任何合适天线可以被用于定位信息,诸如fod回路阵列310中的感测回路402。例如,定位算法可以使用角感测回路402(例如,左前回路402-1、右前回路302-2、左后回路402-3、以及右后回路402-4)来确定距离估计以及横向偏移估计备选地,定位系统可以使用来自不在fod回路阵列310的角上的感测回路的测量值。在示例中,靠近角回路的感测回路可以被用于定位信息,诸如感测回路604(在y-方向上靠近角回路)或感测回路606(在x方向上靠近角回路),或感测回路的任何组合。尽管图6中所示出的示例中仅图示了fod回路阵列310的一些角回路(例如,角感测回路402、感测回路604、感测回路606),但是fod回路阵列310被填充有覆盖整个阵列的回路并且仅示出了涉及有源信标的回路。这只是有源信标接收器天线的一种示例布置,并且可以设想采用fod回路阵列310中的其他感测回路的其他布置。

此外,任何适当数量的天线可以被用于以获取定位信息,诸如仅两个(例如,左和右)、6个、8个、10个等。以下示例简单地使用四个角回路402进行描述,其中接近区202与左前回路402-1和右前回路402-2相互作用,并且离开区206与左后回路402-3和右后回路402-4相互作用。从定位系统的角度来看,电动车辆102的x-位置(或电动车辆102上的有源信标118)可以分离到至少三个区中:接近区202(排除在基座功率转移装置110上的位置之外的负x-位置)、目标区204(在基座功率转移装置110上)、以及离开区206(排除在基座功率转移装置110上的位置之外的正x-位置)。

接近区202包括邻近目标区204且在目标区204、并且在基座功率转移装置110前方的区域,使得电动车辆102在其接近基座功率转移装置110时进入接近区202。离开区206定义了邻近目标区204且在目标区之外、并且当电动车辆接近基座功率转移装置110时在基座功率转移装置110后方的区域,使得如果电动车辆102超过目标区204,则其进入离开区206。然而,一旦电动车辆102在离开区206中,当电动车辆102通过倒车“接近”目标区204时,定位系统可以将离开区206视为接近区并且将接近区202视为离开区(例如,反转区的角色)以确定电动车辆102的定位信息。如上所述,在接近区202以及离开区206中利用有源信标定位系统,而在目标区204(由fod感测回路中的多个fod感测回路限定的区域)中利用无源信标定位系统。然而,两个系统可以在每个区中操作,并且可以从有源信标定位系统和无源信标定位系统两者获取每个区中的位置信息。

接收器天线中的每个接收器天线生成电压(vab),其作为有源信标定位系统的原始数据被捕获。词语ab表示特定的有源信标,诸如左前(fl)、右前(fr)、左后(rl)、或右后(rr)。

为了估计包括距离估计和横向偏移估计的位置p,复电压被测量为vab=iab+jqab,具有两个或更多个感测回路中的每个感测回路处的同相位i和正交q分量。对于每个角回路的复值,计算校准幅度vab_c。可以使用以下等式计算校正幅度vab_c:

校准因子cab被用于说明接收器增益的差异并且被应用于每个接收电压的幅度。希望值域可以是任何适当的范围,例如,从-2至2。在示例中,针对所有四个接收回路的名义cab值是1(1.0)。对于距离估计可以使用平方和的对数,如下:

其中参数gx和是可以用来校准系统的可配置参数。可选择地,可以使用前回路来实行相似计算。等式2允许从目标点(例如,基座功率转移装置110的中心)到有源信标的计算。

可以使用后回路的幅度的和来确定横向偏移估计其中指数cd说明幅度随距离的变化,使用以下等式:

其中参数gy和是可以用来校准系统的可配置参数。备选地,可以使用前回路的幅度的和、或者前回路和后回路的组合来确定横向偏移估计

示例有源信标生成电路装置

参照图7至9,描述了用于生成车辆侧的信标信号并且用基座侧的fod来接收信标信号的示例硬件电路。这些示例实现被描述成各种组件,用于扩展范围定位。在所描述的实现中,车辆功率转移装置114的车辆ipt线圈306(表示为电感器)被用作基于供应至ipt线圈306的电流的信标发射天线。以此方式,可以建立电路,该电路可以被添加至用于感应功率转移的现有功率电子设备,或是更独立于现有功率电子设备。更独立的电路可以更模块化并且对在系统的其余部分具有更小的影响。因为这样,本文描述的示例实现使用耦合变压器以耦合至ipt并联调谐电容器的一部分。耦合变压器耦合至ipt系统的共振电容器。由于调谐电容器被构建为串联和并联的电容器阵列,存在具有不同阻抗的不同耦合点。因此,可以基于ipt设计和针对信标信号发射器的可用驱动电压来调整确切的耦合点。

图7图示了有源信标发射器电路(也被称为信号发生器电路)的示例实现700,有源信标发射器电路可用于采用针对基于fod的扩展范围定位系统的有源信标。图示示例包括具有初级侧t_lrpi704和次级侧t_lsec706的耦合变压器702。耦合变压器702的初级侧t_lpri704上的初级侧电路708包括串联共振电路(例如,匹配滤波器710)以提供针对信标信号的增益并且增大对信标信号的谐波的衰减。在各方面中,初级侧电路708可以包括信标信号发生器712和匹配滤波器710两者。信标信号发生器712可以生成任何适当的载波信号来作为有源信标频率,诸如120千赫兹。所生成的信号可以是用半桥或全桥电路生成的矩形信号。所得到的矩形信号的谐波内容被有源信标发射器电路充分抑制,使得有源信标发射器天线主要发射基频。匹配滤波器710被配置为通过使用与匹配电容m_c718串联的以在信标频率共振的匹配电感m_l716来匹配耦合变压器702的杂散电感714。连接至耦合变压器702的次级侧t_lsec706的是被配置为抑制功率转移期间的来自共振电容器722的高电压的抑制滤波器720。每个抑制滤波器720包括与抑制电容器r_c726并联的抑制电感器r_l724。在各方面中,抑制滤波器720被调谐至车辆功率转移装置114的操作频率(例如,85千赫兹)。

图8图示了有源信标发射器电路的另一个示例实现800,该有源信标发射器电路可用于采用针对基于fod的扩展范围定位系统的有源信标。在该示例实现800中,抑制滤波器720位于耦合变压器702的初级侧704,导致更少的部件被连接至高电压侧,例如,共振电容器722。这可以降低成本,但作为缺点,需要耦合变压器702的磁化电感来承受跨耦合变压器702的次级侧t_lsec706存在的高电压。为了进一步减少部件数量,可以由耦合变压器702的杂散电感t_lstr714来实现匹配电感m_l716。

图9图示了有源信标发射器电路的又一个示例实现900,该有源信标发射器电路可用于采用针对基于fod的扩展范围定位系统的有源信标。在各方面中,通过使用耦合变压器702的杂散电感714与分流电容器r_c902一起使用,例如,连接至信标信号发生器712,抑制滤波器720被并入耦合变压器702中。与串联电容器m_c904一起,杂散电感714还作为串联共振电路以增强由信标信号发生器712所生成的信标信号。这个示例电路可以以较低的成本被实现,因为所有额外的电感器被省略掉并且现存的杂散电感被用于多个用途。

示例有源信标接收电路装置

图10a图示了fod系统的示例实现1000。fod模拟前端(例如,感测回路402)被耦合至有源信标接收电路装置1002和fod电路装置1004。在一些实现中,感测回路402经由开关(诸如开关1006和开关1008)分别被连接至有源信标接收电路装置1002和fod电路装置1004。备选地,感测回路402可以被连接至一个或两个有源信标接收电路装置1002和fod电路装置1004。有源信标接收电路装置1002被配置为检测车辆功率装置114的有源信标118。在示例中,有源信标接收装置1002可以包括并联连接至感测回路402的电容器(未示出)。fod电路装置1004被配置为检测无源金属异物,诸如上文所述的无意的金属物体

图10b图示了来自图10a的有源信标接收电路装置1002的示例实现1010。fod模拟前端被优化以测量附接回路的电感。接收器灵敏度可以被提高以减少在发射器侧提供高电流的需求。在图示示例中,电感器l_fod1012表示用作有源信标接收器天线的fod回路(例如,感测回路1004)。对于有源信标接收电路装置1002,fod回路(例如,电感器l_fod1012)在并联共振(例如,与电容器c_res1014并联)下操作,以将接收到的感应电压提高q倍(共振器的质量因数)。开关1016(例如,单刀单掷(spst)继电器)被使用在电容器c_res1014和接地之间,以在wevc系统的功率转移期间断开共振电路(l_fod1012/c_res1014)。如果没有断开,到l_fod1012中的感应电压可以产生实质电流,这是不被希望的。

节点“signal_in”1018处的结果电压经由限幅电路(电阻器r_c1020耦合至二极管d_c11022和二极管d_c21024)耦合至前置放大器u_11026。限幅电路被用于保护运算放大器在感应功率转移期间不遭受过度输入电压。前置放大器u_11026的输出(例如,结果“signal_out”1028)被反馈至普通fod模拟前端电路,以由fod数字处理单元的模拟数字转换器来测量。示例电路提供比原始fod模拟前端电路更高的信噪比。在各方面中,此示例电路可以与fod模拟前端组合使得fod回路可以被用于有源信标定位和异物检测两者。

示例方法

图11描述了用于检测有源信标的存在和位置的示例过程1100。示例程序可以在参照图1至10描述的实现和系统、和/或其他适当的环境中被采用。针对各种程序所描述的步骤可以被自动地实现并且独立于用户交互。示出了和/或描述了这些过程的操作中的顺序不旨在被说明为限制,并且所描述的程序操作的任何数字或组合可以以任何顺序被组合以实现方法或备选方法。

在1102处,响应于由电动车辆的信标发射器生成的磁场,在fod系统的两个或更多个fod感测回路中检测到感应电压。在示例中,感测回路402可以是fod系统的fod回路阵列310的角回路,当电动车辆102的有源信标118接近基座功率转移装置110时检测到感应电压。在某些方面,感测回路402可以是垂直极化的环形线圈,而有源信标118是水平极化的,例如,dd线圈或螺线管拓扑。

在1104处,在两个或更多个fod感测回路中的每个fod感测回路处测量感应电压的幅度。在各方面中,计算每个感测回路402的复值的校准幅度。以上参照图6描述了该计算的示例。

在1106处,基于在两个或更多fod感测回路测量到的幅度,估计了有源信标和fod系统上的目标位置之间的距离。在示例中,基于感测回路402的幅度的平方和的对数,估计目标位置(例如,fod系统的中心)和有源信标118之间的距离。

在1108处,基于两个或更多个fod感测回路之间的比较,确定电动车辆相对于fod系统的横向偏移。在各方面中,横向偏移指示电动车辆102相对于fod系统或基座功率转移装置110的中间线的不对准的量(例如,距离)。横向偏移(例如,估计偏移距离)可以基于在中心线的相对侧上的fod感测回路的幅度的和。以上参照图6描述了横向偏移的示例计算。

在1110处,基于估计距离和横向偏移,生成可用于将电动车辆与基座功率转移装置对准的、用于将功率转移至电动车辆的位置信息。在一个示例中,位置信息可用于将电动车辆102与基座功率转移装置110对准。位置信息可以在无线通信链路上被发送至车辆电子系统并且由车辆电子系统使用,以向车辆驾驶员提供关于车辆相对于基座功率转移系统的位置的反馈。使用在电动车辆102中的自主驾驶系统中使用的图形表示和/或可听的信号,使得位置信息对电动车辆102的驾驶员可用。随时间并且当电动车辆102移动时,位置信息可以被更新,并且周期性或连续地被提供给车辆电子系统。在一些方面中,数据被发送至车辆电子系统并且在车辆处完成最终定位估计。向驾驶员或者自主驾驶系统提供这种定位信息可以使驾驶员(或自主驾驶系统)能够正确地将电动车辆与基座功率转移系统对准。

示例无线功率转移系统

图12图示了示例无线功率转移系统1200,其包括能够实现基于异物检测的扩展范围定位系统的各方面的部件。系统1200包括发射器1202和接收器1204。发射器1202可以包括具有振荡器1208(例如,逆变器)、驱动电路1210、以及前端电路1212的发射电路装置1206。振荡器1208可以被配置为生成希望频率的振荡信号,希望频率可以响应于频率控制信号1214进行调整。振荡器1208可以将振荡信号提供至驱动电路1210。驱动电路1210可以被配置为基于输入电压信号(vd)1218以例如功率发射元件1216的共振频率来驱动功率发射元件1216(例如,来自图3的ipt线圈312)。

前端电路1212可以包括被配置为滤除谐波或其他不需要的频率的滤波电路。前端电路1212可以包括被配置为将发射器1202的阻抗与功率发射元件1216的阻抗匹配的匹配电路。前端电路1212还可以包括调谐电路以利用功率发射元件1216创建共振电路。作为驱动功率发射元件1216的结果,功率发射元件1216可以生成电磁场1220以在足以给电池1222充电或对负载供电的水平来无线地输出功率。

发射器1202还可以包括控制器1224,控制器1224可操作地耦合至发射电路装置1206,并且被配置为控制发射电路装置1206的一个或多个方面或针对异物检测和定位混合系统完成其他与扩展范围定位有关的其他操作。控制器1224可以是微控制器或处理器。控制器1224可以被实现为专用集成电路(asic)。控制器1224可以可操作地被直接或间接地连接至发射电路装置1206中的每个部件。控制器1224可还可以被配置为从发射电路装置1206的部件中的每个部件接收信息,并且基于所接收到的信息实行计算。控制器1224可以被配置为针对每个部件生成可以调整该部件的操作的控制信号(例如,频率控制信号1214)。由此,控制器1224可以被配置为基于其所实行的操作的结果来调整或管理感应功率转移。发射器1202还可以包括存储器1226,存储器1226被配置为存储例如诸如用于使控制器1224实行特定功能(诸如那些有关无线功率转移和/或异物检测和定位的功能)的指令。

发射器1202还可以包括异物检测(fod)电路1228。fod电路1228被耦合至控制器1224并且被配置为与控制器1224通信。控制器1224被配置为控制fod电路1228。如上所述,fod电路1228可以被耦合至一个或多个传感器电路(未示出),诸如图3的fod回路阵列310中的fod感测回路,或图4和图6的感测回路402、604和606,它们可以检测电磁场1220的磁场内的异物,诸如金属物体、图1的电动车辆102、有源信标118或无源信标120。在各方面中,每个感应线圈被配置为发射指示检测到在其感应区域内的异物的检测信号。fod电路1228接着将检测信号传送至控制器1224,控制器1224被配置为基于检测信号来确定异物的相对于fod感应线圈中的一个或多个fod感应线圈的位置。

接收器1204可以包括具有前端电路1232和整流器电路1234的接收电路装置1230。前端电路1232可以包括被配置为将接收电路装置1230的阻抗与功率接收元件1236(例如,车辆ipt线圈306)的阻抗匹配的匹配电路装置。前端电路1232还可以包括调谐电路以利用功率接收元件1236创建共振电路。整流器电路1234可以从交流电(ac)功率输入生成dc功率输出以对电池1222充电或提供功率至一些其他负载。接收器1204和发射器1202可以在单独的通信信道1238(例如wifi或bluetoothtm)上额外地通信。备选地,接收器1204和发射器1202可以使用电磁场1220的特性,经由带内信令来通信。

此外,接收器1204可以被配置为确定由发射器1202发射的并且由接收器1204接收的功率的量是否适合用于对电池1222充电或对负载供电。在某些实施例中,发射器1202可以被配置为生成用于提供能量转移的具有高耦合系数(k)的主要非辐射场。接收器1204可以直接地耦合至电磁场1220并且可以生成用于由耦合至接收电路装置1230的输出的电池1222(或负载)存储或消耗的输出功率。

接收器1204还可以包括控制器1240,控制器1240与如上所述的发射控制器1224相似地被配置为用于接收器1204的一个或多个无线功率管理方面。接收器1204还可以包括存储器1242,存储器1242被配置为存储数据,诸如用于使控制器1240基于异物检测实行特定功能(诸如有关扩展范围定位系统的功能)的指令。发射器1202和接收器1204可以分隔开一段距离并且根据相互共振关系被配置为最小化发射器1202和接收器1204之间的传输损失。

功率发射元件1216和功率接收元件1236可以分别地对应于利用针对基于本文所述的异物检测的扩展范围定位系统的技术的发射器104、基座功率转移装置110、和/或车辆功率转移装置114,或者被包括在它们中作为一部分。

接收器1204还可以包括耦合至控制器1240和一个或多个天线电路(未示出)的信标电路1244(例如,示例实现700、800和900中的有源信标发射电路)。控制器1240被配置为控制信标电路1244。信标电路1244被配置为控制一个或多个天线电路,天线电路可以被称为或被配置为信标回路天线,诸如图1的无源信标120。信标电路1244可以被集成至功率接收元件1236、或电动车辆102的任何其他区域或其组件中。

在示例性实现中,控制器1240被配置为通过发送控制信号至信标电路1244来控制信标电路1244。信标电路1244被配置为响应于控制器1240的控制信号来改变信标回路天线的电特性。例如,信标电路1244可以响应于控制器1240的控制信号,调制、改变或修改一个或多个信标天线的电特性。在各方面中,信标电路1244可以将独特的调制施加到无源信标120的电特性上,并且独特的调制模式可以由fod电路1228和控制器1224使用,以如上所述唯一地将无源信标120与另一个异物标识出来。在至少一些方面中,信标电路1244可以将电流注入ipt线圈(例如,车辆ipt线圈306或另一个在电动车辆102上的ipt线圈)以使ipt线圈用作信标发射天线,信标发射天线可以由发射器1202中的fod电路1228检测到并且用于获取ipt线圈的定位信息。

结合本文所公开的各方面所描述的各种图示性的逻辑块,模块、电路、以及方法步骤可以被实现为电子产品硬件、计算机App、或两者的组合。为了清楚地图示这种硬件和App的互换性,各种图示性的部件、块、组件、电路、以及步骤就其功能而言已总体上在上面描述了。这种功能是被实现为硬件或是App取决于特定的应用程序和施加于整体系统上的设计约束。所描述的功能可以针对每个特定应用程序以各种方法实现。但这种实现决定不应该被说明为导致偏离所描述的各方面的范围。

结合本文所公开的各方面所描述的各种图示性的块、模块、以及电路可以被通用硬件处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑设备、分立式门或晶体管逻辑、分离的硬件部件、或其设计为实行本文所描述的功能的任何组合、实现或实行。通用硬件处理器可以是微处理器,但是备选地,硬件处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器、或状态机。硬件处理器还可以被实现为计算设备的组合,例如,dsp和微处理器、多个微处理器、与dsp内核结合的一个或多个微处理器、或任何其他这样的配置的组合。

结合本文所公开的各方面所描述的方法和功能的步骤可以直接地体现在硬件中、由硬件处理器实行的App模块中、或两个的组合中。如果被实现在App中,功能可以被存储在有形的非暂态的计算机可读介质上,或传输为在有形的非暂态的计算机可读介质上的一个或多个指令或代码。App模块可以驻留在随机存取存储器(ram)、闪存存储器、只读存储器、电可编程rom、电可擦可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、光盘rom、或本领域已知的存储介质的任何其他形式。存储介质被耦合至硬件处理使得硬件处理器可以从存储介质读取信息,并且写信息至存储介质。在备选中,存储介质可以是硬件处理器的部分。如本文所使用,盘和碟包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多功能碟(dvd)、软盘以及blu-raytm碟其中盘通常磁性地复制数据,而碟用激光光学地复制数据。以上的组合也应该被包括在计算机刻度介质的范围内。硬件处理器和存储介质可以驻留在asic中。

尽管主题已经被用特定于结构的特征或方法的操作的语言所描述,但应该被理解的是,在所附权利要求书中定义的主题不必限于上述的具体特征或操作,包括不必限于在其中特征被布置的组织或在其中操作被实行的顺序。

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