检测充电表面上的寄生金属对象的方法和关联的充电设备与流程

1.本发明的技术领域是磁感应充电设备的技术领域。特别地，本发明涉及一种用于检测磁感应充电设备的充电表面上的寄生金属对象的方法并且涉及一种相关联的充电设备。


背景技术：

2.磁感应充电技术在包括无线充电设备和要在移动终端中充电的蓄电池的系统中实现，所述移动终端诸如例如是用户装备的便携式项目（item），诸如移动电话。充电设备包括传输天线或发射天线。蓄电池包括待充电的接收天线。当传输天线和接收天线彼此相对地定位时，由传输天线生成的磁场的变化使得电流在接收天线中流动，从而对蓄电池充电。
3.感应充电技术满足标准的要求，在该情况下，它是无线功率协会的qi
®
标准，也称为wpc标准。
4.为了检测充电表面上的外来（foreign）金属对象的存在或者检测包括与充电设备的传输天线相对定位的接收天线的蓄电池的存在，当前实现三个步骤。
5.在第一步骤中，现有技术的方法寻求检测与充电设备相对定位的对象的存在。为此，电脉冲，也称为“ping”，以充电频率经由充电设备的传输天线发送到接收天线。ping是连续信号，其呈现周期性振荡，具有例如300 ms的周期并且具有5至20 ms的振荡时间。观察到传输天线的端子处的电压或阻抗。如果检测到传输天线的端子处的电压变化或传输天线的阻抗变化，则存在与传输天线相对的对象。
6.被检测到的对象可能是寄生金属对象或移动装置，诸如配备有用于感应充电的接收天线的移动电话。在第二步骤中，然后努力建立与被检测对象的数字通信以便标识其特征。更特别地，在该第二步骤中，努力断定所检测的对象是否包括用于感应充电的接收天线以便对后者充电并且该对象不是寄生金属对象。通过调制发射天线的电压幅度来执行该通信。
7.当在被检测对象的接收天线和传输天线之间建立数字通信时，然后第三步骤开始。第三步骤允许对被检测对象的接收天线被充电。
8.如果不能建立通信，则涉及外来金属对象并且不发起充电。
9.这种检测方法的缺点是在ping的传输期间引起的高功耗以及还有接近人体的有害辐射的量。在某些情况下，当人体接近（在几厘米内）发射天线时，该辐射可能超过关于连续暴露于磁场的国际推荐。
10.从现有技术已知的另一种方法是使用位于感应充电器中的一个或多个nfc（近场通信）天线，以便检测蓄电池的存在。该方法包括以13.56 mhz的频率的固定频率发射信号；如果蓄电池接近nfc天线定位，则所述nfc天线的阻抗和/或消耗变化。
11.然而，该方法消耗了大量电能并且需要感应充电器中的nfc天线的存在，这不总是可能的。
12.本发明的目的是通过提供一种用于检测感应再充电设备的充电表面上的外来金
属对象的方法来克服现有技术的所有或一些缺点，特别是以上概述的那些缺点，该方法还允许检测任何类型的便携式装备，无论接收天线的尺寸如何，以及还有在qi标准的认证测试中使用的功率接收器。


技术实现要素：

13.本发明提供了一种通过充电设备检测外来金属对象的方法，所述充电设备包括微控制器和发射电路，所述发射电路包括至少一个发射天线，其适于以操作频率对放置在充电表面上的用户装备的便携式项目进行充电，所述方法的特征在于其包括以下步骤：a.在发射天线的端子处以寄生谐振频率发射预定数量的电压脉冲，所述寄生谐振频率不同于和区别于操作频率，b.确定发射电路的振荡频率，c.如果振荡频率高于寄生谐振频率，则在充电表面上检测到外来金属对象。
14.更具体地，如果振荡频率低于寄生谐振频率，则在充电表面上检测到要充电的用户装备的便携式项目。
15.便利地，如果当发射电路的频率高于寄生谐振频率时发射电路以第二谐振频率振荡，则检测到要充电的用户装备的便携式项目和外来金属对象的同时存在。
16.有利地，预定数量等于三。
17.更特别地，寄生谐振频率在200 khz和1 mhz之间。
18.本发明还涉及用于用户装备的便携式项目的任何充电设备，包括微控制器和发射电路，所述发射电路包括至少一个发射线圈，其适于以操作频率对用户装备的便携式项目充电，所述设备的特征在于发射电路还包括用于生成与操作频率不同和有区别的寄生谐振频率的装置，并且其特征在于设备还包括：a.用于测量发射电路的振荡频率的装置，以及b.用于依据因此测量的振荡频率来检测要充电的用户装备的便携式项目的装置。
19.更具体地说，检测装置包括用于比较振荡频率和寄生谐振频率的装置。
20.便利地，设备还包括用于测量发射电路的第二谐振频率的装置和用于依据由此提供的第二频率来检测要充电的装备的兼容便携式项目的装置。
21.有利地，用于生成寄生谐振频率的装置是用于以寄生谐振频率在发射天线的端子处生成预定数量的电压脉冲的装置的形式。
22.生成装置可以包括连接到电压源的开关、电容器和电阻器。
23.更特别地，寄生谐振频率在200 khz和1 mhz之间。
24.本发明涉及包括根据前述特征中的任一项的充电设备的任何机动车辆。
附图说明
25.通过阅读下面的描述，本发明的其他特征和优势将变得更加清楚。该描述纯粹是说明性的并且必须参考附图来阅读，其中：[图1]:图1示意性地示出了现有技术的充电设备d，在该充电设备d上方存在要充电的用户装备的便携式项目p，[图2]:图2示意性地示出了根据本发明的用于以寄生谐振频率生成电压脉冲的装
置，[图3]:图3示意性地示出了根据本发明的充电设备d'，[图4]:图4是示出了以寄生谐振频率发射的电压脉冲的图表，[图5]:图5是示出了根据本发明的检测方法的各个步骤的流程图，[图6]:图6是示出了作为发射电路的阻抗的函数的寄生谐振频率的图表，[图7]:图7是示出了在用户装备的便携式项目被放置在充电表面上的情况下作为发射电路的阻抗的函数的第二谐振频率和谐振频率的变化的图表，[图8]:图8是示出了在外来金属对象和用户装备的便携式项目同时放置在充电表面上的情况下作为发射电路的阻抗的函数的第二谐振频率和谐振频率的变化的图表，[图9]:图9是示出了在外来金属对象被放置在充电表面上的情况下作为发射电路的阻抗的函数的第二谐振频率和谐振频率的变化的图表。
具体实施方式
[0026]
图1示出了现有技术的充电设备d，其包括发射天线b1和充电表面s，在所述充电表面上放置包括接收天线b2的用户装备的便携式项目p。
[0027]
充电设备d或感应充电设备可以例如但以完全非限制性地方式旨在安装在机动车辆中。
[0028]
如前所述，当发射天线b1和接收天线b2彼此相对定位时，由发射天线b1生成的磁场的变化使得电流在接收天线b2中流动，从而对用户装备的便携式项目p充电。
[0029]
本发明提供了图2和3中所示的充电设备d'，其允许克服现有技术的缺点。
[0030]
设备d'包括配备有微控制器的印刷电路10'，该微控制器连接到发射天线b1并且还连接到阻抗匹配电容器c1。微控制器10适于管理在操作频率f
rf
处经由发射天线b1的数据的传输和接收。所述操作频率f
rf
是用于根据wpc
®
（无线电力协会）的qi标准对用户装备的便携式项目p进行充电的频率，并且在90 khz与205 khz之间。为此，微控制器包括适于管理数据的传输和接收以及还有发射天线b1的操作的控制的硬件和软件装置。这从现有技术已知并且在此将不更详细地描述。
[0031]
根据本发明，在本发明的第一实施例中，充电设备d'被装备成使得其还包括：a.装置m1，用于通过发射天线b1生成寄生谐振频率f
rp
，该寄生谐振频率例如在200 khz与1 mhz之间的窗口中，b.装置m2，用于测量发射电路e的振荡频率fe，以及c.装置m3，用于依据因此测量的发射电路e的振荡频率fe检测外来金属对象。
[0032]
生成装置m1在图2中示出，并且例如是用于以寄生谐振频率f
rp
以为发射线圈b1界定（bound）的电压v1生成预定数量的脉冲p1的装置的形式，并且包括：a.开关s1，其一侧连接到发射天线b1的分支，b. 连接到地的电容器c2，在所述开关s1的另一侧上，且与发射天线b1并联连接，允许将谐振频率f
rp
的值调整到期望值，且其本身连接至c.与电容器c2并联连接和与电压源vcc并联连接的电阻器r1，以及d.用于控制所述开关s1以便断开或闭合所述开关的装置m0，所述控制装置m0例如是软件形式。
[0033]
用于生成谐振频率的装置m1是例如方波形式的电压信号的生成器的形式。
[0034]
通过控制连接到电压源vcc的开关s1的断开和闭合，以寄生谐振频率f
rp
在发射天线b1的端子处生成电压v1脉冲p1。这在图4中示出。图5示出了方波形式的三个电压脉冲。
[0035]
用于测量寄生谐振频率f
rp
的变化的装置m2例如是软件形式。
[0036]“发射电路e”（参见图2）旨在意味着包括发射天线b1、阻抗匹配电容器c1和用于生成寄生谐振频率f
rp
的装置m1的部件的集合。
[0037]
所述测量装置m2可以包括如下装置：用于对发射电路e的电压v
b1
（在所述发射电路e和电接地之间）的时间分析并且在预定周期δt内将所述电压v
b1
与两个阈值电压，最小电压v-和最大电压v ，进行比较以便确定所述发射电路e的振荡频率。这些用于对发射电路e的电压b1进行时间分析以允许从其推导出其振荡频率的装置对于本领域技术人员是已知的并且在此将不进行更详细的描述。
[0038]
作为替代，所述测量装置m2可以包括用于频率分析的装置，频率分析诸如是发射电路e的电压v
b1
的傅立叶变换，以便确定所述电路e的振荡频率fe。
[0039]
还可以使用发射线圈b1的端子处的电压或电阻器r1的端子处的电压的时间或频率分析。本领域技术人员可以通过分析所述电路的部件的端子处的电压来确定发射电路e的振荡频率。
[0040]
用于检测外来金属对象的装置m3也包括用于比较因此测量的发射电路e的振荡频率fe和寄生谐振频率f
rp
的装置。
[0041]
所述检测装置m3适于确定金属对象和/或用户装备的便携式项目p的存在。所述检测装置m3可以是软件形式。
[0042]
生成装置m1、测量装置m2和检测装置m3可以以具有微控制器的分立部件的形式或以asic（专用集成电路）的形式和/或以软件形式包括在印刷电路10'中。
[0043]
在本发明的第二实施例中，设备d'还包括用于测量第二谐振频率f
rr
的装置m4和用于依据由此提供的第二频率f
rr
来检测要充电的装备的兼容便携式项目的装置m5。
[0044]
用于测量第二谐振频率f
rr
的装置m4以及还有检测装置m5可以是软件形式并且分别包括用于发射电路e的电压v
b1
的时间或频率分析的装置，诸如上面针对测量装置m2所描述的那些，其使得可能检测发射电路e是否正在以第二谐振频率f
rr
振荡以便确定所述频率的值，以及用于将所述第二频率f
rr
与预定值进行比较的装置。
[0045]
第二谐振频率f
rr
的预定值对应于与这里是qi标准的充电标准兼容的接收器的谐振频率值，并且例如在800 khz与1200 khz之间。
[0046]
本发明基于申请人的以下观察：当发射天线b1以寄生频率f
rp
生成电磁波时，设备d'的充电表面s上的寄生金属对象和/或用户装备的兼容便携式项目p的存在使得发射电路e以从寄生谐振频率f
rp
改变（shift）的振荡频率fe振荡，这依据设备d'的表面上的对象的特征向下或向上变化。
[0047]
具体讲，申请人已经观察到，在存在外来金属对象（或fo）的情况下，所述振荡频率fe具有比初始寄生谐振频率f
rp
高的值。
[0048]
相反，在存在用户装备的兼容便携式项目p或tpr的情况下，也就是说，存在测试功率接收器的情况下，也就是说，存在针对qi标准认证移动电话的阶段期间使用的蓄电池的情况下，所述振荡频率fe具有比初始寄生谐振频率f
rp
低的值。
[0049]
此外，申请人已经观察到，在充电表面s上存在用户装备的便携式项目p时，通过发射天线b1以寄生谐振频率f
rp
发射电磁场附加地导致第二谐振频率的出现，该谐振频率f
rr
是接收器p的谐振频率。
[0050]
现在将按照图5中所示的流程图来描述根据本发明的检测方法。
[0051]
在初始步骤e1中，在发射天线b1的端子处生成并以寄生谐振频率f
rp
发射预定数量n的电压脉冲p1（参见图4），例如n=3，也就是说三个连续的电压脉冲p1，寄生谐振频率f
rp
也就是说在200 khz与1 mhz之间的值的窗口中，具有 /-10%的公差（tolerance），或在大约180 khz与1.1 mhz之间。这些电压脉冲以寄生谐振频率f
rp
激励发射电路e。所述脉冲具有0.91μs与5.56μs之间的周期。这在图4中并且在图6中示出。
[0052]
所述寄生谐振频率f
rp
在200 khz与1 mhz之间，并且区别于根据wpc qi标准的操作频率f
rf
，该操作频率f
rf
部分地在90 khz与205 khz之间。
[0053]
在第二步骤e2中，一旦已经生成了三个脉冲p1，就测量发射电路e的电压v
b1
并且然后确定所述电路e的振荡频率fe。两个实施例是可能的，时间分析或频率分析。
[0054]
在第三步骤e3中，如果发射电路e的振荡频率fe等于寄生谐振频率f
rp
，则从其推断出尚未有对象放在放置表面s上，并且该方法返回到第一步骤e1。
[0055]
在第四步骤e4中，比较两个频率fe和f
rp
；如果振荡频率fe低于寄生谐振频率f
rp
，则从其推断出用户装备的便携式项目p或tpr已经被放置在充电表面上（步骤e5b）并且感应充电被触发（步骤e6b）。
[0056]
这在图7中示出，该图是示出了低于寄生谐振频率f
rp
的振荡频率fe的图表。
[0057]
如果振荡频率fe高于寄生谐振频率f
rp
，则由此推断出在充电表面s上存在外来金属对象fo（步骤e5a），该对象可以单独在充电表面上或者在用户装备的便携式项目p的旁边或下方。
[0058]
为了在这两种情况之间进行区分，步骤e6a涉及检查发射电路e是否也以第二谐振频率f
rr
振荡。为此，进行电压v
b1
的时间或频率分析，该电压是发射电路e相对于电接地的电压。
[0059]
如果发射电路e除了以频率fe振荡之外还以第二谐振频率f
rr
振荡，该第二谐振频率f
rr
不同于和区别于寄生谐振频率f
rp
，并且其值在对应于qi接收器的谐振频率的值的预定窗口中，则不仅从其推断出外来金属对象fo的存在，而且还从其推断出在充电表面s上同时存在用户装备的便携式项目p或tpr。在该情况下，感应充电不被触发，或者以非常低的功率发起并且通过是声音或视觉的警告消息m警告用户在充电表面s上存在外来金属对象（步骤e7b），使得用户从表面去除外来金属对象以允许触发感应充电。这在图8中示出，其示出了高于寄生谐振频率f
rp
的振荡频率fe以及作为发射电路的阻抗ze的函数的第二谐振频率f
rr
的存在。第二谐振频率f
rr
对应于与qi标准兼容的接收器的谐振频率并且在该示例中具有等于1 mhz的值。
[0060]
如果发射电路e不以不同于和区别于寄生谐振频率f
rp
的第二谐振频率f
rr
振荡，则从其推断出在充电表面s上仅存在外来金属对象fo并且不触发感应充电（步骤e7a）。这在图9中示出，其示出了作为电路的阻抗ze的函数的高于寄生谐振频率f
rp
的振荡频率fe。
[0061]
因此，本发明巧妙地使得以简单且比现有技术的方法更少能量密集的方式确定感应充电设备的充电表面上的外来金属对象的存在成为可能；具体地，电压脉冲比现有技术
的ping消耗少得多的电能。
[0062]
本发明更加有利，因为它使得还检测外来金属对象与用户装备的兼容便携式项目的存在同时存在成为可能。
[0063]
此外，本发明的实现是可靠且简单的，因为用于体现本发明的技术手段主要由廉价的硬件装置或软件装置组成。