无线功率传输系统中的异物检测的制作方法

1.本发明涉及无线功率传输系统中的异物检测，并且具体但不唯一地，涉及用于向较高功率设备(例如厨房电器)提供感应式功率传输的功率发射器的异物检测。


背景技术：

2.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提供有它们自己的专用电源，从而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。
3.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电感器感应地传输到各个设备中的接收器线圈。
4.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电感器/线圈与次级接收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。
5.这样的布置结构允许到设备的无线功率传输，而不需要进行任何导线或物理电连接。实际上，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，功率发射器设备可被布置有水平表面，设备可以简单地放置在该水平表面上以便被供电。
6.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。具体地，已经定义了被称为qi规范的无线功率传输方案，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符合qi规范的功率接收器设备一起使用，而不必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于具体功率接收器设备的一些功能(例如，取决于具体的功率抽取)。
7.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：
8.http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html，在此具体地可以找到定义的规范文档。
9.无线功率传输的潜在问题是功率可能无意地被传输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内引入涡电流，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。
10.为了降低出现这种情形的风险，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/或产生用户警告。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。
11.在wo 2015018868a1中公开了一种检测这样的异物的方法。在wo2012127335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。
12.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(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)的估计值。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。
13.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的内部功率损耗(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)的估计值来校正结果。
14.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。
15.替代性地，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。
16.实际上，使用qi规范中描述的方法倾向于难以实现足够的检测准确度。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。
17.例如，具体问题是友好金属(即包括功率接收器或功率发射器的设备的金属部件)的潜在存在，因为这些的磁特性和电特性可能是未知的(并且在不同的设备之间变化)，因此可能难以补偿。
18.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，有必要检测发射功率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尤其困难的。
19.在许多情形中，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准确度，并且例如也可能受到友好金属的影响。
20.异物检测的性能取决于实际执行测试时存在的具体操作条件。例如，如qi规范中所述，如果在功率传输初始化过程中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功率接收器。然而，对于这样的小信号，信噪比通常较差，从而导致降低的测量准确度。
21.另一个问题是，异物检测通常是一种非常敏感的测试，其中期望在正在执行测试的操作条件和情形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。
22.对于更高的功率水平，这些问题倾向于被加剧，且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，无线充电联盟正在开发无绳厨房规范，其旨在支持高达2.5kw或者潜在地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，并且因此对于更高功率水平来说，需要检测的相对功率损耗可能大大降低。
23.异物检测的另一个挑战是功率发射器和功率接收器的金属部件干扰检测，并使得更难检测到其他金属物体的存在。
24.一些其他功能可能使用金属部件的这一事实可能会加剧此类问题。具体而言，功率传输一般经由功率传输线圈来实现，功率传输线圈通常相对较大，且因此可能对异物检测有严重影响。在使用专用的异物检测天线或线圈执行异物检测的情况下，功率传输设备的设计可通过使功率传输线圈彼此保持一定距离或例如通过在它们之间实施磁屏蔽来寻求使功率传输线圈的影响最小化。然而，这可能难以实现，因为它经常与将两个设备的功率传输线圈定位成非常接近的期望相矛盾。
25.类似地，在许多功率传输系统中，功率传输设备之间的通信可以通过专用通信天线来实现。例如，可以使用专用的nfc通信线圈来实现nfc通信。这些可能期望被定位成彼此靠近，这可能会限制使对异物检测的影响最小化中的设计自由度。
26.当前用于功率发射器中的异物检测和通信的方法倾向于是次优的，并且在某些情形和示例中可提供低于最佳性能的性能。异物检测和通信功能之间的交互通常会导致降低的通信性能(例如，由于通信天线之间的次优耦合)和/或下降的异物检测性能(例如，由于靠近异物检测天线的通信天线的影响))。具体而言，当前的方法可能导致未检测到异物的存在，或者导致在没有异物存在时的错误异物检测。此外，更准确的方法倾向于是复杂和昂贵的。
27.因此，改进的用于功率发射器中的异物检测和通信将是有利的，并且具体地，允许增加的灵活性、降低的成本、降低的复杂性、改进的异物检测、更少的错误检测和漏检、向后兼容性、用于更高功率水平传输的改进的稳定性、改进的通信、减少的通信天线对异物检测的影响和/或改进的性能的方法将是有利的。


技术实现要素：

28.因此，本发明寻求单独地或以任何组合来优选地减弱、减轻或消除上述缺点中的一个或多个。
29.根据本发明的一方面，提供了用于经由感应式功率传输信号向功率接收器传输功率的功率发射器，该功率发射器包括：发射器线圈，其被布置成生成用于异物检测的电磁测试场；一组平衡检测线圈，其包括两个检测线圈，该两个检测线圈被串联且使得由电磁测试场在两个检测线圈中感应出的信号相互补偿；异物检测器，其与该一组平衡检测线圈联接且被布置成进行异物检测，该异物检测器被布置成响应于来自该一组平衡检测线圈的输出信号的特性符合异物检测准则来检测异物；通信天线；通信器，其与通信天线联接且被布置成经由通信天线与功率接收器通信；其中，通信天线至少包括并联的第一通信线圈和第二通信线圈，通信天线被布置成第一通信线圈的第一节段具有与第一检测线圈耦合的第一耦合，第二线圈的第二节段具有与第二检测线圈耦合的第二耦合，第一耦合和第二耦合是电容耦合和电感耦合中的至少一种，且第一耦合和第二耦合在输出信号中相互补偿。
30.在许多实施例中，本发明可提供改进的异物检测。在许多情形和系统中，可以实现更准确的异物检测。在许多实施例中，该方法可降低复杂性。具体而言，该方法可尤其适用
于改进较高功率水平的功率传输系统中的异物检测。
31.该方法可以允许改善在功率传输阶段期间的异物检测测试的准确性和/或可靠性。在许多实施例中，该方法可以减少异物检测测试的不确定性，从而改善性能。当使用平衡检测线圈时，该方法可以提供用于改善检测准确度的尤其有效的方法。
32.在许多实施例中，该方法可允许高效的功率传输和/或通信功能，并且可以具体地允许改善功率发射器和功率接收器的功率传输线圈和/或通信天线之间的耦合。
33.在许多实施例中，该方法可允许有利的实现方式并且通常可允许紧凑的实现方式，例如使用平面线圈，例如平面线圈可以在多层印刷电路板的不同层中实现。
34.检测线圈的平衡在于检测线圈被布置成使得由发射器线圈产生的电磁场在两个检测线圈内感应出的信号相互补偿。补偿可以使得两个平衡检测线圈上的组合电压低于两个平衡检测线圈中的每一个上的电压中的最大电压。补偿可以是两个信号的至少部分抵消。
35.异物检测器可被布置成在来自检测线圈的相位和/或幅值信号超过阈值时确定检测到异物。
36.电磁测试信号也可被称为测试电磁场并且这些术语可被认为是可互换的。串联的检测线圈/绕组意味着通过检测线圈/绕组的电流是相同的。
37.一组平衡检测线圈之间的联接的组合电阻可以小于100欧姆。
38.通过电磁测试场在两个检测线圈中感应出的相互补偿的信号可反映出信号至少部分地相互抵消。补偿可以相对于在两个线圈中感应出的各个信号的最大幅值减小输出信号的(组合的)信号幅值。相互补偿的耦合可反映出该耦合在输出信号中至少部分地相互抵消。补偿可以相对于各个耦合的耦合信号分量的最大幅值减小输出信号中的耦合信号分量的(组合的)信号幅值。
39.根据本发明的可选特征，第一耦合包括电容耦合和电感耦合两者，第二耦合包括电容耦合和电感耦合两者。
40.通过补偿异物检测线圈和通信天线之间的电感耦合和电容耦合两者，该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测、功率传输和/或通信。
41.根据本发明的可选特征，通信被布置成使得由第一通信线圈中的电流在第一检测线圈中感应出的第一信号分量在输出信号中被由第二通信线圈中的电流在第二检测线圈中感应出的第二信号分量补偿。
42.该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测。
43.根据本发明的可选特征，第一节段中的相对于第一检测线圈中的电流方向的电流方向与第二节段中的相对于第二检测线圈中的电流方向的电流方向相反。
44.该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测。在异物检测期间可能具体是这样。
45.根据本发明的可选特征，第一通信线圈和第二通信线圈被布置成使得第一通信线圈和第一检测线圈之间的空间关系对应于第二通信线圈和第二检测线圈之间的空间关系。
46.该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测。空间关系可通过是相同/同样的而相互对应。空间关系可以仅使用平移、旋转和镜像变换来相互变换。
47.根据本发明的可选特征，第一节段的电压电位与第二节段的电压电位相匹配。
48.在异物检测期间可能具体是这样。该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测，并且在许多实施例中可具体地导致电容耦合的紧密匹配。电压电位可以是各节段上的平均电压电位。电压电位可以通过基本是相同的(例如，在彼此的10％或5％之内)而匹配。
49.在一些实施例中，第一节段的电压分布与第二节段的电压分布相匹配。在异物检测期间可能具体是这样。
50.在一些实施例中，第一通信线圈中的相对于第一检测线圈的电压分布与第二通信线圈中的相对于第二检测线圈的电压分布是对称的。在异物检测期间可能具体是这样的。
51.该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测。
52.在一些实施例中，第一通信线圈和第二通信线圈被布置成使得第一节段和第一检测线圈之间的空间关系对应于第二节段和第二检测线圈之间的空间关系。
53.该方法可允许有利的操作和通常改进的异物检测。空间关系可以通过是相同/同样的而相互对应。空间关系可以仅使用平移、旋转和镜像变换来相互变换。
54.在一些实施例中，第一节段相对于第一检测线圈的取向与第二节段相对于第二检测线圈的取向相匹配。
55.在一些实施例中，第一节段中的相对于第一检测线圈的电流方向与第二节段中的相对于第二检测线圈的电流方向相匹配。
56.根据本发明的可选特征，第一通信线圈和第二通信线圈具有基本上相同的空间配置，并且第一节段和第二节段是第一检测线圈和第二检测线圈的对应节段。
57.这可允许有利的操作。
58.在一些实施例中，第一通信线圈和第二通信线圈具有基本上相同的空间配置，并且第一节段和第二节段是第一检测线圈和第二检测线圈的相同节段。
59.根据本发明的可选特征，该一组平衡检测线圈被形成在第一平面内，通信线圈是被形成于与第一平面基本上平行的第二平面内的平面线圈。
60.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。这些平面可以基本上平行，它们之间的相对角度不大于10
°
、5
°
或3
°
。
61.根据本发明的可选特征，第一检测线圈在第一平面内横跨第一区域，第二检测线圈在第一平面内横跨第二区域，第一节段在第一平面上的正交投影相对于第一区域的空间关系与第二节段在第一平面上的正交投影相对于第二区域的空间关系相同。
62.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
63.根据本发明的可选特征，第一检测线圈在第一平面内横跨第一区域，第二检测线圈在第一平面内横跨第二区域，并且第一通信线圈在第一区域上的正交投影与第二通信线圈在第二区域上的正交投影相匹配。
64.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
65.在一些实施例中，第一检测线圈和第二检测线圈围绕旋转点旋转对称，并且第一通信线圈和第二通信线圈还围绕该旋转点旋转对称。
66.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
67.根据本发明的可选特征，第一检测线圈和第二检测线圈围绕旋转点旋转对称，第一节段和第二节段还围绕该旋转点旋转对称。
68.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
69.根据本发明的可选特征，功率发射器包括多组平衡检测线圈，每组平衡检测线圈包括至少两个检测线圈，检测线圈围绕旋转点旋转对称，每个检测线圈横跨一定的角度间隔；以及第一通信线圈和第二通信线圈中的每一个包括沿着围绕旋转点的同心封闭曲线分布并且在一组平衡检测线圈的角度间隔之间围绕旋转点旋转对称的节段；以及位于由一组平衡检测线圈的一个检测线圈横跨的角度间隔内的节段与位于由一组平衡检测线圈的另一检测线圈横跨的角度间隔内的节段旋转对称。
70.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
71.根据本发明的可选特征，每个角度间隔包括沿着用于第一通信线圈和第二通信线圈中的每一个的不同封闭曲线分布的多个节段。
72.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
73.在一些实施例中，检测线圈的沿不同封闭曲线分布的相邻节段经由检测线圈的相对于旋转点的基本上径向的节段联接。
74.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
75.在一些实施例中，同心闭合曲线是圆。
76.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
77.根据本发明的可选特征，相邻的角度间隔的不同节段沿着同心封闭曲线的不同曲线分布。
78.在许多实施例中，这可提供尤其有利的操作和/或实施方式。
79.根据本发明的另一方面，提供了经由感应式功率传输信号将功率从功率发射器传输到功率接收器的功率发射器的方法，该方法包括：提供发射器线圈，其用于生成用于异物检测的电磁测试场；提供一组平衡检测线圈，其包括两个检测线圈，该两个检测线圈被串联且被布置成使得由电磁测试场在两个检测线圈中感应出的信号相互补偿；提供异物检测器，其与该一组平衡检测线圈联接且被布置成进行异物检测，该异物检测器被布置成响应于来自该一组平衡检测线圈的输出信号的特性符合异物检测准则来检测异物；提供通信天线；以及提供通信器，其与通信天线联接且被布置成经由通信天线与功率接收器通信；其中，通信天线至少包括第一通信线圈和第二通信线圈，第二通信线圈与第一通信线圈并联，通信天线被布置成第一通信线圈的第一节段具有与第一检测线圈耦合的第一电容耦合，第二线圈的第二节段具有与第二检测线圈耦合的第二电容耦合，第一耦合和第二耦合是电容耦合和电感耦合中的至少一种，且第一耦合和第二耦合在输出信号中相互补偿。
80.参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面、特征和优势将变得明显并得以阐明。
附图说明
81.本发明的实施例将仅以示例的方式参考附图进行描述，其中，
82.图1示出了根据本发明的一些实施例的功率传输系统的元件的示例；
83.图2示出了根据本发明的一些实施例的功率发射器的元件的示例；
84.图3示出了用于功率发射器的半桥逆变器的示例；
85.图4示出了用于功率发射器的全桥逆变器的示例；
86.图5示出了用于图1的无线功率传输系统的时间帧的示例；
87.图6示出了根据本发明的一些实施例的用于功率发射器的检测线圈的示例；
88.图7示出了根据本发明的一些实施例的用于功率发射器的电磁场和检测线圈的示例；
89.图8示出了根据本发明的一些实施例的功率传输系统中的线圈的布置结构的示例；
90.图9示出了根据本发明的一些实施例的用于功率发射器的检测线圈的示例；
91.图10至图15示出了根据本发明的一些实施例的用于通信线圈的节段设计的示例；
92.图16示出了根据本发明的一些实施例的通信天线和检测天线的实际实施方式的示例；
93.图17示出了根据本发明的一些实施例的邻近功率发射器线圈的通信天线和检测天线的实际实施方式的示例；以及
94.图18至图19示出了根据本发明的一些实施例用于通信线圈的节段设计的示例。
具体实施方式
95.以下描述集中于适用于利用诸如从qi规范或者无绳厨房规范(cordless kitchen specification)中知晓的功率传输方法的无线功率传输系统的本发明的实施例。然而，应理解的是，本发明不限于这种应用，而是可被应用于许多其他无线功率传输系统。
96.图1示出了根据本发明的一些实施例的功率传输系统的示例。功率传输系统包括功率发射器101，其包括(或被联接到)发射器线圈/电感器103。该系统还包括功率接收器105，其包括(或被联接到)接收器线圈/电感器107。
97.该系统提供可感应地将功率从功率发射器101传输到功率接收器105的电磁功率传输信号。具体地，功率发射器101生成电磁信号，该电磁信号通过发射器线圈或电感器103作为磁通量传播。功率传输信号通常可以具有在大约20khz到大约500khz之间的频率，并且通常对于qi兼容系统来说通常在95khz到205khz的范围内(或者例如对于高功率厨房应用来说，该频率可以例如通常在20khz到80khz之间的范围内)。发射器线圈103与功率接收线圈107松散地耦合，并且因此功率接收线圈107拾取来自功率发射器101的功率传输信号(的至少一部分)。因此，经由从发射器线圈103到功率接收线圈107的无线电感耦合，功率被从功率发射器101传输到功率接收器105。术语功率传输信号主要用于指发射器线圈103与功率接收线圈107之间的感应信号/磁场(磁通量信号)，但是应当理解，通过等效，它也可被考虑和用作对提供给发射器线圈103或被功率接收线圈107拾取的电信号的参考。
98.在示例中，功率接收器105具体是经由接收器线圈107接收功率的功率接收器。然而，在其他实施例中，功率接收器105可包括金属元件，例如金属加热元件，在这种情况下，功率传输信号直接感应出涡电流，从而导致元件的直接加热。
99.该系统被布置成传输相当大的功率水平，并且具体地，在许多实施例中功率发射器可支持超过500mw、1w、5w、50w、100w或500w的功率水平。例如，对于qi对应的应用，对于低功率应用(基本功率曲线)来说功率传输可以通常在1-5w的功率范围内，对于qi规范版本1.2来说功率传输可高达15w，对于更高功率应用(例如，电动工具、笔记本电脑、无人机、机器人等)来说功率传输可在高达100w的范围内，并且对于超高功率应用(例如厨房应用)来说功率传输可超过100w和高达1000w以上。
100.在下文中，将具体参考总体上根据qi规范(除了本文中描述的(或相应的)修改和增强之外)的实施例或者适合于由无线充电联盟(wireless power consortium)开发的更高功率厨房规格的实施例来描述功率发射器101和功率接收器105的操作。具体地，功率发射器101和功率接收器105可以遵循qi规范版本1.0、1.1或1.2(除了本文中描述的(或相应的)修改和增强之外)的要素或基本上与其兼容。
101.在无线功率传输系统中，在功率传输期间存在物体(通常是从功率传输信号中提取功率并且不是功率发射器101或功率接收器105的一部分的导电元件，即对功率传输来说是非预期的、不期望的和/或干扰元件)可能是非常不利的。这种不期望的物体在本领域中被称为异物。
102.异物不仅可以通过给操作增加功率损耗来降低效率，而且还可以降低功率传输操作本身(例如，通过干扰功率传输效率或提取例如不受功率传输回路直接控制的功率)。另外，异物中的电流感应(具体是异物的金属部分中的涡电流)可导致异物的通常非常不期望的加热。
103.为了解决这样的情形，诸如qi或无线厨房规范的无线功率传输系统包括用于异物检测的功能。具体地，功率发射器包括寻求检测是否存在异物的功能。如果是这样，则功率发射器可以例如终止功率传输或减少可被传输的最大功率量。
104.异物检测可以在功率接收器进入功率传输阶段之前(例如在功率传输的初始化期间)或在功率传输阶段期间执行。在功率传输阶段期间的检测通常基于测量的发射功率和接收功率的比较结果，而在功率传输阶段之前发生的检测通常基于反射阻抗的测量，例如通过使用小的测量信号来测量发射器线圈的品质因数。
105.qi规范提出的当前方法基于检测功率损耗(通过比较发射的和报告的接收功率)或检测输出谐振电路的质量q中的劣化。然而，在当前使用中，已经发现这些方法在许多情形下提供次优性能，并且它们可能具体地导致不准确的检测，从而导致错过检测和/或误报(尽管没有这样的物体存在，但是检测到异物)。
106.常规的异物检测倾向于是次优的，部分原因是执行异物检测的具体操作条件和情形中的变化和不确定性，包括功率发射器特性、功率接收器特性、应用的测试条件等中的变化和不确定性。
107.异物检测测试面临的挑战的示例是需要执行足够准确的测量以便实现足够可靠的异物检测。这可导致期望生成尽可能强大的信号以便提高检测准确度。然而，这可增加功率接收器和存在的任何异物中的功耗。检测性能可能对所应用的具体信号水平敏感，并且通常会存在冲突的要求。
108.图1的系统使用一种用于异物检测的方法，其寻求为异物检测提供改进的折中。该方法在许多实施例中可提供改进的异物检测，并且具体地在许多实施例中可提供更准确和/或更可靠的异物检测。该方法还可以允许低复杂性和低资源需求。
109.如将在下文中更详细描述的，该方法在功率传输阶段期间使用时间划分方法，其中：异物检测和功率传输可以例如在分开的时间间隔内执行，从而允许它们之间的干扰(具体是功率传输对异物检测的影响)被显著地降低。
110.在下文中，将更详细地描述图1的系统。在该示例中，电磁功率传输信号和用于异物检测的电磁测试信号由同一线圈生成。此外，信号/场将用不同的术语来指代，即在功率
传输时间间隔期间生成的电磁信号/场将被称为功率传输信号，而在异物检测时间间隔期间生成的电磁信号/场将被称为电磁测试信号，或者只是测试信号。在没有采用功率传输和异物检测之间的时间划分的一些情况下，功率传输信号本身也可被用作电磁测试信号。
111.图2更详细地示出了图1的功率发射器101的元件。
112.功率发射器101包括驱动器201，其可生成驱动信号，该驱动信号被馈送到发射器线圈103，该发射器线圈103继而生成电磁功率传输信号，由此向功率接收器105提供功率传输。在功率传输阶段的功率传输时间间隔期间提供功率传输信号。
113.驱动器201生成被馈送到发射器电感器103的电流和电压。驱动器201通常是逆变器形式的驱动电路，其从dc电压中生成交流信号。驱动器201的输出通常是通过适当地切换开关桥的开关来生成驱动信号的开关桥。图3示出了半桥式开关桥/逆变器。开关s1和s2被控制成使得它们从不在同一时间闭合。替代性地，s1闭合而s2断开，以及s2闭合而s1断开。开关以期望的频率断开和闭合，从而在输出处生成交流信号。通常，逆变器的输出经由谐振电容器被连接到发射器电感器。图4示出了全桥式开关桥/逆变器。开关s1和s2被控制成使得它们从不在同一时间闭合。开关s3和s4被控制成使得它们从不在同一时间闭合。替代性地，开关s1和s4闭合，而s2和s3断开，然后s2和s3闭合，而s1和s4断开，从而在输出处产生方波信号。开关以期望的频率断开和闭合。
114.功率发射器101还包括功率发射器控制器203，其被布置成根据期望的操作原理来控制功率发射器101的操作。具体地，功率发射器101可包括根据qi规范或无绳厨房规范来执行功率控制所需的许多功能。
115.功率发射器控制器203具体地被布置成控制由驱动器201进行的驱动信号的生成，并且其可以具体地控制驱动信号的功率水平，并且因此控制所生成的功率传输信号的水平。功率发射器控制器203包括功率回路控制器，其响应于在功率控制阶段期间从功率接收器105接收到的功率控制消息来控制功率传输信号的功率水平。
116.图1的系统使用一种用于异物检测的方法，其寻求调整操作以便为异物检测提供的改进的折中。该方法在许多实施例中可提供改进的异物检测，并且具体地在许多实施例中可提供更准确和/或更可靠的异物检测。该方法还可允许低复杂性和低资源需求。
117.在该示例中，驱动器201和发射器线圈103被布置成生成用于将功率传输到功率接收器的目的的电磁功率传输信号和用于异物检测的电磁测试信号两者。在不采用时间划分的系统中，功率传输信号也可被用作电磁测试信号或场。
118.然而，在该示例中，功率发射器可在功率传输阶段期间采用驱动信号的重复时间帧，其中时间帧包括至少一个功率传输时间间隔和一个异物检测时间间隔。这样的重复时间帧的示例如图5中所示，其中功率传输时间间隔由pt指示，并且异物检测时间间隔由d指示。在该示例中，每个时间帧frm仅包括一个异物检测时间间隔和一个功率传输时间间隔，并且这些(以及时间帧本身)在每一帧中具有相同的持续时间。然而，应当理解，在其他实施例中，其他时间间隔也可被包括在时间帧中(例如，通信间隔)，或者多个异物检测时间间隔和/或功率传输时间间隔可被包括在每个时间帧中。此外，在一些实施例中，不同时间间隔(以及实际上时间帧本身)的持续时间可以动态地变化。在一些实施例中，该系统可以不采用重复时间帧，且可以不应用异物检测时间间隔或功率传输间隔。在一些这样的实施例中，异物检测可以与功率传输和/或通信同时进行。
119.然而，在下面描述的该方法中，异物检测和功率传输在时域中是分开的，从而导致从功率传输到异物检测的交叉干扰减少。因此，由于用于功率传输的操作条件的变化导致的变化性和不确定性可以与异物检测隔离，从而导致更可靠和更准确的异物检测。
120.在功率传输阶段中，功率发射器因此被布置成在时间帧的功率传输时间间隔期间执行功率传输。具体地，在这些时间间隔期间，功率发射器101和功率接收器105可以操作功率控制回路(功率控制回路可以基于功率传输时间间隔内的通信或者可以例如基于功率传输时间间隔之外的通信，例如，在专用通信时间间隔内，该专用通信时间间隔可与异物检测时间间隔重叠或相同)。因此，正在传输的功率水平可以动态地变化。在功率传输阶段的时间帧的异物检测时间间隔中，驱动信号的至少一个参数以及电磁测试信号的至少一个参数通常被设置为预定值，或者例如在异物检测时间间隔之前执行的调整操作期间确定的值。因此，在异物检测时间间隔中，可以将参数设置为预定值(即，在异物检测时间间隔之前被确定，并且通常在功率传输阶段之前被确定)。相比之下，在功率传输时间间隔期间，参数可以不被限制于该预定值。
121.例如，在功率传输时间间隔期间，该系统可操作功率控制回路，该功率控制回路允许功率传输信号的功率水平响应于来自功率接收器的功率控制消息而被改变。功率控制回路可控制/改变驱动信号/功率传输信号的电流、电压和频率中的至少一个。相比之下，在异物检测时间间隔期间，在功率传输时间间隔期间被功率控制回路改变的参数可被设置为在功率传输阶段之前确定的电流、电压和/或频率的预定值。
122.在许多实施例中，在异物检测时间间隔期间设置驱动信号的恒定的(通常较低的)幅值(通常是电压)。另外或替代性地，可以在异物检测时间间隔期间为驱动信号设置预定频率，并且这通常可以显著高于在功率传输时间间隔期间的驱动信号。
123.结果，在时间划分方法中在功率传输时间间隔期间生成的电磁信号(功率传输信号)通常具有与在异物检测时间间隔期间生成的电磁信号(电磁测试信号)显著不同的特性。在功率传输时间间隔期间生成的电磁信号或场将被称为功率传输信号，而在异物检测时间间隔期间生成的电磁信号或场将被称为电磁测试信号，或者只是测试信号。然而，应当理解，在图2的系统中，在功率传输时间间隔和异物检测时间间隔两者中电磁信号都从相同的线圈生成，并且实际上相同的驱动器等被用于功率传输时间间隔和异物检测时间间隔两者。实际上，在许多实施例中，对测试信号的引用可被认为等同于异物检测时间间隔期间的功率传输信号。在其他实施例中，功率传输信号和电磁测试信号可由不同的电路和/或不同的线圈生成。
124.功率发射器101包括异物检测器205，其被布置成执行异物检测测试，即具体地检测在所生成的电磁场中是否可能存在任何不期望的导电元件。
125.在执行异物检测的间隔期间，即在异物检测时间间隔期间，异物检测器205因此评估条件以确定是否认为异物存在。在异物检测时间间隔期间，功率发射器101生成电磁测试信号并且异物检测基于评估该信号的特征和特性。
126.在该系统中，异物检测基于检测由电磁测试信号在一组平衡检测线圈中感应出的信号，该一组平衡检测线圈包括至少两个检测线圈207、209，该至少两个检测线圈被布置成使得它们在存在均匀磁场以及(/或)由发射器线圈103生成的电磁场(例如具体地电磁测试信号)的情况下彼此负偏移。具体地，功率发射器包括第一检测线圈207和第二检测线圈
209，它们被联接成使得由发射器线圈生成的电磁场(至少部分地)相互补偿。
127.因此，由发射器线圈103生成的电磁场将在第一检测线圈207中感应出信号，并将在第二检测线圈209中感应出信号。然而，感应电压将具有相反的极性，使得由于发射器线圈103生成的电磁场产生的检测线圈207、209的串联的电压(幅值)低于由于发射器线圈103生成的电磁场产生的单个检测线圈207、209中的至少最大的并且通常任一个的电压(幅值)。因此，第一检测线圈207和第二检测线圈209被联接成使得来自由发射器线圈103生成的电磁场的感应电压至少部分地相互抵消。因此，两个信号的补偿可导致组合信号的信号幅值降低，且具体地导致至少部分补偿。
128.检测线圈可被布置成使得在均匀电磁场(或由发射器线圈103生成的电磁场)存在的情况下，来自两个检测线圈的组合信号(通常是电压信号)的幅值小于检测线圈的各个信号中的每一个的幅值。在许多实施例中，两个检测线圈的串联上的电压小于具有最大电压幅值的检测线圈上的电压幅值。
129.检测线圈具体地被布置成对应于至少两个绕组/线圈，在该至少两个绕组/线圈中，当不存在异物时由电磁测试信号生成相反的信号。因此，相反的信号可以至少部分地相互抵消，并且因此在检测线圈207、209的串联上测量的感应信号的水平将被降低，并且潜在地基本上被抵消。这可允许将大大增加的磁场强度用于异物检测。实际上，在许多实施例和情形中，所产生的感应电压可(理想地)仅由于绕组之间的磁通量的差异而产生。绕组之间的这种差异或不对称可以是由异物引起的，并且因此在许多情形中可以更准确地测量异物对磁场(以及感应信号)的效应。
130.图6中示出了检测线圈布置结构的示例。在该示例中，第一检测线圈207被形成为第一绕组l1并且第二检测线圈209被形成为(反)串联的第二绕组l2，使得对于均匀电磁场来说两个绕组的组合电压相互偏移。在该示例中，检测线圈207、209/绕组l1、l2相对且对称地围绕中心点定位。它们被进一步形成在平面内，并且发射器线圈103还被形成在同一平面(或至少一个基本平行的平面)内。在该示例中，检测线圈被形成在发射线圈的内部。此外，检测线圈被形成为具有基本上相同的轮廓并且覆盖基本上相同的区域。
131.结果，通过两个检测线圈的电磁通量基本上相同但沿着相对于检测线圈中的电流方向相反的方向。结果，两个检测线圈207、209中的感应电压基本上相同但具有相反的相位/极性，并且两个串联的检测线圈213上的组合电压被抵消到基本上为零。
132.检测线圈207、209可被布置成使得在存在均匀场的情况下，和/或在存在例如由发射器线圈103生成的电磁测试场且不存在其他物体的情况下，感应信号/电压至少部分地相互抵消/补偿，在理想情况下导致产生为零的组合电压。
133.图2和图6的布置结构使得两个检测线圈中的第一个的感应信号具有与两个检测线圈中的第二个的感应信号相反的电压。对于均匀场来说，两个检测线圈的感应信号具有相反的相位。两个检测线圈中的感应信号具有相反的相位。两个检测线圈被串联且相位相反，使得感应信号具有相反的极性。对于均匀场和由发射器线圈103生成的未失真场来说这些特性存在。对于非均匀场，抵消可能只是部分的。
134.然而，在存在金属异物的情况下，磁场通常将会失真，从而导致两个检测线圈207、209的场之间的不对称。通常，对于金属异物，生成的电磁测试信号将感应出涡电流，这导致异物生成电磁场，使得组合电磁场相对于所生成的电磁测试信号的场失真。如图7所示，产
生的不对称场将导致在第一检测线圈207和第二检测线圈209中感应出不同的信号。因此，与不存在异物并且通过两个检测线圈207、209的通量是对称的而导致产生基本上为零的组合电压的情况相比，异物的存在导致产生不对称性并因此导致所产生的电压。两个检测线圈207、209的感应信号中的这种差异可被用于检测异物的存在。
135.在理想的理论情况下，由发射器线圈103生成的电磁场在平衡检测线圈207、209中可能是完全均匀和相同的，类似地，平衡检测线圈207、209也是完全相同/对称的。在这种情况下，在两个平衡检测线圈207、209中感应出的信号完全相同，并将完全相互补偿，从而导致在没有任何异物或环境中的任何其他不对称性的情况下，来自一组平衡检测线圈的组合信号正好为零。
136.然而，应理解的是，在实践中，这种情形是非常不可能的。通常，即使该系统被实施为寻求在检测线圈中提供尽可能均匀的场，由生成的场、电磁环境和/或检测线圈(或发射器线圈103)的物理特性中的变化所导致的各种不对称性也可能导致在单个检测线圈中生成的信号有些变化，并且导致在检测线圈中感应出的信号不能完全相互补偿。在这种情况下，来自一组平衡检测线圈的组合输出可能不正好为零。然而，虽然这可能会降低异物检测的灵敏度，甚至在一些情况下可能会阻止小的异物被准确地检测到，但这种方法仍然可以提供大幅改善的性能，例如与使用单个检测线圈相比。一组检测线圈中的相应检测线圈之间的部分补偿可以提供更准确的可被用于异物检测的信号。实际上，通常，检测线圈之间的任何补偿都会倾向于提供改善的异物检测。
137.因此，只要检测线圈被布置成使得由电磁测试场(由发射器线圈103生成)在两个检测线圈中感应出的信号相互补偿，就可以实现改进的异物检测。
138.实际上，在一些实施例中，甚至可以使用强大的非均匀的电磁测试场，例如，导致平衡检测线圈之间的补偿只是部分的，并生成相对较高的组合(同时仍被补偿)信号。例如，这可能是由于设置中的不对称特性(例如检测线圈中的差异、发射器线圈103的不对称性、电磁环境中的不对称性，例如由该系统的金属元件或部件引起的)，这些特性不能被消除或需要用于其他目的。在这种情况下，补偿可以被去除，但仍能提供改善的性能。
139.实际上，在一些实施例中，甚至可以生成随时间变化的场，且在可能的情况下甚至生成非均匀的场。在这种情形下，变化的非均匀场将导致仅被部分补偿的随时间变化的组合信号。然而，取决于是否有异物存在，由部分补偿产生的组合信号仍将是不同的，这可被异物检测器205用来进行异物检测。
140.例如，对于由发射器线圈103生成的给定的随时间变化且非均匀的场，可以确定在没有异物的情况下的组合(部分)补偿的输出信号。在一些实施例中，这种确定可以在制造期间进行，例如基于分析或模拟。在其他实施例中，可以例如在功率传输初始化期间执行的校准过程中并且例如响应于用户确认没有异物存在而被确定。随后，当进行异物检测测试并生成随时间变化且非均匀的测试电磁场时，来自平衡检测线圈的所产生的组合信号可与存储的/预期的结果进行比较。如果差值超过给定的数量(与任何合适的比较和差值度量有关)，就可以确定有异物存在，否则就可以确定没有。例如，测量的组合信号可以与预期的组合信号相关联，且如果相关性低于阈值，就可以检测到有异物存在。
141.对于非随时间变化的信号，可以将来自一组平衡检测线圈的组合信号(如电压)(通常在一些平均或低通滤波后)与预期的信号水平进行简单比较，且如果差值超过阈值，
就可以认为检测到了异物。在许多实施例中，如果测量到的组合信号超过预期水平给定的量，或者测量到的组合信号低于预期水平给定的量，就可以认为检测到了异物。
142.在一些实施例中，用于检测异物的决策准则因此可以基于具体的偏好和要求进行调整，并且可以例如被调整以反映所生成的电磁场、环境、检测线圈和/或发射器线圈中的变化。因此，操作可适于各个实施例的具体条件、要求和偏好。
143.在一些实施例中，功率发射器可包括校准器，该校准器被布置成针对感应信号中的不对称性对该系统进行校准。例如，作为功率传输初始化的一部分，或例如在功率传输期间定期地，该系统可以执行校准。例如，功率发射器可以要求用户输入，从而允许用户确认没有异物存在。然后它可以进行到测量当前的组合信号水平，且它可以生成个等于相反值的校准值。然后，通过将校准值加到组合信号上(即从异物检测测试期间测量的值中减去校准期间测量的值)，可以生成修正的检测值，并且检测可以基于修正的值。对于随时间变化的电磁场，校准值可以是随时间变化的。在这样的示例中，可以使用基于修正的值的简单静态异物检测评估，例如，如果修正的信号的绝对值超过阈值，则检测到异物。
144.因此，尽管该方法可以从生成的均匀场中受益，并且在许多实施例中，该系统可以寻求使均匀场尽可能地均匀，并且在可能的情况尽可能地恒定，但这决不是必要或必须的特征。实际上，在许多实施例中，可以通过有意产生非均匀的场和/或随时间变化的场来实现预期的性能。
145.在图2的系统中，成对的检测线圈207、209的组合电压不被直接测量并且被用于执行异物检测。然而，在其它实施例中，检测线圈例如可以与测量变压器串联，使得通过检测线圈207、209的电流也流过测量变压器211的初级绕组。因此，检测线圈207、209和初级绕组可以是串联电路的一部分，在检测线圈207、209中感应出的电流流过该串联电路。异物检测器205可被联接到测量变压器的次级，且例如在测量变压器的次级电压超过阈值时检测到异物。
146.应注意的是，变压器的初级绕组是从源提取功率/能量的绕组，并且次级绕组是将能量输送到负载的绕组，即能量被从初级绕组传输到次级绕组。
147.该电路可包括其他部件和元件，但在具体示例中，检测线圈207、209之间的联接是低欧姆的。在大多数实施例中，检测线圈207、209之间的联接的组合电阻小于100欧姆，并且在许多实施例中小于50欧姆、10欧姆、5欧姆，或者在许多实施例中甚至小于1欧姆。在许多实施例中，测量变压器的初级绕组可被直接联接到检测线圈207、209。
148.在这样的示例中，测量变压器可被实现为电流互感器而不是电压互感器。具体地，测量变压器可被布置成具有次级绕组的匝数显著高于初级绕组的匝数的绕组比。在许多实施例中，次级绕组的匝数不小于初级绕组的匝数的10、20、50或100倍。
149.在所述的系统中，异物检测器205被布置成在异物检测时间间隔期间基于来自平衡检测线圈(在可能的情况下经由测量变压器接收)的信号的特性来执行异物检测。如果信号符合合适的异物检测准则，则确定存在异物，如果不满足，则确定不存在异物。具体的异物检测准则将取决于各个实施例的具体偏好和要求。在许多实施例中，可能要求来自平衡检测线圈的信号幅值高于阈值，例如可能要求平衡检测线圈的输出的电压和/或电流的幅值高于阈值。平衡检测线圈的输出可以具体为由各个检测线圈/绕组形成的串联上的电压。
150.在许多功率传输系统中，为了实现高效和可靠的运行，在功率接收器和功率发射
器之间采用了大量通信。在图2的系统中，功率发射器和功率接收器之间的部分或全部通信是使用专用通信系统/方法进行的。因此，在该系统中，不是对功率传输信号进行调制，而是至少一些通信是通过使用单独的通信载体进行的，且在该示例中，通信载体是使用专用通信天线来传输的。
151.在所述的示例中，功率发射器101包括通信器211，其被联接到功率发射器控制器203和通信天线213。因此，通信器211被布置成用于向/从功率接收器105发送和/或接收数据。通信器211可以使用专用的通信系统/标准进行通信，具体地如nfc通信系统。通信器211可被布置成生成或接收通信载体，并对其进行调制/解调，这将是技术人员已知的。
152.许多无线功率传输系统面临的挑战是，如何在相同的设备中实现不同的功能且不引入负面的交叉效应和干扰。具体的挑战是不同天线和线圈的存在，因为天线对电磁场的影响将会影响所有的操作。具体地，异物检测往往非常灵敏的，并基于非常精细的测量。具体地，虽然使用平衡检测线圈可允许改进的检测，但也使操作依赖于检测线圈和通过这些线圈的电磁场的准确且有效的平衡。
153.这些问题通常因希望以小而紧凑的结构来实施天线而被进一步恶化。具体地，由于实际实施的原因，通常优选将异物检测线圈和通信天线实施为靠在一起，例如，作为同一印刷电路板的不同层。
154.图8示出了用于功率发射器和功率接收器的天线/线圈的实际布置结构的示例。该图显示了分别是功率发射器101和功率接收器105的发射器线圈103和接收器线圈107的横截面，其中这些装置被定位在用于功率传输的(最佳的)配置中。在该示例中，功率接收器105被定位在功率发射器101的顶部上。
155.功率发射器101包括生成功率传输信号的发射器功率传输线圈103。在图8的示例中，发射器功率传输线圈103通过两个区域示出，这两个区域反映了包括绕组的区域的横截面且反映出中心区域没有绕组。
156.在该示例中，呈平衡检测线圈207、209的形式的异物检测天线被定位在发射器功率传输线圈103的顶部上，朝向功率接收器105。发射器功率传输线圈103和异物检测天线207被围绕中心轴线801分布。
157.在该示例中，通信天线213被进一步分布在与异物检测线圈基本上相同的平面内。例如，异物检测线圈207、209和通信天线213可被设置在同一印刷电路板(pcb)的不同层上。
158.类似地，功率接收器105包括用于接收功率传输信号的接收器功率传输线圈107。在图8的示例中，接收器功率传输线圈107通过两个区域示出，这两个区域反映了包括绕组的区域的横截面且反映出中心区域没有绕组。
159.在具体示例中接收器功率传输线圈107是同轴的，并围绕与功率发射器101相同的中心轴线801对称分布(反映出功率接收器105在功率发射器101上的最佳定位)。
160.功率接收器105还包括功率接收器通信天线803，其被布置成支持功率发射器101和功率接收器105之间的通信，并且具体地被联接到功率发射器101的通信天线213。
161.尽管图8示出了这样的示例，即，在该示例中功率接收器相对于功率发射器被最佳地放置，使得中心轴线801对于功率发射器和功率接收器的线圈布置结构来说是共同的，但应理解的是，功率接收器通常会被放置得有些错位，且中心轴线801对于功率接收器和功率发射器来说不会完全对齐。
162.图8的布置结构可具体地用于无绳厨房电器，两个大的功率传输线圈103、107被用来从发射器向接收器传输功率。异物检测天线207被放置在功率传输线圈103、107之间。
163.这种布置结构可以在功率传输线圈103、107之间提供非常好的耦合以及良好的异物检测，因为异物检测天线207被定位成靠近功率接收器和功率发射器之间的区域。它还可以提供有效的通信性能，因为通信天线可被定位成非常靠近且具有较强的耦合。
164.这种系统的问题是，天线可能相互作用/影响/干扰。在图8的示例中，功率传输线圈103、107可以使用磁屏蔽元件805、807(其被构造成使得磁屏蔽对功率传输信号来说是不重要的(例如，由于电磁场强度或频率的差异))对通信天线203、803和异物检测线圈207、209进行电磁屏蔽。然而，检测线圈207、209与通信天线213的非常接近导致它们之间的潜在干扰，尤其是通信天线213的接近可能影响高度灵敏的异物检测。
165.具体地，在异物检测时间间隔期间，发射器线圈103可生成限定的测试信号(具有已知的线圈电流和所产生的磁场)，该测试信号被检测线圈207、209拾取。检测线圈可检测由异物产生的发射器线圈103的磁场中的变化。检测线圈的定位和设计以及整个磁环境是非常重要的，因为该系统非常灵敏。
166.在图8的方法中，通信天线213被定位在与异物检测线圈(基本上)相同的平面内，且因此它们非常接近，且在尺寸上也通常相似。
167.尽管已经提出通过使用平衡检测线圈(如图6的线圈)来改进异物检测，但本发明人已认识到，即使对于这样的方法，实质性的问题是，相对接近的通信天线的存在倾向于降低性能，且使异物检测更加困难。这个问题在许多实际实施方式中被加重，因为通常希望能够将通信天线和异物检测线圈定位成彼此非常靠近。本发明人还认识到，通过配置通信天线，使得通信天线的存在在不同的平衡检测线圈上至少部分地得到平衡，可以减少这种影响。
168.改进的性能通常可以通过使用这样的通信天线来实现，即，该通信天线包括并联的两个通信线圈，其中两个线圈被布置成使其与两个不同的检测线圈耦合，使得从一个通信线圈到一个检测线圈的耦合在平衡检测线圈的输出中至少部分地被从另一通信线圈到另一检测线圈的耦合补偿。具体地，通信天线被布置成第一通信线圈的第一节段具有与平衡检测线圈的第一检测线圈耦合的第一耦合，第二通信线圈的第二节段具有与平衡检测线圈的第二检测线圈耦合的第二耦合。此外，该布置结构使得第一耦合和第二耦合在输出信号中相互补偿。
169.所述耦合可以是电感耦合和/或电容耦合。
170.在一些实施例中，第一检测线圈和第一通信线圈的第一节段之间的电容耦合的影响将在平衡检测线圈的输出信号中被第二检测线圈和第二通信线圈的第二节段之间的电容耦合的影响补偿/减少。
171.在一些实施例中，第一检测线圈和第一通信线圈的第一节段之间的电感耦合的影响将在平衡检测线圈的输出信号中被第二检测线圈和第二通信线圈的第二节段之间的电感耦合的影响补偿/减少。
172.在许多实施例中，所述耦合可以是电感耦合和电容耦合两者。
173.在一些实施例中，第一检测线圈和第一通信线圈的第一节段之间的电感耦合和电容耦合的影响将在平衡检测线圈的输出信号中被第二检测线圈和第二通信线圈的第二节
段之间的电感耦合和电容耦合的影响补偿/减少/至少部分地抵消。
174.通过第二耦合对第一耦合进行补偿可以使得输出信号(来自该一组平衡线圈)中的由于第一耦合产生的信号分量被输出信号中的由于第二耦合产生的信号分量减少。因此，通过第一耦合在第一检测线圈中感应出的信号分量可以被通过第二耦合在第二检测线圈中感应出的信号分量减少。在两个检测线圈串联的情况下，例如在图6的示例中，由于耦合产生的电压或电流贡献/失真/信号分量在相位上可以是相反的，并且可加起来得到组合值/总幅值，其低于单个贡献/失真/信号分量的最大幅值。实际上，在许多实施例和情形下，贡献完全相互抵消是可行的。
175.因此，该方法可以使用两个并联的通信线圈与两个检测线圈对称地耦合，使得来自不同耦合的耦合效应/信号分量在组合输出信号中(部分地或全部)相互补偿。
176.在许多实施例中，第一通信线圈相对于第一检测线圈的空间布置的空间布置与第二通信线圈相对于第二检测线圈的空间布置的空间布置相对应/对称。
177.在许多实施例中，第一通信线圈的空间布置可以与第二通信线圈的空间布置相同。例如，第一通信线圈可以只使用平移、旋转和镜像变换来变换为第二通信线圈。类似地，第一检测线圈的空间布置与第二检测线圈的空间布置相同。例如，第一检测线圈可以只使用平移、旋转和镜像变换来变换为第二检测线圈。此外，第一通信线圈相对于第一检测线圈的位置/取向对应于第一通信线圈相对于第二检测线圈的位置/取向。
178.在许多实施例中，第一通信线圈和第一检测线圈之间的空间关系因此对应于第二通信线圈和第二检测线圈之间的空间关系。空间关系可以是相同的，且在许多实施例中，空间关系可以是第一检测线圈和第一通信线圈的组合空间配置可以通过仅包括平移、旋转和镜像变换的(几何/空间)变换而变换为第二检测线圈和第二通信线圈的组合空间配置。
179.在许多实施例中，第一通信线圈和第一检测线圈之间的电感耦合与第二通信线圈和第二检测线圈之间的电感耦合(至少部分地)平衡。
180.在许多实施例中，通信天线被布置成使得由第一通信线圈中的电流在第一检测线圈中感应出的第一信号分量在输出信号中被由第二通信线圈中的电流在第二检测线圈中感应出的第二信号分量补偿。
181.因此，两对检测线圈和通信线圈的布置结构可以是这样的，即相对的电流方向导致两个检测线圈中的组合感应信号的减少，而且感应电流可以彼此不同相，且具体地可具有相反的相位。这可以通过第一通信线圈中的相对于第一检测线圈中的电流方向的电流方向与第二通信线圈中的相对于第二检测线圈中的电流方向的电流方向相反来实现。电流方向不必反映实际电流，但反映导线的名义方向，使得沿该方向流动的电流被认为是正电流，而沿相反方向流动的电流被认为是负电流。
182.在许多实施例中，相对空间布置可以基本上相同，但电流方向是相反的方向。
183.在许多实施例中，第一通信线圈和第一检测线圈之间的电容耦合与第二通信线圈和第二检测线圈之间的电容耦合(至少部分地)平衡。除了空间布置外，通信天线213可被布置成使得通信线圈上的电压电位和电压分布相对于检测线圈而言是相应的和对称的。
184.在一些实施例中，第一通信线圈的一节段的电压电位与第二通信线圈的第二节段的电压电位相匹配并基本相同，其中这两个节段分别相对于第一检测线圈和第二检测线圈具有相同的空间关系。
185.在许多实施例中，第一通信线圈中的相对于第一检测线圈的电压分布与第二通信线圈中的相对于第二检测线圈的电压分布是对称的。在这种情形下，如果空间关系基本上相同，则第一检测线圈和通信线圈对之间的电容耦合将与第二检测线圈和通信线圈对之间的电容耦合基本上相同。
186.在许多实施例中，第一通信线圈和第二通信线圈基本上是相同的并直接并联，从而导致通信线圈上的电压分布基本上相同。因此，两个通信线圈的与公共连接点有相同距离(沿着线圈导线)的节段可具有相同的电压电位(或电位分布/延伸节段的平均电压电位)。
187.此外，在第一检测线圈和第二检测线圈基本上相同，并且通信线圈相对于相应的检测线圈被相同/对称地定位的情况下，检测线圈可经历与并联的通信线圈相同的有效电容耦合，从而导致来自电容耦合的影响和信号分量在平衡检测线圈的组合输出中基本上抵消。
188.应理解的是，虽然在大多数情形下，完全抵消耦合的影响是优选的，但效应的部分抵消/补偿/减少通常也是有益的。
189.在许多实施例中，通信天线，具体是通信线圈，可被布置成使得电感耦合和电容耦合得到缓解和补偿。具体地，在许多实施例中，通信线圈可被布置成包括更多、一些或甚至所有上述的与空间布置、线圈中的电流和线圈中的电压分布有关的考虑因素。
190.在一些实施例中，上述的空间限制和特性可以延伸到作为整体的通信线圈，即延伸到通信线圈的整个长度/范围。在其他实施例中，该关系可以只受限于通信线圈的一个或多个节段，例如只限于通信线圈的与相应的检测线圈重叠的节段。例如，第一通信线圈和第一检测线圈之间的所述关系可以(具体地/仅)适用于第一通信线圈的与第一检测线圈重叠(例如，在与第一检测线圈的平面垂直的方向上)的节段。类似地，第二通信线圈和第二检测线圈之间的所述关系可以(具体地/仅)适用于第二通信线圈的与第二检测线圈重叠(例如，在与第二检测线圈的平面垂直的方向上)的节段。
191.因此，该方法可使用平衡检测线圈以及包括多个并联的通信线圈的通信天线，以减少异物检测线圈和通信天线之间耦合的影响和效应。在许多实施例中，该方法可允许异物检测得到显著的改善，并可提供改进的实施方式。例如，通常可以减少对线圈的物理位置的限制，且可例如允许异物检测线圈和通信天线被定位成非常接近。
192.应注意的是，耦合和所产生的干扰通常只是由于在物理上通信天线的存在接近异物检测线圈而引起的，因此不能通过在不同的时间间隔内操作异物检测和通信来消除，即通过使用时间划分方法。然而，即使没有采用时间划分，所描述的方法也可减轻耦合。
193.在所述的示例中，异物检测天线使用两个(或更多个)平衡检测线圈，且这些线圈与通信天线电容/电感耦合。对于使用单个线圈的常规通信天线，电感耦合可引入不对称性。此外，即使减少或甚至完全消除电感不对称性，通信天线上的变化的电压分布将意味着平衡检测线圈将与具有不同电压的天线节段电容耦合，从而导致产生不对称的电容耦合。通常，异物检测线圈是经过精心设计的，以实现非常准确和灵敏的检测，因此它受到显著的设计限制。然而，通过使用多个并联的通信线圈，这些线圈可被设计成不仅表现出对称的电感耦合，而且提供相对于检测线圈的更对称的电压分布，因此表现出更对称的电容耦合。在许多实施例中，这可允许异物检测得到很大改善。
194.在许多实施例中，异物检测线圈和通信天线/线圈可以是平面天线/线圈。
195.具体地，一组平衡检测线圈通常被形成在第一平面内，且通信线圈是被形成在第二平面内的平面线圈，其中第一平面和第二平面基本上平行。在大多数实施例中，平面之间的角度可不大于10
°
、5
°
、3
°
或1
°
。
196.在许多实施例中，天线/线圈可被实施为印刷电路板(pcb)上的层，且实际上，在许多实施例中，异物检测线圈和通信天线可以在同一pcb的不同层内实现。
197.图6示出了被实现为单个平面内的平面线圈的一组平衡检测线圈的示例。这些线圈可以在pcb的层内实现。
198.在其他实施例中，可以使用多组平衡检测线圈，并且异物检测可被布置成基于来自这些组平衡检测线圈中的一组或多组的输出信号来执行异物检测。图9示出了三组平衡检测线圈的平面布置结构的示例，其中每组平衡检测线圈包括彼此相对布置的两个检测线圈。
199.在图9示例中，功率发射器可被生成以包括三组平衡检测线圈，每组包括两个检测线圈。在该示例中，异物检测可测量来自三个平衡检测线圈对中的每一个的输出信号并且使用这些来执行异物检测。使用的确切准则将取决于各个实施例的偏好和要求。作为低复杂性的示例，如果这些组平衡检测线圈中的至少一组生成超过给定阈值的信号，则可以确定检测到异物。在一些实施例中，可以评估和比较不同的信号，例如以生成用于检测异物的位置估计。
200.空间检测线圈中的每一个横跨或涵盖其中形成线圈的平面的一个区域。在该示例中，每个检测线圈具有基本上圆扇形的轮廓，因此横跨一个圆扇形区域。应理解的是，在其他实施例中，轮廓和形状可以是不同的。例如，外部扇区可以是线型的，而不是弯曲的/圆形的(例如，形状可以是三角形)。作为另一示例，在一些实施例中，检测线圈的轮廓可以基本上是矩形的。
201.在该示例中，一组平衡检测线圈中的检测线圈是围绕旋转点旋转对称的。实际上，在该示例中，不同组平衡检测线圈中的检测线圈是旋转对称的。在许多实施例中，如图6和图9中的那些，一个检测线圈因此横跨一定的角度间隔，不同的检测线圈207、209从旋转点横跨不同的、不重叠的角度间隔。在该示例中，另外，检测线圈围绕从旋转点以作为检测线圈所覆盖的角度间隔的中点的角度延伸的中心径向线镜像对称。
202.在具体示例中，对于一组平衡的检测线圈来说，因此存在检测线圈之间的高度对称，且实际上存在来自不同组平衡检测线圈的检测线圈之间的高度对称。
203.并联的两个通信线圈可被设计成相对于检测线圈具有相应的对称性，使得通信线圈中的一个和检测线圈中的一个之间的耦合的影响至少部分地被另一通信线圈和平衡检测线圈中的另一个检测线圈之间的相应耦合补偿。
204.在许多实施例中，通信线圈可被布置成具有如同检测线圈的对称性。具体地，第一通信线圈和第一检测线圈的布置结构可被变换为与第二通信线圈和第二检测线圈相匹配。在该示例中，通信线圈可以围绕检测线圈围绕其旋转对称的同一旋转点旋转对称。发生对称的旋转也可以是相同的，即如果旋转角度x可以将第一检测线圈变换为第二检测线圈，那么旋转相同的角度x也会将第一通信线圈变换为第二通信线圈。在一些实施例中，变换可以具体地限于只包括旋转、平移和镜像变换或对称。
205.在通信天线和异物检测线圈被形成在两个平行平面内(这两个平面可以彼此非常接近)的实施例中，对称性通常可被视为二维对称性。线圈可以具体地相互重叠。
206.布置结构的空间考虑因素可以通过考虑通信线圈在异物检测线圈(的平面)上的投影来进行考虑，且具体地，该投影是沿着与其中形成异物检测线圈和/或通信线圈的平面垂直的方向的垂直或正交投影。应注意的是，在实践中，与线圈和天线的尺寸相比，平面之间的距离通常非常小，且投影倾向于是微不足道的，且实际上线圈基本上可被认为是被形成在同一平面内。
207.检测线圈横跨(涵盖/描画/环绕)在其中形成检测线圈的平面内的区域。在许多情况下，通信线圈将是这样的，即通信线圈与这些区域重叠，因此垂直投影落在所横跨的区域内。前面描述的耦合考虑因素可具体应用于在给定横跨区域内的通信线圈的节段和横跨该区域的检测线圈之间。在许多区域内，通信线圈可被布置成使得第一通信线圈在被一组平衡检测线圈中的第一检测线圈横跨的区域内的投影节段与第二通信线圈在被该一组平衡检测线圈中的第二检测线圈横跨的区域内的投影节段相同。这对于平面线圈布置结构来说，通常将导致在来自一组平衡检测线圈的组合信号中将被抵消的匹配耦合效应。
208.因此，在许多实施例中，第一检测线圈在第一平面内横跨第一区域，第二检测线圈在同一平面内横跨第二区域，且通信线圈被布置成使得第一通信线圈的节段在第一平面上的正交/垂直投影相对于第一区域的空间关系与第二通信线圈的节段在第一平面上的正交/垂直投影相对于第二区域的空间关系相同。具体地，第一通信线圈在第一区域上的正交/垂直投影可以与第二通信线圈在第二区域上的正交/垂直投影相匹配。
209.在下文中，将描述符合上述大部分或全部考虑因素的一对通信线圈的具体实施方式的示例。该示例将参考图10至图15进行描述。该具体设计的优点是可以在很少的层中实现，且具体地，在许多实施例中可以只在两层中实现，例如印刷电路板的不同层。
210.该设计是基于沿着围绕旋转点的同心曲线分布通信线圈的节段。图10示出了一组同心圆，其可被用作通信线圈的配置的下层模板或网格。虽然该示例示出了一组等距的同心圆，但应理解的是，在其他实施例中可以使用其他的封闭曲线和这些曲线之间的其他距离。然而，在许多设计中，封闭曲线可以围绕旋转点旋转对称，以便以对应于两个检测线圈之间的角度的角度旋转。在许多实施例中，封闭曲线可具有与检测线圈相同的旋转对称性。因此，对于导致产生相同的检测线圈配置的旋转角度，封闭曲线的旋转也将导致产生相同的配置。
211.将描述适合于图9的检测线圈的通信线圈的设计，图10通过从中心旋转点的径向线示出了六个检测线圈中的每一个的角度部分的轮廓。
212.第一通信线圈的形成可以通过考虑一系列的步骤来示出。首先，如图11所示，一组节段可沿曲线分布。在该示例中，通信线圈在对应于检测线圈的每个角度间隔内沿着封闭曲线中的一个。因此，在该示例中，第一通信线圈包括对应于该角度间隔的节段，每个节段都沿着同心圆曲线中的一个。对于同心圆，每个节段是圆的节段。
213.此外，在该示例中，相邻角度间隔内的节段沿着不同的同心曲线，因此当从一个角度间隔过渡到另一角度间隔时(因此从一个检测线圈过渡到另一个)，该线圈也从一个同心曲线过渡到另一个。从一个同心曲线到另一个的过渡在许多示例中是由与旋转点成径向的节段形成的。在该示例中，沿外侧的封闭曲线分布的第一节段经由过渡节段与沿着相邻的
封闭曲线分布的第二节段相连，该过渡节段与旋转点成径向，并沿着两个检测线圈的边界。类似地，第二节段经由另一径向互连的过渡节段与沿着下一个内部封闭曲线的第三节段相连。
214.图11示出了四个部分圆形节段，对应于沿着四个同心圆分布的四个检测线圈区域。然后，如图12所示，该布置结构可以利用与四个检测线圈对应的旋转来重复。内部节段的端部(第一次重复的最后节段)可与第二次重复的外部节段(第二次重复的第一节段)联接。然后可以重复这个过程，以产生第三次重复的节段图案，从而导致产生图13中所示的线圈布置结构。这样产生了包括不规则直径的具有两匝的线圈，且如图14所示，线圈的端点可以通过径向连接被馈送到线圈的中心，以便为线圈提供中心连接点。
215.第二通信线圈可被生成有与第一线圈相同的图案/形状/空间配置，但围绕旋转点旋转180
°
。因此，第一通信线圈和第二通信线圈围绕旋转点旋转对称。此外，由于这种旋转，同心的封闭曲线的没有被第一通信线圈占据的部分被第二通信线圈占据，并且曲线没有任何部分被两个通信线圈占据，也就是说，这些之间没有重叠。
216.图15示出了所产生的通信天线213，它是由并联的两个通信线圈形成的(第二通信线圈由虚线示出)。
217.可以看出，该方法导致每个角度间隔包括多个节段，该多个节段沿着第一通信线圈和第二通信线圈中的每一个的不同封闭曲线分布。这些节段经由基本上径向的连接部相连。
218.此外，这些线圈相对于检测线圈是旋转对称的，使得对于一组平衡检测线圈中的两个检测线圈来说，检测线圈是旋转对称的，且实际上，如果这些线圈被切换，则相对于通信线圈的空间关系也是如此。因此，第一通信线圈相对于第一检测线圈的空间配置(具体是在第一检测线圈的角度间隔内)与第二通信线圈相对于第二检测线圈的空间配置(具体是在第二检测线圈的角度间隔内)相同。类似地且另外，第二通信线圈相对于第一检测线圈的空间配置(具体是在第一检测线圈的角度间隔内)与第一通信线圈相对于第二检测线圈的空间配置(具体是在第二检测线圈的角度间隔内)相同。
219.因此，在第一通信线圈和第二通信线圈分别与第一检测线圈和第二检测线圈之间实现了完全对称。此外，通信线圈是并联的，且除了影响平衡的可能的实际偏差外，对于第一通信线圈和第二通信线圈来说，将存在完全相同的电流和电压分布。因此，第一通信线圈和第一检测线圈之间的耦合效应将与第二通信线圈和第二检测线圈之间的耦合效应相同。类似地，第一通信线圈和第二检测线圈之间的耦合效应将与第二通信线圈和第一检测线圈之间的耦合效应相同。由于两个通信线圈中的电流是相同的，并且由于检测线圈具有相对于通信线圈中的电流方向不同的的电流方向(如图6和图9所示，它们在中心处交换)，由检测线圈中的电流在检测线圈中感应出的电动势将相互抵消。类似地，对于两个检测线圈来说，不仅空间配置，而且沿节段的电压电位也是相同的，因此电容耦合将是相同的，且电容耦合的影响将被抵消。因此，可以进行基本上更准确的异物检测。
220.另一个实质性的优点是，该方法允许无线功率传输系统的天线的非常有效的实现方式。通信天线可被定位成非常靠近异物检测线圈，且在许多实施例中可以在单个pcb的不同层上实现。实际上，所描述的布置结构允许异物检测线圈和通信线圈两者由单个两层pcb来实现。因此，可以实现非常紧凑和实用的实现方式。这可以进一步允许将线圈定位在发射
器线圈和接收器线圈之间，例如在图8的示例中，同时仍然允许为功率传输实现非常好的耦合。
221.图16示出了单个pcb的不同层的异物检测线圈和通信线圈的实际设计，图17示出了邻近高功率发射器线圈的这种pcb的实施方式的照片。
222.应理解的是，上述方法可导致尤其是通信线圈的许多其他可能的实施方式和布局。例如，图18示出了与图15相对应的示例，但适用于实现八个异物检测线圈的系统，且图19示出了通信线圈的另一可能布局的示例，在可能的情况下其可被用于六个和八个异物检测线圈两者。
223.应当理解，为了清楚起见，以上描述已经参考不同的功能电路、单元和处理器描述了本发明的实施例。然而，显然可以在不背离本发明的情况下使用不同功能电路、单元或处理器之间的任何合适的功能分布。例如，被示为由不同的处理器或控制器执行的功能可以由相同的处理器来执行。因此，对具体功能单元或电路的引用仅被视为对用于提供所描述的功能的合适设备的引用，而不是指示严格的逻辑或物理结构或组织。
224.本发明可以以任何合适的形式来实现，包括硬件、软件、固件或这些的任何组合。本发明可以任选地至少部分地被实现为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明的实施例的元件和部件可以以任何合适的方式来物理地、功能地和逻辑地实现。实际上，功能可以在单个单元中、在多个单元中或作为其他功能单元的一部分来实现。这样，本发明可以在单个单元中实现，或者可以在不同的单元、电路和处理器之间物理地和功能地分布。
225.尽管已经结合一些实施例描述了本发明，但是并不旨在将本发明限于本文阐述的具体形式。相反，本发明的范围仅受所附权利要求的限制。另外，尽管可能看起来结合特定实施例描述了特征，但是本领域技术人员将认识到，可以根据本发明组合所描述的实施例的各种特征。在权利要求中，术语“包括”不排除存在其他元件或步骤。
226.此外，尽管单独列出，但是多个设备、元件、电路或方法步骤可以通过例如单个电路、单元或处理器来实现。另外，尽管各个特征可被包括在不同的权利要求中，但是这些特征可以有利地组合，并且包含在不同的权利要求中并不意味着特征的组合是不可行和/或不利的。在一类权利要求中包含特征并不意味着对该类别的限制，而是指示该特征在合适的情况下同等地适用于其他权利要求类别。在一个独立权利要求的从属权利要求中包括特征并不意味着对该独立权利要求的限制，而是指示该特征在合适的情况下同等地适用于其他独立权利要求。此外，权利要求中的特征的顺序并不意味着特征必须按此顺序工作的任何特定顺序，并且具体地，方法权利要求中的各个步骤的顺序并不意味着必须按照该顺序来执行这些步骤。而是，可以以任何合适的顺序来执行这些步骤。另外，单数引用不排除多个。因此，对“一”、“一个”、“第一”、“第二”等的引用不排除多个。权利要求中的附图标记仅被用于地使示例清楚，不应被解释为以任何方式限制权利要求的范围。