CN107521355A - 用于探测无线充电区域中物体的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于探测电动车辆的无线充电区域中的物体的组件和方法。该方法包括：通过控制器向无线充电区域施加电压，以产生电容值，以及通过控制器测量布置在车辆下侧的电磁屏蔽件的电容值。此外，控制器监测电磁屏蔽件的电容值；并且当物体进入无线充电区域时，控制器探测电容值的改变。

Description

用于探测无线充电区域中物体的设备和方法
技术领域
本发明涉及电动车辆的无线充电，且特别涉及探测无线充电区域中物体的设备。
背景技术
通常，电动车辆当被施加电荷时被充电(例如，通过插电式方法)。近来，已经开发了无线功率传输***和方法，从而为电动车辆无线充电。这些无线充电***(例如，功率传输)比起当前的插电式方法给驾驶员提供了增加的便利性。
依照现有技术的用于车辆的无线充电***使用电容感应***为车辆充电。然而，电极设计和感测电路不被利用来操作充电***(例如，调整充电速度或改变充电)。这样的充电***的缺点是缺乏基于影响车辆充电功能的车辆外部因素的对充电***的控制。例如，充电区域(例如，车辆充电的地区，例如充电站)中的干扰会降低或延迟车辆的充电。
在现有技术的另一方面，在无线能量传输***中探测外来物体。特别，通常的无线功率传输***探测到多种类型的物体。例如，一种技术是使用电容感测。然而，感测并不布置在电动车辆中或也并不适用于电动车辆中(例如，能够提供足够功率)。
图1示出了依照现有技术的充电构造，其包括并联板式电容器。特别地，并联板式电容器使得两个导体能够在两个板之间存储电场。例如，一个平行板可具有V+电荷且另一个平行板可具有V-电荷。理论上，两个导体之间的电容是相等、但相反的电荷q，并且电压差V由下面的等式：C＝q/V算出。例如，当介电性材料(例如，具有高电容率)位于导体之间时，电容会增加。因此，电压差会降低，而不改变(例如，调整)电容，因而产生了较高电容。
图2A-图2B示出了现有技术的另一种平行板电容器，具有固定电压。特别地，图2A-图2B示出了，当电压固定且介电性材料进入充电区域时，充电区域中的电容增加，这是由于介电性材料使得额外的介电性电荷能够积聚。例如，图2A示出了正极板至负极板之间形成的电场。此外，图2B示出了当介电性物体进入充电区域时降低的电场。介电性材料极化且在所施加的电场的相反方向中产生了感应电场。例如，介电性材料包括水、塑料、玻璃、特氟龙和主要由水组成的活性有机体(例如，哺乳动物)。在现有技术中，电容感测是一种通过当介电性材料接近传感器电极时测量电容中的改变或变化的近距离感测方法。示例性地，介电感测用于触摸屏、加速计或液面传感器。
为了降低充电区域中物体干扰车辆充电的风险，需要物体探测技术以便于车辆的适当充电。例如，当物体进入位于车辆下侧的充电区域时，物体会承受过热或被高能磁场影响。此外，当金属物体进入充电区域时，功率传输的效率会降低并且金属物体会承受过热。因此，有利的是提供一种***，其探测充电区域中的物体，包括金属物体。
在本章节的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，因而其可能包括不形成本领域技术人员在这一国家中已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了电动车辆的无线充电，且特别是探测无线充电区域中物体的设备和方法。
在本发明示例性实施方式的一个方面中，一种探测电动车辆的无线充电区域中的物体的方法，包括以下步骤：通过控制器，向无线充电区域施加电压，以产生电容值；以及测量布置在车辆下侧的电磁屏蔽件的电容值。可以通过控制器，监测电磁屏蔽件的电容值，并且当物体进入无线充电区域时可以探测电容值的改变。
此外，可以基于由于电容值的改变实现的物体的探测调整车辆充电。可以基于由于电容值的改变实现的物体的探测终止车辆充电。可以向驾驶员警示电容值的改变。可以识别改变电容值的物体类型。
在一些方面，电磁屏蔽件可以包括彼此平行布置的多个板。此外，可以通过控制器产生位于车辆下侧的电磁屏蔽件的基线参考电容值。
在另一方面，可以监测无线充电区域的热梯度的热值(thermal value)。可以探测无线充电区域的热梯度的热值的改变，并指示无线充电区域中物体的存在。此外，充电区域可被耦合至底盘地面(chassis ground)和本地地面(local ground)二者。
在另一示例性实施方式中，一种用于电动车辆的电磁屏蔽组件，可以包括：基底层，耦合至车辆下侧；导电层，具有至车辆的接地且位于基底层上；电容感测电极，电连接至电容感测电路，所述电容感测电路耦合至位于导电层上的隔层；以及磁场耦合层，连接至隔层；其中，多个接合层可以位于每层之间。
电磁屏蔽组件可以包括彼此平行布置的多个板。电磁屏蔽件可以耦合至车身的下侧。电磁屏蔽组件可以在车辆操作期间平行于车辆的底盘框架可旋转地布置。可替代地，电磁屏蔽组件在车辆充电期间垂直于车辆的底盘框架可旋转地布置。
在其他方面，电容感测电极可以布置在电磁屏蔽组件的下部。基底层可以由非导电材料形成。隔层可以由非导电材料形成。基底层、导电层、隔层或磁场耦合层的厚度可以是大约1mm至大约2mm。电容感测电极的厚度可以是大约1mm至大约2mm。
值得注意的是，本发明并不限于如上所述的电动车辆的无线充电区域中的物体的探测元件的组合，且可以以在此描述的元件的任意组合组装。
在下文公开本发明的其它方面。
附图说明
本文中的示例性实施方式可以结合附图，通过参考下面的描述，可被更好地理解，附图中相同的附图标记指示相同或功能类似的元件，其中：
图1是依照现有技术的电容器板布置的视图；
图2A和图2B是依照现有技术的电容器板布置的视图；
图3示出了依照本发明的一个示例性实施方式的布置在车辆中的电容器板布置的顶视图；
图4示出了依照本发明的一个示例性实施方式的布置在车辆中的电容器板布置的前视图；
图5是依照本发明的一个示例性实施方式的电磁屏蔽组件的截面图；
图6是依照现有技术的电容感测电路的示意图；
图7是依照本发明的一个示例性实施方式的电容感测电路的示意图；
图8是依照现有技术的电容器放电的图示；
图9是依照本发明的一个示例性实施方式的电容器感测数据的图示；
图10是依照本发明的一个示例性实施方式的电容器感测模型和仿真的图示；以及
图11是依照本发明的一个示例性实施方式的电容器感测模型和仿真的另一个图示。
具体实施方式
在下文，将参考示出了本发明的一些但非全部示例性实施方式的附图更全面地描述本发明的主题。相同的附图标记自始至终指示相同元件。当前公开的主题可以不同形式实施且不应被解释为限制至在此阐述的示例性实施方式；相反，提供这些示例性实施方式使得这一公开将满足适用的法律需求。实际上，在此阐述的当前公开的主题的很多修改和其它实施方式将提醒本领域技术人员关于当前公开的主题所关于的，具有在前述描述和相关附图中呈现教导的益处。因此，将理解的是，当前公开的主题并不被限制在公开的特定示例性实施方式中，并且修改和其它示例性实施方式意图被包括在所阳权利要求的范围中。
这里使用的术语仅用于描述特定的实施例的目的，且并不意欲限制本发明。正如在此使用的，除非特别说明，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式。可进一步理解的是，当术语“包括”和/或“包含”用于这一说明书中时，指定了具有所表述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件，但是也不排除还具有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、部件和/或它们的组合。正如在此使用的，术语“和/或”包括了一个或多个列出的相关术语的所有组合。
除非特别陈述或从文中显而易见的，正如在此使用的，术语“大约”理解为处于本领域的正常公差范围中，例如在平均值的2标准偏差中。″大约″可被理解为落入标准值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％中。除非从文中另外显而易见的，在此提供的全部数值由术语“大约”修饰。
虽然具体实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性程序，理解的是，该示例性程序也可以由一个或多个模块执行。此外，理解的是，术语控制器/控制单元表示一种硬件装置，包括存储器和处理器。存储器构造于储存模块，并且处理器特别构造为执行所述模块以执行一个或多个将在下文进一步描述的程序。
可以理解的是，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语是通常机动车辆的总称，例如，乘用机动车，包括多功能运动车辆(SUV)、公共汽车、卡车、多种商务车辆，水上交通工具，包括多种船或舰，航空器，以及类似的，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧式、***式混合电力车辆、氢动力车辆、燃料电池车辆，以及其它替代能源车辆(例如，从除了石油的资源得到的燃料)。
在一个方面，本发明涉及探测在电动车辆的无线充电区域中的物体。特别，本发明提供了一种设备和方法，其基于电容值的改变探测无线充电区域中的物体。探测电动车辆无线充电区域中的物体的方法可包括：通过控制器向无线充电区域施加电压，以产生电容值；以及测量布置在车辆下侧的电磁屏蔽件的基线电容值。随后在整个充电过程的操作中，可监测电容值。当物体进入无线充电区域时，可探测电容值的改变。
图3示出了依照本发明的一个示例性实施方式的布置在车辆10下侧的可包括电容板20a和20b的电磁屏蔽件20的视图。如图3所示，电磁屏蔽件20可包括一对电容板20a和20b，彼此平行布置，提供充电区域8。具体地，电容板20a和20b可包括电容感测电极。例如，当物体进入位于一对电容板20a和20b之间的充电区域8时，充电区域8的相对电容率改变且电容值也改变。也就是说，嵌入的控制器(例如，微控制器)可被构造为接收关于电容值的信号且触发探测物体的响应，该响应可包括主动充电操作的调整或终止。下文将进一步详细描述电容探测。
如图4所示，包括电容板20a和20b的电磁屏蔽组件20可位于底盘框架14下侧，且可在车身12的下侧耦合至底盘框架14。电磁屏蔽件20包括电容板20a和20b，其可被设计为，当车辆在充电状况期间停止时，垂直于底盘框架14延伸。此外，在车辆操作期间，包括充电板的电磁屏蔽件可缩回且可平行于底盘框架的下侧布置。具体地，电磁屏蔽件可提供电磁场屏蔽，以提高无线充电***的效率和安全性。此外，电磁屏蔽件可包括电容感测电路，其可使用电导体和感测电极。在一些示例性实施方式中，额外的导电层可包括在电磁屏蔽组件中。
此外，参考图5，其示出了电磁屏蔽组件的截面图，电磁屏蔽组件可包括电容感测电极。特别地，如图5所示，电磁屏蔽组件20可包括设置于其中的具有电容感测能力的四层屏蔽。例如，电磁屏蔽组件20可包括：基底层22，耦合至电动车辆的下侧。基底层22可由硬塑料等形成，且可通过铰链21连接被耦合至车身12，使得屏蔽组件20能够旋转运动。基底层22可具有大约1mm至大约2mm的厚度。电磁屏蔽组件20可还包括：导电层24，其可提供接地至电动车辆，且可位于基底层22附近。导电层24可由铝或其它导电材料形成，以用作电场屏蔽层。示例性地，导电层24的厚度可以是大约1mm至大约2mm。
隔层28可位于导电层24附近且可包括：电容感测电极26，其电连接至耦合至隔层28的电容感测电路。隔层28可由塑料材料等形成，且可具有大约1mm至大约2mm的厚度。电容感测电极26可具有大约1mm至大约2mm的厚度且可沿着隔层28的一部分长度或整个长度延伸。另外，磁场耦合层30可被连接至隔层28。磁场耦合层30可由铁氧体等形成，且可具有大约1mm至大约2mm的厚度。此外，接合层32a、32b和32c可位于上述每个功能层之间。
图6示出了依照现有技术的电容感测电路(例如，弛张振荡器)的示意图。特别地，图6示出了感测电极26可被耦合至车辆两侧上的通用输入输出(GPIO)插脚40。例如，为了在电动车辆的充电操作期间提供感测电极电压，必须考虑地面电位的车辆底盘框架。换句话说，地面电位的底盘框架在充电区域的中下部形成降低的灵敏性区域。因此，任何可能的电容感测操作可通过在两个电容板上均施加正电压来提高，而不是一个正的和一个接地。换句话说，如图6所示，电容感测电路可包括：控制器(例如，微控制器)，构造为在一个GPIO插脚(例如，P1)上输出大约5V以为电容器充电。此外，控制器可被构造为切换至高阻抗输入，其使得电容器能够开始通过电阻(例如，R1)放电。值得注意的是，归因于充电区域中的物体的较大电容值会导致增加的放电时间，并且控制器可被构造为探测放电时间的改变。
此外，为了提高无线功率传输***的电容感测能力，可考虑进一步的噪声源。例如，无线功率传输***的线圈会在主动充电期间影响电容值。特别地，线圈可产生大约85khz信号，其可能在电容值上叠加。另一种模式的噪声会干扰放电波形(如图8所示)。进一步实验可确定线圈在电容感应测量方面对无线功率传输***的影响。因此，可产生计算叠加信号的方法。
此外，图7是依照本发明的一个示例性实施方式的电容感测电路的示意图。如图7所示，在电容感测电极上产生较高电压的电路可产生增加的电位差且会改进传感器的测量能力。例如，电池电压可被施加至电容器，来替代控制器供应电压。如图7所示，开关功能可接合或分离构造为供应大约12V至电路的电池。在其它实施方式中，可使用交流电压(例如48V)***。充电区域可被耦合至底盘地面和本地地面二者。此外，底盘地面和本地地面可被连接；然而，在它们之间会存在小电阻。随后，如图7所示，N-FET部件可具有低漏电流。放电电阻可以是大约6MΩ，然而，该值可基于电极设计而改变。换句话说，来自包括来自无线功率传输的电磁场的外部辐射体的抗扰度可被改善，且因而提供改进的传感器精度。
特别地，图7示出了可使用施加至电容感测电极的增加电压的电路。随着激励信号(P1)上的电压增加，定时器功能可被初始化。随后，激励信号(P1)可被降低，并且电极可通过放电电阻放电。放电时间可取决于电容。基于这一放电，电极电压可达到小于大约1V的电压，且输出信号(P2)会降低至预定水平以下并且定时器功能可被终止。
更详细地，图8示出了依照现有技术的电容器放电的图示。如图8所示，当微控制器调整至高阻抗输入时，达到低压(例如，零电压)信号的持续时间可被监测。特别地，当电容器放电时，电压水平可产生已知的波形，如图8所示。在放电期间电容器两端的电压可被描述为，V(t)＝V0e-t/τ，其中，t是时间，V0是初始电压，且τ＝RC，其中R是电阻值且C是电容。当电容值大于基线(例如，初始测量值)时，τ可被调整且电压降低至预定水平的持续时间可被调整。例如，控制器可包括：定时器，其构造为当电容器开始放电时操作。控制器可被构造为探测电压何时降低至低于预定阈值(例如，大约小于0.2伏特)。此外，当电压降低至低于预定阈值时，定时器可终止且持续时间可被记录。记录时间与基线放电时间的近似比可大约等于第二电容与基线电容值的比。如图8所示，差值可通过实现和虚线波形之间的差表示。
因此，如图9所示，由传感器产生的测量出的电容传感器数据可由电容的百分比变化来表示。例如，图9表示了电容值变化的计算之后的信号的示意。如图9所示，当充电区域中不存在物体时，产生基线值。y轴表示指示物体在充电区域中的存在的电容的百分比变化。当物体从充电区域中移出时，电容值可回到基线值。
在另一方面，图10和图11示出了依照本发明的一个示例性实施方式的电容器感测模型和仿真的图示。首先参考图10，规定电容感测电极的模型。具体地，接近电容感测电极箭头的箭头指示最强电场区域。电场可随着箭头从电容感测电极向外延伸而减弱，在车辆底盘框架的中央具有相对弱的电场。例如，在实验性实施方式中，矩形导体用作车辆底盘的模型且布置在电磁屏蔽件上方。实验模型(如图5所示)包括在放电之前具有正电压的多个电磁屏蔽件的导体。如图9所示，车辆下侧的充电区域的中部具有从电容感测电极起最弱的电场强度。此外，中部还产生最弱灵敏性，这是由于位于该部分中的物体的存在导致了电容的小变化。
参考图11，与图10比较，对感测电极构造进行调整。例如，地面屏蔽件位于电磁屏蔽组件的外部上。在另一实施方式中，主动屏蔽件(active shield)可位于外部，来代替地面屏蔽。主动屏蔽件可遵循感测电极上的电压，因而可改进***性能。主动屏蔽件可遵循感测电极上的电压，因而可改进***性能，以提供特定方向中的灵敏性。特别地，感测电极和电容感测电路板之间的布线可以是同轴电缆，其中，内部导体可连接至感测电极且外部导体可以是主动屏蔽件。换句话说，来自耦合传感器电极线的外部辐射噪声可被降低。因此，电场可与车辆边界的外部屏蔽，因而可显著降低对充电区域外部的车辆外部的物体的灵敏性。
此外，正极充电的感测电极可布置在电磁屏蔽组件的下部。相反地，如与图10相比所示，物体会导致电容更大的相对改变。如图11所示，比起当电容感测电极延伸电磁屏蔽组件的高度时，对地面的基线/固有电容可被降低。然而，当物体接近感测电极时，会观察到更大百分比的改变，由于总电场的更大部分穿过了物体。如图11所示，接近电磁屏蔽组件的物体会导致电场的路径在物体周围被干扰，这会导致所产生的电容值发生改变。
此外，用于探测物体的完整***可需要在充电功能开始之前调整基线计算以识别物体，例如位于充电区域中的导电线圈。除非在基线中识别了物体，物体会成为基线的部分且不会被随后探测到。物体的温度也会增加不安全水平。完整的物体探测***可包括电容感测与附加技术的组合，以形成完整的外界物体探测***。例如，探测***可提供对位于充电线圈之间的导电物体的互感系数变化的识别。因此，改变或变化会导致经过空气间隙的功率传输且可以通过在主或次级***上监测电力参数(例如，电压、电流、相位角)而探测到改变或变化。例如，当次级***探测到所接收功率的降低的同时来自主***的输出功率保持恒定时，功率降低可能是由于充电区域中的物体。此外，为了探测位于充电区域中的小物体(例如，线圈或导电碎片)，温度传感器可以被用于探测充电区域的热改变。例如，具有集成传感器阵列的热板可与电磁屏蔽组件结合使用，以探测和定位可能导致热改变的物体。
如上讨论的，本发明的电动车辆的无线充电区域中物体的探测能够通过探测充电区域中存在的物体来改进电动车辆无线充电***的安全性。物体探测的具体设计会警示驾驶员或执行从充电区域中移出物体的步骤。此外，可使用图案识别(pattern recognition)来确定所探测物体的类型。因此，本发明的电动车辆的无线充电区域中物体的探测能够防止对无线充电过程的干扰且改进无线充电效率。
本发明的很多特征和优点从详细描述中变得清晰，并因此，所附权利要求意图覆盖本发明的落入本发明的精神和范围内的全部这些特征和优点。此外，由于对于本领域技术人员而言，很多修改和改变将是容易发生的，并不需要限制本发明至示出和描述的精确结构和操作，并因此，全部的适当修改和等同物将诉诸于落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种探测电动车辆的无线充电区域中的物体的方法，包括以下步骤：
通过控制器，向无线充电区域施加电压，以产生电容值；
通过控制器，测量布置在车辆下侧的电磁屏蔽件的电容值；
通过控制器，监测电磁屏蔽件的电容值；以及
通过控制器，当物体进入无线充电区域时探测电容值的改变。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，基于由于电容值的改变实现的物体的探测调整车辆充电。
3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，基于由于电容值的改变实现的物体的探测终止车辆充电。
4.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，向驾驶员警示电容值的改变。
5.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，识别改变电容值的物体类型。
6.如权利要求1所述的方法，其中，电磁屏蔽件包括彼此平行布置的多个板。
7.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，产生位于车辆下侧的电磁屏蔽件的基线参考电容值。
8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，监测无线充电区域的热梯度的热值。
9.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
通过控制器，探测无线充电区域的热梯度的热值的改变，以指示无线充电区域中物体的存在。
10.如权利要求1所述的方法，其中，充电区域被耦合至底盘地面和本地地面二者。
11.一种用于电动车辆的电磁屏蔽组件，包括：
基底层，耦合至车辆下侧；
导电层，具有至车辆的接地且位于基底层上；
电容感测电极，电连接至电容感测电路，所述电容感测电路耦合至位于导电层上的隔层；以及
磁场耦合层，连接至隔层；
其中，多个接合层位于每层之间。
12.如权利要求11所述的组件，其中，电磁屏蔽组件包括彼此平行布置的多个板。
13.如权利要求11所述的组件，其中，基底层可旋转地耦合至车身的下侧。
14.如权利要求11所述的组件，其中，电磁屏蔽组件在车辆操作期间平行于车辆的底盘框架可旋转地布置。
15.如权利要求11所述的组件，其中，电磁屏蔽组件在车辆充电期间垂直于车辆的底盘框架可旋转地布置。
16.如权利要求10所述的组件，其中，电容感测电极布置在电磁屏蔽组件的下部。
17.如权利要求11所述的组件，其中，基底层由非导电材料形成。
18.如权利要求11所述的组件，其中，隔层由非导电材料形成。
19.如权利要求11所述的组件，其中，基底层、导电层、隔层或磁场耦合层的厚度是大约1mm至大约2mm。
20.如权利要求11所述的组件，其中，电容感测电极的厚度是大约1mm至大约2mm。
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