CN105075062B - 异物检测装置、异物检测方法以及非接触充电系统 - Google Patents

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Abstract

异物检测装置(100)为了能够区分水和金属来检测异物，具备：检测用线圈(103)；发送电路(101)，其生成给定的频率的高频功率；方向性耦合器(107)，其将来自发送电路(101)的高频功率输出到检测用线圈(103)，并提取从检测用线圈(103)反射的功率分量即反射功率；和检测电路(108)，其接收由方向性耦合器(107)提取的反射功率，根据反射功率的频率特性的变化来检测异物。

Description

异物检测装置、异物检测方法以及非接触充电系统
技术领域
本发明涉及异物检测装置、异物检测方法以及非接触充电系统。
背景技术
近年来，为了向例如电动汽车等的非接触充电，开发了无线功率传输系统(非接触充电系统)。在无线功率传输系统中，在充电装置侧设置有送电线圈和高频振荡源，在电动汽车侧设置有受电线圈。此外，在无线功率传输系统中，通过使用电磁感应方式，能够非接触地实现高效率的功率传输。
在该基于电磁感应方式的无线功率传输系统中，由于传输大功率，因此若在送电线圈与受电线圈之间以及/或者其周围混入金属的异物则有系统发热的危险。因此，充电前以及充电中的金属的异物的检测在安全方面成为重要的课题。
以往，作为无线功率传输系统中的异物的检测方法，有对通过金属与检测用线圈之间的电磁感应而产生的检测用线圈的电感的变化进行检测的方法(例如参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2012-16125号公报
发明内容
发明要解决的课题
由于电动汽车有时被停在屋外来充电，因此需要能够不受天气左右地检测异物。具体来说，要求在降雨时不受雨水的影响，能够区分水和金属来进行检测。
但是，在上述专利文献1的方法中，在异物的检测时没有考虑雨水的影响。
本发明鉴于上述课题，目的在于提供一种能够区分水和金属来进行检测的异物检测装置、异物检测方法以及非接触充电系统。
解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的异物检测装置具备：检测用线圈；发送电路，其生成给定的频率的高频功率；方向性耦合器，其将来自所述发送电路的高频功率输出到所述检测用线圈，并提取从所述检测用线圈反射的功率分量即反射功率；和检测电路，其接收由所述方向性耦合器提取的反射功率，根据所述反射功率的频率特性的变化来检测异物。
此外，本发明的异物检测方法将以给定的频率生成的高频功率输出到检测用线圈，根据从所述检测用线圈反射的功率分量即反射功率的频率特性的变化来检测异物。
发明效果
根据本发明，通过利用反射功率的频率特性的变化，能够区分水和金属来检测异物。
附图说明
图1是表示本发明中的异物检测装置的基本构成的框图。
图2是表示本发明的实施方式1中的异物检测装置的详细构成的图。
图3是表示向车辆的无线功率传输系统的应用例的主视图。
图4是图3中的送电线圈壳体的放大俯视图。
图5是图3中的送电线圈壳体的放大剖面图。
图6是表示本发明中的异物所引起的反射功率的频率特性的变化的图。
图7是表示本发明的实施方式2中的异物检测装置的详细构成的图。
图8是表示本发明的实施方式3中的异物检测装置的详细构成的图。
图9是表示图8的变形例中的异物检测装置的详细构成的图。
图10是表示图9的异物检测装置的等效电路模型的图。
图11是没有图10中的线圈L1与线圈L2之间的相互耦合的情况下的线圈L1的反射功率的频率特性图，(a)表示没有异物以及雨水的情况，(b)表示有异物(金属)的情况，(c)表示有雨水的情况。
图12是考虑图10中的线圈L1与线圈L2之间的相互耦合且不使用短路电路的情况下的线圈L1的反射功率的频率特性图，(a)表示没有异物以及雨水的情况，(b)表示有异物(金属)的情况，(c)表示有雨水的情况。
图13是考虑图10中的线圈L1与线圈L2之间的相互耦合且使用了短路电路的情况下的线圈L1的反射功率的频率特性图，(a)表示没有异物以及雨水的情况，(b)表示有异物(金属)的情况，(c)表示有雨水的情况。
图14是表示图9中的短路电路的详细构成例的电路图。
具体实施方式
以下，按照附图对用于实施本发明的异物检测装置、异物检测方法以及非接触充电系统的方式进行说明。另外，并非通过该实施方式来限定本发明，能够使用同样领域的类似的用语或类似的描述来表现，这对于本领域技术人员来说应当容易理解。
图1是表示本发明的异物检测装置100的基本构成的图。发送电路101由电压源Vg生成给定频率的高频功率，并经由方向性耦合器107向检测用线圈103输出高频功率。方向性耦合器107从发送电路101向检测用线圈103输出功率，并提取从检测用线圈103反射的功率分量输出到检测电路108。检测电路108接收由方向性耦合器107提取的反射功率，根据反射功率的频率特性的变化来检测异物。具体来说，根据反射功率的匹配频率的变化量来检测异物。
通过该构成，能够区分金属的异物201和水来检测异物。
(实施方式1)
图2是表示实施方式1中的异物检测装置100的详细构成的图。发送电路101在给定的进行扫描的频率范围内一边使频率变化一边输出高频功率，经由对高频的不平衡信号进行传输的同轴电缆102以及方向性耦合器107，将高频功率输出到平衡不平衡变换电路104。同轴电缆102是用外部导体对中心导体的周围进行了屏蔽的传输线路。检测用线圈103是为了检测金属的异物201而产生高频的磁场的线圈，由n(n为2以上的整数)个排列的线圈L1，L2，…，Ln构成。
平衡不平衡变换电路104与后述的匹配电路105和同轴电缆102连接，将从同轴电缆102输入的高频功率即不平衡信号变换为平衡信号并输出到匹配电路105。
匹配电路105在检测用线圈103与平衡不平衡变换电路104之间进行阻抗匹配。匹配电路105进行检测用线圈103的阻抗变换，使得在给定的匹配频率f0下，与平衡不平衡变换电路104的平衡侧阻抗一致。
平衡不平衡变换电路104以及匹配电路105被连接在越接近检测用线圈103的部位越好。在本发明的装置中，如后述那样，利用伴随检测对象物所引起的检测用线圈103的电感变化的频率特性来检测异物。但是，若对检测用线圈103与平衡不平衡变换电路104以及匹配电路105之间进行连接的布线变长，则布线具有电感分量，检测对象物所引起的检测用线圈103的电感的变化量变小。因此，通过将平衡不平衡变换电路104以及匹配电路105连接于更接近检测用线圈103的部位，能够抑制异物检测性能下降。
寄生电容106是在检测用线圈103产生的寄生电容，在等效电路中，与各个检测用线圈103并联地产生电容分量。在检测用线圈103的附近存在电介质的情况下，寄生电容106的电容值增加。作为电介质，例如，可以列举后述的送电线圈壳体、在该送电线圈壳体上附着的雨水等。
方向性耦合器107将来自发送电路101的高频功率即不平衡信号输出到平衡不平衡变换电路104，提取从检测线圈103反射的功率分量，输出到后述的检测电路108。
检测电路108接收由方向性耦合器107提取的反射功率，根据反射功率最小的匹配频率的变化量来检测异物。
开关电路109选择并切换作为检测用线圈103而排列的多个线圈L1、L2、…、Ln中使其供电的线圈。
通过对以上的异物检测装置100、送电线圈302、和高频振荡源305进行组合，从而构成非接触充电系统。高频振荡源305为了非接触充电而向送电线圈302供给给定频率的高频功率。
图3是表示向车辆301的无线功率传输系统的应用例的主视图。图3表示送电线圈302搭载于地上侧、受电线圈303搭载于车辆301侧的例子。送电线圈壳体304由树脂等电介质形成，对送电线圈302进行收纳。检测用线圈103配置在送电线圈302的上方，并且收纳在送电线圈壳体304中。
图4是送电线圈壳体304的放大俯视图。为了检测位于送电线圈302之上以及/或者其周围的异物，无间隙地覆盖送电线圈302及其周围而排列有检测用线圈103。这些检测用线圈103由开关电路109来切换，对存在于送电线圈302以及/或者其周围的金属的异物201进行检测。
在图2中，检测用线圈103不仅与金属的异物201之间产生磁场耦合，而且与送电线圈302之间也产生磁场耦合，通过检测用线圈103在送电线圈302感应电流。由于产生检测用线圈103与送电线圈302的磁场耦合因而金属的异物201所引起的接收功率的变化变小，异物检测性能劣化。
图5是送电线圈壳体304的放大剖面图。为了减小检测用线圈103与送电线圈302的磁场耦合的影响，在将金属的异物201与检测用线圈103之间的距离、例如送电线圈壳体304的(外部)表面与检测用线圈103(的上表面)之间的距离设为a，将送电线圈302与检测用线圈103之间的距离、例如送电线圈302的上表面与检测用线圈103的下表面之间的距离设为b时，最好将检测用线圈103配置成距离a比距离b短。由此，检测用线圈103与送电线圈302的磁场耦合的影响变小，能够抑制异物检测性能的劣化。
若对如上构成的异物检测装置100中的异物检测方法进行概述，则是以给定的频率生成的高频功率被输出到检测用线圈103，根据来自检测用线圈103的反射功率的频率特性的变化来检测异物。
图6是表示异物所引起的反射功率的频率特性的变化的图。在检测用线圈103的附近存在金属的异物201的情况下，在检测用线圈103与金属的异物201之间产生电磁感应，检测用线圈103的电感下降。由此匹配频率与没有金属的异物201的情况相比变高。
另一方面，在检测用线圈103的附近有雨水的情况下，由于雨水的介电常数高，因此在检测用线圈103与雨水之间产生电容耦合，检测用线圈103所具有的寄生电容106变大。由此匹配频率与没有雨水的情况相比变低。
检测电路108根据该匹配频率的变化来区分金属的异物201和雨水进行检测。以没有金属的异物201以及雨水的情况下的匹配频率f0为基准，在反射功率的匹配频率高于基准匹配频率f0的情况下，判断为在检测用线圈103的附近有金属的异物201。此外，在反射功率的匹配频率低于基准匹配频率f0的情况下，判断为在检测用线圈103的附近有雨水。
另外，基准匹配频率f0也可以在设置本发明的异物检测装置100时被初始设定。此时的没有金属等异物或者雨水的状态，既可以通过目视来判断，也可以通过其他检测装置等来预先确认。或者，基准匹配频率f0也可以在本发明的异物检测装置100出厂时被设定。
接着，对布线长度的影响的降低进行说明。由于充电时从送电线圈302产生的交流磁场，而在检测用线圈103感应较大的电压。由于该较大的感应电压，有可能破坏与检测用线圈103连接的各电路。为了防止该情况而提高了从发送电路101为了异物检测而输出的高频功率的频率的情况下，高频功率的波长变短，其结果，向检测用线圈103供给功率的布线的长度在电磁上变长。
此时，布线作为偶极天线等那样的线状天线而工作。由此，检测用线圈103的辐射电阻增加，检测用线圈103的Q值下降，从而异物检测性能下降。即，由于检测用线圈103不作为电感而发挥作用，因此产生无法进行异物的检测的问题。
特别是，在向电动汽车的充电用途中利用的送电线圈302由于尺寸(例如，在圆形线圈的情况下为直径)非常大，因此需要配置很多的检测用线圈103。在此情况下，布线的长度在物理上变长。
因此，在图2所示的本发明的异物检测装置100的构成中，采取用泄露电磁场的抑制效果高的同轴电缆102来对检测用线圈103与各电路之间进行连接，并根据检测用线圈103的反射功率的频率特性来检测异物的方法。进而，为了降低在同轴电缆102的外皮感应的漏电流，经由平衡不平衡变换电路104来向检测用线圈103进行平衡供电。由此，在向检测用线圈103供电时被供电的功率在同轴电缆102的屏蔽内传递，即使在同轴电缆102在电磁上较长的情况下也能够防止作为线状天线而工作。
(实施方式2)
以下，对图7所示的异物检测装置200中的电路破坏的防止进行说明。
如图2那样，通过对在实施方式1中说明过的异物检测装置100、送电线圈302、和高频振荡源305进行组合，来构成非接触充电系统。高频振荡源305为了非接触充电而向送电线圈302供给给定频率的高频功率。
由于高频振荡源305传输大功率，因此若在检测用线圈103与送电线圈302之间产生磁场耦合，则向发送电路101、检测电路108、以及开关电路109输入大功率，产生各电路被破坏的危险。因此，从发送电路101输出的高频功率的频率被设定为高于从高频振荡源305输出的高频功率的频率的值。
进而，如图7的异物检测装置200所示那样，将电路保护滤波器110配置在例如匹配电路105与寄生电容106之间，并与检测用线圈103连接，所述电路保护滤波器110是具有使从发送电路101输出的高频功率的频率通过，并阻止从高频振荡源305输出的高频功率的频率的特性的滤波器电路。由此，能够保护发送电路101、检测电路108、以及开关电路109等。另外，在图7中，示出将作为高通滤波器而工作的电容器连接在检测用线圈103的两端的例子。
此外，如图4所示，检测用线圈103的各个线圈的尺寸(例如，在圆形线圈的情况下为直径)被设定为比送电线圈302的尺寸(例如，在圆形线圈的情况下为直径)更小。由此，能够减小检测用线圈103与送电线圈302之间的磁场耦合，降低输入到发送电路101、检测电路108、以及开关电路109的功率。
(实施方式3)
以下，对图8所示的异物检测装置300中的构成检测用线圈103的线圈间的相互耦合的降低进行说明。
如图4所示，由于多个检测用线圈103被相互接近地配置，因此分别产生相互耦合。在图2中，在检测用线圈103中选择了线圈L1的情况下，线圈L1以外的未被选择的线圈与线圈L1耦合，电流被感应。由此金属的异物201所引起的接收功率的变化变小，异物检测性能劣化。
因此在本实施方式中，如图8所示，用短路电路111将未被选择的检测用线圈103的2个端子短路。另外，在此示出短路电路111设置在匹配电路105与寄生电容106之间的情况。
由此，未被选择的检测用线圈103的阻抗较大地变化，在检测用线圈103与平衡不平衡变换电路104之间产生阻抗的不匹配状态。因此，能够防止在各个未被选择的检测用线圈103由于相互耦合而感应电流。
此外，如图9的异物检测装置300所示，短路电路111也可以经由电路保护滤波器110、即设置在电路保护滤波器110与匹配电路105之间，而与检测用线圈103连接。由此，能够防止由于从送电线圈302产生的交流磁场而在检测用线圈103感应的较大的感应电压导致短路电路111被破坏。
利用等效电路的计算结果，对相互耦合降低所产生的异物检测性能的改善效果进行说明。
图10是图9的异物检测装置300的等效电路模型。从检测用线圈103到匹配电路105用等效电路来表现，用电阻和电感的串联电路来表现金属的异物201。在异物201位于线圈L1附近的情况下，假设在金属的异物201的电感与线圈L1之间产生耦合系数k(＝-0.1)的磁场耦合，另一方面，在雨水位于线圈L1附近的情况下，假设因电容耦合而导致寄生电容106中的线圈L1的寄生电容增加而进行了计算。
匹配电路105由串并联连接的电容器构成。此外，假设平衡不平衡变换电路104的平衡侧阻抗为50Ω，并假设检测用线圈103由线圈L1以及线圈L2构成而进行了计算。无异物时的基准匹配频率f0被调整为170MHz。
以下，示出计算结果。图11(a)、图11(b)以及图11(c)表示没有构成检测用线圈103的线圈间的相互耦合的情况下的线圈L1的反射功率的频率特性。可知，图11(b)的有异物(金属)的情况下的匹配频率比图11(a)的没有异物以及雨水的情况下的基准匹配频率f0高，图11(c)的有雨水的情况下的匹配频率比图11(a)的没有异物以及雨水的情况下的基准匹配频率f0低。
图12(a)、图12(b)以及图12(c)表示存在构成检测用线圈103的线圈间的相互耦合的情况下的线圈L1的反射功率的频率特性。假设线圈L1与线圈L2之间的磁场的耦合系数k12为一0.1而进行了计算。可知，匹配频率的变化量比图11(a)～图11(c)的情况小。
图13(a)、图13(b)以及图13(c)表示在存在构成检测用线圈103的线圈间的相互耦合的情况下，将线圈L2的短路电路111短路的条件下的线圈L1的反射功率的频率特性。可知，匹配频率的变化量与图11(a)～图11(c)的情况大致等同。
图14表示使用了二极管的短路电路111。在检测用线圈103的两端子并联连接二极管120，在该二极管120的两端分别经由偏压电阻121、122施加直流电压V1、V2。通过使直流电压V1、V2的电位差发生变化，从而将二极管120切换为导通状态(短路状态)或截止状态(开路状态)。
另外，在上述实施方式3中，对将检测用线圈103的两端子短路的方法进行了说明，但也可以通过将图10所示的匹配电路105的电容器的一部分短路，来将未选择的检测用线圈103设为阻抗不匹配状态。
通过以上说明的异物检测装置以及异物检测方法，能够实现区分了水和金属的异物检测。此外，即使在检测用线圈与检测电路之间的布线较长的情况下，也能够不使布线作为线状天线而工作地维持异物检测精度。
工业实用性
本发明的异物检测装置以及异物检测方法能够应用于便携式设备、电推进车辆等非接触充电器的异物检测装置以及异物检测方法。
符号说明
100、200、300 异物检测装置
101 发送电路
102 同轴电缆
103 检测用线圈
104 平衡不平衡变换电路
105 匹配电路
106 寄生电容
107 方向性耦合器
108 检测电路
109 开关电路
110 电路保护滤波器
111 短路电路
120 二极管
121、122 偏压电阻
201 金属的异物
301 车辆
302 送电线圈
303 受电线圈
304 送电线圈壳体
305 高频振荡源

Claims (5)

1.一种异物检测装置，具备：
检测用线圈；
发送电路，其生成给定的频率的高频功率；
方向性耦合器，其将来自所述发送电路的高频功率输出到所述检测用线圈，并提取从所述检测用线圈反射的功率分量即反射功率；
平衡不平衡变换电路，其将经由方向性耦合器输入的高频功率即不平衡信号变换为平衡信号；
匹配电路，其进行所述平衡不平衡变换电路和所述检测用线圈之间的阻抗匹配；和
检测电路，其接收由所述方向性耦合器提取的反射功率，在所述反射功率的匹配频率高于基准匹配频率的情况下检测为异物是金属，在所述反射功率的匹配频率低于基准匹配频率的情况下检测为异物是水。
2.根据权利要求1所述的异物检测装置，其中，
所述检测用线圈由多个线圈构成，
所述异物检测装置还具备短路电路，该短路电路将所述检测用线圈中未被选择的线圈的两端子短路。
3.根据权利要求1所述的异物检测装置，其中，
还具备收纳送电线圈的送电线圈壳体，
所述检测用线圈配置在所述送电线圈的上方并收纳在所述送电线圈壳体中，
所述检测用线圈被配置成所述送电线圈壳体的表面与所述检测用线圈之间的距离比所述送电线圈与所述检测用线圈之间的距离短。
4.一种非接触充电系统，具备：
权利要求1～3中任意1项所述的异物检测装置；
送电线圈；和
高频振荡源，其向所述送电线圈供给给定频率的高频功率。
5.一种异物检测方法，
将以给定的频率生成的高频功率输出到检测用线圈，
由平衡不平衡变换电路将所生成的所述高频功率即不平衡信号变换为平衡信号，
进行所述平衡不平衡变换电路和所述检测用线圈之间的阻抗匹配，
接收从所述检测用线圈反射的功率分量即反射功率，
在所述反射功率的匹配频率高于基准匹配频率的情况下检测为异物是金属，在所述反射功率的匹配频率低于基准匹配频率的情况下检测为异物是水。
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