CN105790324B - 无线充电系统及其金属异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线充电系统及其金属异物检测方法，令一无线充电装置与一用电装置设于一充电区域内，该无线用电装置主要由一信号转换模块分别连接一控制器与一用于发射信号的发送天线所组成，并由该信号转换模块与电源端连接，该用电装置以一接收端线圈连接一整流器并将产生的电流由输出端输出；当无线充电装置与用电装置开始无线充电之前或进行充电中，该无线充电装置的控制器可检测该发送天线的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，以即时的判断是否有金属异物侵入，避免因金属异物产生高温而造成的设备损坏及危险，以达到提升无线充电安全性的目的。

Description

无线充电系统及其金属异物检测方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电系统，尤其涉及一种无线充电系统及其金属异物检测方法。

背景技术

目前的无线充电技术主要是以近场感应为主，由一用于无线充电的充电器在一预定的充电区域范围将能量传送至一用电设备，该用电设备使用接收到的能量对其电池充电，并同时供用电设备本身利用，能量传送的原理是在该充电器内设置一线圈并通过交流电产生一交流电磁场，该用电设备的一端设置另一线圈以接收该交流电磁场，并且将其转换成电能以储存在用电设备的电池中，因此无线充电技术确实可提升用电设备充电的方便性，但是当有金属异物侵入该充电区域范围内时，造成设备损坏的可能性非常的高，尤其是在充电中因金属异物产生高温而造成危险。

以目前在无线充电异物检测技术中主要可归纳为两类，一为外加式感测器(如线圈、超音波、红外线等)于传送端天线表面以进行异物检测，但是外加式感测器会与系统本身产生相互作用而影响电力传输的性能，因此外加式感测器仅适合充电前检测，充电时检测则会对系统产生影响，另一类为电力传送线圈检测异物，其主要技术于量测参数变化以判断异物存在与否，量测的参数有传送功率、效率、S参数与品质因子等，但上述各参数皆会受到传输距离的不同而产生无法测定的变化，不易精准判断是否真实的有异物存在。

如中国台湾发明专利公开第201415064号「在预定的空间中检测金属物件之系统、方法及装置」(以下简称前案)，其主要是一种用于检测一物件的一存在的装置，该装置包括一谐振电路，该谐振电路具有一谐振频率，该谐振电路包括一感测电路，该感测电路包括一导电结构，该装置进一步包括一耦合电路，该耦合电路耦合至该感测电路，该装置进一步包括一检测电路，该检测电路经由该耦合电路而耦合至该感测电路，该检测电路经组态(由一磁性垫及其塑胶围封体构成)以回应于检测取决于该谐振电路正在谐振的一频率的一测定特性与取决于该谐振电路的该谐振频率的一对应特性之间的一差而检测该物件的该存在，该耦合电路经组态以缩减在不存在该物件的情况下由该检测电路进行的该谐振频率的一变化。

由上述现有技术可知，若有金属异物侵入充电区域范围，因充电中而令金属异物产生高温，使得发生危险令设备损坏的可能性非常的高，但是现有技术中的外加式感测器容易影响电力传输的性能，电力传送线圈检测异物技术会受到传输距离的不同而无法精准判断是否有异物真实的存在，虽然前案经由量测谐振频率的变化藉以办别异物存在与否，但是使用的元件结构复杂使得制造成本较高，而且以该谐振频率的一对应特性之间的一差做为有异物存在的依据，仍无法有效率并精准的判断是否真的有金属异物存在，因此，现有的金属异物检测技术仍存在有受传输距离变动的影响、准确性及制造成本高等问题，实在有待提出更理想的解决方案。

发明内容

有鉴于上述现有技术的问题，本发明主要目的在于提供一种无线充电系统及其金属异物检测方法，其可应用于无线充电开始前以及无线充电进行中，以即时具有效率、不受传输距离变动的影响并且具有准确性又低成本的方式，检测出充电区域内是否有金属异物侵入，以避免因金属异物产生高温而造成的设备损坏及危险。

为达成上述目的所采取的主要技术手段是令前述无线充电系统的金属异物检测方法，通过一无线充电装置发射一电磁信号供一用电装置接收，并由该无线充电装置执行下列步骤：

接收一组以上的电压/电流信息，该组电压/电流信息是一波形信号，並根据该波形信号计算出对应的一周期信号，以取得该组电压/电流信息的相位差信息；

判断该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于一安全范围；

若该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于该安全范围，则执行一应变措施。

在前述步骤中，当开始进行无线充电前或充电中时，该无线充电装置发射电磁信号至该用电装置，并由该无线充电装置接收并判断电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于该安全范围，若该无线充电装置判断电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于该安全范围，则令该无线充电装置执行一应变措施，以即时判断出是否有金属异物侵入，避免因金属异物产生高温而造成的设备损坏及危险，达到提升无线充电安全性的目的。

为达成上述目的所采取的又一主要技术手段是令前述无线充电系统包括：

一无线充电装置，主要由一发送端控制器、一信号转换模块以及一发送天线所组成；该信号转换模块分别与该发送天线、该发送端控制器连接，以驱动该发送天线发射电磁信号，并由该发送端控制器检测该发送天线的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，其中检测到的电压/电流信息是一波形信號，并根据该波形信号计算出对应的一周期信号，以取得该组电压/电流信息的相位差信息；

一用电装置，具有一接收端线圈、一整流器与一接收端控制器，该接收端线圈、该接收端控制器分别与该整流器连接，该接收端线圈将感应电磁信号所产生的电流，由该整流器输出至一电源输出端；

藉由上述无线充电装置的发送端控制器判断电压/电流信息及其相位差信息，当电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于一安全的检测范围时，则对该信号转换模块发送一控制信号使得该发送天线中断发射电磁信号。

由上述构造可知，于开始进行无线充电之前，该无线充电装置是通过该发送天线发射电磁信号至该用电装置，并由该发送端控制器检测该发送天线的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，当该无线充电装置的发送端控制器判断电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于安全的检测范围时，则令该信号转换模块发送一控制信号，使得该发送天线中断发射电磁信号；若是正在进行无线充电中，该用电装置系以该接收端线圈接收感应电磁信号，并将所产生的电流由该整流器输出至电源输出端，并且同时由发送端控制器判断电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于安全的检测范围，若是，则使得该发送天线中断发射电磁信号，通过上述方式可即时判断出是否有金属异物侵入，避免因金属异物产生高温而造成的设备损坏及危险，以达到提升无线充电安全性的目的。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1本发明一较佳实施例的系统架构示意图；

图2本发明另一较佳实施例的系统架构示意图；

图3本发明通过电压/电流信息取得相位差信息的波形图；

图4本发明一较佳实施例的金属异物检测方法流程图；

图5本发明一较佳实施例的判断金属异物流程图；

图6本发明一较佳实施例的产生警报信号流程图。

其中，附图标记

10无线充电装置

11发送端控制器 12信号转换模块

121第一信号转换器 122第二信号转换器

13发送天线 14第一通信模块

20用电装置

21接收端线圈 22整流器

23接收端控制器 24第二通信模块

30电源端

40紧急中止模块 41人机界面

42电能管理系统 43整车控制器

50输出端

60金属异物

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

关于本发明无线充电系统的一较佳实施例的系统架构，请参考图1所示，其中包括一无线充电装置10与一用电装置20均设置于一充电区域内，并由该无线充电装置10检测该充电区域内是否有一个以上的金属异物60侵入，该无线充电装置10分别与外部一电源端30、一紧急中止模块40连接，该用电装置20与一电源输出端50连接；本实施例中，若无线充电系统运作时有紧急事件发生，例如检测到金属异物、过温度、过电压、过电流等事件，能够通过该紧急中止模块40送出一即时中断信号至该无线充电装置10，以令无线充电系统立即停止运作，而且必须先加以说明的是，本发明能够应用在尚未开始无线充电以前，并且又能够在无线充电进行中使用，因此使用的时机并不受限制而相当具有即时性与便利性。

该无线充电装置10主要由一发送端控制器11、一信号转换模块12以及一发送天线13所组成；该信号转换模块12分别连接该发送天线13、该发送端控制器11以及该电源端30，接收该电源端30提供的一电力信号以驱动该发送天线13发射一电磁信号，并由该发送端控制器11检测该发送天线13的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，该发送端控制器11是与该紧急中止模块40连接；因此在尚未开始无线充电以前，该无线充电装置10根据该发送端控制器11接收到一组以上的电压/电流信息及其相位差信息，判断该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于一预设的安全范围，当该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于该安全范围时，则对该信号转换模块12发送一控制信号使得该发送天线13中断发射电磁信号，并令该无线充电装置10发出一警报信号。

再者，该用电装置20具有一接收端线圈21、一整流器22与一接收端控制器23，该接收端线圈21、该接收端控制器23分别与该整流器22连接，而在无线充电进行当中，该接收端线圈21将感应上述无线充电装置10的发送天线13所发出的电磁信号并产生一电流，再经由该整流器22将电流输出至该电源输出端50，该接收端控制器23可量测接收端信息，若该无线充电装置10的发送端控制器11判断该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于该安全范围时，则对该信号转换模块12发送该控制信号令该发送天线13即时地中断发射电磁信号，使得在无线充电进行当中的无线充电系统，能避免因金属异物产生高温而造成的设备损坏及危险并达到提升无线充电安全性的目的。

请参阅图2所示，为本发明无线充电系统的另一较佳实施例，本实施例的主要技术内容是与前一实施例大致相同，惟本实施例中该无线充电装置10进一步包括一第一通信模块14与该发送端控制器11连接，并且该信号转换模块12具有一第一信号转换器121与一第二信号转换器122，该第二信号转换器122分别与该电源端30以及该第一信号转换器121连接，该第一信号转换器121分别与该发送天线13以及该发送端控制器11连接，本实施例中该第一信号转换器121是指一DC/AC转换器，该第二信号转换器122是指一AC/DC转换器；除此之外，本实施例中该用电装置20进一步包括一第二通信模块24，该第二通信模块24与该接收端控制器23连接，该第二通信模块24通过一通信协定与该第一通信模块14连接。

为进一步的提升无线充电系统的安全性，本实施例中该用电装置20的接收端控制器23可分别与一紧急中止模块40、一人机界面41、一电能管理系统(EMS)42以及一整车控制器(VCU)43等外部辅助系统连接，该紧急中止模块40可送出一即时中断信号至该用电装置20令系统立即停止运作，该人机界面41可由技术人员输入即时信息或产生相对应的控制，该电能管理系统42可依需求对用电装置20进行配电以提高效能，该整车控制器43用以调整动力控制、通信诊断、系统参数调校的技术。

为说明本发明无线充电装置10如何计算电压/电流信息及其相位差信息，请参考图3所示，为该无线充电装置10的发送端控制器11检测该发送天线13的一组电压/电流的模拟信号波形图；其中包含一代表时间T的水平轴与代表电压/电流振幅Am的垂直轴，该组电压S1及电流S2是于连续时间T上因振幅Am的变化所产生的波形，该振幅Am即代表电压S1及电流S2的实部阻抗值，当该些实部阻抗值大于一第一安全值时则同时需要判断其相位差信息是否大于一第二安全值，本实施例中该第一、第二安全值可以依照环境需要而调整为相同值或相异值。其中，该实部阻抗值及相位差可视需检测的异物大小而设定，其会受到环境及检测灵敏度所影响，如阻抗变化值为1％即可检测出来，更精准的甚至可以到0.1％的变化量可检测到，因此该第一、第二安全值可依实际需求进行设定。

在计算相位差信息的前，上述无线充电装置10的发送端控制器11是将该组电压S1及电流S2的波形信号转换为方波信号，以使计算结果更为准确，由该组电压S1及电流S2的方波信号中找出分别计算出一第一周期信号T1、一第二周期信号T2，该发送端控制器11是依据该第一周期信号T1与该第二周期信号T2的比例以取得该组电压/电流信息的一相位差信息，本实施例中，该相位差信息的计算方式，主要是由该第一周期信号T1除以该第二周期信号T2以得到一比例值，再以该比例值乘以360度而得到该相位差信息。

基于本发明上述各实施例的说明可进一步归纳出一无线充电系统的金属异物检测方法，该方法可执行于开始进行无线充电之前或正在进行无线充电中，其通过一无线充电装置10发射一电磁信号供一用电装置接收20，如图4所示，并由该无线充电装置10执行下列步骤：

由该发送端控制器11接收一组以上的电压/电流信息及其相位差信息(S41)；

判断该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于一安全范围(S42)；

若该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于该安全范围，则执行一应变措施(S43)；本实施例中该应变措施可为发出一告警信息或令发送天线13停止发射电磁信号至该用电装置20；需说明的是，当上述发送端控制器11接收多组电压/电流信息及其相位差信息时，判断其变化量的方式仍与一组电压/电流信息时相同，同样的当变化量大于一安全范围时亦执行用于保护的应变措施，只要多组电压/电流信息的其中一组被检测到有异物即触发应变措施，而多组电压/电流信息亦能够被检测出含有多组异物。

因此当无线充电装置10通过发送天线13发射电磁信号至该用电装置20，并由该发送端控制器11检测该发送天线13的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，当该无线充电装置10的发送端控制器11判断电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于安全的检测范围时，则令发送天线13中断发射电磁信号，当上述步骤执行至「由该发送端控制器11接收一组以上的电压/电流信息及其相位差信息(S41)」步骤时，如图5所示，该方法更包括下列步骤：

根据该组电压/电流信息取得相应的一实部阻抗值(S411)；

同时判断该组电压/电流信息相应的实部阻抗值、该组电压/电流信息的相位差信息是否分别大于一第一安全值、一第二安全值(S421)，该第一、第二安全值可以依照环境需要而调整为相同值或相异值，且进一步的该相位差信息的计算方式可由该第一周期信号与该第二周期信号相除得到一比例值，再将该比例值乘以360度而得到该相位差信息；

若判断该组电压/电流信息相应的实部阻抗值、该组电压/电流信息的相位差信息是否分别大于一第一安全值、一第二安全值的结果为是，则执行上述应变措施(S43)。

进一步的，当上述步骤执行至「则执行一应变措施(S43)」步骤时，如图6所示，该方法更包括下列步骤：

由该发送天线13送出一中断信号(S44)令发送天线13停止发射电磁信号至该用电装置20，并令该无线充电装置10发出一警报信号(S45)。

综上所述，本发明可分别适用于无线充电装置10与用电装置20开始无线充电之前或进行充电中，该无线充电装置20的发送端控制器11可检测该发送天线13的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，以即时、准确的判断该充电区域中是否有金属异物60侵入，避免因金属异物产生高温而造成的设备损坏及危险，并以制造成本较低的方式达到提升无线充电安全性的目的。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线充电系统的金属异物检测方法，其特征在于，通过一无线充电装置发射一电磁信号供一用电装置接收，并由该无线充电装置执行下列步骤：

由该无线充电装置的一发送端控制器接收一组以上的电压/电流信息，该组电压/电流信息是一波形信号，并根据该波形信号计算出对应的一周期信号，以取得该组电压/电流信息的相位差信息；

由该无线充电装置的发送端控制器判断该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于一安全范围；

若该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于该安全范围，则执行一应变措施。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统的金属异物检测方法，其特征在于，当执行接收一组以上的电压/电流信息及其相位差信息步骤，该方法更包括下列步骤：

根据该组电压/电流信息取得相应的一实部阻抗值。

3.根据权利要求2所述的无线充电系统的金属异物检测方法，其特征在于，当执行判断该组电压/电流信息及其相位差信息的变化量是否大于一安全范围步骤，该方法更包括下列步骤：

同时判断该组电压/电流信息相应的实部阻抗值、该组电压/电流信息的相位差信息是否分别大于一第一安全值、一第二安全值；

若是，则执行一应变措施。

4.根据权利要求3所述的无线充电系统的金属异物检测方法，其特征在于，当执行一应变措施步骤，该方法更包括下列步骤：

送出一中断信号，令该无线充电装置发出警报。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的无线充电系统的金属异物检测方法，其特征在于，该组电压/电流信息具有一第一周期信号、一第二周期信号，并依据该第一周期信号与该第二周期信号的比例以取得该组电压/电流信息的相位差信息。

6.一种无线充电系统，其特征在于，包括：

一无线充电装置，包括一发送端控制器、一信号转换模块以及一发送天线；该信号转换模块分别与该发送天线、该发送端控制器连接，以驱动该发送天线发射电磁信号，并由该发送端控制器检测该发送天线的耗电状况、电压/电流信息及其相位差信息，其中检测到的电压/电流信息是一波形信号，并根据该波形信号计算出对应的一周期信号，以取得该组电压/电流信息的相位差信息；

一用电装置，具有一接收端线圈、一整流器与一接收端控制器，该接收端线圈、该接收端控制器分别与该整流器连接，该接收端线圈将感应电磁信号所产生的电流，由该整流器输出至一电源输出端；

藉由上述无线充电装置的发送端控制器判断电压/电流信息及其相位差信息，当上述无线充电装置的发送端控制器判断电压/电流信息及其相位差信息的变化量大于一安全范围时，则对该信号转换模块发送一控制信号使得该发送天线中断发射电磁信号。

7.根据权利要求6所述的无线充电系统，其特征在盱，该信号转换模块具有一第一信号转换器与一第二信号转换器，该第二信号转换器连接于该第一信号转换器与电源之间，该第一信号转换器分别与该发送天线、该发送端控制器连接。

8.根据权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，该无线充电装置进一步包括一第一通信模块，该第一通信模块与该发送端控制器连接；该用电装置进一步包括一第二通信模块，该第二通信模块与该接收端控制器连接；其中，该第二通信模块与该第一通信模块连接。

9.根据权利要求8所述的无线充电系统，其特征在于，该第一信号转换器为一DC/AC转换器，该第二信号转换器为一AC/DC转换器。

10.根据权利要求9所述的无线充电系统，其特征在于，该无线充电装置的发送端控制器与一紧急中止模块连接，该用电装置的接收端控制器与一紧急中止模块、一人机界面、一电能管理系统或一整车控制器连接。

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