CN107070003A - 用于无线电能传输的金属异物检测装置、方法及传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线电能传输的金属异物检测装置、方法及传输系统，包括在发送线圈的外周布置多个信号采集线圈，多个信号采集线圈沿发送线圈的径向成对布置于发送线圈之外，且成对布置的两个信号采集线圈的旋转方向相反，多个信号采集线圈均连接至信号处理单元，根据成对布置的两个信号采集线圈的电动势信号判定无线电能传输是否存在金属异物，本发明避免了传统的位于发送线圈和接收线圈之间的金属检测线圈影响系统无线传能效率的问题，此外，亦避免了由于金属涡流效应引起金属检测线圈温度过高、进而造成安全隐患的风险，其在保证无线电能传输效率的前提下又有力地提升了系统安全性。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别地，涉及一种用于无线电能传输的金属异物检测装置、检测方法。此外，本发明还涉及一种包括上述金属异物检测装置的无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术在传输端与接收端之间以电磁场传送能量，两者之间不用电线连接。目前无线电能传输技术主要包括电磁感应式和磁谐振式。传输端的发送线圈如果连通一定频率的交流电，通过电磁感应在接收端的接收线圈中会产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应技术。磁谐振式无线电能传输系统由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity。
当无线电能传输系统的发送线圈与接收线圈之间出现金属类异物时，处在高频电磁场中的金属异物会产生电涡流损耗并导致异物热量的产生，当温度上升到一定值会有着火等安全性问题。此外，金属异物的存在同样会影响无线电能传输系统的传输效率等。所以，无线电能传输系统中金属异物检测已经是无线电能传输系统重要的一环，例如QI无线充电协议标准通过发送端到接收端的功率损耗来判断金属异物。但是在大功率传输环境下，这种方法并不适用，较小的金属可能检测不到。
CN 205081516U公开了一种无线充电发射器，通过在感应线圈的中心处设置温度探头，经温度探头检测发射器的温度变化进而判断发射器表面是否有金属异物，进而避免产生微波炉效应，保证使用安全。
CN 104716725A公开了《一种具有金属异物检测的电动汽车无线充电系统》，其在发送线圈和接收线圈之间敷设平衡结构金属检测线圈，利用金属检测线圈与金属检测电路形成回路来检测磁场中是否存在金属异物。由于金属检测线圈在发送线圈和接收线圈之间影响系统无线传能的效率，同时由于金属涡流效应，可以引起金属检测线圈温度过高造成安全隐患。
发明内容
本发明提供了一种用于无线电能传输的金属异物检测装置、方法及传输系统，以解决现有的无线电能传输系统存在金属异物检测影响系统无线传能效率的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种用于无线电能传输的金属异物检测装置，无线电能传输包括用于将输入端的电能转换为无线电发射的发送线圈及用于接收发送线圈发射的无线电并转换为感应电动势传递给负载端的接收线圈，金属异物检测装置包括：
多个信号采集线圈，多个信号采集线圈沿发送线圈的径向成对布置于发送线圈的外围，且成对布置的两个信号采集线圈的旋转方向相反；
信号处理单元，连接多个信号采集线圈，用于根据多个信号采集线圈生成的电动势信号判定无线电能传输是否存在金属异物。
进一步地，多个信号采集线圈位于以发送线圈的中心为圆心的同一圆周上，且多个信号采集线圈与发送线圈处于同一水平面上。
进一步地，多个信号采集线圈包括至少两组成对设置的信号采集线圈，多组成对设置的信号采集线圈沿周向均匀布置于发送线圈的外围。
进一步地，信号处理单元包括：
信号采集及处理电路，用于采集多个信号采集线圈生成的电动势信号并进行放大、滤波处理；
处理控制器，用于接收信号采集及处理电路的输出结果并进行逻辑处理以判断无线电能传输是否存在金属异物。
进一步地，处理控制器包括：用于判定是否存在金属异物的第一判定模块；
第一判定模块用于经加法器对对成对布置的信号采集线圈对应的滤波处理后的信号相加以判断其幅值是否超过第一阈值，若是则判定为存在金属异物。
进一步地，处理控制器还包括：用于判定金属异物是否为磁性金属的第二判定模块；
第二判定模块用于经相位比较器判断成对布置的信号采集线圈对应的滤波处理后的信号的相位差是否超过第二阈值，若是则判定金属异物为磁性金属。
进一步地，处理控制器还包括：
切断控制模块，连接第一判定模块，用于根据第一判定模块的检测结果切断发送线圈的供电电路。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于无线电能传输的金属异物检测方法，采用上述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，本发明检测方法包括：
判断发送线圈与接收线圈之间是否对齐；
当发送线圈与接收线圈对齐的情况下，在无线电能传输过程中，信号处理单元判断任意组成对布置的两个信号采集线圈经过放大、滤波、加法器相加后的电压幅值是否大于第一阈值，若是则判定无线电能传输过程中存在金属异物；
当发送线圈与接收线圈未对齐的情况下，在开始无线电能传能传输前，分别记录各组对称布置的两个信号采集线圈经过放大、滤波、加法器相加后的电压幅值极值；在无线传能工作过程中如果一组或者多组成对布置的两个信号采集线圈对应的电压幅值极值变化值大于设定阈值，则判定金属异物进入。
进一步地，判断发送线圈与接收线圈是否对齐包括：
当发送线圈与接收线圈尝试对齐的过程中，判断一组或者多组成对布置的两个信号采集线圈经过放大、滤波、加法器相加后的电压幅值是否超出第一阀值，若是则判定发送线圈与接收线圈未对齐。
根据本发明的另一方面，还提供一种无线电能传输系统，包括发送线圈、接收线圈及上述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，发送线圈连接有用于提供发射电能的电源驱动电路，接收线圈连接有用于给负载供电的电能转换电路。
本发明具有以下有益效果：
本发明用于无线电能传输的金属异物检测装置、方法及传输系统，通过在发送线圈的外周布置多个信号采集线圈，多个信号采集线圈沿发送线圈的径向成对布置于发送线圈之外，且成对布置的两个信号采集线圈的旋转方向相反，且多个信号采集线圈均连接至信号处理单元，信号处理单元根据成对布置的两个信号采集线圈的电动势信号判定无线电能传输是否存在金属异物，本发明将多个信号采集线圈成对布置于磁场相对较弱的发送线圈的外周，且各信号采集线圈较小，避免了传统的位于发送线圈和接收线圈之间的金属检测线圈影响系统无线传能效率的问题，此外，亦避免了由于金属涡流效应引起金属检测线圈温度过高、进而造成安全隐患的风险，其在保证无线电能传输效率的前提下又有力地提升了系统安全性，具有广泛的推广应用价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例无线电能传输系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例中信号采集线圈的布置及检测信号示意图；
图3是本发明优选实施例中信号采集及处理电路的结构示意图；
图4是本发明优选实施例中处理控制器的结构示意图；
图5是本发明优选实施例中无金属异物时成对布置的信号采集线圈的检测原理示意图；
图6是本发明优选实施例中有金属异物时成对布置的信号采集线圈的检测原理示意图；
图7是本发明优选实施例中区分磁性金属与非磁性金属的检测原理示意图。
附图标记说明：
1、发送线圈；
2、接收线圈；
3、电源驱动电路；
4、电能转换电路；
5、信号采集线圈；
6、信号处理单元；
61、信号采集及处理电路；
611、信号放大模块；612、滤波模块；
62、处理控制器；621、第一判定模块；622、第二判定模块；
623、切断控制模块；624、加法器；625、相位比较器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1及图2，本发明的优选实施例提供了一种用于无线电能传输的金属异物检测装置，本实施例中，无线电能传输包括用于将输入端的电能转换为无线电发射的发送线圈1及用于接收发送线圈1发射的无线电并转换为感应电动势传递给负载端的接收线圈2，该金属异物检测装置包括：多个信号采集线圈5，多个信号采集线圈5沿发送线圈1的径向成对布置于发送线圈1的外围，且成对布置的两个信号采集线圈5的旋转方向相反；信号处理单元6，连接多个信号采集线圈5，用于根据多个信号采集线圈5生成的电动势信号判定无线电能传输是否存在金属异物。
本实施例中，发送线圈1产生交变磁场，且发送线圈1和接收线圈2存在漏磁现象，设于发送线圈1外围的信号采集线圈5会产生对应的电动势信号。本实施例，由于将多个信号采集线圈5成对布置于发送线圈1的四周，该区域磁场相对较弱，且各信号采集线圈5较小，对无线电能传输效率几乎不会产生影响，避免了传统的位于发送线圈和接收线圈之间的金属检测线圈影响系统无线传能效率的问题，此外，亦避免了由于金属涡流效应引起金属检测线圈温度过高、进而造成安全隐患的风险，其在保证无线电能传输效率的前提下又有力地提升了系统安全性，具有广泛的推广应用价值。本实施例中，发送线圈1、接收线圈2及信号采集线圈5可以采用包括但不限于圆形、方形、棱形等形状，且多个信号采集线圈5只需成对布置于发送线圈1的外周即可。
优选地，参照图2，多个信号采集线圈5位于以发送线圈1的中心为圆心的同一圆周上，且多个信号采集线圈5与发送线圈1处于同一水平面上。在此结构中，对称布置的信号采集线圈5旋转方向相反，这样可以保证成对的信号采集线圈5采集的信号幅值相同，且信号相位相差180°，即电压幅值大小相等，极性相反。优选地，多个信号采集线圈5包括至少两组成对设置的信号采集线圈5，多组成对设置的信号采集线圈5沿周向均匀布置于发送线圈1的外围，可以进一步提高对金属异物检测的检测精度，且利于信号采集线圈小型化设计，避免对无线传能效率的干扰影响。
本实施例中，信号处理单元6包括：信号采集及处理电路61，用于采集多个信号采集线圈5生成的电动势信号并进行放大、滤波处理；处理控制器62，用于接收信号采集及处理电路61的输出结果并进行逻辑处理以判断无线电能传输是否存在金属异物。
参照图3，本实施信号采集及处理电路61包括：依次连接的用于对电动势信号进行放大的信号放大模块611、用于对放大后的信号进行滤波处理的滤波模块612。本实施例中，对称布置的信号采集线圈5采集的电压信号经信号放大模块611放大后，再经滤波模块612进行低频滤波，为处理控制器62的检测决策提供信号源。
参照图4，处理控制器62包括：用于判定是否存在金属异物的第一判定模块621；第一判定模块621用于经加法器624对对成对布置的信号采集线圈5对应的滤波处理后的信号相加以判断其幅值是否超过第一阈值，若是则判定为存在金属异物。图5示出了本发明优选实施例中无金属异物时成对布置的信号采集线圈的检测原理示意图；图6示出了本发明优选实施例中有金属异物时成对布置的信号采集线圈的检测原理示意图。两路滤波后的信号采集线圈的电压信号经加法器624相加，如果对应路径中没有金属异物产生电磁干扰，则经过加法器624相加的两路信号幅值为零；若对应路径中存在金属异物，则经过加法器相加的两路信号幅值由于电磁干扰存在突变，如图6示出的A区域，通过检测幅值峰值是否超出第一阈值，若超过，则判定存在金属异物，此处的第一阈值的大小可由本领域技术人员根据检测误差设定。
优选地，处理控制器62还包括：用于判定金属异物是否为磁性金属的第二判定模块622；第二判定模块622用于经相位比较器625判断成对布置的信号采集线圈5对应的滤波处理后的信号的相位差是否超过第二阈值，若是则判定金属异物为磁性金属。图7示出了本发明优选实施例中区分磁性金属与非磁性金属的检测原理示意图。由于磁性金属会引起发送电压与接收线圈电压之间的相位差，在检测到金属异物以后，将对称位置的信号采集线圈信号经过放大、滤波后输入相位比较器进行相位比较，如果单片机监测到相位差超过某一阀值，则判定该金属异物为磁性金属。
优选地，处理控制器62还包括：切断控制模块623，连接第一判定模块621，用于根据第一判定模块621的检测结果切断发送线圈1的供电电路。通过引入切断控制模块623对发送线圈1的供电通断进行切换控制，从而实现了对无线电能传输的智能控制。本实施例切断控制模块623可以采用继电器等类似的供电控制开关，由处理器(如单片机)生成切换控制信号。优选地，控制切断控制模块623动作的处理器还连接有报警装置，用于生成报警提示，以提醒用户供电路径上存在金属异物。更优选地，处理器还根据检测确定超过阈值对应的信号采集线圈的编码位置生成提示金属异物所处位置的指示信息，便于用户快速锁定排查区域，便于快速排查故障，提高维护及充电效率。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于无线电能传输的金属异物检测方法，采用上述实施例的用于无线电能传输的金属异物检测装置，本发明检测方法包括：
判断发送线圈1与接收线圈2之间是否对齐；
当发送线圈1与接收线圈2对齐的情况下，在无线电能传输过程中，信号处理单元6判断任意组成对布置的两个信号采集线圈5经过放大、滤波、加法器624相加后的电压幅值是否大于第一阈值，若是则判定无线电能传输过程中存在金属异物；
当发送线圈1与接收线圈2未对齐的情况下，在开始无线电能传能传输前，分别记录各组对称布置的两个信号采集线圈5经过放大、滤波、加法器624相加后的电压幅值极值；在无线传能工作过程中如果一组或者多组成对布置的两个信号采集线圈5对应的电压幅值极值变化值大于设定阈值，则判定金属异物进入。
通过采用该检测方法，既可以实现发送线圈1与接收线圈2对齐情形下的金属异物检测，又可以实现二者在未对齐情形下的金属异物检测，适用范围广。
本实施例中，判断发送线圈1与接收线圈2是否对齐包括：
当发送线圈1与接收线圈2尝试对齐的过程中，判断一组或者多组成对布置的两个信号采集线圈5经过放大、滤波、加法器624相加后的电压幅值是否超出第一阀值，若是则判定发送线圈1与接收线圈2未对齐。
通过引入该方法对发送线圈1与接收线圈2是否对否对齐进行判断，便于对发送线圈1与接收线圈2的位置进行校正，进而提升无线电能的传输效率。
根据本发明的另一方面，还提供一种无线电能传输系统，参照图1，包括发送线圈1、接收线圈2及上述实施例的用于无线电能传输的金属异物检测装置，发送线圈1连接有用于提供发射电能的电源驱动电路3，接收线圈2连接有用于给负载供电的电能转换电路4。本实施例中，电源驱动电路3包括高频交变电源，如功率放大器、MOSFET或者IGBT驱动模块等；电能转换电路4包括与接收线圈2相连的补偿电路、整流电路等。发送线圈1在电源驱动电路3的驱动下产生交变磁场，接收线圈2在交变磁场中感应生成感应电流，并经电能转换电路4转换为电能供电给负载。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于无线电能传输的金属异物检测装置，所述无线电能传输包括用于将输入端的电能转换为无线电发射的发送线圈(1)及用于接收所述发送线圈(1)发射的无线电并转换为感应电动势传递给负载端的接收线圈(2)，其特征在于，所述金属异物检测装置包括：
多个信号采集线圈(5)，所述多个信号采集线圈(5)沿所述发送线圈(1)的径向成对布置于所述发送线圈(1)的外围，且成对布置的两个所述信号采集线圈(5)的旋转方向相反；
信号处理单元(6)，连接所述多个信号采集线圈(5)，用于根据所述多个信号采集线圈(5)生成的电动势信号判定所述无线电能传输是否存在金属异物。
2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，其特征在于，
所述多个信号采集线圈(5)位于以所述发送线圈(1)的中心为圆心的同一圆周上，且所述多个信号采集线圈(5)与所述发送线圈(1)处于同一水平面上。
3.根据权利要求2所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，其特征在于，
所述多个信号采集线圈(5)包括至少两组成对设置的信号采集线圈(5)，多组成对设置的信号采集线圈(5)沿周向均匀布置于所述发送线圈(1)的外围。
4.根据权利要求1所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，其特征在于，
所述信号处理单元(6)包括：
信号采集及处理电路(61)，用于采集所述多个信号采集线圈(5)生成的电动势信号并进行放大、滤波处理；
处理控制器(62)，用于接收所述信号采集及处理电路(61)的输出结果并进行逻辑处理以判断所述无线电能传输是否存在金属异物。
5.根据权利要求4所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，其特征在于，
所述处理控制器(62)包括：用于判定是否存在金属异物的第一判定模块(621)；
所述第一判定模块(621)用于经加法器(624)对对成对布置的信号采集线圈(5)对应的滤波处理后的信号相加以判断其幅值是否超过第一阈值，若是则判定为存在金属异物。
6.根据权利要求5所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，其特征在于，
所述处理控制器(62)还包括：用于判定金属异物是否为磁性金属的第二判定模块(622)；
所述第二判定模块(622)用于经相位比较器(625)判断成对布置的信号采集线圈(5)对应的滤波处理后的信号的相位差是否超过第二阈值，若是则判定所述金属异物为磁性金属。
7.根据权利要求5或者6所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，其特征在于，
所述处理控制器(62)还包括：
切断控制模块(623)，连接所述第一判定模块(621)，用于根据所述第一判定模块(621)的检测结果切断所述发送线圈(1)的供电电路。
8.一种用于无线电能传输的金属异物检测方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，所述检测方法包括：
判断发送线圈(1)与接收线圈(2)之间是否对齐；
当发送线圈(1)与接收线圈(2)对齐的情况下，在无线电能传输过程中，信号处理单元(6)判断任意组成对布置的两个信号采集线圈(5)经过放大、滤波、加法器(624)相加后的电压幅值是否大于第一阈值，若是则判定无线电能传输过程中存在金属异物；
当发送线圈(1)与接收线圈(2)未对齐的情况下，在开始无线电能传能传输前，分别记录各组对称布置的两个信号采集线圈(5)经过放大、滤波、加法器(624)相加后的电压幅值极值；在无线传能工作过程中如果一组或者多组成对布置的两个信号采集线圈(5)对应的电压幅值极值变化值大于设定阈值，则判定金属异物进入。
9.根据权利要求8所述的用于无线电能传输的金属异物检测方法，其特征在于，
所述判断发送线圈(1)与接收线圈(2)是否对齐包括：
当发送线圈(1)与接收线圈(2)尝试对齐的过程中，判断一组或者多组成对布置的两个信号采集线圈(5)经过放大、滤波、加法器(624)相加后的电压幅值是否超出第一阀值，若是则判定发送线圈(1)与接收线圈(2)未对齐。
10.一种无线电能传输系统，其特征在于，包括发送线圈(1)、接收线圈(2)及如权利要求1至7任一所述的用于无线电能传输的金属异物检测装置，所述发送线圈(1)连接有用于提供发射电能的电源驱动电路(3)，所述接收线圈(2)连接有用于给负载供电的电能转换电路(4)。
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