CN107134858B - 无线电能传输系统及其金属异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线电能传输系统及其金属异物检测方法，该发明包括可进行能量和通信传输的无线发射端和无线接收端，无线发射端还包括发射端MCU，以及连接于发射线圈电能输入端的发射端谐振电容，发射端谐振电容的两端并联设置有可用于检测是否存在金属异物的金属异物检测电路，发射端MCU电性连接金属异物检测电路，以控制金属异物检测电路的启动与否；本发明的方法使用上述无线电能传输系统进行金属异物的检测。本发明在无线电能系统工作前先识别在发射与接收线圈之间是否存在金属异物，保证了整个无线电能传输系统的安全、可靠、稳定工作。

Description

无线电能传输系统及其金属异物检测方法

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种可在无线充电前检测金属异物的无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合来进行电能传输的技术，其主要优点是不需要插拔，使用简单方便；不会产生电火花，适用范围较广，如可以在易燃易爆的工业环境中使用，可以在水中进行能量传输，也可以应用到海洋装备等水下应用中。

目前，无线电能传输系统主要包含两部分，一部分是能量传输，通过电能变换和谐振耦合，将电能从无线发射端传输到无线接收端；另外一部分是通信控制，主要用于完成发射端与接收设备之间的信息和控制交互，保证整个系统工作的安全性和稳定性。其中，无线电能传输系统在进行能量传输时，无线发射端线圈和无线接收端线圈之间往往存在着一定的距离空间，此时，若无线发射端线圈上落了一些金属的物体，如钥匙、铁钉和硬币等，线圈间高频交变的磁场通过电磁感应对金属异物加热，线圈间温度会迅速上升，存在一定的火灾风险。

中国发明专利CN 105790324A中公开了一种无线充电系统及其金属异物检测方法，该发明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。

上述现有专利中，虽然通过上述技术方案可检测金属异物，但是因金属异物比较大时，产生的涡流损耗多，会比较容易检测出来，但当金属异物较小时，发热产生的涡流损耗很小，此时，就需要提高系统的检测精度，才能把金属异物准确地识别出来。而上述专利方案对于金属异物较小时，显然不能精准的识别。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线电能传输系统及其金属异物的检测方法，本发明在无线电能系统工作前先识别在发射与接收线圈之间是否存在金属异物，保证了整个无线电能传输系统的安全、可靠、稳定工作。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线电能传输系统，包括可进行能量和通信传输的无线发射端和无线接收端，无线发射端连接于电网，包括可传输无线电能的发射线圈，无线发射端还包括发射端MCU，以及连接于设置于与电网与发射线圈电能输入端串联或并联之间的发射端谐振电容，发射端谐振电容的两端并联设置有可用于检测是否存在金属异物的金属异物检测电路，发射线圈与发射端MCU之间设置有可采集发射线圈电压的采样电路，发射端MCU电性电连接金属异物检测电路，以控制金属异物检测电路的启动与否。

作为本发明的进一步优化，金属异物检测电路包括可采集发射线圈电压或电流信号的采样电路，并联于发射端谐振电容两侧的电容C1，以及与电容C1相串联的继电器电控开关，其中，采样电路的输出端连接发射端MCU，电控开关继电器串联有继电器驱动电路驱动控制电路，发射端MCU连接继电器驱动电路驱动控制电路，以控制电控开关继电器的吸合。

作为本发明的进一步优化，发射端MCU包括可采集采样电路中电压信号的采集模块，可判断是否存有金属异物的判断模块，可控制金属异物检测电路是否启动的启动模块，以及可控制无线发射端输出频率的控制模块，其中，采集模块电性连接判断模块，以根据采集模块的电压信号判断是否存有金属异物；启动模块电性连接继电器驱动电路驱动控制电路，以控制继电器电控开关的吸合。

作为本发明的进一步优化，发射端MCU进一步包括有预存有基准电压值的预存模块，将采集电路中电压值与基准电压值进行比较并输出比较信号的比较模块，以及可对比较模块中输出的高电平进行计数的计数器；其中，比较模块同时电性连接预存模块以及采集模块，比较模块电性连接计数器，以将比较模块的比较信号输出至计数器；计数器电性连接判断模块，判断模块根据计数器输出的高电平个数判断是否存在金属异物。

作为本发明的进一步优化，发射端谐振电容串联或并联于发射线圈。

作为本发明的进一步优化，无线发射端进一步包括连接于电网输出端的发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射端谐振电容设置于逆变电路与发射线圈之间。

作为本发明的进一步优化，无线发射端进一步包括可接收通讯信号的无线通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈电能的接收线圈，可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至无线通信接收模块的无线通信发射模块。

作为本发明的进一步优化，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的接近式传感器，接近式传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，接近式传感器连接有发射端MCU，以接收接近式传感器形成的感应信号；发射端MCU电性连接有稳压电路，稳压电路根据发射端MCU输出的PWM信号输出相应频率，稳压电路的输出端连接逆变电路。

作为本发明的进一步优化，接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。

作为本发明的进一步优化，无线接收端的接收线圈连接有接收端谐振电容，接收端谐振电容的另一端连接整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接整流电压采样电路和接收端稳压电路，接收端稳压电路的输出端连接有输出电流电压采样电路，输出电流电压采样模块的输出端和输出电压采样电路的输出端均连接接收端MCU，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，使用上述所述无线电能传输系统，包括以下步骤：

S1：无线电能传输系统供电；

S2：继电器驱动电路驱动控制电路控制继电器电控开关吸合，启动金属异物检测电路；

S3：发射端MCU以预设频率f1驱动无线发射系统的运行至预设时间T后，发射端MCU关断对稳压电路以及继电器驱动电路驱动控制电路的控制；

S4：发射端MCU采集断开后的发射线圈电压，并与预存的基准电压进行比对输出比较信号，其中，当采集电压高于基准电压时输出高电平，当采集电压低于基准电压时输出低电平；

S5：比较模块接收比较信号，并计数输出高电平的个数n，并与发射端MCU中预存的基准个数N进行比对，若n<N，并继续操作S6；反之，则继续操作S7；

S6：输出无线电能传输系统存有金属异物信号，无线电能传输系统停止供电并进入排查程序，排查完成后返回S1；

S7：无线电能传输系统中不存在金属异物，则继电器电控开关关闭，发射端MCU以工作频率f2控制稳压电路输出，并进入无线电能传输系统的电能传输程序。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的无线电能传输系统，其设置有金属检测电路，可在无线电能传输系统运行前检测是否有金属异物的存在，保证了整个无线电能传输系统的安全、可靠、稳定工作；

2、本发明无线电能传输系统的金属异物检测方法，其通过不同频率的控制，有效的在无线电能传输系统工作前对金属异物进行检测，同时，因频率的调整，能精准的检测较小金属异物，更精确。

附图说明

图1为无金属异物时发射线圈电压振荡衰减波形图；

图2为有金属异物时发射线圈电压振荡衰减波形图；

图3为本发明无线电能传输系统第一种实施例的框图示意图；

图4为本发明无线电能传输系统第二种实施例的框图示意图；

图5为金属异物检测电路的拓扑图；

图6为本发明无线电能传输的金属异物检测方法流程图。

其中，1、无线发射端；11、发射线圈；12、金属异物检测电路；2、无线接收端；21、接收线圈。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在说明本发明之前，首先为了便于本领域技术人员的理解，申请人就本发明的创造原理简述如下：无线电能传输系统正常工作时，发射线圈和接收线圈之间通过谐振产生高频交变的磁场来进行能量传输，因此，发射线圈中有一部分能量要用来建立磁场。当发射端MCU产生PWM信号输出时，无线发射端提供能量，首先用来建立磁场，磁场建立后，无线接收端才能拾取能量，而当发射端MCU关闭PWM信号输出时，无线发射端停止能量供给，但发射线圈中用来建立磁场的能量并不会马上消失，而是依靠发射线圈自身的内阻损耗产生振荡衰减，线圈上电压信号逐渐减小，直至为零，波形如图1所示；而当发射线圈上存在金属异物时，发射线圈中储存的能量的衰减则变为线圈自身内阻损耗和金属异物的涡流损耗两部分，能量衰减过程会加速，线圈电压衰减到零所需的时间就会减小，波形如图2所示。由于线圈的内阻是固定不变的，为了实现对微小金属异物的检测，就需要提高金属异物的涡流损耗在总损耗中的占比，这样金属异物的加入就会对发射线圈中能量衰减的影响比较大，进行波数检测时，波数的变化也会比较大，更容易进行检测到微小的变化，从而提供了整个系统的检测精度。同时，由于无线电能传输系统工作在交变电磁场中，无论是在耦合线圈中，或是金属异物中都存在高频的集肤效应，即产生的电流(或涡电流)的频率越高，穿透深度越小，电流主要在导体的表面流过，由于功率传输线圈通常采用李兹线(多股漆包线)，已达到最大穿透深度，减小频率对其内阻不会产生影响，而金属异物的穿透深度会随频率的减小而增大，在金属异物上产生的涡流损耗会明显增大，金属异物损耗的占比就会随之增大。

如图3、图4所示，本发明提供了一种无线电能传输系统，包括可进行能量和通信传输的无线发射端1和无线接收端2，其中，无线发射端1连接于电网，包括可传输无线电能的发射线圈11，无线发射端还包括发射端MCU，以及连接于发射线圈11的发射端谐振电容，发射端谐振电容的两端并联设置有可用于检测是否存在金属异物的金属异物检测电路12，发射端MCU电连接金属异物检测电路，以控制金属异物检测电路的启动与否。其中，本发明中，发射线圈11与发射端谐振电容可如图3中所示的串联方式，也可为如图4所示的并联方式。

参见图5，进一步详述，上述金属异物检测电路12包括可采集发射线圈11中电压或电流信号的采样电路，并联于发射端谐振电容两侧的电容C1，以及与电容C1相串联的电控开关，其中，采样电路的输出端连接发射端MCU，电控开关串联有驱动控制电路，发射端MCU连接驱动控制电路，以控制电控开关的吸合。该金属异物检测电路，在正常能量传输阶段，电控开关断开，只有原有的谐振电容参与系统工作，即不影响无线电能传输系统的正常工作；当进行金属异物检测时，电控开关吸合，将电容C1与发射端谐振电容并联，增加无线发射端整体的谐振电容值，相当于降低了无线电能传输系统的谐振频率，能够实现准确、有效的检测，提高了金属异物检测的检测精度。此处需要说明的是，上述电控开关可为继电器、MOSFT、IGBT等，只要其能控制电容C1的线路是否连通即可，对其具体为某一种开关并不限定。

此外，在该图5中，金属异物检测电路12进一步包括电压比较器U1，可起到分压作用的电阻R1、电阻R2，共同组成半波整流电路的二极管D1和电阻R3，以及限流电阻R4。其中，电阻R1、电阻R2对发射线圈电压进行降压处理，半波整流电路利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉，将交流电转换为脉动直流电。限流电阻用以限制所在支路电流的大小，以防电流过大烧坏电压比较器。上述中，采样电压是只有正半部分的脉动直流电，以LC自身固有频率缓慢震荡衰减。预设一个基准电压值，当采样电压大于基准电压时比较器输出高电平，当采样电压小于基准电压时比较器输出低电平。金属异物检测电路采集发射线圈的电压信号送入比较器与基准电压进行比较后转变为高低电平信号。

结合图3和图4所示，发射端MCU包括可采集采样电路中电压信号的采集模块，可判断是否存有金属异物的判断模块，可控制金属异物检测电路是否启动的启动模块，以及可控制无线发射端输出频率的控制模块，其中，采集模块电性连接判断模块，以根据采集模块的电压信号判断是否存有金属异物；启动模块电性连接驱动控制电路，以控制电控开关的吸合。发射端MCU进一步包括有预存有基准电压值的预存模块，将采集电路中电压值与基准电压值进行比较并输出比较信号的比较模块，以及可对比较模块中输出的高电平进行计数的计数器；其中，比较模块同时电性连接预存模块以及采集模块，比较模块电性连接计数器，以将比较模块的比较信号输出至计数器；计数器电性连接判断模块，判断模块根据计数器输出的高电平个数判断是否存在金属异物。

继续参见图3和图4，无线发射端进一步包括连接于电网输出端的发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射端谐振电容设置于逆变电路与发射线圈之间。无线发射端进一步包括可接收通讯信号的无线通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈电能的接收线圈，可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至无线通信接收模块的无线通信发射模块。无线接收端的接收线圈连接有接收端谐振电容，接收端谐振电容的另一端连接整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接整流电压采样电路和接收端稳压电路，接收端稳压电路的输出端连接有输出电流电压采样电路，输出电流电压采样模块的输出端和输出电压采样电路的输出端均连接接收端MCU，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

为了能实时感应无线接收端是否进入至在工作范围内，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的接近式传感器，接近式传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，接近式传感器连接有发射端MCU，以接收接近式传感器形成的感应信号；发射端MCU电性连接有稳压电路，稳压电路根据发射端MCU输出的PWM信号输出相应频率，稳压电路的输出端连接逆变电路。优选地，接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。

通过上述无线电能传输系统，进一步说明详述其工作方法：无线电能传输系统工作时，从电网取交流电进入发射端整流滤波电路，使工频交流电变为直流电；然后，发射端MCU控制电路产生PWM驱动信号，使直流电经过逆变电路后变换高频交流电，用于激励发射端的谐振线圈；接收端线圈通过磁场耦合拾取能量，并经过接收端高频整流滤波电路，再输出直流电。该直流电经过DC/DC稳压电路输出负载设备所需要电压；当负载变化、器件参数漂移、温升变化时都会影响整个系统工作的稳定性。为了实现无线电能传输系统的稳定运行，在无线接收端和无线发射端增加通信模块，将无线接收端的状态信息返回给无线发射端，实现整个无线电能系统的闭环控制。在这个过程中，无线接收端的接收端MCU会采样输出侧的整流电压信号，并经过与之相连无线通信发射模块发送到无线发射端设备的无线通信接收模块；发射端MCU会根据与之相连的无线通信接收模块返回的输出侧整流电压值，调节PWM频率、占空比或相位来稳定输出整流电压；接近式传感器则用来判别是否接收端线圈进入系统工作区域。本发明设置的金属异物检测电路则是用来检测线圈间是否有金属异物的。

参见图6，本发明还提供了一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，使用上述的无线电能传输系统，包括以下步骤：

S1：无线电能传输系统供电，系统初始化；

S2：驱动控制电路控制电控开关吸合，启动金属异物检测电路，以进行无线电能传输系统供电前的金属异物检测；

S3：发射端MCU以预设频率f1驱动无线发射系统的运行至预设时间T后，发射端MCU关断对稳压电路以及驱动控制电路的控制；其中，在步骤中，预设频率f1小于工作频率f2，从而如若在该系统中存在金属异物，在金属异物上产生的涡流损耗会明显增大，金属异物损耗的占比就会随之增大，能更精准的检测到金属异物的存在；

S4：发射端MCU采集断开后的发射线圈电压，并与预存的基准电压进行比对输出比较信号，其中，当采集电压高于基准电压时输出高电平，当采集电压低于基准电压时输出低电平；需要说明的是，该步骤中基准电压可以选取大于0的任意值，其选取基准一般根据功率等级、线圈大小等确定。同时该基准电压不宜过大，过大将会降低检测精度；同时也不宜过小，因过小会引入不必要的噪声信息。

S5：比较模块接收比较信号，并计数输出高电平的个数n，并与发射端MCU中预存的基准个数N进行比对，若n<N，并继续操作S6；反之，则继续操作S7；此处的基准个数N为无金属异物时，发射线圈电压振荡衰减后大于基准电压的个数，即该基准个数的选取决定于上述基准电压的选取；

S6：输出无线电能传输系统存有金属异物信号，无线电能传输系统停止供电并进入排查程序，排查完成后返回S1；该排查程序中可包括报警程序，以提示存有金属异物信号；该步骤中，由于电容C1的存在，导致无线电能系统的振荡衰减的频率减小，金属异物上产生的涡流损耗明显增大，金属异物损耗占比增大，发射线圈电压衰减震荡速度加快，使得电压采样电路采集输出的脉冲个数变少，此时不能进行电能传输，而且应该发出检测到金属异物的警报；

S7：无线电能传输系统中不存在金属异物，则电控开关关闭，发射端MCU以工作频率f2控制稳压电路输出，并进入无线电能传输系统的电能传输程序。

Claims (9)

1.一种无线电能传输系统，包括可进行能量和通信传输的无线发射端和无线接收端，无线发射端连接于电网，包括可传输无线电能的发射线圈，其特征在于：

无线发射端还包括发射端MCU，以及连接于发射线圈电能输入端的发射端谐振电容，发射端谐振电容的两端并联设置有可用于检测是否存在金属异物的金属异物检测电路，所述金属异物检测电路包括可采集发射线圈电压或电流信号的采样电路，发射端MCU电性连接金属异物检测电路，以控制金属异物检测电路的启动与否，金属异物检测电路启动后发射端MCU以预设频率f1驱动无线发射端运行；

所述发射端MCU进一步包括有：可采集采样电路中电压信号的采集模块，预存有基准电压值的预存模块，将采集电路中电压值与基准电压值进行比较并输出比较信号的比较模块，以及可对比较模块中输出的高电平进行计数的计数器；其中，比较模块同时电性连接预存模块以及采集模块，比较模块电性连接计数器，以将比较模块的比较信号输出至计数器；计数器电性连接判断模块，判断模块根据计数器输出的高电平个数判断是否存在金属异物。

2.根据权利要求1所述无线电能传输系统，其特征在于：金属异物检测电路还包括并联于发射端谐振电容两侧的电容C1，以及与电容C1相串联的电控开关，其中，采样电路的输出端连接发射端MCU，电控开关串联有驱动控制电路，发射端MCU连接驱动控制电路，以控制电控开关的吸合。

3.根据权利要求2所述无线电能传输系统，其特征在于：发射端MCU还包括：可判断是否存有金属异物的判断模块，可控制金属异物检测电路是否启动的启动模块，以及可控制无线发射端输出频率的控制模块，其中，所述采集模块电性连接判断模块，以根据采集模块的电压信号判断是否存有金属异物；启动模块电性连接驱动控制电路，以控制电控开关的吸合。

4.根据权利要求1-3中任一项所述无线电能传输系统，其特征在于：发射端谐振电容串联或并联于发射线圈。

5.根据权利要求1-4中任一项所述无线电能传输系统，其特征在于：无线发射端进一步包括连接于电网输出端的发射端整流滤波电路，发射端整流滤波电路的输出端连接有逆变电路，发射线圈连接逆变电路的输出端，发射端谐振电容设置于逆变电路与发射线圈之间。

6.根据权利要求5所述无线电能传输系统，其特征在于：无线发射端进一步包括可接收通讯信号的无线通信接收模块；无线接收端外连负载，包括可接收发射线圈电能的接收线圈，可将接收线圈输出电能转化为通讯信号传输至无线通信接收模块的无线通信发射模块。

7.根据权利要求6所述无线电能传输系统，其特征在于：发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的接近式传感器，接近式传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号，接近式传感器连接有发射端MCU，以接收接近式传感器形成的感应信号；发射端MCU电性连接有稳压电路，稳压电路根据发射端MCU输出的PWM信号输出相应频率，稳压电路的输出端连接逆变电路。

8.根据权利要求7所述无线电能传输系统，其特征在于：无线接收端的接收线圈连接有接收端谐振电容，接收端谐振电容的另一端连接整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接整流电压采样电路和接收端稳压电路，接收端稳压电路的输出端连接有输出电流电压采样电路，输出电流电压采样模块的输出端和输出电压采样电路的输出端均连接接收端MCU，接收端MCU连接通信发射模块，以将转换后的数字信号传输至通信发射模块形成通讯信号。

9.一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，使用权利要求1-8中任一项所述无线电能传输系统，其特征在于：包括以下步骤：

S1：无线电能传输系统供电；

S2：驱动控制电路控制电控开关吸合，启动金属异物检测电路；

S3：发射端MCU以预设频率f1驱动无线发射系统的运行至预设时间T后，发射端MCU关断对稳压电路以及驱动控制电路的控制；

S4：发射端MCU采集断开后的发射线圈电压，并与预存的基准电压进行比对输出比较信号，其中，当采集电压高于基准电压时输出高电平，当采集电压低于基准电压时输出低电平；

S5：比较模块接收比较信号，并计数输出高电平的个数n，并与发射端MCU中预存的基准个数N进行比对，若n<N，并继续操作S6；反之，则继续操作S7；

S6：输出无线电能传输系统存有金属异物信号，无线电能传输系统停止供电并进入排查程序，排查完成后返回S1；

S7：无线电能传输系统中不存在金属异物，则电控开关关闭，发射端MCU以工作频率f2控制稳压电路输出，并进入无线电能传输系统的电能传输程序。