CN109001821B - 无线电能传输系统中的高精度异物检测系统及方法 - Google Patents

无线电能传输系统中的高精度异物检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线电能传输过程中高精度异物检测系统及方法，通过平衡线圈产生电压信号；谐振电路将电压信号以差分方式接入信号采集电路；信号采集电路处理电压信号并得到目标信号；整流滤波电路将目标信号转化为初始直流信号；初始直流信号经放大电路、电压补偿电路分别进行放大以及电压补偿，得到输出电压；AD采样电路对输出电压采样，并将采样结果传输至控制器；控制器提取输出电压信号的特征参数，判断是否存在异物。本发明将发射线圈作为检测线圈的激励，无需额外激励电路，成本降低；采用先整流后放大的电路结构，提高了异物检测精度；采用电压补偿的电路结构，解决了输出电压饱和问题，实现了小金属异物的有效识别；系统结构简单。

Description

无线电能传输系统中的高精度异物检测系统及方法
技术领域
本发明涉及电路设计及磁路设计技术领域，属于无线充电系统异物检测领域，具体地，涉及一种无线电能传输系统中的高精度异物检测系统及方法。
背景技术
全球变暖和大气污染已经成为世界关注的焦点，而以内燃机为核心的汽车是造成该问题的主要原因。为了推进绿色环保的生活方式，电动汽车应运而生。电动汽车由电机驱动，通过将电能转化为机械能来推动车轮前进，具有极高的能量利用效率。电动汽车在保证原有汽车性能的同时，几乎可以达到“零排放”、“零污染”的要求。因此，国外国内公司、高校都在积极推进电动汽车的发展。
尽管电动汽车已经逐步普及，但是作电动汽车的有线充电设备却存在着诸多不便，这在很大程度上限制了电动汽车的推广。充电电缆沉重，充电方式不灵活，以及不可避免的机械磨损，线路老化都是有线充电的缺陷。为了解决这些问题，无线充电装置进入到了人们的视野。该装置由一个能量发射线圈和一个能量接收线圈组成，通过磁场感应耦合的方式，将能量从发射端传输到接收端，实现了能量的无线传输。由于没有直接的电气连接，该装置使人们对电能的使用更加安全与便捷。
而在无线充电系统中，金属异物检测又是必需的。因为金属物体处于无线充电传输路径中会产生涡流效应，然后温度会逐步上升，如果超过安全温度，就会损害到人体，甚至引起火灾。事实证明，一枚大头针位于汽车无线充电系统传输路径中时所产生的高温足以点燃大部分易燃物。从国内国外来看，现有的金属检测手段，很难达到汽车无线充电的安全和成本需求。所以，需要一种成本低，精度高，对系统影响小的检测装置。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种在无线电能传输过程中的高精度异物检测系统及方法。
根据本发明提供的一种高精度异物检测系统，包括平衡线圈、谐振电路、信号采集电路、整流滤波电路、放大电路、电压补偿电路、AD采样电路以及控制器；其中：
所述平衡线圈用于产生电压信号；
所述谐振电路用于将所述电压信号以差分方式接入所述信号采集电路；
所述信号采集电路用于处理所述电压信号并得到目标信号；
所述整流滤波电路用于将所述目标信号转化为初始直流信号；
所述初始直流信号经放大电路、电压补偿电路分别进行放大以及电压补偿，得到输出电压；
所述AD采样电路用于对所述输出电压采样，并将采样结果传输至控制器；
所述控制器用于提取输出电压信号的特征参数，判断是否存在异物。
优选地，所述平衡线圈包括设置于无线电能传输路径上的两个紧贴且互补的线圈，所述两个线圈相对于能量发射线圈的中心位置对称放置。
优选地，判断是否存在异物具体为：判断所述特征参数是否超过设定阈值，
若判断结果为是，则存在异物；
若判断结果为否，则不存在异物；
所述设定阈值为无异物时控制器检测到的输出电压信号的特征参数。
优选地，所述平衡线圈与电容串联连接或者并联连接形成所述谐振电路，所述谐振电路能够提高抗干扰性和检测增益。
优选地，所述电压信号包括两个交流电压信号。
根据本发明提供的一种高精度异物检测方法，包括如下步骤：
电压信号产生步骤：平衡线圈产生电压信号；
差分接入步骤：谐振电路将所述电压信号以差分方式接入所述信号采集电路；
信号处理步骤：信号采集电路处理所述电压信号并得到目标信号；
信号转化步骤：整流滤波电路将所述目标信号转化为初始直流信号；
电压输出步骤：初始直流信号经放大电路、电压补偿电路分别进行放大以及电压补偿，得到输出电压；
采样步骤：AD采样电路对所述输出电压采样，并将采样结果传输至控制器；
判断步骤：控制器提取输出电压信号的特征参数，判断是否存在异物。
优选地，所述平衡线圈包括设置于无线电能传输路径上的两个紧贴且互补的线圈，所述两个线圈相对于平衡线圈的中心位置对称放置。
优选地，判断是否存在异物具体为：判断所述特征参数是否超过设定阈值，
若判断结果为是，则存在异物；
若判断结果为否，则不存在异物；
所述设定阈值为无异物时控制器检测到的输出电压信号的特征参数。
优选地，所述平衡线圈与电容串联连接或者并联连接形成所述谐振电路，所述谐振电路能够提高抗干扰性和检测增益。
优选地，所述电压信号包括两个交流电压信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将发射线圈作为检测线圈的激励，无需额外的激励电路，成本降低；
2、本发明采用先整流后放大的电路结构，减弱了对放大器的性能要求，减小了高频噪声，确保了干净稳定的输出信号，为高精度异物检测提供条件；
3、本发明采用电压补偿的电路结构，解决了输出电压饱和问题，实现了小金属异物的有效识别；
4、本发明的整个系统结构简单，成本低，鲁棒性强，对小物体的检测效果良好，保证了无线充电系统的安全运行。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的高精度异物检测系统的系统结构图。
图2是本发明的平衡线圈外部的谐振电路(串联)的电路图。
图3是本发明的平衡线圈外部的谐振电路(并联)的电路图。
图4是本发明的高精度异物检测方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明提供了一种高精度异物检测系统，能够在无线电能传输过程中对异物进行高精度检测，包括检测平衡线圈外部的谐振电路和后级信号处理电路，本发明基于涡流效应的原理，当导体存于交变的磁场中，导体内会感生出电流。当无金属异物时，信号处理电路的输出电压为一给定值。当金属异物进入无线电能传输路径上时，会改变平衡线圈部分区域的磁通量，从而改变平衡线圈的感生电压幅值和相位。而幅值和相位的变化反应在差分输入的电压上。控制器通过AD采样得到输出的变化量，从而判断存在金属异物，具体的，本发明包括平衡线圈、谐振电路、信号采集电路、整流滤波电路、放大电路、电压补偿电路、AD采样电路以及控制器，其中，平衡线圈设置于检测区域内，用于产生电压，平衡线圈产生的电压通过谐振电路，并以差分的形式作为输入信号接入信号采集电路。采用带通滤波器处理输入信号，滤去工频杂波和高频噪声得到目标信号。目标信号经过精确整流滤波电路转化为直流信号，放大电路对直流信号放大，电压补偿电路进行电压补偿，使初始输出电压为一预期恒定值。AD采样电路对初始输出电压采样，并将结果送入控制器。控制器提取信号的特征参数，从而判断是否存在金属异物。
进一步地，平衡线圈包括设置于无线电能传输路径上的两个紧贴且互补的线圈，所述两个线圈相对于平衡线圈的中心位置对称放置，这样能够减小平衡线圈差分输出的值。平衡线圈由PCB制作，线径与线距极小。平衡线圈串入电容形成谐振网络作为谐振电路，提高抗干扰性和检测增益。
更为详细地，所述整流滤波电路为精确全波整流电路，减小整流过程中的损耗。本发明采用整流滤波电路，将信号变为直流量，减小了对于后级放大电路的设计要求，减小了多级放大的噪声，提高了总的放大倍数，使高精度异物检测系统具备能检测较小金属异物的灵敏度。
更为具体地，所述电压补偿电路能够补偿直流信号的输出电压，避免输出电压超过AD采样电路的上下限，由于一组平衡线圈在完全理想的对称磁场中时，两个互补线圈感应出大小相同，方向相反的感生电动势；经过差分输入后，两个互补线圈的电动势相互抵消，经过后级的信号处理后，输出电压近乎为零。但是实际空间磁场不完全对称，平衡线圈在安装时会有位置偏差，差分放大电路中电阻电容的参数也会存在偏差，再加上各种电信号的噪声，输入电压约为十几毫伏；经过放大后，在后级电路会产生较大的输出电压，使输出饱和或接近饱和，因此加入电压补偿电路调节输出电压。输出电压经过电压补偿后，应接近AD采样电路采样范围的中点值，保证较大的变化范围，提高了异物检测精度。
更进一步地，信号的特征参数为连续采样信号的平均值，当平均值超过设定阈值，则认为无线电能传输路径上存在金属异物，控制器发出警告。
根据本发明的具体实施例，在功率6.6kW，频率20kHz的无线电能传输路径中，经过补偿的输出电压处于AD采样电路的中间值1.65V时，放入不同异物的结果如下表所示：
无异物 回形针 一角硬币 五角硬币 一元硬币
采样电压(V) 1.65 1.93 2.21 2.58 2.85
电压变化(V) 0 0.28 0.56 0.93 1.2
由上表可看出，不同异物的电压变化不同，例如：当回形针放入无线电能传输路径时，控制器采集到的电压会发生0.28V的变化。当更大的物体诸如硬币等放入无线电能传输路径时，控制器采集到的电压会产生更明显的变化。因此，本专利对体型微小的金属异物反应灵敏，能对无线电能传输过程中出现的金属异物进行高精度的检测。
如图4所示，根据本发明提供的一种高精度异物检测方法，包括电压信号产生步骤：平衡线圈产生电压信号；差分接入步骤：谐振电路将所述电压信号以差分方式接入所述信号采集电路；信号处理步骤：信号采集电路处理所述电压信号并得到目标信号；信号转化步骤：整流滤波电路将所述目标信号转化为初始直流信号；电压输出步骤：初始直流信号经放大电路、电压补偿电路分别进行放大以及电压补偿，得到输出电压；采样步骤：AD采样电路对所述输出电压采样，并将采样结果传输至控制器；判断步骤：控制器提取输出电压信号的特征参数，判断是否存在异物。
进一步地，平衡线圈包括设置于无线电能传输路径上的两个紧贴且互补的线圈，所述两个线圈相对于平衡线圈的中心位置对称放置，这样能够减小平衡线圈差分输出的值。平衡线圈由PCB制作，线径与线距极小。平衡线圈串入电容形成谐振网络作为谐振电路，提高抗干扰性和检测增益。
更为具体地，所述电压补偿电路能够补偿直流信号的输出电压，避免输出电压超过AD采样电路的上下限，由于一组平衡线圈在完全理想的对称磁场中时，两个互补线圈感应出大小相同，方向相反的感生电动势；经过差分输入后，两个互补线圈的电动势相互抵消，经过后级的信号处理后，输出电压近乎为零。但是实际空间磁场不完全对称，平衡线圈在安装时会有位置偏差，差分放大电路中电阻电容的参数也会存在偏差，再加上各种电信号的噪声，输入电压约为十几毫伏；经过放大后，在后级电路会产生较大的输出电压，使输出饱和或接近饱和，因此加入电压补偿电路调节输出电压。输出电压经过电压补偿后，应接近AD采样电路采样范围的中点值，保证较大的变化范围，提高了异物检测精度。
更进一步地，信号的特征参数为连续采样信号的平均值，当平均值超过设定阈值，则认为无线电能传输路径上存在金属异物，控制器发出警告。
本发明将发射线圈作为平衡线圈的激励，无需额外的激励电路；采用先整流后放大的电路结构，降低了对放大器的性能要求，减小了高频噪声，确保了干净稳定的输出信号，为高精度异物检测提供了有利条件；采用电压补偿的电路结构，解决了初始输出电压饱和的问题，确保了AD模块的精确采样；整个系统结构简单，成本低，鲁棒性强，对小物体的检测效果良好，保证了无线充电系统的安全运行。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种无线电能传输系统中的高精度异物检测系统，其特征在于，包括平衡线圈、谐振电路、信号采集电路、整流滤波电路、放大电路、电压补偿电路、AD采样电路以及控制器；其中：
所述平衡线圈用于产生电压信号；
所述谐振电路用于将所述电压信号以差分方式接入所述信号采集电路；所述平衡线圈与电容串联连接或者并联连接形成所述谐振电路，所述谐振电路能够提高抗干扰性和检测增益；
所述信号采集电路用于处理所述电压信号并得到目标信号；
所述整流滤波电路用于将所述目标信号转化为初始直流信号；
所述初始直流信号经放大电路、电压补偿电路分别进行放大以及电压补偿，得到输出电压；
所述AD采样电路用于对所述输出电压采样，并将采样结果传输至控制器；
所述控制器用于提取输出电压信号的特征参数，判断是否存在异物；
判断是否存在异物具体为：判断所述特征参数是否超过设定阈值，
若判断结果为是，则存在异物；
若判断结果为否，则不存在异物；
所述设定阈值为无异物时控制器检测到的输出电压信号的特征参数。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中的高精度异物检测系统，其特征在于，所述平衡线圈包括设置于无线电能传输路径上的两个紧贴且互补的线圈，所述两个线圈相对于平衡线圈的中心位置对称放置。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输系统中的高精度异物检测系统，其特征在于，所述电压信号包括两个交流电压信号。
4.一种无线电能传输系统中的高精度异物检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
电压信号产生步骤：平衡线圈产生电压信号；
差分接入步骤：谐振电路将所述电压信号以差分方式接入所述信号采集电路；所述平衡线圈与电容串联连接或者并联连接形成所述谐振电路，所述谐振电路能够提高抗干扰性和检测增益；
信号处理步骤：信号采集电路处理所述电压信号并得到目标信号；
信号转化步骤：整流滤波电路将所述目标信号转化为初始直流信号；
电压输出步骤：初始直流信号经放大电路、电压补偿电路分别进行放大以及电压补偿，得到输出电压；
采样步骤：AD采样电路对所述输出电压采样，并将采样结果传输至控制器；
判断步骤：控制器提取输出电压信号的特征参数，判断是否存在异物；
判断是否存在异物具体为：判断所述特征参数是否超过设定阈值，
若判断结果为是，则存在异物；
若判断结果为否，则不存在异物；
所述设定阈值为无异物时控制器检测到的输出电压信号的特征参数。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输系统中的高精度异物检测方法，其特征在于，所述平衡线圈包括设置于无线电能传输路径上的两个紧贴且互补的线圈，所述两个线圈相对于能量发射线圈的中心位置对称放置。
6.根据权利要求4所述的无线电能传输系统中的高精度异物检测方法，其特征在于，所述电压信号包括两个交流电压信号。
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