CN109283586A - 一种金属异物检测系统及方法 - Google Patents

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    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings

Abstract

本发明提供了一种金属异物检测系统，所述系统包含：检测线圈、触发电路、DC/AC电路和处理模块；所述检测线圈用于根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；所述触发电路分别与所述检测线圈和所述处理模块相连，用于获取所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；所述DC/AC电路分别与所述检测线圈和所述触发电路相连，用于根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；所述处理模块用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。

Description

一种金属异物检测系统及方法
技术领域
本发明涉及无线充电中异物检测领域，尤指一种金属异物检测系统及方法。
背景技术
随着无线充电技术及电动汽车的发展，电动汽车无线充电技术也得到了广泛发展和应用。同时，电动汽车无线充电中的金属异物检测技术也得到了工业界和学术界的广泛关注。然而，对于电动汽车无线充电系统中的微小金属异物检测的技术仍然没有一个可靠的技术去实现。
传统的无线充电异物检测技术主要集中在小功率(5W～10W)应用中，按照WPC Qi的标准设计。对于电动汽车无线充电的异物检测部分，主要集中在热检测和功率检测；或者采用可视化技术或雷达技术直接检测位于充电线圈之间的异物。其中，1.对于小功率应用的异物检测技术，其线圈面积及线圈距离很小，主要的技术是检测发出侧功率及接收侧功率的差值，从而通过差值变化判断是否有异物。2.对于电动汽车无线充电的异物检测技术，有部分学者通过检测线圈表面温度的变化判断是否有异物；也有部分学者通过检测传输效率变化检测是否有异物。3.利用专门的检测线圈和激励源建立检测磁场，通过测量检测线圈电流大小变化来判断是否存在异物的方案。4. 也有通过可视化或者雷达等设备直接探测异物是否存在的方案。
通过上述现有技术仍不能较好的解决微小金属异物检测的问题，原因在于：1. 对于小功率的异物检测技术，由于跟大功率的体积及传输距离都相差甚远，故而小功率的异物检测技术如果用到大功率中去，由于小金属对功率的损耗很小，相对比较小的金属异物就很难检测出来。2.同样对于测量效率变化的方式检测金属异物，如果金属异物的体积本身比较小(一个硬币大小)，就很难检测。对于应用温度变化特性检测的方法，有一个明显缺陷是检测时间相对比较长(分钟级别)。另一个缺陷是由于高温本身是相对环境温度，如果夏天环境温度本身很高，这种检测方式就有安全隐患。 3.测量检测线圈电流大小变化的方案容易受干扰，并且由于待检异物往往只能引起较小的电流变化而导致该方案检测精度不高，导致检测微小金属异物的效果不明显。4. 对于可视化或者雷达探测方案，前者需要引入适当的光线条件及识别技术且会受到天气条件的一定限制，后者则需要使用多路雷达综合扫描来克服雷达的检测技术盲区且容易受到干扰，两者成本都较高。
发明内容
本发明目的在于提供一种对电动汽车无线充电系统中微小金属异物进行准确检测的金属异物检测系统及方法。
为达上述目的，本发明所提供的金属异物检测系统包含：检测线圈、触发电路、DC/AC电路和处理模块；所述检测线圈用于根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；所述触发电路分别与所述检测线圈和所述处理模块相连，用于获取所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；所述DC/AC电路分别与所述检测线圈和所述触发电路相连，用于根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；所述处理模块用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
在上述金属异物检测系统中，优选的，所述检测线圈通过复数个方形或圆形的金属线圈串联或并联组成。
在上述金属异物检测系统中，优选的，所述触发电路包含电流检测模块和比较模块；所述电流检测模块用于获取所述检测线圈的电流；所述比较模块与所述电流检测模块相连，用于产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号。
在上述金属异物检测系统中，优选的，所述处理模块包含频率检测模块和判断模块；所述频率检测模块用于检测所述方波信号的频率；所述判断模块与所述频率检测模块相连，用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
在上述金属异物检测系统中，优选的，所述DC/AC电路为全桥或半桥结构；其中，当所述DC/AC电路为全桥结构时，输出的交流激励电流正负对称，且流经所述检测线圈的电流成正负对称的约为等腰三角形的三角波；当所述DC/AC电路为半桥结构时，输出的交流激励源具有直流分量，输出电流具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不对称。
在上述金属异物检测系统中，优选的，当所述DC/AC电路为全桥结构时，对应触发电路输出方波信号的占空比为50％
本发明还提供一种金属异物检测方法，所述方法包含：获取检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；检测所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
在上述金属异物检测方法中，优选的，所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号包含：检测流经所述检测线圈的电流所对应的电压，并将所述电压与预定阈值比较，当所述电压高于预定阈值时，输出方波信号为低电平，当所述电压低于预定阈值时，输出方波信号为高电平，根据所述高电平或低电平生成方波信号。
在上述金属异物检测方法中，优选的，所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号包含：检测流经所述检测线圈的电流所对应的电压，并将所述电压进行电平抬升转化为正负对称或者带直流分量的检测电流，并生成方波信号。
在上述金属异物检测方法中，优选的，根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈包含：通过DC/AC电路，根据所述方波信号输出交流激励电流至所述检测线圈；其中，当所述DC/AC电路为全桥结构时，输出的交流激励电流正负对称，且流经所述检测线圈的电流成正负对称的约为等腰三角形的三角波；当所述DC/AC电路为半桥结构时，输出的交流激励源具有直流分量，输出电流具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不对称。
本发明的有益技术效果在于：采用自振荡电路构成的异物检测电路可以保证检测线圈的电流有效值恒定，因此方便DC/AC电路设计；由于系统检测触发电路处理后的频率，更接近于数字信号处理，能实现更好的抗扰特性和更高的测量精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明所提供的金属异物检测系统的结构示意图；
图2为本发明所提供的检测线圈的结构示意图；
图3为本发明所提供的触发电路的结构示意图；
图4A-图4B为本发明所提供的DC/AC电路的结构示意图；
图5A-图5B为本发明所提供的检测金属异物的原理示意图；
图6A-图6B为本发明所提供的检测金属异物的原理示意图；
图7为本发明所提供的一优选实施例的结构示意图；
图8为本发明所提供的一优选实施例的波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
请参考图1所示，本发明所提供的金属异物检测系统包含：检测线圈、触发电路、DC/AC电路和处理模块；所述检测线圈用于根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；所述触发电路分别与所述检测线圈和所述处理模块相连，用于获取所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；所述DC/AC电路分别与所述检测线圈和所述触发电路相连，用于根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；所述处理模块用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。其中，所述处理模块包含频率检测模块和判断模块；所述频率检测模块用于检测所述方波信号的频率；所述判断模块与所述频率检测模块相连，用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
实际工作中，本发明所提供的金属异物检测系统可由以下4部分构成：检测线圈、触发电路、DC/AC电路、处理模块。其中：所述检测线圈可由多个串联或并联连接的小线圈组成，受DC/AC交流源激励产生磁场，并作用于磁场范围内的金属异物；所述触发电路包含电流检测环节和比较电路，前者可由检测电阻实现，比较电路则用于产生频率与检测线圈电流相关的方波信号，该方波信号用于控制DC/AC电路，并送入处理模块进行频率检测；所述DC/AC电路受控于触发电路产生的方波信号，并输出频率及占空比与方波信号一致、幅值为Vdc的交流激励源，该交流激励源作用于所述检测线圈；所述处理模块可由数字处理芯片实现，包含频率检测模块和判断模块。频率检测模块可由数字处理芯片的捕获单元及相应的软件处理单元构成，判断模块则根据频率检测模块输出的频率fs与预设的频率范围相比较，进行综合判断后确定是否有异物存在。
请参考图2所示，在上述实施例中，所述检测线圈通过复数个方形或圆形的金属线圈串联或并联组成。检测线圈示意图如图2：可以由多个方形或圆形的小线圈级联而成，线圈可以采用PCB直接制板而成，也可以采用独立绕制的线圈彼此级联而成。
在上述实施例中，所述触发电路包含电流检测模块和比较模块；所述电流检测模块用于获取所述检测线圈的电流；所述比较模块与所述电流检测模块相连，用于产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号。请参考图3所示，实际工作中，触发电路中的比较电路可以由一个施密特触发器构成，或者由滞环比较电路构成。采用滞环比较电路时，检测线圈流过电流对应的电压Vs高于VH时，输出方波信号Vt翻转为低电平，Vs低于VL时Vt翻转为高电平(实际处理时可将Vs进行电平抬升，使其适合单电源比较器)。同理，采用施密特触发器时，也可以通过对Vs进行电平抬升实现正负对称或者带直流分量的检测电流。
在上述实施例中，所述DC/AC电路为全桥或半桥结构；其中，当所述DC/AC 电路为全桥结构时，输出的交流激励电流正负对称，且流经所述检测线圈的电流成正负对称的约为等腰三角形的三角波；当所述DC/AC电路为半桥结构时，输出的交流激励源具有直流分量，输出电流具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不对称。请参考图4A-图4B所示，实际工作中，DC/AC电路可采用全桥(图4A)或者半桥结构(图4B)；其中，全桥结构输出的交流激励源正负对称，使得流经检测线圈的电流成正负对称的约为等腰三角形的三角波，对应触发电路出的交流输出方波信号占空比为50％；半桥结构输激励源具有直流分量，输出电流也具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不再对称，对应触发电路的输出方波信号占空比较小。
本发明检测金属异物的原理如图5A至图5B所示，当线圈没有任何金属异物存在时候，线圈的等效输出阻抗是：Z0＝R1+jωL1；其等效电路如图5B所示。而当线圈上有金属异物时候，由于存在涡流效应，线圈上面的等效阻抗发生变化，等效电路也发生变化，如图6A至图6B所示，此时，线圈的等效输出阻抗是：
由Z0和Z1表达式可知，在检测线圈磁场范围内有金属异物时，检测线圈的等效输出阻抗发生了变化，这种变化大小与异物大小、材质及其与线圈的相对位置相关。由Z1表达式可知，等效电阻变大了而等效电感变小了，此时电感的时间常数TL＝L/R 也将发生变化，因此可通过检测与该时间常数相关的频率来检测金属异物是否存在。
将本发明所提供的金属异物检测系统运用到实际工作中，可如图7所示，其中， Req和Leq分别对应Z1的实部和虚部；Rs为检测电阻；Vs通过比较电路处理后生成Vt，图8为图7所提供的检测装置的工作波形示意图，Vs为检测线圈电流采样值；Vt为所述方波信号；ft为所述方波信号的频率也即反映检测线圈电感的时间常数的频率；当检测线圈磁场中存在异物时，时间常数TL将减小，对应的ft将增大；同时可知，该电路中电流峰峰值由预设的VH和VL决定，这将有利于电路参数设计；且用于测量频率的环节为数字处理单元，相比于检测电流直接测量具有更好的抗扰特性和更高的测量精度；由上述可知，采用自振荡电路构成的异物检测电路可以保证检测线圈的电流有效值恒定，因此方便DC/AC电路设计；由于系统检测触发电路处理后的频率，更接近于数字信号处理，能实现更好的抗扰特性和更高的测量精度。
本发明还提供一种金属异物检测方法，所述方法包含：获取检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；检测所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
在上述实施例中，所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号包含：检测流经所述检测线圈的电流所对应的电压，并将所述电压与预定阈值比较，当所述电压高于预定阈值时，输出方波信号为低电平，当所述电压低于预定阈值时，输出方波信号为高电平，根据所述高电平或低电平生成方波信号。值得说明的是，高低电平转变并非为瞬时改变的，在实际运行时还存在滞环的情况，亦即所述电压大于上阈值时输出低电平，并维持低电平，直至所述电压低于下阈值时才输出高电平。
在本发明一优选实施例中，所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号包含：检测流经所述检测线圈的电流所对应的电压，并将所述电压进行电平抬升转化为正负对称或者带直流分量的检测电流，并生成方波信号。
在上述实施例中，根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈包含：通过DC/AC电路，根据所述方波信号输出交流激励电流至所述检测线圈；其中，当所述DC/AC电路为全桥结构时，输出的交流激励电流正负对称，且流经所述检测线圈的电流成正负对称的约为等腰三角形的三角波；当所述DC/AC电路为半桥结构时，输出的交流激励源具有直流分量，输出电流具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不对称。
本发明通过采用自振荡电路构成的异物检测电路可以保证检测线圈的电流有效值恒定，因此方便DC/AC电路设计；由于系统检测触发电路处理后的频率，更接近于数字信号处理，能实现更好的抗扰特性和更高的测量精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属异物检测系统，其特征在于，所述系统包含：检测线圈、触发电路、DC/AC电路和处理模块；
所述检测线圈用于根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；
所述触发电路分别与所述检测线圈和所述处理模块相连，用于获取所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；
所述DC/AC电路分别与所述检测线圈和所述触发电路相连，用于根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；
所述处理模块用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
2.根据权利要求1所述的金属异物检测系统，其特征在于，所述检测线圈通过复数个方形或圆形的金属线圈串联或并联组成。
3.根据权利要求1所述的金属异物检测系统，其特征在于，所述触发电路包含电流检测模块和比较模块；所述电流检测模块用于获取所述检测线圈的电流；所述比较模块与所述电流检测模块相连，用于产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号。
4.根据权利要求1所述的金属异物检测系统，其特征在于，所述处理模块包含频率检测模块和判断模块；所述频率检测模块用于检测所述方波信号的频率；所述判断模块与所述频率检测模块相连，用于将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
5.根据权利要求1所述的金属异物检测系统，其特征在于，所述DC/AC电路为全桥或半桥结构；
其中，当所述DC/AC电路为全桥结构时，输出的交流激励电流正负对称，且流经所述检测线圈的电流成正负对称的三角波；
当所述DC/AC电路为半桥结构时，输出的交流激励源具有直流分量，输出电流具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不对称。
6.根据权利要求5所述的金属异物检测系统，其特征在于，当所述DC/AC电路为全桥结构时，对应触发电路输出方波信号的占空比为50％。
7.一种金属异物检测方法，其特征在于，所述方法包含：
获取检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；
根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈；
根据输入的交流激励电流产生检测金属异物的磁场；
检测所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号；
将所述方波信号中的频率与预定阈值比较，根据比较结果确定是否存在金属异物。
8.根据权利要求7所述的金属异物检测方法，其特征在于，所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号包含：
检测流经所述检测线圈的电流所对应的电压，并将所述电压与预定阈值比较，当所述电压高于预定阈值时，输出方波信号为低电平，当所述电压低于预定阈值时，输出方波信号为高电平，根据所述高电平或低电平生成方波信号。
9.根据权利要求7所述的金属异物检测方法，其特征在于，所述检测线圈电流，并产生频率与所述检测线圈的电流相关的方波信号包含：检测流经所述检测线圈的电流所对应的电压，并将所述电压进行电平抬升转化为正负对称或者带直流分量的检测电流，并生成方波信号。
10.根据权利要求7所述的金属异物检测方法，其特征在于，根据所述方波信号输出频率及占空比与所述方波信号相对应的交流激励电流至所述检测线圈包含：
通过DC/AC电路，根据所述方波信号输出交流激励电流至所述检测线圈；
其中，当所述DC/AC电路为全桥结构时，输出的交流激励电流正负对称，且流经所述检测线圈的电流成正负对称的三角波；
当所述DC/AC电路为半桥结构时，输出的交流激励源具有直流分量，输出电流具有直流分量且电流上升斜率和下降斜率不对称。
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