CN110071581A - 无线充电装置、无线充电金属检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线充电装置、无线充电金属检测装置及金属检测方法，其中金属检测装置包括信号发生电路、并联谐振电路、滤波电路、峰值保持电路、控制电路以及通知单元；所述并联谐振电路包括金属检测线圈，其阻抗变化可反映金属异物的介入情况；所述信号发生电路、并联谐振电路、滤波电路和峰值保持电路依次串连；所述控制电路分别与信号发生电路、峰值保持电路和通知单元相连；所述金属检测方法的主要步骤为，通过扫频调谐的方式主动获取金属检测线圈的最优激励频率，并以循环扫描的方式依次驱动多个不相邻单体检测线圈，由控制电路读取峰值保持电路的输出电压变化并做出响应。本发明具有结构简单、成本低、识别效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及大功率无线充电技术领域，具体地，涉及一种无线充电装置、无线充电金属检测装置及检测方法，尤其涉及一种基于阻抗检测的无线充电金属检测装置及金属检测方法。
背景技术
通常，无线充电系统的实际应用有必要增加金属检测装置。无线充电磁耦合器产生的高频高强度电磁场会使置于其中的金属物体感应出涡流，进而使其迅速加热，引发危险情况。金属检测装置可灵敏检测出金属异物的介入，及时断电并发出警告。
如专利文献CN104160300B，利用具有单一基频的正弦波振荡电流来对金属检测线圈进行励磁以从金属检测线圈辐射电磁波，谐波电平检测电路处理振荡电流中的谐波成分，生成检测信号并经过比较和处理，获得金属异物介入信息。
上述现有技术中，振荡电路中的谐波成分组成复杂，当正常工作的无线充电磁耦合器之间介入金属异物时，振荡电路中的谐波成分为：(1)金属检测线圈辐射的电磁波在金属异物中感应出的涡流辐射出的电磁波在振荡电路中感应出的高次谐波部分、(2)无线充电线圈辐射的电磁波在金属异物中感应出的涡流辐射出的电磁波在振荡电路中感应出的高次谐波部分以及(3)无线充电线圈辐射的电磁波直接在振荡电路中感应出的高次谐波部分。部分(1)和部分(2)所占比例很小，当介入金属异物非常小或非常薄时，振荡电路中的谐波成分变化很小，难以检测出金属。
因此，提供一种无线充电装置、无线充电金属检测装置及检测方法具有较高的价值和意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无线充电装置、无线充电金属检测装置及检测方法。
根据本发明提供的一种无线充电金属检测装置，包括信号发生电路、并联谐振电路、滤波电路、峰值保持电路、控制电路以及通知单元；
所述信号发生电路、并联谐振电路、滤波电路以及峰值保持电路依次串连；
所述控制电路分别与信号发生电路、峰值保持电路和通知单元相连；所述控制电路能够控制信号发生电路产生信号、能够接收峰值保持电路的输出信号、能够向通知单元发出警告信号。
优选地，所述信号发生电路用于产生幅值频率可控的标准正弦波信号，驱动并联谐振电路；
所述并联谐振电路包括并联谐振网络和放大电路。所述并联谐振网络主要由电阻、电容和金属检测线圈并联构成，用于放大金属异物介入所导致的金属检测线圈的阻抗变化；所述放大电路，用于将所述并联谐振电路的阻抗变化放大映射于输出电压变化；
所述滤波电路用于滤除功率电磁场在所述金属检测线圈中感应出的电压以及所述金属检测线圈中振荡电流的直流分量，同时放大所述并联谐振电路的输出信号；
所述峰值保持电路用于将所述滤波电路的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；
所述控制电路用于将所述峰值保持电路的输出电平与预先测定的基准值进行比较，并根据比较结果判断检测区域中是否存在金属，并且在判断为检测区域中存在金属的情况下，使无线充电装置停止充电过程，并发出金属检出故障信号；
所述通知单元用于通知检测区域是否存在金属异物；
所述检测区域是指设定的、所述无线充电系统金属检测装置能够正常工作的区域；
所述通知单元包括指示灯和/或蜂鸣器；
所述并联谐振电路的数量为一个或多个；所述滤波电路的数量为一个或多个；所述峰值保持电路的数量为一个或多个；
所述信号发生电路能够同时激励多个并联谐振电路；所述控制电路能够同时接收、记录以及处理多路所述峰值保持电路的输出电平；
所述金属检测线圈由一个或多个单体检测线圈组成；
根据本发明提供的一种无线充电装置，包括上述的无线充电金属检测装置，还包括发射端线圈；
所述发射端线圈设置在充电区域内的设定位置；所述金属检测线圈设置在充电区域内；
所述发射端线圈包括第一铝制板、第一铁氧体层以及第一线圈；所述第一铁氧体层设置在第一铝制板上，所述第一线圈设置在第一铁氧体层上；
其中，充电区域是指设定的、所述无线充电装置能够正常工作的区域。
优选地，所述无线充电装置还包括接收端线圈；
所述接收端线圈设置在受电设备的设定位置，包括第二铝制板、第二铁氧体层以及第二线圈；所述第二铁氧体层设置在第二铝制板上，所述第二线圈设置在第二铁氧体层上。
优选地，所述发射端线圈与金属检测线圈基本磁解耦，所述接收端线圈与金属检测线圈基本磁解耦。
根据本发明提供的一种无线充电装置的金属检测方法，利用上述的无线充电装置，包括第一检测步骤和第二检测步骤；所述第一检测步骤是指受电设备未进入充电区域时的金属检测方法；所述第二检测步骤是指受电设备进入充电区域时的金属检测方法。
优选地，所述第二步骤具体如下：
等待受电设备进入充电区域，所述无线充电装置开始进行稳定的无线功率传输；利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据峰值保持电路的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属；当发射端线圈和接收端线圈对准状态发生变化或传输功率发生变化时，重新利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下所述峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据峰值保持电路的输出电压变化来检测所述充电区域中是否存在金属。
优选地，所述扫频调谐方法具体是指：
利用频率线性分布在设定范围内的一系列频率不同、幅值相同、无直流分量的标准正弦电源依次激励包含金属检测线圈的并联谐振电路，并联谐振电路的输出信号经滤波电路的滤波、放大处理，峰值保持电路的整流、稳压、限幅处理后输入控制电路，控制电路读取并记录不同激励频率下峰值保持电路的输出电压，其中，峰值保持电路的最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率略低于所述谐振频率，所述最优振荡频率的取值范围在谐振频率的0.97～0.99倍范围内。
所述循环扫描具体是指：
用具有各路单体检测线圈的最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路单体检测线圈；当各路单体检测线圈都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路单体检测线圈；单次驱动单体检测线圈的个数不限，但单次驱动的多路单体检测线圈不相邻。
优选地，所述第一步骤具体如下：
利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据峰值保持电路的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
优选地，所述扫频调谐方法具体是指：
利用频率线性分布在设定范围内的一系列频率不同、幅值相同、无直流分量的标准正弦电源依次激励包含金属检测线圈的并联谐振电路，并联谐振电路的输出信号经滤波电路的滤波、放大处理，峰值保持电路的整流、稳压、限幅处理后输入控制电路，控制电路读取并记录不同激励频率下峰值保持电路的输出电压，其中，峰值保持电路的最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率略低于所述谐振频率，所述最优振荡频率的取值范围在谐振频率的0.97～0.99倍范围内；
所述循环扫描具体是指：
用具有各路单体检测线圈的最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路单体检测线圈；当各路单体检测线圈都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路单体检测线圈；单次驱动单体检测线圈的个数不限，但单次驱动的多路单体检测线圈不相邻。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的无线充电金属检测装置，具有结构简单、成本低、识别效率高的优点；
2、本发明提供的无线充电金属检测装置，提出与发射端线圈和接收端线圈磁解耦的金属检测线圈，发射端线圈和接收端线圈辐射的功率电磁场不会在金属检测线圈中感应出电压，可消除功率电磁场对金属检测过程的干扰；
3、本发明提供的无线充电金属检测装置，提出可将金属检测线圈阻抗变化放大映射到输出电压变化的并联谐振电路，使金属异物介入所导致的金属检测线圈阻抗的微小变化容易测量；
4、本发明提供的无线充电金属检测装置，提出滤波电路，可滤除功率电磁场在金属检测线圈中感应出的电压以及金属检测线圈中振荡电流的直流分量，同时放大并联谐振电路输出信号；
5、本发明提供的无线充电装置的金属检测方法，提出扫频调谐方法，主动获取发射端线圈和接收端线圈不同对准状态下的各路单体检测线圈的最优振荡频率。当以最优振荡频率激励各路单体检测线圈时，峰值保持电路的输出电压幅值对单体检测线圈的阻抗变化最敏感；
6、本发明提供的无线充电装置的金属检测方法，提出循环扫描式的驱动方法，依次驱动一个或多个不相邻的单体检测线圈，避免相邻两路单体检测线圈同时驱动发生磁耦合，从而影响检测精度。
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为本发明第一实施例的无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图；
图2为本发明第二实施例的无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图；
图3为本发明第一实施例和第二实施例的金属检测线圈结构图及其电流方向示意图；
图4为本发明第三实施例的无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图；
图5为本发明第四实施例的无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图；
图6为本发明第三实施例和第四实施例的金属检测线圈结构图及其电流方向示意图；
图7为本发明第一实施例、第二实施例、第三实施例和第四实施例的无线充电装置的发射端线圈结构图；
图8为本发明第一实施例、第二实施例、第三实施例和第四实施例金属检测装置的电子模块电路图；
图9为本发明第一实施例、第二实施例、第三实施例和第四实施例金属检测线圈的驱动电路模块图。
图中示出：
第一四边形铝制板1
第一长条状铁氧体层2
第一双极性线圈3
第一金属检测线圈4
第一单体检测线圈40
第二双极性线圈5
第二长条状铁氧体层6
第二四边形铝质板7
第二金属检测线圈8
第二单体检测线圈9
供电电路20
AD9833信号发生模块及放大电路21
并联谐振电路22
带通滤波电路23
峰值保持电路24
STM32F103控制电路25
金属异物26
通知单元27
驱动电路28
继电器开关29
并联谐振网络10
同向放大电路11
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。
基础实施例：
本发明基础实施例的目的在于提供一种能准确灵敏地检测是否有金属物体进入无线充电区域，且检测精度不易受充电功率变化、发射端线圈和接收端线圈对准状态变化影响，硬件成本较低的基于阻抗检测的金属检测装置及金属检测方法。
为实现上述目标，根据本发明基础实施例提供的无线充电装置的金属检测方法，其中，所述无线充电装置包括装配在充电区域中的发射端线圈和装配在受电设备上的接收端线圈，当所述受电设备进入所述充电区域中时，所述无线充电装置对所述发射端线圈进行交流激励，以在所述充电区域中感应出高频高强度功率电磁场，所述充电区域中的高频高强度功率电磁场在所述接收端线圈中感生出交流电，从而向所述受电设备供电。所述无线充电装置还包括配置在所述充电区域中的金属检测线圈，所述金属检测线圈由多个单体检测线圈组成。所述金属检测方法包括以下两种应用场景的金属检测方法：其一为，所述受电设备未进入所述充电区域时的金属检测方法；其二为，所述受电设备进入所述充电区域时的金属检测方法。
所述受电设备未进入所述充电区域时的金属检测方法包括以下步骤：利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据所述峰值保持电路的输出电压变化来检测所述充电区域中是否存在金属。
在以上方法中，所述扫频调谐方法的操作步骤为：利用频率线性分布在一定范围内的一系列频率不同，幅值相同的无直流分量的标准正弦电源依次激励包含所述金属检测线圈的并联谐振电路，所述并联谐振电路的输出信号经所述带通滤波电路的滤波、放大处理以及所述峰值保持电路的整流、稳压、限幅处理后输入控制电路，由所述控制电路读取并记录不同激励频率下所述峰值保持电路的输出电压，其中，所述峰值保持电路的最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率略低于所述谐振频率，所述最优振荡频率取值为所述谐振频率的0.98倍。
在以上方法中，所述循环扫描驱动方式的操作步骤为：用具有各路单体检测线圈的最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路单体检测线圈。
在上述驱动方式中，当各路单体检测线圈都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路单体检测线圈。单次驱动单体检测线圈的个数不限，但单次驱动的多路单体检测线圈不相邻。
在上述驱动方式中，由所述控制电路控制与各路单体检测线圈串联的各路继电器通断来控制各路所述金属检测线圈的驱动顺序。
所述受电设备进入所述充电区域时的金属检测方法包括以下步骤：等待所述受电设备进入所述充电区域，所述无线充电装置开始进行稳定的无线功率传输。利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据所述峰值保持电路的输出电压变化来检测所述充电区域中是否存在金属。
在以上方法中，所述扫频调谐方法的操作步骤为：利用频率线性分布在一定范围内的一系列频率不同，幅值相同的无直流分量的标准正弦电源依次激励包含所述金属检测线圈的并联谐振电路，所述并联谐振电路的输出信号经所述带通滤波电路的滤波、放大处理以及所述峰值保持电路的整流、稳压、限幅处理后输入微控制器，由所述微控制器读取并记录不同激励频率下所述峰值保持电路的输出电压，其中，所述峰值保持电路的最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率略低于所述谐振频率，
所述最优振荡频率取值为所述谐振频率的0.98倍。
在以上方法中，所述循环扫描驱动方式的操作步骤为：用具有各路单体检测线圈的最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路单体检测线圈。
在上述驱动方式中，当各路单体检测线圈都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路单体检测线圈。单次驱动单体检测线圈的个数不限，但单次驱动的多路单体检测线圈不相邻。
在上述驱动方式中，由所述控制电路控制与各路单体检测线圈串联的各路继电器通断来控制各路所述金属检测线圈的驱动顺序。
在上述操作步骤中，当所述发射端线圈和接收端线圈对准状态发生变化或传输功率发生变化时，应重新利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下所述峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据所述峰值保持电路的输出电压变化来检测所述充电区域中是否存在金属。
为实现上述目标，根据本发明基础实施例提供的无线充电装置的金属检测装置，包括：金属检测线圈，其装配在所述充电区域中，且与所述无线充电装置的发射端线圈和接收端线圈磁解耦；正弦信号发生电路，用于产生幅值频率可控的标准正弦波信号，驱动所述金属检测线圈；并联谐振电路，用于将所述金属检测线圈的阻抗变化放大映射于所述并联谐振电路的输出电压变化；带通滤波电路，用于滤除功率电磁场在所述金属检测线圈中感应出的电压以及所述金属检测线圈中振荡电流的直流分量，同时放大所述并联谐振电路输出信号；峰值保持电路，用于将所述带通滤波电路的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；控制电路，用于将所述峰值保持电路的输出电平与预先测定的基准值进行比较，并根据比较结果判断所述充电区域中是否存在金属，并且在判断为所述充电区域中存在金属的情况下，使所述无线充电装置停止充电过程，并发出金属检出故障信号；通知单元，用于通知所述充电区域是否存在金属，其中，所述控制电路基于检测结果来驱动所述通知单元。
在以上结构中，所述并联谐振电路包括：并联谐振网络，其由电阻、电容和所述金属检测线圈并联构成，用于放大所述金属检测线圈的阻抗变化；同向放大电路，用于将所述并联谐振网络的阻抗变化放大映射于其输出电压变化。
在以上结构中，所述金属检测线圈是配置在所述充电区域中的多个金属检测线圈其中之一，所述正弦信号发生电路是所述金属检测装置中可同时激励多个所述并联谐振电路的信号发生装置，所述并联谐振电路是所述金属检测装置中的多个并联谐振电路其中之一，所述带通滤波电路是所述金属检测装置中的多个带通滤波电路之一，所述峰值保持电路是所述金属检测装置中的多个峰值保持电路之一，所述控制电路是所述金属检测装置中可同时记录和处理多路所述峰值保持电路输出电平，且在判断为所述充电区域中存在金属的情况下，使所述无线充电装置停止充电过程，并发出金属检出故障信号的功能电路。
在以上结构中，所述通知单元包括指示灯和蜂鸣器中的至少一个。
本发明的基础实施例能够解决如下技术问题：
1、充电区域中的高频高强度功率电磁场与金属检测线圈发生磁耦合效应，使检测过程受到严重干扰，需通过金属检测线圈的特殊构型，尽可能消除功率电磁场的磁耦合干扰；
2、金属物体进入充电区域所导致的金属检测线圈阻抗变化很小，难以检测，须将检测信号进行放大处理；
3、功率电磁场在金属检测线圈中感应出的电压以及金属检测线圈中振荡电流的直流分量会干扰检测结果，须通过滤波电路将其滤除；
4、当无线充电装置的发射端线圈和接收端线圈的对准状态发生变化时，各路金属检测线圈的最优振荡频率也发生变化，每次检测前须重新测定各路金属检测线圈的最优振荡频率；
5、相邻两路单体检测线圈之间的磁耦合现象会影响检测精度和灵敏度，须依次驱动单个或多个不相邻的单体检测线圈，避免相邻两路单体检测线圈同时驱动发生磁耦合。
本发明的基础实施例具有如下替代方案：
1、一种基于阻抗检测的无线充电金属检测装置，其特征在于，金属检测线圈与无线充电装置的发射端线圈和接收端线圈不完全磁解耦；
2、一种无线充电金属检测装置，其特征在于，起滤波放大作用的带通滤波电路被高通滤波电路取代；
3、一种无线充电金属检测装置，其特征在于，并联谐振电路组成部分之一的同向放大电路被反向放大电路取代；
4、一种无线充电金属检测装置，其特征在于，与金属检测线圈串联的用于控制各路金属检测线圈通断的继电器被晶闸管或两个反向串联的MOSFET取代；
第一实施例：
图1是本发明提供的接收端线圈进入充电区域时的一种无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图。
如图1所示，无线充电装置包括装配在充电区域中的发射端线圈和装配在受电设备上的接收端线圈，其中，发射端线圈包括第二四边形铝质板7、第二长条状铁氧体层6和利兹线反向串联绕制的第二双极性线圈5，接收端线圈包括第一四边形铝制板1、第一长条状铁氧体层2和利兹线反向串联绕制的第一双极性线圈3。无线充电装置对发射端线圈进行交流激励，以在充电区域中感应出高频高强度功率电磁场，充电区域中的高频高强度功率电磁场在接收端线圈中感生出交流电，从而向受电设备供电。无线充电装置还包括配置在充电区域中的第一金属检测线圈4，其结构图和电流方向示意图如图3所示，第一金属检测线圈4由八个单极性第一单体检测线圈40组成，每个第一单体检测线圈40的绕线方式和电流方向完全相同。第一金属检测线圈4的中心与发射端线圈的中心在同一竖直线上，且第一单体检测线圈40的长边与图7中的X轴平行，第一单体检测线圈40的短边与图7中的Y轴平行。根据无线充电装置的电磁场分布特性，第一金属检测线圈4与第一双极性线圈3和第二双极性线圈5理论上磁解耦。
接着，将要描述金属检测装置的电子结构。
图8是金属检测装置的电子模块电路图。金属检测装置包括：供电电路20，用于为金属检测装置供电；AD9833信号发生模块及放大电路21，用于产生幅值频率可控的标准正弦波信号；并联谐振电路22，用于将第一金属检测线圈4的阻抗变化放大映射于并联谐振电路22的输出电压变化；带通滤波电路23，用于滤除功率电磁场在第一金属检测线圈4中感应出的电压以及第一金属检测线圈4中振荡电流的直流分量，同时放大并联谐振电路22的输出信号；峰值保持电路24，用于将带通滤波电路23的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；STM32F103控制电路25，用于控制AD9833信号发生模块及放大电路21的输出信号幅值和频率，接收峰值保持电路24的输出信号，并将峰值保持电路24的输出电平与预先测定的基准值进行比较，根据比较结果判断充电区域中是否存在金属，在判断为充电区域中存在金属的情况下，使无线充电装置停止充电过程，并发出金属检出故障信号；通知单元27，用于通知充电区域是否存在金属，STM32F103控制电路25基于检测结果驱动通知单元27。
在以上结构中，并联谐振电路22包括：并联谐振网络10，其由电阻、电容和第一金属检测线圈4并联构成，用于放大第一金属检测线圈4的阻抗变化；同向放大电路11，用于将并联谐振网络10的阻抗变化放大映射于其输出电压变化。通知单元27包括指示灯和蜂鸣器中的至少一个。
接着，将要描述接收端线圈进入充电区域时无线充电装置的金属检测方法，金属检测的步骤为：等待接收端线圈进入充电区域，无线充电装置开始进行稳定的无线功率传输。利用扫频调谐方法，主动获取各路第一单体检测线圈40的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路24的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路第一单体检测线圈40，根据峰值保持电路24的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
扫频调谐方法的操作步骤为：利用频率线性分布在一定范围内的一系列频率不同，幅值相同的无直流分量的标准正弦电源依次激励并联谐振电路22，并联谐振电路22的输出信号经带通滤波电路23的滤波、放大处理以及峰值保持电路24的整流、稳压、限幅处理后输入STM32F103控制电路25，由STM32F103控制电路25读取并记录不同激励频率下峰值保持电路24的输出电压，其中，最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率取谐振频率的0.98倍。
循环扫描驱动方式的操作步骤为：用具有各路第一单体检测线圈40最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路第一单体检测线圈40。当所有第一单体检测线圈40都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路第一单体检测线圈40。单次驱动第一单体检测线圈40的个数不限，但单次驱动的多路第一单体检测线圈40不相邻。
图9是第一金属检测线圈4的驱动电路模块图，图中STM32F103控制电路25通过驱动电路28依次控制与第一单体检测线圈40串联的各路继电器开关29的通断，以控制第一金属检测线圈4的驱动顺序。
当无线充电装置的发射端线圈和接收端线圈对准状态发生变化或传输功率发生变化时，应重新利用扫频调谐方法，主动获取各路第一单体检测线圈40的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路24的输出电压，并以循环扫描的方式驱动各路第一单体检测线圈40，根据峰值保持电路24的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
经仿真和实验验证，当铝质金属块进入第一金属检测线圈4的检测范围内时，峰值保持电路24的输出电压会发生较为明显的降低，STM32F103控制电路25可灵敏检测出峰值保持电路24的输出电压变化，继而使无线充电装置停止充电过程，并通过通知单元27发出金属检出故障信号。
第二实施例：
图2是本发明提供的接收端线圈未进入充电区域时的一种无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图。
如图2所示，无线充电装置包括装配在充电区域中的发射端线圈，其中，发射端线圈包括第二四边形铝质板7、第二长条状铁氧体层6和利兹线反向串联绕制的第二双极性线圈5。无线充电装置还包括配置在充电区域中的第一金属检测线圈4，其结构图和电流方向示意图如图3所示，第一金属检测线圈4由八个单极性第一单体检测线圈40组成，每个第一单体检测线圈40的绕线方式和电流方向完全相同。第一金属检测线圈4的中心与发射端线圈的中心在同一竖直线上，且第一单体检测线圈40的长边与图7中的X轴平行，第一单体检测线圈40的短边与图7中的Y轴平行。此时，无线充电装置的发射端线圈不产生高频高强度的功率电磁场。
接着，将要描述金属检测装置的电子结构。
图8是金属检测装置的电子模块电路图。金属检测装置包括：供电电路20，用于为金属检测装置供电；AD9833信号发生模块及放大电路21，用于产生幅值频率可控的标准正弦波信号；并联谐振电路22，用于将第一金属检测线圈4的阻抗变化放大映射于并联谐振电路22的输出电压变化；带通滤波电路23，用于滤除第一金属检测线圈4中振荡电流的直流分量，同时放大并联谐振电路22的输出信号；峰值保持电路24，用于将带通滤波电路23的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；STM32F103控制电路25，用于控制AD9833信号发生模块及放大电路21的输出信号幅值和频率，接收峰值保持电路24的输出信号，并将峰值保持电路24的输出电平与预先测定的基准值进行比较，根据比较结果判断充电区域中是否存在金属，在判断为充电区域中存在金属的情况下，发出金属检出故障信号；通知单元27，用于通知充电区域是否存在金属，STM32F103控制电路25基于检测结果驱动通知单元27。
在以上结构中，并联谐振电路22包括：并联谐振网络10，其由电阻、电容和第一金属检测线圈4并联构成，用于放大第一金属检测线圈4的阻抗变化；同向放大电路11，用于将并联谐振网络10的阻抗变化放大映射于其输出电压变化。通知单元27包括指示灯和蜂鸣器中的至少一个。
接着，将要描述接收端线圈未进入充电区域时无线充电装置的金属检测方法，金属检测的步骤为：利用扫频调谐方法，主动获取各路第一单体检测线圈40的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路24的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路第一单体检测线圈40，根据峰值保持电路24的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
扫频调谐方法的操作步骤为：利用频率线性分布在一定范围内的一系列频率不同，幅值相同的无直流分量的标准正弦电源依次激励并联谐振电路22，并联谐振电路22的输出信号经带通滤波电路23的滤波、放大处理以及峰值保持电路24的整流、稳压、限幅处理后输入STM32F103控制电路25，由STM32F103控制电路25读取并记录不同激励频率下峰值保持电路24的输出电压，其中，最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率取谐振频率的0.98倍。
循环扫描驱动方式的操作步骤为：用具有各路第一单体检测线圈40最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路第一单体检测线圈40。当所有第一单体检测线圈40都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路第一单体检测线圈40。单次驱动第一单体检测线圈40的个数不限，但单次驱动的多路第一单体检测线圈40不相邻。
图9是第一金属检测线圈4的驱动电路模块图，图中STM32F103控制电路25通过驱动电路28依次控制与第一单体检测线圈40串联的各路继电器开关29的通断，以控制第一金属检测线圈4的驱动顺序。
经仿真和实验验证，当铝质金属块进入第一金属检测线圈4的检测范围内时，峰值保持电路24的输出电压会发生较为明显的降低，STM32F103控制电路25可灵敏检测出峰值保持电路24的输出电压变化，继而通过通知单元27发出金属检出故障信号。
第三实施例：
图4是本发明提供的接收端线圈进入充电区域时的一种无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图。
如图4所示，无线充电装置包括装配在充电区域中的发射端线圈和装配在受电设备上的接收端线圈，其中，发射端线圈包括第二四边形铝质板7、第二长条状铁氧体层6和利兹线反向串联绕制的第二双极性线圈5，接收端线圈包括第一四边形铝制板1、第一长条状铁氧体层2和利兹线反向串联绕制的第一双极性线圈3。无线充电装置对发射端线圈进行交流激励，以在充电区域中感应出高频高强度功率电磁场，充电区域中的高频高强度功率电磁场在接收端线圈中感生出交流电，从而向受电设备供电。无线充电装置还包括配置在充电区域中的第二金属检测线圈8，其结构图和电流方向示意图如图6所示，第二金属检测线圈8由32个双极性第二单体检测线圈9组成，每个第二单体检测线圈9由两个单极性线圈反向串联构成，各路第二单体检测线圈9的绕线方式和电流方向完全相同。第二金属检测线圈8的中心与发射端线圈的中心在同一竖直线上，且第二单体检测线圈9的长边与图7中的Y轴平行，第二单体检测线圈9的短边与图7中的X轴平行。根据无线充电装置的电磁场分布特性，第二金属检测线圈8与第一双极性线圈3和第二双极性线圈5理论上磁解耦。
接着，将要描述金属检测装置的电子结构。
图8是金属检测装置的电子模块电路图。金属检测装置包括：供电电路20，用于为金属检测装置供电；AD9833信号发生模块及放大电路21，用于产生幅值频率可控的标准正弦波信号；并联谐振电路22，用于将第二金属检测线圈8的阻抗变化放大映射于并联谐振电路22的输出电压变化；带通滤波电路23，用于滤除功率电磁场在第二金属检测线圈8中感应出的电压以及第二金属检测线圈8中振荡电流的直流分量，同时放大并联谐振电路22的输出信号；峰值保持电路24，用于将带通滤波电路23的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；STM32F103控制电路25，用于控制AD9833信号发生模块及放大电路21的输出信号幅值和频率，接收峰值保持电路24的输出信号，并将峰值保持电路24的输出电平与预先测定的基准值进行比较，根据比较结果判断充电区域中是否存在金属，在判断为充电区域中存在金属的情况下，使无线充电装置停止充电过程，并发出金属检出故障信号；通知单元27，用于通知充电区域是否存在金属，STM32F103控制电路25基于检测结果驱动通知单元27。
在以上结构中，并联谐振电路22包括：并联谐振网络10，其由电阻、电容和第二金属检测线圈8并联构成，用于放大第二金属检测线圈8的阻抗变化；同向放大电路11，用于将并联谐振网络10的阻抗变化放大映射于其输出电压变化。通知单元27包括指示灯和蜂鸣器中的至少一个。
接着，将要描述接收端线圈进入充电区域时无线充电装置的金属检测方法，金属检测的步骤为：等待接收端线圈进入充电区域，无线充电装置开始进行稳定的无线功率传输。利用扫频调谐方法，主动获取各路第二单体检测线圈9的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路24的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路第二单体检测线圈9，根据峰值保持电路24的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
扫频调谐方法的操作步骤为：利用频率线性分布在一定范围内的一系列频率不同，幅值相同的无直流分量的标准正弦电源依次激励并联谐振电路22，并联谐振电路22的输出信号经带通滤波电路23的滤波、放大处理以及峰值保持电路24的整流、稳压、限幅处理后输入STM32F103控制电路25，由STM32F103控制电路25读取并记录不同激励频率下峰值保持电路24的输出电压，其中，最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率取谐振频率的0.98倍。
循环扫描驱动方式的操作步骤为：用具有各路第二单体检测线圈9最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路第二单体检测线圈9。当所有第二单体检测线圈9都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路第二单体检测线圈9。单次驱动第二单体检测线圈9的个数不限，但单次驱动的多路第二单体检测线圈9不相邻。
图9是第二金属检测线圈8的驱动电路模块图，图中STM32F103控制电路25通过驱动电路24依次控制与第二单体检测线圈9串联的各路继电器开关29的通断，以控制第二金属检测线圈8的驱动顺序。
当无线充电装置的发射端线圈和接收端线圈对准状态发生变化或传输功率发生变化时，应重新利用扫频调谐方法，主动获取各路第二单体检测线圈9的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路24的输出电压，并以循环扫描的方式驱动各路第二单体检测线圈9，根据峰值保持电路24的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
经仿真和实验验证，当铝质金属块进入第二金属检测线圈8的检测范围内时，峰值保持电路24的输出电压会发生较为明显的降低，STM32F103控制电路25可灵敏检测出峰值保持电路24的输出电压变化，继而使无线充电装置停止充电过程，并通过通知单元27发出金属检出故障信号。
第四实施例：
图5是本发明提供的接收端线圈未进入充电区域时的一种无线充电装置及金属检测线圈的装配结构立体图。
如图5所示，无线充电装置包括装配在充电区域中的发射端线圈，其中，发射端线圈包括第二四边形铝质板7、第二长条状铁氧体层6和利兹线反向串联绕制的第二双极性线圈5。无线充电装置还包括配置在充电区域中的第二金属检测线圈8，其结构图和电流方向示意图如图6所示，第二金属检测线圈8由32个双极性第二单体检测线圈9组成，每个第二单体检测线圈9由两个单极性线圈反向串联构成，各路第二单体检测线圈9的绕线方式和电流方向完全相同。第二金属检测线圈8的中心与发射端线圈的中心在同一竖直线上，且第二单体检测线圈9的长边与图7中的Y轴平行，第二单体检测线圈9的短边与图7中的X轴平行。此时，无线充电装置的发射端线圈不产生高频高强度的功率电磁场。
接着，将要描述金属检测装置的电子结构。
图8是金属检测装置的电子模块电路图。金属检测装置包括：供电电路20，用于为金属检测装置供电；AD9833信号发生模块及放大电路21，用于产生幅值频率可控的标准正弦波信号；并联谐振电路22，用于将第二金属检测线圈8的阻抗变化放大映射于并联谐振电路22的输出电压变化；带通滤波电路23，用于滤除第二金属检测线圈8中振荡电流的直流分量，同时放大并联谐振电路22的输出信号；峰值保持电路24，用于将带通滤波电路23的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；STM32F103控制电路25，用于控制AD9833信号发生模块及放大电路21的输出信号幅值和频率，接收峰值保持电路24的输出信号，并将峰值保持电路24的输出电平与预先测定的基准值进行比较，根据比较结果判断充电区域中是否存在金属，在判断为充电区域中存在金属的情况下，发出金属检出故障信号；通知单元27，用于通知充电区域是否存在金属，STM32F103控制电路25基于检测结果驱动通知单元27。
在以上结构中，并联谐振电路22包括：并联谐振网络10，其由电阻、电容和第二金属检测线圈8并联构成，用于放大第二金属检测线圈8的阻抗变化；同向放大电路11，用于将并联谐振网络10的阻抗变化放大映射于其输出电压变化。通知单元27包括指示灯和蜂鸣器中的至少一个。
接着，将要描述接收端线圈未进入充电区域时无线充电装置的金属检测方法，金属检测的步骤为：利用扫频调谐方法，主动获取各路第二单体检测线圈9的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路24的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路第二单体检测线圈9，根据峰值保持电路24的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
扫频调谐方法的操作步骤为：利用频率线性分布在一定范围内的一系列频率不同，幅值相同的无直流分量的标准正弦电源依次激励并联谐振电路22，并联谐振电路22的输出信号经带通滤波电路23的滤波、放大处理以及峰值保持电路24的整流、稳压、限幅处理后输入STM32F103控制电路25，由STM32F103控制电路25读取并记录不同激励频率下峰值保持电路24的输出电压，其中，最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率取谐振频率的0.98倍。
循环扫描驱动方式的操作步骤为：用具有各路第二单体检测线圈9最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路第二单体检测线圈9。当所有第二单体检测线圈9都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路第二单体检测线圈9。单次驱动第二单体检测线圈9的个数不限，但单次驱动的多路第二单体检测线圈9不相邻。
图9是第二金属检测线圈8的驱动电路模块图，图中STM32F103控制电路25通过驱动电路24依次控制与第二单体检测线圈9串联的各路继电器开关29的通断，以控制第二金属检测线圈8的驱动顺序。
经仿真和实验验证，当铝质金属块进入第二金属检测线圈8的检测范围内时，峰值保持电路24的输出电压会发生较为明显的降低，STM32F103控制电路25可灵敏检测出峰值保持电路24的输出电压变化，继而通过通知单元27发出金属检出故障信号。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
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 (10)
1.一种无线充电金属检测装置，其特征在于，包括信号发生电路、并联谐振电路、滤波电路、峰值保持电路、控制电路以及通知单元；
所述信号发生电路、并联谐振电路、滤波电路以及峰值保持电路依次串连；
所述控制电路分别与信号发生电路、峰值保持电路和通知单元相连；所述控制电路能够控制信号发生电路产生信号、能够接收峰值保持电路的输出信号、能够向通知单元发出警告信号。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统的金属检测装置，其特征在于：
所述信号发生电路能够产生幅值频率可控的标准正弦波信号，驱动并联谐振电路；
所述并联谐振电路包括并联谐振网络和放大电路；所述并联谐振网络主要由电阻、电容和金属检测线圈并联构成，能够放大金属异物介入所导致的金属检测线圈的阻抗变化；所述放大电路能够将所述并联谐振电路的阻抗变化放大映射于输出电压变化；
所述滤波电路能够滤除功率电磁场在所述金属检测线圈中感应出的电压以及所述金属检测线圈中振荡电流的直流分量，同时放大所述并联谐振电路的输出信号；
所述峰值保持电路能够将所述滤波电路的输出信号进行整流、稳压及限幅处理；
所述控制电路能够将所述峰值保持电路的输出电平与预先测定的基准值进行比较，并根据比较结果判断检测区域中是否存在金属，并且在判断为检测区域中存在金属的情况下，使无线充电装置停止充电过程，并发出金属检出故障信号；
所述通知单元能够通知检测区域是否存在金属异物；
所述检测区域是指设定的、所述无线充电系统金属检测装置能够正常工作的区域；
所述通知单元包括指示灯和/或蜂鸣器；
所述并联谐振电路的数量为一个或多个；所述滤波电路的数量为一个或多个；所述峰值保持电路的数量为一个或多个；
所述信号发生电路能够同时激励多个并联谐振电路；所述控制电路能够同时接收、记录以及处理多路所述峰值保持电路的输出电平；
所述金属检测线圈由一个或多个单体检测线圈组成。
3.一种无线充电装置，其特征在于，包括权利要求1或2所述的无线充电金属检测装置，还包括发射端线圈；
所述发射端线圈设置在充电区域内的设定位置；所述金属检测线圈设置在充电区域内；
所述发射端线圈包括第一铝制板、第一铁氧体层以及第一线圈；所述第一铁氧体层设置在第一铝制板上，所述第一线圈设置在第一铁氧体层上；
其中，充电区域是指设定的、所述无线充电装置能够正常工作的区域。
4.根据权利要求3所述的无线充电装置，其特征在于，所述无线充电装置还包括接收端线圈；
所述接收端线圈设置在受电设备的设定位置，包括第二铝制板、第二铁氧体层以及第二线圈；所述第二铁氧体层设置在第二铝制板上，所述第二线圈设置在第二铁氧体层上。
5.根据权利要求3或4所述的无线充电装置，其特征在于，所述发射端线圈与金属检测线圈基本磁解耦；所述接收端线圈与金属检测线圈基本磁解耦。
6.一种无线充电装置的金属检测方法，其特征在于，利用权利要求3、4或者5所述的无线充电装置，包括第一检测步骤和第二检测步骤；所述第一检测步骤是指受电设备未进入充电区域时的金属检测方法；所述第二检测步骤是指受电设备进入充电区域时的金属检测方法。
7.根据权利要求6所述的无线充电装置的金属检测方法，其特征在于，所述第二检测步骤具体如下：
等待受电设备进入充电区域，所述无线充电装置开始进行稳定的无线功率传输；利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据峰值保持电路的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属；当发射端线圈和接收端线圈对准状态发生变化或传输功率发生变化时，重新利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下所述峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据峰值保持电路的输出电压变化来检测所述充电区域中是否存在金属。
8.根据权利要求7所述的无线充电装置的金属检测方法，其特征在于：
所述扫频调谐方法具体是指：
利用频率线性分布在设定范围内的一系列频率不同、幅值相同、无直流分量的标准正弦电源依次激励包含金属检测线圈的并联谐振电路，并联谐振电路的输出信号经滤波电路的滤波、放大处理，峰值保持电路的整流、稳压、限幅处理后输入控制电路，控制电路读取并记录不同激励频率下峰值保持电路的输出电压，其中，峰值保持电路的最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率略低于所述谐振频率，所述最优振荡频率的取值范围在谐振频率的0.97～0.99倍范围内；
所述循环扫描具体是指：
用具有各路单体检测线圈的最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路单体检测线圈；当各路单体检测线圈都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路单体检测线圈；单次驱动单体检测线圈的个数不限，但单次驱动的多路单体检测线圈不相邻。
9.根据权利要求6所述的无线充电装置的金属检测方法，其特征在于，所述第一检测步骤具体如下：
利用扫频调谐方法，主动获取各路单体检测线圈的最优振荡频率及在最优振荡频率下峰值保持电路的输出电压，以循环扫描的方式驱动各路单体检测线圈，根据峰值保持电路的输出电压变化来检测充电区域中是否存在金属。
10.根据权利要求9所述的无线充电装置的金属检测方法，其特征在于：
所述扫频调谐方法具体是指：
利用频率线性分布在设定范围内的一系列频率不同、幅值相同、无直流分量的标准正弦电源依次激励包含金属检测线圈的并联谐振电路，并联谐振电路的输出信号经滤波电路的滤波、放大处理，峰值保持电路的整流、稳压、限幅处理后输入控制电路，控制电路读取并记录不同激励频率下峰值保持电路的输出电压，其中，峰值保持电路的最大输出电压所对应的激励频率即为谐振频率，最优振荡频率略低于所述谐振频率，所述最优振荡频率的取值范围在谐振频率的0.97～0.99倍范围内；
所述循环扫描具体是指：
用具有各路单体检测线圈的最优振荡频率的标准正弦电源依次驱动各路单体检测线圈；当各路单体检测线圈都经驱动过后，再重新以相同的驱动次序依次驱动各路单体检测线圈；单次驱动单体检测线圈的个数不限，但单次驱动的多路单体检测线圈不相邻。
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