CN111082537A - 异物检测设备和无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了异物检测设备和无线充电系统，设备包括：检测线圈集、检测模块、激励线圈集，其中，所述检测线圈集由至少一个检测线圈组组成，每个所述检测线圈组为平衡线圈；所述激励线圈集具有至少一个激励线圈组，所述激励线圈集生成检测磁场；所述检测线圈集和所述激励线圈集之间绝缘设置，并且所述检测线圈集处于所述检测磁场的范围内；所述检测模块联通每个所述检测线圈组。本发明的异物检测设备和无线充电系统，通过检测模块检测每个线圈组的电参数，并通过电参数的变化实现对异物的检测。这种方式具有更高的检测精度，采用平衡线圈，还能降低对外界因素的干扰，降低的检测误差。

Description

异物检测设备和无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及异物检测设备和无线充电系统。

背景技术

电动汽车无线充电技术具有安全、环保、使用便捷等特点，随着自动泊车和自动驾驶、智能网联汽车等技术的逐步普及，无线充电作为一种极具优势的自动充电方式而受到广泛重视。然而当无线充电系统的发射线圈上方出现金属异物时，金属异物因涡流效应而引起发热，这对系统电能的传输造成严重影响，甚至可能因温度急剧升高而造成安全隐患。因此金属异物检测是无线充电发射线圈和无线充电技术所必须的一项重要的保护功能。

现有技术中，采集检测线圈的阻抗，当有金属异物时，检测线圈的阻抗变化，实现对异物的检测。然而对于体积小的异物来说，其对阻抗的影响有限。现有技术中，对于无线充电领域来说，还有通过检测发射线圈的功率，和接收线圈的功率差，来判断是否有异物，这种方式误差大。

发明内容

本发明提供一种异物检测设备和无线充电系统，能够有效的检测异物，误差低，用于无线充电系统时，保证了无线充电系统的工作安全。

本发明的异物检测设备，包括：检测线圈集、检测模块、激励线圈集，其中，所述检测线圈集由至少一个检测线圈组组成，每个所述检测线圈组为平衡线圈；所述激励线圈集具有至少一个激励线圈组，所述激励线圈集生成检测磁场；所述检测线圈集和所述激励线圈集之间绝缘设置，并且所述检测线圈集处于所述检测磁场的范围内；所述检测模块联通每个所述检测线圈组。

优选的，所述检测线圈组具有偶数个对称设置的检测线圈，且所述检测线圈由一根导体反向绕制而成；或者，所述检测线圈组具有偶数个对称设置的检测线圈，且所述检测线圈形成在印刷电路板上。

优选的，所述检测线圈组具有两个对称设置的检测线圈。

优选的，所述检测线圈集至少具有两层；其中一层所述检测线圈集中的所述检测线圈组的非覆盖区域，处于另一层所述检测线圈集中的所述检测线圈组的覆盖区域内。

优选的，还包括开关模块，所述开关模块连接于所述检测线圈集和检测模块之间，控制每个所述检测线圈组依次和所述检测模块联通。

优选的，还包括滤波模块，所述滤波模块连接在所述检测线圈集和所述检测模块之间。

优选的，还包括电源，所述电源至少向所述激励线圈集供电。

优选的，所述激励线圈集与所述检测线圈集的结构相同。

本发明的无线充电系统，具有发射端和接收端，所述发射端包括上壳体、发射线圈、铁氧体、底板，还包括：上述的异物检测设备；其中，所述检测线圈集和所述激励线圈集均位于上壳体和发射线圈之间，所述检测线圈集位于靠近所述上壳体的一侧，所述激励线圈集位于靠近所述发射线圈的一侧。

本发明的异物检测设备和无线充电系统，通过检测模块检测每个线圈组的电参数，并通过电参数的变化实现对异物的检测。这种方式具有更高的检测精度，采用平衡线圈，还能降低对外界因素的干扰，降低的检测误差。

附图说明

图1为本发明异物检测设备的示意图。

图2为本发明异物检测设备优选实施例的示意图。

图3为本发明异物检测设备中检测线圈组之间的一种示意图。

图4为本发明异物检测设备中检测线圈组之间的另一种示意图。

附图标记：

检测检测线圈集1、检测模块2、开关模块3、滤波模块4、电源5、激励线圈集6、检测线圈组11、上壳体71、发射线圈72、铁氧体73、底板74、检测线圈110。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种异物检测设备。参见图1，该异物检测设备(以下简称检测设备)包括检测线圈集1、激励线圈集6和检测模块2。激励线圈集6具有至少一个激励线圈组61，激励线圈组61能够生成检测磁场D。检测线圈集1处于检测磁场D的范围内，当然是指工作范围，即检测线圈集1能够和激励线圈集6产生电磁效应。

检测线圈集1由至少一个检测线圈组11组成，每个检测线圈组11位平衡线圈。下面将检测线圈集1和激励线圈集6统称为两个线圈集，将检测线圈组11和激励线圈组61统称为线圈组。

两个线圈集之间绝缘设置，一般是有一定的间距。两个线圈集之间的线圈组，一般通过导体绕制，如导线，并且导体外会有绝缘层，如漆包线。在有绝缘层的情况下，两个线圈集可以贴放在一起。这也容易理解，因为激励线圈集1通过电磁感应原理，向检测线圈集1提供无线能量。需要注意，上述采用漆包线等方式绕制线圈组，是一种可选实施方式，并不用于限制本申请。在一些实施例中，还可以使用PCB线圈，在PCB板上形成多个检测线圈组11，以组成上述检测线圈集1。下文会提到检测线圈11或者检测线圈组11的“多层”结构，可以直接在PCB板上按层形成检测线圈11实现。

检测线圈集1能够产生感应电压等电参数，这些电参数能够被检测模块2检测到。既然要实现无线能量传输，两个线圈集之间必然不会接触导通。

激励线圈集6的作用上面已经说明，其激励线圈组61可以是一个，也可以是多个，当只使用一个激励线圈组61时，激励线圈集6和激励线圈组61就是同一结构。

检测线圈集1中一般都具有多个检测线圈组11，以分布更多的检测空间。每个检测线圈组11之间彼此独立，因此，激励线圈集6的工作范围要大于等于检测线圈组11分布的范围，保证各个位置的检测线圈组11都能正常工作。激励线圈组61可以是一对多的向每个检测线圈组11提供能量，也可以是一对一的向每个检测线圈组11提供能量。

优选的，激励线圈组61数量与检测线圈组11数量相当，且结构尺寸都类似，以提供能量传递的效率。检测线圈组11优选的具有偶数个对称设置的检测线圈110，且检测线圈110由一根导体反向绕制而成。优选的上述检测线圈组11具有两个对称的检测线圈110，且检测线圈110由一根导体绕制而成，对称的两个所述检测线圈110绕向相反。检测线圈110一般是双数个，如2个、4个，并且位置是对称的。在具有多个检测线圈110时，彼此位置对称的两个检测线圈110的绕向相反。激励线圈组61也可以采用同样的结构，具有对应数量和分布方式的激励线圈610。当然，这仅仅是可选的实施例，实际使用中，激励线圈610不是必须设置成该结构，尤其没有必要做出对称结构，形成平衡线圈，其采用最普通的环形线圈即可。

综上所述，激励线圈集6的目的就是为检测线圈集1提供无线能量，上述对激励线圈组61的各种设置，其目的就是为了能够更有效率的提供无线能量，其他能够实现无线能量传输的机构，均可以用于本申请。需要理解，两个线圈集采用结构相同，是为了方便制造——按同一种制造流程、参数能够制造出两个线圈集。

下面详细介绍检测线圈集1的设置方式，激励线圈集6可以根据实际需求，选择是否和检测线圈集1采用相同的结构。如下面会说明的，检测检测线圈集1具有至少两层检测线圈组11，激励线圈集6就不需要选择该相同的结构。

上述的检测线圈集1至少具有两层(个)，且互相叠置的设置。其中一个检测线圈集1中的检测线圈组11的非覆盖区域，处于另一个检测线圈集1中的检测线圈组11的覆盖区域内。为了方便说明，我们将其中一个检测线圈1称为第一线圈集，另一个检测线圈集1称为第二线圈集。第一线圈集的各个检测线圈组11之间存在识别盲区，该识别盲区，被第二线圈集覆盖。如图3和图4所示，在这种较为规律的布线方式(检测线圈组11的排布方式)中，相邻的检测线圈组11之间存在非覆盖区，图3中示出的是圆形检测线圈110，因此非覆盖区域更大。这个非覆盖区域，叫做识别盲区，图中以箭头Z指出。第一线圈集的盲区位于第二线圈集的覆盖区域内，也就是在第二线圈集的识别区域内。这样，异物进入第二线圈集的识别盲区中，也会被第一线圈集识别。从图3和图4可以知晓，上述检测线圈110采用方形、圆形或其他形状，在相邻的位置都存在盲区。图中仅为了方便示出两个检测线圈集1，并没有示出两个或多个检测线圈集1之间的叠置关系。

当然，根据不同命名方式，也可以说检测线圈集1中的多个检测线圈组11，分成两层设置。实现上述对盲区的覆盖。

一般的，检测线圈110通过绕制，因为线束自身的厚度(直径)问题，势必会造成圆角，如图4所示，即使方形线圈在四角也会出现弧度，多个检测线圈110的信号会产生交叉干扰，交界部分就会出现盲区，图4中以箭头Z示出的就是该盲区。结合图4，多个检测线圈组11的交界处存在多个盲区，而该盲区被叠置的另一个线圈集(图中为了区分以虚线示出)覆盖。需要注意，图3和图4仅作为示意，并不用于限制第二线圈集和第一线圈集中检测线圈组11的形状、排布方式和数量等。

需要注意，在图3和图4中，为了区分不同检测线圈集1中的检测线圈组11，将其中一个检测线圈集1中的检测线圈组11以虚线示出，对应的标记指引线也以虚线表示。图中两个检测线圈集1是为了方便表达，因此以并列的方式示出，并非表示其以该关系设置。

上述为了方面说明，引入了第一线圈集合第二线圈集，在实际应用中，不用区分，任意一个线圈集的非覆盖区，都在另一个线圈集的覆盖区内。也就是，至少两个线圈集叠置，能够保证在需要检测的范围内没有盲区。需要检测的范围外，存在盲区对本方案没有影响。线圈集的设置范围一般是大于需要检测的区域。

检测线圈集1包块了多个检测线圈组11，检测线圈集1作为检测线圈组11的集合，通过平面的布置方式延展其检测的方位。检测模块2一般是依次检测每个检测线圈组11，这样能够获取每个检测线圈组11的电参数，如电压。当有异物被检测到时，可以根据检测次序确定异物的位置。需要注意，这里提及的“依次检测”并不一定是按照相邻作为唯一次序，而是以固定的次序，或者说是能够被记录的次序。其目的是在检测到异物时，能够明确是哪个检测线圈组11，或者那些检测线圈组11的电参数变化，以确定异物的位置。检测模块2可以直接使用检测器，也可以使用检测电路。

除了上述的结构外，本申请异物检测设备还包括开关模块3和滤波模块4。

开关模块3连接于检测线圈集1和检测模块2之间，控制每个检测线圈组11依次和所述检测模块2联通。滤波模块4也连接在检测线圈集1和所述检测模块2之间。滤波模块4和开关模块3二者之间的位置可以调整。优选的，在一个实施例中，检测线圈集1通过开关模块3联通到滤波模块4，开关模块3控制检测线圈集1中的检测线圈组11逐一的联通到过滤模块4，过滤模块4逐一对每个检测线圈组11滤波，并将滤波后的信号送至检测模块2。检测模块2中可以具有通信模块，负责上报异物检测结果，以起到提示作用。

如图2所示，由于检测线圈集1具有多个，可以每个检测线圈集1分别连接有一个开关模块3，每个开关模块3也分别连接一个滤波模块4，所有滤波模块共同连接到检测模块2。也可以是所有检测线圈集1共用一个开关模块3，当然后续的滤波模块4也就对应的使用一个即可。如有两个检测线圈集1时，两个叠置，并且让一个检测线圈集1中的检测线圈组11的盲区处于另一个检测线圈集1的检测线圈组11的检测范围内，这样，就和上述一个检测线圈集1中采用多层检测线圈组11的方案类似。能够减少盲区的影响。

可以知晓，实现盲区的检测可以是多层检测线圈集1，也可以使多层检测线圈组11。当检测线圈集1是多层时，每层检测线圈集1中，设置有一层检测线圈11，多层检测线圈集1层叠，使不同层的检测线圈集1中的检测线圈组11，可以覆盖彼此的盲区。也可是以一层检测线圈集1，其中设置多层的的检测线圈组11，多层检测线圈组11覆盖彼此的盲区。无论他们的实现形式是怎样的，目的都是相同的——避免盲区对异物检测效果的影响。即使同时采用多层检测线圈集1和多层检测线圈组11也可以。结合上文提到的PCB线圈，可以是一个PCB上形成多层检测线圈组11。

滤波模块4主要当本申请的异物检测设备用于无线充电时，例如电动汽车的无线充电领域中，给汽车充电的地端中，具有功率发射线圈，滤波模块4是为了过滤发射线圈的影响。在应用中，本申请的检测设备设置在发射线圈的上方，以汽车无线充电为例，该检测设备设置在地端，位于发射线圈上方。此时检测线圈组11就会受到发射线圈的影响，因此滤波模块4的作用就是：将检测线圈组11由于和发射线圈的电磁感应形成电信号过滤掉。这里可以采用对不同频率的滤波，将发射线圈产生的影响信号过滤掉。也就是说检测线圈组11自身的频率和发射线圈施加的频率不同。

滤波模块4能够过滤掉发射线圈的影响，保留检测线圈组11自身的电参数，这就需要使线圈组自身的参数有别于发射线圈使其发生电磁感应的参数，如上述二者的频率不同。为此，本申请还包括电源5，电源5至少向激励线圈集6供电。该电源5可以是独立的供电单元，也可以是激励线圈集6的一部分。当然也包括激励线圈集6实现无线电能传输的其他必要零部件，例如电容、控制电路板等。控制电路板与激励线圈集6联通。激励线圈集6中的每一个激励线圈组61均连接到控制电路板，控制电路板内部包括信号发生器和信号放大器，信号发生器产生的固定频率的交流信号经信号放大器后施加在每一个激励线圈组61，使激励线圈组61上方产生检测磁场D。

本发明还公开一种无线充电系统，具有发射端和接收端，发射端包括上壳体71、发射线圈72、铁氧体73、底板74，还包括上述的异物检测设备；检测线圈集1和激励线圈集6均位于上壳体71和发射线圈72之间，检测线圈集1位于靠近上壳体71的一侧，激励线圈集6位于靠近发射线圈72的一侧。发射线圈72一般由高频利兹线盘绕而成，上壳体71和底板74的材料为工程塑料，主要用于封装发射线圈72，提高机械强度。底板74和铁氧体73之间一般安装有铝合金材质的金属薄板，起到电磁场屏蔽及导热作用。发射线圈72装配完成后内部还会填充环氧树脂灌封胶，起到线圈的固化、绝缘、导热、防水等作用。控制电路板设置在发射线圈72下方，底板74之上；也可以在发射线圈72的侧方，处于功率传输磁场以外即可。控制电路板包含开关切换模块、整流模块、滤波模块、控制器等。

在无线充电中应用该异物检测设备时，激励线圈集6产生的检测磁场D频率与无线充电功率传输的磁场频率有明显的差异，以防止互相干扰。

在应用中，在激励线圈集6上方产生交变的磁场，检测磁场D，检测磁场D穿过检测线圈集1中的各个检测线圈组11，在各个检测线圈组11内部产生感生交流电。由于检测线圈组11包括了左右平衡对称的两个(或者其他数量的偶数个，此处以两个为例)检测线圈110，根据电磁感应原理可以知道，当检测线圈集1上方不存在金属异物时，对称的两个检测线圈110感生出的电动势大小相等、方向相反。因此两个检测线圈110的电动势相互抵消，检测线圈组11两端的输出电压应为零。当检测线圈集1上方存在金属异物时，部分检测磁场D被金属异物感应吸收，导致对称的两个检测线圈110内中通过的磁场不相同，感应出的电动势也不相等，因此存在异物处对应的检测线圈组11输出的电压不等于零。

检测线圈组11的两端的电压经转换模块接入到滤波模块4，滤波模块4的功能是将接入的检测线圈组11的信号中的干扰信号滤除，主要是工作频率为功率传输磁场的交流信号。需要注意的是：功率传输的磁场在检测线圈组11内产生感应电压，一般情况下检测线圈组11可以抵消这个感应电压(通过平衡线圈的结构)，但当发射线圈72和接收线圈(接收端的接收线圈)之间有偏移等情况时，可能不能抵消，此时通过滤波模块4滤除无线充电频率的电流)。经过滤波的交流信号经整流模块转换为直流电后送入到检测模块2，由检测模块2实时测量出接入的检测线圈组11两端的感应电压值，根据感应电压的变化可以判断出检测线圈集1上方是否存在金属异物。应该理解，这里对工作原理的说明，虽然结合了无线充电系统，但在异物检测设备用于其他领域时，其工作原理同样是这样，只是排除了功率传输的影响，可以调整滤波模块4的应用。

激励线圈组61的尺寸与无线充电接收线圈(无线充电中的接收端线圈)的距离相比而言比较小，当无线充电的发射线圈72和接收线圈正对或偏移时，与激励线圈组61之间产生的互感量很小，检测磁场D不会受接收线圈和发射线圈72耦合关系变化的影响，即正常情况下，检测线圈集1内没有异物时，不论发射线圈72和接收线圈正对或偏移，检测线圈组11内对称的两个检测线圈110中感应电压应始终能抵消

这种检测方式的好处是不受功率传输磁场的影响，是否存在传输功率均可以检测异物，也避免了单独采用平衡线圈并检测功率传输磁场产生的感应电压时，在无线发射线圈72和接收线圈之间有偏移等情况时，可能不能抵消平衡线圈之间的感应电压，而产生误报的现象。也有技术通过对检测线圈组11的阻抗进行检测，虽也可以避免传输磁场的影响，但因为小尺寸的异物产生的阻抗变化很小，甚至可能小于检测线圈组11本身因为温度、频率波动等变化导致的阻抗波动，阻抗检测方式对检测线圈组11的要求很高，容易出现漏检或误报的情况。而本申请独立产生了外加的检测磁场D，又采用了平衡线圈的设计，很多外部变化被抵消了。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种异物检测设备，其特征在于，包括：

检测线圈集(1)、检测模块(2)、激励线圈集(6)，其中，

所述检测线圈集(1)由至少一个检测线圈组(11)组成，每个所述检测线圈组(11)为平衡线圈；

所述激励线圈集(6)具有至少一个激励线圈组(61)，所述激励线圈集(6)生成检测磁场(D)；

所述检测线圈集(1)和所述激励线圈集(6)之间绝缘设置，并且所述检测线圈集(1)处于所述检测磁场(D)的范围内；

所述检测模块(2)联通每个所述检测线圈组(11)。

2.根据权利要求1所述的异物检测设备，其特征在于，

所述检测线圈组(11)具有偶数个对称设置的检测线圈(110)，且所述检测线圈(110)由一根导体反向绕制而成；或者，

所述检测线圈组(11)具有偶数个对称设置的检测线圈(110)，且所述检测线圈(110)形成在印刷电路板上。

3.根据权利要求2所述的异物检测设备，其特征在于，

所述检测线圈组(11)具有两个对称设置的检测线圈(110)。

4.根据权利要求1所述的异物检测设备，其特征在于，

所述检测线圈集(1)至少具有两层；

其中一层所述检测线圈集(1)中的所述检测线圈组(11)的非覆盖区域，处于另一层所述检测线圈集(1)中的所述检测线圈组(11)的覆盖区域内。

5.根据权利要求1所述的异物检测设备，其特征在于，

还包括开关模块(3)，所述开关模块(3)连接于所述检测线圈集(1)和检测模块(2)之间，控制每个所述检测线圈组(11)依次和所述检测模块(2)联通。

6.根据权利要求1所述的异物检测设备，其特征在于，

还包括滤波模块(4)，所述滤波模块(4)连接在所述检测线圈集(1)和所述检测模块(2)之间。

7.根据权利要求1所述的异物检测设备，其特征在于，

还包括电源(5)，所述电源(5)至少向所述激励线圈集(6)供电。

8.根据权利要求1-7任一项所述的异物检测设备，其特征在于，所述激励线圈集(6)与所述检测线圈集(1)的结构相同。

9.一种无线充电系统，具有发射端和接收端，所述发射端包括上壳体(71)、发射线圈(72)、铁氧体(73)、底板(74)，其特征在于，还包括：

权利要求1-8任一项所述的异物检测设备；其中，

所述检测线圈集(1)和所述激励线圈集(6)均位于上壳体(71)和发射线圈(72)之间，所述检测线圈集(1)位于靠近所述上壳体(71)的一侧，所述激励线圈集(6)位于靠近所述发射线圈(72)的一侧。

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