CN111682653B - 无线电能传输异物检测与活体检测共用系统与识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了无线电能传输异物检测与活体检测共用系统与识别方法，所述系统包括：数字频率合成器、处理器、电阻R_in、运算放大器、模数转换器、带通滤波器、电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈L_k(k＝1，2，n)，所述数字频率合成器通过所述电阻R_in与所述运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的输出端、模数转换器和带通滤波器依次连接，所述电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈均并联在运算放大器的反向输入端和输出端上。本发明通过监测存在不同种类异物时多个谐振频率下检测线圈的阻抗特性变化趋势，从而提取出异物的有无及种类等信息，并同时实现活体异物与金属异物的检测。

Description

无线电能传输异物检测与活体检测共用系统与识别方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输异物检测与活体检测共用系统与识别方法，属于无线电能传 输技术及异物检测技术领域。

背景技术

无线电能传输技术原理为在发射线圈通入交变电流激励，产生交变磁场，能量通过该 交变磁场耦合到接收线圈并为负载提供电能，从而实现了电能的无线传输。相较于传统的 通过金属导线来实现电能传输的方式，无线电能传输技术可避免电火花、插头的接触磨损 及老化等问题，同时可应用于非接触的电能传输场合。在该技术逐步应用的过程中，其安 全问题(如：异物检测等)也需解决。

由于该技术的非接触特性，其发射端与接收端之间可能会引入异物，其中导电异物会 由于涡流效应而发热，从而可能引发安全隐患(如：异物燃烧、烫伤人体、毁坏无线充电 系统等)。而活体异物(如：人体、宠物、鸟类等)则会因暴漏在充电系统的强交变磁场 中感到不适甚至病变。其他异物(如塑料等)则不会受强交变磁场影响或对无线充电系统 产生破坏。针对无线电能传输系统的导电异物与活体异物需准确检测并识别异物类型，同 时分别作出响应。

但现有技术存在以下问题：

实现无线充电异物检测所采用的技术种类繁多但相互独立，不易于同时实现导电异物 与活体异物的同时检测及异物种类的判别；

部分技术成本过高，不易于系统集成(如光纤折射检测法、光纤折射率温度检测法)， 部分技术响应速度慢，存在滞后性(如温度检测法)；

部分技术受环境影响及强交变磁场影响较大，无法对异物种类进行判断且可能存在误 判(如机器视觉检测、雷达检测、铂电阻温度传感器等)。

发明内容

本发明的目的是提出无线电能传输异物检测与活体检测共用系统与识别方法，以解决 现有的无线充电异物检测的技术无法同时实现导电异物和活体异物的检测以及异物种类判 别，且成本高、不易于集成，受环境影响及强交变磁场影响较大的问题。

无线电能传输异物检测与活体检测共用系统，所述系统包括：数字频率合成器、处理 器、电阻R_in、运算放大器、模数转换器、带通滤波器、电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个 检测线圈L_k(k＝1，2，，，n)，所述数字频率合成器通过所述电阻R_in与所述运算放大器 的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的输出端、模数转换器和 带通滤波器依次连接，所述电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈均并联在运算放大器 的反向输入端和输出端上。

进一步的，所述多个检测线圈中，每个检测线圈所在支路均包括一个开关管、滤波电 容C_n和电感L_n，多个检测线圈均并联在运算放大器的反向输入端和输出端上。

无线电能传输异物检测与活体检测识别方法，所述识别方法包括以下步骤：

步骤一、启动异物检测系统的激励源；

步骤二、通过检测线圈所在支路的开关管进行控制，逐个接入单一检测线圈，即检测 电路谐振腔中只包含单独一个检测线圈；

步骤三、记录步骤二中所有情况的检测信号幅值，并逐个与检测信号安全阈值比较， 判断是否所有检测信号幅值处于与检测信号安全阈值范围内；若所有检测信号幅值处于检 测信号安全阈值范围内，则无任何异物，充电系统可以启动或继续正常工作；若部分检测 信号处于检测信号安全阈值范围之外，则表明存在异物，并执行步骤四；

步骤四、根据检测信号的幅值和受影响的检测线圈数量及位置计算异物的尺寸大小， 判断异物的尺寸大小是否超过该功率等级下的安全检测尺寸，若异物尺寸未超过安全检测 尺寸则对驾驶员或用户发出无线充电系统存在无危害的异物警报提示，并令充电系统可以 启动或继续正常工作；若异物尺寸超过安全检测尺寸则进入步骤五；

步骤五、通过控制检测线圈所在支路的开关管来控制接入检测电路的检测线圈数量， (接入检测电路的检测线圈数量多于1个)并使异物检测系统的激励源或数字频率合成器 输出信号的频率与检测电路谐振腔的谐振频率保持一致，使检测电路始终处于谐振状态， 并记录多谐振频率点或扫频时检测线圈的阻抗变化量及变化趋势；

步骤六、通过深度学习方式对检测线圈的阻抗变化量及变化趋势进行特征提取，并与 数据库比对，若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而程上升趋势，则判断异物为铁磁 性金属；若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而无显著变化或较平稳，则判断异物为 生物体；若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而程下降趋势，则判断异物为非铁磁性 金属。

本发明的主要优点是：

(1)可准确识别出对无线电能传输系统产生危害的导电异物及可能受到交变磁场危害 的活体异物，异物检测系统检测准确度高。

(2)上述两种异物检测技术由同一套检测装置实现，异物检测系统集成度高、成本低。

(3)异物检测系统可独立工作，受充电系统交变磁场影响小，并可针对不同种类异物 做出不同响应。异物检测系统抗干扰能力强且可智能控制充电系统的开启与关断。

附图说明

图1为无线电能传输异物检测与活体检测共用系统的电路结构示意图；

图2为不同频率下不同种类异物引起的检测线圈阻抗∣Z∣变化量趋势示例图；

图3为检测线圈放置位置示意图；

图4为检测线圈组阵列图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明提出了无线电能传输异物检测与活体检测共用系统的一实施例， 所述系统包括：数字频率合成器、处理器、电阻R_in、运算放大器、模数转换器、带通滤波 器、电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈L_k(k＝1，2，，，n)，所述数字频率合成 器通过所述电阻R_in与所述运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端接地， 运算放大器的输出端、模数转换器和带通滤波器依次连接，所述电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈均并联在运算放大器的反向输入端和输出端上。

具体的，多谐振频率点切换或扫频主要是通过控制与每个检测线圈的开关管数量以实 现接入不同个数的检测线圈，进而使检测线圈所在的谐振电路的固有谐振频率发生变化， 同时信号发生器或功率信号发生器的输出信号频率与检测线圈所在的谐振电路的固有谐振 频率时刻保持一致，即在检测线圈接入不同个数时仍使检测电路中的谐振电路在不同谐振 频率下保持谐振状态。由运算放大器构成的比例放大电路的放大系数因检测线圈所在谐振 电路始终保持谐振状态而近似保持不变。

在多个谐振点循环切换或循环扫频实现多频率点或扫频时的检测线圈的阻抗特性的变 化趋势的时时检测，进而可在系统规定的响应时间内实现导电异物与活体异物的检测与判 别。

当异物进入无线电能传输系统时，导电异物与活体异物在信号发生器或功率信号发生 器的输出一定范围内的信号频率的影响下会使检测线圈阻抗发生变化，同时检测线圈所在 的谐振电路在当前信号发生器或功率信号发生器的输出信号频率下失去谐振状态，即失谐。 同时由于并联谐振电路的特性，处于失谐状态的并联谐振电路的阻抗值显著降低，进而影 响由运算放大器构成的比例放大电路的放大系数。(应注意的是，本发明中的检测线圈所 在的谐振电路不仅包含并联谐振类型，同时包含其他种类的谐振类型如：串联谐振、LCC 谐振、LCL谐振或其他高阶复合谐振等)通过监测比例放大电路的放大系数即可判断是否有 异物进入之至无线充电系统中。

对于导电异物与活体异物的判别，可采取监测在多个信号发生器或功率信号发生器的 输出信号频率下的检测线圈的阻抗特性的变化趋势来进行判断，同时结合比例放大电路的 放大系数变化趋势和深度学习等技术实现导电异物与活体异物的判别。

数字频率合成器通过一个带有多个检测线圈的谐振放大电路，通过调整数字频率合成 器与检测线圈的接入实现多谐振点的扫频，通过输出电压的变化获取其阻抗频率特性，通 过阻抗频率特性的变化趋势的特征提取与判别来确定其为活体还是金属异物，并获取异物 的种类、位置以及尺寸等信息，以实现系统整体功能。

在本部分优选实施例中，所述多个检测线圈中，每个检测线圈所在支路均包括一个开 关管、滤波电容C_n和电感L_n，多个检测线圈均并联在运算放大器的反向输入端和输出端上。

参照图2所示，本发明提出了无线电能传输异物检测与活体检测识别方法的一实施例， 所述识别方法包括以下步骤：

步骤一、启动异物检测系统的激励源；

步骤二、通过检测线圈所在支路的开关管进行控制，逐个接入单一检测线圈，即检测 电路谐振腔中只包含单独一个检测线圈；

步骤三、记录步骤二中所有情况的检测信号幅值，并逐个与检测信号安全阈值比较， 判断是否所有检测信号幅值处于与检测信号安全阈值范围内；若所有检测信号幅值处于检 测信号安全阈值范围内，则无任何异物，充电系统可以启动或继续正常工作；若部分检测 信号处于检测信号安全阈值范围之外，则表明存在异物，并执行步骤四；

步骤四、根据检测信号的幅值和受影响的检测线圈数量及位置计算异物的尺寸大小， 判断异物的尺寸大小是否超过该功率等级下的安全检测尺寸，若异物尺寸未超过安全检测 尺寸则对驾驶员或用户发出无线充电系统存在无危害的异物警报提示，并令充电系统可以 启动或继续正常工作；若异物尺寸超过安全检测尺寸则进入步骤五；

步骤五、通过控制检测线圈所在支路的开关管来控制接入检测电路的检测线圈数量， (接入检测电路的检测线圈数量多于1个)并使异物检测系统的激励源或数字频率合成器 输出信号的频率与检测电路谐振腔的谐振频率保持一致，使检测电路始终处于谐振状态， 并记录多谐振频率点或扫频时检测线圈的阻抗变化量及变化趋势；

步骤六、通过深度学习方式对检测线圈的阻抗变化量及变化趋势进行特征提取，并与 数据库比对，若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而程上升趋势，则判断异物为铁磁 性金属；若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而无显著变化或较平稳，则判断异物为 生物体；若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而程下降趋势，则判断异物为非铁磁性 金属。

具体的，针对导电异物而言，部分种类异物(如铁磁性金属及其合金等)会在短时间 内如1分钟内由于涡流效应温度升高显著，因此对于该种类的异物检测系统的响应时间较 少。检测到导电异物后，应立即关闭无线充电系统并报警通知驾驶员，直至导电异物被移 除。

针对活体异物而言，检测系统响应时间可适当宽裕。可采取警示等方式(如：光学信 号、超声波、次声波等)驱离活体异物。待活体异物被驱离后，无线充电可继续工作。

步骤六中的数据库内包含了铁磁性金属、生物体和非铁磁性金属三项的各项精细化数 据，例如在将测到异物时，可以进一步根据检测线圈阻抗随激励源频率的细节变化判断具 体为何种类型异物，如：金属或活体生物等。

具体的，相对现有的检测技术只能检测出有异物，抑或是只能检测出异物为金属与否、 以及金属的类型，本发明提出的检测系统及方法能够同时检测并区分异物为金属还是活体。

Claims (1)

1.无线电能传输异物检测与活体检测识别方法，应用于无线电能传输异物检测与活体检测共用系统，所述无线电能传输异物检测与活体检测共用系统包括数字频率合成器、处理器、电阻R_in、运算放大器、模数转换器、带通滤波器、电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈L_k(k＝1，2，，，n)，所述数字频率合成器通过所述电阻R_in与所述运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的输出端、带通滤波器和模数转换器依次连接，所述电阻R_p、并联谐振电容C_p和多个检测线圈均并联在运算放大器的反向输入端和输出端上，所述多个检测线圈中，每个检测线圈所在支路均包括一个开关管、滤波电容C_n和电感L_n，多个检测线圈均并联在运算放大器的反向输入端和输出端上，

其特征在于，所述识别方法包括以下步骤：

步骤一、启动异物检测系统的激励源；

步骤二、通过检测线圈所在支路的开关管进行控制，逐个接入单一检测线圈，即检测电路谐振腔中只包含单独一个检测线圈；

步骤三、记录步骤二中所有情况的检测信号幅值，并逐个与检测信号安全阈值比较，判断是否所有检测信号幅值处于与检测信号安全阈值范围内；若所有检测信号幅值处于检测信号安全阈值范围内，则无任何异物，充电系统可以启动或继续正常工作；若部分检测信号处于检测信号安全阈值范围之外，则表明存在异物，并执行步骤四；

步骤四、根据检测信号的幅值和受影响的检测线圈数量及位置计算异物的尺寸大小，判断异物的尺寸大小是否超过当前功率等级下的安全检测尺寸，若异物尺寸未超过安全检测尺寸则对驾驶员或用户发出无线充电系统存在无危害的异物警报提示，并令充电系统可以启动或继续正常工作；若异物尺寸超过安全检测尺寸则进入步骤五；

步骤五、通过控制检测线圈所在支路的开关管来控制接入检测电路的检测线圈数量，并使异物检测系统的激励源或数字频率合成器输出信号的频率与检测电路谐振腔的谐振频率保持一致，使检测电路始终处于谐振状态，并记录多谐振频率点或扫频时检测线圈的阻抗变化量及变化趋势；

步骤六、通过深度学习方式对检测线圈的阻抗变化量及变化趋势进行特征提取，并与数据库比对，若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而程上升趋势，则判断异物为铁磁性金属；若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而无显著变化或较平稳，则判断异物为生物体；若检测线圈的阻抗随激励源信号频率增加而程下降趋势，则判断异物为非铁磁性金属。

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