CN111917196B - 一种无线充电异物检测系统、无线充电系统及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电异物检测系统、无线充电系统及充电方法，属于无线充电技术领域，本发明能够在进行无线电能传输前或者无线电能传输过程中，检测判定无线电能传输中发射线圈与接收线圈之间是否存在的或者坠入金属异物，及时报警并控制电能传输，可对金属异物进行定位和大小判定，对金属异物做出适当评估。本发明在能量发射单元上设置有金属异物检测单元，金属异物检测单元能够利用金属异物与检测线圈的磁耦合联系，检测到金属异物的大小及位置，对金属异物进行初步评估，同时通过异物排除单元对其进行排除，避免了金属异物影响无线充电过程的传输效率以及涡流引起的发热问题等；若排除失败则发出警告停止充电，避免异常情况的出现。

Description

一种无线充电异物检测系统、无线充电系统及充电方法

【技术领域】

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种无线充电系统，尤其是一种机器人无线充电系统及方法。

【背景技术】

随着无线电能传输技术的不断发展，该项技术依靠其特有便携性、安全性等优点在越来越多的场合下得到应用，应用领域从医疗设备到家用电器设备、特殊工业应用、科研应用，传输功率从数毫瓦到上千瓦，传输距离从不到一毫米到十几厘米甚至数千米，都能看到无线电能传输技术的身影，它正在不断改变我们的生活方式。

现有无线电能传输技术主要采用共振磁耦合式进行能量传输，其能够实现在中短距离下传输数十到数千瓦的功率，广泛应用于电子设备无线充电、无尾家电、智能小车、机器人、电动汽车等领域，传输效率较高，工作频率对人体、其他设备影响几乎没有，是一种绿色经济环保的无线电能传输方式。

然而，随着该技术不断进入应用阶段，也引入一些新的问题有待解决，在能量发射端与能量接收端的异物可能影响能量传输的效率与功率，通常具有容性、磁性、导电性均可能在共振磁场中产生附加作用而影响原来的工作条件。其中金属异物出现几率极大，且由于其拥有的良导电性，能够产生涡流效应，进而对原磁场产生较大的影响，故必须对存在于发射线圈与接收线圈之间的金属异物进行检测判定，并及时移除，以防止降低传输效率、涡流引起发热等问题。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中能量发射端与能量接收端存在异物影响能量传输效率与功率的问题，提供一种机器人无线充电系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种无线充电异物检测系统，包括检测线圈面板、激励信号产生模块、阻抗变化检测模块、谐振网络配置模块、滤波模块以及控制模块；

检测线圈面板，包括阵列排布的若干检测线圈，用于与金属异物建立磁耦合联系，使检测支路的阻抗减小；

谐振网络配置模块，并联在阻抗变化检测模块的输入端和输出端；

阻抗变化检测模块，用于将检测线圈与谐振网络配置模块并联后的等效阻抗减小转为电压信号，送至滤波模块；

滤波模块，用于接收阻抗变化检测模块输送的电压信号，并对电压信号进行提取，提取后输送至控制模块；

控制模块，用于对滤波模块提取的信号进行判定，输出是否存在金属异物以及金属异物的位置。

上述检测系统的进一步改进在于：

进一步的，所述阵列排布的若干检测线圈中，将间隔的两个检测线圈反相串联，组成检测线圈单元对；每对检测线圈单元对再与投切开关S和隔直电容C串联，组成检测线圈支路；所述谐振网络配置模块包括并联的电阻R_p和谐振电容 C_p，每一组检测线圈支路均并联在电阻R_p和谐振电容C_p两端，谐振电容C_p的两端并联在阻抗变化检测模块的输入和输出端上。

进一步的，所述阻抗变化检测模块包括运算放大器，所述运算放大器的反相输入端通过输入电阻R_in接激励信号产生模块发来的高频监测激励信号，正向输入端接地，输出端接滤波模块；谐振网络配置模块为反馈网络，并联在运算放大器的反相输入端和输出端上。

进一步的，所述滤波模块包括级联的带阻滤波模块和带通滤波模块；带阻滤波模块的中心频率为能量发射单元的工作频率，带通滤波模块的中心频率为检测激励信号频率。

一种无线充电系统，包括：

共振磁耦合功率能量传输单元，包括能量发射单元和能量接收单元，用于将能量由能量发射单元向能量接收单元进行传输，待充电完成后停止；

上述无线充电异物检测系统，所述无线充电异物检测系统的检测线圈面板设置在能量发射单元上，用于检测能量发射单元上是否存在金属异物。

上述无线充电系统的进一步改进在于：

进一步的，还包括异物排除单元，用于将能量发射单元上的金属异物排除，若排除失败则发出警告指示。

进一步的，所述异物排除单元包括异物扫除装置和报警装置；当异物扫除装置排除异物失败时，报警装置发出报警指示。

一种无线充电方法，包括以下步骤：

步骤1，检测能量发射单元上是否存在金属异物，若存在金属异物，评估金属异物的位置，然后执行步骤2；否则执行步骤3；

步骤2，排除能量发射单元上的金属异物，若排除成功，执行步骤3；否则发出请告指示，停止充电；

步骤3，启动充电工作，将能量由能量发射单元向能量接收单元传输，待充电完成后停止。

上述充电方法的进一步改进在于：

进一步的，在充电期间周期性的检测能量发射单元上是否存在金属异物。

进一步的，所述充电期间每隔预定时间对能量发射单元进行检测，检测其上是否存在金属异物。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明机器人无线充电方法，能够在进行无线电能传输前或者无线电能传输过程中，检测判定无线电能传输中发射线圈与接收线圈之间是否存在的或者坠入金属异物，及时报警并控制电能传输，可对金属异物进行定位和大小判定，对金属异物做出适当评估。

本发明机器人无线充电系统，在能量发射单元上设置有金属异物检测单元，金属异物检测单元能够利用金属异物与检测线圈的磁耦合联系，检测到金属异物的大小及位置，对金属异物进行初步评估，同时通过异物排除单元对其进行排除，避免了金属异物影响无线充电过程的传输效率以及涡流引起的发热问题等；若排除失败则发出警告停止充电，避免异常情况的出现。

进一步的，本发明无线充电系统的无线能量传输模块包括能量发射单元和能量接收单元，采用共振磁耦合原理，能量发射单元从供电模块获取稳定的直流电压，向能量发射线圈注入高频写真电流，使能量发射线圈与能量接收线圈的谐振频率相同，建立共振耦合磁场进行能量传输，保持较高的传输效率和传送功率；本发明金属异物检测单元利用设置在发射能量线圈上方的检测线圈面板，利用金属异物与检测线圈建立的磁耦合联系，使检测线圈的阻抗减小，同时检测线圈与谐振网络配置模块并联后的等效阻抗将减小，这能够被阻抗变化检测模块监测到，并转化为电压信号，然后将电压信号进行滤波处理后发送给异物检测控制模块进行分析，初步判断金属异物的位置及大小，以保证充电的顺利进行。

【附图说明】

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明机器人无线充电系统的整体结构示意图；

图2是本发明检测线圈布置及谐振网络配置的示意图；

图3是本发明金属异物检测电路的示意图；

图4是本发明充电方法的流程图。

其中：10-能量发射线圈，11-能量发射单元其他模块，20-能量接收线圈，21- 能量接收单元其他模块，30-检测线圈面板，31-激励信号产生模块，32-阻抗变化检测模块，33-谐振网络配置模块，34-滤波模块，35-控制模块，40-金属异物，50- 供电模块，60-电池。

【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，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本实施例为一种机器人无线充电系统，所述充电系统包括利用共振磁耦合功率的能量传输模块和金属异物检测单元；能量传输模块包括能量发射单元和能量接收单元；其中，能量发射单元包括能量发射线圈10和能量发射单元其他模块11(包括逆变桥、谐振补偿网络等)，能量接收单元包括能量接收线圈20和能量接收单元其他模块21(包括整流滤波模块、谐振补偿网络等)。本实施例无线电能传输采用共振磁耦合原理，能量发射单元通过从供电模块50获取稳定的直流电压，通过逆变电路、谐振补偿网络向发射线圈10注入高频谐振电流，通过使能量发射线圈与能量接收线圈20的谐振频率相同，建立共振耦合磁场进行能量传输，保持较高的传输效率和传送功率，能量被接收线圈20接收后送至能量接收单元其他模块21处理，最后给电池60充电。

金属异物检测单元包括检测线圈谐振网络、激励信号产生模块31、阻抗变化检测模块32、滤波模块34以及控制模块35；检测线圈谐振网络包括检测线圈面板30和谐振网络配置模块33，检测线圈面板30包括检测线圈单元对，谐振网络配置模块33包括投切开关、隔直电容、并联电阻以及谐振电容；如图2所示，检测线圈单元对由两个相同大小的间隔检测线圈单元反向串联组成，具体是一组检测线圈单元对的两个检测线圈之间，设置下一组检测线圈单元对中的其中一个检测线圈，依次类推，使间隔在1个检测线圈两侧的两个检测线圈反相串联；单个检测线圈单元的面积远小于能量发射线圈和能量接收线圈，且检测线圈单元按次序无交叠地规则平铺在能量发射线圈与能量接收线圈之间，且靠近能量发射线圈，铺设覆盖面积与能量发射线圈面积大致相同。

如图1所示，当激励信号产生模块31对检测支路供电时，存在的金属异物 40由于检测线圈面板30上的检测线圈产生的高频磁场而被迫产生涡流效应，金属异物40与检测线圈建立磁耦合联系，检测线圈支路阻抗减小，与谐振网络配置模块32并联后的等效阻抗将减小，这可以被阻抗变化检测模块32转为电压信号，将该电压信号送至带通带阻滤波模块34初步提取后交由异物检测控制模块35进行分析，异物检测控制模块35可进行更高级的操作，保证充电的顺利进行。

本实施例采用检测线圈单元反向串联的方式可以减小误差，两个检测线圈单元通过反向串联的方式组成检测线圈单元对，这样感应电压在检测线圈单元对两端产生电压仅为差分电压，极大地消除了共振磁耦合功率能量传输单元工作时在空间建立的高频谐振电磁场产生的感应电压的影响。

本实施例中，间隔的检测线圈单元串联方式可以减小盲区，选择间隔的检测线圈单元相互反向串联组成检测线圈单元对，而非相邻的检测线圈单元相互反向串联，这样可以消除在中间的检测线圈几何中心处的盲区。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，金属异物检测单元中检测线圈谐振网络由检测线圈面板30上的检测线圈单元和与谐振网络配置模块33；谐振网络配置模块33采用投切开关，所述投切开关可以快速关断导通，匹配检测激励信号的频率正常开通关断，加入投切开关有两个作用：

第一，当与之串联的检测线圈单元发生短路故障或隔直电容被击穿时，关断此投切开关使此检测支路退出运行，虽然检测范围和精度有所下降，但并不影响其他检测线圈单元对的工作，即各个检测线圈单元对可独立运行。

第二，当需要对存在或坠入的金属异物进行定位判定时，可依次投入各个支路，检测对应输出电压，确定金属异物的位置，便于查找和清理异物。

如图2所示，检测线圈面板30上各个检测线圈面积很小，远小于发射线圈或接收线圈，许多检测线圈单元以此有序整齐排列在检测线圈面板上紧密覆盖，按照检测线圈支路数确定异物检测单元个数，本实施例中为两个。从图2中可以看到，通过反向串联的方式组成检测线圈单元对，其中一组检测线圈单元对间隔另一组检测线圈单元对的其中一个检测线圈单元；工作时，检测线圈对中流过高频的检测激励信号，当金属异物在检测范围内，由于涡流效应引起阻抗变化而被检测到。可以看出，其中一组检测线圈单元对的检测范围包括该组检测线圈单元对，和另一组检测线圈单元对的一个检测线圈，各组检测线圈单元对检测范围均有叠加部分，不存在检测盲区，且可以此对金属异物进行定位与大小分析。

此外，本实施例中金属异物检测单元线圈谐振网络的隔直电容可以断直流分量，配合投切开关切断检测支路。检测线圈单元对、投切开关、隔直电容三者相互串联，形成一条独立的检测支路，每条检测支路均可独立运行，并可通过投切开关控制是否投入检测运行，同时可通过调整隔直电容的容值，将各检测支路与谐振电容确定的谐振频率设为同一值。谐振电容与诸多检测支路并联，并联的检测支路共用并联谐振电容。另外，并联的电阻作为用于稳定谐振网络的等效并联电阻，当检测支路全部投入运行进行金属异物检测时、仅有一条支路投入运行进行扫描检测定位金属异物时或某检测支路故障退出运行时，这三种情况下，谐振网络等效并联电阻的阻值大小相同或相近。

本实施例检测线圈单元对先与投切开关S₁、隔直电容C₁串联构成检测线圈支路，n条支路并联后，并与谐振电容C_p、电阻R_p并联构成谐振网络配置模块33，投切开关S₁控制检测支路投切，实现扫描、短路故障排除等功能；隔直电容消除直流，配合投切开关控制支路通断，并保证线圈直流谐振频率相同，其满足公式 C₁//C_p＝C₂//C_p＝…＝C_n//C_p；隔直电容的端口引线接阻抗变化检测模块的反馈网络，谐振网络做反馈网络是待检测的对象。

上述并联电阻的阻值应远小于多条检测支路的等效并联电阻阻值；但同时也不能过于小，需保证谐振网络的阻抗在谐振频率处具有较高的峰值，即其谐振网络阻抗随频率变化图在谐振频率处存在适当的尖峰；若所需并联电阻的阻值无法满足上述条件，则减少检测支路数，增加阻抗变化检测模块个数或增大线圈单元面积。

如图3所示，在本发明的另一个实施例中，检测激励信号产生电路产生激励信号的频率远高于能量传输单元的工作频率，以便于提取检测信号供判定使用，激励信号施加于阻抗变化检测模块。阻抗变化检测模块包括输入电阻和运算放大器。激励信号产生模块31的激励信号施加于阻抗变化检测模块32，阻抗变化检测模块为反向比例放大器，R_in为输入电阻，检测线圈谐振网络并联支路为反馈电路，金属引起的检测线圈单元对的阻抗减小将引起输出电压vo1减小；但同时应注意开关噪声和能量传输单元共振磁场产生的额外的电压，故需在后级加上滤波模块34。

其中，阻抗变化检测模块为反向比例运算放大电路，待检测的谐振网络作为反馈网络，在外部高频检测激励信号下，金属异物进入检测范围引起的阻抗减小将引起输出电压幅值下降，从而可判定金属异物的存在。滤波模块包括带阻滤波模块和带通滤波模块级联组成。本实施例中带阻滤波采用双T有源滤波消除能量传输单元共振磁场引起的差分电压，而带通滤波更进一步地衰减无用信号，提取检测信号至控制模块35。滤波模块中带阻滤波模块的中心频率为能量传输单元工作频率，用于消除共振磁场在反向串联线圈对中产生的差分电压信号，减小误差；滤波模块中带通滤波模块的中心频率为检测激励信号频率，用于衰减高频噪声和开关噪声，提取检测信号。

另外如图3所示，本实施例金属异物检测单元中的控制电路主要通过控制芯片进行控制，利用算法程序得出判定结果。控制模块35利用处理后的信号进行判定，给出相关结论或进行一进步的检测。利用特定的算法可实现金属异物存在报警与金属异物位置大小评估：金属异物的涡流效应使输出电压下降，同时下降幅值与金属异物大小、电导率正相关。通过投切开关对各个检测线圈单元对的检测区域进行扫描分析，即可大致确定金属异物存在的位置及其大小。

在本发明的另一个实施例中，异物排除单元包括异物扫除装置以及警报装置，所述异物扫除装置包括设置在能量发射单元上的异物推板，异物推板上连接有电机，电机能够在金属异物检测单元的控制下工作，在检测到有金属异物时向电机发送控制指令，电机接收到指令后驱动异物推板动作，将金属异物推离能量发射单元，再重复若干次动作之后，若金属异物检测单元仍然检测到能量发射单元上存在金属异物，则向报警装置发送指令进行警告。

本发明的原理：

本发明无线电能传输采用共振磁耦合原理，功率发射模块向能量发射线圈施加激励并产生谐振，在空间建立与接受线圈谐振频率相同的共振耦合磁场，能量接收线圈将拾取的能量输出至后级处理。

金属异物检测单元中的检测线圈谐振网络包括检测线圈单元对、投切开关、隔直电容、并联电阻、谐振电容组成，其中检测线圈单元对在激励下的阻抗随金属异物的大小及位置变化；投切开关为可快速通断的全控开关，可以在与之串联的线圈单元对发生短路故障等情况下断开，该检测线圈对可退出运行；隔直电容可阻断交流信号，并与线圈单元对的电感、谐振电容共同决定谐振频率；并联电阻可增加谐振网络阻抗的稳定性，防止误判。

检测线圈谐振网络中的检测线圈单元对由相间隔检测线圈单元反向串联组成，单个检测线圈单元面积远小于发射线圈或接受线圈的面积，且靠近发射线圈并平铺在发射线圈与接受线圈之间，间隔线圈方式的反向串联可以消除盲区和基本消除能量传输线圈的共振磁场影响。

金属异物检测单元中的阻抗变化检测模块由输入阻抗和运算放大器组成，利用运算放大器构成反向比例放大器，待检测的谐振网络做反馈网络；检测激励信号由外围谐振电路产生，检测激励信号的频率远大于能量传输单元的工作频率。

金属异物检测单元中的滤波模块由带阻滤波模块和带通滤波模块级联组成，其中带阻滤波模块中心频率为能量传输单元工作频率，带通滤波模块中心频率为检测激励信号频率，滤波后提取的电压及变化量可作为判断金属异物存在与否依据。

控制模块可通过特定运算提取有用信息判断金属异物的存在与否与大小情况，且可对个检测线圈对支路进行扫描并利用特定算法以确定金属异物存在的大致位置和大小。

如图4所示，本发明的机器人无线充电方法，包括以下步骤：

在充电开始前先启动金属异物检测系统判断是否存在异物或故障，若不存在则进行充电，若存在则可进一步对检测线圈单元对进行扫描以确定金属的大小与位置，并试图排除，排除失败则停止充电并发出警告指示，排除成功则进行充电；充电期间以特定周期运行金属异物检测系统，直至充电结束或异常退出。具体方法如下：

检测能量发射单元上是否存在金属异物，并评估金属异物的位置及大小；

将能量发射单元上的金属异物进行排除，若排除失败发出请告指示，停止充电；

启动充电工作，将能量由能量发射单元向能量接收单元传输，待充电完成后停止；在充电期间周期性的检测能量发射单元上是否存在金属异物；充电期间每隔预定时间对能量发射单元进行检测，检测其上是否存在金属异物；所述预定时间优选0.5min。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线充电异物检测系统，其特征在于，包括检测线圈面板（30）、激励信号产生模块（31）、阻抗变化检测模块（32）、谐振网络配置模块（33）、滤波模块（34）以及控制模块（35）；

检测线圈面板（30），包括阵列排布的若干检测线圈，用于与金属异物（40）建立磁耦合联系，使检测支路的阻抗减小；所述阵列排布的若干检测线圈中，将间隔的两个检测线圈反相串联，组成检测线圈单元对；每对检测线圈单元对再与投切开关S和隔直电容C串联，组成检测线圈支路；所述谐振网络配置模块（33）包括并联的电阻R _p 和谐振电容C _p ，每一组检测线圈支路均并联在电阻R _p 和谐振电容C _p 两端，谐振电容C _p 的两端并联在阻抗变化检测模块（32）的输入和输出端上；

谐振网络配置模块（33），并联在阻抗变化检测模块（32）的输入端和输出端；

阻抗变化检测模块（32），用于将检测线圈与谐振网络配置模块（33）并联后的等效阻抗减小转为电压信号，送至滤波模块（34）；

滤波模块（34），用于对阻抗变化检测模块（32）输送的电压信号进行提取，提取后输送至控制模块（35）；

控制模块（35），用于对滤波模块（34）提取的信号进行判定，输出是否存在金属异物以及金属异物的位置。

2.根据权利要求1所述的无线充电异物检测系统，其特征在于，所述阻抗变化检测模块（32）包括运算放大器，所述运算放大器的反相输入端通过输入电阻R _in 接激励信号产生模块（31）发来的高频监测激励信号，正向输入端接地，输出端接滤波模块（34）；谐振网络配置模块（33）为反馈网络，并联在运算放大器的反相输入端和输出端上。

3.根据权利要求1或2所述的无线充电异物检测系统，其特征在于，所述滤波模块（34）包括级联的带阻滤波模块和带通滤波模块；带阻滤波模块的中心频率为能量发射单元的工作频率，带通滤波模块的中心频率为检测激励信号频率。

4.一种无线充电系统，其特征在于，包括：

共振磁耦合功率能量传输单元，包括能量发射单元和能量接收单元，用于将能量由能量发射单元向能量接收单元进行传输，待充电完成后停止；

权利要求1-3任一项所述的无线充电异物检测系统，所述无线充电异物检测系统的检测线圈面板（30）设置在能量发射单元上，用于检测能量发射单元上是否存在金属异物。

5.根据权利要求4所述的无线充电系统，其特征在于，还包括异物排除单元，用于将能量发射单元上的金属异物排除，若排除失败则发出警告指示。

6.根据权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，所述异物排除单元包括异物扫除装置和报警装置；当异物扫除装置排除异物失败时，报警装置发出报警指示。

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