CN112865341A - Lc串联拓扑无线充电系统的异物检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在于提供一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，硬件成本较低、可靠性高且精度较高。包括以下步骤：步骤1：初次上电校准阶段：上电后通过计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，并记为常用参数；步骤2：实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样时激励源输入电压有效值Uf和当前工作频率f1，将上述参量代入品质因数变化率换算公式计算出金属异物介入导致的品质因数Q变化率
如果当前品质因数Q的变化率小于设定金属异物检测判断阈值，则发出警告并停止充电；如果当前品质因数Q的变化率位于设定的异物检测判断阈值范围内，则充电系统安全，继续充电。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法。
背景技术
无线充电异物检测技术一直以来都是行业聚焦研究的技术热点，无线充电技术应用研究至今，业界提出了各种各样的异物检测方法，但是大部分可实施方法集中在无线充电的连接阶段。无线充电过程中金属异物的检测反而被刻意忽略了，造成这一现象的主要原因要归结到无线充电应用还处在初级阶段，应用场景固定单一且感应式无线充电方案充电高度具有很大的局限性，为了适配当下的应用场景，为了尽可能使得感应式无线充电用受电设备工作在最优的充电高度，业界对于Surface-to-Surface的紧贴式充电结构达成了高度共识，过去这样的装配结构既可以解决充电高度局限的问题，又可以通过结构限制充电过程中有金属异物介入，一举多得。
随着无线充电技术的广泛应用，终端对于无线充电系统摆放自由度要求迫切增加，这就使得原本具有优势的Surface-to-Surface的紧贴式充电结构反而成为了限制技术进步和市场发展的壁垒。为了解决这一问题，行业大部分精力开始聚焦在如何通过优化拓扑解决感应式无线充电系统充电高度的问题，业已取得广泛的成绩。随着感应式无线充电系统充电高度提高，摆放自由度取得了突破进展，但是这也同时带来了另一个急需解决的问题即无线充电过程中金属异物检测的问题。目前市面上主要检测的方法有三种：PowerLoss法，接收设备Q值通信法，结构限制方法，但是都存在一定的缺陷，例如PowerLoss法虽然方法实现简单、软硬件成本低，但是异物检测精度较差，接收设备Q值通信法虽然能够比较准确识别金属异物，但是对于硬件的要求较高，设备的兼容性差，而结构限制法充电用场景单一，受电设备局限性大，可靠性差，无法检测识别只能被动防御，风险较大。
发明内容
对此，本发明旨在于提供一种硬件成本较低、可靠性高且精度较高的LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，包括以下步骤：
步骤1：初次上电校准阶段：上电后通过计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，并记为常用参数；
步骤2：实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样时激励源输入电压有效值Uf和当前工作频率f1，将上述参量代入品质因数变化率换算公式计算出金属异物介入导致的品质因数Q变化率
如果当前品质因数Q的变化率小于设定金属异物检测判断阈值，则发出警告并停止充电；如果当前品质因数Q的变化率位于设定的异物检测判断阈值范围内，则充电系统安全，继续充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法采用测量自身Q值的方法，利用监测金属异物介入导致的发射端LC网络的Q值变化来实现对金属异物的实时识别，金属异物检测的实时性好、可靠性高，在充电过程中也可以实时监测是否有金属异物介入，所有参数均依靠自身采集，可靠性高，且时序简单，不需要借助通讯解调，因此无需考虑通信时序资源，异物检测识别精度较高。
作为改进，无线充电系统包括带有耦合式电流采样传感器的硬件调理电路、基于LC串联拓扑的发射线圈的发射电路，这样，系统实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样激励电压有效值Uf和当前工作频率f1，并最终通过计算得到品质因数Q的变化率，以实时进行金属异物的检测。
作为改进，在步骤1中，采用扫频的方式计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，这样，本发明方法与扫频Q值法和接收设备Q值通信法一样都是采用识别Q值变化的方法进行金属异物的检测，此类方法识别金属异物的精度远高于PowerLoss法和结构限制法，此外，与接收设备Q值通信法比较，本发明陈述的算法不需要依赖接收设备提供的Q值，可以在充电过程中的任意阶段通过采样计算出实际的品质因数Q，有效避免因为金属异物介入通讯耦合变差解调不稳定导致的异物检测失效。
作为改进，发射端在通电后先判断设备是否是初次上电，如果是初次上电则施加扫频激励信号，否则直接读取固有常量后进入充电状态，这样，便于多次充电操作，提高处理效率。
作为改进，采用自由振荡的方式计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，这样，硬件成本较低，仅需要一个类似耦合变压器的耦合式电流传感器，不需要引入运放等逻辑器件，虽然本发明方法与扫频Q值法和接收设备Q值通信法一样都是采用识别Q值变化的方法进行金属异物的检测，但是此类方法识别金属异物的精度远高于PowerLoss法和结构限制法，此外，与接收设备Q值通信法比较，本发明陈述的算法不需要依赖接收设备提供的Q值，可以在充电过程中的任意阶段通过采样计算出实际的品质因数Q，有效避免因为金属异物介入通讯耦合变差解调不稳定导致的异物检测失效。
作为改进，发射端在通电后先判断设备是否是初次上电，如果是初次上电则施加阶跃激励信号，否则直接读取固有常量后进入充电状态，这样，便于多次充电操作，提高处理效率。
附图说明
图1为本发明采用扫频方式时LC串联网络的耦合式电流采样硬件调理电路。
图2为本发明采用扫频方式时的带有耦合式电流传感器的LC串联网络。
图3为本发明采用扫频方式时的带有耦合式电流传感器的LC串联网络的等效电路。
图4为本发明采用扫频方式进入充电阶段时的等效电路。
图5为本发明采用扫频方式时的具体流程图。
图6为本发明采用自由振荡方式时上电阶段谐振电感端电压采集调理电路。
图7为本发明采用自由振荡方式时调理电路输出信号示意图。
图8为本发明采用自由振荡方式时充电阶段LC串联网络的耦合式电流采样硬件调理电路。
图9为本发明采用自由振荡方式时带有耦合式电流采样传感器的LC串联网络。
图10为本发明采用自由振荡方式时带有耦合式电流传感器的LC串联网络的等效电路。
图11为本发明采用自由振荡方式时串联谐振电路等效电路图。
图12为本发明采用自由振荡方式时进入充电阶段带有耦合式电流传感器的LC串联网络的等效电路。
图13为本发明采用自由振荡方式时的具体流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的说明：
一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，包括以下步骤：
步骤1：初次上电校准阶段：上电后通过计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，并记为常用参数；
步骤2：实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样时激励源输入电压有效值Uf和当前工作频率f1，将上述参量代入品质因数变化率换算公式计算出金属异物介入导致的品质因数Q变化率
如果当前品质因数Q的变化率小于设定金属异物检测判断阈值，则发出警告并停止充电；如果当前品质因数Q的变化率位于设定的异物检测判断阈值范围内，则充电系统安全，继续充电。本发明方法采用测量自身Q值的方法，利用监测金属异物介入导致的发射端LC网络的Q值变化来实现对金属异物的实时识别，金属异物检测的实时性好、可靠性高，在充电过程中也可以实时监测是否有金属异物介入，所有参数均依靠自身采集，可靠性高，且时序简单，不需要借助通讯解调，因此无需考虑通信时序资源，异物检测识别精度较高。
本实施例中，无线充电系统包括带有耦合式电流采样传感器的硬件调理电路、基于LC串联拓扑的发射线圈的发射电路，这样，系统实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样激励电压有效值Uf和当前工作频率f1，并最终通过计算得到品质因数Q的变化率，以实时进行金属异物的检测。
采用扫频的方式计算时：
本实施例中，在步骤1中，采用扫频的方式计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，这样，本发明方法与扫频Q值法和接收设备Q值通信法一样都是采用识别Q值变化的方法进行金属异物的检测，此类方法识别金属异物的精度远高于PowerLoss法和结构限制法，此外，与接收设备Q值通信法比较，本发明陈述的算法不需要依赖接收设备提供的Q值，可以在充电过程中的任意阶段通过采样计算出实际的品质因数Q，有效避免因为金属异物介入通讯耦合变差解调不稳定导致的异物检测失效。
本实施例中，发射端在通电后先判断设备是否是初次上电，如果是初次上电则施加扫频激励信号，否则直接读取固有常量后进入充电状态，这样，便于多次充电操作，提高处理效率。
硬件调理电路,具体参看图1
当前算法基于上述串联LC网络展开，其中Ls为谐振电感，Cs为谐振电容，Ts为耦合式电流采样传感器，算法在展开过程中通过采样Coil_Current信号输出口的电流信号结合输入Us信号的频率，电压有效值进行Q值换算，根据检测到的Q值变化确认是否有金属异物介入。
对于图1所示带有耦合式电流采样传感器的LC串联网络，其中Us为交变方波信号，Cs为谐振电容，Ls为谐振电感。
算法理论具体参看图2
按照电路等效原理图2网络可以等效为由RLC串联组成的电路，具体等效电路如图3所示。
在初次上电校准阶段(此阶段保持线圈磁场内无任何物体介入)，采用扫频法获取固有LC网络的固有谐振频率、谐振电流及Q值，具体实现方法为通过Us给LC串联电路一个扫频激励信号(一般从80KHz到205KHz),同时实时采集扫频过程中最大谐振峰值电压及谐振峰值电流，利用LC串联振荡电路谐振发生时振幅电压
(式中U为输入电压Us有效值，Q为LC电路品质因数，
为谐振峰值电压)计算出固有LC谐振网络Q值Q0，同时在扫频过程中采集最大峰值电流记为I0,记录谐振峰值电压最大时Us的输出频率为f0。根据谐振发生时LC网络复阻抗|Z|＝R可得
R＝|Us|/I0 式1
式中的R为图3所示等效电路中的等效直流电阻，I0为谐振峰值电流，|Us|为激励电压有效值。综上可得图3等效网络等效直流电阻固定不变，其固有等效阻值可以在上电校准初始阶段计算标记为常量。
此时图3的LC网络的固有Q值可以表示为
其中ω0为谐振角频率,其表达式为
将式3代入式2可得
在无线充电工作阶段，因为外部接收线圈或者其他物体介入会导致线圈L的感值发生变化，因此图1所示的带有耦合式电流采样传感器的LC串联网络可等效为为图4所示等效电路。
在充电过程中，系统通过耦合式电流传感器采样LC串联网络电流有效值的同时，记录采样瞬间LC网络的激励电压为Uf，工作频率为f1，采集到的的电流有效值记为If，根据戴维南定理图4等效网络可得以下公式：
式5可变形为
将式2带入式6可得：
式7中的ω为当前工作频率下对应的角频率，其表达式如式8所示
ω＝2πf1 式8
将式3和式8代入式7可得
式9经过变换后可得
式10中Uf、If、R、Q、f、f1均为已知，因此可以计算出
的比值。
又根据LC网络的固有Q值表达式可知，工作状态下的图3等效网络的Q值Q1可表示为
式11比上式4可得
将式10代入式12可得
从式13可以表征异物或其它物体介入导致的拓扑品质因数Q的变化率，通过检测拓扑品质因数Q的变化率判断在充电过程中是否有金属异物介入是可行的。
算法概述
在进行金属异物检测时，系统首先在初次上电校准阶段，系统激励给出输入电压固定，频率从80KHz～205KHz的方波信号，同时通过采集谐振峰值电压结合激励电压有效值换算出固有LC网络品质因数Q，并记录发生谐振时的谐振频率f作为常量。
在充电过程中，实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样时激励源输入电压有效值Uf和当前工作频率f1，将上述参量代入式13计算出金属异物介入导致的品质因数Q变化率
再结合利用金属异物介入会导致Q值减小的理论，判断当Q前变化率是否小于异物检测判断阈值，从而判断是否有金属异物介入。
具体流程图参看图5
采用自由振荡的方式计算时：
本实施例中，采用自由振荡的方式计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，这样，硬件成本较低，仅需要一个类似耦合变压器的耦合式电流传感器，不需要引入运放等逻辑器件，虽然本发明方法与扫频Q值法和接收设备Q值通信法一样都是采用识别Q值变化的方法进行金属异物的检测，但是此类方法识别金属异物的精度远高于PowerLoss法和结构限制法，此外，与接收设备Q值通信法比较，本发明陈述的算法不需要依赖接收设备提供的Q值，可以在充电过程中的任意阶段通过采样计算出实际的品质因数Q，有效避免因为金属异物介入通讯耦合变差解调不稳定导致的异物检测失效。
本实施例中，发射端在通电后先判断设备是否是初次上电，如果是初次上电则施加阶跃激励信号，否则直接读取固有常量后进入充电状态，这样，便于多次充电操作，提高处理效率。
硬件调理电路具体参看图6：上电阶段的硬件调理电路(COIL_P2信号取自LC中间的振荡信号)
LC网络在接收到阶跃信号后会产生频率为谐振频率的阻尼振荡，阻尼振荡经过图6所示的调理电路后会产生如图7所示的衰减曲线，其中虚线为阻尼振荡曲线，实线为经过调理电路输出后的方波信号。
充电阶段硬件调理电路具体参看图8
充电阶段金属异物检测算法基于上述串联LC网络展开，其中Ls为谐振电感，Cs为谐振电容，Ts为耦合式电流采样传感器，算法在展开过程中通过采样Coil_Current信号输出口的电流信号结合输入Us信号的频率，电压有效值进行Q值换算，根据检测到的Q值变化确认是否有金属异物介入。
理论算法：
对于图9所示带有耦合式电流采样传感器的LC串联网络，其中Us为交变方波信号，Cs为谐振电容，Ls为谐振电感。
按照电路等效原理图9网络可以等效为由RLC串联组成的电路，具体等效电路如图10所示。
在初次上电校准阶段(此阶段保持线圈磁场内无任何物体介入)，采用自由振荡方法获取固有LC网络的固有谐振频率、谐振电流及Q值，具体实现方法为通过Us给LC串联电路一个阶跃电平信号,利用系统产生的阶跃响应推导公式计算出相应的固有谐振频率、品质因数Q，再结合阶跃响应特性采用开窗采集方式计算出等效直流电阻。
上电阶段公式推导：
对于图10所示的串联谐振网络加入激励信号后表示为图11，图中激励信号为电压信号e(t)，e(t)为一阶阶跃电压信号。
当t＝0时刻e(t)由U0下跳到0就会引起u(t)开始衰减自由振荡，其自由振荡公式为：
解上述二阶微分方程可得：
当
即
时根据初始条件
解得
其中
当等效直流阻抗R足够小即Q值足够大时，ω≈ω0即
因此
令
则
当n为正整数0，1，2，3，4……时
取任意两个正向峰值点时刻t1，t2对应的峰值电压分别为u1，u2
因此
两边取对数可得
上式中N即衰减信号在t1、t2振荡次数,T0为谐振周期。由此可以计算出谐振频率f0和LC网络固有品质因数Q，同时采用连续采样的方式同时采集耦合电流传感器输出电流和阻尼振荡电压，利用公式
式中N为采样次数，Ui表示第i次采集到的谐振电压，Ii表示第i次采集到的谐振电流，综上通过自由谐振激励得到＝＝可以计算出等效电阻R，品质因数Q，谐振频率
记为常量。
同时由图10等效网络可得其固有Q值可以表示为
其中ω0为谐振角频率,其表达式为
将
代入
可得
在无线充电工作阶段，因为外部接收线圈或者其他物体介入会导致线圈L的感值发生变化，因此图10所示的带有耦合式电流采样传感器的LC串联网络可等效为为图12所示等效电路。
在充电过程中，系统通过耦合式电流传感器采样LC串联网络电流有效值的同时，记录采样瞬间LC网络的激励电压为Uf，工作频率为f1，采集到的的电流有效值记为If，根据戴维南定理图12等效网络可得以下公式：
上式经过换算可变形为
将
代入上式可得：
上式中的ω为当前工作频率下对应的角频率，其表达式为ω＝2πf1
将式ω＝2πf1和ω0＝2πf0代入上式If可得
上式经过变换后可得
上式中Uf、If、Q、R、f、f1均为已知，因此可以计算出
的比值。
又根据LC网络的固有Q值表达式可知，工作状态下的图12等效网络Q值Q1可表示为
因此可得
将
代入
可得
上式表征了异物或其它物体介入导致的拓扑品质因数Q的变化率，通过检测拓扑品质因数Q的变化率可以判断出在充电过程中是否有金属异物介入。
算法概述
在进行金属异物检测时，系统首先在初次上电校准阶段，系统激励给出输入阶跃激励信号，同时开窗采集振荡峰值电压和峰值电流计算出等效直流电阻R，再结合自由振荡衰减公式计算出固有网络的谐振频率f和品质因数Q，记为常量。
在充电过程中，系统实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样时激励源输入电压有效值Uf和当前工作频率f1，将上述参量代入品质因数变化率换算公式计算出金属异物介入导致的品质因数Q变化率
再结合金属异物介入会导致Q值减小的理论，判断当前Q变化率是否小于异物检测判断阈值，从而判断是否有金属异物介入。
具体流程图见图13。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：初次上电校准阶段：上电后通过计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻，并记为固有常量；
步骤2：实时采集耦合式电流传感器输出电流If，同时记录采样时激励源输入电压有效值Uf和当前工作频率f1，将上述参量代入品质因数变化率换算公式计算出金属异物介入导致的品质因数Q变化率
如果当前品质因数Q的变化率小于设定金属异物检测判断阈值，则发出警告并停止充电；如果当前品质因数Q的变化率位于设定的异物检测判断阈值范围内，则充电系统安全，继续充电。
2.根据权利要求1所述的一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，所述无线充电系统包括带有耦合式电流采样传感器的硬件调理电路、基于LC串联拓扑的发射线圈的发射电路。
3.根据权利要求1所述的一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，在步骤1中，采用扫频的方式计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻。
4.根据权利要求3所述的一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，发射端在通电后先判断设备是否是初次上电，如果是初次上电则施加扫频激励信号，否则直接读取固有常量后进入充电状态。
5.根据权利要求1所述的一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，在步骤1中，采用自由振荡的方式计算得出发射端的LC网络的固有谐振频率f、品质因数Q和等效直流电阻。
6.根据权利要求5所述的一种LC串联拓扑无线充电系统的异物检测方法，发射端在通电后先判断设备是否是初次上电，如果是初次上电则施加阶跃激励信号，否则直接读取固有常量后进入充电状态。
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