CN113306417A - 一种用于无线充电异物检测的数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线充电异物检测的数据采集系统及方法，系统包括磁传感器矩阵、微控制器、信号扫描电路、数据处理模块以及通信模块。本发明利用磁传感器矩阵检测无线充电时发射线圈正上方的空间磁场，通过微控制器和信号扫描电路循环发送控制信号选通磁传感器矩阵中的检测阵列，对矩阵中的磁传感器进行扫描，采集数据，进而将采集的数据传送至上位机进行分析，实现异物检测的功能，优化系统成本，降低硬件复杂度。

Description

一种用于无线充电异物检测的数据采集系统及方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种用于无线充电异物检测的数据采集系统及方法。

背景技术

随着汽车成为人们出行搭乘的主要交通工具，其使用的传统能源不仅增加石油供应的压力，同时导致大量环境污染问题的发生，为了有效缓解上述问题，新能源汽车应运而生。

新能源汽车的车载电池充电方式分为有线充电和无线充电，相比于有线充电，无线充电具有对充电环境要求较低、设备维护成本低的优点。综合考虑各无线充电方式的传输距离、传输效率等因素，目前对电动汽车无线充电系统的研究主要集中于感性耦合式无线电能传输(ICPT)，包括磁感应耦合和磁谐振耦合。

对于无线充电设备而言，不仅要顺利完成充电任务，还需要具备异物检测、偏差定位等功能。目前，异物检测技术处于发展初级阶段，正不断取得技术创新和突破，基于感性耦合式无线电能传输，常见的异物检测方法主要有如下三大类：

第一类为基于系统参数的异物检测，系统参数具体可以分为电气系统参数和非电气系统参数，非电气系统参数包括压力、温度等；压力传感器可用于检测异物对发射线圈平台的压力，温度传感器可探测出金属异物的涡流发热以及生物体的体温。电气系统参数包括效率、功耗、电流等，从定性的角度分析，金属异物的存在会产生涡流损耗，降低系统品质因数，还会造成谐振频率偏移，从而导致系统去耦合效率降低。恩智浦半导体公司在2016年9月提出了一个15W工业级无线充电方案，该方案通过同时检测系统品质因数值和损耗功率来进行异物检测，这种方法成本较低且结构简单，但是只适用于小功率系统，精度不高；对于kW级别的电动汽车充电系统，体积较小的金属异物对系统参数的影响较小，难以被测出。

第二类为基于探测波的异物检测，探测波检测方式主要包括超声波/雷达、机器视觉、红外传感检测等，超声波/雷达异物检测的原理为利用异物反射超声波/电磁波，从而感知到距异物的距离，实现对异物的探测或定位。但这种方法无法区分金属异物和生物体异物，且通常要包含多个收发器以实现监测区域的全覆盖，造成了较高的系统复杂度和成本；机器视觉检测方法则由硬件设备和机器学习算法共同构成，有较为复杂的软件架构。

第三类为基于场的异物检测，主要包括基于电容传感的生物体异物检测、基于检测线圈的异物检测、基于磁阻传感器的异物检测等，其中基于检测线圈的异物检测方法是运用最广泛的一种方法，根据是否需要激励电路给检测线圈供能，可以将检测线圈法分为两类：一类需要在线圈上输入高频激励信号产生磁场；另一类可以直接利用系统中发射线圈产生的磁场耦合。通过提取检测线圈的输出电压/电流信号的幅值、相位等参数变化来实现异物检测和区分，检测线圈法具有精度高，能检测金属异物和生物体异物的优点，但检测线圈法存在盲区问题；为解决盲区问题，或存在硬件上的复杂如重叠线圈法，或存在软件上的复杂度和灵敏度问题如检测线圈阻抗变化的方法。

基于磁阻传感器的异物检测目前正处于发展起步阶段，仍存在一系列的问题。磁阻传感器成本较高，且排布间距小，导致整体成本高，并且磁阻传感器使用的数目较大，逐个采集数据操作复杂，用时长。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种用于无线充电异物检测的数据采集系统及方法，能够实现异物检测的功能，优化系统成本，降低硬件复杂度。

一种用于无线充电异物检测的数据采集系统，包括磁传感器矩阵、微控制器、信号扫描电路、数据处理模块以及通信模块，其中：

所述磁传感器矩阵用于无线充电时检测发射线圈与接收线圈之间的空间磁场；

所述信号扫描电路用于对磁传感器矩阵进行选通扫描，并将测得的磁场信号传输给数据处理模块；

所述数据处理模块用于对磁传感器矩阵测得的磁场信号进行信号处理并转换为数字信号，并传输至微控制器；

所述微控制器用于向信号扫描电路提供指令控制其对磁传感器矩阵进行选通扫描；

所述通信模块负责微控制器与上位机之间的通信，用于将数字信号传输给上位机，使其对信号进行分析以实现异物检测功能。

进一步地，所述磁传感器矩阵置于发射线圈正上方，其由m×n个传感器模块构成，这些传感器模块在平面上等间隔均匀排布，呈m行n列的矩阵排列形式，同一行传感器模块的输入端共同连接作为行输入端，同一列传感器模块的输出端共同连接作为列输出端。

进一步地，所述磁传感器矩阵的磁场检测覆盖范围为以发射线圈所在平面面积为底，发射线圈与接收线圈垂直距离为高的立方体。

进一步地，所述数据处理模块接收到磁传感器矩阵测得的磁场信号(电压信号形式)，对该信号进行滤波、差分放大并将其A/D转换为数字信号，并传输至微控制器。

进一步地，所述信号扫描电路与磁传感器矩阵相连，其由两组多路选择模块构成，其中一组多路选择模块与磁传感器矩阵的所有行输入端相连，其接收微控制器的指令用以选通磁传感器矩阵中对应一行传感器模块进行工作；另一组多路选择模块与磁传感器矩阵的所有列输出端相连，其接收微控制器的指令用以选通磁传感器矩阵中对应一列及其相邻一列的传感器模块，分别读取这两列中某一传感器模块所测得的磁场信号并传输给数据处理模块。

进一步地，所述传感器模块由二极管和磁传感器串联组成，信号扫描电路输出的控制信号直接作用于二极管，控制磁传感器是否通电工作，磁传感器的输出端产生磁场信号并通过信号扫描电路传输给数据处理模块。

进一步地，所述磁传感器矩阵与信号扫描电路之间使用带有屏蔽层的排线连接。

上述系统的数据采集方法，具体地：首先微控制器通过信号扫描电路向磁传感器矩阵输出控制信号，该控制信号作用于磁传感器矩阵中各个传感器模块，使得其中每一行传感器模块在控制信号的作用下依次导通，导通的传感器模块则采集其覆盖范围内空间磁场的磁场信号；然后微控制器通过信号扫描电路向磁传感器矩阵输出多路选择信号，在同一时间内使得对应某一行中相邻两列传感器模块所采集到的磁场信号传输给数据处理模块，由数据处理模块对该信号进行处理并将其A/D转换为数字信号传输给微控制器；最后由微控制器通过通信模块将该数字信号传输给上位机，使其对信号进行分析以实现异物检测功能。

进一步地，在同一时间内微控制器发送的控制信号只能选通固定某一行的传感器模块工作，且所述控制信号具有周期性，在周期性的控制信号作用下，磁传感器矩阵中各行传感器模块被依行选通，周而复始；所述控制信号的周期T1取决于磁传感器矩阵中行的数量m，即T1＝T4×m，T4为多路选择信号的周期。

进一步地，在同一时间内微控制器发送的多路选择信号只能选通固定某一列及其相邻一列的传感器模块输出磁场信号，且所述多路选择信号具有周期性，在周期性的多路选择信号作用下，被选通的某一行中的各列传感器模块两两依次向数据处理模块输出磁场信号，周而复始；所述多路选择信号的周期T4取决于磁传感器矩阵中列的数量n，即T4＝t×(n-1)，t为每两列传感器模块被选通输出的时长。

本发明利用磁传感器矩阵检测无线充电时发射线圈正上方的空间磁场，通过微控制器和信号扫描电路循环发送控制信号选通磁传感器矩阵中的检测阵列，对矩阵中的磁传感器进行扫描，采集数据，进而将采集的数据传送至上位机进行分析，实现异物检测。本发明的优点在于可适应不同占地面积大小、不同功率、不同拓扑的感性耦合式无线电能传输(ICPT)系统，具体地：

1.对于不同大小的发射线圈，采用本发明数据采集系统及方法，异物检测的有效范围能完全覆盖发射线圈正上方的所有区域，当按照经检测有效的固定间距排列磁传感器时，检测范围内无盲区。

2.本发明数据采集系统能将磁传感器矩阵阵列集成在一块电路板上，降低系统生产及安装成本，使其更适合规模化的生产与应用。

3.本发明每次采集同一行相邻两列的两个磁场信号，经过一定的信号处理，能最大程度抵消磁场稳定时输出信号大小，使得采集到的磁场信号变化更明显。

4.对于任意行数及任意列数的传感器矩阵，本发明数据采集方法均能实现全矩阵的扫描，降低了磁传感器异物监测系统软件复杂度。

附图说明

图1为本发明用于无线充电异物检测的数据采集系统结构示意图。

图2为本发明数据采集系统的采集过程示意图。

图3为本发明磁传感器矩阵的结构示意图。

图4为本发明传感器模块的结构示意图。

图5为本发明传感器模块之间的电气连接示意图。

图6为本发明信号扫描电路及微控制器的连接结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明用于无线充电异物检测的数据采集系统包括：接收线圈组件1、发射线圈组件2、磁传感器矩阵3、微控制器4、信号扫描电路5、数据处理模块6、通信模块7、上位机8。

磁传感器矩阵3位于无线充电系统中发射线圈组件2的正上方，检测无线充电时接收线圈组件1与发射线圈组件2之间的空间磁场，磁传感器矩阵3与信号扫描电路5通过排线连接；微控制器4、信号扫描电路5、数据处理模块6、通信模块7可集成在一块电路板上或各自分立，且之间均存在电气连接和信号的传输；信号扫描电路5循环发送控制信号选通磁传感器矩阵3中的检测阵列；数据处理模块6将磁传感器矩阵3的输出进行初步处理，并转化为数字信号，传输至微控制器4；通信模块7与微控制器4连接，通信模块7与上位机8通信，将处理后的数据传输至上位机8。

本实施例中磁传感器矩阵3的结构如图3所示，由m×n个子传感器模块9构成，子传感器模块9排布为m行、n列，且间隔均匀。子传感器模块9的排布间距d可以这样确定：根据实际应用的要求，测量每一个磁传感器的有效异物检测区域，在选取排布间距等于d的条件下，所有磁传感器叠加的有效异物检测区域覆盖整个发射线圈表面，且无检测盲区；同时，排布间距d应尽量大，以节约成本。

本实施例中子传感器模块9的结构如图4所示，包括二极管以及磁传感器，信号在子传感器模块9中单向传输：微控制器4发出的控制信号直接流入子传感器模块9，控制二极管选通或关断，二极管选通时传递的信号作用于磁传感器，控制磁传感器是否能有效输出检测信号，子传感器模块9之间的电气连接如图5所示。具体地，磁传感器可以是具有隧穿磁电阻(TMR)效应的磁隧道结，也可以是巨磁电阻(GMR)磁传感器、异向磁阻(AMR)磁传感器等将磁场变化引起的元件磁性能变化转换成电信号的其它类似器件。

本实施例中微控制器4与信号扫描电路5的结构如图6所示，微控制器4即单片机，信号扫描电路5包括多路选择器I、多路选择器II、多路选择器III，单片机输出信号至多路选择器I的选择端口，进而多路选择器I发送控制信号。多路选择器I与磁传感器矩阵3的输入端相连，实现固定时间段内选通磁传感器矩阵3的某一固定行；同时，单片机输出信号至多路选择器II、III，选通多路选择器II、III中相邻两通道的模拟开关，数据处理模块6与磁传感器矩阵3通过多路选择器II、III完成信号传递：多路选择器II、III输入端与磁传感器矩阵3的输出端相连，接收来自磁传感器矩阵3的磁场信号；多路选择器II、III输出端与数据处理模块6的输入端相连，将待处理的数据输出给数据处理模块6。

数据处理模块6与微控制器4即单片机连接，单片机与通信模块7连接，再将数据传输至上位机8，上位机8可以是手机、电脑、可穿戴设备、车载设备等终端设备。

下面介绍下上述数据采集系统的数据采集过程，如图2所示，具体如下：

步骤1：微控制器4输出控制信号至信号扫描电路5，将行选通信号输出到磁传感器矩阵3。

步骤2：行选通信号作用于磁传感器矩阵3中的二极管阵列，二极管阵列中的每一行二极管在行选通信号的作用下依次导通。

步骤3：磁传感器矩阵3中，导通的二极管对应的各子传感器模块9依次选通，采集对应磁传感器有效范围内的磁场信号。

步骤4：微控制器4输出列选择信号，控制信号扫描电路5中的多路选择器II、III，在同一时间内选择相邻两列的磁场信号，将选定的磁场信号传输至数据处理模块6；则在每一个多路选择信号作用的时间内，磁传感器矩阵3的列的数据被唯二采集，同时在控制信号的作用下，磁传感器矩阵3的行被唯一选通，从而实现某一子传感器模块9检测到的磁场数据的唯二采集。

步骤5：数据处理模块6对待处理的磁场信号依次进行滤波、差分放大、有效值转换，随后对处理后的磁场信号进行A/D转换。

步骤6：通信模块7将转换后的数据传输至上位机8。

步骤7：上位机可以对比正常状态和当前状态下的磁场信号，结合深度学习算法来感知异物的存在，或搭载数据分析软件对数据进行分析，从而判别异物的存在与否。

多路选择信号周期T4取决于磁传感器矩阵列的数量n以及单个多路选择信号的时长t，即T4＝t×(n-1)；控制信号周期T1取决于磁传感器矩阵行的数量m以及多路选择信号周期T4，即T1＝T4×m。

微控制器4可以利用定时器来控制单个多路选择信号的时长t、多路选择信号周期T4、控制信号周期T1；当t、T1、T4满足上述关系时，即可保证在T1时间内，每一个子传感器模块9均能被扫描到。

通信模块7与上位机8的通信方式可以是串口、以太网、WIFI、蓝牙等，通信可以是单向的即通信模块7向上位机8传输数据，也可以是双向的，即一方面，通信模块7向上位机8传输数据，另一方面上位机8向通信模块7传输指令来改变数据扫描的状态。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无线充电异物检测的数据采集系统，其特征在于，包括磁传感器矩阵、微控制器、信号扫描电路、数据处理模块以及通信模块，其中：

所述磁传感器矩阵用于无线充电时检测发射线圈与接收线圈之间的空间磁场；

所述信号扫描电路用于对磁传感器矩阵进行选通扫描，并将测得的磁场信号传输给数据处理模块；

所述数据处理模块用于对磁传感器矩阵测得的磁场信号进行信号处理并转换为数字信号，并传输至微控制器；

所述微控制器用于向信号扫描电路提供指令控制其对磁传感器矩阵进行选通扫描；

所述通信模块负责微控制器与上位机之间的通信，用于将数字信号传输给上位机，使其对信号进行分析以实现异物检测功能。

2.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于：所述磁传感器矩阵置于发射线圈正上方，其由m×n个传感器模块构成，这些传感器模块在平面上等间隔均匀排布，呈m行n列的矩阵排列形式，同一行传感器模块的输入端共同连接作为行输入端，同一列传感器模块的输出端共同连接作为列输出端。

3.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于：所述磁传感器矩阵的磁场检测覆盖范围为以发射线圈所在平面面积为底，发射线圈与接收线圈垂直距离为高的立方体。

4.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于：所述数据处理模块接收到磁传感器矩阵测得的磁场信号，对该信号进行滤波、差分放大并将其A/D转换为数字信号，并传输至微控制器。

5.根据权利要求2所述的数据采集系统，其特征在于：所述信号扫描电路与磁传感器矩阵相连，其由两组多路选择模块构成，其中一组多路选择模块与磁传感器矩阵的所有行输入端相连，其接收微控制器的指令用以选通磁传感器矩阵中对应一行传感器模块进行工作；另一组多路选择模块与磁传感器矩阵的所有列输出端相连，其接收微控制器的指令用以选通磁传感器矩阵中对应一列及其相邻一列的传感器模块，分别读取这两列中某一传感器模块所测得的磁场信号并传输给数据处理模块。

6.根据权利要求2所述的数据采集系统，其特征在于：所述传感器模块由二极管和磁传感器串联组成，信号扫描电路输出的控制信号直接作用于二极管，控制磁传感器是否通电工作，磁传感器的输出端产生磁场信号并通过信号扫描电路传输给数据处理模块。

7.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于：所述磁传感器矩阵与信号扫描电路之间使用带有屏蔽层的排线连接。

8.如权利要求1～7任一权利要求所述系统的数据采集方法，其特征在于：首先微控制器通过信号扫描电路向磁传感器矩阵输出控制信号，该控制信号作用于磁传感器矩阵中各个传感器模块，使得其中每一行传感器模块在控制信号的作用下依次导通，导通的传感器模块则采集其覆盖范围内空间磁场的磁场信号；然后微控制器通过信号扫描电路向磁传感器矩阵输出多路选择信号，在同一时间内使得对应某一行中相邻两列传感器模块所采集到的磁场信号传输给数据处理模块，由数据处理模块对该信号进行处理并将其A/D转换为数字信号传输给微控制器；最后由微控制器通过通信模块将该数字信号传输给上位机，使其对信号进行分析以实现异物检测功能。

9.根据权利要求8所述的数据采集方法，其特征在于：在同一时间内微控制器发送的控制信号只能选通固定某一行的传感器模块工作，且所述控制信号具有周期性，在周期性的控制信号作用下，磁传感器矩阵中各行传感器模块被依行选通，周而复始；所述控制信号的周期T1取决于磁传感器矩阵中行的数量m，即T1＝T4×m，T4为多路选择信号的周期。

10.根据权利要求8所述的数据采集方法，其特征在于：在同一时间内微控制器发送的多路选择信号只能选通固定某一列及其相邻一列的传感器模块输出磁场信号，且所述多路选择信号具有周期性，在周期性的多路选择信号作用下，被选通的某一行中的各列传感器模块两两依次向数据处理模块输出磁场信号，周而复始；所述多路选择信号的周期T4取决于磁传感器矩阵中列的数量n，即T4＝t×(n-1)，t为每两列传感器模块被选通输出的时长。

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