CN113315249B - 一种用于wpt系统的无盲区全尺寸金属异物检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，属于无线电充能技术领域，解决了现有技术中的感应式WPT系统中无法检测金属异物，导致影响系统的谐振频率和传输效率的问题，本发明包括发射线圈LP、接收线圈LS和检测线圈，所述发射线圈LP连接有无线充电发射电路的输出端，所述接收线圈LS连接有无线充电接收电路的输入端，接收线圈LS与发射线圈LP相互耦合，所述检测线圈安装于发射线圈表面，检测线圈呈梳妆轴对称结构，检测线圈包括多个导通通道，检测线圈还连接有检测信号处理电路的输入端。本发明占据空间小，结构简单，检测方法便捷且易于实施，能够有效地保证充电效率及充电安全。

Description

一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测方法及装置
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WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测方法及装置。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场、磁场、微波、电磁波等)，将电能由电源侧传递到负载侧。其中，感应式WPT技术作为一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统拔插系统存在的接触火花，漏电等安全问题，并使人类应用电能的方式更加灵活。目前，该技术已被广泛应用于人体植入医疗设备，感应式加热器，电动车以及手机等移动设备的无线充电平台。
感应式WPT系统包括能量发射端和能量接收端两部分：发射端包括高频逆变器、发射端谐振补偿网络和发射线圈，高频逆变器将直流电变为高频交流电，高频交流电流经过谐振补偿网络，在发射线圈中产生高频交流磁场；接收端包括接收线圈、接收端谐振补偿网络和高频整流器，接收线圈感应到发射线圈产生的高频磁场后，经过接收端谐振补偿网络，向高频整理器输出高频交流电，高频整流器则将交流电变为直流电，向负荷提供电能，实现电能从发射端到接收端的无线传输。
在目前的感应式WPT系统中，侵入磁场耦合区域的金属异物检测问题亟待解决。金属物体的存在会引起WPT系统的参数变化和功率损耗，例如系统的谐振频率和传输效率。更重要的是，金属物体的温度由于涡流效应迅速升高，从而构成火灾等安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于：
为解决现有技术中的感应式WPT系统中无法检测金属异物，导致影响系统的谐振频率和传输效率的问题，提供一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测方法及装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，包括发射线圈LP、接收线圈LS和检测线圈，所述发射线圈LP连接有无线充电发射电路的输出端，所述接收线圈LS连接有无线充电接收电路的输入端，接收线圈LS与发射线圈LP相互耦合，所述检测线圈安装于发射线圈表面，检测线圈呈梳妆轴对称结构，检测线圈包括多个导通通道，检测线圈还连接有检测信号处理电路的输入端。
发射线圈与无线充电发射端电路输出相连，用于产生固定频率的高频谐振磁场，接收线圈与无线充电接收电路输入相连，用于与发射线圈相互耦合，接收无线传输的能量，检测线圈通过耦合产生感应检测电压信号，与检测信号处理电路的输入相连；检测信号处理电路与检测线圈组相连，通过选择不同的导通通道，实现不同检测区域间感应电压信号的比较，将经放大、滤波和精密整流后的电压信号差值与预设的电压阈值进行比较。
进一步地，所述无线充电发射电路包括依次连接的发射端串联谐振电容CP、发射线圈LP和发射线圈寄生内阻RP，无线充电发射电路设置有交流输入电压UP和发射端电流IP。
进一步地，所述无线充电接收电路包括依次连接的接收线圈LS、接收端串联谐振电容CS、等效负载Req和接收线圈寄生内阻RS。
进一步地，所述发射线圈LP和接收线圈LS之间设置有用于检测线圈检测的模拟金属物，所述模拟金属物包括金属物电感LM和内阻RM，发射线圈LP、接收线圈LS和金属物电感LM之间的互感分别为MPS、MPM和MSM。
检测线圈LM与内阻RM共同组成模拟的金属异物，并以此作为金属异物进行分析。
一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测方法，包括如下步骤：
a.建立含有金属异物的WPT系统等效模型；
b.设计用于全尺寸金属物体的无盲区检测线圈组；
c.根据检测线圈组形状设计检测信号处理电路；
d.设计实现金属异物检测系统的控制策略。
进一步地，所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：
步骤1.分析计算不存在金属异物状况下的系统阻抗ZPS：
Figure GDA0004045667330000021
其中ZP为发射端阻抗，ZS为接收端阻抗，ω为系统角频率；
对于任何给定的输入电压VIN，可以通过执行简单的矩阵计算来找到发射端和接收端中的电流IP和IS：
Figure GDA0004045667330000022
步骤2.分析计算存在金属异物状况下的系统阻抗ZPSM：
Figure GDA0004045667330000031
其中ZM为金属异物阻抗；
对于任何给定的输入电压VIN，可以求得发射端、接收端和金属异物中的电流I′P、I′S和I′M：
Figure GDA0004045667330000032
为计算金属异物涡流效应对于系统的影响，将三阶的电路矩阵等效成二阶的电路矩阵，将金属异物的影响等效到发射端、接收端自感、互感、电阻等参数上，将含金属异物的电路等效为无金属异物的电路方程：
Figure GDA0004045667330000033
步骤3.忽略金属异物内阻RM，简化分析含有金属异物情况下的发射端与接收端等效自感、互感与寄生电阻变化：
Figure GDA0004045667330000034
其中LP′为发射端等效自感，LS′为接收端等效自感，MP′S为发射端与接收端等效互感，RP′为发射端等效内阻，RS′为接收端等效内阻。
进一步地，所述步骤b中设计方法为：为保证检测线组能够检测不同尺寸的的金属异物，且不存在检测盲区，将检测线圈组设计为轴对称结构，检测线圈组包括两个梳妆感应线圈，通过选择检测线圈的导通通道来调整检测区域，所述检测线圈组边界与发射线圈边界大小相同。
进一步地，所述步骤c中设计检测信号处理电路方法的步骤如下：
步骤(1)：检测信号处理电路中采用多路复用选择电路、差分转换单端输出电路、信号放大电路和精密滤波整流电路；
步骤(2)：将多路复用选择电路与检测线圈组通道相连，通过多路复用选择器选择检测线圈的导通通道；差分转换单端输出电路获取两个检测线圈导通通道间的感应电压信号；信号放大电路用于放大感应电压信号，精密滤波整流电路用于获取感应电压峰值信号；
步骤(3)：通过调整电子电位器阻值，确保在WPT系统中无金属异物情况下两个检测线圈输出的电压信号差值为零；获取两个检测线圈输出的电压信号差值，并与控制器中预设的电压阙值比较：若前者不超过后者，则无线充电系统中无金属异物侵入；若前者大于后者，则无线充电系统中有金属异物侵入。
进一步地，所述步骤d的控制策略如下：
步骤1)通过选择导通通道，调整检测区域为最小检测区域，即两个相邻通道间的感应区域，提升金属异物检测的灵敏度，比较电压信号差值与预设的电压阙值；
步骤2)调整检测区域为间隔一个导通通道的感应区域，并在中心区域错位选择一个通道，使金属异物位于中心区域之外，避免大金属异物同时覆盖左右检测线圈的相同检测区域，比较电压信号差值与预设的电压阙值；
步骤3)调整检测区域为间隔两个导通通道的感应区域，并在中心区域错位选择一个通道，使金属异物位于中心区域之外，避免大金属异物同时覆盖左右检测线圈的相同检测区域，比较电压信号差值与预设的电压阙值。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明在发射端铺设梳妆检测线圈组，根据检测线圈两端输出的电压差值与预设电压阀值相比较，判断WPT系统中是否有金属异物侵入；该装置整体占据空间小，结构简单，检测方法便捷且易于实施，能够有效地保证充电效率及充电安全。
2、本发明通过对不同检测区域大小与位置的选择，实现了对于WPT系统中各种尺寸金属异物的无盲区检测。
附图说明
图1为本发明的检测装置结构示意图；
图2为本发明的WPT系统等效拓扑图；
图3为本发明检测线圈组结构图；
图4为本发明检测信号处理原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测方法，包括如下步骤：
a.建立含有金属异物的WPT系统等效模型；
b.设计用于全尺寸金属物体的无盲区检测线圈组；
c.根据检测线圈组形状设计检测信号处理电路；
d.设计实现金属异物检测系统的控制策略。
如图1-2所示的用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，包括发射线圈LP、接收线圈LS和检测线圈，所述发射线圈LP连接有无线充电发射电路的输出端，所述接收线圈LS连接有无线充电接收电路的输入端，接收线圈LS与发射线圈LP相互耦合，所述检测线圈安装于发射线圈表面，检测线圈呈梳妆轴对称结构，检测线圈包括多个导通通道，检测线圈还连接有检测信号处理电路的输入端。
无线充电发射电路包括依次连接的发射端串联谐振电容CP、发射线圈LP和发射线圈寄生内阻RP，无线充电发射电路设置有交流输入电压UP和发射端电流IP。
无线充电接收电路包括依次连接的接收线圈LS、接收端串联谐振电容CS、等效负载Req和接收线圈寄生内阻RS。
发射线圈LP和接收线圈LS之间设置有用于检测线圈检测的模拟金属物，模拟金属物包括金属物电感LM和内阻RM，发射线圈LP、接收线圈LS和金属物电感LM之间的互感分别为MPS、MPM和MSM。。
金属物电感LM与内阻RM共同组成模拟的金属异物，并以此作为金属异物进行分析。发射线圈与无线充电发射端电路输出相连，用于产生固定频率的高频谐振磁场，接收线圈与无线充电接收电路输入相连，用于与发射线圈相互耦合，接收无线传输的能量，检测线圈通过耦合产生感应检测电压信号，与检测信号处理电路的输入相连；检测信号处理电路与检测线圈组相连，通过选择不同的导通通道，实现不同检测区域间感应电压信号的比较，将经放大、滤波和精密整流后的电压信号差值与预设的电压阈值进行比较。
检测线圈组结构图如图3所示，由两个对称排布的梳状检测线圈组成，左侧检测线圈导通通道被依次定义为L1、L2、L3、L4，左侧检测线圈导通通道被依次定义为R1、R2、R3、R4。通过调整导通通道以提升不同尺寸金属异物检测的灵敏度，并在中心区域错位选择一个通道，避免因大尺寸金属异物位于中心区域，两检测线圈同时出现异物导致的检测盲区问题。
检测信号处理原理示意图如图4所示，多路复用选择器输入端电路与检测线圈组通道相连，通过控制多路复用选择器选择检测线圈的导通通道；电压信号之后经过差分转换单端输出电路得到两个检测线圈导通通道间的感应电压信号；信号放大电路用于放大感应电压信号，提升检测灵敏度；精密滤波整流电路用于得到感应电压峰值信号。将两个检测线圈输出的电压信号差值与预设的控制器中的电压阙值比较：若前者不超过后者，则无线充电系统中无金属异物侵入；否则，无线充电系统中有金属异物侵入。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，其特征在于，包括发射线圈LP、接收线圈LS和检测线圈，所述发射线圈LP连接有无线充电发射电路的输出端，所述接收线圈LS连接有无线充电接收电路的输入端，接收线圈LS与发射线圈LP相互耦合，所述检测线圈安装于发射线圈表面，检测线圈呈梳妆轴对称结构，检测线圈包括多个导通通道，检测线圈还连接有检测信号处理电路的输入端；
所述用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置的检测方法包括如下步骤：
a.建立含有金属异物的WPT系统等效模型；
b.设计用于全尺寸金属物体的无盲区检测线圈组；
c.根据检测线圈组形状设计检测信号处理电路；
d.设计实现金属异物检测系统的控制策略；
所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：
步骤1.分析计算不存在金属异物状况下的系统阻抗ZPS：
Figure QLYQS_1
其中ZP为发射端阻抗，ZS为接收端阻抗，ω为系统角频率；
步骤2.分析计算存在金属异物状况下的系统阻抗ZPSM：
Figure QLYQS_2
其中ZM为金属异物阻抗；
步骤3.忽略金属异物内阻RM，简化分析含有金属异物情况下的发射端与接收端等效自感、互感与寄生电阻变化：
Figure QLYQS_3
其中LP′为发射端等效自感，LS′为接收端等效自感，MP′S为发射端与接收端等效互感，RP′为发射端等效内阻，RS′为接收端等效内阻；
所述步骤c中设计检测信号处理电路方法的步骤如下：
步骤(1)：检测信号处理电路中采用多路复用选择电路、差分转换单端输出电路、信号放大电路和精密滤波整流电路；
步骤(2)：将多路复用选择电路与检测线圈组通道相连，通过多路复用选择器选择检测线圈的导通通道；差分转换单端输出电路获取两个检测线圈导通通道间的感应电压信号；信号放大电路用于放大感应电压信号，精密滤波整流电路用于获取感应电压峰值信号；
步骤(3)：获取两个检测线圈输出的电压信号差值，并与控制器中预设的电压阙值比较：若前者不超过后者，则无线充电系统中无金属异物侵入；若前者大于后者，则无线充电系统中有金属异物侵入；
所述步骤d的控制策略如下：
步骤1)通过选择导通通道，调整检测区域为最小检测区域，即两个相邻通道间的感应区域，提升金属异物检测的灵敏度，比较电压信号差值与预设的电压阙值；
步骤2)调整检测区域为间隔一个导通通道的感应区域，并在中心区域错位选择一个通道，使金属异物位于中心区域之外，比较电压信号差值与预设的电压阙值；
步骤3)调整检测区域为间隔两个导通通道的感应区域，并在中心区域错位选择一个通道，使金属异物位于中心区域之外，比较电压信号差值与预设的电压阙值。
2.根据权利要求1所述的一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，其特征在于，所述无线充电发射电路包括依次连接的发射端串联谐振电容CP、发射线圈LP和发射线圈寄生内阻RP，无线充电发射电路设置有交流输入电压UP和发射端电流IP。
3.根据权利要求1所述的一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，其特征在于，所述无线充电接收电路包括依次连接的接收线圈LS、接收端串联谐振电容CS、等效负载Req和接收线圈寄生内阻RS。
4.根据权利要求1所述的一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，其特征在于，所述发射线圈LP和接收线圈LS之间设置有用于检测线圈检测的模拟金属物，所述模拟金属物包括金属物电感LM和内阻RM，发射线圈LP、接收线圈LS和金属物电感LM之间的互感分别为MPS、MPM和MSM。
5.根据权利要求1所述的一种用于WPT系统的无盲区全尺寸金属异物检测装置，其特征在于，所述步骤b中设计方法为：将检测线圈组设计为轴对称结构，检测线圈组包括两个梳妆感应线圈，通过选择检测线圈的导通通道来调整检测区域，所述检测线圈组边界与发射线圈边界大小相同。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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