CN113346637B - 一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，具体为启动异物检测系统，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，得到检测信号；记录检测信号幅值，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，确定是否存在异物；当存在异物时，发出报警，将异物存在处及周围的检测线圈切换到对应的包含功率电阻的功率消耗电路或电流源上，实现被动或主动屏蔽，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物的发热情况；实时监测发射端表面所有区域的温度变化，防止异物温度超过安全阈值。本发明相对于传统的异物检测系统，能有效地提升系统的安全性以及充电进程的稳定性和连续性。

Description

一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法

技术领域

本发明涉及无线充电系统中异物检测技术领域，特别涉及一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法。

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，其中部分铁磁性金属异物及其合金(如：铁、钴、镍及其高磁导率合金等材料)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)。而部分非铁磁性金属及合金(如：铝、铜及非铁磁性合金等材料)同样会由于涡流效应而发热，但最终该种类的异物的热平衡温度会稳定在相关标准规定的安全限值之内，即可视为对系统不会产生实质性的危害，例如，美国机动车工程师学会SAEJ2954标准中规定电动汽车无线充电系统中异物的安全温度限值为80℃。

为保证无线充电系统的安全性，目前在检测到异物时需立即停止无线充电进程。当车内无驾驶员或驾驶员远离充电系统时，异物无法被及时移除，继而严重影响充电进程。

现有技术的水平以及存在的问题：

实现无线充电异物检测所采用的技术种类繁多，只可判断有无，只要存在异物则会报警并会立即停止充电，严重影响充电进程。无法进一步区分异物的种类即无法准确判断出对系统真正存在安全隐患的异物。

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(如红外温度检测法)

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详细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

本发明为解决现有的无线充电系统无法在异物存在情况下正常工作的问题以及无法减弱或消除由于异物的存在而导致系统产生严重安全隐患的问题；

为此，本发明的一个目的在于提出一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，所述方法基于异物检测系统，包括以下步骤：

步骤1:启动异物检测系统，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，得到检测信号；

步骤2：记录检测信号幅值，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，确定是否存在异物；

步骤3：当存在异物时，异物检测系统发出报警，将异物存在处的检测线圈切换到对应的包含功率电阻的功率消耗电路或电流源上，实现被动或主动屏蔽，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物的发热情况；

步骤4：实时监测发射端表面所有区域的温度变化，防止异物温度超过安全阈值。

优选地，所述步骤2具体为：当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，系统继续正常工作；当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。

优选地，所述安全阈值为直流电压信号幅值或交流电压信号的幅值、有效值或峰峰值中的任意一种。

优选地，所述步骤3具体为：

当检测到异物存在时，利用检测线圈以及切换电路连接功率电阻，进而让检测线圈内部产生涡流，实现被动屏蔽；切换至电流源实现主动屏蔽，感应涡流的大小通过设置功率电阻阻值以及PCB线宽来控制，异物检测系统测出异物有无及位置后利用异物周围检测线圈涡流实现被动或主动屏蔽，实现无线充电系统发射端表面局部磁场强度降低，进而降低异物位置处的磁感应强度，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物发热。

优选地，PCB检测线圈的线宽保证PCB内部铜线具有足够的载流密度进而实现检测线圈上方磁感应强度降低至使金属异物温升至温度安全限值80℃以下的所需限值。

优选地，外接功率电阻使用电位器、滑动变阻器或电阻箱实现外接电阻阻值的调节，在系统功率等级、检测线圈结构、尺寸、线宽等参数确定后，检测线圈中由于功率磁场产生的感应电压随之确定，通过调节外接功率电阻阻值调节检测线圈和功率电阻构成闭合回路内部的感应电流大小，进而调节检测线圈的屏蔽效果。

优选地，所述步骤4具体为：当异物的温度始终低于安全阈值或发射端表面所有位置温度均低于安全阈值，则正常保持充电进程但仍保持警报；

当异物的温度超过安全阈值或发射端表面局部温度超过安全阈值，则立即停止无线电能传输进程并保持警报；待发射端表面所有区域温度降至安全阈值以下时恢复功率传输进程并重复步骤4时刻检测发射端表面温度。

有益效果：

本发明利用发射端表面的异物检测线圈阵列以及被动和主动屏蔽技术降低异物位置处的磁感应强度，进而降低异物发热情况，使无线充电系统可在存在异物的情况下保持正常工作。本发明可以有效提升系统的安全性以及充电过程的连续性和稳定性，增强了系统的抗干扰能力。本发明相对于传统的异物检测系统，能够有效地提升系统的安全性以及充电进程的稳定性和连续性。

附图说明

图1为一种用于无线充电系统中异物检测及危害消除方法的流程图；

图2为包含异物检测功能的无线充电系统示意图；

图3为异物检测线圈矩阵放置于发射端表面示意图。

图4为异物检测系统检测电路的结构图；

图5为检测线圈切换电路示意图；

图6为利用切换开关和可调功率电阻实现异物位置处磁场被动屏蔽示意图；

图7为利用切换开关、电流传感器和可调电流源实现异物位置处磁场主动屏蔽示意图。

具体实施方式

根据图1-图7所示，是本发明提供一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法：

参照图1所示，电动汽车无线充电系统分为无线充电发射端、无线充电接收端、充电桩及控制系统以及异物检测线圈阵列；其中无线充电发射端置于地面，无线充电接收端置于车辆底盘，异物检测线圈阵列铺设于发射端表面。

一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，所述方法基于异物检测系统，所述异物检测系统包括：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。

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或继电器、滤波电容C_n和检测线圈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。

一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，包括以下步骤：

步骤1:启动异物检测系统，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，得到检测信号；

步骤2：记录检测信号幅值，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，确定是否存在异物；所述步骤2具体为：当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，系统继续正常工作；当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。

异物检测电路阈值可以为直流电压信号幅值或交流电压信号的幅值、有效值或峰峰值等任意一种。

影响异物检测电路阈值的因素包括：激励信号源幅值和频率、检测线圈尺寸、金属异物材料和尺寸、金属异物相对于检测线圈的位置(正对或边角)、检测电路结构和器件参数等。

其检测电路的核心部分为阻抗放大电路。检测线圈、直流滤波电容和并联谐振电容构成并联谐振腔。当金属异物接近检测线圈时，检测电路输出交流电压信号幅值、有效值或峰峰值均降低。因此合理设定电压阈值，当检测电路输出交流电压信号幅值、有效值或峰峰值低于该设定阈值时即认为存在金属异物，并记录此时检测线圈的位置以确定金属异物的位置。在确定存在金属异物及其位置后，将金属异物所处位置附近的检测线圈从检测电路切换至功率电阻电路，即实现被动屏蔽。

所述安全阈值为直流电压信号幅值或交流电压信号的幅值、有效值或峰峰值中的任意一种。

步骤3：当存在异物时，异物检测系统发出报警，将异物存在处的检测线圈切换到对应的包含功率电阻的功率消耗电路或电流源上，实现被动或主动屏蔽，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物的发热情况；警报为鸣笛、超声波或次声波及灯光等。所述步骤3具体为：

当检测到异物存在时，利用检测线圈以及切换电路连接功率电阻，进而让检测线圈内部产生涡流，实现被动屏蔽；切换至电流源实现主动屏蔽，感应涡流的大小通过设置功率电阻阻值以及PCB线宽来控制，异物检测系统测出异物有无及位置后利用异物周围检测线圈涡流实现被动或主动屏蔽，实现无线充电系统发射端表面局部磁场强度降低，进而降低异物位置处的磁感应强度，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物发热。

PCB检测线圈的线宽保证PCB内部铜线具有足够的载流密度进而实现检测线圈上方磁感应强度降低至使金属异物温升至温度安全限值80℃以下的所需限值。

外接功率电阻使用电位器、滑动变阻器或电阻箱实现外接电阻阻值的调节，在系统功率等级、检测线圈结构、尺寸、线宽等参数确定后，检测线圈中由于功率磁场产生的感应电压随之确定，通过调节外接功率电阻阻值调节检测线圈和功率电阻构成闭合回路内部的感应电流大小，进而调节检测线圈的屏蔽效果。

步骤4：实时监测发射端表面所有区域的温度变化，防止异物温度超过安全阈值。

所述步骤4具体为：当异物的温度始终低于安全阈值或发射端表面所有位置温度均低于安全阈值，则正常保持充电进程但仍保持警报；

当异物的温度超过安全阈值或发射端表面局部温度超过安全阈值，则立即停止无线电能传输进程并保持警报；待发射端表面所有区域温度降至安全阈值以下时恢复功率传输进程并重复步骤4时刻检测发射端表面温度。

本发明可以有效提升系统的安全性以及充电过程的连续性和稳定性，增强了系统的抗干扰能力；可以有效地对异物位置及附近处进行磁场屏蔽，实现充电区域内局部磁场真空，进而降低异物位置处的磁感应强度，降低异物发热，避免系统产生危险；对功率传输影响较低。异物检测系统本身对功率传输影响较小。该技术在存在异物时使充电区域内局部磁场真空，但仍可保证以较高的功率和效率进行无线充电。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，所述方法基于异物检测系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1:启动异物检测系统，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，得到检测信号；

步骤2：记录检测信号幅值，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，确定是否存在异物；

步骤3：当存在异物时，异物检测系统发出报警，将异物存在处及周围的检测线圈切换到对应的包含功率电阻的功率消耗电路或电流源上，实现被动或主动屏蔽，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物的发热情况；

步骤4：实时监测发射端表面所有区域的温度变化，防止异物温度超过安全阈值。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：当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，系统继续正常工作；当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。

3.根据权利要求1所述的一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，其特征在于，所述检测信号幅值为直流电压信号幅值或交流电压信号的幅值、有效值或峰峰值中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

当检测到异物存在时，利用检测线圈以及切换电路连接功率电阻，进而让检测线圈内部产生涡流，实现被动屏蔽；切换至电流源实现主动屏蔽，感应涡流的大小通过设置功率电阻阻值以及PCB线宽来控制，异物检测系统测出异物有无及位置后利用异物周围检测线圈涡流实现被动或主动屏蔽，实现无线充电系统发射端表面局部磁场强度降低，进而降低异物位置处的磁感应强度，降低异物的涡流损耗和磁滞损耗，降低异物发热。

5.根据权利要求4所述的一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，其特征在于，PCB检测线圈的线宽保证PCB内部铜线具有足够的载流密度进而实现检测线圈上方磁感应强度降低至使金属异物温升至温度安全限值80℃以下的所需限值。

6.根据权利要求1所述的一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，其特征在于，外接功率电阻使用电位器、滑动变阻器或电阻箱实现外接电阻阻值的调节，在系统功率等级、检测线圈结构、尺寸、线宽参数确定后，检测线圈中由于功率磁场产生的感应电压随之确定，通过调节外接功率电阻阻值调节检测线圈和功率电阻构成闭合回路内部的感应电流大小，进而调节检测线圈的屏蔽效果。

7.根据权利要求1所述的一种用于无线充电系统中异物危害消除的方法，其特征在于，

所述步骤4具体为：当异物的温度始终低于安全阈值或发射端表面所有位置温度均低于安全阈值，则正常保持充电进程但仍保持警报；

当异物的温度超过安全阈值或发射端表面局部温度超过安全阈值，则立即停止无线电能传输进程并保持警报；待发射端表面所有区域温度降至安全阈值以下时恢复功率传输进程并重复步骤4时刻检测发射端表面温度。

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