CN113391360B - 一种无检测盲区的组合型异物检测线圈及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电系统中的异物检测技术领域，具体公开了一种无检测盲区的组合型异物检测线圈及异物检测方法，该组合型异物检测线圈由M个相同的凹字形线圈横向拼接而成以作为一个横向检测单元，M＝2N‑1,N≥2；每个凹字形线圈包括左右两侧凸起的第一凸部以及中间的凹陷空间；M个凹字形线圈的拼接方式为：其中N个凹字形线圈横向并排设置，相邻的两个第一凸部组合成第二凸部，其余N‑1个凹字形线圈的凹陷空间分别嵌合N‑1个所述第二凸部；拼接后得到的中央矩形区域作为异物检测区域，该异物检测区域覆盖充电系统的无线充电区域。在激励下，异物检测区域内各处均分布有较强磁场，基本不存在检测盲区，各个位置都能有效检测出异物。

Description

一种无检测盲区的组合型异物检测线圈及其检测方法

技术领域

本发明涉及无线充电系统中的异物检测技术领域，尤其涉及一种无检测盲区的组合型异物检测线圈及基于该组合型异物检测线圈的一种异物检测方法。

背景技术

由于无线充电系统在充电时，其耦合机构之间存在高频交变磁场，这会给生物体的健康带来一定程度的损伤，而金属异物误入则会影响系统充电效率，或是由于涡流效应等因素发热导致安全隐患。

基于独立检测线圈的异物检测技术具有成本低、可塑性强等特点，故被广泛应用在异物检测系统中。目前较为相关的技术主要有以下几种：

技术一[专利公开号：CN107070003A]公开了一种使用对称信号采集线圈的异物检测装置，对称位置上的线圈形成差分结构进行检测，其示意图如图1-1所示。但是该方法在实际使用中存在检测盲区，只适用于异物从与地面垂直距离小的侧边区域进入传输区域的情况，无法有效检测到异物从发送线圈上方落入的情况，系统启动前异物已经存在于发射线圈内的情况也无法有效识别。

技术二[专利公开号：CN107306054B]公开了一种使用复杂线圈结构的三检测线圈装置，其结构示意图如图1-2所示。但是检测线圈结构过于复杂和密集，这会影响原系统的传输效率，甚至导致检测线圈成为原系统上的异物，并且该结构在高频下会产生严重的寄生参数，功耗也会相应变大。

技术三[专利公开号：CN109001821B]介绍了一种平铺在发射线圈上方的无激励式组合检测线圈机构，差分线圈分别对称放置，如图1-3所示。该方法需要比较理想的条件才可以准确检测到传输区域内的异物，实现条件苛刻，因为其激励完全源于环境磁场并且默认环境磁场在对称位置上大小和分布完全相同，但实际系统的环境磁场并不均匀，且该装置难以区分干扰来源于异物本身还是环境。

技术四[无线电能传输阵列式差分线圈金属异物检测方法]介绍了一种反向绕制线圈在均磁场中感应电压会抵消的方法，如图1-4所示。该方法也采用无激励式，而实际应用中会因为发射线圈上方磁场强度和分布为非线性而产生误判，即差分串联线圈间的感应电压难以刚好被消除，测量不精确。此外，检测线圈串联后也容易在高频下产生寄生参数，使系统失谐进而严重影响判断准确度。

技术五[基于四线圈电压实时监测的电动汽车无线充电系统异物检测方法] 介绍了一种通过摆放在一起的无激励式四线圈异物检测方法，理论上若磁场处处相等则线圈上感应电压也相等直至异物改变电压，如图1-5所示。该技术与前几种技术存在相同的问题，无激励式检测会因为实际应用中空间磁场大小和分布不均衡性，导致检测线圈受到的激励不同，而难在复杂环境中实现对异物的有效检测。

技术六[公开号：CN111682653]也公开了一种主动提供激励式的异物检测系统与识别方法，使用线圈组对生物体和金属异物进行检测，如图1-6所示。本方法激励不再由环境决定，故相较前几类方法更能适合于实际的无线充电系统内的应用，但是并没有考虑到单个线圈的检测能力，即没有解决单个线圈所存在的盲区分布问题，存在异物漏测的可能性。

总的来说，目前独立检测线圈的结构主要分为两种，即圆形和矩形，由于圆形检测线圈拼接时，各线圈之间将会存在菱形的检测盲区，故目前常规技术多采用矩形线圈构成检测阵列来实现对充电区域的全覆盖。但是这只是物理层面上的全覆盖，而检测的效果主要取决于其空间磁场分布情况。经过仿真和实验验证，常规的矩形检测线圈其实在四个角处仍然存在一定程度的盲区，如图1-7所示。可以看到矩形线圈的磁通强度，外围四个角附近要低于中心四角区域，也就是说这部分区的检测能力是低于中心线圈区域的，当一些小型异物出现在这些区域时，就会出现无法有效识别的情况。目前，常见技术中所设计的线圈组基本都默认了其单个检测线圈上方所有位置都能被有效检测到，在此基础上排布线圈，所以在实际应用中存在漏测情况，以四个并列线圈为例，其实际磁场分布如图1-8 所示，中心区域甚至出现盲区堆叠的情况，这类区域的小型异物将难以被检测到。

发明内容

本发明提供一种无检测盲区的组合型异物检测线圈及一种异物检测方法，解决的技术问题在于：如何对充电系统(耦合机构)中的异物进行全覆盖检测(无检测盲区)及识别。

为解决以上技术问题，本发明提供一种无检测盲区的组合型异物检测线圈，由M个相同的凹字形线圈横向拼接而成以作为一个横向检测单元，M＝2N- 1,N≥2；

每个凹字形线圈包括左右两侧凸起的第一凸部以及中间的凹陷空间；

M个凹字形线圈的拼接方式为：其中N个凹字形线圈横向并排设置，相邻的两个第一凸部组合成第二凸部，其余N-1个凹字形线圈的凹陷空间分别嵌合 N-1个所述第二凸部；

拼接后得到的中央矩形区域作为异物检测区域，该异物检测区域覆盖充电系统的无线充电区域。

优选的，每个凹字形线圈由一根导线由外及里或由里及外顺序绕制而成。

优选的，一种无检测盲区的组合型异物检测线圈进一步可由A个所述横向检测单元纵向相接而成，相接后得到的中央矩形区域作为异物检测区域，A≥2。

本发明提供的一种无检测盲区的组合型异物检测线圈，其有益效果在于：

在激励下，异物检测区域内各处均分布有较强磁场，基本不存在检测盲区，各个位置都能有效检测出异物。

基于上述组合型异物检测线圈，本发明还提供一种无检测盲区的的异物检测方法，包括步骤：

S1：在充电系统启动之前，依次向每个凹字形线圈通入激励，并提取组合型异物检测线圈的充电前关键检测信息；

S2：根据所述充电前关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，若是则进一步识别异物的类型并进行报警以及停止充电系统，若否则进入下一步；

S3：启动充电系统并待其进入稳定充电状态后，依次向每个凹字形线圈通入激励并提取组合型异物检测线圈的充电时关键检测信息；

S4：根据所述充电时关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，若是则进一步识别异物的类型并进行报警以及停止充电系统，若否则继续工作直至充电结束。

进一步地，在所述步骤S1及步骤S3中，向每个凹字形线圈通入的激励从每个凹字形线圈的外引线端或内引线端进入。

进一步地，所述步骤S2中，根据所述充电前关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，具体为：

将所述充电前关键检测信息与未充电环境下标志着异物出现的第一阈值相比较，从而确定异物检测区域是否出现异物，其中第一阈值为在充电系统未启动的环境下，采用各种异物进行实验标定而得。

进一步地，所述步骤S4中，根据所述充电时关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，具体为：

将所述充电时关键检测信息与稳定充电环境下标志着异物出现的第二阈值相比较，从而确定异物检测区域是否出现异物，其中第二阈值为在充电系统的稳定充电状态下，采用各种异物进行实验标定而得。

进一步地，在所述步骤S2及步骤S4中，所述识别异物的类型，具体为：

根据不同种类异物对组合型异物检测线圈各种参数的不同影响效果，判定是铁磁性金属、非铁磁性金属还是生物体。

优选的，所述充电前关键检测信息和所述充电时关键检测信息包括阻抗信息、幅值信息和相位信息。

本发明提供的一种异物检测方法，其有益效果在于：

1、可通过采集组合型异物检测线圈中各个凹字形线圈的电磁信息(阻抗信息、幅值信息和相位信息等)，进一步判断介入异物的种类信息和位置信息；

2、可在一定程度上抵抗环境干扰，即处于不同功率、频率下的充电系统中也能实现对异物的有效检测。

附图说明

图1-1是本发明背景技术提供的技术一的线圈结构图；

图1-2是本发明背景技术提供的技术二的线圈结构图；

图1-3是本发明背景技术提供的技术三的线圈结构图；

图1-4是本发明背景技术提供的技术四的线圈结构图；

图1-5是本发明背景技术提供的技术五的线圈结构图；

图1-6是本发明背景技术提供的技术六的线圈结构图；

图1-7是本发明背景技术提供的常规单矩形检测线圈的磁场分布图；

图1-8是本发明背景技术提供的常规4矩形检测线圈的磁场分布图；

图2是本发明实施例提供的凹字形线圈的结构图；

图3是本发明实施例提供的由3个凹字形线圈拼接而成的检测线圈单元的结构图；

图4是本发明实施例提供的常规矩形线圈的结构图；

图5是本发明实施例提供的检测线圈单元与常规矩形线圈的磁场等值面示意图；

图6是本发明实施例提供的实验中检测线圈单元与常规矩形线圈的异物放置位置示意图；

图7是本发明实施例提供的适配于矩形发射系统的组合型异物检测线圈的结构图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

为了对整个无线充电区域进行无盲区的异物检测，本发明实施例首先提供一种无检测盲区的组合型异物检测线圈，由M个相同的凹字形线圈横向拼接而成以作为一个横向检测单元，M＝2N-1,N≥2。如图2所示，每个凹字形线圈包括左右两侧凸起的第一凸部1以及中间的凹陷空间2。M个凹字形线圈的拼接方式为：其中N个凹字形线圈横向并排设置，相邻的两个第一凸部1组合成第二凸部3(参考图3)，其余N-1个凹字形线圈的凹陷空间2分别嵌合N-1个第二凸部3；拼接后得到的中央矩形区域作为异物检测区域，该异物检测区域覆盖充电系统的无线充电区域。

从图2可以看到，每个凹字形线圈由一根导线由外及里或由里及外顺序绕制而成。

将M＝3时所拼接而成的线圈作为一个检测线圈单元(也是最小的、结构最简单的组合型异物检测线圈)，其结构如图3所示。A、B、C分别表示三个独立的凹字形线圈，各自的箭头表示激励的输入方向(向每个凹字形线圈通入的激励从每个凹字形线圈的外引线端进入，其他实施例也可统一从内引线端进入)，取图3中央的完整矩形区域(即中央矩形区域)作为对比区(异物检测区域)。

将图3所示组合型异物检测线圈(的异物检测区域)与图4所示常规矩形线圈结构对应的磁场强度等值面进行对照，如图5所示。用虚线框框出来的区域为对等情况下的对比区域，可以看到普通矩形线圈内的四个角明显出现了磁场分布的疏散区域，经过实验验证，这部分区域确实缺乏对异物的有效检测能力。而本例所示组合型异物检测线圈的对比区域，磁场没有完全集中在中心区域，而是变为了多个集中点分散在异物检测区域内，无论是外围四角还是中心随机区域，都有一定检测能力，从而可以很好地满足检测到异物存在与否的要求。

进一步的，本例在图5所示各个模型中不同位置加入硬币级别大小的小型异物，通过观察各个位置的阻抗变化，来验证图3所示组合型异物检测线圈的检测能力。考虑到各自结构的对称性，分别将异物置于设计的检测线圈单元和常见矩形线圈的角落、边沿和中心随机区域，放置在如图6所示的a、b、c处。

实验测得主要数据及变化情况如下表1和表2所示：

表1检测线圈单元中异物介入后线圈数据变化表

表2常规矩形线圈中异物介入后线圈数据变化表

由表中数据可以看到，当异物出现在如a这类角落位置时，线圈A的阻抗变化率为2.28％常规矩形线圈的阻抗变化率为0.283％/>本设计的变化率约为后者变化率的8倍；同样，b处线圈A 的阻抗变化率为3.43％常规矩形线圈的阻抗变化率为1.03％/>前者变化率约为后者的3.33倍；而c处线圈B的阻抗更明显，其变化率为1.50％/>常规矩形线圈的阻抗变化率为2.38％/>后者变化率约为前者的1.5倍。

可以看出常规矩形线圈检测能力最强的地方是中心四角区域，其磁场分布都集中在此区域附近，对异物是否存在这个目的而言，该部分区域的检测能力足够灵敏且存在一定程度的溢出，而在外围四角区域磁场则十分稀疏，存在极为严重的检测盲区，不能满足检测准确的基本要求。而本设计由于其结构特性，磁场没有完全集中在中心区域，而是变为了多个集中点分散在检测区域内，无论是外围四角还是中心随机区域，都有一定检测能力，可以很好地满足检测到异物存在与否的要求。

注：本次仿真中激励设置的单位1，故两种结构变化率都较低，实际情况都会有所提高。

图3所示的检测线圈单元是一种小尺寸结构，可以避免大尺寸线圈对充电系统产生严重干扰的问题。要使无线充电区域更大的充电系统实现无盲区全覆盖检测，可以基于拼接图3所示检测线圈单元相同的原理，使拼接后得到的中央矩形区域铺满整个无线充电区域，实现无盲区检测。比如，先将每M(本实施例M＝7)个相同的凹字形线圈横向拼接组成一个横向检测单元，再将A(A≥2，本实施例A＝4)个横向检测单元纵向相接得到如图7所示的组合型异物检测线圈，其中央矩形区域作为异物检测区域，覆盖无线充电区域。

在其他实施例中，组合型异物检测线圈可以视实际充电系统的结构而定，并且同一个系统的检测装置铺设方式可存在多种方式。图7仅是以一种最常见的矩形发射系统为例，示意出的一种组合型异物检测线圈的铺设形式。

以图7所示的组合型异物检测线圈为例，本发明实施例还提供一种基于该组合型异物检测线圈的异物检测方法，包括步骤：

S1：在充电系统启动之前，依次向每个凹字形线圈通入激励，并提取组合型异物检测线圈的充电前关键检测信息；

S2：根据充电前关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，若是则进一步识别异物的类型并进行报警以及停止充电系统，若否则进入下一步；

S3：启动充电系统并待其进入稳定充电状态后，依次向每个凹字形线圈通入激励并提取组合型异物检测线圈的充电时关键检测信息；

S4：根据充电时关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，若是则进一步识别异物的类型并进行报警以及停止充电系统，若否则继续工作直至充电结束。

需要进一步说明的是，步骤S2中，根据充电前关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，具体为：

将充电前关键检测信息与未充电环境下标志着异物出现的第一阈值相比较，从而确定异物检测区域是否出现异物，其中第一阈值为在充电系统未启动的环境下，采用各种异物进行实验标定而得。

同样，步骤S4中，根据充电时关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，具体为：

将充电时关键检测信息与稳定充电环境下标志着异物出现的第二阈值相比较，从而确定异物检测区域是否出现异物，其中第二阈值为在充电系统的稳定充电状态下，采用各种异物进行实验标定而得。

另外，在步骤S2及步骤S4中，识别异物的类型，具体为：

根据不同种类异物对组合型异物检测线圈各种参数的不同影响效果，判定是铁磁性金属、非铁磁性金属还是生物体。

另外，充电前关键检测信息和充电时关键检测信息包括但不限于阻抗信息、幅值信息和相位信息。

综上，本发明实施例提供的一种异物检测方法，其有益效果在于：

1、可通过采集组合型异物检测线圈中各个凹字形线圈的电磁信息(阻抗信息、幅值信息和相位信息等)，进一步判断介入异物的种类信息和位置信息；

2、可在一定程度上抵抗环境干扰，即处于不同功率、频率下的充电系统中也能实现对异物的有效检测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无检测盲区的组合型异物检测线圈，其特征在于：由M个相同的凹字形线圈横向拼接而成以作为一个横向检测单元，M＝2N-1,N≥2；

每个凹字形线圈包括左右两侧凸起的第一凸部以及中间的凹陷空间；

M个凹字形线圈的拼接方式为：其中N个凹字形线圈横向并排设置，相邻的两个第一凸部组合成第二凸部，其余N-1个凹字形线圈的凹陷空间分别嵌合N-1个所述第二凸部；

拼接后得到的中央矩形区域作为异物检测区域，该异物检测区域覆盖充电系统的无线充电区域。

2.根据权利要求1所述的一种无检测盲区的组合型异物检测线圈，其特征在于：由A个所述横向检测单元纵向相接而成，相接后得到的中央矩形区域作为异物检测区域，A≥2。

3.一种基于权利要求2所述的一种无检测盲区的组合型异物检测线圈的异物检测方法，其特征在于，包括步骤：

S1：在充电系统启动之前，依次向每个凹字形线圈通入激励，并提取组合型异物检测线圈的充电前关键检测信息；

S2：根据所述充电前关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，若是则进一步识别异物的类型并进行报警以及停止充电系统，若否则进入下一步；

S3：启动充电系统并待其进入稳定充电状态后，依次向每个凹字形线圈通入激励并提取组合型异物检测线圈的充电时关键检测信息；

S4：根据所述充电时关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，若是则进一步识别异物的类型并进行报警以及停止充电系统，若否则继续工作直至充电结束。

4.根据权利要求3所述的一种异物检测方法，其特征在于：在所述步骤S1及步骤S3中，向每个凹字形线圈通入的激励从每个凹字形线圈的外引线端或内引线端进入。

5.根据权利要求3所述的一种异物检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据所述充电前关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，具体为：

将所述充电前关键检测信息与未充电环境下标志着异物出现的第一阈值相比较，从而确定异物检测区域是否出现异物，其中第一阈值为在充电系统未启动的环境下，采用各种异物进行实验标定而得。

6.根据权利要求3所述的一种异物检测方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据所述充电时关键检测信息判断在异物检测区域是否出现异物，具体为：

将所述充电时关键检测信息与稳定充电环境下标志着异物出现的第二阈值相比较，从而确定异物检测区域是否出现异物，其中第二阈值为在充电系统的稳定充电状态下，采用各种异物进行实验标定而得。

7.根据权利要求3所述的一种异物检测方法，其特征在于：在所述步骤S2及步骤S4中，所述识别异物的类型，具体为：

根据不同种类异物对组合型异物检测线圈各种参数的不同影响效果，判定是铁磁性金属、非铁磁性金属还是生物体。

8.根据权利要求3所述的一种异物检测方法，其特征在于：所述充电前关键检测信息和所述充电时关键检测信息包括阻抗信息、幅值信息和相位信息。

9.根据权利要求3所述的一种异物检测方法，其特征在于：每个凹字形线圈由一根导线由外及里或由里及外顺序绕制而成。