CN113612320A - 无线充电异物检测装置、方法及无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线充电异物检测装置、方法及无线充电系统，属无线充电技术领域。异物靠近发射线圈上方会发热严重，但是传统的基于纵向磁场检测的异物检测方案在发射线圈上方存在“检测盲区”的问题。本发明提供一种立式异物检测线圈结构以检测发射线圈上方水平磁场为主，解决了“检测盲点”问题。另外，由于水平磁场随高度衰减较慢，所以本发明的结构具有检测一定高度的空间异物的能力。本发明可以实现异物检测，有效预警异物所导致的安全危险，为具有无线充电、无线供电系统的电动汽车、电子产品、自动导引运输车、无人机、物流机器人、自动驾驶设备等提供安全保障。

Description

无线充电异物检测装置、方法及无线充电系统

技术领域

本申请涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电异物检测装置、方法和系统。

背景技术

无线充电技术已经应用到电动汽车、电子产品、自动导引运输车（AGV，AutomatedGuided Vehicle）、无人机、物流机器人、自动驾驶等领域，尤其是需要自动充电的场合。相对于接触式供电，无线供电具有安全、灵活、无火花、少维护、可移动及易于实现自动充电等优势。已有多个无线充电相关技术及专利公开，比如：针对非接触变压器结构，已公开的专利“CN104319076B一种非接触变压器（陈乾宏、侯佳等）”和“CN101630577A边沿扩展型高耦合系数非接触变压器（张巍、陈乾宏等）”；针对补偿网络优化，已公开的专利“CN104242657B一种原边并串补偿副边串联补偿的非接触谐振变换器（陈乾宏、侯佳）”和“CN112202251A可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法（柯光洁、陈乾宏等）”；针对系统控制方法，已公开的专利“CN105871213A一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置（陈乾宏、张鹏真等）”；针对无线充电系统低成本化，已公开的专利“CN209860803U一种非接触单管谐振变换器（陈乾宏、张帅等）”；针对无线充电系统辅助定位功能，已公开的专利“CN110103739A弱磁场激励三线圈检测装置（张斌、陈乾宏等）”。

对于无线充电系统而言，其电能传输效率和系统安全性是最为关键的两个方面。由于无线充电系统原副边可分离，原副边功率线圈在未对位之前及对位充电工作时均不与外部隔离，因此外界异物可能在任意时刻掉落或进入原副边之间的磁场耦合区域中，干扰到无线供电系统的正常工作。对于金属异物，交变磁场会在其内部感应出涡流，致使金属异物温度急剧上升，烧毁设备，甚至引发火灾事故，严重威胁到无线供电系统的安全工作，对生命财产安全也造成了极大的安全隐患。因此，对可能存在的异物进行有效检测并及时停止功率传输是保障无线供电系统的正常、安全与可靠工作的必要过程。

当前无线充电领域的异物检测（Foreign Object Detection，FOD）方法，根据被测量可以分为：基于检测磁场变化的异物检测方法、基于传输效率（损耗）变化的异物检测方法、基于检测线圈阻抗变化的异物检测方法等。根据激励方式可以分为：通过附加高频激励磁场的主动激励方法，和利用主功率磁场激励的被动激励方法。

主动激励系统，主要分为三部分，激励源、LC谐振电路，和检测电路。串联的谐振电容（容值为C）或检测线圈寄生电容（容值为C）与检测线圈（感值为L）组成LC谐振电路。通过向LC谐振电路二端口主动注入高频电流（一般为1MHz~3MHz）的方式，或通过附近的主动激励线圈耦合的方式，使得LC谐振电路震荡。同时，通过测量谐振频率/相位/幅值/电压电流比值等方法测量LC两端的等效阻抗Z，由于异物会改变检测线圈的感值L、寄生电容的容值和等效阻值R，所以监测其等效阻抗变化量ΔZ可以实现异物的辨识。主动激励方法在无外界磁场干扰时（如无线功率传输前）可以实现高精度的异物检测。如何利用振荡器，锁相环，相位比较电路等方法精准的检测出LC等效阻抗的细微变化是主动激励方法的难点；如何在功率传输时提高其抗干扰的能力也是主动激励方法的另一难点；为了提高小体积异物的检测精度，主动激励的激励线圈和检测线圈一般采用微元的矩阵式，较小的激励面积限制了其对空间磁场变化的检测能力。因此，主动激励异物检测方法很难实现对于空间异物的检测。WIDMER, Hans Peter和SIEBER, Lukas提出的Foreign Object Detection CircuitUsing Mutual Impedance Sensing（WO2020/131194A1，WITRICITY CORPORATION），公开了一种激励频率为3MHz的主动激励异物检测方法，主动激励线圈和感应线圈集成为一个三端口平面线圈，其铺设成平行于原边线圈的“棋盘式”的矩阵线圈。

被动激励系统，通过监测功率磁场的变化来辨识异物。在无线充电系统传输功率时，由于涡流效应，异物会产生与功率磁场相反的磁场，使得检测线圈的耦合磁场减小。所以，通过监测其端口感应电压的变化ΔV可以更简单的实现异物辨识。由于被动激励系统利用的是功率线圈发射的功率磁场，所以在功率传输前，只能通过预激励磁场来实现离线检测；相比主动激励系统，被动激励系统省去了高频激励源，功放，带通滤波器等部分；但是，被动激励系统的异物判断阈值会随着功率磁场而变化，可以增加电流测量模块，用来检测主功率线圈的激励电流，根据激励电流调整ΔV的异物判断阈值，来适应不同的工况；何谋、陈为、朱勇发、冯绍杰提出的无线充电系统的异物检测装置、方法及系统（CN110571948A，华为技术有限公司），其利用一组内外嵌套的检测线圈检测磁场变化来判断异物是否存在；毛云鹤、武志贤、刘彦丁、萧辅荣提出的一种检测无线充电系统中金属异物的装置、设备及方法（WO2020/001207A1，华为技术有限公司），其利用主功率磁场作为激励磁场，并通过平行于原边发射线圈的“棋盘式”检测线圈来辨识异物。

激励磁场依赖发射线圈产生，其本身存在纵向磁场为零的区域。现有技术中“棋盘式”平面线圈的异物检测方法中检测线圈检测的是纵向磁场，所以当异物在纵向磁场为零的区域时无法避免的导致纵向磁场导致感应电压变化ΔV极其微弱，这将导致异物在此区域（一般称为“检测盲区”）无法检测。（参考：V. X. Thai, G. C. Jang, S. Y. Jeong, J.H. Park, Y. Kim and C. T. Rim, "Symmetric Sensing Coil Design for the Blind-Zone Free Metal Object Detection of a Stationary Wireless Electric VehiclesCharger," 《IEEE Transactions on Power Electronics》, vol. 35, no. 4, pp. 3466-3477, April 2020.）。如何提高“检测盲区”的检测信号强度是急需解决的问题。

发明内容

异物靠近发射线圈上方会发热严重，但是传统的基于纵向磁场检测的异物检测方案在发射线圈上方存在“检测盲区”的问题。针对上述不足，本发明提供一种立式异物检测线圈结构以检测发射线圈上方水平磁场为主，解决了“检测盲点”问题。另外，由于水平磁场随高度衰减较慢，所以本发明的结构具有检测一定高度的空间异物的能力。

本发明具体技术方案如下：

一种无线充电异物检测装置，包括至少一个发射线圈，每个发射线圈配置多个异物检测线圈，多个异物检测线圈布置于发射线圈周边且覆盖检测区域；每个发射线圈用于产生激励磁场；每个异物检测线圈，用于产生检测信号；

所述发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或副边线圈，或独立铺设的线圈；发射线圈采用水平绕制的盘式线圈或垂直绕制的螺线管线圈；

发射线圈为水平绕制的盘式线圈时，发射线圈绕制平面为第一平面；发射线圈为垂直绕制的螺线管线圈时，发射线圈绕制平面的正交平面为第一平面；

配置的每个检测线圈用于检测一个维度或多个维度的激励磁场；

检测一个维度激励磁场时，该异物检测线圈绕制平面与所述第一平面垂直；

检测多个维度激励磁场时，该异物检测线圈绕制平面相对所述第一平面倾斜设置，倾角a∈(0°,90°)；或者，该异物检测线圈绕制平面弯折成两个平面，两个平面之间夹角b∈(0°,180°)，且其中一个平面与所述第一平面垂直；

该装置以异物检测线圈感应的电压信号或电流信号作为判断异物的检测信号，判断是否有异物。

进一步，所述无线充电异物检测装置配置有多个异物检测线圈，每个异物检测线圈的绕制平面配置成其正上方的异物产生涡流磁场切向的正交平面。

进一步，所述弯折成两个平面异物检测线圈，两个平面垂直，两个平面垂直，相对于第一平面改变水平部分占比c∈(100%,0%)且垂直部分的占比d∈(0%,100%) 来检测倾角θ∈(0°,90°)的激励磁场。

进一步，所述异物检测线圈绕制在磁芯上。

进一步，所述异物检测线圈采用印刷电路板结构，该印刷电路板上设有第一过孔和第二过孔，该印刷电路板的上层设有第一层印刷电路，下层设有第二层印刷电路；其中，第一过孔与第一层印刷电路的第一端和第二层印刷电路的第一端相连，第二过孔与第一层印刷电路的第二端和第二层印刷电路的第二端相连，形成一匝检测线圈。

进一步，每个发射线圈至少配置两个异物检测线圈，每异物检测线圈绕制平面弯折成两个平面，多个异物检测线圈相组合，用于检测多个维度的激励磁场；多个异物检测线圈之间相互并联或串联。

进一步，所述无线充电异物检测装置包括多个发射线圈，每个发射线圈配置一个或多个异物检测线圈；每个发射线圈配置多个异物检测线圈时，多个异物检测线圈之间相互并联或串联。

一种用于无线充电异物检测的方法，基于上述无线充电异物检测装置，通过以下方式判断异物：

1）每个发射线圈与其配置的每路异物检测线圈之间至少输出一路检测信号；

2）检测一路或多路检测信号，比较检测信号与预存的无异物时检测信号是/否超过阈值，判断存在/不存在异物；只要一路检测信号判断存在异物，则判定存在异物；

或者，检测一路或多路检测信号的模拟量和基准信号的模拟量的乘积，并比较该乘积是/否等于无异物时对应检测信号模拟量乘积，从而判断存在/不存在异物；只要一路检测信号判断存在异物，则判定存在异物；

或者，检测两路检测信号之间的相角，并比较检测得到的相角与预存的无异物时对应相角是/否超过阈值，从而判断存在/不存在异物；

或者，检测两路检测信号有效值的比值，并比较该有效值的比值是/否等于无异物时对应有效值的比值，从而判断存在/不存在异物。

一种无线充电系统，包括上述异物检测装置、控制单元、原边线圈、副边线圈，原边发射装置和副边接收装置，其中异物检测装置的发射线圈复用原边线圈和/或副边线圈，或另外配置的线圈；

所述异物检测装置，用于检测原边线圈和副边线圈之间是否有异物，并发出检测信号；

所述原边发射装置与原边线圈相连，通过产生交变磁场发射能量；

所述副边接收装置与副边线圈相连，通过耦合交变磁场接收能量；

所述控制单元，根据检测信号控制无线充电。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

（1）本发明提出立式异物检测线圈结构，以更好耦合发射线圈上方（也就是传统方法检测盲区的位置）的磁场为目标进行立式铺设，因此有效改善检测盲区问题。

（2）本发明可以检测空间异物；随着空间异物高度（h）增加，本发明公开的异物检测线圈结构耦合到的磁场信号衰减速度较慢，因此，本发明具有一定的空间异物检测能力。

（3）本发明提出了一体化弯折立式检测线圈，直接矢量合成多个方向的磁场信号，有利于实现轻薄化三维磁场的检测。

附图说明

附图用以提供对本发明的进一步理解，与之后的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1（a）为现有平行于第一平面的“棋盘式”异物检测线圈及其分布示意图；

图1（b）为本发明的立式异物检测线圈及其分布示意图一（发射线圈为盘式线圈的情况）；

图1（c）为本发明的立式异物检测线圈及其分布示意图二（发射线圈为螺线管线圈的情况）；

图2（a）为本发明的异物检测结构在不存在异物情况下的磁场仿真图；

图2（b）为本发明的异物检测结构在存在异物情况下的磁场仿真图；

图3（a）为本发明的立式异物检测线圈示意图之一（发射线圈为盘式线圈的情况）；

图3（b）为本发明的立式异物检测线圈示意图之二（发射线圈为螺线管线圈的情况）；

图4（a）为本发明的立式异物检测线圈示意图之三（发射线圈为盘式线圈的情况）；

图4（b）为本发明的立式异物检测线圈示意图之四（发射线圈为螺线管线圈的情况）；

图5为本发明的立式异物检测线圈示意图之五；

图6为本发明的立式异物检测线圈示意图之六；

图7（a）为现有技术的平行于第一平面的异物检测线圈及非接触变压器的示意图；

图7（b）为本发明的垂直于第一平面的异物立式异物检测线圈及非接触变压器的示意图；

图7（c）为本发明的倾斜设置的异物立式异物检测线圈及非接触变压器的示意图；

图8（a）为本发明的多维度异物立式异物检测线圈及非接触变压器的示意图之一；

图8（b）为本发明的多维度异物立式异物检测线圈及非接触变压器的示意图之二；

图8（c）为本发明的多维度异物立式异物检测线圈及非接触变压器的示意图之三；

图8（d）为本发明的多维度异物立式异物检测线圈及非接触变压器的示意图之四；

图9（a）为本发明的异物立式异物检测线圈举例示意图之一；

图9（b）为本发明的异物立式异物检测线圈举例示意图之二；

图9（c）为本发明的异物立式异物检测线圈举例示意图之三 ；

图10为本发明的立式异物检测线圈（其绕制在附加磁芯上）示意图；

图11（a）为本发明的多维度立式异物检测线圈举例（其绕制在附加磁芯上）示意图之一；

图11（b）为本发明的多维度立式异物检测线圈举例（其绕制在附加磁芯上）示意图之二；

图12为多个立式异物检测线圈（其绕制在附加磁芯上）铺设的示意图；

图13为多个立式异物检测线圈（其绕制在附加磁芯上）内嵌匝间的示意图；

图14为本发明的异物立式异物检测线圈（其通过印刷电路板实现）示意图；

图15为本发明的立式异物检测线圈（其绕制在非接触变压器磁芯上）示意图；

图16为本发明的立式异物检测线圈（其内嵌在非接触变压器磁芯缝隙间）示意图；

图17为本发明的反向串联的立式异物检测子线圈（其通过印刷电路板实现）示意图；

图18为本发明的反向串联的立式异物检测子线圈（其绕制在附加磁芯上）示意图之一；

图19为本发明的反向串联的立式异物检测子线圈（其绕制在附加磁芯上）示意图之二；

图20为本发明的多个交错的立式异物检测线圈之一；

图21为本发明的多个交错的立式异物检测线圈之二；

图22为本发明的多个交错的立式异物检测线圈之三；

图23为本发明的多个交错的立式异物检测线圈之四；

图24为本发明的附加激励线圈和主动激励源的立式异物检测线圈（其异物立式检测线圈通过印刷电路板实现）示意图；

图25为本发明的附加激励线圈和主动激励源的立式异物检测线圈（其异物立式检测线圈绕制在附加磁芯上）示意图；

图26为本发明的检测电路示意图之一；

图27为本发明的检测电路示意图之二；

图28为本发明的检测电路示意图之三；

图29为本发明的检测电路示意图之四；

图30为本发明的检测电路示意图之五；

图31为本发明的检测电路示意图之六；

图32为本发明的磁场变化判断方法示意图之一；

图33为本发明的磁场变化判断方法示意图之二；

图34为本发明的磁场变化判断方法示意图之三；

图35为本发明的磁场变化判断方法示意图之四；

图36为本发明的包含多个检测电路的检测模块示意图之一；

图37为本发明的包含多个检测电路的检测模块示意图之二；

图38为本发明的包含多个检测电路的检测模块示意图之三；

图39为本发明的包含异物检测装置的电动汽车无线充电系统示意图之一；

图40为本发明的包含异物检测装置的电动汽车无线充电系统示意图之二；

图41为本发明的包含异物检测装置的移动电子设备无线充电系统示意图；

图42为本发明的异物检测铺设和检测面积示意图；

图43为本发明的异物检测方法步骤示意图；

图44为本发明的包含异物检测装置的无线充电系统的异物检测步骤示意图；

图中标号说明：

100 发射线圈；101 原边线圈；102 棋盘式检测线圈；103 检测线圈；103a原边侧检测线圈；103b副边侧检测线圈；104 绕制在附加磁芯上的检测（子）线圈；105 印刷电路板制作的检测（子）线圈；105a 印刷电路板制作的检测线圈的顶层线路；105b 印刷电路板制作的检测线圈的底层线路；105c 印刷电路板制作的检测线圈的过孔；106 由反向串联的检测线圈；106a 检测线圈的第一端；106b 检测线圈的第二端；107 交错铺设的检测线圈；107a、107b 检测（子）线圈的接口；108 副边线圈；109a板一；109b 板二；109c 板三；109d板四；200磁力线； 200a远场的磁力线； 200b近场的磁力线； 201垂直方向磁场的磁力线；202水平方向磁场的磁力线； 203异物涡流产生的磁场的磁力线； 204涡流磁场和激励磁场合成磁场的磁力线；301 异物；301a 原边异物； 301b 副边异物； 401 原边磁芯；402 附加磁芯；403 异物检测板；404 印刷电路板； 405 副边磁芯； 406 主动激励线圈； 406a、406b并联的主动激励线圈； 407 主动激励源； 500 检测电路； 501a 检测电路第一端；501b 检测电路第二端；502 模拟开关；503 比较器；504 异物信号；505 滤波器；506 控制器；507阻抗分析器；508模拟乘法器；601 激励电流波形；602 检测信号波形； 603a 检测信号波形的阈值上限；603b 检测信号波形的阈值下限；604 检测信号乘积波形；605a 检测信号乘积波形的阈值上限；605b 检测信号乘积波形的阈值下限；第一模拟量606；第二模拟量607；700a原边发射端；700b副边接收端；701检测模块；701a原边检测模块；701b副边检测模块；702 原边发射装置；702a 原边发射装置壁挂部分；702b 原边发射装置地面部分；703 副边接收装置；704 移动电子设备；801 单个检测线圈的可检测范围；802目标检测范围；P ₁表示第一平面，P ₂表示第二平面。

具体实施方式

针对上述背景技术的提到不足，本发明的主要目的是在于提供一种检测线圈结构及其检测方法。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中，异物检测装置和异物检测方法是基于统一发明构思的，因此装置和方法的各实施可以相互参见，重复之处不再赘述。

需要说明的是，本专利实施例的描述中，“多个”是指两个或两个以上；“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要说明的是，本申请中的描述中使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其它元件或特征“下”的元件将位置检测在其它元件或特征“上”。

需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

需要说明的是，本申请中，发射线圈位于“第一平面”， 检测线圈位于“第二平面”，且第一平面与第二平面“垂直”，“垂直”用于表示最优选择，确切而言， “垂直”指的是完全“垂直”或接近“垂直”；若倾斜，且检测线圈在发射线圈对应的“第一平面”上的投影远小于检测线圈的面积的情况，也视为发射线圈所在“第一平面”和检测线圈所在“第二平面”是“垂直”关系。

需要说明的是，本申请中，发射线圈位于“第一平面”， 检测线圈位于“第二平面”，且第一平面与第二平面“垂直”，其中“第一平面”和“第二平面”具体指发射线圈、检测线圈中线圈绕制所构成的基本平面。如果若发射线圈由多匝线圈组成，每匝线圈所在的基本平面是平行的或重合的，且统一称作“第一平面”；如果若检测线圈由多匝线圈组成，每匝线圈所在的基本平面是平行的或重合的，且统一称作“第二平面”；如果多匝线圈间存在间隙，此间隙部分的连接线只用于连接作用，不限定满足“垂直”关系。

需要说明的是，本申请中，“每个发射线圈配置多个异物检测线圈，且异物检测线圈位于发射线圈周边”，其中“周边”具体指是，检测线圈位于发射线圈的四周，且要覆盖所需要检测的区域，发射线圈具体可以设置在发射线圈的表面或嵌装在发射线圈的匝与匝之间。

检测线圈结构

首先，为了说明本发明的突出贡献和有益效果，下面结合各示例给出具体原理分析：

示例性的，图1（a）示例了一种现有的无线充电系统的异物检测系统，棋盘式检测线圈102绕制平面和激励线圈101平面平行。棋盘式检测线圈102，其配置成用于检测其所包围区域的垂直方向磁场。此检测线圈结构已经在现有技术中应用，用于检测表面的异物301。此检测线圈结构存在错位敏感、空间异物信号弱、检测盲区范围大的缺点。

具体分析如下，异物的尺寸一般情况远小于发射线圈（原边或副边线圈）的长度尺寸，下面分析距离发射线圈高度为h的磁场模型。

单根无穷直导线的磁通密度Z方向分量可以表示为：

其中，常数R为发射线圈单根导线到中心轴的距离，I为激励电流，r为异物距离线圈中心轴的距离，h为异物到发射线圈绕制平面（即第一平面）的距离，μ ₀为真空磁导率。

多根无穷直导线的磁通密度Z方向分量可以表示为：

其中，常数R _i为每根导线到发射线圈中心轴的距离。

由式（1）可知，当r >R，B _z为正，当r <R，B _z为负，当r=R，B _z为零。由式（2）可知，多根导线叠加效果存在同样的规律。因此，在发射线圈的正上方存在B _z为零的区域，这将导致检测线圈所检测的异物涡流磁场的Z方向分量为零，因此利用竖直纵向磁场检测的异物检测方案存在无法检测的“检测盲区”。

为解决上述异物检测线圈的存在的问题，本申请提供了一种立式异物检测线圈结构。下面将对本申请实施例中的实现原理进行说明。

示例性的，图1（b）示例了本发明公开的一种立式异物检测线圈结构，其中，检测线圈103的绕制平面与其发射线圈（本示例为原边线圈101）绕制平面（即第一平面）垂直。区别于现有技术中的检测线圈用于耦合垂直于第一平面的垂直磁场，本发明所述的检测线圈103，主要耦合水平径向磁场。

单根无穷直导线的磁通密度水平径向分量可以表示为：

多根无穷直导线的磁通密度水平径向分量可以表示为：

我们发现：由式（3）可知，无论异物位置r怎么变化，B _r恒大于零，由式（4）可知，多根导线激励下B _r同样恒大于零，且可叠加。因此，此方法所检测的信号不存在为零的情况；由于本发明提出的立式异物检测方案主要检测发射线圈正上方的空间水平磁场，且不存在为零的情况，因此克服了“检测盲区”的问题。

另外，对比式（4）和式（2）可以看出，随着空间异物高度（h）增加，本发明公开的检测线圈结构所检测的磁场相对现有技术所检测的垂直磁场衰减速度较慢，因此，本发明对于空间异物的高度相对不敏感。

发射线圈为螺线管形式时，如图1(c)为例，立式线圈结构同样检测空间水平磁场，原理相似，不再赘述。

以竖直的主磁场方向作为参考，常规的异物检测线圈绕制平面的法向方向与竖直的主磁场方向平行（为了耦合主磁场）。本申请的创新就在于异物检测线圈绕制平面的法向方向与竖直的主磁场方向正交（为了耦合与主磁场正交的磁场）。为了功率传输，无线电力传输装置的主磁场传输方向都是竖直，这是公知。平面铺设异物检测线圈形式，绕组无论按照螺线管还是盘式线圈铺设，主磁场方向仍然是竖直，其异物检测线圈与主磁场正交就是为了耦合主磁场。

图2（b）和图2（a）分别给出了本发明结构的有无异物时的磁场仿真结果，可以从磁力线的密度和磁通密度看出，有异物时径向方向（r-direction）的磁场明显变化，此可以证明本发明提出的结构在异物检测具有突出效果。

为了进一步克服单一维度检测存在的问题，基于以上发现本发明还进一步提出多个维度的立式检测线圈结构。实现二维磁场的各方向磁场分量或合成量信息，或者三维磁场的各方向磁场分量或合成量信息的检测；其中，二维磁场包括：垂直于第一平面的垂直磁场（B _z），平行于第一平面的径向磁场（B _r）；三维磁场包括：垂直于第一平面的垂直磁场（B _z），与垂直磁场正交的两个磁场（B _x和B _y）；

进一步的，本发明还进一步提出多个维度的立式检测线圈结构。利用PCB过孔和上下印刷电路组合形成回路进行磁场检测；或者，利用多个PCB组合检测多维度磁场，其中印刷电路由一个或多个圆弧形状印刷电路组成，且每个印刷电路板相同位置的端口相连接；

根据以上实现原理，基于上述提供的立式异物检测线圈结构，下面将通过本申请提供多个实施方式的描述来实现对异物的检测。需要说明的是，后续所涉及到的异物检测装置部分实施例是以检测线圈103集成在原边发射端700a为例进行描述的实施例，不限于集成在原边发射端700a，相同实施方式集成在副边接收端700b时，原理相同，在此不再赘述。

本发明中，异物检测装置可以采用一个发射线圈，配置一个或多个异物检测线圈。可以采用多个发射线圈，每个发射线圈分别配置一个或多个异物检测线圈。

实施例一：

示例性的，图3（a）示例了一种异物检测线圈结构，发射线圈为水平绕制的盘式线圈，发射线圈100绕制平面为第一平面P ₁，单匝检测线圈103绕制平面为第二平面P ₂，即线圈的绕制平面，第二平面与第一平面垂直。

示例性的，图3（b）示例了一种异物检测线圈结构，发射线圈为垂直绕制的螺线管线圈，发射线圈100绕制平面的正交平面为第一平面P ₁，单匝检测线圈103绕制平面为第二平面P ₂，即线圈的绕制平面，第二平面与第一平面垂直。

实际上，检测线圈将耦合位于检测线圈上方的异物301产生的涡流磁场，导致异物检测线圈的电压信号、异物检测线圈的电流信号中的一项发生变化。

因此，通过检测上述信号中的至少一项，可以用于判断异物是否存在。

实施例二：

示例性的，图4（a）示例了一种异物检测线圈结构，发射线圈为水平绕制的盘式线圈，发射线圈100绕制平面为第一平面，检测线圈103配置成用于检测多维度的磁感应强度；多维度磁场为不重合的至少两个方向的磁场；

示例性的，图4（b）示例了一种异物检测线圈结构，发射线圈为垂直绕制的螺线管线圈，发射线圈100绕制平面为第一平面，检测线圈103配置成用于检测多维度的磁感应强度；多维度磁场为不重合的至少两个方向的磁场；

例如，在发射线圈100为对称的圆形线圈时，磁场关于z轴对称，所有磁场可以分解为B _z和B _r两个维度，检测线圈103倾斜设置，所检测得磁场分解为垂直于第一平面的垂直磁感应强度（B _z），平行于第一平面的径向磁感应强度（B _r）。

在发射线圈100为并非对称得圆形线圈时，磁场必须用B _x和B _y和B _z表示，检测线圈103倾斜设置，所检测得磁场分解为垂直于第一平面的垂直磁感应强度（B _z），与垂直磁场正交的两个磁感应强度（B _x和B _y），可检测三个维度的磁场；

更多维度磁场的检测示例在后面的实施例给出。

实际上，检测线圈将耦合位于检测线圈上方的异物301产生的涡流磁场，导致异物检测线圈的电压信号、异物检测线圈的电流信号中的一项发生变化。

因此，通过检测上述信号中的至少一项，可以用于判断异物是否存在。

针对发射线圈为螺线管形式和发射线圈为盘式两种情况，以上实施了已经示例给出第一平面的确定方法，之后的实施例以无线充电系统中常用的盘式线圈为例，螺线管形式情况同样适用，不再赘述。

实施例三：

示例性的，图5示例了一种异物检测线圈结构，区别于实施例一的是，六个检测线圈103各自与第一平面垂直。实际上，检测线圈将耦合位于检测线圈上方的异物301（例如毛绒玩具内部的金属）产生的涡流磁场，导致异物检测线圈的电压信号、异物检测线圈的电流信号中的一项发生变化。因此，通过检测上述信号中的至少一项，可以用于判断异物是否存在。

实施例四：

示例性的，图6示例了一种异物检测线圈结构，区别于实施例二的是，发射线圈配置了七个异物检测线圈。七个检测线圈103配置成检测不同方向的磁场，每组检测线圈103与发射线圈100呈一个角度，每个检测线圈可检测两个方向维度的激励磁场，多个检测可以实现多个维度激励磁场的检测。实际上，检测线圈将耦合位于检测线圈上方的异物301产生的涡流磁场，导致异物检测线圈的电压信号、异物检测线圈的电流信号中的一项发生变化。因此，通过检测上述信号中的至少一项，可以用于判断异物是否存在。

进一步，在以上完整的实施例基础上，还可以调节检测线圈的不同角度，使得所述异物检测线圈的绕制平面配置成不同位置异物产生的涡流磁场的切向的正交平面，达到最优检测效果。

实施例五：

示例性的，对比了现有技术图7（a）和本发明所述检测线圈结构示例结构图7（b）、图7（c），其中发射线圈100绕制平面为第一平面，

图7（a），示例了一种由现有技术棋盘式的检测线圈组成的检测线圈，其中棋盘式检测线圈102绕制平面与第一平面平行；

图7（b），示例了一种包含与第一平面垂直的检测线圈的检测线圈，其中检测线圈103绕制平面与第一平面垂直；特别要说明的是，检测线圈应接近垂直，垂直为最优选择。

图7（c），示例了一种包括配置成检测多维度磁场检测线圈的检测线圈，其中检测线圈103绕制平面与第一平面倾斜设置；本例中倾角a为45°，倾角a∈(0°,90°)均可；检测线圈配置用于检测多维的激励磁场；多维度磁场B₁和B₂为不重合的至少两个方向的磁场。

实施例六：

示例性的，本发明所述异物检测线圈结构如图8（a）、8（b），其中发射线圈100绕制平面为第一平面P ₁，

图8(a)，示例了一个发射线圈配置两个异物检测线圈。该异物检测线圈配置成检测多维度磁场的结构，其中检测线圈由两个线圈串联而成，一个线圈与第一平面P ₁垂直，配置成检测如图所示B₂的磁场，为了获得更多维度的磁场信号，还包括第二个线圈与第一平面平行，配置成检测如图B₁的磁场；两部分检测线圈分别绕制，并在弯折处串联连接；两个线圈互相垂直设置。

图8（b），示例了一个发射线圈配置一个异物检测线圈。该异物检测线圈配置成检测多维度磁场检测的结构，其中检测线圈103由一个线圈垂直弯折成两部分组成，即该异物检测线圈绕制平面弯折成两个平面，两个平面之间夹角b为90°，b在(0°,180°)范围内可取值，其中一个平面与所述第一平面垂直。一部分与第一平面P ₁垂直，配置成检测如图所示B₂的磁场，为了获得多维度的磁场信号，还包括第二部分与第一平面P ₁平行，配置成检测如图B₁的磁场；区别于图8（c）的两部分检测线圈由统一绕制的线圈垂直弯折形成，弯折处的连接线省略。

实施例七：

示例性的，图8（c）和图8（d）示例了一个发射线圈配置两个异物检测线圈，两个异物检测线圈的检测线圈分别垂直弯折后十字交叉型组合设置，用于检检测多个维度的激励磁场。两个异物检测线圈的检测线圈之间相互并联或串联。

具体设计可采用：两个异物检测线圈采用二维十字交叉型检测线圈，区域结构由四块支撑板组成，四块支撑板相交于同一轴线处形成十字交叉结构，相邻支撑板彼此垂直，设四块支撑板沿顺时针依次记作板一109a、板二109b、板三109c、板四109d，所述轴线称作共轴线；上述板一109a和板二109b上均匀绕有第一螺旋型绕组，板三109c和板四109d上均匀绕有第二螺旋型绕组；上述第一螺旋型绕组和第二螺旋型绕组物理上互不接触，并联供电。其中，板一、板二、板三、板四上的绕组，分别检测不同方向的磁场。

图8（c）示例了一个发射线圈配置两个异物检测线圈，配置成检测多维度磁场检测线圈的异物检测线圈。其中检测线圈103由两部分组成：第一螺旋型绕组和第二螺旋型绕组。第一螺旋型绕组和第二螺旋型绕组，用于检测B₁和B₂的多维度磁场，还包括第二螺旋型绕组，用于检测B₃和B₄的多维度磁场；

图8（d）示例了一个发射线圈配置两个异物检测线圈，配置成检测多维度磁场检测线圈的检测线圈，区别于图8（c）的是检测线圈相对第一平面的位置关系，检测线圈各部分各自与第一平面垂直。

实施例八：

示例性的，图9（a）示例了一种异物检测线圈结构，以原边线圈101和/或副边线圈108作为发射线圈为例，在原边发射端700a内，原边线圈101绕制平面为第一平面P ₁，103a原边侧检测线圈绕制平面与第一平面P ₁垂直。在副边接收端700b内，副边线圈108绕制平面为第一平面P ₁，103b副边侧检测线圈绕制平面与第一平面P ₁垂直。

实施例九：

示例性的，图9（b）示例了一种异物检测线圈结构，以原边线圈101和/或副边线圈108作为发射线圈为例，在原边发射端700a内，原边线圈101绕制平面为第一平面，103a原边侧检测线圈检测不同角度多个维度的磁场。在副边接收端700b内，副边线圈108绕制平面为第一平面，103b副边侧检测线圈检测不同角度多个维度的磁场。

示例性的，图9（c）示例了一种异物检测线圈结构，以原边线圈101和/或副边线圈108作为发射线圈为例，在原边发射端700a内，原边线圈101绕制平面为第一平面，异物检测线圈弯折成两个平面，通过改变两个平面的比例检测不同角度的激励磁场，等效B ₁和B ₂ 矢量合成，103a原边侧检测线圈检测不同角度多个维度的磁场。弯折成两个平面异物检测线圈，两个平面垂直，改变水平（相对于第一平面）部分占比c∈(100%,0%)且垂直（相对于第一平面）部分的占比d∈(0%,100%) 来检测倾角θ∈(0°,90°)的激励磁场。 例如，图9（c）给出了实例，当c为50%且d为50%，检测θ是45°的磁场。

实施例十：

示例性的，一种异物检测线圈检测线圈结构，区别于实施例一至实施例二的是，通过耦合激励磁场的检测线圈换成了磁检测传感器，特别是，磁检测传感器的检测平面（平面的法向为耦合磁场的方向）与第一平面垂直。

实施例十一：

示例性的，一种异物检测线圈结构，区别于实施例三至实施例四的是，通过耦合检测磁场的检测线圈换成了磁检测传感器，特别是，磁检测传感器的检测平面（平面的法向为耦合磁场的方向）配置成检测多维度磁场。

实施例十二：

示例性的，图10和图11示例了一种异物检测线圈采用绕制在附加磁芯上的检测线圈104。图10所示检测线圈包括，多匝垂直于第一平面的检测线圈103和附加磁芯402组成。图11所示检测线圈包括，多匝垂直于第一平面的检测线圈103，多匝平行于第一平面的检测线圈103，和附加磁芯402组成。附加磁芯402可以增加对磁场的约束，进而提高对磁场的检测信号强度。

同样，在副边接收端700b内，副边线圈108绕制平面为第一平面，异物检测线圈弯折成两个平面，通过改变两个平面的比例检测不同角度的激励磁场，等效B ₁和B ₂ 矢量合成，103b副边侧检测线圈检测不同角度多个维度的磁场。所述弯折成两个平面异物检测线圈，两个平面垂直，改变水平（相对于第一平面）部分占比c∈(100%,0%)且垂直（相对于第一平面）部分的占比d∈(0%,100%) 来检测倾角θ∈(0°,90°)的激励磁场。

实施例十三：

进一步的，图12示例了一种异物检测线圈结构，该结构包括多个检测线圈（以绕制在附加磁芯上的检测线圈104为例）和异物检测板403。其中，异物检测板403，为支撑板或印刷电路板，起到对多个检测线圈支撑和联接作用，异物检测板403与发射线圈（以原边线圈101为例）绕制平面平行。

进一步的，图13示例了一种异物检测线圈结构，该结构包括多个检测线圈（以绕制在附加磁芯上的检测线圈104为例）。其中，检测线圈内嵌到发射线圈（以原边线圈101为例）的各匝线圈的间隙中。

实施例十四：

示例性的，图14示例了一种异物检测线圈采用印刷电路板（PCB）作为检测线圈，该异物检测线圈包括，印刷电路板404，印刷电路板制作的检测线圈的顶层线路105a，印刷电路板制作的检测线圈的底层线路105b，印刷电路板制作的检测线圈的过孔105c。印刷电路板404中的顶层线路105a、过孔105c、底层线路105b构成一匝检测线圈，其绕制平面与第一平面垂直或成不同角度，例如图9中所示例的检测线圈形式。进一步，多匝PCB线圈可以通过连接线连接。

实施例十五：

示例性的，图15示例了一种异物检测线圈采用绕制在无线充电系统中的磁芯作为检测线圈，该异物检测线圈包括，一块或多块磁芯（以原边磁芯401为例），和绕制在其表面的检测线圈103。所述检测线圈103，绕制平面垂直于发射线圈（以原边线圈101为例）所在的第一平面。

示例性的，图16示例了一种异物检测线圈采用内嵌在无线充电系统中磁芯缝隙间的检测线圈，该异物检测线圈包括，磁芯（以原边磁芯401为例），和内嵌在其缝隙的检测线圈103。检测线圈103的绕制平面与发射线圈（以原边线圈101为例）所在的第一平面垂直。

实施例十六：

本申请中所述的检测线圈103，可进一步包括多个检测子线圈。其中，检测子线圈端口采用反向串联的形式；

下面将针对通过印刷电路板实现的检测线圈以及绕制在附加磁芯上的检测线圈的情况进行描述。

示例性的，图17示例了一种包含多个反向串联的检测子线圈的异物单元，该异物检测线圈包括，印刷电路板404，多个印刷电路板制作的检测线圈105。所述印刷电路板制作的检测线圈端口反向串联，以第一印刷电路板制作的异物检测子线圈105的第一端作为整体检测线圈的第一端106a为例，所述端口反向串联即为，第一印刷电路板制作的异物检测子线圈105的第二端与第二印刷电路板制作的检测线圈105的第二端电气连接，第二印刷电路板制作的异物检测子线圈105的第一端与第三印刷电路板制作的异物检测子线圈105的第一端电气连接，以此类推，最后一个印刷电路板制作的异物检测子线圈105的悬空的端子作为整体检测线圈的第二端106b。

示例性的，图18示例了一种异物检测线圈采用包含多个反向串联的异物检测子线圈结构形式，该异物检测线圈包括，多个绕制在附加磁芯上的检测子线圈104。所述绕制在附加磁芯上的检测子线圈104端口反向串联，以第一绕制在附加磁芯上的异物检测子线圈104的第一端作为整体检测线圈的第一端106a为例，所述端口反向串联即为，第一绕制在附加磁芯上的异物检测子线圈104的第二端与第二绕制在附加磁芯上的异物检测子线圈104的第二端电气连接，第二绕制在附加磁芯上的异物检测子线圈104的第一端与第三绕制在附加磁芯上的异物检测子线圈104的第一端电气连接，以此类推，最后一个绕制在附加磁芯上的异物检测子线圈104的悬空的端子作为整体检测线圈的第二端106b。

可选的，为了提高检测信号的强度，图19示例了异物检测线圈采用多个检测子线圈，先分组正向串联后，每组的端口再反向串联。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，其他本申请提供的异物检测线实施描述，即绕制在无线充电系统中的磁芯上检测线圈、内嵌在无线充电系统中磁芯缝隙间检测线圈，同样可进一步包括多个异物检测子线圈，且异物检测子线圈端口采用反向串联的形式。为描述的方便和简洁，上述描述的检测线圈和具体异物检测子线圈联接方式，可以参考前述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，其他本申请提供的异物检测线实施描述，即检测线圈检测多维磁场的结构，同样可进一步包括多个异物检测子线圈，且异物检测子线圈端口采用反向串联的形式。为描述的方便和简洁，上述描述的检测线圈和其具体排列形式，可以参考前述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例十七：

异物检测线圈中，检测(子)线圈间的空隙，会出现信号较弱的区域，进而导致出现检测盲区。为解决此问题，本申请中所述的检测（子）线圈或异物检测子线圈，可进一步采用交错排列的形式。

下面将针对异物检测线圈采用印刷电路板实现的检测线圈以及绕制在附加磁芯上的检测线圈的情况进行描述。

示例性的，如图20和图21，示例了针对所在侧线圈为Q型线圈的异物检测（子）线圈交错排列形式；如图22和图23，示例了针对所在侧线圈为DD型线圈的异物检测（子）线圈交错排列形式。其中，图20、图22中异物检测（子）线圈通过印刷电路板实现。所述交错排列形式，首先，根据所在侧线圈产生的时变磁场的磁力线方向设置异物检测（子）线圈的铺设方向，即使得磁场的磁力线穿过异物检测（子）线圈。其次，异物检测（子）线圈的接口107a，107b，设计成交替的错位形式。其中，图21、图23中异物检测（子）线圈绕制在附加磁芯上。所述交错排列形式，首先，根据所在侧线圈产生的时变磁场的磁力线方向设置异物检测（子）线圈的铺设方向，也就是使得磁场的磁力线穿过异物检测（子）线圈。其次，异物检测（子）线圈设计成交替的错位形式。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，其他本申请提供的异物检测线实施描述，即绕制在无线充电系统中的磁芯上检测线圈、内嵌在无线充电系统中磁芯缝隙间检测线圈，同样可进一步采用交错排列形式。为描述的方便和简洁，上述描述的检测线圈和其具体排列形式，可以参考前述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，其他本申请提供的异物检测线实施描述，即异物检测线圈检测多维磁场的结构，同样可进一步采用交错排列形式。为描述的方便和简洁，上述描述的异物检测线圈和其具体排列形式，可以参考前述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

异物检测方法

示例性的，图9（a）示例了无线充电系统非接触变压器（侧视图），该无线充电系统非接触变压器包括原边发射端700a，副边接收端700b。其中，原边发射端700a包括原边磁芯401，和原边线圈101，进一步的，还包括原边侧检测线圈103a，该检测线圈103a绕制平面与原边线圈101绕制平面垂直；副边接收端700b包括副边磁芯405，和副边线圈108，进一步的，还包括副边侧检测线圈103b，该检测线圈103b的绕制平面与副边线圈108绕制平面垂直。

其中，当原边线圈101通入时变电流时，原边侧检测线圈103a，检测平行于其所在侧原边线圈101绕制平面的磁场，水平方向磁场的磁力线202穿过原边侧检测线圈103a。当异物301靠近原边线圈101时，异物301由于涡流产生异物磁场，异物涡流产生的磁场的磁力线203穿过原边侧检测线圈103a，根据电磁感应定律，原边侧检测线圈103a的端口电压，

公式(5)中，v(t)表示检测线圈的端口感应电压，e(t)表示感应电动势，N表示检测线圈的匝数，

表示单匝线圈穿过的磁通量，A表示单匝线圈所围的面积，B表示穿过其中的磁通密度，其中磁通量

等于磁通密度B乘以面积A。

两种情况下，检测线圈103a的端口电压的变化量

公式(6)中， v ₁ (t)、v ₂ (t)分别表示没有异物和有异物时的端口感应电压，B ₁ 、B ₂ 分别表示没有异物和有异物时的磁通密度，B _FO 表示异物涡流磁场在通过检测线圈的磁通密度。其中，B _FO 随异物和检测线圈的相对位置变化而变化，因此，根据端口电压的相角和幅值是否发生变化来辨识异物。对于检测线圈103集成在副边接收端700b的情况，原理相同，可以参考前述对应分析过程，在此不再赘述。

相比远场，近场的水平方向磁场分量是其主要部分，异物涡流产生相反的异物磁场中水平方向分量是其主要部分。因此，利用上述提供的的检测线圈103检测水平方向磁场分量的变化，可实现对异物的精准辨识。

进一步，通过多维度检测线圈可以通过检测线圈103检测多个维度的磁场分量的变化，同样可实现对异物的精准辨识。

检测时，只要有一个发射线圈与其配置的一路异物检测线圈输出的检测信号判定为有异物，则判定为有异物。

根据此实现原理，基于上述提供的异物检测线圈结构和提供的异物检测方法，下面将通过本申请提供多个实施方式的描述来实现对异物的检测。需要说明的是，本实施例后续所涉及到的异物检测装置以检测线圈103集成在原边发射端700a为例进行描述，但不限于集成在原边发射端700a，相同实施方式集成在副边接收端700b时，原理相同，在此不再赘述。

实施例十八：

本申请公开的异物检测方法的第一步是实施，即激励电流通入发射线圈产生时变磁场；发射线圈可为原边线圈、副边线圈，也可通过附加独立铺设的主动激励线圈和主动激励设备产生时变磁场；下面将通过附加独立铺设的主动激励线圈406和主动激励源407获得高频激励磁场的情况进行描述。

示例性的，图24示例了附加主动激励线圈406和主动激励源407的异物检测线圈，其异物检测线圈通过印刷电路板实现。其中，主动激励线圈406，采用单匝或多匝形式，或采用串联或并联形式，主动激励源407与主动激励线圈406联接，并注入高频时变的电流。

示例性的，图25示例了附加主动激励线圈406和主动激励源407的异物检测线圈，其检测线圈绕制在附加磁芯上。其中，主动激励线圈406，采用单匝或多匝形式，或采用串联或并联形式，主动激励源407与主动激励线圈406联接，并注入高频时变的电流。

进一步的，并联的主动激励线圈406a、406b，可以减小主动激励线圈与功率线圈的耦合，降低功率传输时主动激励线圈上的由主功率磁场产生的感应电压。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，其他本申请提供的异物检测线实施描述，即绕制在无线充电系统中的磁芯上检测线圈、内嵌在无线充电系统中磁芯缝隙间检测线圈，同样可进一步附加主动激励线圈406和主动激励源407。为描述的方便和简洁，上述描述的附加主动激励线圈406、主动激励源407和其联接形式，可以参考前述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

本申请公开的异物检测方法的第二步是检测，即检测检测线圈所耦合磁场。所述耦合磁场强度检测方法，通过检测电路检测检测线圈的端口电压/电流信号，和/或检测线圈的端口电压/电流信号和激励电流的相位差获得。

示例性的，图26-31示例了几种异物检测线圈。该异物检测线圈包括检测线圈（以绕制在附加磁芯上的异物检测（子）线圈104为例），以及检测电路500。

其中，所述检测电路500的功能是直接或经过匹配电路后，获得检测线圈耦合水平方向或多个维度的磁场而产生的电信号。具体的电路拓扑如图26-31所示，需要说明检测电路不仅仅限制于所示例的这几种拓扑。

其中，图26示例的异物检测线圈，结构最为简单，直接以检测线圈的端口电压作为电压信号。图27-29示例的异物检测线圈，采用串并联补偿电容的方法，可以提高电压信号的强度。图30-31示例的异物检测线圈，通过电感电容补偿方式。

本申请公开的异物检测方法的第三步，是判断，即当检测线圈所耦合的检测信号变化，且超过阈值，判断出现异物，若没有超过阈值，判断无异物；所述判断方法，通过比较检测线圈的端口电压/电流信号与电压阈值/电流阈值，若超过阈值，判断出现异物，若没有超过阈值，判断无异物；通过比较检测线圈的端口的电压/电流信号和激励电流的相位差与相位差阈值，若超过阈值，判断出现异物，若没有超过阈值，判断无异物；通过比较检测线圈的端口的电压电流比值或阻抗值，若超过阈值，判断出现异物，若没有超过阈值，判断无异物；

定义检测线圈的端口电压/电流信号为

，定义激励电流信号为i ₁，定义电压阈值/电流阈值为

，定义在无异物时的检测线圈的端口电压/电流信号为

。

示例性的，图32示例了异物检测判断方法，该方法通过比较检测线圈的端口的电压/电流信号和激励电流的相位差

与相位差阈值

。激励电流波形601 ，检测信号波形602。当无异物时，此时的相位差

定义为基准相位差

。若相位差大于上限（

），或小于下限（

）判断出现异物。

示例性的，图33示例了异物检测判断方法，该方法通过比较

与

。检测信号波形的阈值上限603a ，检测信号波形的阈值下限603b ；当无异物时，此时的端口电压/电流信号

为

。若

信号大于上限（

），或小于下限（

）判断出现异物。

进一步的，通过检测两路检测线圈的端口的电压信号之间或两路检测线圈的端口的电流信号之间的相角，比较相角与相角阈值，若超过阈值，判断出现异物，若没有超过阈值，判断无异物。

示例性的，图34示例了异物检测判断方法，该方法通过比较两路检测线圈的端口的电压信号之间或两路检测线圈的端口的电流信号之间的相角

与相角阈值

。第一路检测信号波形602a，第二路检测信号波形602b；当无异物时，此时的相角

定义为基准相角

。若相角

大于上限（

），或小于下限（

）判断出现异物。进一步的，通过模拟乘法器，得到两路信号的实时模拟量乘积，比较此信号乘积与乘积阈值，若超过阈值，判断出现异物，若没有超过阈值，判断无异物。

示例性的，图35示例了异物检测判断方法，检测信号乘积波形604 ， 检测信号乘积波形的阈值上限605a，检测信号乘积波形的阈值下限605b。该方法通过比较第一模拟量606（例如一路检测线圈的端口电压602）和第二模拟量607(例如激励信号601)的实时模拟量乘积与乘积阈值。第一模拟量606和第二模拟量607之间的相对相位变化和幅值变化，都会改变模拟量乘积的幅值。根据此原理，当无异物时，定义此时的模拟量乘积定义为基准模拟量乘积为

。若模拟量乘积大于上限（

），或小于下限（

）判断出现异物。

以上仅为示例性的检测方式和判断方式，需要说明检测方式和判断方式不仅仅限制于所示例的这几种方式。

实施例十九：

示例性的，图36示例了一种异物检测装置采用检测模块701，该检测模块包含多个检测电路500，还包括模拟开关502、比较器503、滤波器505和控制器506。利用模拟开关502选通，使得不同的检测线圈与比较器503联接，利用比较器503，比较检测电路500的端口电压信号与基准信号，若端口电压信号大于基准信号，异物信号504为高电平。

进一步的，所述异物信号504，通过信号线联接所在侧（原边发射/副边接收）装置，高电平代表存在异物。或通过无线通信方式发送给另一侧设备。

进一步的，所述异物信号504，通过信号线联接所在侧（原边发射/副边接收）装置，高电平代表存在异物。或通过无线通信方式发送给另一侧设备。

实施例二十一：

示例性的，图37示例了一种异物检测装置采用检测模块701，该检测模块包含多个检测电路500，还包括模拟开关502、滤波器505、控制器506、阻抗分析器507。利用模拟开关502选通，使得不同的异物检测线圈的电压和电流信号与两路滤波器505联接，利用阻抗分析器507，由电压电流信号得到端口阻抗信息，若端口阻抗超过阈值，则异物信号504为高电平。

实施例二十二：

示例性的，图38示例了一种异物检测采用检测模块701，该检测模块包含多个检测电路500，还包括模拟开关502、滤波器505、控制器506、模拟乘法器508。利用模拟开关502选通，使得不同的检测线圈的电压信号与模拟乘法器508，并与另一路基准信号通过模拟乘法器508进行模拟量乘法运算。其中基准信号可为发射线圈激励信号、充电系统驱动信号、或另一路检测信号。若模拟量乘积超过阈值，则异物信号504为高电平。

具有异物检测功能的无线充电系统

下面将提供一种无线充电系统实施方式。需要说明的是，后续所涉及到的异物检测装置包括任意但不限于本申请前述图2至图38中描述的异物检测装置。

实施例二十三：

示例性的，图39示例了一种无线充电系统，该无线充电系统包括原边发射装置（包括原边发射装置壁挂部分702b和原边发射装置地面部分702a），原边磁芯401，原边线圈101，印刷电路板制作的检测线圈105，原边检测模块701a。

所述无线充电系统在线功率传输过程中，当原边异物301a靠近原边线圈时，原边检测模块701a检测到磁场发生变化且超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。

所述无线充电系统在线功率传输过程中，当副边异物301b靠近副边线圈时，副边检测模块701b检测到磁场发生变化且超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。

实施例二十四：

示例性的，图40示例了一种无线充电系统，该无线充电系统包括原边发射装置，原边磁芯401，原边线圈101，绕制在附加磁芯上的检测线圈104，原边检测模块701a，副边线圈108，副边磁芯405，副边接收装置703，和副边检测模块701b。其中原边发射装置，包括原边发射装置壁挂部分702b和原边发射装置地面部分702a。

所述无线充电系统在线功率传输过程中，当原边异物301a靠近原边线圈时，原边检测模块701a检测到磁场发生变化且超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。

所述无线充电系统在线功率传输过程中，当副边异物301b靠近副边线圈时，副边检测模块701b检测到磁场发生变化且超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。

实施例二十五：

示例性的，图41示例了一种移动电子装置的无线充电系统，该无线充电系统包括原边发射装置702，原边磁芯401，原边线圈101，绕制在附加磁芯上的检测线圈104，检测模块701，副边线圈108，副边磁芯405，副边接收装置703。

所述无线充电系统在线功率传输过程中，当异物301靠近原边线圈时，原边检测模块701检测到磁场发生变化且超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。

实施例二十六：

示例性的，图42示例了无线充电系统目标区域与检测线圈排布方式，其中，单个绕制在附加磁芯上的检测线圈104的可检测范围801，如图42所示。为了覆盖所有的目标检测区域802，多个绕制在附加磁芯上的检测线圈104配成其可检测范围的总面积至少要覆盖目标检测区域802，如图42所示。

以上仅为示例性的操作方式，还可能存在的其他操作方式不在此一一列举。

以通过检测检测线圈端口电压辨识为例，如图43所示为该异物检测方法步骤示意图：

步骤S100、开始；

步骤S101、原边线圈通入时变电流；

步骤S102、检测线圈感应水平或多个维度方向磁场，监测端口电压；

步骤S103、通过比较和信号上限和信号下限判断是否存在异物，若是，则执行步骤S104，若否，则执行步骤S102；

步骤S104、输出检测到异物信息；

步骤S105、结束。

以通过检测检测线圈端口电压辨识的无线充电系统为例，如图44所示为该无线充电系统异物检测方法步骤示意图：

步骤S200、开始；

步骤S201、开始功率传输，原边线圈和副边线圈产生时变电流；

步骤S202、检测线圈感应磁场，监测（原边检测线圈）端口电压

和（副边检测线圈）端口电压

；

步骤S203、通过比较

和信号上限和信号下限判断是否存在异物，若是，则执行步骤S204，若否，则执行步骤S202；

步骤S204、发送停止功率传输消息或警告信息；

步骤S205、原边发射装置或副边接收装置停止功率传输；

步骤S206、结束。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.无线充电异物检测装置，包括至少一个发射线圈，每个发射线圈配置多个异物检测线圈，多个异物检测线圈布置于发射线圈周边且覆盖检测区域；每个发射线圈用于产生激励磁场；每个异物检测线圈，用于产生检测信号；其特征在于：

所述发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或副边线圈，或独立铺设的线圈；发射线圈采用水平绕制的盘式线圈或垂直绕制的螺线管线圈；

发射线圈为水平绕制的盘式线圈时，发射线圈绕制平面为第一平面；发射线圈为垂直绕制的螺线管线圈时，发射线圈绕制平面的正交平面为第一平面；

配置的每个检测线圈用于检测一个维度或多个维度的激励磁场；

检测一个维度激励磁场时，该异物检测线圈绕制平面与所述第一平面垂直；

检测多个维度激励磁场时，该异物检测线圈绕制平面相对所述第一平面倾斜设置，倾角a∈(0°,90°)；或者，该异物检测线圈绕制平面弯折成两个平面，两个平面之间夹角b∈(0°,180°)，且其中一个平面与所述第一平面垂直；

该装置以异物检测线圈感应的电压信号或电流信号作为判断异物的检测信号，判断是否有异物。

2.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于配置有多个异物检测线圈，每个异物检测线圈的绕制平面配置成其正上方的异物产生涡流磁场切向的正交平面。

3.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于所述弯折成两个平面异物检测线圈，两个平面垂直，相对于第一平面改变水平部分占比c∈(100%,0%)且垂直部分的占比d∈(0%,100%) 来检测倾角θ∈(0°,90°)的激励磁场。

4.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述异物检测线圈绕制在磁芯上。

5.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述异物检测线圈采用印刷电路板结构，该印刷电路板上设有第一过孔和第二过孔，该印刷电路板的上层设有第一层印刷电路，下层设有第二层印刷电路；其中，第一过孔与第一层印刷电路的第一端和第二层印刷电路的第一端相连，第二过孔与第一层印刷电路的第二端和第二层印刷电路的第二端相连，形成一匝检测线圈。

6.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，每个发射线圈至少配置两个异物检测线圈，每异物检测线圈绕制平面弯折成两个平面，多个异物检测线圈相组合，用于检测多个维度的激励磁场；多个异物检测线圈之间相互并联或串联。

7.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，包括多个发射线圈，每个发射线圈配置一个或多个异物检测线圈；每个发射线圈配置多个异物检测线圈时，多个异物检测线圈之间相互并联或串联。

8.一种用于无线充电异物检测的方法，基于权利要求1-7任一项所述无线充电异物检测装置，通过以下方式判断异物：

1）每个发射线圈与其配置的每路异物检测线圈之间至少输出一路检测信号；

2）检测一路或多路检测信号，比较检测信号与预存的无异物时检测信号是/否超过阈值，判断存在/不存在异物；只要一路检测信号判断存在异物，则判定存在异物；

或者，检测一路或多路检测信号的模拟量和基准信号的模拟量的乘积，并比较该乘积是/否等于无异物时对应检测信号模拟量乘积，从而判断存在/不存在异物；只要一路检测信号判断存在异物，则判定存在异物；

或者，检测两路检测信号之间的相角，并比较检测得到的相角与预存的无异物时对应相角是/否超过阈值，从而判断存在/不存在异物；

或者，检测两路检测信号有效值的比值，并比较该有效值的比值是/否等于无异物时对应有效值的比值，从而判断存在/不存在异物。

9.一种无线充电系统，包括权利要求1-7任一项所述的异物检测装置、控制单元、原边线圈、副边线圈，原边发射装置和副边接收装置，其中异物检测装置的发射线圈复用原边线圈和/或副边线圈，或另外配置的线圈；

所述异物检测装置，用于检测原边线圈和副边线圈之间是否有异物，并发出检测信号；

所述原边发射装置与原边线圈相连，通过产生交变磁场发射能量；

所述副边接收装置与副边线圈相连，通过耦合交变磁场接收能量；

所述控制单元，根据检测信号控制无线充电。

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