CN113696753B - 用于电动汽车无线充电的异物检测系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统及其控制方法，系统包括在待检测区域内均匀分布的多个检测线圈，多个检测线圈在待检测区域内按照一一对称方式分布，且每个检测线圈按照双层线圈结构绕制，下层线圈的磁场分布用于补充上层线圈磁场分布的盲区，在每个检测线圈前端连接有高频激励电源，多个检测线圈的后端通过通道开关选择性地连通至信号提取电路中，信号提取电路与处理器连接，在处理器上还设置有异物提示模块。其效果是：检测线圈采用双层结构，在一定程度上减弱单层线圈的盲区；针对外界是否存在强磁场，采用不同的判别逻辑，提升了准确度，同时电路设计采用多通道选通控制方式，简化电路结构，扩展了检测区域面积。

Description

用于电动汽车无线充电的异物检测系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统及其控制方法。

背景技术

电动汽车在充电时耦合机构之间存在高频交变磁场，如果生物体进入其充电区域，容易对健康带来一定程度的损伤，如果是金属异物进入其中，则又会影响系统充电效率，甚至因为涡流效应等因素发热导致系统安全隐患，因此无线充电系统中的异物检测技术就必不可少了。

现有的异物检测技术中，检测方式包含温度及重力传感器检测，摄像头检测，功率传递过程中的参数检测，以及基于检测线圈的异物检测技术等。其中基于检测线圈的异物检测技术成本低，可塑性强，因而被广泛采用。而基于测线圈的异物检测技术的突破点主要与检测线圈结构、信号处理电路以及信号处理逻辑相关。各种信号处理电路的精度相差不大，常见的线圈结构的样式多为对称结构，对称结构的检测线圈用于无源式异物检测时，多利用其在功率磁场中产生的感应电压来实现异物检测，检测准确性受限于功率磁场特性；而在有源式异物检测时，是利用激励加载到检测线圈上，通过识别检测线圈的参数来判断异物的信息，因此对检测线圈的要求就不仅仅局限于对称结构的形式。且在有源式的检测当中多采用非对称的检测线圈，但常用的矩形或者圆形线圈在线圈外围仍然存在一定的盲区，这使得检测线圈的结构成为了基于检测线圈的异物检测技术提升准确度的突破点；同样地，由于电动汽车无线充电系统上电前后有无强磁场的干扰，也会对检测系统的准确率造成一定的影响，因而改变信号处理逻辑在一定程度上也可以提升检测的准确度，并减少误判。

发明内容

鉴于上述缺陷，本发明首先提供一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统，主要解决现有线圈检测盲区大，准确性低，且容易受外界强磁场干扰的问题，具体技术方案如下：

一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统，其关键在于：包括在待检测区域内均匀分布的多个检测线圈，所述多个检测线圈在所述待检测区域内按照一一对称方式分布，且每个检测线圈按照双层线圈结构绕制，下层线圈的磁场分布用于补充上层线圈磁场分布的盲区，在每个检测线圈前端连接有高频激励电源，多个检测线圈的后端通过通道开关选择性地连通至信号提取电路中，所述信号提取电路与处理器连接，在所述处理器上还设置有异物提示模块。

可选地，所述多个检测线圈按照m×n阵列形式分布，其中m和n为正整数，且至少一个为偶数。

可选地，所述检测线圈呈矩形线圈结构绕制。

可选地，所述检测线圈呈圆形线圈结构绕制。

可选地，所述信号提取电路包括调谐电容C1和采样电阻R1，调谐电容C1的前端接收所述通道开关输出的一路检测线圈信号，调谐电容C1的后端串接采样电阻R1后接地，在所述采样电阻R1的采样端同时连接有第一采样通道和第二采样通道，所述第一采样通道包括第一电压跟随器、高通滤波电容C2和高频采样电阻R2；所述第二采样通道包括第二电压跟随器、串联电阻R3、电感L2和谐振电容C3；其中电感L2和谐振电容C3构成并联谐振滤波电路，且在所述谐振电容C3上获得低频采样信号。

可选地，多个检测线圈设置在同一水平面板上，且位于电动汽车无线充电能量发射线圈的上方。

可选地，电动汽车无线充电能量发射线圈预埋在地面下方，分布有多个检测线圈的水平面板位于地面上。

基于上述检测系统，本发明还提供了一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统的控制方法，按照以下步骤进行：

S1：处理器控制通道开关轮询选择一个检测线圈进行信号提取，并判断是否存在强磁场信号，如果不存在强磁场信号时，按照步骤S2执行；如果存在强磁场信号时，按照步骤S3执行；

S2：将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号，不存在异物时则返回步骤S1判断下一个检测线圈所处的区域；

S3：选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号，不存在异物时则返回步骤S1判断下一个检测线圈所处的区域。

可选地，步骤S2中包括：

S21：将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号分别采集多个数据点并计算各自的平均值；

S22：判断两个平均值的差值是否大于预设范围；如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，则发出警告信号；

步骤S3中包括：

S31：选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号分别采集多个数据点，并提取特征数据；

S32：判断两个特征数据的差值是否大于预设范围，如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，进入步骤S33；

S33：再次将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号分别采集多个数据点，并提取特征数据；

S34：判断两个特征数据的差值是否大于预设范围，如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，则发出警告信号。

可选地，当信号提取电路中设置有第一采样通道和第二采样通道时，步骤S1中利用第二采样通道所采集的电信号进行是否存在强磁场信号的判断；步骤S2和步骤S3中利用第一采样通道所采集的电信号进行是否存在异物的判断。

本发明的显著效果是：

(1)检测线圈采用双层结构，具有增强同等尺寸的单层线圈周围的磁场效果，在一定程度上减弱单层线圈的盲区；

(2)针对外界是否存在强磁场，采用不同的判别逻辑，在不存在外界磁场时，利用简单的判别逻辑，对采集到的信号经过简单处理(如取算数平均值)，即可作为异物存在与否的判断；而当外界磁场环境存在时，则可以对采集到的数据做更细致的处理，如取四分位算法提取特征值，并可以通过多次对比(这里判断2次)，从而判断异物是否存在，提升异物检测系统的整体准确度。

(3)系统电路设计采用多通道选通控制方式，通过轮询利用单个处理器实现多个检测线圈所处位置的异物检测，简化了电路结构，扩展了检测区域面积，更好的适应电动汽车无线充电应用需求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是用于电动汽车无线充电的异物检测系统的结构布局图；

图2是本发明具体实施例的系统电路原理框图；

图3是本发明具体实施例中检测线圈的平面布局图；

图4是本发明具体实施例中检测线圈的一种实施结构示意图；

图5是本发明具体实施例中检测线圈的另一种实施结构示意图；

图6是本发明双层检测线圈与单层检测线圈的磁场分布对比效果图；

图7是本发明具体实施例中信号提取电路的电路原理图；

图8是本发明的控制流程图。

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。

如图1、图2、图3所示，一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统，包括在待检测区域内均匀分布的多个检测线圈，所述多个检测线圈在所述待检测区域内按照一一对称方式分布，且每个检测线圈按照双层线圈结构绕制，下层线圈的磁场分布用于补充上层线圈磁场分布的盲区，在每个检测线圈前端连接有高频激励电源，多个检测线圈的后端通过通道开关选择性地连通至信号提取电路中，所述信号提取电路与处理器连接，在所述处理器上还设置有异物提示模块。

具体实施时，从图1可以看出，原边的能量发射线圈多置于地面以下，副边的接收线圈多处于汽车底部，检测线圈位于同一水平面板上且位于电动汽车无线充电能量发射线圈的上方，可以设置于地表，也可以设置在地表以下，图3所示的实施例中检测线圈设置有30个，并按照6×5阵列形式分布，检测线圈的尺寸为10*10cm，从而可以实现60*50cm区域内的异物检测。需要说明的是，图3中可以具体表现为左右对称位置，也可以按其它的分布方式，只要确保每个检测线圈对应存在一个与其对称的检测线圈作为参考线圈即可。

结合图4和图5可以看出，具体实施时，检测线圈可以呈矩形线圈结构绕制，也可以呈圆形线圈结构绕制，其中第一层线圈在需要分布的区域按平面均匀分布绕制，第二层线圈在第一层线圈下方仅靠近第一层线圈外围的几圈线圈分布，避免第二层线圈满铺时产生磁场造成磁场中心聚集效应，使其更多的叠加在单层线圈盲区所在位置，使得单层线圈常见的盲区得到减小，并且由于电感的提升所带来的线圈整体磁场的加强会进一步减小线圈整体的盲区，提升检测精度。

为了进一步验证双层线圈的磁场补充效果，下面分别对圆形线圈结构单层线圈和双层线圈的磁场分布进行了仿真对比，结果如图6所示；

其中图6(a)为单层线圈的磁场分布俯视图，图6(b)为单层线圈的磁场分布侧视图，图6(c)为双层线圈的磁场分布俯视图，图6(d)为双层线圈的磁场分布侧视图；从各个侧视图对比可以看到，双层线圈的结构磁场分布不再像单层线圈一样向中间聚拢，相反的在单层线圈磁场分布较弱的地方磁场得到加强，本次仿真为线圈的外围，且不会存在明显的盲区。而从俯视图中可以看到整体而言，双层线圈的磁场也会更加密集，为了进一步体现了双层线圈的优点。

此外，还通过设计实验得出了在comsol建模下的不同线圈阻抗参数在加入异物前后数据变化，具体数据如表1所示：

表1双层线圈与单层线圈在有无异物时参数变化表

从表1可知。可以看到双层结构的线圈实部、虚部及阻抗变化率相对于单层线圈，增加近了2倍，效果提升比较明显。

此外，为了减少外界强磁场对异物检测判定的影响，在检测信号处理上实现不同的处理逻辑，通过图7可以看出，所述信号提取电路包括调谐电容C1和采样电阻R1，调谐电容C1的前端接收所述通道开关输出的一路检测线圈信号，调谐电容C1的后端串接采样电阻R1后接地，在所述采样电阻R1的采样端同时连接有第一采样通道和第二采样通道，所述第一采样通道包括第一电压跟随器、高通滤波电容C2和高频采样电阻R2；所述第二采样通道包括第二电压跟随器、串联电阻R3、电感L2和谐振电容C3；其中电感L2和谐振电容C3构成并联谐振滤波电路，且在所述谐振电容C3上获得低频采样信号。

具体实施时，通常在检测线圈上添加激励为MHZ级频率，这里假设取为4MHZ的高频激励信号，而常见的磁场频率为85KHz，为了能够在一个器件上同时取得高频激励信号以及磁场频率信号，并保证在对电压信号进行处理时能够有共同的地，因此都从采样电阻R1上取信号，并经过两个滤波通道分别提取4MHZ以及85KHZ频率的信号。

通过图7可以看出，高频激励信号经过线圈L1和调谐电容C1过后会在电阻R1上产生4MHz信号的分压；同时当存在强磁场时，会在线圈L1上同样的感应到85K频率的信号，而在电阻R1上也会分压到对应的磁场频率信号。经过G1和G2两路电压跟随器，可以分别提取出4M频率的信号和85K频率的信号，其中G1是高频提取电路，G2是低频提取电路，这里需要说明的是，电路仅仅描述了对高频和低频分离的电路，具体的磁场和异物判别信息电路并未描述。其中磁场的判别可以根据电容C3上是否存在一定的电压值来判断；而异物是否存在则是依据磁场存在与否选择对应的判别逻辑，其中磁场不存在时，利用电阻R2上的电压和激励电压进行对比，来判断异物是否存在；而当磁场存在时，则需要与另一个与本线圈对称的线圈上提取4MHZ信号进行对比，从而判断异物存在与否。当然地，也可以通过改变信号提取电路的具体结构，比如根据应用场景调整两个滤波通道的滤波频率，改变电路的实现方式以及改变信号提取的特征值等，均可以实现上述目的。

基于上述系统设计，本实施例还提供了一种用于电动汽车无线充电的异物检测系统的控制方法，如图8所示，具体按照以下步骤进行：

S1：处理器控制通道开关轮询选择一个检测线圈进行信号提取，并判断是否存在强磁场信号，如果不存在强磁场信号时，按照步骤S2执行；如果存在强磁场信号时，按照步骤S3执行；

S2：将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号，不存在异物时则返回步骤S1判断下一个检测线圈所处的区域；

S3：选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号，不存在异物时则返回步骤S1判断下一个检测线圈所处的区域。

具体实施时，步骤S2中包括：

S21：将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号分别采集多个数据点并计算各自的平均值；

S22：判断两个平均值的差值是否大于预设范围；如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，则发出警告信号；

步骤S3中包括：

S31：选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号分别采集多个数据点，并提取特征数据；

S32：判断两个特征数据的差值是否大于预设范围，如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，进入步骤S33；

S33：再次将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号分别采集多个数据点，并提取特征数据；

S34：判断两个特征数据的差值是否大于预设范围，如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，则发出警告信号。

而且，当信号提取电路中设置有第一采样通道和第二采样通道时，步骤S1中利用第二采样通道所采集的电信号进行是否存在强磁场信号的判断；步骤S2和步骤S3中利用第一采样通道所采集的电信号进行是否存在异物的判断。

通过图8可以看出，基于上述控制逻辑，当检测线圈周围不存在高频磁场时，可以采用已经过检测线圈后采集到的包含异物信息的电信号与不曾经过检测线圈的激励信号进行幅值或者是相位的对比，从而判定异物是否存在。而当高频强磁场存在时，则可以利用线圈组在强磁场环境的空间分布对称性，选取2个对称位置上的两个检测线圈，每一个检测线圈采集10个数据(包含幅值相位的信息)，一共20个数据，利用特征提取算法提取一个特征值设为x11；重复上述步骤，提取第二个特征值x12，并对比两个特征值的差值，如果差值小于某个定值b2，认为不存在异物，而当差值大于定值b2，考虑到强磁场环境的特殊性，这里会再一次进行以上的判别步骤，当且仅当两次判别结果都为异物存在时认为存在异物。从而可以避免因为不同功率磁场时造成的信号特征值不稳定，以及在上电过程中由于功率变化等造成的采集的数值发生了缓慢变化而需要不断的更新特征值的问题。

可以理解，有无磁场时异物判别逻辑会有不同，因为在无磁场时，系统基本不受到外界环境干扰，因而只需要对采集到的数据进行对比，并判断差值是否在允许范围内，即可判读异物是否存在；而当外界存在强磁场环境时，不仅仅会对检测到的数据产生影响，同时还会对不同位置的线圈造成不同的影响，因此这里选择对称的线圈以尽量消除磁场不同带来的影响。同时，由于在上电初期，采集到的数据会有一个缓慢且持续的变化，因此即便在第一次比较对称位置的两个线圈的特征值相差较大时，还需要再做一次对比，当两次特征值的差都超过阈值时，才进行报警操作，确保检查结果的准确性。这里需要说明的是，对于阈值的选择，可以根据大量的关于有无磁场环境下异物存在前后特征值的变化来确定的，因此这里不加更多的赘述。

综上可以看出，本发明提供的用于电动汽车无线充电的异物检测系统及其控制方法，由于第二层线圈对单层线圈的磁场加强作用，线圈可以置于封闭的保护壳内，或者埋于地下等，而对于类似于电动汽车无线充电这种检测区域较大的条件，可以利用多个双层的线圈拼接成线圈组的形式，从而完成对较大区域的异物检测，通过检测线圈的结构设计和检测逻辑的改进，能够有效确保异物检测的准确性。

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 (6)

1.用于电动汽车无线充电的异物检测系统，其特征在于：包括在待检测区域内均匀分布的多个检测线圈，所述多个检测线圈在所述待检测区域内按照一一对称方式分布，且每个检测线圈按照双层线圈结构绕制，下层线圈的磁场分布用于补充上层线圈磁场分布的盲区，第一层线圈在需要分布的区域按平面均匀分布绕制，第二层线圈在第一层线圈下方仅靠近第一层线圈外围的几圈线圈分布，在每个检测线圈前端连接有高频激励电源，多个检测线圈的后端通过通道开关选择性地连通至信号提取电路中，所述信号提取电路与处理器连接，在所述处理器上还设置有异物提示模块；

多个检测线圈设置在同一水平面板上，且位于电动汽车无线充电能量发射线圈的上方；

所述信号提取电路包括调谐电容C1和采样电阻R1，调谐电容C1的前端接收所述通道开关输出的一路检测线圈信号，调谐电容C1的后端串接采样电阻R1后接地，在所述采样电阻R1的采样端同时连接有第一采样通道和第二采样通道，所述第一采样通道包括第一电压跟随器、高通滤波电容C2和高频采样电阻R2；所述第二采样通道包括第二电压跟随器、串联电阻R3、电感L2和谐振电容C3；其中电感L2和谐振电容C3构成并联谐振滤波电路，且在所述谐振电容C3上获得低频采样信号；

利用第二采样通道所采集的电信号进行是否存在强磁场信号的判断；利用第一采样通道所采集的电信号进行是否存在异物的判断；

强磁场信号的判别根据电容C3上是否存在一定的电压值来判断；而异物是否存在则是依据磁场存在与否选择对应的判别逻辑：

如果不存在强磁场信号，将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号；如果存在强磁场信号，选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的异物检测系统，其特征在于：所述多个检测线圈按照m×n阵列形式分布，其中m和n为正整数，且m和n至少一个为偶数。

3.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车无线充电的异物检测系统，其特征在于：所述检测线圈呈矩形线圈结构绕制。

4.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车无线充电的异物检测系统，其特征在于：所述检测线圈呈圆形线圈结构绕制。

5.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的异物检测系统，其特征在于：电动汽车无线充电能量发射线圈预埋在地面下方，分布有多个检测线圈的水平面板位于地面上。

6.一种如权利要求1-5任一所述的用于电动汽车无线充电的异物检测系统的控制方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

S1：处理器控制通道开关轮询选择一个检测线圈进行信号提取，并判断是否存在强磁场信号，如果不存在强磁场信号时，按照步骤S2执行；如果存在强磁场信号时，按照步骤S3执行；

S2：将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号，不存在异物时则返回步骤S1判断下一个检测线圈所处的区域；

S3：选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号进行对比分析确定是否存在异物，存在异物时则发出警告信号，不存在异物时则返回步骤S1判断下一个检测线圈所处的区域；

步骤S2中包括：

S21：将当前检测线圈的电信号与高频激励电源发出的激励信号分别采集多个数据点并计算各自的平均值；

S22：判断两个平均值的差值是否大于预设范围；如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，则发出警告信号；

步骤S3中包括：

S31：选择与当前检测线圈空间位置对称的检测线圈作为参考线圈，将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号分别采集多个数据点，并提取特征数据；

S32：判断两个特征数据的差值是否大于预设范围，如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，进入步骤S33；

S33：再次将当前检测线圈的电信号与参考线圈的电信号分别采集多个数据点，并提取特征数据；

S34：判断两个特征数据的差值是否大于预设范围，如果不大于预设范围，则返回步骤S1轮询选择下一个检测线圈；如果大于预设范围，则发出警告信号。

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