CN113858982A - 无线充电异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线充电异物检测方法，包括：初始扫描步骤：扫描工作区域，形成初始空间模型，获取工作区域内各位置的初始辐射值，形成初始空间辐射模型；对比扫描步骤：扫描工作区域，形成对比空间模型，获取工作区域内各位置的对比辐射值，形成对比空间辐射模型；比较步骤：将两个空间辐射模型比较，将有异物区域的辐射差值与无异物区域的辐射差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。通过将两个步骤形成的辐射模型进行比较，判断辐射差值的变化，同时能够判断该异物是否对无线充电造成了安全隐患。异物影响无线充电工作时，可以及时调整无线充电的工作状态，检测效率高，同时保证了无线充电工作的效率。

Description

无线充电异物检测方法

技术领域

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电异物检测的方法。

背景技术

无线充电技术在电动汽车、AGV、机器人等充电领域具有广泛的应用前景，相比传统有线传输这种方式更加安全、便捷，发展前景可观。采用磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统具有功率发射和功率接收两部分，其中功率发射部分的电感与电容串联或并联形成谐振回路，在接收端也组成同样谐振频率的接收回路，发射部分和接收部分之间可以通过谐振形成的强磁耦合来实现无线电能传输。

然而，当使用这项技术为电动汽车等充电时，无线充电系统可能会受到金属异物的影响，所谓的异物是指所有不属于无线充电系统但出现在车载功率接收线圈和地面功率发射线圈中间的物体，当无线充电系统能量传输区域中出现异物为金属时，无线能量传输系统的传输功率和传输效率会下降，甚至可能因传输磁场导致的涡流效应使金属异物温度急剧升高而造成安全隐患。

专利CN112505646A《基于毫米波雷达的异物遮挡判断方法及系统》提出了一种基于毫米波雷达的异物遮挡判断方法及系统，通过毫米波雷达实时探测无线充电功率发射线圈所在区域是否有异物遮挡，根据反馈的毫米波雷达回波，通过异物种类与毫米波雷达回波特征的对应关系，判断是否存在遮挡功率发射线圈所在区域的异物及相应异物的种类。然而存在于功功率射线圈的异物可能是任何种类的物体，显然不能穷举，且异物的形状、厚度和组成等特性的不同均会造成回波特征的不同，采用上述方式会出现误判或漏判异物的可能。同时，其只能检测出存在异物，但是该异物是否对无线充电产生安全影响，其无法判断。

发明内容

本发明提供一种无线充电异物检测方法，能够高效的判断异物对无线充电的影响，提高无线充电工作效率。

无线充电异物检测方法，包括：初始扫描步骤：扫描工作区域，形成初始空间模型，划分出有异物区域和无异物区域，获取工作区域内各位置的初始辐射值，并与所述初始空间模型对应结合，形成初始空间辐射模型；对比扫描步骤：扫描工作区域，形成对比空间模型，划分出有异物区域和无异物区域，获取工作区域内各位置的对比辐射值，并与所述对比空间模型对应结合，形成对比空间辐射模型；比较步骤：将对比空间辐射模型和初始空间辐射模型比较，得到工作区域内各个位置的辐射值差值，将有异物区域的辐射差值与无异物区域的辐射差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。

优选的，扫描工作区域时，采用视觉检测、电磁检测中的一种。

优选的，在初始扫描步骤完成后，所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行，比较步骤中，每次形成的对比空间辐射模型均与初始空间模型比较。

优选的，在初始扫描步骤完成后，所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行，从第二次比较步骤开始，之后的每次比较步骤中，将本次行程对比空间辐射模型与上一次行程的空间辐射模型比较。

优选的，所述初始扫描步骤、所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行。

优选的，在初始空间辐射模型和对比空间辐射模型中，选取对应位置均为无异物区域的位置，将对比辐射值和初始辐射值的差值作为基础差值；在所述比较比较步骤中，得到的工作区域内各个位置的辐射值差值，均与所述基础差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。

优选的，比较结果超过预定值时，停止无线充电；比较结果未超过预定值时，根据比较结果的数值大小，调整无线充电工作功率。

优选的，所述初始扫描步骤在开始无线充电时同步启动，或者在开始无线充电开始前启动。

优选的，在没有异物的情形中，所述初始空间辐射模型和所述对比空间辐射模型均为无异物区；所述比较步骤直接将对比空间辐射模型和初始空间辐射模型比较，得到工作区域内各个位置的辐射值差值，根据差值调整无线充电功率。

本发明的方法，通过将两个步骤形成的辐射模型进行比较，判断辐射差值的变化，同时能够判断该异物是否对无线充电造成了安全隐患，即通过辐射功率值的增加量进行判断。异物影响无线充电工作时，可以及时调整无线充电的工作状态，如果异物没有安全隐患，即使存在异物也可以正常进行充电，不仅检测效率高，同时保证了无线充电工作的效率。

附图说明

图1为本发明无线充电异物检测方法的流程图；

图2A-图2C为本发明无线充电异物检测方法的示意图；

图3为无线充电异物判断方法对应装置的示意图；

图4为无线充电异物判断方法对应装置XOZ坐标系内的工作范围示意图；

图5为无线充电异物判断方法对应装置YOZ坐标系内的工作范围示意图。

附图标记：

处理器0；检测模块1；探测组件2；功率组件3；发射天线4；接收天线5；切换开关6；射频前端21；收发单元22；功率计31；功率传感器 32。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的无线充电异物检测方法主要用于电动汽车无线充电，无论是充电开始阶段还是充电过程中，出现异物都能够被及时发现，并根据其是否对无线充电有安全影响，对无线充电的工作状态进行调整。

无线充电系统在启动充电前首先会先进入初始化状态，开始充电前的检查。无线充电异物检测装置会执行本申请的无线充电异物检测方法。下面对检测方法和对应的异物检测装置进行说明。

无线充电异物检测装置，如图3所示，包括处理器0和检测模块1。处理器0和检测模块1联通，可以完成信号的处理、工作流程的控制等。

上述的检测模块1至少具有：探测组件2、功率组件3、发射天线4、接收天线5和切换开关6。探测组件2和发射天线4联通，接收天线5通过所述切换开关6在所述探测组件2和功率组件3中择一地联通。接收天线5在联通不同的组件时，具有不同的功能。

探测组件2对电信号进行调制，由发射天线4发射探测电磁波，当有反射物时，探测电磁波会被反射形成回波信号。当接收天线5联通探测组件2时，就可以接收回波信号，并发送回探测组件2，以判断探测区域内是否存在反射物。发射天线4和接收天线5的数量可以分别是一个，也可以是多个。除了接收该回波信号外，还能接受辐射电磁波。

下面对无线充电异物检测方法进行说明。

包括：初始扫描步骤、对比扫描步骤和比较步骤。

初始扫描步骤：扫描工作区域，形成初始空间模型，划分出有异物区域和无异物区域，获取工作区域内各位置的初始辐射值，并与所述初始空间模型对应结合，形成初始空间辐射模型。初始空间辐射模型中包括了各个位置的初始辐射值，他们可以以数据的形式统一存储，也可以通过图形的方式展示。

扫描工作区域时，采用视觉检测、电磁检测中的一种。视觉检测在建立初始空间模型和初始空间模型时，直接运用视觉成像，然后在使用电磁辐射测量的工具，测量各位置的初始辐射值，再将二者结合。使用电磁检测时，可以使用接收天线5，在切换开关6的作用下分别联通探测组件2 和功率组件3，实现两种功能。

对比扫描步骤：扫描工作区域，形成对比空间模型，划分出有异物区域和无异物区域，获取工作区域内各位置的对比辐射值，并与所述对比空间模型对应结合，形成对比空间辐射模型。对比空间辐射模型与初始空间辐射模型类似。但是二者在扫描的时序上是不同的，并且，至少第一次进行初始扫描步骤是在无线充电工作开始前进行的，或者是在无线充电工作开始时同步进行的。而对比扫描步骤是在无线充电工作开始后。在后续实施例中，可能会重复的进行初始扫描步骤，那么其工作的时间可能就是在无线充电工作运行的过程中。

比较步骤：将对比空间辐射模型和初始空间辐射模型比较，得到工作区域内各个位置的辐射值差值，将有异物区域的辐射差值与无异物区域的辐射差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。

在一种实施例中，在初始扫描步骤完成后，对比扫描步骤和比较步骤依次循环执行，比较步骤中，每次形成的对比空间辐射模型均与初始空间模型比较。也就是在这种实施例中，初始扫描步骤进行一次之后，对比扫描步骤和比较步骤依次循环执行。也就是会在无线充电过程中，多次进行对比扫描步骤，将不同时间获得的对比空间辐射模型，同初始空间辐射模型比较，从而得到时时的辐射差值。

在另一种实施例中，在初始扫描步骤完成后，所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行，从第二次比较步骤开始，之后的每次比较步骤中，将本次行程对比空间辐射模型与上一次行程的空间辐射模型比较。

也就是会进行一次初始扫描步骤，之后所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行，并且之后的比较步骤中，不是都和初始空间辐射模型比较，而是使用本次对比空间辐射模型和上一次的对比空间辐射模型进行比较。

还有另外一种实施例中，所述初始扫描步骤、所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行。也就是每次循环都从初始扫描步骤开始，完成三个步骤的动作。

以上三种方式均可以用于本申请，其基础原理是通过差值的比较，来判断是否存在安全隐患。

在初始空间辐射模型和对比空间辐射模型中，选取对应位置均为无异物区域的位置，将对比辐射值和初始辐射值的差值作为基础差值；在所述比较比较步骤中，得到的工作区域内各个位置的辐射值差值，均与所述基础差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。

无异物处的辐射值差值，提现的是工作范围内，基础零部件的辐射变化。即使没有异物时，设备自身的发热等情况，同样会是辐射值变化，因此该基础差值可以理解为是系统自身的辐射变化，如果有异物处的辐射差值明显不同于基础差值，则可能判断为存在安全风险。

比较结果超过预定值时，停止无线充电；也就是说有异物处的辐射差值明显大于基础差值，说明风险较大，需要停止。比较结果未超过预定值时，根据比较结果的数值大小，调整无线充电工作功率。这种情况是指虽然存在一定的差异，但是该差异的风险较小，可以继续进行无线充电。

为了方便理解，参见图2A、图2B和图2C以图表的方式示出了这些内容，图中，左半部分，A1-A9表示的初始空间辐射模型中9个区域的初始辐射值。右侧B1-B9表示的比较空间辐射模型中9个区域的比较辐射值。

这种比较方式是最基础的比较方式，即直接将两个模型比较，获得有异物区和无异物区的辐射差值，并将辐射差值进行比较。从而可以得知有异物区辐射值的变化，同无异物区辐射值的变化的差异。一般来讲，无异物处的辐射值变化，是无线充电工作中的正常变化，而有异物区的辐射值变化，则反应异物在电磁场中受到的影响，如果该变化值与无异物区的变化值相差越多，则证明异物受到电磁场的影响越大，其存在风险的可能就越高。

当然，如果在工作区域内一直没有异物，也就是没有异物区域，对没有异物的区域进行比较，也可以起到对工作区域监测的功效。在没有异物时，比较步骤直接将对比空间辐射模型和初始空间辐射模型比较，得到工作区域内各个位置的辐射值差值，根据差值调整无线充电功率。一般的会具有一个预制的阈值，当有任一处的辐射差值超过阈值时，会停止无线充电或者降低无线充电的功率。

参见图2A，示出的是一直没有异物的情况，直接采用(B1-A1)、(B2-A2)、 (B3-A3)、(B4-A4)、(B5-A5)、(B6-A6)、(B7-A7)、(B8-A8)、 (B9-A9)的比较方式，其中任意一个的差值超过阈值的阈值即可以执行对应的操作。

图2B示出的在中间区域存在异物的情况，此时选取除中间区域内任意位置处的差值作为基础差值。例如以(B2-A2)作为基础差值，然后以(B5-A5) 的差值，同基础差值比较，根据比较结果进行后续动作。当然基础差值也可以是除(B5-A5)外，其他位置处差值的平均值。当然，根据位置不同，所处位置电磁场强度的不同，各处的辐射差值可能有所差异，可以优选选取异物所在处附近的区域的差值作为基础差值。

图2C示出的是在充电过程中，中间区域新增了异物，同上述相似，此时选取除中间区域内任意位置处的差值作为基础差值。然后以(B5-A5)的差值，同基础差值比较，根据比较结果进行后续动作。

一般非金属异物与功率发射线圈表面的材质不同，在相同的温度情况下因反射率不同，辐射差值会有所差异，但差异值较小会在设定值范围内。而常温下金属物质在毫米波段的反射率接近于1。在和非金属物质相同的温度下，金属物品辐射温度低(即较冷)。特别在室外环境下，金属主要反射天空的辐射温度，与非金属的辐射温度有明显的差别。而金属物质的反射率会随温度的升高而增加，金属物质会在磁场环境下会因涡流效应而导致热量和温度的快速上升，并出现辐射差值之差超过设定值情况。

在无线充电开始工作后，功率发射线圈会因电流上升而发热，并透过外壳使功率发射线圈表面产生温升，发射线圈表面因热量上升而使向外辐射功率值就会增加。无论是在无线充电前已经存在的异物还是充电过程中新增的异物，如果是金属材质，在无线充电过程中同样会有升温，从而使辐射功率值增加。需要注意，辐射功率值与温度有关系，即使是不同材料，温度变化反应到辐射值具有相同趋势的变化规律。

通过比较辐射值的变化来实现对异物是否影响无线充电工作，因为辐射值与温度是相关的，使用发射天线和接收天线本身就能完成对辐射值的测量，从而不用添加额外的设备，不用使用温度传感器，可以降低设备成本，解决一般为金属材质的温度传感器无法在磁场环境中正常工作的问题。

在一些情况中，例如金属异物尺寸较小等情况，异物是金属和非金属可以共存的，其对应的差值(也就是差值之差)可能没有到需要停止无线充电的地步，则可以继续工作。

如通过上述方法发现有异物区辐射差值超过设定限值时，信号处理单元向无线充电系统的总控制器上报故障，总控制器可选择立即停止充电并启动报警模块，并在终端上显示异物的位置等信息；总控制器也可以选择降低无线充电输出功率继续充电，如降低输出功率后辐射差值之差仍超过设定限值，则无线充电系统停止充电并启动报警等操作。如果报警状态被用户确认，金属异物被清理，可以重新进入到初始化状态，并启动异物检测的过程，进而恢复进入到正常充电状态。如在充电过程中未发现异物，或发现了异物但辐射功率差值之差未超过设定限值，无线充电系统输出功率继续充电，无线充电异物检测装置持续检测，直至充电过程结束。

本申请根据异物的辐射功率值，判断对应的温升，由于仅金属物体会因快速温升造成风险，这种设计减少了误报的可能性。对于充电过程中进入到功率发射区域的异物，也能及时发现和排除，在保障系统的安全性的前提下提高了无线充电系统使用体验。

根据普朗克定律，绝对零度以上的物质会向外辐射电磁波，接收天线 5可以接收该辐射的电磁波，此时，接收天线5与功率组件3联通，会将辐射电磁波的信号发送给功率组件3，以完成后续的工作。无论接收天线5 接收的区域内是否有反射物，都会有对应的辐射电磁波，例如功率发射线圈的外表面也会有辐射电磁波，因此可以被接收到。

功率组件3包括有功率计31和功率传感器32。在切换开关6的控制下，接收天线5可以和功率传感器32连接，将辐射电磁波的信号经功率传感器32接入到功率计31，而功率计31能测量在毫米波段的热辐射能量，功率计31根据接收的辐射电磁波的信号输出电压或天线温度等参数获得被测的区域内辐射能量的大小，也就是或得对应的辐射值，而辐射电磁波与被测区域的温度相关。

关于上述辐射电磁波，需要注意，根据普朗克定律，绝对零度以上的物质会向外辐射电磁波，其总辐射能量主要由三部分组成，即自身的辐射、对环境噪声的反射和背景噪声的透射，其与物体的反射率、透射率和吸收率相关，而处于热平衡的物体发射率等于吸收率。

上述切换开关6可以是按时切换的，一般是先联通探测组件2，探测工作区域是否有异物，再联通功率组件3，探测工作区域内的辐射电磁波。工作区域一般是无线充电系统中，功率发射线圈和功率接收线圈之间的区域。

探测组件2发射的电磁波频域优选的是30GHz-300GHz，一般是线性调频的连续波，调制方式为三角波调制、锯齿波调制、正弦波调制中的至少一种。三角波调制时频率由起始频率开始线性调频上升至最高的频率,再由最高频率重新调频下降至起始频率，使信号频域波形表现为一组中心对称的三角形结构。

探测组件2包括联通的射频前端21和收发单元22；发射天线4连接所述收发单元22；当接收天线5通过切换开关6联通探测组件2时，即联通到收发单元22。当然还会包括电源，为全部用电设备供电。

下面展开说明。射频前端21内包括了射频发射前端(下面简称发射前端)和射频接收前端(下面简称接收前端)，其中发射前端主要负责对射频信号(也就是电磁波信号)的调制、上变频、滤波、放大并送给发射天线4，上变频是将低频信号向上变频到高频频段，通过发射天线发4射出去；而接收前端则负责将接收天线5所接收的回波信号进行低噪声放大、滤波、下变频、解调并将解调后的信号传送给处理器0，下变频是将接收天线5接收到的高频信号向下变频至低频频段，送往处理器0。简单来说，射频前端21可以理解为一个对电磁波进行处理的单元。收发单元22可以理解为是发射天线4和接收天线5的容纳装置，也就是发射天线4和接收天线5固定安装在收发单元22内。

在检测模块1配置时，其工作范围(探测范围)要能覆盖功率发射线圈和功率接收线圈之间的区域。为了方便下文的说明，参见图4、图5，我们以XYZ三个坐标来限定空间区域，在功率发射线圈和功率接收线圈的垂直距离上，作为Y轴，在功率发射线圈所在面，横向为X轴，纵向为Z轴。以电动汽车无线充电为例，X轴为车辆的横向方向，Y轴为车辆的高度方向， Z轴为车辆的前后方向。发射的探测电磁波在俯仰面内与方位面内的空间范围扫描，俯仰面为YOZ坐标系内平面，方位面是XOZ坐标系内平面。其中XOZ坐标系内包括了a点到b点。这里的俯仰面和方位面是以天线工作为基础确立的，而非机械视图的确立方式。

如图4和4所示，在方位面内以β为探测角的工作范围要覆盖功率发射线圈，俯仰面内检测模块1发射的探测电磁波的入射角度要满足角度范围θ1至θ2。一般情况下一个检测模块1无法覆盖发射线圈表面，检测模块1内可以配置多个发射天线4和接收天线5，或者在多个方向配置多个检测模块1。

检测模块1通过发射天线4向外发射探测电磁波，当遇到一个障碍物目标物体(反射物)时将被反射回来。接收天线5接收被工作范围内的反射物反射回来的回波信号。回波信号与探测电磁波的波形一致，但在时间上有一延迟，根据延时大小可以计算出检测模块1与反射物的距离。

结合图4和图5，探测电磁波的信号以OZ为轴，从a点到b点对发射线圈表面进行扫描，处理器0记录所发射的探测电磁波的俯仰角和方位角作为目标的位置信息，接收回波信号后，计算得到空间范围内各位置点与检测模块1之间的距离。当工作范围内没有反射物时，探测电磁波会被功率发射线圈的表面反射，因此通过回波信号，能够确定检测模块1与功率发射线圈表面各点之间的距离，该距离可以称为基准距离。处理器0将各位置点的基准距离集合成为基准数据集。

当功率发射线圈和功率接收线圈之间出现反射物时，回波信号反应的是检测模块1与反射物之间的距离，该距离小于检测模块1与功率发射线圈表面的距离。当发现检测到某个位置的距离小于基准距离时，可以判断在该位置点有异物出现。将出现反射物的所有位置点连线可以获得整个异物的“图像”，而其中每一个位置点相当于异物图像的“像素”，根据异物的成像数据可以获取大小、尺寸和高度及在发射线圈上的位置等信息。

以上对于反射物的判断，基于接收天线5与探测组件联通实现的。

我们认为所有不属于无线充电系统但出现在功率接收线圈和功率发射线圈之间的物体都属于异物，而非金属物体在发射线圈区域出现的情况比较常见，一般不影响无线充电过程。如何判断该反射物是不是金属材质，是否影响无线充电的安全，就需要接收天线5和功率组件3联通，通过辐射电磁波来进一步判断。其原理上文已经说明，即根据普朗克定律绝对零度以上的物质会向外辐射电磁波。利用接收天线5接收毫米波段的辐射电磁波的信号(简称辐射信号)，将辐射信号经功率传感器32接入到功率计 31获得被测的目标辐射能量的大小。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种无线充电异物检测方法，其特征在于，包括：

初始扫描步骤：扫描工作区域，形成初始空间模型，划分出有异物区域和无异物区域，获取工作区域内各位置的初始辐射值，并与所述初始空间模型对应结合，形成初始空间辐射模型；

对比扫描步骤：扫描工作区域，形成对比空间模型，划分出有异物区域和无异物区域，获取工作区域内各位置的对比辐射值，并与所述对比空间模型对应结合，形成对比空间辐射模型；

比较步骤：将对比空间辐射模型和初始空间辐射模型比较，得到工作区域内各个位置的辐射值差值，将有异物区域的辐射差值与无异物区域的辐射差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。

2.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

扫描工作区域时，采用视觉检测、电磁检测中的一种。

3.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

在初始扫描步骤完成后，所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行，比较步骤中，每次形成的对比空间辐射模型均与初始空间模型比较。

4.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

在初始扫描步骤完成后，所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行，从第二次比较步骤开始，之后的每次比较步骤中，将本次行程对比空间辐射模型与上一次行程的空间辐射模型比较。

5.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

所述初始扫描步骤、所述对比扫描步骤和所述比较步骤依次循环执行。

6.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

在初始空间辐射模型和对比空间辐射模型中，选取对应位置均为无异物区域的位置，将对比辐射值和初始辐射值的差值作为基础差值；

在所述比较比较步骤中，得到的工作区域内各个位置的辐射值差值，均与所述基础差值比较，根据比较结果调整无线充电功率。

7.根据权利要求1或6所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

比较结果超过预定值时，停止无线充电；

比较结果未超过预定值时，根据比较结果的数值大小，调整无线充电工作功率。

8.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

所述初始扫描步骤在开始无线充电时同步启动，或者在开始无线充电开始前启动。

9.根据权利要求1所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

在没有异物的情形中，所述初始空间辐射模型和所述对比空间辐射模型均为无异物区；

所述比较步骤直接将对比空间辐射模型和初始空间辐射模型比较，得到工作区域内各个位置的辐射值差值，根据差值调整无线充电功率。

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