CN113858985B - 无线充电异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种无线充电异物检测方法包括：预制步骤在无线充电工作之前，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路，依次测量并记录工作电路的电参数，作为预制电参数；检测步骤在无线充电工作开始时或开始后，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路，依次测量并记录工作电路的电参数，作为测量电参数；比较步骤在检测步骤后，依次将测量电参数与预制电参数比较，判断比较结果是否超出范围，是则调整无线充电的工作频率，并标记比较结果超出范围的对应的电容，否则返回检测步骤。可以直接运用温度对电容值的影响，直接高效的发现异物，具有较高的检测精度，受到环境干扰小。

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方法。

背景技术

电动汽车无线充电时，在功率发射线圈和功率接收线圈之间存在着开放的空间，可能会有金属材质的异物进入，而无线充电功率传输时的交变磁场会在金属异物中产生涡流，使金属异物被加热到高温，导致灼伤、燃烧等潜在的风险，因此异物检测是保证无线充电系统安全运行所必须配置的功能。

排除金属异物造成风险最直接的方法是测量发射线圈表面的温度，但现有技术中常见的温度传感器如热电阻一般只能测定某一接触点的温度，如果布置不足会产生监测盲区，并且其基本也是金属材质，同样容易受到功率传输磁场的影响。专利CN110077247A-《基于光纤传感网络的无线充电异物检测系统及检测方法》提出了可以在磁场中工作的基于光纤传感网络的无线充电异物检测系统及检测方法，但存在着异物位置分辨率低和测量精度不高的问题。专利CN110103745A-《一种无线充电金属异物检测装置及检测方法》提出了通过激励声表面波检测发射线圈表面的温度变化从而发现异物的装置及检测方法，但其测量精度也容易受到环境噪声及介质组成等因数的影响，因此仍有必要提出一种异物检测的方法，改进当前技术的不足。

发明内容

本发明提供一种无线充电异物检测方法，能够精准的检测异物和位置。

该方法包括：预制步骤、检测步骤和比较步骤；所述预制步骤在无线充电工作之前，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路，依次测量并记录所述工作电路的电参数，作为预制电参数；所述检测步骤在无线充电工作开始时或开始后，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路，依次测量并记录所述工作电路的电参数，作为测量电参数；所述比较步骤在所述检测步骤后，依次将所述测量电参数与所述预制电参数比较，判断比较结果是否超出范围，是则调整无线充电的工作频率，并标记比较结果超出范围的对应的电容，否则返回所述检测步骤。

优选的，所述工作电路为谐振电路；所述电参数为：工作电路中工作电阻两端的电压值；或者，所述电参数为：工作电路的谐振频率。

优选的，所述工作电路由信号发生器、工作电感和检测单元连接组成，并且工作电路具有两个接入端口；传感器组连接在两个所述接入端口之间，并通过开关组将传感器组中的每个电容依次接入所述工作电路。

优选的，传感器组中的每个电容均选取相同的电容；所述预制步骤为：测量一个电容接入所述工作电路后，测量并记录所述工作电路的电参数，作为全部电容的预制电参数。

优选的，测量所述电参数时，接入一个电容，工作电路的信号发生器依次提供不同频率的多组电信号，检测单元检测出每组电信号对应的电压值，选取电压值最大的一组对应的频率，根据：

推倒电容值Cx，该电容值Cx为对应的电容的电容值，根治所述电容值Cx推倒该电容的温度；Lx为工作电感的电感值。

优选的，根据

Cx＝ε₀ε_rS/d

推倒出电容的介电常数ε_r，该介电常数ε_r与温度相关，以推论出该电容此时的温度；其中ε₀为真空绝对介电常数(8.85×10^-12F/m)，ε_r为上电容板和下电容板间的介质材料的介电常数，S为电容板面积，d为电容板之间的间距。

本发明的无线充电异物检测方法能够通过测量电参数和预制电参数的比对，进行异物检测。主要是针对金属异物，在无线充电工作过程中会加热时，高温会使传感器组中的电容的电容值改变，从而改变工作电路的电参数，通过电参数的比对起到对金属异物的检测功能。对无线充电来说，金属异物在电磁场内被加热升温，是主要的安全隐患，本申请可以直接运用温度对电容值的影响，直接高效的发现异物，具有较高的检测精度，受到环境干扰小。

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2为本发明无线充电异物检测方法的示意图；

图3为发射端的爆炸图；

图4为本发明无线充电异物检测方法中传感器组的示意图。

附图标记：

工作电路1；传感器组3；信号发生器11；工作电感12；检测单元13；上电容板31；基片32；下电容板33；电极34；上壳体91；线圈绕组92；软磁材料板93；金属屏蔽板94；下壳体95；工作电阻R；检测器M；开关组K；。

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。

本发明提供一种无线充电异物检测方法，该方法主要用于金属异物的检测。

为了方便说明，下文将以电动汽车的无线充电为例进行说明，但是需要强调的是，本申请的无线充电异物检测方法并不仅适用于车辆的无线充电，例如手机无线充电、无人机无线充电等，都可以运用本申请的辅助设备。

以电动汽车无线充电为例进行整体介绍。无线系统包括安装在地面的发射端和安装在汽车底部的接收端，发射端的功率发射线圈通过功率控制器连接到供电电源，工频交流电转换为高频交流电后通过发射线圈，将电能转化为磁场，其可通过空气传播，接收端的功率接收线圈接收到磁场后，由于电磁感应在接收线圈内会产生电流，进而转换为直流电为动力电池充电，最终实现电能从电源到电池的无线传输。

在无线充电过程中，如果在功率发射线圈和功率接收线圈之间存在金属异物，就会被磁场加热，产生安全隐患。本申请的无线充电异物检测方法就能及时发现这些安全隐患。

参见图1，该方法包括：预制步骤、检测步骤和比较步骤。

预制步骤在无线充电工作之前，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路，依次测量并记录工作电路的电参数，作为预制电参数；

检测步骤在无线充电工作开始时或开始后，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路，依次测量并记录工作电路的电参数，作为测量电参数；

比较步骤在检测步骤后，依次将测量电参数与预制电参数比较，判断比较结果是否超出范围，是则调整无线充电的工作频率，并标记比较结果超出范围的对应的电容，否则返回检测步骤。

上述预制电参数的获得方式可以有多种，如上述的预制步骤，其发生在无线充电开始前，确保没有异物时，依次测量全部的电容接入工作电路后的，对应的电参数，形成预制电参数。

除此以外，还可以在无线充电开始前，确保没有异物时，测量一个电容计入工作电路后的电参数，将这个电参数作为全部电容的预制电参数。当然这就要求全部电容是相同的。

以上这两种方式可以在设备制造后直接测量，并写入存储设备，也可以在每次进行无线充电工作前，先进行检测，获得预制电参数，后续无线充电工作过程中，均以该预制电参数比较。

上述方法中提到的传感器组3和工作电路1，他们之间通过开关K连接，这三个部分通过线路连接组成回路。传感器组3设置在发射端，一般是在功率发射线圈上方。如图2所示，是发射端的爆炸图，其包括了上壳体91、线圈绕组92(功率发射线圈)、软磁材料板93、金属屏蔽板94和下壳体95，在上壳体91和线圈绕组92之间具有传感器组3。工作电路1和开关组K等零部件可以位于金属屏蔽板94下侧，或者不设置在上壳体91和下壳体95之间。他们的具体设置位置可以根据实际需求调整。在一种实施例中，传感器组3可以直接作为上壳体91使用，即图2中传感器组3和上壳体91为一体结构。

上壳体91和下壳体95主要用于封装整个结构，提高机械强度和密封性。这两部分一般采用非金属材料制作，如ABS工程塑料、SMC热固性塑料等。线圈绕组92一般由高频利兹线盘绕而成。上壳体91与下壳体95可以采用不同的材质，在保证强度的同时，至少让上壳体91具备良好的热传导性，能将表面的温度传递到传感器组3。传感器组3也可以直接布置在最上层，作为上壳体91并成为发射线圈的表面。软磁材料板93一般采用铁氧体材料制作而成，在无线充电时起引导磁场方向和屏蔽磁场泄漏的作用，软磁材料板93位于线圈绕组92下层，而金属屏蔽板94安装在软磁材料板93下层，金属屏蔽板94一般是一块金属铝材质的薄板，起到电磁场屏蔽及导热作用。

处理器，可以是独立设置的，也可以作为无线充电系统发射端控制器的一部分，而发射端控制器一般设置在发射线圈之外的柜体之内。

上述发射端装配完成后内部还会填充环氧树脂灌封胶，起到对线圈结构的固化、绝缘、导热、防水等作用。

如图3和图4所示，工作电路1由信号发生器11、工作电感12和检测单元13连接组成，并且工作电路1具有两个接入端口；传感器组3由依次层叠设置的上电容板31、基片32和下电容板33组成，上电容板31通过所述开关K连接所述工作电路1的一个接入端口，所述下电容板33连接所述工作电路1另一个接入端口。

传感器组3形成一个或多个电容，该电容与信号发生器11、工作电感12一同组成谐振电路。检测单元13包括了工作电阻R和检测器M，工作电阻R串联在上述谐振电路中，组成LCR谐振电路，检测器M检测工作电阻R两端的电压，如图3所示，检测器M连接在AB两处，用来获取工作电阻R两端的电压值。当传感器3具有多个电容时，通过开关组K依次接入一个电容。

传感器组3简单理解是通过上电容板31、基片32和下电容板33形成电容，该电容的电容值Cx可能会随着温度发生改变。传感器组3能整体覆盖需要异物检测的范围。

为了方便说明，将上电容板31和下电容板33统称为电容板。电容的电容板一般是完整形状，但每个电容处于无线充电的功率传输磁场中，为减少电容板本身产生涡流效应，电容板设置为均间隔排布的多个栅条，栅条长度不作限制，但具有最小化的厚度和宽度。即上电容板31由多个间隔排布的上栅条组成；下电容板32由多个间隔排布的下栅条组成；所述上栅条与所述下栅条之间一一对应。也就是说，上电容板31、基片32和下电容板33可以形成多个电容，每个电容之间都是彼此独立的，将这些多个电容组合在一起的结构称为电容单元。为了方面说明，上电容板31和下电容板33统称为电容板。上述的“栅条”是用来表述电容板被分割成多个独立部分的状态，也就是说全部上栅条组成的机构即为上电容板31。如果上栅条数量为一个，那就说明上电容板31是一个整体。下电容板33和下栅条也是同样的。

无论形成电容的数量，对于这些电容来说，电容值Cx和材料的介电常数有如下关系：

Cx＝ε₀ε_rS/d………………………………式1

其中ε₀为真空绝对介电常数(8.85×10^-12F/m)，ε_r为上电容板和下电容板间的介质材料的介电常数，该数值和温度相关，S为电容板面积，对于分割为多个的栅条，S等于这些栅条的总面积，当然这就需要看计算的是哪部分电容的电容值，例如只计算一组栅条形成的电容的电容值，那么S是该电容的栅条面积，如果是计算全部电容的电容值，那么就是全部栅条的总面积，d为电容板之间的间距。

在上电容板31和下电容板33之间设置基片32，基片32是采用如铁电陶瓷、氧化铝、碳酸钡等高介电常数的陶瓷材料制作的薄片，上述ε_r即为基片32的介电常数，其随温度变化。

栅条可以采用铜箔、铝箔等材料制作，也就是说上电容板31和下电容板33可以采用这些材料制作。

根据关系式1电容板厚度对电容的电容值没有影响，因此优选的由导电聚合物、金属氧化物或碳素材料制作薄膜栅条，在基片32上沉积，以获得最小化的厚度。也就是在基片32相对的两侧分别沉积，形成上电容板31和下电容板33。栅条上面连出电极34，用于与开关K或者工作电路1连接。

上下相对的栅条和之间的基片32形成电容，同侧栅条的电极34之间相互连接，上下分别形成一个电容单元的上电极和下电极，这样相当于由多个电容并联而成一个电容单元。电容单元与工作电路的连线一般也是金属性材质，同样会暴露在功率传输磁场内，为最小化涡流损耗，所述连线也具有最小化的厚度和宽度。

开关组K由处理器控制循环切换接入电容，每次接入电容单元中的一个电容与工作电路相连，由处理器分时测量各个电容单元的参数。

开关组K的一个开关接通时，传感器组3的一个电容与工作电路1连接，这个接入的电容单工作电感12组成LC串联谐振电路。在图3的实施例中，包括了工作电阻R，他们组成了LCR串联谐振电路。

在具体工作过程中，信号发生器11在工作电路1内施加一组变化频率的交流信号，信号发生器调节输出信号使电压幅度不变而频率改变，由检测器M测量电阻R两端(即A、B两端)的电压，并发给处理器。需要注意，每次接入一个电容，信号发生器11都会施加一组变化频率的交流信号，也就是每接入一个电容，都会测量多个工作电阻R的电压值。

当频率变化至某一值时会使工作电路中感抗和容抗相互抵消，工作电路发生串联谐振，即输出信号的频率与工作电路的谐振频率一致。

此时电容和工作电感12相位相互补充，工作电阻R上分得为电压最大值。也就是在工作电阻R上侧得最大电压时，则表明此时信号发生器11在工作电路1内施加的交流信号频率，是工作电路1的谐振频率。由谐振电路知识可以得知，一个LCR串联电路的谐振频率f由电感L和电容C决定且有关系式2：

对于工作电路，其中Cx为接入的一个电容的电容值，Lx为工作电感12的电感值。上述频率的测量方法是一个实施例，也可以通过测量和分析工作电路1的相位、阻抗等参数而获得。需要注意，上述提到的工作电阻R是用来测量电压时所用的，如果要测试其它类型的数据应该使用相对应的零部件。

通过上式，已知谐振频率和工作电感12的电感值，就可以得到此时电容的电容值。

根据关系式1，当电容单元中，因温度改变引起基片32的介电常数发生变化时，电容值继而也会随着介电常数的变化而改变，最终使谐振频率将随温度的变化而近线性的变化。也就是说通过谐振频率获得电容的电容值，再通过电容值或得对应的温度。

温度对介电常数的影响，与材质相关，对于确定的材质的电容，可以事先采集不同温度对应的谐振频率，将温度与谐振频率的变化数据进行标定，采用线性拟合可以得到谐振频率随温度的变化关系式，使工作电路通过测量谐振频率即可测定电容的电容板的温度。工作电路的工作电感12的电感值为固定值，当电容的容值变化会使谐振频率有一定的变化范围。

工作电感的电感值设置为使工作电路的频率以及频率变化，这两部分均与无线充电工作频率处在不同范围内。当然，这也需要保证电容的容值范围。这就需要在选择工作电感12以及选定传感器组3中的材质时，需要互相验证，以保证传感器组3中的电容值变化范围与工作电感12的电感值，不会使工作电路的频率与无线充电工作的频率重合影响，即需要同时保证电容值的变化范围和工作电感12的电感值，使二者在使用式2得到的谐振频率不影响无线充电工作的频率。

当电容单元的温度改变引起基片材料的介电常数发生变化时，其介质常数会随温度变化而变化，进而导致电容单元容值Cx变化，而根据式1和式2，当无线充电系统处于最低温度时(这里的最低温度一般是指无线充电系统未工作时的温度，可以是系统可运行的最低环境温度)，此时测得的频率是谐振频率的最大值，信号发生器11可以以此对应的频率作为频率变化范围的最大值，在异物检测时，不断减小输出频率，测量电阻R两端的电压。

当无线充电时，如当有金属异物落入到工作范围内，金属异物暴露于无线充电的功率传输磁场内，金属异物会因为涡流效应而升高温度，温度的上升会传递到传感器组3的一个或多个电容上，导致电容值变化。无线充电异物检测时，信号发生器11输出频率变化的交流信号，工作电路1通过检测单元13获得谐振频率(例如是测量工作电阻R的端电压)，温度影响电容值的变化，最终会影响谐振频率的变化，因此测量出的谐振频率变化可以计算出温度变化后的电容的电容值，并测量得到电容的温度。将测量温度与温度基准值进行比较，当测量温度超过基准值一定范围时，可以判断发射线圈上方存在有金属异物，并且根据发生升温的电容的位置确定金属异物在发射线圈上方的位置。为了能够确定该位置，传感器组3在设置时，一般是设置在无线充电发射端的功率发射线圈之上，并且可能传感器组3的覆盖范围不小于发射线圈的范围。

作为一个实施例，开关组K也可以一次同时接通多个开关，使传感器组3的多个电容或全部电容与工作电路1连接，此时相当于多个电容或全部电容并联，当温度变化时，相当于多个电容或全部电容之和发生变化，与前述原理相同，建立基于电容之和产生的谐振频率与温度之间的关系式，根据电容之和的变化获得温度变化。同样的，当测量温度超过温度基准值时，可以判断出发射线圈上方多个电容所在区域某个位置存在金属异物。当全部电容与工作电路1连接，且测量温度超过温度基准值时，可以判断出发射线圈上方某个位置存在着金属异物。在发现金属异物后，开关组K再次从多个存在异物的电容中选择一个或多个电容接入到工作电路中，但其接入数量要小于多个存在异物的电容的数量，上述步骤循环操作，逐步缩小每次接入的电容的数量，直至每次只接入一个电容，而最终确定出哪一个或多个电容上存在着金属异物，这一个或多个电容所在的区域即为金属异物所在的位置。与前述实施例不同，上述操作先快速判断出是否存在金属异物，可使无线充电系统及时作出反应，再逐步判断出金属异物所在的位置。

一旦检测到存在金属异物，无线充电系统可以降低功率发射或直接关闭功率发射，并发出警报上报异物检测故障，提示用户移除金属异物。

无线充电系统启动前也可以进行正式充电前的检测，首先在功率发射线圈上施加小功率的能量开始试充电，当发现有电容的温度超过基准温度时，并发出警报上报异物检测故障，提示用户移除金属异物，并停止小功率充电。如果在充电过程中发现了金属异物，并且在报警后故障被消除，可以重新进入到充电前检测状态，进而恢复进入到正常充电状态，并重复上述异物检测的过程。

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 (6)

1.一种无线充电异物检测方法，其特征在于，包括：

预制步骤、检测步骤和比较步骤；

所述预制步骤在无线充电工作之前，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组(3)中的每个电容接入工作电路(1)，依次测量并记录所述工作电路(1)的电参数，作为预制电参数；所述传感器组(3)在功率发射线圈上方；

所述检测步骤在无线充电工作开始时或开始后，依次将设置在无线充电系统地面端的传感器组(3)中的每个电容接入工作电路(1)，依次测量并记录所述工作电路(1)的电参数，作为测量电参数；

所述比较步骤在所述检测步骤后，依次将所述测量电参数与所述预制电参数比较，判断比较结果是否超出范围，是则调整无线充电的工作频率，并标记比较结果超出范围的对应的电容，否则返回所述检测步骤；

所述传感器组(3)通过上电容板(31)、基片(32)和下电容板(33)形成电容，所述基片(32)为高介电常数材料，介电常数随温度变化。

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，

所述工作电路(1)为谐振电路；

所述电参数为：工作电路(1)中工作电阻(R)两端的电压值；或者，

所述电参数为：工作电路(1)的谐振频率。

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，

所述工作电路(1)由信号发生器(11)、工作电感(12)和检测单元(13)连接组成，并且工作电路(1)具有两个接入端口；

传感器组(3)连接在两个所述接入端口之间，并通过开关组(K)将传感器组(3)中的每个电容依次接入所述工作电路(1)。

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，

传感器组(3)中的每个电容均选取相同的电容；

所述预制步骤为：测量一个电容接入所述工作电路(1)后，测量并记录所述工作电路(1)的电参数，作为全部电容的预制电参数。

5.根据权利要求3所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

测量所述电参数时，接入一个电容，工作电路(1)的信号发生器(11)依次提供不同频率的多组电信号，检测单元(13)检测出每组电信号对应的电压值，选取电压值最大的一组对应的频率，根据：

推倒电容值Cx，该电容值Cx为对应的电容的电容值，根据所述电容值Cx推倒该电容的温度；Lx为工作电感(12)的电感值。

6.根据权利要求5所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，

根据

Cx＝ε₀ε_rS/d

推倒出电容的介电常数ε_r，该介电常数ε_r与温度相关，以推论出该电容此时的温度；

其中ε₀为真空绝对介电常数(8.85×10^-12F/m)，ε_r为上电容板和下电容板间的介质材料的介电常数，S为电容板面积，d为电容板之间的间距。