CN114094723A - 无线充电发射端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电发射端，包括：FOD模块，用于检测无线充电发射端的电路产生的感应磁场内的金属异物；LOP模块，用于检测无线充电发射端四周的活物；第一控制器，根据无线充电发射端的电气参数调整FOD模块和LOP模块的工作状态，减少无线充电发射端对FOD模块、LOP模块检测精度的干扰。本发明提出的无线充电发射端增设了FOD模块和LOP模块，分别在充电进行时对金属异物和活物进行检测。同时，为了提高FOD模块的检测精度控制FOD模块避开逆变电路产生的高次谐波、动态调整FOD模块预设的阈值的大小，防止出现误判有金属异物的情况。

Description

无线充电发射端

技术领域

本发明涉及无线充电领域，特别是涉及一种无线充电发射端。

背景技术

无线充电技术利用电场、磁场、微波或者激光等传导介质以实现电能的无线传输，由于其具有无导线限制、无插拔等优势，目前在电子设备上的应用越来越广泛。无线充电设备中包括发射线圈，电子设备中包括接收线圈，发射线圈与接收线圈之间通过电磁场耦合来实现电能的无线传输。目前，越来越多的电子设备采用无线充电设备为其进行无线充电，例如新能源汽车。

在充电过程中会存在意外情况。比如有金属异物，发射线圈和接收线圈之间变化的磁场会在金属异物中产生涡流损耗并产生热量，进而带来发热甚至起火等安全性问题，为了预防这些情况的发生，无线充电通常搭载有辅助功能模块，对金属异物与活物进行检测。但是，目前的大功率无线充电设备中，功率传输过程的干扰对辅助功能检测精度影响很大，必须采取措施降低干扰影响。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中无线充电发射端异物检测功能检测精度不够的技术问题，提出一种无线充电发射端。

本发明采用的技术方案是：

本发明提出了一种无线充电发射端，包括：

FOD模块，用于检测无线充电发射端的电路产生的感应磁场内的金属异物；

LOP模块，用于检测无线充电发射端四周的活物；

第一控制器，根据无线充电发射端的电气参数调整FOD模块和LOP模块的工作状态，减少无线充电发射端对FOD模块、LOP模块检测精度的干扰。

在一实施例中，所述无线充电发射端的电路包括：依次连接的整流电路、PFC电路、逆变电路、调谐电路和发射线圈，所述整流电路与电网连接，所述发射线圈与所述第一控制器电连接。

在一实施例中，所述电气参数包括：所述发射线圈电流的有效值、周期和相位；所述逆变电路中开关管电流的有效值、周期和相位，所述电气参数通过所述第一控制器内的AD采样模块采集。

进一步的，所述第一控制器根据所述逆变电路中开关管电流的周期控制所述FOD模块避开所述逆变电路产生的高次谐波。

进一步的，所述第一控制器根据所述发射线圈电流的有效值调整所述FOD模块的阈值。

进一步的，所述第一控制器根据所述发射线圈电流的周期控制所述AD采样模块的采样时刻避开所述逆变电路开关管的开关时刻。

在一实施例中，所述无线充电发射端的电路还包括：第二控制器；所述第二控制器连接所述第一控制器和所述逆变电路，所述第二控制器接收所述发射线圈电流的有效值、周期、相位并根据所述发射线圈电流的有效值、周期、相位调整所述发射线圈的输出功率。

进一步的，所述第二控制器接收所述逆变电路中开关管电流的有效值、周期和相位，所述第二控制器根据所述发射线圈电流的有效值、周期、相位和所述逆变电路中开关管电流的有效值、周期和相位完成对所述无线充电功率传输过程中的闭环控制，并判断所述无线充电发射端是否存在故障。

在一实施例中，所述FOD模块包括：多个检测线圈或检测线圈阵列；所述LOP模块包括：雷达或超声波传感器。

在一实施例中，所述第二控制器通过调宽、移相的方式调节所述逆变电路开关管的占空比。

在一实施例中，所述第二控制器通过调整所述逆变电路的输入电压调整所述逆变电路开关管的占空比。

与现有技术比较，本发明提出的无线充电发射端在功率传输过程中对FOD模块和LOP模块工作时的状态进行了优化，通过控制FOD模块避开逆变电路产生的高次谐波、动态调整FOD模块预设的阈值的大小来防止出现误判有金属异物的方式提高FOD模块的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中无线充电发射端的结构示意图；

图2为本发明实施例中无线充电发射端的结构示意图；

图3为本发明实施例中AD采样模块避开开关管开关时刻的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者间接在该另一个组件上。当一个组件被称为是“连接于”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或间接连接至该另一个组件上。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，现有技术中无线充电发射端的电路大都包括：与电网电连接的整流电路，与整流电路电连接的PFC电路，与PFC电路电连接的逆变电路，与逆变电路电连接的调谐电路，与调谐电路电连接的发射线圈。整流电路滤除电网引进的外部电磁干扰，同时避免发射端对外辐射噪声干扰其他电子产品。PFC电路将工频交流电转换为高压直流电，并提高功率因数。逆变电路将前级的高压直流电转化为高频交流电。调谐电路主要起到调节增益，为开关管工作在软开关创造条件，并调节输出输出电流的输出特性。发射线圈经过高频交流电后产生交变磁场，产生的交变磁场作用于接收端的接收线圈使之产生电流进行充电。

上文所描述的现有技术中的无线充电发射端虽然能够传输能量给无线充电端进行充电，但是却缺乏一些辅助功能使充电过程更加安全。比如，缺少金属异物检测功能，无线充电技术的远离是电磁感应，金属异物的存在会影响感应磁场进而影响充电过程；比如，缺少活物检测功能，在充电的过程中也必须考虑人身安全，而这类辅助功能在功率传输中，容易被磁场干扰，导致检测结果不精确。所以，针对现有技术中无线充电发射端功能不完善导致充电过程存在危险的情况，本发明提出一种具有金属异物检测电路、活物检测电路的无线充电发射端，并对其控制进行优化，提高检测精度。

下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。

如图2所示，本发明提出的无线充电发射端相比于上文所提及的无线充电发射端，增设了FOD模块和LOP模块，以及连接FOD模块和LOP模块的第一控制器。FOD模块用于检测无线充电发射端产生的感应磁场的作用范围的金属异物，当FOD模块检测出金属异物时，会发出信号提醒使用者，同时也会根据FOD模块的检测结果对发射端的输出功率进行调整；LOP模块用于检测无线充电发射端四周的活物，当LOP模块检测出活物时会及时提醒使用者；第一控制器，采集无线充电发射端的电气参数并根据采集的电气参数调整FOD模块和LOP模块的工作状态，从而减少无线充电发射端对FOD模块、LOP模块检测精度的干扰，进而提高FOD模块与LOP模块的检测精度。

在本实施例中，FOD模块包括多个检测线圈或线圈阵列，在有无金属异物的情况下检测线圈的等效阻抗是不同的，例如金属异物存在时，检测线圈的感量会减小、电阻会增大、实际的谐振频率会增大。由此可知，在有无金属异物的情况下，检测线圈对于固定频率的脉冲激励会产生不同的谐振反应，检测线圈检测电压会因有无异物而不同。所以依据该原理，FOD通常通过检测线圈上检测电压的变化情况，并将检测电压的变化量作为检测值，与阈值进行比较，判断是否有金属异物存在。阈值的选取一般将同一时刻所有线圈的检测值按大小进行排序，以其中一中间值乘系数的值作为阈值，系数的具体设置可以根据实际情况进行调整。

在本实施例中，LOP模块包括超声波传感器或雷达，通过测量物体在单位时间内的移动距离来判断是否存在活物，并根据检测结果采取相应的措施。

因为无线充电发射端在工作过程中会存在强磁场，强磁场会干扰到FOD模块和LOP模块的检测精度。例如：逆变电路工作过程中的高次谐波会对FOD模块产生谐波污染、发射线圈感应磁场的非正常波动会让FOD模块出现误判等，所以在使用FOD模块时必须要考虑检测精度的问题，以下将阐明本发明如何解决该问题。

针对逆变电路产生的高次谐波的问题：具体的，在FOD模块工作的过程中，第一控制器采集逆变电路中开关管电流的有效值、周期与相位，因为可以将复合周期振动函数Y（T）按傅氏级数分解，分解后第一项称均值或直流分量，第二项为基波或基本振动，第三项称二次谐波，依次类推或把二次谐波以后的统称为高次谐波，所以第一控制器可以根据采集的逆变电路中开关管电流的周期推算出逆变电路工作过程中产生高次谐波的时刻，然后控制FOD模块在工作过程中避开高次谐波。之所以要避开高次谐波，是因为高次谐波会通过感应耦合的方式对邻近的设备产生感应干扰电磁辐射，且FOD模块发出的脉冲频率通常是逆变电路工作频率的数十倍，所以为了避免逆变电路的工作频率的高次谐波叠加在FOD模块工作频率的波形上使之变形，影响检测精度，第一控制器会控制FOD模块的工作频率避开逆变电路的工作频率的高次谐波点。

其次，针对发射线圈感应磁场的非正常波动：具体的，在正常工作状态下发射线圈电流的波形图为正弦波，正常情况下发射线圈在一个周期内的各个时刻的电流会按照规律进行动态变化。若在无金属异物且发射线圈正常变动的情况下，发射线圈产生的感应磁场的变化也是规律并一致的，此时检测线圈的检测电压的变化是规律且正常的，因而FOD模块的阈值和检测线圈的检测值仅在小范围波动，不会出现检测值增大超过阈值导致判断金属异物出现的情况。但是，若在无金属异物但发射线圈电流出现异常波动的情况下，此时检测线圈的电压会发生突变，其检测值可能会超过阈值，此时FOD模块会出现误判，误判发射端周围出现了异物。但是实际情况却并非如此，所以为了防止FOD模块误判，本发明会根据发射线圈电流的变化情况对FOD模块预设的阈值进行动态调整。具体的，当第一控制器采集到发射线圈电流有效值变化时，增大FOD的阈值系数使阈值增大；若第一控制器采集到的发射线圈电流有效值没有发生变化，则维持系数不变。这样实时根据发射线圈电流值对FOD模块的阈值进行调节便能防止出现误判的情况。

在本实施例中，检测线圈的检测值对应的是检测线圈电压的变化量，相应的阈值也是电压变化量乘以某系数。在其他实施例中检测值可以是具体时刻的电压值而非变化量。

需要说明的是，在有金属异物存在的时候，感应磁场会发生变化但是金属异物不会影响发射线圈的电流值，所以第一控制器便能根据发射线圈实际电流的情况去判断检测线圈的检测电压的变化到底是发射线圈电流的非正常波动引起的还是金属异物存在所引起的，所以上述的方法是可实现的。

此外，本发明提出的无线充电发射端还增设了对发射线圈的输出功率进行调节和在发射端电流异常时保护发射端的第二控制器，第二控制器电连接逆变电路和第一控制器。因为接收端离发射端距离、接收端的负载大小等因素都会影响发射线圈的输出功率，所以在充电过程中根据实时检测发射线圈的电气参数进而对发射线圈的输出功率进行调整是必不可少的。因此，第二控制器会接收第一控制器采集的发射线圈的电气参数，并根据该电气参数控制逆变电路开关管的工作状态，进而改变发射线圈的输出功率。

第一控制器实时采集的发射线圈电流的有效值、周期和相位信息都会传送给第二控制器，第二控制器则实时根据原副边电压电流的耦合关系计算出耦合系数，从而对逆变电路开关管的工作状态进行调整，进而控制发射线圈的输出功率，以此实现对发射线圈电流的闭环控制。在对发射线圈电流的闭环控制过程中，第一控制器可以通过调宽、移相以及调整逆变电路的输入电压大小的方式对逆变电路中开关管的占空比进行调节，从而调节发射线圈的输出功率。且在功率传输过程中，逆变电路开关管会设有最小占空比，因为当输出功率小于一定值时，发射端无法通过调节占空比来减小功率，而是通过移相的方式令第一桥臂超前第二桥臂，从而降低输出功率。具体的，在高耦合系数的情况下，为了满足最大功率输出要求，只增大开关管占空比即可满足要求；当处于低耦合系数时，仅仅通过占空比调节无法达到最大功率要求，此时要通过升高PFC电压的方式来调节功率。

与此同时，第一控制器也会采集逆变电路开关管的电流的有效值、周期、相位并将逆变电路开关管的电流信息传输给第二控制器，第二控制器判断发射线圈的电流信息和逆变电路开关管的电流信息是否符合整个电路之间的连接关系、参数匹配关系，从而判断整个无线充电发射端在能量传输的过程中有没有出现故障，若判断出现故障，则第二控制器立即控制逆变电路停止工作。

此外，第一控制器采样时根据采集的发射线圈电流的相位控制自身内部的AD采样模块处于无开关噪音的区域，即控制AD采样模块避开开关管切换时刻。由发射线圈的电流的相位可以得知开关管的开关状态，如图3所示，分别为桥臂中点电压（方波）与线圈电流（正弦波），横坐标为时间，开关管切换点就是噪音点，由于限制了最小占空比，电流过零点没有噪音，所以电流过零点时刻始终避开了开关时刻。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种无线充电发射端，其特征在于，包括：

FOD模块，用于检测无线充电发射端的电路产生的感应磁场内的金属异物；

LOP模块，用于检测无线充电发射端四周的活物；

第一控制器，根据无线充电发射端的电气参数调整FOD模块和LOP模块的工作状态，减少无线充电发射端对FOD模块、LOP模块的检测精度干扰。

2.如权利要求1所述的无线充电发射端，其特征在于，所述无线充电发射端的电路包括：依次连接的整流电路、PFC电路、逆变电路、调谐电路和发射线圈，所述整流电路与电网连接，所述发射线圈与所述第一控制器电连接。

3.如权利要求2所述的无线充电发射端，其特征在于，所述电气参数包括：所述发射线圈电流的有效值、周期和相位；所述逆变电路中开关管电流的有效值、周期和相位，所述电气参数通过所述第一控制器内的AD采样模块采集。

4.如权利要求3所述的无线充电发射端，其特征在于，所述第一控制器根据所述逆变电路中开关管电流的周期控制所述FOD模块避开所述逆变电路产生的高次谐波。

5.如权利要求3所述的无线充电发射端，其特征在于，所述第一控制器根据所述发射线圈电流的有效值调整所述FOD模块预设的阈值。

6.如权利要求3所述的无线充电发射端，其特征在于，所述第一控制器根据所述发射线圈电流的周期控制所述AD采样模块的采样时刻避开所述逆变电路开关管的开关时刻。

7.如权利要求3所述的无线充电发射端，其特征在于，所述无线充电发射端的电路还包括：第二控制器；所述第二控制器连接所述第一控制器和所述逆变电路，所述第二控制器接收所述发射线圈电流的有效值、周期、相位并根据所述发射线圈电流的有效值、周期、相位调整所述发射线圈的输出功率。

8.如权利要求7所述的无线充电发射端，其特征在于，所述第二控制器接收所述逆变电路中开关管电流的有效值、周期和相位，所述第二控制器根据所述发射线圈电流的有效值、周期、相位和所述逆变电路中开关管电流的有效值、周期和相位判断所述无线充电发射端是否存在故障。

9.如权利要求1所述的无线充电发射端，其特征在于，所述FOD模块包括：多个检测线圈或检测线圈阵列；所述LOP模块包括：雷达或超声波传感器。

10.如权利要求7所述的无线充电发射端，其特征在于，所述第二控制器通过调宽、移相的方式调节所述逆变电路中开关管的占空比。

11.如权利要求7所述的无线充电发射端，其特征在于，所述第二控制器通过调整所述逆变电路的输入电压调整所述逆变电路中开关管的占空比。

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