CN114142630B - 一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，提供一种异物检测系统，包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路；激励源通过激励线圈产生交变电磁场，检测线圈列阵中的线圈单元与补偿电容构成谐振频率为交变电磁场频率的谐振检测线圈单元，响应线圈在检测线圈列阵的边缘位置对谐振环节产生的交变电磁场进行检测，并通过检测信号调理电路输出检测信号；当有异物位于检测区域时，检测线圈列阵间的电磁能量传递受到异物影响，检测信号产生相应变化，以此作为检测区域是否存在异物的判断条件。该方法有利于简单、便捷、准确地对无线充电系统进行异物检测。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种利用电磁感应及其谐振补偿网络实现高效非接触电能传输的技术。该技术可广泛应用于高可靠、高绝缘要求的电能传输场景，具有安全、可靠、便捷等优点，具有广阔的应用前景。该技术是中距离无线电能传输的主要技术。
无线充电系统的异物检测是确保系统安全可靠运行的必要功能。不同类型的异物介入耦合线圈时可产生差异化的影响。其中，金属类异物的涡流热效应易产生火灾安全隐患。而活物在功率级电磁场下则会造成生物体电磁暴露超标，对生物组织造成潜在危害，并对人体植入设备等电磁敏感装置造成严重的失效风险。目前国内外无线充电系统异物检测技术的研究主要围绕着金属以及活物(动物)这两类开展。金属异物检测方法从原理上可分为基于介质特性的检测方法与基于外观特性的检测方法。在活物的检测方面，基于外观特性检测的方法在识别活物方面具有较高的优势，目前这几种检测方法对分别检测金属和活物有较高的灵敏度，但不适用于识别多种类多尺寸的异物的通用化检测。
目前，现有的异物检测技术主要存在以下几个问题：
1.大多数异物检测直接采用功率级耦合线圈(发射线圈与接收线圈)作为异物检测线圈可简化异物检测系统的设计，但是其易受传能工况的影响，功率级耦合线圈易相互干扰。
2.现有的检测线圈大多采用谐振环列，使用较小的检测线圈单元可以有效地提高小尺寸异物的检测灵敏度，但随着检测面积的增大，所需的谐振环节数量增多，设计复杂度与成本有所增加。
3.现有的检测线圈单元通常平铺于检测表面，需要通过磁通抵消的方式来实现与功率级线圈的解耦，这不仅使得线圈单元设计的精度要求提高，其抗干扰能力也较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，该方法有利于简单、便捷、准确地对无线充电系统进行异物检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，提供一异物检测系统，所述异物检测系统包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路；
所述检测信号激励源通过检测信号激励线圈产生设定频率的交变电磁场，检测线圈列阵中的线圈单元与其对应的补偿电容构成谐振频率为所述交变电磁场频率的谐振检测线圈单元，所述检测信号响应线圈在检测线圈列阵的边缘位置对谐振环节产生的交变电磁场进行检测，并通过检测信号调理电路输出相应的检测信号；
当有异物位于检测区域时，谐振检测线圈单元的谐振频率发生偏移，使得检测线圈列阵间的电磁能量传递受到异物影响，检测信号产生相应变化，以检测信号的改变作为检测区域是否存在异物的判断条件。
进一步地，所述检测线圈列阵中的谐振检测线圈单元通过放置角度的调整使得谐振检测线圈单元与无线电能传输系统的发射线圈解耦，降低检测线圈与无线电能传输系统发射线圈的相互干扰。
进一步地，所述谐振检测线圈单元的检测线圈平面与发射线圈平面相互垂直，以实现谐振检测线圈单元与发射线圈的解耦。
进一步地，所述检测信号激励源产生一种或多种频率的交变激励电压信号，同时，所述谐振检测线圈单元的自谐振频率存在一个或多个谐振频率，从而利用不同材质、尺寸异物的频率敏感性不同而实现多种类异物的检测。
进一步地，所述线圈单元利用自身的寄生电容作为补偿电容与寄生电感构成自谐振检测线圈单元。
进一步地，所述线圈单元通过外接电容器件作为补偿电容构成谐振检测线圈单元。
进一步地，所述检测信号激励源在单次检测过程中仅产生一个矩形波脉冲，所述脉冲在检测线圈列阵产生振荡衰减的电磁场。
进一步地，所述检测信号调理电路根据检测信号响应线圈输出电压或电流衰减至阈值所需要的时间来判断异物。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，该方法利用谐振电磁能量的传递耗散受异物介入影响的原理，实现检测平面上多种类、多尺寸异物的检测。此外，本发明通过检测线圈单元垂直于功率级发射线圈的多检测线圈单元列阵，实现检测信号发射与接收单元的简化，并降低检测线圈单元受到的干扰。
附图说明
图1为本发明实施例的异物检测系统结构图；
图2为本发明实施例的异物检测系统电路示意图；
图3为本发明实施例中基于能量传递耗散的异物检测原理示意图；
图4为本发明实施例中电磁能量传输功率、损耗衰减与测量示意图；其中，图4(a)为不同情况下的检测线圈列阵电磁能量传输过程中的功率衰减对比示意图；图4(b)为不同情况下的检测线圈列阵电磁能量传输过程中的损耗变化对比示意图；
图5为本发明实施例中用于产生矩形波脉冲的桥式逆变拓扑；
图6为本发明实施例中采用单脉冲激励进行异物检测的基本原理示意图；
图7为本发明实施例中谐振检测线圈结构图；
图8为本发明实施例中自谐振线圈等效电路图；
图9为本发明实施例中检测线圈排布图；其中，图9(a)为方形发射线圈图，图9(b)为圆形发射线圈图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，该方法提供了一种异物检测系统，所述异物检测系统包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路。
所述检测信号激励源通过检测信号激励线圈产生特定频率的交变电磁场，检测线圈列阵中的线圈单元与其对应的补偿电容构成谐振频率为所述交变电磁场频率的谐振检测线圈单元，所述检测信号响应线圈在检测线圈列阵的边缘位置对谐振环节产生的交变电磁场进行检测，并通过检测信号调理电路输出相应的检测信号。
其中，线圈单元可以利用自身的寄生电容作为补偿电容与寄生电感构成自谐振检测线圈单元，或者线圈单元也可以通过外接电容器件作为补偿电容构成谐振检测线圈单元。
所述检测线圈列阵中的检测线圈单元通过放置角度的调整使得检测线圈单元与无线电能传输系统的发射线圈解耦，降低检测线圈与无线电能传输系统发射线圈的相互干扰。在本实施例中，所述检测线圈单元的检测线圈平面与发射线圈平面相互垂直，以实现检测线圈单元与发射线圈的解耦。
如附图2，在本实施例中，所述高频激励源采用带有特定阻抗变换网络的推挽式E类逆变器，可以产生时分多频正弦电流激励信号，所述的检测信号激励源连接激励线圈Le并产生特定频率的交变电磁场。
检测线圈列阵包含n个线圈单元，各线圈单元与对应的补偿电容构成谐振频率为上述交变电磁场频率的谐振检测线圈单元。线圈单元的谐振频率可根据激励源信号频率而存在多个谐振频率点。在谐振频率点上，检测线圈单元的环路阻抗角为零。
检测线圈单元1与激励线圈Le通过电磁感应进行电磁能量的传递。进一步，线圈单元2与线圈单元1间通过电磁感应进行电磁能量的传递。以此类推，检测信号响应线圈Lr在检测线圈列阵的特定位置与检测线圈单元n耦合。进而，响应线圈能够对谐振环节的电磁能量传递进行检测。即，响应线圈的输出电压或电流并通过信号调理电路处理后输出相应的异物检测判断信号。
当有异物位于检测区域时，谐振检测线圈单元的谐振频率发生偏移，使得检测线圈列阵间的电磁能量传递受到异物影响，检测信号产生相应变化，以检测信号的改变作为检测区域是否存在异物的判断条件。
在交变磁场中金属类异物的关键特征参数是电导率σ与磁导率μ，而活物组织、盐水介质在交变电磁场中的关键特征参数则为介电常数ε以及感应涡流作用下的等效电导率；因此，异物介质与电磁场的相互作用能够表征为电导率、磁导率以及介电常数；其参数值具有温度T、频率f相关性；因此，异物的介质特征F表示为：F(T,f)＝[σμε]。
激励源对检测信号激励线圈激励。由于激励线圈与自谐振检测线圈单元间的电磁感应，电磁能量在检测线圈列阵中形成一个传输通路；检测信号响应线圈输出的电压或电流通过信号调理电路进行处理，产生异物检测判断信号。
单个谐振检测线圈单元在单一频率下可等效为电感、电容、电阻串联组成的谐振环路，第n-1谐振环路的阻抗可表示为：
其中，RESR为谐振环路等效串联电阻，M为环路间的互感；假设谐振环路均工作在谐振条件，令各环路电阻相等，则有：接收端负载电阻则为：/>通过上述的阻抗配置，使得各环路的等效激励电流相等，最终使得检测线圈列阵所产生的电磁场均匀分布。
图4给出了检测线圈列阵电磁能量传递以及耗散特征在有异物存在以及无异物存在情况下的差异化特征示意图。
如图4(a)所示，当没有异物的情况下，电磁能量功率在检测线圈列阵所构成的传输通道上近似线性衰减。即，如图4(b)所示，每个检测线圈单元的损耗近似相等。
如图4(a)所示，当有异物进入检测线圈列阵所构成的异物检测平面时，上述的检测线圈单元所构成的谐振环路阻抗被异物所改变，即谐振频率发生偏移。其在正常情况下的功率传输衰减发生改变。如图4(b)所示，所对应的各检测线圈单元功率损耗也发生改变。最终，谐振检测线圈单元的电磁能量传输过程发生改变，这一改变随着多个检测线圈单元的电磁能量传递而进行累加，使得反应在检测信号响应线圈的输出电压或电流发生改变，这一信号的改变能够被信号调理电路进行检测并作为异物检测的判断依据。
如图2所示，这一电磁能量传递耗散特征可通过峰值检测电容Cr的检测电压大小进行判断。不失一般性地，此处的信号处理电路可采用运算放大器进行放大、滤波等处理以提高信号检测的灵敏度。
如图5所示，进一步地，本发明也可采用采用单脉冲对激励线圈进行激励。如图6所示，检测线圈列阵在单脉冲激励下产生自由振荡。由于检测线圈列阵在不同异物条件下的谐振衰减时间不同，通过与正常情况衰减时间的对比可作为异物检测的判断依据。不失一般性地，采用窗口比较器进行衰减信号电压或电流与特定阈值的比较。信号的衰减过程产生一定宽度的矩形波，矩形波宽度t1作为衰减特征测量输出信号，并作为异物检测的判断信号。
图7是单频或多频谐振检测线圈单元的一种结构实例，自谐振线圈采用螺旋形结构。自谐振线圈可通过补偿电容来调整自谐振频率，从而实现所需的谐振频率调整以适应检测异物所需要的检测频率。当自谐振线圈位于列阵起始位置时，该自谐振线圈相邻位置放置有激励线圈以实现谐振线圈的激励。同样，当自谐振线圈位于列阵的结束位置时，自谐振线圈的邻近位置还包含一个检测接收响应线圈，用于对检测信号进行采集。本实施例采用自谐振线圈，检测线圈无需补偿或者部分补偿就可以工作在谐振模式。
自谐振检测线圈的等效电路如图8所示。自谐振线圈的谐振频率与寄生电容、电感、电阻参数直接相关。线圈的寄生参数受导体宽度、绝缘层厚度、导体层间的重叠等几何参数的影响。因此，可通过改变线圈的几何参数来获得自谐振线圈需要的多个本征频率。在实施例中，我们选择以PCB作为激励线圈、检测线圈、响应线圈。PCB导体的宽度、绝缘层厚度、导体层的交错会影响寄生参数，进而影响谐振频率。通过有限元仿真，可获得所需的谐振频率。在本实施例中，可通过有限元仿真对不同几何参数下的自谐振频率进行分析，最终获得所需的检测频率。在本实例中，所获得谐振频率为6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz。通过多个激励频率，使得异物检测系统能够针对多种类，多尺寸的异物进行通用化的检测。不失一般性的，通过采用圆柱形铜导体螺旋形空心线圈也可作为本实例的激励线圈、检测线圈列阵单元、响应线圈。
图9给出了两种自谐振检测线圈的排布实例。不失一般性的，自谐振检测线圈依次排布，且检测信号的激励线圈、检测线圈、响应线圈的线圈平面垂直于发射线圈平面，即，检测线圈列阵的排列形式为“多米诺”。通过这种相互垂直或者近似垂直的排列方式，异物检测系统的线圈与无线电能传输系统的发射线圈解耦。即，发射线圈的电磁场变化不会被信号调理电路检测到。
当异物出现在传输通道时，传输通路的自谐振频率将发生偏移，通路后端的接收功率下降，激励端的输入功率以及经过异物后的功率衰减速度将产生变化。采用此线圈阵列排布，其受到功率级耦合线圈的影响可明显降低，并避免检测线圈对发射线圈的覆盖而影响功率级耦合线圈的能量传输。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，其特征在于，提供一种异物检测系统，所述异物检测系统包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路；
所述检测信号激励源通过检测信号激励线圈产生设定频率的交变电磁场，检测线圈列阵中的线圈单元与其对应的补偿电容构成谐振频率为所述交变电磁场频率的谐振检测线圈单元，所述检测信号响应线圈在检测线圈列阵的边缘位置对谐振环节产生的交变电磁场进行检测，并通过检测信号调理电路输出相应的检测信号；
当有异物位于检测区域时，谐振检测线圈单元的谐振频率发生偏移，使得检测线圈列阵间的电磁能量传递受到异物影响，检测信号产生相应变化，以检测信号的改变作为检测区域是否存在异物的判断条件；
所述检测线圈列阵中的谐振检测线圈单元通过放置角度的调整使得谐振检测线圈单元与无线电能传输系统的发射线圈解耦，降低检测线圈与无线电能传输系统发射线圈的相互干扰；
所述谐振检测线圈单元的检测线圈平面与发射线圈平面相互垂直，以实现谐振检测线圈单元与发射线圈的解耦；
所述线圈单元利用自身的寄生电容作为补偿电容与寄生电感构成自谐振检测线圈单元；
检测线圈列阵包含n个线圈单元，各线圈单元与对应的补偿电容构成谐振频率为所述交变电磁场频率的谐振检测线圈单元；第一谐振检测线圈单元与检测信号激励线圈通过电磁感应进行电磁能量的传递；第二谐振检测线圈单元与第一谐振检测线圈单元之间通过电磁感应进行电磁能量的传递，以此类推；检测信号响应线圈与第n谐振检测线圈单元耦合；
当自谐振检测线圈单元位于列阵起始位置时，该自谐振检测线圈单元相邻位置放置有检测信号激励线圈以实现谐振线圈的激励；当自谐振检测线圈单元位于列阵的结束位置时，该自谐振检测线圈单元的邻近位置还包含检测信号响应线圈，用于对检测信号进行采集；
自谐振检测线圈单元依次排布，且检测信号激励线圈、自谐振检测线圈单元、检测信号响应线圈的线圈平面垂直于发射线圈平面。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，其特征在于，所述检测信号激励源产生一种或多种频率的交变激励电压信号，同时，所述谐振检测线圈单元的自谐振频率存在一个或多个谐振频率，从而利用不同材质、尺寸异物的频率敏感性不同而实现多种类异物的检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，其特征在于，所述线圈单元也可通过外接电容器件作为补偿电容构成谐振检测线圈单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，其特征在于，所述检测信号激励源在单次检测过程中仅产生一个矩形波脉冲，所述脉冲在检测线圈列阵产生振荡衰减的电磁场。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁能量传递耗散的异物检测方法，其特征在于，所述检测信号调理电路根据检测信号响应线圈输出电压或电流衰减至阈值所需要的时间来判断异物。
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-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111437969.1A patent/CN114142630B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 无线电能传输系统中铁磁性金属异物对DD/BP磁耦合机构的影响研究;周润棠等;电子测量技术;第44卷(第17期);19-25 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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Legal Events
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