CN114421650A - 金属异物检测电路及无盲区的无线充电金属异物检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属异物检测电路及无盲区的无线充电金属异物检测系统，电路包括按四个象限平面分布的四个盲区检测线圈，其中第一与第三象限盲区检测线圈连接在第一差分异物检测电路上；第二与第四象限盲区检测线圈连接在第二差分异物检测电路上，两差分异物检测电路中均设置有差分放大电路，一个盲区检测线圈经过过补偿信号采集通道接入差分放大电路的一个输入端，另一盲区检测线圈经过欠补偿信号采集通道接入差分放大电路的另一个输入端，第一差分异物检测电路或/和所述第二差分异物检测电路的输出电压的绝对值高于预设阈值时，则判断为存在金属异物。其效果是：能够灵敏的检测无线充电系统发射线圈上部的整个区域，而没有任何的检测盲区。

Description

金属异物检测电路及无盲区的无线充电金属异物检测系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域中的异物检测技术，尤其涉及一种金属异物检测电路及无盲区的无线充电金属异物检测系统。
背景技术
在电动汽车无线充电系统工作时，由于发射线圈和接收线圈间存在强电磁耦合区域，因此任何进入或接近该耦合区域的金属异物都会改变耦合机构的电气参数，造成系统偏离正常工作点，影响其输出功率和传输效率。金属异物由于存在涡流效应会导致自身温度上升并引起火灾等事故，存在巨大的安全隐患。
现有基于检测线圈的无线充电系统金属异物检测方案，虽然能够较为灵敏的实现金属异物的检测，但检测盲区的存在会导致该方式仍存在一定的安全隐患，而叠加检测线圈的盲区消除方法成倍增加了系统成本，因此需要一种新的方式以更低的成本实现金属异物检测系统盲区的消除。
发明内容
鉴于上述缺陷，本发明首要目的在于提供一种金属异物检测电路，实现现有系统检测盲区的消除，弥补差分结构异物检测线圈存在检测盲区的不足。
为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种金属异物检测电路，其关键在于，包括按四个象限平面分布的四个盲区检测线圈，其中第一象限盲区检测线圈与第三象限盲区检测线圈连接在第一差分异物检测电路上；第二象限盲区检测线圈与第四象限盲区检测线圈连接在第二差分异物检测电路上，所述第一差分异物检测电路与所述第二差分异物检测电路中均设置有差分放大电路，其中，一个盲区检测线圈经过过补偿信号采集通道接入差分放大电路的一个输入端，另一个盲区检测线圈经过欠补偿信号采集通道接入差分放大电路的另一个输入端，所述第一差分异物检测电路或/和所述第二差分异物检测电路的输出电压的绝对值高于预设阈值时，则判断为存在金属异物。
当采用全区异物检测线圈组进行检测时，由于其中心对称的检测线圈分布和差分的检测方式导致线圈中点处出现检测盲区，因此设计盲区金属异物检测线圈组，并且对两个盲区检测线圈组分别进行电容串联过补偿和欠补偿。在盲区金属异物检测线圈附近不存在金属异物时，盲区检测线圈上的感应电压相同，分别经过欠补偿电路和过补偿电路进行滤波后，在串联电阻两端输出相同幅度但相位不同的采样电压，采样电压经过带通滤波和整流后，输入差分放大电路输出金属异物检测电压为零；当金属异物存在时，盲区检测线圈上的感应电压虽然幅值相同但是相对于无异物时的电压矢量不同，因此经过欠补偿和过补偿方式后，输出的采样电压幅值不同，采样电压经过带通滤波和整流后，输入差分放大电路输出金属异物检测信号UOA、UOB，与预设电压阈值进行比较，从而判断盲区位置上的金属异物是否存在。
可选地，所述过补偿信号采集通道包括依次连接的过补偿电路、带通滤波电路以及整流滤波电路；所述欠补偿信号采集通道包括依次连接的欠补偿电路、带通滤波电路以及整流滤波电路。
可选地，所述过补偿电路和所述欠补偿电路均采用串联电容补偿方式。
可选地，所述四个盲区检测线圈结构相同。
基于上述金属异物检测电路，本发明的另一目的在于提供一种无盲区的无线充电金属异物检测系统，其关键在于，包括全区异物检测电路和盲区异物检测电路，所述全区异物检测电路包括对应于无线充电发射线圈设置的全区异物检测线圈模组，所述盲区异物检测电路采用前文所述的金属异物检测电路，其中的四个盲区检测线圈设置在所述全区异物检测电路的检测盲区，且位于所述全区异物检测线圈模组的上方。
可选地，所述金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈所覆盖的面积大于所述全区异物检测电路的盲区面积。
可选地，所述全区异物检测线圈模组设置有多个呈中心对称分布的全区异物检测子线圈，且铺设于无线充电发射线圈的上表面；所述金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈位于所述全区异物检测线圈模组中心的上方。
可选地，所述全区异物检测子线圈与所述金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈均为矩形线圈，且宽度相同。
可选地，所述全区异物检测线圈模组中的全区异物检测子线圈按照2×8阵列式分布。
可选地，参数设计时，所述过补偿信号采集通道和所述欠补偿信号采集通道中的补偿电容和采样电阻根据采样电压方程UD进行选取，根据先确定采样电阻再确定补偿电容的设计原则进行参数匹配；
Figure BDA0003475061980000031
其中：M为无线充电发射线圈与盲区异物检测线圈之间的互感大小，UOC为无线充电发射线圈上的开路电压，RD为盲区异物检测线圈串联的采样电阻大小，RP是无线充电发射线圈的内阻与接收线圈电路等效到发射线圈侧引入阻抗的总和，RS表示盲区异物检测线圈的内阻，ω为系统工作频率。
本发明的显著效果是：
(1)本发明基于全区差分异物检测线圈方案提出增加盲区差分异物检测线圈，使异物检测系统能够灵敏的检测无线充电系统发射线圈上部的整个区域，而没有任何的检测盲区。
(2)本发明对检测线圈串联谐振电路的设计提升了系统对金属异物的检测灵敏度，盲区异物检测线圈的设计保证了系统的检测准确度。
附图说明
图1是现有的异物检测方案检测盲区位置示意图；
图2是本发明的线圈安装结构示意图；
图3是本发明提出的盲区检测线圈的安装位置示意图；
图4是本发明提出的第一差分异物检测电路的电路原理图；
图5是本发明提出的第二差分异物检测电路的电路原理图；
图6是异物不存在时盲区异物检测电路的阻抗向量分析图；
图7异物存在时盲区异物检测电路的阻抗向量分析图；
图8是采样电阻两端电压与串联补偿电容和采样电阻关系图；
图9为具体实施例中无金属异物时盲区差分异物检测电路输出电压波形；
图10具体实施例中盲区差分异物检测电路采样电压波形；
图11具体实施例中有金属异物时盲区差分异物检测电路输出电压波形；
图中标注：1-无线充电发射线圈、2-全区异物检测电路，3-盲区异物检测电路3、31-过补偿电路和欠补偿电路、32-带通滤波电路、33-整流滤波电路、34-差分放大电路。
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所示，传统的全区金属异物检测线圈往往采用中心对称的差分结构，在金属异物位于发射线圈中心位置时，对同组的两个检测线圈磁场造成相同影响，此时差分电压输出为零，无法实现发射线圈中心位置的金属异物检测，因此其中心区域存在检测盲区的问题。
为了实现无盲区金属异物检测，本发明首先提出了一种金属异物检测电路，结合图2、图3、图4和图5可以看出，包括按四个象限平面分布的四个盲区检测线圈，其中第一象限盲区检测线圈与第三象限盲区检测线圈连接在第一差分异物检测电路上；第二象限盲区检测线圈与第四象限盲区检测线圈连接在第二差分异物检测电路上，所述第一差分异物检测电路与所述第二差分异物检测电路中均设置有差分放大电路，其中，一个盲区检测线圈经过过补偿信号采集通道接入差分放大电路的一个输入端，另一个盲区检测线圈经过欠补偿信号采集通道接入差分放大电路的另一个输入端，所述第一差分异物检测电路或/和所述第二差分异物检测电路的输出电压的绝对值高于预设阈值时，则判断为存在金属异物。
具体实施时，四个盲区检测线圈结构相同，过补偿信号采集通道包括依次连接的过补偿电路、带通滤波电路以及整流滤波电路，欠补偿信号采集通道包括依次连接的欠补偿电路、带通滤波电路以及整流滤波电路。
从图4和图5中可以看出，过补偿电路和欠补偿电路31均采用串联电容补偿方式，包括补偿电容和采样电阻，通过参数设计，串联电容补偿后电路总阻抗jωXD>0时为欠补偿，电路总阻抗jωXD<0时为过补偿，带通滤波电路32采样巴特沃斯二阶有源带通滤波电路，中心频率设计为电动汽车无线充电的工作频率，本实施例为85kHz，带通滤波电路输入电压为过补偿电路或欠补偿电路的采样电压，整流滤波电路33采用二极管和电容进行整流滤波，带通滤波电路32输出电压经过整流滤波电路33后变为直流输出，最后通过差分放大电路34进行差分放大处理，输出差分电压UOA、UOB，本例中四个盲区检测线圈分别为C1、C2、C3、C4，其中，C2、C3与欠补偿信号采集通道连接，C1、C4与过补偿信号采集通道连接，第一差分异物检测电路输出差分电压记为UOA，第二差分异物检测电路输出差分电压记为UOB，串联电容分别过补偿和欠补偿盲区检测线圈，通过设计合理的串联电容值，使得在盲区异物检测线圈附近不存在金属异物时采样电阻两端电压幅值相同，采样电压经带通滤波电路滤波后整流，最后接入差分放大电路，实现盲区差分异物检测电路在无金属异物时的零差分电压输出；当金属异物存在时，由于盲区异物检测线圈组不同的补偿方式导致输出整流电压的不同，因此盲区检测电路输出电压信号，实现盲区附近的金属异物检测，具体原理如下：
当金属异物不存在时，两个盲区检测电路的阻抗向量如图6所示。
C1盲区检测电路为电容欠补偿，此时jωLD＞1/jωCD1,jωXD1＞0；C3盲区检测电路为电容过补偿，此时jωLD＜1/jωCD3,jωXD3＜0。设置合理的电容使检测电路的采样电压幅值相同，从而消除不完全补偿带来的幅值差；
当金属异物存在时，两个盲区异物检测电路的阻抗向量如图7所示。
由图7可见，盲区异物检测线圈会受到金属异物等效阻抗的影响，从而导致谐振状态的改变。金属异物等效阻抗的存在会导致电容欠补偿和电容过补偿盲区检测电路的采样电压幅值具有不同的变化幅度，同样大小的金属异物等效阻抗作用于两个盲区异物检测线圈上产生不同的电压幅值变化，通过整流滤波消除因补偿方式不同造成的相位偏差，最终差分放大输出盲区金属异物检测信号，通过经验数据可以设置好阈值电压UMTH，当差分异物检测电路输出电压超过其安全阈值UMTH时，系统即可报警并停止工作。
具体实施时，可以得到图2所示的一种无盲区的无线充电金属异物检测系统，图中包括无线充电发射线圈1、全区异物检测电路2和盲区异物检测电路3，所述全区异物检测电路2包括对应于无线充电发射线圈1设置的全区异物检测线圈模组，从图中可以看出，全区异物检测线圈模组设置有多个呈中心对称分布的全区异物检测子线圈，且铺设于无线充电发射线圈的上表面，本例中全区异物检测子线圈设置成矩形并按照2×8阵列式分布；A1,A2,…,A16、B16,…,B2,B1等16组全区异物检测子线圈依次铺满无线充电发射线圈1表面；盲区异物检测电路3采用前文所述的金属异物检测电路，其中的四个盲区检测线圈设置在全区异物检测线圈模组的中心，且位于全区异物检测子线圈的上方，本例中四个盲区检测线圈均为矩形线圈，且宽度与全区异物检测子线圈相同。
为了实现检测盲区的全覆盖，金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈所覆盖的面积大于所述全区异物检测电路的盲区面积。
参数设计时，所述过补偿信号采集通道和所述欠补偿信号采集通道中的补偿电容和采样电阻根据采样电压方程UD进行选取，根据先确定采样电阻再确定补偿电容的设计原则进行参数匹配；
Figure BDA0003475061980000061
其中：M为无线充电发射线圈与盲区异物检测线圈之间的互感大小，UOC为无线充电发射线圈上的开路电压，RD为盲区异物检测线圈串联的采样电阻大小，RP是无线充电发射线圈的内阻与接收线圈电路等效到发射线圈侧引入阻抗的总和，RS表示盲区异物检测线圈的内阻，ω为系统工作频率。
由图8可见，当盲区差分异物检测电路串联采样电阻为0.1Ω时，串联不完全补偿电容值具有更为广泛的选取范围，因此分别选择3.2uF和12uF的补偿电容来实现检测线圈的欠补偿和过补偿，来实现无金属异物时的采样电压幅值相同。
为了进一步理解上述发明的技术效果，本实施例进一步应用到电动汽车无线电能传输平台进行验证，系统相关尺寸参数如表1所示，相关电气参数如表2所示。
表1系统实验参数
Figure BDA0003475061980000071
表2系统电气参数
Figure BDA0003475061980000072
为验证盲区差分异物检测电路性能并确定其电压阈值，进行盲区差分异物检测电路的功能验证实验，并根据实验验证结果确定其判定电压阈值大小。
当不存在金属异物时，盲区金属异物检测电路的输出电压如图9所示，此时盲区差分异物检测电路的输出电压大小为17.8mV，此时盲区异物检测线圈连接的采样电阻两端电压幅值如图10所示，可见两种检测线圈电容补偿方式的输出电压幅值基本相同，为3.55V。
当金属异物位于所述检测盲区位置时，盲区差分异物检测电路输出电压如图11所示。
从图11可以看出，盲区差分异物检测电路输出检测电压为-224mV，考虑盲区位置可能会有更小的金属异物存在，因此设置盲区异物检测电压阈值UMTH＝0.1V，当某一盲区差分异物检测电路的输出电压绝对值高于0.1V时，系统将停止工作，从而保证电动汽车无线充电系统的安全性。
不难看出本发明提出的金属异物检测电路及无盲区的无线充电金属异物检测系统，能消除异物检测线圈存在检测的盲区，并保证了电动汽车无线充电系统的安全运行。
最后需要说明的是，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 (10)

1.一种金属异物检测电路，其特征在于，包括按四个象限平面分布的四个盲区检测线圈，其中第一象限盲区检测线圈与第三象限盲区检测线圈连接在第一差分异物检测电路上；第二象限盲区检测线圈与第四象限盲区检测线圈连接在第二差分异物检测电路上，所述第一差分异物检测电路与所述第二差分异物检测电路中均设置有差分放大电路，其中，一个盲区检测线圈经过过补偿信号采集通道接入差分放大电路的一个输入端，另一个盲区检测线圈经过欠补偿信号采集通道接入差分放大电路的另一个输入端，所述第一差分异物检测电路或/和所述第二差分异物检测电路的输出电压的绝对值高于预设阈值时，则判断为存在金属异物。
2.根据权利要求1所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述过补偿信号采集通道包括依次连接的过补偿电路、带通滤波电路以及整流滤波电路；所述欠补偿信号采集通道包括依次连接的欠补偿电路、带通滤波电路以及整流滤波电路。
3.根据权利要求2所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述过补偿电路和所述欠补偿电路均采用串联电容补偿方式。
4.根据权利要求1-3任一所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述四个盲区检测线圈结构相同。
5.一种无盲区的无线充电金属异物检测系统，其特征在于，包括全区异物检测电路和盲区异物检测电路，所述全区异物检测电路包括对应于无线充电发射线圈设置的全区异物检测线圈模组，所述盲区异物检测电路采用权利要求1-4任一所述的金属异物检测电路，其中的四个盲区检测线圈设置在所述全区异物检测电路的检测盲区，且位于所述全区异物检测线圈模组的上方。
6.根据权利要求5所述的无盲区的无线充电金属异物检测系统，其特征在于，所述金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈所覆盖的面积大于所述全区异物检测电路的盲区面积。
7.根据权利要求6所述的无盲区的无线充电金属异物检测系统，其特征在于，所述全区异物检测线圈模组设置有多个呈中心对称分布的全区异物检测子线圈，且铺设于无线充电发射线圈的上表面；所述金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈位于所述全区异物检测线圈模组中心的上方。
8.根据权利要求7所述的无盲区的无线充电金属异物检测系统，其特征在于，所述全区异物检测子线圈与所述金属异物检测电路中的四个盲区检测线圈均为矩形线圈，且宽度相同。
9.根据权利要求8所述的无盲区的无线充电金属异物检测系统，其特征在于，所述全区异物检测线圈模组中的全区异物检测子线圈按照2×8阵列式分布。
10.根据权利要求5-9任一所述的无盲区的无线充电金属异物检测系统，其特征在于：参数设计时，所述过补偿信号采集通道和所述欠补偿信号采集通道中的补偿电容和采样电阻根据采样电压方程UD进行选取，根据先确定采样电阻再确定补偿电容的设计原则进行参数匹配；
Figure FDA0003475061970000021
其中：M为无线充电发射线圈与盲区异物检测线圈之间的互感大小，UOC为无线充电发射线圈上的开路电压，RD为盲区异物检测线圈串联的采样电阻大小，RP是无线充电发射线圈的内阻与接收线圈电路等效到发射线圈侧引入阻抗的总和，RS表示盲区异物检测线圈的内阻，ω为系统工作频率。
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