CN115166021A - 一种金属异物检测电路及滤波器的设计方法 - Google Patents

一种金属异物检测电路及滤波器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线输电系统技术领域，具体涉及一种金属异物检测电路及滤波器的设计方法，包括：异物检测线圈和检测模块，所述检测模块通过一谐振电容连接至所述异物检测线圈并向所述异物检测线圈输出一驱动信号，随后对所述异物检测线圈采集反馈信号；所述检测模块和所述谐振电容的连接点设置有一第一滤波器。本发明的有益效果在于：通过在金属异物检测电路中设置滤波器，并针对工作时产生的感生信号进行过滤，从而避免了现有技术中的金属异物检测电路在主功率线圈工作时因感生电压的影响无法正常工作的问题，提高了无线输电系统整体的安全性。

Description

一种金属异物检测电路及滤波器的设计方法
技术领域
本发明涉及无线输电系统技术领域，具体涉及一种金属异物检测电路及滤波器的设计方法。
背景技术
无线输电系统，是一种基于电磁感应原理实现的、不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。随着无线输电技术的研究的深入,无线输电产业的发展,无线输电技术的应用场景变得更加丰富。比如，在新能源汽车领域，无线输电系统由于不需要采用电缆直接连接车辆，因此能够在部分场景，比如路口、站台等场所实现无接触充电，进而避免了传统电动汽车需要长时间连接线缆进行充电的缺点。但是，随着无线输电系统的功率提升，安全问题也正逐步凸显出来。
现有技术中，当无线输电系统工作时，偶尔会存在有金属异物掉落在线圈的感应范围中。在这种情况下，金属异物容易因为涡流效应导致严重发热，进而产生火灾隐患。针对这一问题，现有技术的做法是在无线输电系统中设置异物感测电路，通过设置检测线圈并根据检测线圈的阻抗变化情况判断磁场中是否存在金属异物。
但是，在实际实施过程中，发明人发现，为实现较好的检测效果，通常会将检测线圈设置于主功率线圈中。而当主功率线圈在工作时，检测线圈会产生相应的感生电压，进而使得金属异物检测电路不能正常工作。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种金属异物检测电路及滤波器的设计方法。
具体技术方案如下：
一种金属异物检测电路，适用于一无线输电系统，所述无线输电系统具有一主线圈，所述主线圈中设置有所述金属异物检测电路的异物检测线圈；
所述金属异物检测电路还包括一检测模块，所述检测模块通过一谐振电容连接至所述异物检测线圈并向所述异物检测线圈输出一驱动信号，随后对所述异物检测线圈采集反馈信号；
所述检测模块和所述谐振电容的连接点设置有一第一滤波器。
优选地，所述检测模块包括：
驱动单元，所述驱动单元的输出端连接所述谐振电容，以向所述异物检测线圈输出所述驱动信号；
处理单元，所述处理单元的输出端连接所述驱动单元的输入端；
采样单元，所述采样单元的输入端连接所述谐振电容，以获取所述反馈信号，所述采样单元的输出端连接所述处理单元的输入端。
优选地，所述驱动单元包括：
数模转换器，所述数模转换器的输入端连接所述处理单元的输出端；
第二滤波器，所述第二滤波器的输入端连接所述数模转换器的输出端；
第一缓冲器，所述第一缓冲器的输入端连接所述第二滤波器的输出端；
电阻，所述电阻的第一端连接所述第一缓冲器的输出端，所述电阻的第二端连接所述异物检测线圈。
优选地，所述驱动单元包括：
数模转换器，所述数模转换器的输入端连接所述处理单元的输出端；
第二滤波器，所述第二滤波器的输入端连接所述数模转换器的输出端；
第一缓冲器，所述第一缓冲器的输入端连接所述第二滤波器的输出端。
优选地，所述第一滤波器的第一端连接所述谐振电容与所述检测模块的连接点，所述第一滤波器的第二端接地；
所述第一滤波器的电感参数根据所述无线输电系统的工作频率确定一种滤波器的设计方法，适用于上述的金属异物检测电路，包括：
步骤S1：针对一无线输电系统，获取所述无线输电系统的工作频率；
步骤S2：当所述无线输电系统工作时，获取异物检测线圈于所述工作频率上输入的感生电压；
步骤S3：根据所述感生电压生成第一滤波器的电感参数。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S31：根据所述感生电压和预先设置的一正常工作阈值生成一期望衰减；
步骤S32：获取所述无线输电系统的器件参数，根据所述器件参数和所述期望衰减生成所述第一滤波器的电感参数。
优选地，所述步骤S32中，所述第一滤波器的生成方法为：
Figure BDA0003667421990000031
其中，L1为异物检测线圈的自感值，ω为所述工作频率，L2为所述电感参数，C1为谐振电容的电容值，V1为异物检测线圈的感生电压，V0为输入检测模块的过滤电压，Gain为信号衰减增益，Atte为所述期望衰减。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过在金属异物检测电路中设置滤波器，并针对工作时产生的感生信号进行过滤，从而避免了现有技术中的金属异物检测电路在主功率线圈工作时因感生电压的影响无法正常工作的问题，提高了无线输电系统整体的安全性。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例的整体示意图；
图2为本发明实施例中滤波器设计方法示意图；
图3为本发明实施例中步骤S3子步骤示意图；
图4为本发明实施例中未设置第一滤波器时的等效电路；
图5为本发明实施例中设置第一滤波器时的等效电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括：
一种金属异物检测电路，适用于一无线输电系统，无线输电系统具有一主线圈，主线圈中设置有金属异物检测电路的异物检测线圈；
如图1所示，金属异物检测电路还包括一检测模块A1，检测模块A1通过一谐振电容C1连接至异物检测线圈L1并向异物检测线圈L1输出一驱动信号，随后对异物检测线圈采集反馈信号；
检测模块A1和异物检测线圈L1的连接点设置有一第一滤波器L2。
具体地，针对现有技术中的金属异物检测电路在主线圈工作时无法正常工作的问题，本实施例中，通过在异物检测线圈L1的谐振电容C1后方设置第一滤波器L2，针对异物检测线圈L1在工作时产生的感生电压进行衰减，从而使得金属异物检测电路在无线输电系统进行输电时可以正常工作，提高了无线输电系统在工作时的安全性。
在实际实施过程中，上述无线输电系统根据需要被配置为发射端或者接收端。根据发射端和接收端的不同，主线圈为输电线圈或耦合于输电线圈的受电线圈。异物检测线圈L1为用于检测主线圈的感应范围中的金属异物的线圈，其通常和主线圈设置于同一平面上，并与主线圈同心设置。
在一种较优的实施例中，检测模块A1包括：
驱动单元A2，驱动单元A2的输出端连接谐振电容L1，以向异物检测线圈输出驱动信号；
处理单元DPU，处理单元DPU的输出端连接驱动单元的输入端；
采样单元A3，采样单元A3的输入端连接谐振电容C1，以获取反馈信号，采样单元的输出端连接处理单元的输入端。
具体地，为实现较好的金属异物检测效果，本实施例中，将检测模块A1设置为一激励&采样电路，通过处理单元DPU控制驱动单元A2生成对应的驱动信号，随后采用采样单元A3接收自异物检测线圈L1返回的反馈信号，进而可根据反馈信号和驱动信号得到异物检测线圈L1的阻抗变化，以此实现较好的金属异物检测效果。
在实施过程中，上述处理单元DPU可根据实际需要设置为一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、DSP、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU)、微处理器(Microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于实现特定频率的驱动信号的生成，以及对反馈信号的处理、识别。
在一种较优的实施例中，驱动单元A2包括：
数模转换器U1，数模转换器U1的输入端连接处理单元DPU的输出端；
第二滤波器U2，第二滤波器U2的输入端连接数模转换器U1的输出端；
第一缓冲器U3，第一缓冲器U3的输入端连接第二滤波器U2的输出端；
电阻R1，电阻R1的第一端连接第一缓冲器U3的输出端，电阻R1的第二端连接谐振电容C1。
具体地，为实现对金属异物较好的检测效果，本实施例中，通过在驱动单元A2中依次设置用于生成特定频率信号的数模转换器U1、用于对数模转换器U1输出信号进行带通滤波的第二滤波器U2、用于对信号相位进行校准的第一缓冲器U3和电阻R1。可使得驱动单元A1在处理单元DPU的控制下生成一激励信号，并根据需要调整激励信号的频率和相位，以使得在采样单元A3获得反馈信号并输入处理单元DPU后，可根据该频率的信号变化情况有效判断出线圈的感应范围中是否存在有金属异物。
在一种较优的实施例中，采样单元A3包括：
第二缓冲器U4，第二缓冲器U4的输入端连接谐振电容C1；
第三滤波器U5，第三滤波器U5的输入端连接第二缓冲器U4的输出端；
模数转换器U6，模数转换器U6的输入端连接第三滤波器U5的输出端，模数转换器U6的输出端连接处理单元DPU的输入端。
具体地，为实现对金属异物较好的检测效果，本实施例中，通过在采样单元A3中依次设置用于进行相位匹配的第二缓冲器U4、用于对输入信号进行带通滤波的第三滤波器U5、用于对输入信号进行采样的模数转换器U6，可使得采样单元A3对异物检测线圈L1输出的反馈信号依次进行相位匹配、滤波、采样后输入处理单元U2中，进而使得处理单元U2可根据输入的特定频率的反馈信号和输出的驱动信号进行比较，以此来得出异物检测线圈L1上的阻抗变化情况，实现较好的金属异物检测效果。
在一种较优的实施例中，第一滤波器L2的第一端连接谐振电容C2与检测模块A1的连接点，第一滤波器L2的第二端接地；
第一滤波器L2的电感参数根据无线输电系统的工作频率确定。
一种滤波器的设计方法，适用于上述的金属异物检测电路，如图2所示，包括：
步骤S1：针对一无线输电系统，获取无线输电系统的工作频率；
步骤S2：当无线输电系统工作时，获取异物检测线圈于工作频率上输入的感生电压；
步骤S3：根据感生电压和工作频率生成第一滤波器的电感参数。
具体地，针对一无线输电系统，其主线圈在工作时会使得金属异物检测线圈上生成感应电压，从而使得金属异物检测电路不能正常工作的问题，本实施例中通过对无线输电系统的工作频率以及无线输电系统会在异物检测线圈上形成的感生电压进行分析，从而针对这一电压信号进行有效的衰减，避免了幅值较大的感生电压随着反馈信号一同输入采样单元A3，从而影响处理单元DPU正常比较驱动信号和反馈信号的问题。
在一种较优的实施例中，如图3所示，步骤S3包括：
步骤S31：根据感生电压和预先设置的一正常工作阈值生成一期望衰减；
步骤S32：获取金属异物检测电路的器件参数，根据器件参数和期望衰减生成第一滤波器的电感参数。
具体地，为实现处理单元DPU对特定频率的反馈信号较好的检测效果，本实施例中，通过对无线输电系统工作时产生的感生电压和采样单元A2、处理单元DPU正常工作时的正常工作阈值进行比较，生成一针对该感生电压的期望衰减，从而可根据金属异物检测电路的器件参数设置一滤波器，以将感生电压衰减至处理单元DPU的正常工作阈值。
在一种较优的实施例中，步骤S32中，第一滤波器的生成方法为：
Figure BDA0003667421990000071
其中，Z1为异物检测线圈的阻抗，Z2为第一滤波器的阻抗，Z3为谐振电容的阻抗，L1为异物检测线圈的自感值，ω为工作频率的角频率，L2为电感参数，C1为谐振电容的电容值，V1为异物检测线圈的感生电压，V0为输入检测模块的过滤电压，Gain为信号衰减增益，Atte为期望衰减。
下面结合一具体实施例进行进一步说明。
以图1所示的金属异物检测电路为例，该金属异物检测电路包含处理单元DPU，驱动单元A2和采样单元A3。在该实施例中，无线输电系统的工作频率为85Khz，针对这一工作频率，通过驱动单元A2输出一3Mhz的驱动信号以实现对金属异物较好的检测效果。其中，异物检测线圈L1的自感为5uH，谐振电容在3Mhz工作条件下被配置为560pF。
当未设置第一滤波器L2时，其等效电路如图4所示，L4为主线圈，U7为用于模拟主线圈工作时的电磁变化情况的交流源，该交流源的频率与无线输电系统的工作频率相同，均为85Khz。在该工况下，基于变压器公式可得出异物检测线圈L1的感生电压V1约为60Vrms。由于异物检测线圈L1与谐振电容C1之间没有闭合回路，因此感生电压V1会直接作用于谐振电容C1后方，即采样单元A3的输入端，进而使得输入电压V0≈60Vrms影响对3Mhz的驱动信号的采样，从而使得金属异物检测电路无法正常工作。
当设置第一滤波器L2时，其等效电路如图5所示，第一滤波器L2通过接地端与异物检测线圈L1、谐振电容C1形成一闭合回路。此时，通过调整第一滤波器L2的电感值可实现对感生电压有效衰减。
针对该型金属异物检测电路，为实现在感生电压V1约为60Vrms条件下对3Mhz的驱动信号的正常采样采样，其期望衰减应当为-56dB。将相应参数代入上式可得出第一滤波器L2的电感值在10uH时，可符合相应要求。
将第一滤波器L2设置为10uH后，对图5的等效电路进行进一步验证可知：
Figure BDA0003667421990000081
可见，当设置电感值为10uH的第一滤波器后，输入电压V0衰减至0.095V，增益为-56dB，该输入电压不会影响处理单元DPU对3Mhz的驱动信号的采样。
本发明的有益效果在于：通过在金属异物检测电路中设置滤波器，并针对工作时产生的感生信号进行过滤，从而避免了现有技术中的金属异物检测电路在主功率线圈工作时因感生电压的影响无法正常工作的问题，提高了无线输电系统整体的安全性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种金属异物检测电路，其特征在于，适用于一无线输电系统，所述无线输电系统具有一主线圈，所述主线圈中设置有所述金属异物检测电路的异物检测线圈；
所述金属异物检测电路还包括一检测模块，所述检测模块通过一谐振电容连接至所述异物检测线圈并向所述异物检测线圈输出一驱动信号，随后对所述异物检测线圈采集反馈信号；
所述检测模块和所述谐振电容的连接点设置有一第一滤波器。
2.根据权利要求1所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述检测模块包括：
驱动单元，所述驱动单元的输出端连接所述谐振电容，以向所述异物检测线圈输出所述驱动信号；
处理单元，所述处理单元的输出端连接所述驱动单元的输入端；
采样单元，所述采样单元的输入端连接所述谐振电容，以获取所述反馈信号，所述采样单元的输出端连接所述处理单元的输入端。
3.根据权利要求2所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述驱动单元包括：
数模转换器，所述数模转换器的输入端连接所述处理单元的输出端；
第二滤波器，所述第二滤波器的输入端连接所述数模转换器的输出端；
第一缓冲器，所述第一缓冲器的输入端连接所述第二滤波器的输出端；
电阻，所述电阻的第一端连接所述第一缓冲器的输出端，所述电阻的第二端连接所述谐振电容。
4.根据权利要求2所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述采样单元包括：
第二缓冲器，所述第二缓冲器的输入端连接所述谐振电容；
第三滤波器，所述第三滤波器的输入端连接所述第二缓冲器的输出端；
模数转换器，所述模数转换器的输入端连接所述第三滤波器的输出端，所述模数转换器的输出端连接所述处理单元的输入端。
5.根据权利要求1所述的金属异物检测电路，其特征在于，所述第一滤波器的第一端连接所述谐振电容与所述检测模块的连接点，所述第一滤波器的第二端接地；
所述第一滤波器的电感参数根据所述无线输电系统的工作频率确定。
6.一种滤波器的设计方法，其特征在于，适用于权利要求1-5任意一项所述的金属异物检测电路，包括：
步骤S1：针对一无线输电系统，获取所述无线输电系统的工作频率；
步骤S2：当所述无线输电系统工作时，获取异物检测线圈于所述工作频率上输入的感生电压；
步骤S3：根据所述感生电压和所述工作频率生成第一滤波器的电感参数。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：根据所述感生电压和预先设置的一正常工作阈值生成一期望衰减；
步骤S32：获取所述金属异物检测电路的器件参数，根据所述器件参数和所述期望衰减生成所述第一滤波器的电感参数。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S32中，所述第一滤波器的生成方法为：
Figure FDA0003667421980000021
其中，Z1为所述异物检测线圈的阻抗，Z2为所述第一滤波器的阻抗，Z3为谐振电容的阻抗，L1为所述异物检测线圈的自感值，ω为所述工作频率的角频率，L2为所述电感参数，C1为谐振电容的电容值，V1为异物检测线圈的感生电压，V0为输入检测模块的过滤电压，Gain为信号衰减增益，Atte为所述期望衰减。
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