CN116001602A - 位置和异物混合检测系统及电动汽车无线充电控制方法 - Google Patents

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杨子跃
曹宇恒
孙安冉
赵书泽
陆昊
刘复乾
荣灿灿
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Abstract

本发明公开了一种位置和异物混合检测系统及电动汽车无线充电控制方法，系统包括原边的发射线圈和副边的接收线圈，其特征在于：在所述发射线圈上方设置有主动激励线圈，在所述主动激励线圈上方设置有检测线圈阵列，在副边还设置有至少一个信标线圈，所述主动激励线圈绕制成m*n个均匀分布的方格，电流通过后邻边的两个方格中产生的磁场方向相反，所述检测线圈阵列包括m*n个检测线圈，每一个检测线圈对应覆盖所述主动激励线圈中的一个方格区域，m和n为大于2的正整数。其效果是：系统结构简洁、逻辑清楚，能够较好的实现接收线圈位置检测和金属异物检测，且两系统间互不影响。

Description

位置和异物混合检测系统及电动汽车无线充电控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种位置和异物混合检测系统及电动汽车无线充电控制方法。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)由于其便利性、安全性、良好的研究前景，广受学术界的关注。电动汽车无线充电技术是WPT中最有前途的应用之一，但是该系统的大规模应用仍受制于其传输效率、系统安全性等问题。
现有接收线圈位置和金属异物混合检测系统，大多数两种功能无法兼容，因此大多数方案的检测装置体积较大、兼容性较差、易受环境影响，因此要一种新的设计方法以低成本、高稳定来实现电动汽车无线充电系统高精度接收线圈位置和金属异物混合检测。
发明内容
有鉴于此，本发明的首要目的在于提供一种位置和异物混合检测系统，实现接收线圈位置的高精度检测和金属异物的灵敏检测，以替换现有方案。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种位置和异物混合检测系统，包括原边的发射线圈和副边的接收线圈，其关键在于：在所述发射线圈上方设置有主动激励线圈，在所述主动激励线圈上方设置有检测线圈阵列，在副边还设置有至少一个信标线圈，所述主动激励线圈绕制成m*n个均匀分布的方格，电流通过后邻边的两个方格中产生的磁场方向相反，所述检测线圈阵列包括m*n个检测线圈，每一个检测线圈对应覆盖所述主动激励线圈中的一个方格区域，m和n为大于2的正整数。
可选地，所述发射线圈和所述接收线圈在第一谐振频率上工作实现能量传输，所述信标线圈、所述主动激励线圈和所述检测线圈阵列中对应的检测线圈在第二谐振频率上工作实现位置和异物混合检测。
可选地，所述第一谐振频率为85kHz，所述第二谐振频率为3MHz。
可选地，所述主动激励线圈绕制形成8*10个线圈方格，每个线圈方格的尺寸为63mm*59mm；所述检测线圈阵列也包括8*10个检测线圈，每个检测线圈的尺寸为63mm*59mm。
可选地，所述信标线圈为矩形线圈且位于所述接收线圈的四周，每一个信标线圈设有4匝，尺寸为20mm*20mm。
可选地，所述信标线圈连接有信标电路，所述信标电路包括直流信号源、半桥逆变器和LCC谐振补偿网络。
可选地，所述检测电路包括RLC谐振电路、高通滤波电路和整流滤波电路，所述RLC谐振电路为在第二谐振频率谐振的低品质因素电路，所述高通滤波电路在第二谐振频率上的高频增益为第一谐振频率增益的10倍以上。
可选地，所述整流滤波电路包括二极管和RC滤波器，所述高通滤波电路输出的电压幅值为二极管压降值的5倍以上。
基于上述系统，本发明还提供一种电动汽车无线充电控制方法，其关键在于：采用前文所述位置和异物混合检测系统，车辆停入之前，先启动主动激励线圈和检测线圈阵列工作实现开机前异物检测，异物存在则发出警报；不存在异物或清除金属异物后，启动信标线圈和检测线圈阵列工作实现位置检测，并根据测量位置调整车辆；当车辆位置对准后，再启动发射线圈和接收线圈工作实现能量传输，同时主动激励线圈和检测线圈阵列再进行异物检测，发现异物以后停机并发出警报。
可选地，通过检测线圈阵列中各个检测线圈的检测信号确定信标线圈的数量，并根据信标线圈的数量确定接收线圈的功率等级，并在车辆位置对准后再启动发射线圈按照对应的功率等级实现能量传输。
本发明的显著效果是：
系统结构简洁、逻辑清楚，能够较好的实现接收线圈位置检测和金属异物检测，且两系统间互不影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中系统的耦合机构结构示意图；
图2为图1的分解状态图；
图3为本发明具体实施例中信标电路的电路原理图；
图4为本发明具体实施例中检测电路的电路原理图；
图5为本发明具体实施例中系统控制流程图。
附图标记：1-发射线圈，2-接收线圈，3-信标线圈，4-主动激励线圈，5-检测线圈阵列。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1、图2所示，本实施例提供了一种位置和异物混合检测系统，包括原边的发射线圈1和副边的接收线圈2，在接收线圈2的周围设置有多个信标线圈3，每一个信标线圈3为矩形，设有4匝，尺寸为20mm*20mm，在发射线圈1上方设置有主动激励线圈4，在主动激励线圈4上方设置有检测线圈阵列5；
通过图2可以看出，在本实施例中，主动激励线圈4绕制成8*10个均匀分布的方格，每个线圈方格的尺寸为63mm*59mm，电流通过后邻边的两个方格中产生的磁场方向相反；对应的，检测线圈阵列5包括8*10个检测线圈，每个检测线圈的尺寸为63mm*59mm，每一个检测线圈对应覆盖所述主动激励线圈4中的一个方格区域。
具体实施时，发射线圈1和接收线圈2在第一谐振频率上工作实现能量传输，信标线圈3、主动激励线圈4和检测线圈阵列5中对应的检测线圈在第二谐振频率上工作实现位置和异物混合检测。基于SAE J2954标准规定的WPT3,Z2的规格，第一谐振频率为85kHz，为了减少能量传输和位置检测系统的相互影响，第二谐振频率为3MHz。
信标线圈3的功能为给地面侧的检测线圈发射其自身位置来进行定位，由于电动汽车无线充电系统工作时接收线圈电流很高，因此在设计信标线圈时，将长边两信标线圈的异名端连接，产生一对反向的感应电动势来抵消功率系统工作时信标线圈的感应电压；同理地面侧的主动激励线圈，其功能为产生高频磁场联合检测线圈进行金属异物检测，由于电动汽车无线充电系统工作时发射线圈电流很高，因此在设计主动激励线圈时，设计主动激励线圈的每个相邻方格产生的磁场方向相反，将80个方格均匀分为两组各四十个，从而保证主动激励线圈上感应电压基本为零，保证系统的安全；地面侧的检测线圈，其功能为异物检测和位置检测，电动汽车无线充电系统工作时发射线圈电流很高，因此在设计检测线圈时，需要降低匝数并设计好相应的RLC参数。
车辆侧的信标线圈沿长边两两反向串联，为提升系统的可靠程度，将其设定为分时工作。在同一个车辆停留位置，地面侧的检测线圈组将得到两组电压数据用于判断接收线圈的中心位置，检测线圈组的电压数据通过权重计算得到信标线圈在地面侧的对应坐标，通过已知信标线圈中心与接收线圈中心的相对距离可以计算得到接收线圈中心坐标，将四个信标线圈得到的接收线圈中心x和y坐标进行平均，得到最终的接收线圈中心坐标。
结合图3所示，具体实施时，所述信标线圈3连接有信标电路，所述信标电路包括直流信号源、半桥逆变器和LCC谐振补偿网络。
结合图4所示，所述检测电路包括RLC谐振电路、高通滤波电路和整流滤波电路，所述RLC谐振电路为在第二谐振频率谐振的低品质因素电路，所述高通滤波电路在第二谐振频率上的高频增益为第一谐振频率增益的10倍以上。所述整流滤波电路包括二极管和RC滤波器，所述高通滤波电路输出的电压幅值为二极管压降值的5倍以上。
地面侧的主动激励线圈在每个方格中均产生3MHz的高频磁场，该磁场被安装在主动激励上方的检测线圈检测到，并产生恒定的电压信号。当金属异物入侵时，金属异物的涡流会导致通过检测线圈的磁通量发生变化，从而导致线圈感应电动势和感应电流的降低，并且金属异物在检测线圈上产生的反射阻抗会使检测线圈脱离谐振区域，从而导致线圈感应电流的降低，因此通过检测线圈感应电流的变化可以检测到金属异物的入侵情况。
结合图5所示，本实施例还提供一种电动汽车无线充电控制方法，采用前文所述位置和异物混合检测系统，车辆停入之前，先启动主动激励线圈和检测线圈阵列工作实现开机前异物检测，异物存在则发出警报；不存在异物或清除金属异物后，启动信标线圈和检测线圈阵列工作实现位置检测，并根据测量位置调整车辆；当车辆位置对准后，再启动发射线圈和接收线圈工作实现能量传输，同时主动激励线圈和检测线圈阵列再进行异物检测，发现异物以后停机并发出警报。
通过图5可以看出，接收线圈位置和金属异物混合检测系统工作需要按照一定的顺序进行工作，来保证系统能够良好实现异物的检测和接收线圈位置检测：在车辆停入之前，主动激励线圈和检测线圈组间断工作，在降低系统能耗的前提下实现金属异物的检测，发现异物存在后发出警报，等待异物被排除后解除警报；不存在异物或清除金属异物并重新进行开机前异物检测后等待车辆进入区域进行位置检测，当车辆停止在检测线圈上方时，信标线圈组和检测线圈组工作进行接收线圈的位置检测，并根据测量位置调整车辆；当车辆调整好位置后，发射线圈和接收线圈工作，进行能量传输，此时主动激励线圈和检测线圈组工作进行异物检测，如果发现异物停机并发警报。
在具体实施时，接收线圈2上可以根据不同的车辆功率等级设置不同数量的信标线圈，通过检测线圈阵列中各个检测线圈的检测信号确定信标线圈的数量，并根据信标线圈的数量确定接收线圈的功率等级，并在车辆位置对准后再启动发射线圈按照对应的功率等级实现能量传输。
不难看出，本发明提出的一种位置和异物混合检测系统及电动汽车无线充电控制方法，能够消除功率系统产生的各种影响并灵敏的检测到接收线圈的中心位置，并且基本不产生附加损耗，从而保证功率的高效传输。
最后需要说明的是，以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种位置和异物混合检测系统，包括原边的发射线圈和副边的接收线圈，其特征在于：在所述发射线圈上方设置有主动激励线圈，在所述主动激励线圈上方设置有检测线圈阵列，在副边还设置有至少一个信标线圈，所述主动激励线圈绕制成m*n个均匀分布的方格，电流通过后邻边的两个方格中产生的磁场方向相反，所述检测线圈阵列包括m*n个检测线圈，每一个检测线圈对应覆盖所述主动激励线圈中的一个方格区域，m和n为大于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈在第一谐振频率上工作实现能量传输，所述信标线圈、所述主动激励线圈和所述检测线圈阵列中对应的检测线圈在第二谐振频率上工作实现位置和异物混合检测。
3.根据权利要求1或2所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述第一谐振频率为85kHz，所述第二谐振频率为3MHz。
4.根据权利要求3所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述主动激励线圈绕制形成8*10个线圈方格，每个线圈方格的尺寸为63mm*59mm；所述检测线圈阵列也包括8*10个检测线圈，每个检测线圈的尺寸为63mm*59mm。
5.根据权利要求1或2或4所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述信标线圈为矩形线圈且位于所述接收线圈的四周，每一个信标线圈设有4匝，尺寸为20mm*20mm。
6.根据权利要求5所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述信标线圈连接有信标电路，所述信标电路包括直流信号源、半桥逆变器和LCC谐振补偿网络。
7.根据权利要求2或3所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述检测电路包括RLC谐振电路、高通滤波电路和整流滤波电路，所述RLC谐振电路为在第二谐振频率谐振的低品质因素电路，所述高通滤波电路在第二谐振频率上的高频增益为第一谐振频率增益的10倍以上。
8.根据权利要求7所述的位置和异物混合检测系统，其特征在于：所述整流滤波电路包括二极管和RC滤波器，所述高通滤波电路输出的电压幅值为二极管压降值的5倍以上。
9.一种电动汽车无线充电控制方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一所述位置和异物混合检测系统，车辆停入之前，先启动主动激励线圈和检测线圈阵列工作实现开机前异物检测，异物存在则发出警报；不存在异物或清除金属异物后，启动信标线圈和检测线圈阵列工作实现位置检测，并根据测量位置调整车辆；当车辆位置对准后，再启动发射线圈和接收线圈工作实现能量传输，同时主动激励线圈和检测线圈阵列再进行异物检测，发现异物以后停机并发出警报。
10.根据权利要求9所述的电动汽车无线充电控制方法，其特征在于：通过检测线圈阵列中各个检测线圈的检测信号确定信标线圈的数量，并根据信标线圈的数量确定接收线圈的功率等级，并在车辆位置对准后再启动发射线圈按照对应的功率等级实现能量传输。
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