CN116032035A - 无线充电发射器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线充电发射器，具有外壳、工作电路和发射线圈，还包括：检测线圈组、激励电路、采集电路和开关模块；所述检测线圈组由多个线圈单元组成；每个线圈单元具有输入端口和输出端口，在所述输入端口和所述输出端口，分别设置有开关模块；每个所述开关模块至少包括两个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元联接所述激励电路；当处于第二联接位置时，对应的线圈单元联接所述采集电路。本发明种无线充电发射器及其工作方法，通过线圈单元为基础，一个线圈单元形成激励电路，周边的线圈单元组成感应电路，逐一排查各个位置的金属异。这种方式检测及时，并且能够准确定位金属异物的位置。

Description

无线充电发射器及其工作方法

技术领域

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电发射器及其工作方法。

背景技术

在无线充电过程中在功率发射线圈上（也就是发射部分和接收部分之间）如果存在有金属异物，这些金属异物会因为产生的涡流效应导致发热，这一方面将大幅降低无线充电的传输效率，同时也有可能引起燃烧等安全事故。所以无线充电系统必须配置金属异物检测设备，以保障充电的安全性。

现有技术中，一般使用功率差计算的方式检测异物，即通过接收功率和发射功率的差值，判断是否存在金属异物。还有一些采用温度测量的方式，如果金属异物存在，电磁场会将其加热，从而可以通过温度测量检测到异物。

这两种方案都存在滞后性，不能及时准确的发现异物，而且无法确定异物的位置。

发明内容

本发明提供一种无线充电发射器及其工作方法，能够高效快速的检测异物并定位。

无线充电发射器，具有外壳、工作电路和发射线圈，还包括：检测线圈组、激励电路、采集电路和开关模块；所述检测线圈组由多个线圈单元组成；每个线圈单元具有输入端口和输出端口，在所述输入端口和所述输出端口，分别设置有开关模块；每个所述开关模块至少包括两个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元联接所述激励电路；当处于第二联接位置时，对应的线圈单元联接所述采集电路。

优选的，所述采集电路具有n个，每个所述开关模块包括n+1个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元联接所述激励电路，当处于其他联接位置时，对应的线圈单元联接所述采集电路；其中n大于等于1。

优选的，所述采集电路具有两个，每个所述开关模块包括三个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元联接所述激励电路，当处于第二联接位置和第三联接位置时，对应的线圈单元联接所述采集电路。

优选的，相邻的所述线圈单元之间重叠设置，且任意相邻的线圈单元的重叠区域面积相同。

优选的，所述采集电路中包括滤波电路、测量电路和功能电路。

无线充电发射器的工作方法，包括将一个所述线圈单元选做主线圈单元，所述主线圈单元的输入端口和输出端口的所述开关模块将所述主线圈单元与所述激励电路联通，所述激励电路向所述主线圈单元加载交流电；将所述主线圈单元周围的所述线圈单元选做辅线圈单元，将所述辅线圈单元的输入端口和输出端口的所述开关模块将所述辅线圈单元与所述采集电路联通。

优选的，待检测区域内，全部或部分所述线圈单元，将逐一地被选做主线圈单元。

优选的，所述采集电路获得每个所述辅线圈单元的电参数，并与预先确定的基准值进行比较，以判断是否有异物。

优选的，所述采集电路获得所述激励电路的激励电压，还获得每个所述辅线圈单元的感应电压，得出所述激励电压和所述感应电压的电压差；所述采集电路获得所述激励电路的激励电流，还获得每个所述辅线圈单元的感应电流，得出所述激励电流和所述感应电流的相位差；将所述电压差与基准电压差比较，将所述相位差与基准相位差比较，当二者中的一个或两个超过允许范围时，判断为存在异物。

本发明种无线充电发射器及其工作方法，通过线圈单元为基础，一个线圈单元形成激励电路，周边的线圈单元组成感应电路，逐一排查各个位置的金属异。这种方式检测及时，并且能够准确定位金属异物的位置。

附图说明

图1为本发明无线充电发射器的结构示意图；

图2为本发明无线充电发射器中部分电路示意图；

图3为本发明无线充电发射器中线圈单元的排布示意图。

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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种无线充电发射器（简称发射器）及其工作方法，该发射器和工作方法具有良好的金属异物检测能力，没有检测盲区，且检测更加精准。

参见图1，本发明的无线充电发射器具有外壳0（也称外部壳体，图中外壳0分为上下两部分，图中均以标号0示出）、工作电路和发射线圈5都设置在外壳内，除此以外，结合图1和图2，无线充电发射器还包括了检测线圈组、激励电路2、采集电路3和开关模块4，这四个部件能够实现对金属异物的检测（是否存在金属异物的检测，以及金属异物存在位置的检测）。当然还包括发射端通信模块和主控器，用于和接收端通信模块传递信息。主控器用于控制无线充电的过程，处理异常情况，例如有金属异物时，停止无线充电。主控器负责整体协调控制，发射端通信模块也在主控器控制的范围内。同时，主控器也能实现发射器各部件内的信息共享，例如激励电路2的一些工作参数，可以通过主控器控制协调，并且这些参数可以通过主控器共享给采集电路3等。

上述外壳0的材质一般为工程塑料，外壳0主要起到封装作用，以及提高机械强度的作用。该外壳可以是分层结构或者叫层状结构，外壳0内的第一层设置检测线圈组，第二层设置发射线圈5。这里第一层处于最高层，也就是检测线圈组的设置位置高于发射线圈5，检测线圈组相比发射线圈5，更靠近顶部。同时，检测线圈组覆盖的面积是需要进行检测区域，可大于发射线圈5的面积。

除了上述的主要部件外，还包括了屏蔽板和金属板等，他们同发射线圈5在一层，且在发射线圈5下侧。

发射线圈5的绕组一般由高频利兹线盘绕而成，其下方为屏蔽板，一般采用纳米晶或铁氧体等高磁导率材料制作。

在屏蔽板后还包括一层铝材质的金属板，进一步起到电磁场屏蔽及导热作用。

作为无线能量的发射端，发射线圈5会联接到交流变换电路，并受到主控器的控制。无线充电时，交流变换电路向发射线圈5加载高频交流电，进而在发射线圈5上方产生用于功率传输的交变磁场。交流变换电路、主控器等可以集成在发射器的壳体结构中，而在大功率无线充电的应用案列中，交流变换电路和主控器因体积及散热等原因，也可以在外壳之外独立布置。无线充电发射器可为带有接收线圈的接收装置充电，接收线圈的绕组为平面盘绕的单线圈结构。当接收装置放置于无线充电发射器上方时，可以被无线充电发射器识别而启动无线充电功能，接收线圈感应发射线圈5上方的交变磁场而产生交流电，经接收装置内部的直流变换电路转换后为接收装置充电。

上述检测线圈组包括多个线圈单元1。每个线圈单元1具有输入端口和输出端口，输入端口和输出端口分别联接有开关模块4。也就是一个线圈单元1，配置有两个开关模块4。每个开关模块4都具有多于1个的联接位置，即至少两个联接位置。这里联接位置是指能够联通后续部件的位置，不包括开关模块4处于断开状态的位置，也就是说，开关模块4还具有断开位置，该断开位置不属于上述至少两个联接位置，处于断开位置时，对应的线圈单元1不与其他任何零部件联通。

因此也可以将一个线圈单元1所使用的两个开关模块4称为双联多位置选择开关，双联是指线圈单元1的输入端口和输出端口，都联接有开关模块4，多位置选择即上述至少两个联接位置。

一般的，在联接位置中，处于第一联接位置时，对应的线圈单元1联接激励电路2，处于第二联接位置时，对应的线圈单元1联接所述采集电路3。

采集电路3具有n个，每个开关模块4包括n+1个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元1联接所述激励电路2，当处于其他联接位置时，对应的线圈单元1联接所述采集电路3；其中n大于等于1。优选的n=2，即采集电路3具有两个，每个开关模块4包括三个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元1联接所述激励电路2，当处于第二联接位置和第三联接位置时，对应的线圈单元1联接所述采集电路3。

如图2所示，开关模块4的结构可以是一端是单联接点，另一端是多联接点，单联接点联接到线圈单元1的输入端口或输出端口，多联接点联接到采集电路3或激励电路2。如图2中所示，开关模块4具有三个联接位置，图中以“41”“42”“43”分别示出了对应的三个联接点，即上述的多联接点，以“40”示出了单联接点，即直接与线圈单元1联接的点。

在同一个线圈单元1中，它的两个开关模块4,应该处于同一联接位置。它们可以是内部联动的，或者是受到主控器的控制。

当它们都处于第一联接位置时，线圈单元1和激励电路2组成一个激励回路，激励电路2可向该线圈单元1加载交流电流，作为该线圈单元1的激励信号。当它们都处于非第一联接位置时，例如第二联接位置等，线圈单元1和采集电路3组成一个采集回路，采集电路3采集该线圈单元1的电参数，根据所述电参数判断是否存在金属异物。采集电路3一般包括滤波器（滤波电路）和测量器（测量电路）等功能部件（功能电路）。

激励电路2和采集电路3可以是每个线圈单元1共用的。一般不会多个线圈单元1同时联接激励电路2和采集电路3，而是逐一顺序使用。因此，开关模块4的作用之一是保证一个采集电路3每次也只联接一个线圈单元1，并且同一个线圈单元1不同时联接到激励电路2和采集电路3。

当然在一些必要的情况下，激励电路2可以同时联通多个线圈单元1。同时让这些线圈单元1工作。同时与激励电路2联接的线圈单元1，在位置上，一般不是相邻的。

实际工作中，一般是一个线圈单元1与激励电路2联通，作为主线圈单元1A，其周边的一个或多个线圈单元1，如左右或上下的线圈单元1分别联接一个采集电路3，作为辅线圈单元1B，得到周边这些辅线圈单元1B的电参数，再按此方式依次接通每个线圈单元1以及其周边的线圈单元1。也就是每个线圈单元1，都会有机会依次成为主线圈单元1A，其周边的线圈单元1会成为辅线圈单元1B。

为了更好的测量，减少检测盲区，任意相邻的两个线圈单元1重叠设置，这些线圈单元1像瓦片一样，沿一个维度方向相互叠加而连续布置，一个线圈单元1与下一个线圈单元1之间有部分面积重叠，且所有相邻线圈单元1的重叠区域面积相同。图3中的线圈单元1仅做示例，并非限定线圈单元的结构。如图3中，线圈单元1在横向方向这一个维度方向上有重叠，纵向上没有。当然，这仅作为一个实施例，在其他的实施方式中，可以在各个方向都有重叠，本方案是出于线圈单元1数量的考量，在满足要求的前提下，降低了数量从而整体上控制成本。

参见图2，检测线圈组共有X组线圈单元1，以第一组线圈单元1为例，它与开关模块4联接，后续直到第X组线圈单元1，以同样的方式联接。

作为示例，无线充电发射器包括一个激励电路2和两个采集电路3（第一采集电路31和第二采集电路32），第一联接位置（联接点41）联接于激励电路2的两侧端口，第二联接位置（联接点42）联接于第一采集电路31的两侧端口，第三联接位置（联接点43）联接于第二采集电路32的两侧端口。

当需要进行金属异物检测时，将对应的线圈单元1作为主线圈单元1A，其与激励电路2联接，形成激励回路，此时，该主线圈单元1A可以等效成一个激励线圈（下文可能会将主线圈单元1A称为激励线圈）。其周围的辅线圈单元1B，等效成感应线圈（下文可能会将辅线圈单元1B称为感应线圈）。在激励线圈上会施加交流电流作为激励信号，交变电流会使激励线圈周围产生交变磁场，交变磁场的存在会使周边辅线圈单元1B产生感应电流，通过采集电路3采集电参数，可判断出该主线圈单元1A上方是否存在金属异物。然后依次对每一个位置的线圈单元1施加激励信号，使其成为主线圈单元1A，分别采集其周边辅线圈单元1B的电参数进行判断，能够知晓检测区域上是否有金属异物，并根据线圈单元1的位置判断金属异物存在的位置。

具体的，将一个线圈单元1相联通的开关模块4导通至第一联接点41（即第一联接位置），使该线圈单元1作为主线圈单元1A，与激励电路2接通，激励电路2的输出加载于该主线圈单元1A的两端。同时，将与目标位置的线圈单元1周边的两个或更多线圈单元1的开关模块接通第二位置或第三位置，作为辅线圈单元1B。为了方便理解，我们以两个辅线圈单元1B为例，其中一个辅线圈单元1B的开关模块4联接到第二联接位置，另一个辅线圈单元1B的开关模块4联接到第三联接位置，使这两个辅线圈单元1B分别与第一采集电路31和第二采集电路32接通。

工作时，每个线圈单元1及其周边两个或多个线圈单元1的开关模块4依次改变联接关系，将不同位置的线圈单元1作为主线圈单元1A，加载交流电流作为激励信号，周边的辅线圈单元1B会感应激励信号，采集电路3采集两个或多个辅线圈单元1B的电参数，进而在每一个线圈单元1依次作为主线圈单元1A加载交流电流，分别采集其周边两个或多个辅线圈单元1B的电参数，将获得每一个辅线圈单元1B的电参数与预先确定的基准值进行比较。

电参数包括采集电路3从辅线圈单元1B获取的，也包括通过其他方式获取的主线圈单元1A的一些参数，例如通过主控器可以获得加载在主线圈单元1A的电参数。

优选的，这些参数包括:采集电路3获得激励电路2的激励电压（例如从主控器获得，又或者该激励电压是预先固定好的），还获得每个辅线圈单元1B的感应电压，得出激励电压和感应电压的电压差。

还包括：采集电路3获得所述激励电路2的激励电流（例如从主控器获得，又或者该激励电流是预先固定好的），还获得每个辅线圈单元1B的感应电流，得出激励电流和感应电流的相位差。

将所述电压差与基准电压差比较，将所述相位差与基准相位差比较，当二者中的一个或两个超过允许范围时，判断为存在金属异物。

当无线充电发射器中配置更多的采集电路3时，可以采集更多周边的线圈单元1的电参数，即选取更多个辅线圈单元1B，例如可以同时采集如上下、左右四个周边的线圈单元1的电参数。当然，在一些实施例中，即使只使用一个采集单路3，也可以采集多个辅线圈单元1B的电参数，即采集电路3也可以通过分时采集的方式，采集多个辅线圈单元1B的电参数。只不过需要依次采集，所耗费的时间更多。采集的不同辅线圈单元1B的电参数可以与各自对应的基准值比较，再将比较结果相互对比，而只采集一个辅线圈单元1B的电参数可能会因该线圈失效或检测被干扰而导致误判，更多电参数的采集具有更好的检测可靠性。

根据法拉第电磁感应定律，在激励线圈中施加交变电流时激励线圈会在周围空间产生交变磁场，交变磁场的存在会使周边闭合的线圈单元1产生感应电流，激励线圈和感应线圈之间存在一定的电压差和相位差，这个电压差和相位差可预先采集，并经过补偿处理作为电压差和相位差的基准值。当然，电压差和相位差的基准值也可以是通过理论计算，然后人为赋予的。

另外，由于线圈单元1的布置结构不同，为不同位置线圈单元1预先采集或人为赋予的基准值一般是不同的，例如作为辅线圈单元1B时左右和上下位置的基准值是不同的。而无线充电发射器在功率传输过程中，功率传输磁场也会在感应线圈中产生感应电流，为减少这一情况对金属异物检测的影响，激励线圈中所施加的交变电流的频率设置为不同于无线充电功率传输的工作频率，并且这种频率的差距是一个较大的量级，例如kHz和MHz之间的差距。而感应线圈被配置为可感应激励线圈产生的交变磁场，采集回路被配置为可感应的磁场频率为激励线圈交变电流的频率，并且采集回路通过阻抗匹配，可感应磁场频率具有一定的频带宽度（频率范围），可适应激励的交变磁场频率在一定范围内产生的变化，而相应的，该频带宽度的中心频率被配置为激励线圈交变电流的频率。而所述的频带宽度，包括最低频率和最高频率，也不同于无线充电功率传输的工作频率，并且有较大的量级差距。进一步的，采集电路内配置滤波器（滤波电路），以过滤无线充电功率传输磁场对感应线圈产生的影响。

当有金属异物处在激励线圈产生的交变磁场中，金属异物会在其内部感应出涡流，涡流会产生二次磁场，感应线圈所感应到的是激励线圈产生的交变磁场和涡流产生的二次磁场的叠加，二次磁场对激励磁场相当于一个反作用，会使感应线圈上的感应电压发生变化，进而使激励电压与感应电压之间的电压差发生变化，当采集的电压差偏离基准值，且两者偏差超过系统所允许的容差范围，可以判断激励线圈上方存在金属异物，作为激励线圈的线圈单元1所在的位置就是存在金属异物的位置。

进一步的，感应线圈上产生的感应电流包括涡流产生的二次磁场的作用，会使感应电流的相位发生变化，进而使激励电流与感应电流之间的相位差发生变化，当采集的相位差偏离基准值，且两者偏差超过系统所允许的容差范围，可以判断激励线圈上方存在金属异物，作为激励线圈的线圈单元1所在的位置就是存在金属异物的位置。

由于金属异物种类很多，其电导率、磁导率等物性参数不同，电压差或相位差在一些情况下其中之一的变化很小，单一只采集电压差或只采集相位差可能无法发现金属异物，因而会导致检测盲区或误判，同时采集和比较电压差和相位可以克服上述不足。另一方面，金属异物的检测发生在无线充电启动前，以及在无线充电发射器在功率传输过程中，由于无线充电功率传输的磁场较激励线圈产生的磁场功率更大，其在金属异物上产生的涡流也更大，电压差和相位差较基准值的变化也会更加明显，采用上述检测方式更容易判断出金属异物。

当出现的金属物体即不属于无线充电发射器也不属于接收装置，相当于无线充电系统以外的“异物”。金属异物处于无线充电功率发射磁场中可能会因涡流效应而发热，甚至会引燃易燃物，并会造成传输功率的损耗。当在无线充电发射器上方发现金属异物时，应停止充电或不启动充电，并发出报警，待清理金属异物后才能重新进入待机检测状态。

本发明能够准确对金属异物进行检测，同时能够避免线圈单元1平行布置而出现的检测盲区；同时，通过将线圈单元1通过开关模块4的位置切换，作为激励线圈和感应线圈使用，以及通过相应的频带设置，避免了无线充电传输磁场等因素对检测金属异物的干扰。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无线充电发射器，具有外壳（0）、工作电路和发射线圈（5），其特征在于，还包括：

检测线圈组、激励电路（2）、采集电路（3）和开关模块（4）；

所述检测线圈组由多个线圈单元（1）组成；

每个线圈单元（1）具有输入端口和输出端口，在所述输入端口和所述输出端口，分别设置有开关模块（4）；

每个所述开关模块（4）至少包括两个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元（1）联接所述激励电路（2）；当处于第二联接位置时，对应的线圈单元（1）联接所述采集电路（3）。

2.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，

所述采集电路（3）具有n个，每个所述开关模块（4）包括n+1个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元（1）联接所述激励电路（2），当处于其他联接位置时，对应的线圈单元（1）联接所述采集电路（3）；

其中n大于等于1。

3.根据权利要求1或2所述的无线充电发射器，其特征在于，

所述采集电路（3）具有两个，每个所述开关模块（4）包括三个联接位置，当处于第一联接位置时，对应的线圈单元（1）联接所述激励电路（2），当处于第二联接位置和第三联接位置时，对应的线圈单元（1）联接所述采集电路（3）。

4.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，

相邻的所述线圈单元（1）之间重叠设置，且任意相邻的线圈单元（1）的重叠区域面积相同。

5.根据权利要求1所述的无线充电发射器，其特征在于，

所述采集电路（3）中包括滤波电路、测量电路和功能电路。

6.一种无线充电发射器的工作方法，其特征在于，

将一个线圈单元（1）选做主线圈单元（1A），所述主线圈单元（1A）的输入端口和输出端口的开关模块（4），将所述主线圈单元（1A）与激励电路（2）联通，所述激励电路（2）向所述主线圈单元（1A）加载交流电；

将所述主线圈单元（1A）周围的线圈单元（1）选做辅线圈单元（1B），所述辅线圈单元（1B）的输入端口和输出端口的所述开关模块（4），将所述辅线圈单元（1B）与采集电路（3）联通。

7.根据权利要求6所述的无线充电发射器的工作方法，其特征在于，

待检测区域内，全部或部分所述线圈单元（1），将逐一地被选做主线圈单元（1A）。

8.根据权利要求6所述的无线充电发射器的工作方法，其特征在于，

所述采集电路（3）获得每个所述辅线圈单元（1B）的电参数，并与预先确定的基准值进行比较，以判断是否有异物。

9.根据权利要求6或8所述的无线充电发射器的工作方法，其特征在于，

所述采集电路（3）获得所述激励电路（2）的激励电压，还获得每个所述辅线圈单元（1B）的感应电压，得出所述激励电压和所述感应电压的电压差；

所述采集电路（3）获得所述激励电路（2）的激励电流，还获得每个所述辅线圈单元（1B）的感应电流，得出所述激励电流和所述感应电流的相位差；

将所述电压差与基准电压差比较，将所述相位差与基准相位差比较，当二者中的一个或两个超过允许范围时，判断为存在异物。

10.根据权利要求6所述的无线充电发射器的工作方法，其特征在于，

所述辅线圈单元（1B）与所述采集电路（3）组成采集回路，所述采集回路的频带宽度的中心频率被配置为所述主线圈单元（1A）交变电流的频率；

所述的频带宽度，包括最低频率和最高频率，且所述频带宽度不同于无线充电功率传输的工作频率。

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