CN116613902A - 一种无线充电异物检测装置及无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线充电异物检测装置及无线充电系统，包括发射线圈和检测线圈，检测线圈铺设在发射线圈上方，检测线圈布置在检测线路板上，检测线圈耦合发射线圈产生的激励磁场，并通过所感应的电压和/或电流判断是否存在金属异物。检测线路板采用多块对称分割的检测线路板拼合覆盖发射线圈的表面区域，边缘设置为齿形，并且齿形处也布置有检测线圈，使检测线圈错位排列，消除检测盲区。检测线路板采用双层印刷线路板，加工难度低、成本低廉、重量轻，能够适应各种无线充电系统。

Description

一种无线充电异物检测装置及无线充电系统

技术领域

本申请涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电异物检测装置及无线充电系统。

背景技术

无线充电（Wireless Power Transfer，简称WPT）主要利用电磁感应原理，通过发射装置将电能转换为其他形式的能量，而后将能量通过接受装置转换为电能，并送至用电设备，从而完成电能的无线传输。与传统的接触式电能传输方式相比，其具有安全、灵活、无火花、少维护、可移动及易于实现自动充电等优势。无线充电有着广阔的市场前景，目前已经成为电动汽车、自动导引运输车等领域解决自动充电的重要技术方法。

金属异物检测功能是保障充电安全的必要功能之一。在充电过程中，充电区域中容易进入金属异物。金属异物进入之后会产生涡流进而可能引起火灾，同时也可能会大幅度改变耦合机构的参数导致系统偏离正常工作点，严重情况下会使系统无法工作。因此，有必要对金属异物进行检测，从而保证充电过程的安全性和系统的可靠性。

现在的无线充电系统中异物检测的方法主要有主动激励检测和无源检测两种方式。

主动激励系统，主要分为三部分，激励源、LC谐振电路和检测电路。通过向串/并联的LC谐振电路端口主动注入高频电流（一般为1MHz~3MHz）的方式，或通过附近的主动激励线圈耦合的方式，使得LC谐振电路震荡。同时，通过测量谐振频率/相位/幅值/电压电流比值等方法测量等效阻抗Z，由于异物会改变检测线圈的感值L、寄生电容的容值C和等效阻值R，所以监测其等效阻抗变化量ΔZ可以实现异物的辨识。

无源检测系统，通过监测功率磁场的变化来辨识异物。在无线充电系统传输功率时，由于涡流效应，金属异物会产生与功率磁场相反的磁场。所以，通过监测检测线圈端口感应电压的变化ΔV可以更简单的实现异物辨识。

现有的无线充电异物无源检测检测装置，检测线圈铺设在发射线圈上方，一般由印刷线路板制成。为了消除检测盲区，多采用多层印刷线路板拼接检测，有效检测区域互相补充，消除检测盲区。然而，这种结构不利于加工和安装，成本较高。因此，如何提高无线充电异物无源检测装置的实用性，降低成本，同时避免出现检测盲区，确保异物检测的高精度和可靠性，成为了现有技术亟待解决的问题。

发明内容

针对目前金属异物检测系统存在检测盲区，成本高等问题，本发明提供一种适用于无线充电系统的异物检测装置，该装置通过齿形拼合结构，可减小检测线路板成本并有效消除检测盲区。

本发明另一目的是提供一种无线充电系统。本发明采用的具体技术方案如下：

一种无线充电异物检测装置，包括发射线圈和检测线圈，检测线圈铺设在发射线圈上方，检测线圈布置在检测线路板上，发射线圈用于产生激励磁场，检测线圈耦合发射线圈产生的激励磁场，并通过所感应的电压和/或电流判断是否存在金属异物，发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或者副边线圈，或者额外独立铺设的线圈；

所述检测线路板覆盖发射线圈的表面区域，并采用多块对称分割的检测线路板拼合而成，相邻的两块检测线路板通过齿相互啮合；每块检测线路板上布置有检测线圈，检测线路板的齿处也布置有检测线圈，拼合的检测线路板上的检测线圈形成若干组环形线圈，相邻两组环形线圈内的相邻检测线圈呈错位排列；拼合后检测线路板上交错排列的检测线圈有效覆盖检测盲区。

本发明进一步设计在于，检测线路板的中部为一整块中心线路板，四周为多块对称分割且拼合的检测线路板，所述中心线路板对应发射线圈中部位置，中心线路板上的检测线圈与拼合的检测线路板上的检测线圈采用同样的错位排布方式。

本发明进一步设计还在于，检测线路板上各齿的尺寸相当；所述环形线圈对应每组啮合的齿处设置一组。

本发明进一步设计还在于，每组环形线圈在每块检测线路板上的部分形成一个或多个检测通道；

每块检测线路板上的一组环形线圈中设有2n个线圈单元，n≥1，且线圈单元两两结构相同，相同的线圈单元之间反向串联形成一个差分单元，其间的间隙为差分过渡区域；一个或多个差分单元之间形成一个检测通道，同一检测通道内的多个差分单元串联。

本发明进一步设计还在于，线圈单元布满齿形部分，并留有走线区域，线圈单元与线圈单元之间也留有走线区域，用于线圈单元之间的连接；布置在齿处的线圈单元的长度大于齿高，使得线圈单元之间的间隙与齿根不在同一直线上。

本发明进一步设计还在于，所述发射线圈为Q型线圈、圆形线圈或方形线圈；所述环形线圈为椭圆形、圆形或矩形结构。

本发明进一步设计还在于，所述线圈单元的绕制平面垂直于发射线圈的绕制平面或平行于发射线圈的绕制平面。

本发明进一步设计还在于，检测线路板边缘的齿形设置为直方形、三角形、半圆形或等腰梯形。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明的无线充电系统的异物检测装置采用多块对称分割的检测线路板拼合而成，拼合后检测线路板上检测线圈覆盖发射线圈的表面区域。检测线路板的边缘设置为采用齿形相互啮合，并且齿形处也布置有检测线圈，检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。

本发明检测线路板的齿形结构可以采用多种形式，通过在齿形结构部分排布检测线圈，且齿部的检测线圈的长度大于齿高，使得齿部的线圈单元和相邻线圈单元之间的间隙与齿根不在同一直线上，当差分过渡区域上出现金属异物时，可以消除检测盲区。

本发明检测线路板采用四周由多块对称分割带齿的结构拼合，中部为一整块无齿的中心线路板的结构设计，以方便设计齿形结构。

检测线路板可采用双层印刷线路板，加工难度低、成本低廉、重量轻，能够适应各种无线充电系统。

附图说明

附图用以提供对本发明的进一步理解，与之后的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的检测线圈的示意图；

图2为反向串联的检测线圈的过渡区域的示意图；

图3为检测线路板边缘的检测线圈的有效检测区域示意图，图中(a)为现有技术，(b)为本发明；

图4为检测线路板中检测线圈的差分过渡区域示意图；图中(a)现有技术，检测线路板边缘为平直；(b)为本发明，检测线路板边缘为直方齿；

图5为本发明实施例中无线充电系统发射部分结构和覆盖发射线圈表面区域的检测装置示意图；图中(a)无线充电系统发射部分结构，(b)为覆盖发射线圈表面区域的检测装置；

图6为本发明实施例中检测线路板上存在金属异物的示意图；

图7为本发明实施例中拼合后的检测线路板的整体结构示意图；

图8为本发明实施例中检测线路板边缘为直方齿结构示意图；

图9为本发明实施例中检测线路板的边缘啮合区域放大图；图中(a)与(b)为两处边缘啮合区域；

图10为本发明实施例的中心线路板的示意图；

图11为本发明实施例中发射线圈的结构示意图；图中(a)发射线圈为方形，(b)发射线圈为圆形；

图12为本发明实施例中检测线路板边缘为直方齿的示意图之一；

图13为本发明实施例中检测线路板边缘为直方齿的示意图之二；

图14为本发明实施例中检测线路板的三角边缘齿结构示意图；

图15为本发明实施例中检测线路板的边缘啮合区域放大图；图中(a)与(b)为两处边缘啮合区域；齿形为三角齿；

图16为本发明实施例中检测线路板的半圆边缘齿结构示意图；

图17为本发明实施例中检测线路板的边缘啮合区域放大图；其中(a)与(b)为两处边缘啮合区域；齿形为半圆齿；

图18为本发明实施例中检测线路板的等腰梯形边缘齿结构示意图；

图19为本发明实施例中检测线路板的边缘啮合区域放大图；其中(a)与(b)为两处边缘啮合区域，齿形为等腰梯形齿；

图20为本发明实施例中提供的一种无线充电装置的结构图；

图21为本发明实施例中提供的信号调理电路的结构图；

图22为本发明实施例中提供的信号检测流程图；

图23为本发明验证实施例中，覆盖原边发射线圈1/4区域，且存在金属异物时的检测线路板结构图；

图24为本发明验证实施例中检测结果，图中(a)为不存在金属异物时的检测结果，图中(b)为存在金属异物时的检测结果；

图25为本发明验证实施例中边缘为直方齿的检测线路板的结构示意图；

图26为本发明验证实施例中金属异物位于边缘为直方齿的检测线路板上不同检测点时的检测结果，其中(a)为不存在金属异物，(b)为金属异物位于检测点①，(c)为金属异物位于检测点②，(d)为金属异物位于检测点③，(e)为金属异物位于检测点④，(f)为金属异物位于检测点⑤，(g)为金属异物位于检测点⑥，(h)为金属异物位于检测点⑦；

图27为本发明验证实施例中对比用边缘为直角边的检测线路板的结构示意图；

图28为本发明验证实施例中金属异物位于边缘为直角边的检测线路板上不同检测点时的检测结果，其中(a)为不存在金属异物，(b)为金属异物位于检测点①，(c)为金属异物位于检测点②，(d)为金属异物位于检测点③，(e)为金属异物位于检测点④，(f)为金属异物位于检测点⑤，(g)为金属异物位于检测点⑥，(h)为金属异物位于检测点⑦；

图中标号说明：101为发射线圈导线；102为原边发射线圈及磁芯；103为副边接收线圈及磁芯；104为发射线圈；201、202、203、204为（垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制）线圈单元；205、206、207、208为（平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制）线圈单元；301a、302a、303a、304a为线圈绕制的开始端口；301b、302b、303b、304b为线圈绕制的结束端口； 305、306、307、310、311、312为检测通道；308、309为差分过渡区域；401、402、403a、403b为金属异物；501、502、503、504、509、510、511、512、517、518、519、520、521、522、523、524为（垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制或平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制）线圈单元，505、506、507、508、513、514、515、516为线圈单元501、502、503、504、509、510、511、512分别对应的有效检测区域；601为发射线圈的磁芯；701、728为拼接得到的检测线路板；702、703、704、705、707、708、710、711为（边缘齿形为直方齿）检测线路板；713、714、715、716为（边缘齿形为三角齿）检测线路板；718、719、720、721为（边缘齿形为半圆齿）检测线路板；723、724、725、726为（边缘齿形为等腰梯形齿）检测线路板；706、709、712、717、722、727为中心线路板；801、802、803、804、805、806、807、808为环形线圈；901为差分放大电路；902为模拟开关；903为带通滤波器；904为精密整流电路；905为控制器；111为原边发射装置及补偿网络；112为副边接收装置及补偿网络；A为发射线圈宽度；B为发射线圈长度。

具体实施方式

为了说明本实施例的异物检测装置，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中，异物检测装置和异物检测方法是基于统一发明构思的，因此装置和方法的各实施可以相互参见，重复之处不再赘述。

本发明具体实施方式部分的检测线路板均采用印刷电路板。

本发明原理分析：

示例性的，如图1，发射线圈导线101中通入交变电流i，同时产生交变磁场。垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元201和202放置在导线上方。从线圈绕制的开始端口301a开始，通过在检测线路板上层走线，过孔，下层走线的方式，围绕形成线圈单元201，在线圈绕制的结束端口301b结束；当发射线圈导线101通入时变电流时，线圈单元201和202，耦合激励磁场；以检测信号为线圈电压为例，根据电磁感应定律，线圈单元201的线圈绕制的开始端口301a和线圈绕制的结束端口301b之间的感应电压为：

（1）

公式（1）中，v(t)表示线圈单元的端口感应电压，e(t)表示感应电动势，N表示线圈单元的匝数，Φ表示单匝线圈穿过的磁通量，A表示单匝线圈所围的面积，B表示磁通密度。磁通密度B会随异物和检测线圈的相对位置变化而变化，因此，可以根据端口电压的幅值是否发生变化来辨识异物。

发射线圈产生的激励磁场过大时将导致线圈单元输出端口的感应电压过大，可能损坏信号调理电路，为此，我们将线圈单元反向串联组合，最大程度与激励磁场解耦，减小端口电压。因为线圈单元201、202所围绕的面积相同，匝数相同，且绕制方向相同，则线圈绕制的开始端口301a以及线圈绕制的开始端口302a的感应电压极性相同，线圈绕制的结束端口301b以及线圈绕制的结束端口302b的感应电压极性相同。将线圈绕制的结束端口301b与线圈绕制的结束端口302b连接，两个线圈单元反向串联，形成差分单元，其端口为线圈绕制的开始端口301a和线圈绕制的开始端口302a，且端口电压为：

（2）

公式（2）中， v ₁ (t)、v ₂ (t)分别表示没有异物时线圈单元201与线圈单元202的感应电压，B ₁ 、B ₂ 分别表示没有异物时的线圈单元201、202处的磁通密度。不存在金属异物时，最大程度与激励磁场解耦，总的输出电压幅值低。当线圈上方出现金属异物时，使线圈单元所处位置处的磁场发生改变，导致差分平衡被打破，输出电压改变，即判定为金属异物出现。

绕制检测线圈时，必要的电气连接使线圈之间存在的间隔，以及与检测线路板边缘间的必要间隔会存在检测盲区。将检测线圈反向串联组合时，除了必要的电气连接导致的检测盲区外，还会存在因反向串联导致的差分过渡区域，如图2。当金属异物401出现在过渡区域处时，金属异物对线圈单元201和线圈单元202影响相同，差分平衡未被打破，所以此区域无法检测到异物。

检测线路板面积较大时制作成本高、制作难度大，所以将覆盖整个发射线圈的检测线路板及上面布置的检测线圈对称的分割为多块。同时，将检测线路板的边缘设置成齿状，铺设上面的检测线圈形成交错排列，消除检测盲区。

如图3（a），现有设计中分割后的检测线路板的边缘为直线，线圈单元501、504布置在同一块检测线路板上，线圈单元502、503布置在另一块检测线路板。外轮廓以外区域的金属异物对检测线圈的感应电压等参数影响较弱。因此，一般把线圈单元的外轮廓定做有效检测区域。当两块检测线路板拼接在一起时，线圈单元501、502、503、504分别对应的有效检测区域505、506、507、508并不能完全覆盖其附近的区域，存在一小块检测盲区。

如图3（b），本申请设计中分割后的检测线路板的边缘为直方齿，线圈单元509、510布置在同一块检测线路板上，线圈单元511、512布置在另一块检测线路板。当两块检测线路板拼接在一起时，线圈单元509、510、511、512的有效检测区域513、514、515、516能够完全覆盖其附近区域，不会存在检测盲区。

如图4（a），现有设计中检测线路板的边缘为直线，线圈单元517、518反向串联，线圈单元519、520反向串联，其差分过渡区域不在一条直线上。当金属异物401出现在线圈单元517、518和519、520的差分过渡区域内时，两个检测通道的差分平衡都未被打破，检测不到金属异物。

图4（b）为本申请设计的边缘为直方齿的检测线路板。线圈单元521、522反向串联，线圈单元523、524反向串联。当金属异物401出现在线圈单元521、522的差分过渡区域上时，其差分平衡未被打破，但金属异物并未出现在线圈单元523、524的差分过渡区域，其差分平衡被打破，可以检测出金属异物。

基于以上原理，本发明提出了一种基于齿状检测线路板的金属异物检测装置。下面将通过本申请提供多个实施方式的描述来实现对异物的检测；需要说明的是，后续所涉及到的异物检测装置部分实施例是以检测线路板放置在发射线圈上，且发射线圈为原边发射线圈为例进行描述的实施例，相同实施方式在发射线圈为副边接收线圈，或独立铺设的线圈时，原理相同，在此不再赘述。

实施例一：

示例性的，图5（a）示例了无线充电系统的发射部分，包括发射线圈104，发射线圈的磁芯601。发射线圈为Q型线圈，其宽度为A，长度为B。发射线圈上方的检测区域可以分为有导线排布的区域，以及中心无导线排布的区域，和四周无导线排布区域。四周无导线排布的区域因为磁场较弱，存在金属异物也不会对无线电能传输系统造成较大影响，所以不作为检测区域。

如图5（b），四块齿形检测线路板为对称分割结构，相邻的两块检测线路板边缘通过齿相互啮合，覆盖在发射线圈四周有导线排布的区域；每块检测线路板上布置有线圈单元，拼合后的检测线路板上的线圈单元形成若干组环形线圈，环形线圈形状与发射线圈形状相同，相邻两组环形线圈的线圈单元呈错位排列。

由于检测线路板在靠近中心部分时不方便设置啮合的齿，所以检测线路板的中部设置为一整块中心线路板，同时能够提供更多的组合方式。中心线路板对应发射线圈中部没有导线排布的部分，线圈单元采用错位排布方式。

检测线圈布置于检测线路板上，检测线路板采用两层印刷线路板制成。

图6中一块检测线路板702覆盖发射线圈表面左下角1/4区域。每块带齿的检测线路板上设置环形线圈的一段，每段环形线圈形成一个或多个检测通道；每块检测线路板上的一段环形线圈设有2n个线圈单元，n≥1，且相邻的线圈单元两两结构相同，相同的线圈单元之间反向串联形成一个差分单元，与发射线圈产生的激励磁场解耦。一个或多个差分单元之间形成一个检测通道，同一检测通道内的多个差分单元之间串联。

如图6，线圈单元以黑色线段表示，同一组内的线圈单元与线圈单元之间的白色区域为电气连接区域。检测通道305、306和307内各有6个线圈单元，相邻的线圈单元两两相同，反向串联。每组环形线圈在一块检测线路板上的部分的两端一端为齿的凸部，另一端则为齿的凹部。当检测通道内的线圈单元长度对应都相同时，由于相邻的检测通道一个对应齿的凸部、另一个对应齿的凹部，则检测通道内的线圈单元与相邻的检测通道内的线圈单元自然形成错位排列。若检测通道内的线圈单元两两结构相同，但与其它线圈单元长度不同，则需将线圈单元之间的走线间隙与相邻检测通道内的线圈单元之间的走线间隙错位排列。当金属异物401出现在检测通道305、307内因反向串联导致的差分过渡区域308、309上时，其对检测通道305、307内的差分线圈单元内的两个线圈单元作用相同，检测信号保持不变或变化较小，但对于检测通道306，金属异物并没有出现在检测通道306内的差分过渡区域上，差分线圈单元的平衡被打破，检测信号会发生变化，能够检测到金属异物，从而消除检测盲区。

如图7所示，检测线路板702、704结构相同，检测线路板703、705结构相同，四块检测线路板与中心线路板706拼接后能够覆盖整个发射线圈表面区域。

如图8所示，检测线路板齿的形状为直方形。垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元201、202绕向相同，匝数相同，绕制面积相同，为一组检测通道内的两个线圈单元。将线圈绕制的结束端口301b与302b连接，则线圈单元201与202反向串联，形成差分单元。多个差分单元串联形成一组检测通道。垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元203、204为另一组检测通道内的两个反向串联的线圈单元，两组检测通道相邻。齿处的线圈单元201的长度大于齿的高度，使线圈单元201和线圈单元202的差分过渡区域与检测线路板的齿根处留有的走线间隙不在同一条直线上，差分过渡区域与走线间隙错位。并且，由于线圈单元201、202与线圈单元203、204对应的差分过渡区域也不再一条直线上，当线圈单元201、202的差分过渡区域上出现金属异物时，相邻检测通道内的线圈单元203可以检测到金属异物，消除检测盲区。

如图9（a）为图7中检测线路板702与上方相邻的检测线路板705的啮合区域α，图9（b）为图7中检测线路板702与右侧相邻的检测线路板703的啮合区域β，两个区域内的直方齿的齿宽为l，齿高为h，齿内布满垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，并留有走线区域。拼接后的检测线路板上的线圈单元形成若干组环形线圈，如图7中的环形线圈801、802，其形状与发射线圈绕制形状相当，为椭圆形，对应每组啮合的齿处设置一组。检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。

中心线路板706如图10所示，上面布置有错位排列的线圈单元，中心线路板上形成环形线圈803、804，位于环形线圈803和环形线圈804上相邻的两线圈单元呈错位排列，其绕制方式与检测线路板702上的线圈单元的绕制形式相同，可以为垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制或平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元。

将检测通道连接到信号调理电路上，通过所产生的感应电压和/或感应电流是否发生变化来判断是否出现金属异物。

多块对称分割的齿形检测线路板与中心线路板拼合，对整个发射线圈表面进行检测。这样，单块检测线路板的面积减小，制版费用减小，且仅需双层板就可对整个发射线圈进行检测，消除检测盲区，降低检测成本。

特别的，检测线路板边缘直方齿的齿高h和齿厚l可以自由设置，但与之啮合的，相邻的检测线路板的边缘直方齿也要配置成相同的尺寸。

实施例二：

示例性的，如图11（a）所示，发射线圈为正方形线圈，检测线路板为四块边缘为直方齿的检测线路板拼合而成，四块结构相同。中心无导线排布区域用一整块正方形中心线路板709覆盖，其上布置有错位排列的线圈单元。拼接后的检测线路板上的线圈单元形成环形线圈如805、806，且环形线圈的形状与发射线圈导线绕制形状相当，为正方形，环形线圈对应每组啮合的齿的凸部和凹部设置一组。每块带齿的检测线路板上设置环形线圈的一段，每段环形线圈形成一个或多个检测通道。在每块检测线路板上的一段环形线圈设有2n个线圈单元，n≥1，且相邻的线圈单元两两结构相同，相同的线圈单元之间反向串联形成一个差分单元，与发射线圈产生的激励磁场解耦。一个或多个差分单元形成一个检测通道，同一检测通道内的多个差分单元串联。检测线路板的边缘齿处的线圈单元的长度大于齿的高度，使线圈单元和线圈单元之间的差分过渡区域与检测线路板的齿根处留有的走线间隙错位。相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。中心线路板709上可设置两组或多组环形线圈，每组环形线圈形成一组或多组检测通道。

如图11（b）所示，发射线圈为圆形线圈，检测线路板710、711结构相同，对称分割的八块相同形状的检测线路板相互啮合，拼接成整块检测线路板，覆盖发射线圈有导线排布区域。中心无导线排布区域采用一整块圆形中心线路板712覆盖，其上布置有错位排列的线圈单元。拼接后的检测线路板上的线圈单元形成环形线圈807、808，且环形线圈的形状与发射线圈导线绕制形状相当，也为圆形，环形线圈对应每组啮合的齿处设置一组。每块带齿的检测线路板上设置环形线圈的一段，每段环形线圈形成一个或多个检测通道。每块检测线路板上的一段环形线圈设有2n个线圈单元，n≥1，且相邻线圈单元两两结构相同，相同的线圈单元之间反向串联形成一个差分单元，与发射线圈产生的激励磁场解耦。一个或多个差分单元形成一个检测通道，同一检测通道内的多个差分单元串联。检测线路板的边缘齿处的线圈单元的长度大于齿的长度，使线圈单元和线圈单元之间的差分过渡区域与检测线路板的齿根处留有的走线间隙错位。检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。中心线路板712上可设置两组环形线圈，每组环形线圈形成一组或多组检测通道。

特别的，发射线圈的形式包括但不限于Q型线圈、圆形线圈、方形线圈，之后的实施例中的发射线圈以Q型线圈为例，其它线圈形式同样适用，不再赘述。

实施例三：

示例性的，实施例一中，检测线路板702的齿形边缘结构如图12所示。平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元205、206绕向相同，匝数相同，绕制面积相同，为一组检测通道内的两个线圈单元。将线圈单元的绕制的结束端口303b、304b连接，则线圈单元205与线圈单元206反向串联，形成差分单元。平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元207、208为另一组检测通道内的两个反向串联的线圈单元。两组检测通道相邻。齿处的线圈单元205的长度大于齿的长度，使线圈单元205与线圈单元206的差分过渡区域与检测线路板的齿根处留有的走线间隙不在同一条直线上，让差分过渡区域与走线间隙错位。并且，由于线圈单元205、206对应齿的凸部，相邻的检测通道内的线圈单元207、208对应齿的凹部，使两路检测通道内的差分过渡区域也不再一条直线上，当线圈单元205、206的差分过渡区域上出现金属异物时，相邻检测通道内的线圈单元207可以检测到金属异物，消除检测盲区。检测线路板704为中心线路板，其上的线圈单元的绕制方式同理，且线圈单元为错位排列。

将多块边缘为齿形的检测线路板相互啮合，加上中心线路板，拼接成整块检测线路板，覆盖发射线圈表面。

实施例四：

示例性的，实施例一中，检测线路板702的齿形边缘结构如图13所示。垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元201、202绕向相同，匝数相同，绕制面积相同，为一组检测通道内的差分单元内的两个线圈单元。与其相邻的检测通道内为平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元205、206，为一组检测通道内的差分单元内的两个线圈单元。齿处的线圈单元201的长度大于齿的长度，使线圈单元201和线圈单元202的差分过渡区域与检测线路板齿根处的走线间隙不在同一条直线上。并且，由于线圈单元201、202对应齿的凸部，相邻的检测通道内的线圈单元205、206对应齿的凹部，使两路检测通道内的差分过渡区域也不在一条直线上，当线圈单元201、202的差分过渡区域上出现金属异物时，相邻检测通道内的线圈单元205可以检测到金属异物，消除检测盲区。中心线路板706上的线圈单元的绕制方式同理，且线圈单元为错位排列。

将多块边缘为齿形的检测线路板相互啮合，加上中心线路板，拼接成整块检测线路板，覆盖发射线圈表面。

实施例五：

如图14所示，边缘为三角形齿的检测线路板713、716结构相同，边缘为三角形齿的检测线路板714、715结构相同，四块检测线路板与中心线路板717拼接。图15（a）为检测线路板713与上方的检测线路板715的啮合区域α，图15（b）为检测线路板713与右侧的检测线路板714的啮合区域β，两个区域内的齿的齿厚为l，齿高为h。线圈单元为垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，或平行于发生线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，或两种线圈复合。相邻线圈单元两两相同，且反向串联，形成一个差分单元，与发射线圈产生的激励磁场解耦。多个差分单元串联形成一组检测通道。相邻的检测通道之间用虚线表示。拼接后的检测线路板上的线圈单元形成若干组环形线圈，其形状与发射线圈绕制形状相当，环形线圈对应每组啮合的齿的凸部和凹部设置一组。检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。

特别的，检测线路板边缘的三角齿的齿高h和齿厚l可以自由设置，但与之啮合的，相邻的检测线路板的三角边缘齿也要配置成相同的尺寸。

实施例六：

如图16所示，边缘为半圆齿的检测线路板718、721结构相同，边缘为半圆齿的检测线路板719、720结构相同，四块检测线路板与中心线路板722拼接。如图17（a）为检测线路板718与上方的检测线路板720的啮合区域α，图17（b）为检测线路板718与右侧的检测线路板719的啮合区域β，两个区域内的齿的直径为r。线圈单元为垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，或平行于发生线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，或两种线圈复合。相邻线圈单元两两相同，且反向串联，形成一个差分单元，与发射线圈产生的激励磁场解耦。多个差分单元串联形成一组检测通道。相邻的检测通道之间用虚线表示。拼接后的检测线路板上的线圈单元形成若干组环形线圈，其形状与发射线圈绕制形状相当，环形线圈对应每组啮合的齿的凸部和凹部设置一组。检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内的相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。

特别的，检测线路板边缘的半圆齿的直径r可以自由设置，但与之啮合的，相邻的检测线路板的半圆边缘齿也要配置成相同的尺寸。

实施例七：

如图18所示，边缘为等腰梯形齿的检测线路板723、726结构相同，检测线路板724、725结构相同，四块检测线路板与中心线路板727拼接。图19（a）为检测线路板723与上方的检测线路板725的啮合区域α，图19（b）为检测线路板723与右侧的检测线路板724的啮合区域β，两个区域内的等腰梯形齿的上边长为l₂，下边长为l₁，高为h。线圈单元为垂直于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，或平行于发射线圈绕制平面螺旋绕制的线圈单元，或两种线圈复合。相邻线圈单元两两相同，且反向串联，形成一个差分单元，与发射线圈产生的激励磁场解耦。多个差分单元串联形成一组检测通道。相邻的通道之间用虚线表示。拼接后的检测线路板上的线圈单元形成若干组环形线圈，其形状与发射线圈绕制形状相当，环形线圈对应每组啮合的齿的凸部和凹部设置一组。检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。

特别的，检测线路板边缘的等腰梯形齿的尺寸可以自由设置，但与之啮合的，相邻的检测线路板的等腰梯形齿也要配置成相同的尺寸。

实施例八：示例性的，图20示例了一种无线充电系统，该无线充电系统包括原边发射装置，原边发射线圈及磁芯102，原边发射装置及补偿网络111，铺设在原边发射线圈上方的拼接得到的检测线路板701；副边接收线圈及磁芯103，副边接收装置及补偿网络112，铺设在副边接收线圈下方的拼接得到的检测线路板728。

拼接得到的检测线路板701、728的形式如实施例一~实施例七中所述。

以检测信号为检测线圈的感应电压为例，图21示例了一种异物检测装置采用检测模块，多路检测通道连接到信号调理电路上。信号调理电路上设置有差分放大电路901、模拟开关902、带通滤波器903和精密整流电路904。检测线圈上的感应电压输入到差分放大电路901，并且利用差分放大电路的物理特性，减小共模噪声的干扰；再利用模拟开关902选通，分时将不同检测通道的差分放大后的信号输入到带通滤波器903中；再利用带通滤波器903，得到较为纯净的检测信号；带通滤波器903输出电压经过精密整流电路904以及低通滤波电路后得到稳定的直流量V_i。控制器905采样直流量V_i。

控制器采样得到各个通道的直流量V_i后，将对应检测通道预存储的初始数据与采集得到的检测信号数字量相减，得到数字变化量ΔV_i，再与参考阈值相比较。在无线充电系统功率传输过程中，当无异物时，此时代表端口电压信号的数字量为V_j。若信号V_i大于上限（V_j+ΔV），或小于下限（V_j-ΔV），即判定无线充电系统中出现异物。当检测到金属异物存在时，停止无线充电系统的功率传输并发出警告信息。并将检测信号信息传送至上位机，由上位机记录监测信息。

如图所示为该异物检测方法的步骤示意如图22：

步骤S1，启动检测；

步骤S2，发射线圈通入交变电流，产生激励磁场；

步骤S3，利用信号调理电路中的模拟电路对所有检测通道的检测信号v_i进行分时处理，控制器采样得到代表检测信号大小的数字量V_i；

步骤S4，将所述检测通道预存储的初始数据与所述检测通道的检测信号数字量相减，得到数字变化量，再与参考阈值进行比较；其中，当数字变化量超过参考阈值，判定为存在金属异物，执行步骤S5，当数字变化量不超过参考阈值，则执行步骤S3；

步骤S5，输出检测到金属异物信息；

步骤S6，结束检测。

所述无线充电系统在线功率传输过程中，当金属异物403a靠近原边线圈时，原边检测装置检测信号超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。当金属异物403b靠近副边线圈时，副边检测装置检测信号超过阈值，停止功率传输并发出警告信息。

验证实施例一：

采用本发明实施例一所述的无线充电异物检测装置，如图23，对边缘为齿状检测线路板的无线充电异物检测装置进行测试。发射线圈导线101，金属异物402，发射线圈的磁芯601，边缘齿形为直方齿的检测线路板702。原边发射线圈为65cm*50cm，8匝，两股并绕。副边接收线圈为42cm*42cm，8匝，两股并绕。

直接制作能够覆盖发射线圈的检测线路板，其尺寸需要65cm*50cm，制作成本大，制作难度比较高。本发明的检测线路板采用直齿拼接结构，如实施例一中所述，两种、四块小尺寸的边缘为齿形的检测线路板拼接覆盖发射线圈有导线排布区域，发射线圈无导线排布区域则采用一整块中心线路板覆盖。边缘为齿的检测线路板的尺寸为35cm*27cm，边缘直方齿的齿高3cm，齿厚1.5cm，每块检测线路板的上布置有8个齿，对应共有16路检测通道。中心线路板为12cm*27cm的椭圆形。检测线路板配备有信号调理电路板，由差分放大电路、信号选通电路、带通滤波电路以及精密整流电路组成，控制器采样代表检测线圈感应电压的直流量。由于发射线圈产生的磁场具有对称性，所以选取发射线圈上方1/4区域进行验证。

验证时系统的功率状况为工作频率85kHz，输入电压250V，输出电压400V，负载为116Ω。在无线充电系统在线功率传输过程中，当无异物时，此时采集到的端口电压为V_j，当金属靠近原边线圈时，若数字信号V_i大于上限（V_j+ΔV），或小于下限（V_j-ΔV），即判断出现异物（其中ΔV=10），并且停止功率传输，发出警告信息。当金属异物402（一元硬币)不存在时，16个检测通道通过信号调理电路处理后得到直流量V_j，为预存储的数字量，如图24中（a），横坐标表示检测通道，纵坐标为代表检测线圈端口电压值的数字量。当将一元金属硬币放置在检测线路板的检测通道8的正上方上，单片机所采集到的数据的变化量如图24中（b），横坐标表示检测通道，纵坐标为代表检测线圈端口电压值的数字变化量。相较于没有金属异物出现时，检测通道5、6、7、8、9、10所采集到的数据发生较大改变。检测通道5变化11；检测通道6变化17；检测通道7变化109；检测通道8变化200；检测通道9变化40；检测通道10变化29。

上述验证实例证明了本发明的技术方案能够准确可靠地检测到金属异物，方法简单、准确，成本低，满足无线电能传输系统高可靠性的应用需求。

验证实施例二：

采用本发明实施例一所述的无线充电异物检测装置，对边缘为直齿状检测线路板的无线充电异物检测装置进行测试。

金属异物为外径为8mm的六角螺母，其相对于检测线圈为小金属异物。如图25，检测通道305为通道6，检测通道306为通道7，检测通道307为通道8，依此顺序排列检测通道。选取线圈单元与线圈单元之间的走线区域或线圈单元与齿边间的走线区域作为测试点。①检测点位于检测通道306边缘，②、⑦检测点位于检测通道305、307边缘，③、⑤检测点位于检测通道305、307内的差分过渡区域，④、⑥检测点位于检测通道306内的差分过渡区域。

当没有出现金属异物时，控制器采集到的数据如图26中（a），横坐标表示检测通道，纵坐标为代表检测线圈端口电压值的数字量。图26中（b）~（h），横坐标表示检测通道，纵坐标为检测线圈端口电压值的数字变化量。当金属异物出现在检测点①时，如图26中（b），通道7变化20，超出阈值10；当螺母出现在检测点②，如图26中（c），通道7、8、9都出现较大幅度变化；当螺母出现在检测点③，如图26中（d），通道7、9出现较大幅度变化；当螺母出现在检测点时④，如图26中（e），通道7出现较大变化；当螺母出现在检测点⑤，如图26中（f），通道5、7出现较大幅度变化；当螺母出现在检测点⑥，如图26中（g），通道6、8出现较大变化；当螺母出现在检测点⑦，如图26中（h），通道5、7出现较大变化。

与之相对比的，采用直边拼接的检测线路板如图27，选取相同位置的检测点进行对比。在没有出现金属异物时，控制器采集到的数据如图28中（a），横坐标表示检测通道，纵坐标为代表检测线圈端口电压值的数字量。图28中（b）~（h），横坐标表示检测通道，纵坐标为检测线圈端口电压值的数字变化量。当金属异物出现在检测点①、②、④、⑦，控制器采集到的数据变化对应图28中（a）、（b）、（d）、（h）。可以看出只有与之相对应的通道发生变化，但对相邻线圈的影响不大；当螺母出现在检测点③、⑤、⑥，即差分过渡区域时，控制器采集到的数据变化对应图28中（c）、（e）、（f），与检测点相对应的检测通道及相邻通道的变化都没有超出设定阈值，检测不到金属异物，出现检测盲区。

上述验证实例证明了本发明的技术方案能够有效的消除检测盲区。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无线充电异物检测装置，包括发射线圈和检测线圈，检测线圈铺设在发射线圈上方，检测线圈布置在检测线路板上，检测线圈耦合发射线圈产生的激励磁场，并通过所感应的电压和/或电流判断是否存在金属异物，其特征在于，

所述检测线路板采用多块对称分割的结构拼合而成，相邻的两块检测线路板边缘通过齿相互啮合，拼合后检测线路板上的检测线圈覆盖发射线圈的表面区域；每块检测线路板上均布置有检测线圈，并在检测线路板的齿处也布置有检测线圈，拼合的检测线路板上的检测线圈形成若干组环形线圈，相邻两组环形线圈的相邻检测线圈呈错位排列，错位排列的检测线圈有效覆盖检测盲区。

2.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述检测线路板采用四周由多块对称分割带齿的结构拼合，中部为一整块无齿的中心线路板的结构设计，所述中心线路板对应发射线圈中部位置。

3.根据权利要求2所述无线充电异物检测装置，其特征在于，检测线路板上各齿的尺寸相当；每组齿的凸部和凹部分别对应一组环形线圈。

4.根据权利要求2所述无线充电异物检测装置，其特征在于，每块带齿的检测线路板上设置所述环形线圈的一段，每段环形线圈形成一个或多个检测通道；

每块检测线路板上的一段环形线圈中设有2n个线圈单元，n≥1，且相邻的线圈单元两两结构相同，相同的线圈单元之间反向串联形成一个差分单元，其间的间隙为差分过渡区域；一个或多个差分单元之间形成一个检测通道，同一检测通道内的多个差分单元串联。

5.根据权利要求4所述无线充电异物检测装置，其特征在于，检测线路板的每个齿部设置一个线圈单元，布置在齿部的线圈单元的长度大于齿高，使得该线圈单元和相邻线圈单元之间的间隙与齿根不在同一直线上。

6.根据权利要求4所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元布满在齿形部分，并留有走线区域，线圈单元与线圈单元之间也留有走线区域，用于线圈单元之间的连接。

7.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，检测线路板边缘的齿形设置为直方形、三角形、半圆形或等腰梯形。

8.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或者副边线圈，或者额外独立铺设的线圈；所述发射线圈为Q型线圈、圆形线圈或方形线圈；所述环形线圈为椭圆形、圆形或矩形。

9.根据权利要求4所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元的绕制平面垂直于发射线圈的绕制平面或平行于发射线圈的绕制平面。

10.一种无线充电系统，包括权利要求1-8任一项所述的无线充电异物检测装置。