CN117277612A - 融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法 - Google Patents

融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，首先通过测量检测线圈的阻抗变化快速确定是否有金属异物或生物体异物存在，当存在时通过红外传感对异物进行温升判断，若不存在温升，则可确认异物是生物体异物，若存在温升，则需要判断此种情形是只存在金属异物还是金属异物和生物体异物共存，所以，进一步根据温度分布特性来区分两种异物，生物体异物的表面温度一般低于其内部温度，呈现外冷内热，而金属异物由于涡流分布的不均匀，其温度主要是集中在表面，呈现外热内冷，从而可区分出是只存在金属异物还是两种异物共存，并且通过红外热成像还能确定各种异物的位置。

Description

融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法。
背景技术
无线电能传输技术(wireless power transfer,WPT)是一种综合应用电力电子和自动控制等相关理论与技术，实现电能在电网(或电池)与用电设备之问通过某种载体(如电场、磁场、微波、激光)以松耦合非电气接触模式传输的技术。相比于传统的电气接触式电能接入技术，无线电能传输技术具有更高的可靠性与安全性、占地空间更小、使用方式灵活、不易受外界环境因素干扰、与电网互动能力强、可在某些极端环境和特殊条件下应用等优点，因此在消费电子、医疗保障、电动汽车等领域有着越来越广的发展与应用。
磁场耦合式无线电能传输通过发射端线圈中的高频交变电流产生高频交变磁场，作为电能传输的载体。然而，当金属异物(例如硬币、钥匙、回形针)出现在MCR-WPT系统(磁耦合无线电能传输系统)的发射线圈或周围时，将改变MCR-WPT系统高频交变磁场的分布，导致系统传输效率的下降。除此之外，金属异物会因涡流效应、磁滞损耗发热而具有安全隐患。因此为了保证MCR-WPT系统的安全运行和系统效率，针对金属异物的检测技术不可或缺。
高频交变磁场可引起生物体病变和病理变化，因此国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)中规定了人体暴露的不同频率磁感应强度的安全阈值。对于磁场频率为85kHz的电动汽车无线充电系统，其安全阈值为27μT，为了保证使用者的健康，MCR-WPT系统需要对进入高频交变磁场的生物体发出警告进行驱离。
对于金属异物和生物体异物，MCR-WPT系统需要根据对象的不同，进行不同的操作。对于金属异物，系统需要及时中断无线电能传输，以防止金属异物因涡流发热燃烧；对于生物体异物而言，需要发出警报及时驱离。对于金属异物和生物体同时存在的复杂情况，系统需要立即停止充电，以防止金属异物引燃生物体。对于金属异物和生物体的辨别以及检测是MCR-WPT异物检测的难点，目前的检测方法多数是只针对金属异物或生物体异物，同时针对金属异物和生物体的检测很少，更无法区分出这两类异物。
发明内容
本发明提供一种融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，解决的技术问题在于：对于金属异物和生物体异物同时存在的情形，难以分辨出金属异物和生物体异物。
为解决以上技术问题，本发明提供融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，包括步骤：
S1、获取检测线圈的阻抗实部变化ΔZ；
S2、判断阻抗实部变化ΔZ是否大于等于阻抗阈值α，若是则进入步骤S3，若否则返回至步骤S1；
S3、对所述检测线圈开启温度检测，获取所有目标中的最高温度T；
S4、判断最高温度T是否大于等于第一温度阈值ΔT1，若是则进入步骤S5，若否则返回至步骤S1；
S5、继续进行红外传感温度检测，并判断目标的最高温度T是否上升，若是则进入步骤S6，若否则输出异物仅为生物体异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置；
S6、判断目标的最高温度T是否大于等于第二温度阈值ΔT2，若是则立即断开无线电能传输，若否则根据此时目标的温度分布特性判断当前目标的异物类型和异物位置。
进一步地，在步骤S6中，根据此时目标的温度分布特性判断当前目标的异物类型和异物位置具体包括步骤：
S61、采用红外传感器对所述检测线圈进行红外热成像，得到热成像图片；
S62、判断所述热成像图像中是否有热点目标满足外热内冷的特征，若否则返回至步骤S5，若是则进入步骤S63；
S63、判断所述热成像图像中是否仅有一个热点目标，若是则输出异物仅为金属异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，若否则进入步骤S64；
S64、判断另外的热点目标是否满足外冷内热的特征，若是则输出异物为金属异物和生物体异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，若否则输出异物均为金属异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置。
进一步地，在所述步骤S5中，当判断出异物仅为生物体异物时，则发出驱逐信号；在所述步骤S63和所述步骤S64中，当判断出异物仅为金属异物时，断开无线电能传输；在所述步骤S64中，当判断出异物为金属异物和生物体异物时，发出驱逐信号并断开无线电能传输。
进一步地，在所述步骤S5中，根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，具体包括步骤：
S51、采用所述红外传感器对所述检测线圈进行红外热成像，得到热成像图片；
S52、获取所述红外传感器与所述检测线圈的中心之间的相对位置关系；
S53、确定所述热成像图像中的热点目标，并确定各热点目标在所述热成像图片中的位置；
S54、根据所述红外传感器与所述检测线圈的中心之间的相对位置关系对各热点目标在所述热成像图片中的位置进行修正，得到各热点目标在所述检测线圈上的位置。
进一步地，在所述步骤S63和所述步骤S64中，根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，具体为所述步骤S52～S54。
优选的，所述检测线圈为1个，所述检测线圈覆盖无线充电发射线圈。
优选的，所述检测线圈设有多个，多个所述检测线圈阵列式排布并覆盖无线充电发射线圈。
优选的，所述红外传感器安装在无线充电接收线圈的中心。
进一步地，在所述步骤S2中，所述阻抗阈值α根据如下步骤确定：
1)确定所述检测线圈的尺寸参数，获取所述检测线圈的内阻Rs和自感Ls；
2)确定所述检测线圈的串联谐振电容Cs，确定所述检测线圈的工作角频率ω；
3)开启无线充电，确定此时所述检测线圈的阻抗实部值；
4)测量各种金属异物和生物体异物存在于所述检测线圈上时所述检测线圈的阻抗实部值，并与步骤3)中的测得的阻抗实部值作差，获得多个阻抗实部变化量；
5)将多个阻抗实部变化量中最小的一个设置为阻抗阈值α。
优选的，在所述步骤S4中，所述第一温度阈值ΔT1设置为生物体异物在正常活动中的最低体温；在所述步骤S6中，所述第二温度阈值ΔT2设置为金属异物的最低安全温度。
本发明提供的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，首先通过测量检测线圈的阻抗变化快速确定是否有金属异物或生物体异物存在，当存在时通过红外传感对异物进行温升判断(金属异物在交变磁场下会随着时间温度升高，而生物体异物不会)，若不存在温升，则可确认异物是生物体异物，若存在温升，则需要判断此种情形是只存在金属异物还是金属异物和生物体异物共存，所以，进一步根据温度分布特性来区分两种异物，生物体异物的表面温度一般低于其内部温度，呈现外冷内热，而金属异物由于涡流分布的不均匀，其温度主要是集中在表面，呈现外热内冷，从而可区分出是只存在金属异物还是两种异物共存，并且通过红外热成像还能确定各种异物的位置。本方法融合了阻抗检测和红外传感，可以同时识别金属异物和生物体异物，在提高异物检测的精度、降低误报率方面更具有优势。
附图说明
图1是本发明实施例提供的检测线圈与金属异物的等效耦合模型图；
图2是本发明实施例提供的生物体异物与检测线圈耦合示意图；
图3是本发明实施例提供的检测线圈等效模型图；
图4是本发明实施例提供的检测线圈和生物体异物的等效模型图；
图5是本发明实施例提供的红外检测原理图；
图6是本发明实施例提供的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法的流程图。
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。
对于金属异物而言，当其暴露在交变磁场中时，根据楞次定律，会感应出闭环涡流，由于趋肤效应，涡流电流主要分布在最外层。因此，金属物体可以等效为一个线圈Lp，其与检测线圈Ls的耦合机制可以用互感M来解释，如下图1所示，其中Rs为检测线圈Ls的等效串联内阻，Rp为检测线圈Lp的等效串联内阻，I1、I2分别为两个线圈的电流。当金属不存在时，由上图可知检测线圈的阻抗为：
Z0＝Rs+jωLs (1)
根据基尔霍夫电压定理，可以得到：
其中，ω为检测线圈的工作角频率，U为检测线圈电压。
解方程组(2)式，可以得到金属存在下的线圈等效阻抗为：
其中，为了简化公式自定义的参数
比较式(1)和(3)可见金属异物的涡流效应是通过反射阻抗的形式作用到检测线圈上，因此相当于检测线圈的阻抗实部变大，阻抗的虚部变小。
对于生物体而言，当其在检测线圈上时，将改变检测线圈的寄生电容参数，从而改变检测线圈的寄生电容。图2是线圈寄生电容示意图，PCB的物理层由介电介质材料组成，检测线圈由铜组成。当没有异物时，寄生电容由PCB介电介质材料和附近的表面空气决定，在图中线圈在空气中的寄生电容Cpc，在PCB材质中的寄生电容Cps。当活体接触检测线圈时，寄生电容主要由PCB的介电介质材料和活体决定，因而活体主要改变的是寄生电容Cpc。因而对于活体检测来说，检测线圈的本质作用是检测增加的并联寄生电容。
对于没有生物体异物的情况，其等效电路如图3所示，检测线圈的等效阻抗如式(4)所示。
其中λ＝1-ω2LsCs也是为了简化公式自定义的参数。而对于生物体异物存在的情况，参考图4的等效电路图，检测线圈的等效阻抗为：
对上式进行进一步化简，可得：
比较式(4)和(6)，可以发现对于生物体异物而言，检测线圈的阻抗实部会增大，而虚部会减小，故可以通过检测线圈的阻抗变化来判断生物体的存在。但是与金属异物相比，生物体异物对检测线圈的阻抗变化趋势相同，都是增大阻抗的实部而减小阻抗的虚部，因此仅用检测线圈进行检测，无法区分金属异物和生物体异物。因此需要额外的判断手段来实现两类异物的识别。
红外传感检测原理如图5所示，金属异物在高频交变磁场中产生涡流，同时向外界发出红外辐射，红外辐射经过菲涅尔透镜聚集在热释电红外传感器上，产生相应的信号。该信号再经过处理，作为异物检测的信号。
对于金属异物而言，其涡流由于趋肤效应，主要分布在金属异物的表面，且越往金属异物内部，涡流密度成指数规律减小。涡流的趋肤深度随频率的表达式如下所示：
其中，δ为渗透深度；σ和μ分别为金属异物的电导率和磁导率；f为信号频率。
根据上述表达式，可以推测出金属异物由于涡流分布的不均匀，其温度主要是集中在表面，而对于生物体而言，其表面温度一般低于其内部温度，因而可以作为区分金属异物和生物异物的依据之一，除此之外，由于金属异物的表面温度会随着停留在高频交变磁场的时间而升高，而生物体的温度几乎不变，所以同样可以通过检测对象是否温升来区分金属异物和生物体异物。
基于上文分析，检测线圈对于金属异物和生物体异物都有较高的检测灵敏度和反应速度，但是这两类异物对检测线圈造成的阻抗变化都是增大阻抗的实部，减少阻抗的虚部，因此仅凭检测线圈无法分别出金属异物和生物体异物。对于红外检测而言，其可以通过金属异物和生物体异物不同的热量分布以及是否在交变磁场中温升来判断，但是此类方法检测响应时间较长，精度较低。因此本发明将两类方法结合，将阻抗信息和红外信息进行融合检测，在实现异物识别的同时，保证检测的精度，并减少误报率。
基于上述分析，本发明实施例提供一种融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，如图6所示，其包括步骤：
S1、获取检测线圈的阻抗实部变化ΔZ；
S2、判断阻抗实部变化ΔZ是否大于等于阻抗阈值α，若是则进入步骤S3，若否则返回至步骤S1；
S3、对检测线圈开启温度检测，获取所有目标中的最高温度T；
S4、判断最高温度T是否大于等于第一温度阈值ΔT1，若是则进入步骤S5，若否则返回至步骤S1；
S5、继续进行红外传感温度检测，并判断目标的最高温度T是否上升，若是则进入步骤S6，若否则输出异物仅为生物体异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置；
S6、判断目标的最高温度T是否大于等于第二温度阈值ΔT2，若是则立即断开无线电能传输，若否则根据此时目标的温度分布特性判断当前目标的异物类型和异物位置。
其中，在步骤S6中，根据此时目标的温度分布特性判断当前目标的异物类型和异物位置具体包括步骤：
S61、采用红外传感器对检测线圈进行红外热成像，得到热成像图片；
S62、判断热成像图像中是否有热点目标满足外热内冷的特征，若否则返回至步骤S5，若是则进入步骤S63；
S63、判断热成像图像中是否仅有一个热点目标，若是则输出异物仅为金属异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，若否则进入步骤S64；
S64、判断另外的热点目标是否满足外冷内热的特征，若是则输出异物为金属异物和生物体异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，若否则输出异物均为金属异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置。
在步骤S5中，当判断出异物仅为生物体异物时，则发出驱逐信号；在步骤S63和步骤S64中，当判断出异物仅为金属异物时，断开无线电能传输；在步骤S64中，当判断出异物为金属异物和生物体异物时，发出驱逐信号并断开无线电能传输。
根据上文描述和图6所示的流程图，本发明提出的检测方案一共有以下几种不同的检测结果：
情况1：异物检测系统的检测线圈检测到阻抗变化，后开启红外温度传感器，红外传感器判断当前温度与设置的温度阈值ΔT1的高低，若大于等于ΔT1则进行下一步操作，即判断异物的种类。延时一段时间后(其中红外温度传感器一直工作)，若检测温度大于等于设定阈值ΔT2(即将到达着火点)，则立即断开无线电能传输，并发出异物警报，判断为金属异物。
情况2：若其温度小于ΔT2，考虑系统中存在生物体异物或者金属异物尺寸较小，发热量较小。为此将分析红外传感器的热成像图像，若检测到热成像图片符合金属异物的发热分布，则判断存在金属异物。
情况3：若热成像图片显示存在有另外的热区图片，则进一步检测其热成像分热分布，若其分布符合生物体的发热情况，说明金属异物和生物体同时存在。
情况4：若通过红外热成像传感器发现检测物体没有温升，而检测线圈的阻抗却发生了变化，判断该异物为生物体异物。
本发明还可根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，在步骤S5中，具体包括步骤：
S51、采用红外传感器对检测线圈进行红外热成像，得到热成像图片；
S52、获取红外传感器与检测线圈的中心之间的相对位置关系；
S53、确定热成像图像中的热点目标，并确定各热点目标在热成像图片中的位置；
S54、根据红外传感器与检测线圈的中心之间的相对位置关系对各热点目标在热成像图片中的位置进行修正，得到各热点目标在检测线圈上的位置。
在步骤S63和步骤S64中，根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，具体为步骤S52～S54。
在具体应用中，检测线圈为1个，检测线圈覆盖无线充电发射线圈。或者，检测线圈设有多个，多个检测线圈阵列式排布并覆盖无线充电发射线圈。红外传感器安装在无线充电接收线圈的中心，如此较高的距离可拍摄到整个无线充电区域。
另外，阻抗阈值α需要根据实际条件确定，可根据如下步骤确定：
1)确定检测线圈的尺寸参数，获取检测线圈的内阻Rs和自感Ls；
2)确定检测线圈的串联谐振电容Cs，确定检测线圈的工作角频率ω；
3)开启无线充电，确定此时检测线圈的阻抗实部值；
4)测量各种金属异物和生物体异物(无线充电环境中可能出现的各种异物)存在于检测线圈上时检测线圈的阻抗实部值，并与步骤3)中的测得的阻抗实部值作差，获得多个阻抗实部变化量；
5)将多个阻抗实部变化量中最小的一个设置为阻抗阈值α。
第一温度阈值ΔT1设置为生物体异物在正常活动中的最低体温；第二温度阈值ΔT2设置为金属异物的最低安全温度(大于等于该温度，则有着火可能)。
综上，本发明实施例提供的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，首先通过测量检测线圈的阻抗变化快速确定是否有金属异物或生物体异物存在，当存在时通过红外传感对异物进行温升判断(金属异物在交变磁场下会随着时间温度升高，而生物体异物不会)，若不存在温升，则可确认异物是生物体异物，若存在温升，则需要判断此种情形是只存在金属异物还是金属异物和生物体异物共存，所以，进一步根据温度分布特性来区分两种异物，生物体异物的表面温度一般低于其内部温度，呈现外冷内热，而金属异物由于涡流分布的不均匀，其温度主要是集中在表面，呈现外热内冷，从而可区分出是只存在金属异物还是两种异物共存，并且通过红外热成像还能确定各种异物的位置。本方法融合了阻抗检测和红外传感，可以同时识别金属异物和生物体异物，在提高异物检测的精度、降低误报率方面更具有优势。
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.融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取检测线圈的阻抗实部变化ΔZ；
S2、判断阻抗实部变化ΔZ是否大于等于阻抗阈值α，若是则进入步骤S3，若否则返回至步骤S1；
S3、对所述检测线圈开启温度检测，获取所有目标中的最高温度T；
S4、判断最高温度T是否大于等于第一温度阈值ΔT1，若是则进入步骤S5，若否则返回至步骤S1；
S5、继续进行红外传感温度检测，并判断目标的最高温度T是否上升，若是则进入步骤S6，若否则输出异物仅为生物体异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置；
S6、判断目标的最高温度T是否大于等于第二温度阈值ΔT2，若是则立即断开无线电能传输，若否则根据此时目标的温度分布特性判断当前目标的异物类型和异物位置。
2.根据权利要求1所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于，在步骤S6中，根据此时目标的温度分布特性判断当前目标的异物类型和异物位置具体包括步骤：
S61、采用红外传感器对所述检测线圈进行红外热成像，得到热成像图片；
S62、判断所述热成像图像中是否有热点目标满足外热内冷的特征，若否则返回至步骤S5，若是则进入步骤S63；
S63、判断所述热成像图像中是否仅有一个热点目标，若是则输出异物仅为金属异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，若否则进入步骤S64；
S64、判断另外的热点目标是否满足外冷内热的特征，若是则输出异物为金属异物和生物体异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，若否则输出异物均为金属异物并根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置。
3.根据权利要求2所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于：在所述步骤S5中，当判断出异物仅为生物体异物时，则发出驱逐信号；在所述步骤S63和所述步骤S64中，当判断出异物仅为金属异物时，断开无线电能传输；在所述步骤S64中，当判断出异物为金属异物和生物体异物时，发出驱逐信号并断开无线电能传输。
4.根据权利要求2所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，具体包括步骤：
S51、采用所述红外传感器对所述检测线圈进行红外热成像，得到热成像图片；
S52、获取所述红外传感器与所述检测线圈的中心之间的相对位置关系；
S53、确定所述热成像图像中的热点目标，并确定各热点目标在所述热成像图片中的位置；
S54、根据所述红外传感器与所述检测线圈的中心之间的相对位置关系对各热点目标在所述热成像图片中的位置进行修正，得到各热点目标在所述检测线圈上的位置。
5.根据权利要求4所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于：在所述步骤S63和所述步骤S64中，根据红外检测的结果和检测线圈的位置输出异物的位置，具体为所述步骤S52～S54。
6.根据权利要求1所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于：所述检测线圈为1个，所述检测线圈覆盖无线充电发射线圈。
7.根据权利要求1所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于：所述检测线圈设有多个，多个所述检测线圈阵列式排布并覆盖无线充电发射线圈。
8.根据权利要求7所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于：所述红外传感器安装在无线充电接收线圈的中心。
9.根据权利要求1～8任一项所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述阻抗阈值α根据如下步骤确定：
1)确定所述检测线圈的尺寸参数，获取所述检测线圈的内阻Rs和自感Ls；
2)确定所述检测线圈的串联谐振电容Cs，确定所述检测线圈的工作角频率ω；
3)开启无线充电，确定此时所述检测线圈的阻抗实部值；
4)测量各种金属异物和生物体异物存在于所述检测线圈上时所述检测线圈的阻抗实部值，并与步骤3)中的测得的阻抗实部值作差，获得多个阻抗实部变化量；
5)将多个阻抗实部变化量中最小的一个设置为阻抗阈值α。
10.根据权利要求1～8任一项所述的融合红外传感和线圈阻抗检测的无线传能异物检测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，所述第一温度阈值ΔT1设置为生物体异物在正常活动中的最低体温；在所述步骤S6中，所述第二温度阈值ΔT2设置为金属异物的最低安全温度。
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