CN212063637U - 无线充电系统的异物检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线充电系统的异物检测装置，具有发射侧检测器，所述发射侧检测器设置在无线充电系统的发射端；所述发射侧检测器包括：依次连接的第一天线集和激励电路；所述第一天线集中包括多个第一天线；每个所述第一天线具有发射功能和接收功能；所述激励电路连通一个所述第一天线，使该所述第一天线开启发射功能，作为发射天线以发射信号；除所述发射天线以外的所述第一天线开启接收功能，作为接收天线，以接收信号。本实用新型的无线充电系统的异物检测装置，通过发射侧检测器和接收侧检测器实现对异物的检测，双侧的检测器通过天线实现对异物的检测，避免充电过程中异物进入发生危险。

Description

无线充电系统的异物检测装置

技术领域

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电系统的异物检测装置。

背景技术

在无线充电过程中如果在功率发射线圈上存在有金属异物，会因为磁场在金属异物上产生涡流效应而导致温度急剧升高，甚至可能存在引发火灾等危险。目前有很多设计，如通过增加平衡线圈等检测线圈，通过测量检测线圈的阻抗等参数变化来发现异物，现有方法可以发现附着在发射线圈表面的异物，但对于空间内存在的异物，如带金属盖的瓶子，包裹着金属物的物体等，通过上述方法无法检出，这仍然是无线充电，特别是电动汽车等大功率无线充电存在的隐患。

电动汽车无线充电除金属异物检测外，还存在着婴儿、宠物等生物体进入功率发射区域的风险，需要增加活物保护功能检测生物体的侵入。现有的活物检测比较常见的是通过在发射线圈四周设置多个多普勒雷达，当有生物体靠近发射线圈时通过雷达波的多普勒效应发现生物体，从而触发停机报警，当生物体离开时重新恢复充电。但会出现一种可能，如生物体在充电系统停机后进入了功率发射区域，无线充电系统可能无法发现生物体的进入而恢复功率传输，这种情况下仍然会出现对生物体健康造成伤害的可能。

实用新型内容

本实用新型提供一种无线充电系统的异物检测装置，实现异物检测。

本实用新型的无线充电系统的异物检测装置，具有发射侧检测器，所述发射侧检测器设置在无线充电系统的发射端；所述发射侧检测器包括：依次连接的第一天线集和激励电路；所述第一天线集中包括多个第一天线；每个所述第一天线具有发射功能和接收功能；所述激励电路连通一个所述第一天线，使该所述第一天线开启发射功能，作为发射天线以发射信号；除所述发射天线以外的所述第一天线开启接收功能，作为接收天线，以接收信号。

优选的，所述异物检测装置还具有接收侧检测器，所述接收侧检测器包括：依次连接的第二天线集、第二信号处理电路和第二控制器；其中，所述第二天线集具有至少一个第二天线，所述第二天线用于接收所述发射天线发射的信号。

优选的，所述激励电路包括相连通的信号发生器、驱动电路和功率放大器，其中，所述功率放大器连通所述第一天线。

优选的，所述发射侧检测器还包括：相连通的第一检测电路和控制器；所述第一检测电路与所述接收天线连通；所述第一检测电路具有相连通的第一放大器和第一滤波器；所述第一检测电路获取所述接收天线接收的信号，经过所述第一放大器和所述第一滤波器处理，发给所述控制器。

优选的，所述发射侧检测器还包括：相连通的第二检测电路和控制器；所述第二检测电路与所述接收天线连通；所述第二检测电路包括相连通第二滤波器和信号测量器；所述第二检测电路获取所述接收天线接收的信号，经所述第二滤波器和所述信号测量器的处理，发给所述控制器。

优选的，所述第二信号处理电路包括：相连接的接收信号处理器、接收放大器和接收滤波器。

优选的，所述第一天线集连接有切换开关，所述切换开关有选择地将至少一个所述第一天线与所述激励电路连通，使该至少一个所述第一天线作为发射天线，以发射信号；并将其他所述第一天线作为接收天线。

本实用新型的无线充电系统的异物检测装置，通过发射侧检测器和接收侧检测器实现对异物的检测，双侧的检测器通过天线实现对异物的检测，避免充电过程中异物进入发生危险。

附图说明

图1为本申请无线充电系统的异物检测装置的示意图；

图2为本申请无线充电系统的异物检测装置中第一天线集的工作示意图。

附图标记：

第一天线集11；切换开关12；激励电路13；第一检测电路14；第二检测电路15；控制器16；第二天线集21；第二信号处理电路22；第二控制器23；信号发生器131；驱动电路132；功率放大器133；第一放大器 141；第一滤波器142；第二滤波器151；信号测量器152；接收信号处理器221；接收放大器222；接收滤波器223；发射天线11t；接收天线11r。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型的无线充电系统的异物检测装置具有发射侧检测器。发射侧检测器设置在无线充电系统的发射端。发射端包含有功率发射线圈，接收端包含有功率接收线圈。无线充电时由高频驱动源输出一定频率的交变电流施加在功率发射线圈上激励产生同频率的电磁场，位于功率发射线圈上方的功率接收线圈感应耦合到磁场后产生电流，从而实现电能的无线传输。

功率发射线圈包括发射线圈绕组、磁性材料、底板和外壳，当然还包括发射侧检测器。对应功率发射线圈，在进行无线充电时，在需要充电的设备上，还具有功率接收线圈，其包括接收线圈绕组、磁性材料、底板和外壳，还包括接收侧检测器。

发射侧检测器包括：依次连接的第一天线集11和激励电路13。

第一天线集11中包括多个第一天线，每个第一天线都具有接收功能和发射功能，一般的，在工作时每个第一天线会依次开启发射功能，进行信号发射，其余的第一天线会开启接收功能。具体工作原理以及第一天线开启接收功能所起到的效果，下文会具体说明。在一些实施例中，可以通过切换开关12来切换第一天线的发射或接收功能。

工作时一般是将一个所述第一天线与所述激励电路13连接，使第一天线作为发射天线11t，以发射信号。第一天线集11中的每个第一天线都都有自身的编码，也就是说，他们结构、功能甚至尺寸都可以相同，但是，每个都有自身唯一对应的编号，以进行区分。这里提到的“依次”连接不一定是排列位置上的依次，而是按照固定好的次序进行的，以保证在接收侧检测器接收到对应的信号时，能够与预先获知次序匹配。

工作时，至少一个第一天线与激励电路13连通，作为发射天线11t发射信号，其发射的信号一般为电磁波信号，电磁波信号被其他用来检测的部件接收，实现对异物检测。后续会对检测部件，以及原理进行说明。一般的，同时只有一个第一天线作为发射天线11t发射信号，但本申请并不排除可以有多个发射天线11t同时工作的情形，只要在接收信号时调整对应的编码或检测规则，也可以用于本申请。在一些实施例中，切换开关12 可以控制哪个第一天线和激励电路连通，连通后的第一天线就作为发射天线11t使用。

第一天线排列组成一个阵列，第一天线集位于发射线圈绕组和其上部的外壳之间，第一天线的整列覆盖了功率发射线圈表面及其它需要异物检测的区域。

激励电路13包括信号发生器131、驱动电路132和功率放大器133，优选的依次相连。一般是功率放大器133连通第一天线(此时作为发射天线11t)，在有切换开关12时，激励电路13直接连接在切换开关12上。

信号发生器131产生一定频率的电磁波信号，并通过信号调制将第一天线集的一个第一天线对应的编码加载到电磁波信号内，再经过功率放大器133将信号放大，功率放大器133连接与编码所对应的第一天线，也就是发射天线11t，将电磁信号加载到该发射天线11t上，以连续或脉冲电磁波的形式向功率发射线圈上方空间发射出去。

对于发射出去的电磁波，可以被多个用来检测设备接收。如本文中例举处三个，一个是位于发射侧检测器的第一检测电路14；另一个是位于发射侧检测器的第二检测电路15；第三个是接收侧检测器。下面对他们进行详细说明。

第一检测电路14：

发射侧检测器还包括：相连通的第一检测电路14和控制器16；第一检测电路14与接收天线11r连通(在一些实施例中，具有切换开关12，那么就直接与切换开关12连通)。一般的，在优选实施例中，接收天线 11r与发射天线11t是不同的第一天线。这里提到的“不同”，不是指二者采用不同结构的第一天线，而是作为接收天线11r的第一天线，和作为发射天线11t的第一天线，不是同一个第一天线。结合上述每个第一天线都有自身的编号，这里的“不同”是指作为接收天线11r的第一天线的编号，与作为发射天线11t的第一天线的编号不同。简单来说，第一天线在功能上，可以实现发射功能，也可以是先接收功能，在工作中，至少一个第一天线使用发射功能，作为发射天线11t使用，其他的第一天线使用接收功能，作为接收天线11r使用。也就是说，所有的第一天线中，有的作为接收天线11r有的作为发射天线11t。

或者说，发射天线11t和接收天线11r都是第一天线，只不过在不同的时间起到的作用不同。发射天线11t轮流发射信号，当一个发射天线11t 发射信号时，其它的第一天线就作为接收天线11r，接收那一个发射天线 11t发射的信号遇到障碍物反射回来的信号。

需要注意，以上只是一个优选的实施例，在其它实施例中，作为发射天线11t的第一天线，还可以同时作为接收天线，即第一天线可以同时开始发射和接收功能。这种实施例中，至少一个第一天线作为发射天线11t，全都第一天线都可以同时作为接收天线11r使用。

在第一天线中，除了发射天线11t外，都可以作为接收天线11r，这种方式中，发射天线11t就只进行信号的发射。不过在一些实施例中，第一天线可以在开启发射功能的同时，启动接收功能。即，一个发射天线11t 发射信号的同时，也能作为接收天线11r接收反射的信号。需要注意，虽然存在同时开启两个功能的情况，但是一般不会使多个第一天线同时开启发射功能，以避免信号混乱。

在第一检测电路工作时，各个接收天线11r接收发射天线11t发出的电磁信号反射波，送入到控制器16处理最终得到频率、相位等参数。

所述第一检测电路14具有相连通的第一放大器141和第一滤波器142；所述第一检测电路14连接接收天线11r，获得信号，经过第一放大器141 和所述第一滤波器142处理，发给所述控制器16。

如图2，发射天线11t发出电信号，如果有异物存在，会将电信号反射，接收电路11r会接收到该反射信号，以实现对异物的判断，尤其是能够实现对活物的判断，具体的判断方式等，会在下文进行说明。因为异物存在的位置不固定，因此，反射信号位置方向都可能不同，因此，在一个发射天线11t工作时，其他的全部第一天线都作为接收天线11r工作，甚至在一些实施例中，发射天线11t也能同时实现接收天线11r的功能。

以上提到的发射天线11t和接收天线11r是按照不同的分工对第一天线进行的划分，并不表面第一天线具有两种或存在不同，任何一个第一天线都能作为发射天线11t，也能作为接收天线11r使用。

需要注意的是，图1和图2中第一天线(发射天线11t、接收天线11r) 和第二天线均为示意图，以两种形状示出外形结构，但本申请中的全部“天线”并不被附图所限制，应该以实际工作需要而设置，例如常见的采用平面螺旋线圈。

在无线充电启动前或在无线充电功率传输过程中，当有活动的生物体进入检测范围内时，发射天线11t发出的无线电波(电磁波)会被反射，反射波的频率会随碰到物体的移动状态而改变。如果电磁波碰到的物体的位置是固定的，则反射波的频率和发射波的频率相等；如果物体向着发射的方向移动，则反射回来的波会被压缩，也就是反射波的频率会增加；反之，当物体向着远离发射的方向移动时，反射回来的波的频率会随之减小。发射天线11t工作时，剩下的第一天线作为接收天线11r，接收反射波，将接收到的电磁反射波的频率与发射出的电磁波频率进行比较，若频率变化值超过安全阈值，可以判断有活动物体在发射线圈的保护区域内。当生物体的活动幅度不大或静止时，电磁反射波的频率变化很小或不变化，但生物体由于呼吸运动引起胸壁微动或心跳信号使得反射信号会产生时变的相移，通信控制器从接收到的电磁反射信号中提取出符合如婴儿等生命参数的体动信号后也能发现生物体。当异物检测装置在工作区域范围内发现生物体存在时，将活物保护异常信息发送给无线充电系统主控制器，停止或不启动无线充电的功率传输并发出报警信息。

第二检测电路15：

发射侧检测器还包括：相连通的第二检测电路15和控制器16；所述第二检测电路15与接收天线11r连通。第二检测电路15包括相连通第二滤波器151和信号测量器152；第二检测电路15获取所述接收天线11r接收的信号，经所述第二滤波器151和所述信号测量器152的处理，发给所述控制器16。第二信号处理电路22包括：相连接的接收信号处理器221、接收放大器222和接收滤波器223。在于第一天线连通上，第二检测电路 15与第一检测电路14相同，即他们共用接收天线11r。

第二检测电路15和第一检测电路14可以共用控制器16。并且，他们所使用的接收天线11r都是一样的，也就是接收天线11r接收到的信号，两个检测电路都能接收到。

功率发射线圈壳体上方表面或附近的金属异物也可等效为电感和电阻，并且与附近的发射天线11t之间有等效互感。当金属异物靠近发射天线11t时，发射天线11t的等效电感和电阻就会发生变化。因此对于靠近功率发射线圈壳体的金属异物，可以使用第二检测电路15进行检测。第二滤波器151，将发射天线11t的信号经过滤波后输送到信号测量器152上，通过信号测量器152检测发射天线的输出阻抗、电磁波信号的相位、频率等一个参数或多个参数的变化，当参数变化值超过安全阈值，则可判定功率发射线圈表面或附近存在着金属异物。

下面对接收侧检测器进行说明。接收侧检测器是独立于发射侧检测器的，以电动汽车为例，接收侧检测器是安装在汽车上的，也就是安装在无线电能的接收侧。接收侧检测器包括：依次连接的第二天线集21、第二信号处理电路22和第二控制器23。

第二天线集21中也有多个第二天线，该第二天线可以接收发射天线 11t发射的信号。多个第二天线也可以组成一个阵列。

第二天线集21可集成在接功率收线圈内部、接收线圈绕组上方，也可以设置在功率接收线圈外部，位于功率接收线圈上方，即功率接收线圈和功率发射线圈之间。第二天线组成的阵列覆盖的接收范围可大于第一天线组成的阵列范围。在功率发射线圈和功率接收线圈之间正常偏移工作范围内，第二天线集21均能够接收到发射天线11t发出的电磁波信号。

该接收侧检测器通过第二天线集中多个第二天线，直接接收发射天线 11t发射的电信号。并且，在接收侧检测器的第二信号处理电路22和第二控制器23，实现对电信号的处理的监测分析。一般的，第二控制器23能够预先获取每个第一天线的编号。具体可以通过无线信号传递的方式获取，也可以是直接预制的。

第二天线集的第二信号处理电路包括接收信号处理器221、接收放大器222器和接收滤波器223。优选的，第二天线集的第二天线与接收放大器222相连，多个第二天线接收到的电磁信号送入到信号处理器221处理产生成一个电磁信号，输入到接收放大器222后被放大，放大的信号送入接收滤波器223滤波，去除杂波，特别是功率传输磁场在第二天线上耦合产生的干扰信号。接收滤波器223输出的信号被送到第二控制器23进行检测，测量出信号强度、相位、频率等参数，并解调出发射天线对应的编码。

在无线充电启动前或在无线充电功率传输过程中，激励电路13每次接通一个发射天线11t，发射电磁波，接收侧检测器的电路同时接入所有第二天线，获取发射天线11t发出的电磁波，检测电磁波信号的参数，并解调出发射天线11t的对应编码。发射天线11t发出的电磁波信号可能会发散开，而且也不能确定会被哪一个第二天线接收到，所以就同时打开所有第二天线，在接收端将所有接收的信号叠加，再还原成一个信号。

每个第一天线依次作为发射天线11t，重复并循环上述过程，从而可以连续检测获得每一个第一天线作为发射天线11t时的信号强度等参数。当发射线圈壳体上方，包括表面或功率发射线圈和功率接收线圈之间的空间，若存在着金属异物，金属内部会因电磁感应而产生涡流导致传输能量损耗，从而使发射天线11t和第二天线之间的传输关系被破坏，第二天线接收到电磁波信号的能量及其信号参数发生变化。第二天线接收到的每一个发射天线11t发出的电磁波的强度在出厂前均可提前标定，并且所述信号强度值及对应的发射天线11t编码在系统启动前已由发射端的通信控制器通过无线通信发送到接收端的通信控制器(也可以是其他方式传递)。当第二天线接收到一个以上的发射天线11t发出的电磁波低于标定的信号强度，且信号强度的变化超过安全阈值，则可判定功率发射线圈表面或上部空间内存在着金属异物，并且根据发射天线11t的编码值可以确定异物的位置。当第二控制器23判定发现金属异物时，会将异物保护异常信息发送给无线充电系统发射端的通信控制器，停止或不启动无线充电的功率传输并发出报警信息。具体发送该异物保护异常信息的部件，可以是控制器 23，也可以是独立的通信装置，这些对于本领域技术人员来说，是能够获取的。

在本实用新型一些实施例中，采用第二检测电路15进行检测和上述接收侧检测器结合的方式使用，可以进一步提高金属异物检测的有效性。第一检测电路14同样也可以结合进来，即，三种检测方式可以同时存在。

第一天线和第二天线可选用平面天线，天线可由金属线绕制，也可采用在PCB板上印刷、蚀刻、打印，以及金属沉积等方式制作。为了方便说明，将第一天线和第二天线统称为“天线”。天线可包括折线、环状、片状、螺旋型等多种形状，但避免采用会产生涡流效应的块状金属体，以减少天线在功率传输时耦合功率发射磁场而产生的涡流损耗。天线的极化方向，即电磁波在最大辐射方向或最大接收方向垂直于天线平面，其中第一天线(发射天线11t)发射出的电磁波形成向上和向下的两个主波瓣。向下的波瓣被功率发射线圈内部的磁芯材料所吸收(在一些实施例中，没有作为发射天线11t发射电磁波的第一天线，还能作为接收天线11r使用，向上的波瓣遇到异物或接收线圈反射回来后可以被其它发射天线，可记作接收天线11r接收，具体下文进行说明)，当发射线圈上方有接收线圈时，向上的波瓣可被接收线圈内的接收天线所获取。

综上可知，本申请的异物检测装置，可以同时集成三种检测方式，能够有效的提高检测效率和精准性。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，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，均应在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述异物检测装置具有发射侧检测器，所述发射侧检测器设置在无线充电系统的发射端；

所述发射侧检测器包括：依次连接的第一天线集(11)和激励电路(13)；所述第一天线集(11)中包括多个第一天线；每个所述第一天线具有发射功能和接收功能；

所述激励电路(13)连通一个所述第一天线，使该所述第一天线开启发射功能，作为发射天线(11t)以发射信号；除所述发射天线(11t)以外的所述第一天线开启接收功能，作为接收天线(11r)，以接收信号。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述异物检测装置还具有接收侧检测器，所述接收侧检测器包括：依次连接的第二天线集(21)、第二信号处理电路(22)和第二控制器(23)；其中，所述第二天线集(21)具有至少一个第二天线，所述第二天线用于接收所述发射天线(11t)发射的信号。

3.根据权利要求1所述的无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述激励电路(13)包括相连通的信号发生器(131)、驱动电路(132)和功率放大器(133)，其中，所述功率放大器(133)连通所述第一天线。

4.根据权利要求1所述的无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述发射侧检测器还包括：相连通的第一检测电路(14)和控制器(16)；

所述第一检测电路(14)与所述接收天线(11r)连通；

所述第一检测电路(14)具有相连通的第一放大器(141)和第一滤波器(142)；

所述第一检测电路(14)获取所述接收天线(11r)接收的信号，经过所述第一放大器(141)和所述第一滤波器(142)处理，发给所述控制器(16)。

5.根据权利要求1所述的无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述发射侧检测器还包括：相连通的第二检测电路(15)和控制器(16)；

所述第二检测电路(15)与所述接收天线(11r)连通；

所述第二检测电路(15)包括相连通第二滤波器(151)和信号测量器(152)；

所述第二检测电路(15)获取所述接收天线(11r)接收的信号，经所述第二滤波器(151)和所述信号测量器(152)的处理，发给所述控制器(16)。

6.根据权利要求2所述的无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述第二信号处理电路(22)包括：相连接的接收信号处理器(221)、接收放大器(222)和接收滤波器(223)。

7.根据权利要求1、4或5中任一项所述的无线充电系统的异物检测装置，其特征在于，

所述第一天线集连接有切换开关(12)，所述切换开关(12)有选择地将至少一个所述第一天线与所述激励电路(13)连通，使该至少一个所述第一天线作为发射天线(11t)，以发射信号；并将其他所述第一天线作为接收天线(11r)。

Images