CN216489926U - 一种无线充电系统异物检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无线充电系统异物检测装置，包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路；所述检测信号激励源与检测信号激励线圈连接，以通过检测信号激励线圈产生交变电磁场，所述检测线圈列阵包括多个谐振检测线圈单元，所述谐振检测线圈单元由线圈单元与其对应的补偿电容构成，以谐振产生交变电磁场，所述检测信号响应线圈设置于检测线圈列阵的边缘位置，以对谐振检测线圈单元产生的交变电磁场进行检测，所述检测信号响应线圈与检测信号调理电路连接，以输出相应的检测信号。该装置有利于简单、便捷对无线充电系统进行异物检测。

Description

一种无线充电系统异物检测装置

技术领域

本实用新型属于无线电能传输领域，具体涉及一种无线充电系统异物检测装置。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术是一种利用电磁感应及其谐振补偿网络实现高效非接触电能传输的技术。该技术可广泛应用于高可靠、高绝缘要求的电能传输场景，具有安全、可靠、便捷等优点，具有广阔的应用前景。该技术是中距离无线电能传输的主要技术。

无线充电系统的异物检测是确保系统安全可靠运行的必要功能。不同类型的异物介入耦合线圈时可产生差异化的影响。其中，金属类异物的涡流热效应易产生火灾安全隐患。而活物在功率级电磁场下则会造成生物体电磁暴露超标，对生物组织造成潜在危害，并对人体植入设备等电磁敏感装置造成严重的失效风险。目前国内外无线充电系统异物检测技术的研究主要围绕着金属以及活物(动物)这两类开展。金属异物检测方法从原理上可分为基于介质特性的检测方法与基于外观特性的检测方法。在活物的检测方面，基于外观特性检测的方法在识别活物方面具有较高的优势，目前这几种检测方法对分别检测金属和活物有较高的灵敏度，但不适用于识别多种类多尺寸的异物的通用化检测。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种无线充电系统异物检测装置，该装置有利于简单、便捷对无线充电系统进行异物检测。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种无线充电系统异物检测装置，包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路；所述检测信号激励源与检测信号激励线圈连接，以通过检测信号激励线圈产生交变电磁场，所述检测线圈列阵包括多个谐振检测线圈单元，所述谐振检测线圈单元由线圈单元与其对应的补偿电容构成，以谐振产生交变电磁场，所述检测信号响应线圈设置于检测线圈列阵的边缘位置，以对谐振检测线圈单元产生的交变电磁场进行检测，所述检测信号响应线圈与检测信号调理电路连接，以输出相应的检测信号。

进一步地，所述检测线圈列阵中谐振检测线圈单元的放置位置与无线电能传输系统的发射线圈成设定角度，以使谐振检测线圈单元与无线电能传输系统的发射线圈解耦。

进一步地，所述谐振检测线圈单元的检测线圈平面与发射线圈平面相互垂直，以实现谐振检测线圈单元与发射线圈的解耦。

进一步地，所述线圈单元利用自身的寄生电容作为补偿电容与寄生电感构成自谐振检测线圈单元。

进一步地，所述线圈单元通过外接电容器件作为补偿电容构成谐振检测线圈单元。

进一步地，所述检测信号激励源采用推挽式E类逆变器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：提供了一种无线充电系统异物检测装置，该装置基于谐振电磁能量的传递耗散受异物介入影响的原理，通过设置检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路来谐振产生交变电磁场，并对其变化进行检测，进而可以简单、便捷地实现对异物介入情况的检测。

附图说明

图1为本实用新型实施例的异物检测装置结构图；

图2为本实用新型实施例的异物检测装置电路示意图；

图3为本实用新型实施例中基于能量传递耗散的异物检测原理示意图；

图4为本实用新型实施例中采用单脉冲激励进行异物检测的基本原理示意图；

图5为本实用新型实施例中谐振检测线圈结构图；

图6为本实用新型实施例中自谐振线圈等效电路图；

图7为本实用新型实施例中检测线圈排布图；其中，图7(a)为方形发射线圈图，图7(b)为圆形发射线圈图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种无线充电系统异物检测装置，所述异物检测装置包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路。

所述检测信号激励源与检测信号激励线圈连接，以通过检测信号激励线圈产生交变电磁场，所述检测线圈列阵包括多个谐振检测线圈单元，所述谐振检测线圈单元由线圈单元与其对应的补偿电容构成，以谐振产生交变电磁场，所述检测信号响应线圈设置于检测线圈列阵的边缘位置，以对谐振检测线圈单元产生的交变电磁场进行检测，所述检测信号响应线圈与检测信号调理电路连接，以输出相应的检测信号。

其中，所述检测线圈列阵中谐振检测线圈单元的放置位置与无线电能传输系统的发射线圈成设定角度，以使谐振检测线圈单元与无线电能传输系统的发射线圈解耦，降低检测线圈与无线电能传输系统发射线圈的相互干扰。在本实施例中，所述谐振检测线圈单元的检测线圈平面与发射线圈平面相互垂直，以实现谐振检测线圈单元与发射线圈的解耦。

在本装置中，线圈单元可以利用自身的寄生电容作为补偿电容与寄生电感构成自谐振检测线圈单元，或者线圈单元也可以通过外接电容器件作为补偿电容构成谐振检测线圈单元。

如附图2，在本实施例中，所述高频激励源采用带有特定阻抗变换网络的推挽式E类逆变器，可以产生时分多频正弦电流激励信号，所述的检测信号激励源连接激励线圈Le并产生特定频率的交变电磁场。

检测线圈列阵包含n个线圈单元，各线圈单元与对应的补偿电容构成谐振频率为上述交变电磁场频率的谐振检测线圈单元。线圈单元的谐振频率可根据激励源信号频率而存在多个谐振频率点。在谐振频率点上，检测线圈单元的环路阻抗角为零。

检测线圈单元1与激励线圈Le通过电磁感应进行电磁能量的传递。进一步，线圈单元2与线圈单元1间通过电磁感应进行电磁能量的传递。以此类推，检测信号响应线圈Lr在检测线圈列阵的特定位置与检测线圈单元n耦合。进而，响应线圈能够对谐振环节的电磁能量传递进行检测。即，响应线圈的输出电压或电流并通过信号调理电路处理后输出相应的异物检测判断信号。

当有异物位于检测区域时，谐振检测线圈单元的谐振频率发生偏移，使得检测线圈列阵间的电磁能量传递受到异物影响，检测信号产生相应变化，进而可以检测信号的改变作为检测区域是否存在异物的判断条件。

激励源对检测信号激励线圈激励。由于激励线圈与自谐振检测线圈单元间的电磁感应，电磁能量在检测线圈列阵中形成一个传输通路；检测信号响应线圈输出的电压或电流通过信号调理电路进行处理，产生异物检测判断信号。

单个谐振检测线圈单元在单一频率下可等效为电感、电容、电阻串联组成的谐振环路。

如图2所示，这一电磁能量传递耗散特征可通过峰值检测电容Cr的检测电压大小进行判断。不失一般性地，此处的信号处理电路可采用运算放大器进行放大、滤波等处理以提高信号检测的灵敏度。

在本实用新型的其他实施例中，也可采用采用单脉冲对激励线圈进行激励。如图4所示，检测线圈列阵在单脉冲激励下产生自由振荡。由于检测线圈列阵在不同异物条件下的谐振衰减时间不同，通过与正常情况衰减时间的对比可作为异物检测的判断依据。不失一般性地，采用窗口比较器进行衰减信号电压或电流与特定阈值的比较。信号的衰减过程产生一定宽度的矩形波，矩形波宽度t1作为衰减特征测量输出信号，并作为异物检测的判断信号。

图5是单频或多频谐振检测线圈单元的一种结构实例，自谐振线圈采用螺旋形结构。自谐振线圈可通过补偿电容来调整自谐振频率，从而实现所需的谐振频率调整以适应检测异物所需要的检测频率。当自谐振线圈位于列阵起始位置时，该自谐振线圈相邻位置放置有激励线圈以实现谐振线圈的激励。同样，当自谐振线圈位于列阵的结束位置时，自谐振线圈的邻近位置还包含一个检测接收响应线圈，用于对检测信号进行采集。本实施例采用自谐振线圈，检测线圈无需补偿或者部分补偿就可以工作在谐振模式。

自谐振检测线圈的等效电路如图6所示。自谐振线圈的谐振频率与寄生电容、电感、电阻参数直接相关。线圈的寄生参数受导体宽度、绝缘层厚度、导体层间的重叠等几何参数的影响。因此，可通过改变线圈的几何参数来获得自谐振线圈需要的多个本征频率。在实施例中，我们选择以PCB作为激励线圈、检测线圈、响应线圈。PCB导体的宽度、绝缘层厚度、导体层的交错会影响寄生参数，进而影响谐振频率。通过有限元仿真，可获得所需的谐振频率。在本实施例中，可通过有限元仿真对不同几何参数下的自谐振频率进行分析，最终获得所需的检测频率。在本实例中，所获得谐振频率为6.78 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz、40.68 MHz。通过多个激励频率，使得异物检测装置能够针对多种类，多尺寸的异物进行通用化的检测。不失一般性的，通过采用圆柱形铜导体螺旋形空心线圈也可作为本实例的激励线圈、检测线圈列阵单元、响应线圈。

图7给出了两种自谐振检测线圈的排布实例。不失一般性的，自谐振检测线圈依次排布，且检测信号的激励线圈、检测线圈、响应线圈的线圈平面垂直于发射线圈平面，即，检测线圈列阵的排列形式为“多米诺”。通过这种相互垂直或者近似垂直的排列方式，异物检测装置的线圈与无线电能传输系统的发射线圈解耦。即，发射线圈的电磁场变化不会被信号调理电路检测到。

当异物出现在传输通道时，传输通路的自谐振频率将发生偏移，通路后端的接收功率下降，激励端的输入功率以及经过异物后的功率衰减速度将产生变化。采用此线圈阵列排布，其受到功率级耦合线圈的影响可明显降低，并避免检测线圈对发射线圈的覆盖而影响功率级耦合线圈的能量传输。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线充电系统异物检测装置，其特征在于，包括与无线电能传输系统发射线圈解耦的检测线圈列阵、检测信号激励源、检测信号激励线圈、检测信号响应线圈和检测信号调理电路；所述检测信号激励源与检测信号激励线圈连接，以通过检测信号激励线圈产生交变电磁场，所述检测线圈列阵包括多个谐振检测线圈单元，所述谐振检测线圈单元由线圈单元与其对应的补偿电容构成，以谐振产生交变电磁场，所述检测信号响应线圈设置于检测线圈列阵的边缘位置，以对谐振检测线圈单元产生的交变电磁场进行检测，所述检测信号响应线圈与检测信号调理电路连接，以输出相应的检测信号。

2.根据权利要求1所述的一种无线充电系统异物检测装置，其特征在于，所述检测线圈列阵中谐振检测线圈单元的放置位置与无线电能传输系统的发射线圈成设定角度，以使谐振检测线圈单元与无线电能传输系统的发射线圈解耦。

3.根据权利要求2所述的一种无线充电系统异物检测装置，其特征在于，所述谐振检测线圈单元的检测线圈平面与发射线圈平面相互垂直，以实现谐振检测线圈单元与发射线圈的解耦。

4.根据权利要求1所述的一种无线充电系统异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元利用自身的寄生电容作为补偿电容与寄生电感构成自谐振检测线圈单元。

5.根据权利要求1所述的一种无线充电系统异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元通过外接电容器件作为补偿电容构成谐振检测线圈单元。

6.根据权利要求1所述的一种无线充电系统异物检测装置，其特征在于，所述检测信号激励源采用推挽式E类逆变器。

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