CN218867985U - 宽偏移范围的无线充电发射端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了宽偏移范围的无线充电发射端，包括：激励线圈；发射线圈组，由多个并联的发射单元组成，每个发射单元由发射线圈、补偿电容和控制开关串联组成回路；所述发射单元中包括第一发射单元，所述激励线圈与所述第一发射单元耦合；电流采集电路，采集任意所述发射单元的电流；控制器，与所述电流采集电路联通，并控制任意控制开关的通断关系；工作电路，与所述激励线圈连接，用于向所述激励线圈提供交流电。本实用新型宽偏移范围的无线充电发射端具有多个并联的发射单元，在工作时可以选取对应的发射单元工作，使整个系统具有更宽的偏移范围，从而使待充电设备放置时，可有更多的位置选择。

Description

宽偏移范围的无线充电发射端

技术领域

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及宽偏移范围的无线充电发射端。

背景技术

无线充电是一种不经物理接触即可直接传输电能的技术，无线充电发射线圈和接收线圈之间一般会存在着一定的位置偏移。而当一个发射线圈与接收线圈存在着较大的偏移时，无线充电系统的传输功率和效率等都将有明显下降；特别是当偏移超过一定的范围时，甚至会出现不能充电的情况，这将会对无线充电技术的体验和技术的推广造成影响，因此提高无线充电的偏移范围是无线充电技术需要解决的关键问题之一。

实用新型内容

本实用新型提供一种宽偏移范围的无线充电发射端。可以在待充电设备有较大偏移范围时，仍能高效充电。

宽偏移范围的无线充电发射端，包括：激励线圈；发射线圈组，由多个并联的发射单元组成，每个发射单元由发射线圈、补偿电容和控制开关串联组成回路；所述发射单元中包括第一发射单元，所述激励线圈与所述第一发射单元耦合；电流采集电路，采集任意所述发射单元的电流；控制器，与所述电流采集电路联通，并控制任意控制开关的通断关系；工作电路，与所述激励线圈连接，用于向所述激励线圈提供交流电。

优选的，所述激励线圈与位于所述发射线圈组中心位置的发射线圈耦合。

优选的，在所述激励线圈上加载的交流电的频率可变，且所述频率至少包括第一频率f₁，且满足；其中，其中L_D1为第一发射单元的等效电感，C_D1为第一发射单元的等效电容。

优选的，所述频率还包括第二频率f₂，满足，其中，L_D2为第一发射单元、每次闭合的控制开关所在的发射单元、激励线圈以及接收线圈组成的等效电感，C_D2为第一发射单元与每次闭合的控制开关所在的发射单元的等效电容。

优选的，所述激励线圈至少与一个所述发射线圈通过磁芯形成紧耦合。

本实用新型宽偏移范围的无线充电发射端具有多个并联的发射单元，在工作时可以选取对应的发射单元工作，使整个系统具有更宽的偏移范围，从而使待充电设备放置时，可有更多的位置选择。

附图说明

图1为本实用新型宽偏移范围的无线充电发射端的示意图；

图2为本实用新型宽偏移范围的无线充电发射端中发射单元的示意图；

图3为本实用新型宽偏移范围的无线充电发射端中接收线圈与发射线圈组的示意图；

图4为给电子设备无线充电的示意图。

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。

本实用新型公开一种宽偏移范围的无线充电发射端，参见图1、图2和图3，本申请中的无线充电发射端（也称发射装置）包括：电源6、工作电路、激励线圈1、电信号采集电路2、控制器3、发射线圈组4等部件组成。工作电路包括逆变电路7、补偿电路8等。在无线充电时，待充电设备具有接收装置（接收线圈51），与发射线圈组4中的发射线圈L耦合。

电源作为外部的设备，选择直流电源或者交流电源均可。选用直流电源时，输入的直流电连接到逆变电路，所输入的直流电经逆变电路转换为高频交流电后输出到补偿电路的输入端，高频交流电经补偿电路后加载到激励线圈1。当选择交流电源时，用交流电源作为输入，在逆变电路前端要增加一级整流变换电路，交流电源的输出经整流变换后转换成直流，再输入到逆变电路的输入端。

接收装置的控制器通过无线通信链路与发射端的控制器3进行信息交互，接收装置将充电需求发送至发射端。

继续参见图1到图3，发射线圈组4由多个并联的发射单元组成，每个发射单元由发射线圈L、补偿电容C和控制开关S串联组成回路，该回路也可以称为发射回路，即发射单元是至少由上述三个部分形成发射回路。发射线圈L的电感与补偿电容C串联连接成为一个LC发射回路，也可以称为LC发射单元。为了区分多个不同的发射单元内的部件，可以将每个发射单元编号，对应的将其包括的发射线圈L、补偿电容C和控制开关S编号，例如第二发射单元中包括第二发射线圈L2、第二补偿电容C2和第二控制开关S2等。图1中，以L1-Ln表示每个发射单元内的发射线圈，以C1-Cn表示每个发射单元内的补偿电容，以S1-Sn表示每个发射单元内的控制开关。

每个发射单元的补偿电容C的一端都相互连接在一起，补偿电容C的另一端也都相互连接在一起，即所有的发射单元是并联的。也就是多个发射单元并联组成发射线圈组4。

每一个发射单元的控制开关S都受到控制器3的控制，通过切换控制开关S的通断来接通或断开发射回路，即能够控制发射单元是否工作。在工作中，接收线圈51可能会和部分发射单元的发射线圈L耦合，本申请的方法就可以快速判断哪些发射线圈L可以和接收线圈51耦合，将可以耦合的，通过控制开关S将对应的发射单元接通。

发射线圈采用阵列式布置的形式，发射线圈在一个平面上紧密相邻平行放置，发射线圈其外形为规则形状，如圆形、正方形、矩形、六角形等形状中的一种或多种的组合，发射线圈除平行布置以外，也可以按相邻发射线圈之间有部分面积重叠的方式布置。

在多个发射单元中，至少有一个发射单元的发射线圈L能够与激励线圈1耦合。因为发射单元有多个，对应的发射线圈L也就有多个，而激励线圈1可以只有一个，从尺寸上讲，一个激励线圈1的尺寸和一个发射线圈L尺寸相当，所以并不能满足一个激励线圈1同时与所有发射单元中的发射线圈L耦合。激励线圈1位于发射线圈组4的下方，也就是相对远离接收线圈51的一侧。

为了方便说明，将这个与激励线圈1耦合的发射线圈L所在的发射单元，命名为第一发射单元。该第一发射单元可以是任何一个发射单元，优选的，是位于发射线圈组4中心部分的发射单元。

电信号采集电路2能够采集任意发射单元的电信号，例如电流和电压，又例如是所有并联的发射单元的总电流，控制器3与电信号采集电路2联通，并可以根据采集到的电流信息，控制任意控制开关S的通断关系。

结合图1和图3，接收装置也称接收端，一般具有接收线圈51、接收端控制器52、接收端补偿电路53、接收端整流滤波电路54和作为负载55的电池等，当接收装置处于发射线圈组4上方时，激励线圈1、发射线圈组4以及发射线圈组4上方的接收线圈51组成了一个带有中继线圈的三线圈结构，多个发射单元中的发射线圈L就作为激励线圈1和接收线圈51之间的中继线圈。

对于无线充电系统来说，三线圈结构中的中继线圈起到增加谐振电流的作用，相比于常规只有接收和发射的两线圈结构具有更强的传输能力，能够获得更远的传输距离，并可以实现更高的传输效率和更大的传输功率。工作时，接收线圈51所在位置，对应的发射单元内，控制开关S闭合，使发射单元导通，能完成无线电能传输工作。即接收线圈51能够和发射单元内的发射线圈L耦合。

下面说明无线充电发射端的控制方法，该方法能够判断哪些发射单元的发射线圈L能够和接收线圈51耦合，从而使对应的控制开关S闭合。

可以分为四个大步骤，这四个步骤是基础步骤，在后面的描述中，可能会在这四个步骤中穿插其他步骤。

步骤1，可以算作初始步骤，该步骤中，激励线圈1与第一发射单元的第一发射线圈L1耦合，第一控制开关S1闭合，其他控制开关S打开。如上文说明的，将与激励线圈1耦合的发射单元定义为第一发射单元。

步骤2，可以称为动作步骤，主要是控制开关S的动作，在保持第一控制开关S1闭合的基础上，依次闭合其他控制开关S，每次闭合一个控制开关S。一般是按顺序闭合。在每次闭合时，在激励线圈1上加载频率为的交流信号，该频率记做工作频率f₂，下文会说明该频率的来源。其中L_D2为第一发射单元、每次闭合的控制开关S所在的发射单元、激励线圈1以及接收线圈51组成的等效电感，C_D2为第一发射单元与每次闭合的控制开关S所在的发射单元的等效电容。

以闭合第二发射单元为例，第一发射单元和第二发射单元组成一个并联电路，并且该电路中第一发射线圈L1与激励线圈1和接收线圈51存在互感，第二发射线圈L2与接收线圈51存在互感。根据电路分析的原理，可将该并联电路等效变换为一个LC电路，则L_D2为等效电路的电感，以下简称为等效电感；C_D2为等效电路的电容，以下简称为等效电容。因为每个发射单元内的发射线圈L的电感值、补偿电容C电容值都是已知的，因此上述的L_D2和C_D2就都已知晓。

为了方便说明，我们把每次控制开关S闭合，所接入的发射单元称为待识别发射单元，也就是待识别其所在位置处是否有接收线圈51。

一般情况下，每个发射单元基本是相同的，因此，无论哪个发射单元的控制开关S闭合，等效电感L_D2和等效电容C_D2的值也相同，所以每次闭合控制开关S时，在激励线圈1上加载的交流信号的频率一致。

当然，每个发射单元的参数可以不同，这些参数都是可以提前知晓的，从而每次闭合不同的控制开关S时，相应的调整频率即可。

步骤3，比较步骤，步骤3是在步骤2中每个控制开关S闭合后都会进行的，也就是每次有一个控制开关S闭合后，步骤3都会进行一次比较。步骤3比较的内容为以下两个参数之间的第一相位差Ф1。

参数1：加载到所述激励线圈1的交流信号的电压；参数2：第一发射单元与每次闭合的控制开关S所在的发射单元并联形成的电路的总电流。以第二控制开关S2闭合为例，数据2为：第一发射单元与第二发射单元并联形成的电路的总电流。对于数据2的获取，可以在并联的发射单元的并联点（如第一发射单元和第二发射单元的并联点）两端设置采样电阻，电信号采集电路2将流经采样电阻的电流信号，经幅值和波形等处理后将信号输入到控制器3，由控制器3进行电流相位角的测量。

根据第一相位差Ф1的值，确定每次闭合的控制开关S所在的发射单元对应的位置是否有接收线圈51，如果有则将对应的发射单元定义为工作单元。具体的取值，以及判断原则下文详细说明。

步骤2会将所有的控制开关S都闭合一次，步骤3也会对每个发射单元对应的位置是否有接收线圈51进行一次判断。所有被判断为有接收线圈51的发射单元都将定义为工作单元。

步骤4，充电步骤，在进行无线充电时，将所有工作单元的控制开关S闭合。

下面说明如何根据第一相位差Ф1判断是否具有接收线圈51。

预设相位差的阈值Ф_T，并划分两个阈值范围：

第一阈值范围为[0°，Ф_T]，表示参数2落后于参数1。

第二阈值范围为[Ф_T’，360°]，其中Ф_T’=360°-Ф_T，表示参数2超前于参数1。

当第一相位差Ф1不在两个阈值范围内时，判断为闭合的控制开关S所在的发射单元对应的位置没有接收线圈51，反之为有接收线圈51。

预设相位差阈值Ф_T的获取方法为：

Ф_T＝[（t3-t1）/(t2-t1)]*360°

其中，t1为：加载到所述激励线圈1的交流信号的电压的第一个周期的上升沿触发时间；t2为加载到所述激励线圈1的交流信号的电压的第二个周期的上升沿触发时间；t3为第一发射单元电流的第一个周期的上升沿触发时间。

当控制开关S接通待识别发射单元时，该待识别发射单元的补偿电容C与发射线圈L连通而构成串联回路。在激励线圈1加载信号（微功率的交流信号），信号的工作频率设定，能够使一个待识别发射单元及第一发射单元在上方有接收线圈51时处于谐振状态，即，使并联的一个待识别发射单元和第一发射单元中的等效感抗和等效容抗相互抵消，并联的两个发射单元发生谐振。

交流信号的工作频率可以根据发射端的参数确定，当待识别发射单元及第一发射单元的发射线圈在上方有接收线圈51时，待识别发射单元的发射线圈L与接收线圈51存在着互感，而第一发射单元的发射线圈L1分别与接收线圈51和激励线圈1都存在着互感，根据待识别发射单元及第一发射单元的补偿电容值，使工作频率f₂满足，发射端以工作频率f₂在激励线圈1加载的信号，也是交流电信号，可以使并联的两个发射单元处于谐振状态。

第一发射单元位于由全部发射单元组成的发射线圈组4的中心区域。这样，在放置待充电设备时，一般能够保证第一发射单元始终处于接收线圈51附近。以给手机或其他电子设备无线充电为例，如图4所示，外框A是放置手机的区域，内框B是发射线圈组4所在区域，手机（图4中用虚线示出）的接收线圈51（也在图4中用虚线表示）一般位于手机中心区域，因此，手机只要放置在外框A内，都能保证接收线圈51与第一发射单元能够耦合。

上文提到“将与激励线圈1耦合的发射线圈L所在的发射单元，命名为第一发射单元”，可见第一发射单元是人为定义的，结合上一段的说明，选取位于发射线圈组4的中心区域的发射单元，将该发射单元与激励线圈1耦合，使其成为第一发射单元，就可以保证第一发射单元所在处有接收线圈51。

当然，在一些实施例中，并非必须将第一发射单元设置在发射线圈组4的中心区域，那么该第一发射单元上方是否有接收线圈51，就需要通过下述方法判断。

该方法在上述步骤2之前进行，在步骤1中已经将第一控制开关S1闭合，然后在激励线圈1上加载频率为的交流信号，该频率记做工作频率f₁。其中，其中L_D1为第一发射单元的等效电感，其中包括第一发射线圈L1的电感和与激励线圈及接收线圈的互感，C_D1为第第一发射单元的等效电容。

比较以下两个参数之间的第二相位差Ф2：

参数3：加载到所述激励线圈1的交流信号的电压。该参数的内容与参数1一致，具体数值不一定相同。参数4：第一发射单元的电流。

根据第二相位差Ф2的值，确定所述第一发射单元对应的位置是否有接收线圈51。判断的方法，和第一相位差Ф1的判断方法相同，都是和划分的两个阈值范围比较，第二相位差Ф2在两个阈值范围内时，判断第一发射单元上方具有接收线圈51。

第一发射单元对应的位置如果有接收线圈51则进入步骤2，并且所述第一发射单元定义为工作单元；第一发射单元对应的位置如果没有接收线圈51依旧进入步骤2，但是第一发射单元不定义为工作单元。

虽然无论是否有接收线圈51，都会进入步骤2，但是在步骤2中，激励线圈1上加载的交流信号的频率可能会发生变化。从公式表达来看，其依然是，但是，由于第一发射单元上方没有接收线圈，因此每次闭合控制开关S后，接入的发射单元、第一发射单元、激励线圈1以及接收线圈51组成的等效电路会发生改变，因此它们对应的等效电感也会发生变化。因此频率的表达式没有变化，但是公式中的数值是有变化的。

为了方便起见，我们默认还是将第一放射单元设置在发射线圈组4中心，只要有待充电设备放置，都会保证其上方有接收线圈51，这样上述的数值的变化就可以避免。当然，也可以使第一发射单元始终处于不会有接收线圈51的位置，例如，将第一发射单元，放置在发射线圈组4之外，也就是在内框B之外，始终没有接收线圈51处于其上方，从而上述公式的表达不会发生改变，只是对应的数值是变化后的值，因为第一发射单元上方少了接收线圈，因此等效电路的参数值变化，导致最终的结果数值变化。

现有技术中，具有多个发射线圈的无线充电系统在识别接收线圈51位置时，一般是通过测量接收装置在发射装置中产生的反射阻抗，或者通过测量发射线圈和接收线圈51之间的互感来确定的，因为在测量过程中要在发射装置和接收装置中加载电流并检测其参数，而电流需要流经接收装置中的功率转换电路和负载等，而由于负载的不同等因素会造成对测量结果的影响。为了解决这一问题，现有技术识别接收线圈位置时会将接收装置中的负载短路，以避免负载端造成的影响。例如专利CN114050668B，在进行测量线圈互感值M时将接收装置中阻抗匹配电路输出端两点连接，通过短路两点而断开了后端的整流滤波电路和负载端。

在本实施例中发射线圈组4是由多个发射单元并联组成的独立回路，并联的2个发射单元的等效阻抗除了反射线圈本身的电感和补偿电容有关外，还和与激励线圈1和接收线圈51的互感有关，第一发射线圈L1与激励线圈1互感是固定值，而接收线圈51与其他发射线圈的互感是需要检测的目标参数，其结果反应在发射装置的电压和接收装置的电流之间的相位差上，而在测量相位差的过程中，并联的工作发射单元不会受到接收装置的功率转换电路和负载等的影响。因此本实施例有益的好处是不需要在接收装置一侧增加切换电路，即不需要对接收装置的电路做改动，这样一方面可以减少系统的部件数量，降低成本和复杂性，另一方面对于现有设计比较成熟的电路或者已经大规模使用的无线充电接收装置，如手机等产品具有更好的兼容性。

在完成所有发射单元的识别后，需要判断所有工作单元的总传输功率是否满足系统功率传输的要求，具体的是根据每个发射线圈所能承载的传输功率和可作为工作发射线圈（工作单元内的发射线圈，即为工作发射线圈）的数量来确定，每个发射线圈的传输功率则由其在工作时出现的最小工作电压和发射线圈最大载流量确定，所有工作发射线圈的总传输功率要大于系统最大传输功率方可启动功率传输，否则不能启动，或者以降低传输功率的方式启动。

下面对无线充电过程中可能存在的金属异物问题进行说明。

一般来说，当无线充电时，发射线圈上方存在金属异物会因为发射线圈产生的电磁场而被加热，从而使系统电能传输性能降低或无法正常工作，甚至会导致安全问题，因此发射线圈上方存在金属异物时需要通过金属异物检测功能识别出来，并且在移除金属异物之前不能启动充电。

本申请的方案中发射线圈组4中发射单元设置了控制开关S，当断开非工作单元的控制开关S后，非工作发射线圈（非工作单元的发射线圈，即为非工作发射线圈）不会产生电流，也不会产生电磁场。因此按照本申请，在识别发射线圈之后（“识别”是指识别上方是否有接收线圈51），如果工作发射线圈的总传输功率满足要求，可以不用经过金属异物检测过程而直接启动无线功率传输。

发射单元的识别过程中（即上述检测上方时候有接收线圈51的过程）检测到的相位差不在阈值范围内原因，除了发射线圈上方没有接收线圈51之外，还有一种可能是因为发射线圈表面有金属异物，具体包括两种情况：

1.发射线圈上方没有接收线圈51，但有金属异物。

2.发射线圈上方有接收线圈51，但在发射线圈与接收线圈51之间有金属异物。

工作发射线圈的总传输功率不满足要求是因为可作为工作发射线圈的数量不够，在这种情况下，可以启动金属异物检测功能，发现并清除发射线圈上方存在的金属异物，以获得更多的工作发射线圈。

金属异物检测时可以采用类似前述的方法，即接收线圈51在发射线圈组4上的位置识别的方法，保持第一控制开关S1闭合，断开其他控制开关S，再依次接通非工作发射单元的控制开关S，并且一次只接通一个非工作发射单元的控制开关S。在激励线圈1加载交流信号（微功率的），使并联的一个非工作发射单元及第一发射单元中的总感抗和总容抗相互抵消，所述并联的两个发射单元（两个发射单元中的发射回路）发生谐振。交流信号的工作频率根据非发射单元上方没有接收线圈51，但第一发射单元在上方有接收线圈51的参数确定，即非工作发射单元只存在发射线圈的电感，而第一发射单元的发射线圈L1分别与接收线圈51和激励线圈1存在着互感，根据非工作的发射单元及第一发射单元的补偿电容值，使工作频率f₃满足，其中L_D3为并联的两个发射单元的等效电感，包括非工作发射线圈和第一发射线圈L1的电感，以及第一发射线圈L1与接收线圈51和激励线圈的互感，C_D3为并联的两个发射单元的等效电容。发射装置以工作频率f₃在激励线圈1加载交流输入，可以使并联的两个发射单元在非工作发射线圈上方不存在接收线圈51时处于谐振状态。

然后比较以下两个参数的第三相位差Ф3：

参数5：加载到激励线圈1的交流信号的电压。与参数1和参数3一致，这里的一致是指内容一致，数值不一定一致。

参数6：第一发射单元与每次闭合的控制开关S的发射单元并联形成的电路的总电流。该参数6与参数2类似，只不过，此时已经判断出那些是非工作单元那些是工作单元，因此参数6中每次闭合的控制开关S的发射单元均为非工作单元。

第三相位差Ф3同上述的第一相位差Ф1和第二相位差Ф2一样，与两个阈值范围比较，当第三相位差Ф3在阈值范围内，判断为非工作发射线圈上方不存在接收线圈51（因为此时工作频率f₃的确定，是基于非发射单元上方没有接收线圈51，因此在阈值内则说明上方没有接收线圈51，也没有异物影响）；当第三相位差Ф3不在阈值范围内，判断为非工作发射单元的发射线圈存在如有金属异物等异常情况。

无线充电系统通过控制器3上报存在金属异物的异常情况，在清除异物后重新完成识别接收线圈51在发射线圈组4上的位置的过程，如果清除异物后增加了可作为工作发射线圈的数量，使工作发射线圈的总传输功率满足要求，则可启动无线功率传输；如果工作发射线圈的总传输功率仍不能满足要求，且再经金属异物检测而未发现金属异物，则可能是接收线圈51与发射线圈组4紧密耦合的发射线圈数量过少，不能发起无线充电，需要改变接收装置的位置以对准发射线圈组4，以耦合更多发射线圈，或者在经系统确认后以降低发射功率的方式启动。

当然，因为本实施例中激励线圈设置在发射线圈组4的中心位置，当接收线圈51处于在第一发射线圈上方，一般会覆盖另外的多个发射线圈，不太会出现工作发射线圈数量过少的情况。并且，按照本申请在设计无线充电系统时，可以将每个发射线圈的可传输功率设计得较大一点，在出现金属异物等异常情况时，可以在断开异常发射线圈而使工作发射线圈数量减少的情况下，仍然可以满足总传输功率的要求。在工作发射线圈数量超过总传输功率的要求时，也可以对工作发射单元加以选择以优化功率传输，比如选择相对集中在一起的几个工作发射线圈，而断开其余的工作发射单元，以保证功率传输时的电磁场更加集中。

金属异物检测除了上述第三相位差Ф3检测的方法，还可以采用关联品质因数（Q值）检测的方法，其中一种实施例如下。

在激励线圈1加载输入电压，随着电压上升被检测的发射单元会因感应而产生电流，当输入电压上升达到预设值时断开加载到激励线圈1的输入。

由于发射单元是一个不受干扰的闭合LC回路，能量在这个单元的回路中自由振荡，表现为感应电流产生振荡并从峰值逐渐衰减至0，通过检测其衰减规律，便能实现金属异物检测。

具体的，事先确定峰值电流值I1和衰减电流值I2，记录发射单元中产生的电流I1时的时间点T1，以及产生电流I2时的时间点T2，根据电流衰减的时间差(T2-T1)发生的变化就可以确定发射单元品质因数的变化。发射线圈上存在金属异物会导致发射线圈的品质因数下降，从而导致衰减变快，衰减时间差(T2-T1)变小。将测量获得的衰减时间差(T2-T1)与无金属异物时的时间差进行比较，如果超过系统事先设定的阈值则可以判断出发射线圈上方存在金属异物。

对于上述测量振荡衰减的方法，由于需要一个独立的封闭回路，如果采用现有的两线圈结构，需要在主电路上增加一个辅助检测的LC回路，在检测时经过切换而单独使用辅助LC回路，或者在主电路中增加复杂的切换开关，使系统在检测时断开供电驱动电路、负载等可能产生干扰的电路，上述方式增加了系统的复杂程度，增加了系统成本。而基于本申请，发射线圈组4所组成的并联回路是相对独立的一个回路，系统可以不需要增加任何其它电路或元件即可实现基于Q值检测识别金属异物。

无线充电在满足充电工作条件后，接通工作发射线圈所在发射单元的控制开关S，例如图1所示，在保持第一发射单元的控制开关接通的前提下，接通第x发射单元至第y发射单元的控制开关，发射装置在激励线圈1加载微功率的交流信号，交流信号的工作频率设定为无线充电功率传输时的工作频率f₄，然后根据下面参数7和参数8，确定第四相位差Ф4。

参数7：工作发射线圈的总电流。

参数8：加载在激励线圈1的电压。

举例来说，如果以工作频率f₄在激励线圈1加载交流信号，发射线圈组4中的工作发射单元处于谐振状态，则记录的相位差Ф4应大致为0。

在完成上述步骤后，无线充电系统开始功率传输，供电电源的直流电经过逆变电路转换为工作频率为f₄的高频交流电，该交流电流经补偿电路，在激励线圈周围产生高频交变电磁场；由于第一发射线圈L1与激励线圈1紧密耦合，处于高频交变磁场范围内，第一发射线圈L1将产生感应电压，在第一发射单元中产生电流，并通过并联的工作发射单元，在第一发射线圈L1和其余的工作发射线圈（例如图中的发射线圈Lx至Ly）上也产生感生高频交变电磁场，接收线圈51感应激励线圈1和工作发射线圈产生的交变电磁场而产生感应电压，经补偿电路后由整流滤波电路转化为直流电，为电池等负载充电。接收装置和发射装置的控制器通过通信链路交互负载的充电需求和两侧的控制参数，由发射装置根据充电需求进行调节。

无线充电的功率传输过程中，发射线圈组4上方会产生高频交变电磁场，需要持续检测发射线圈组4和接收线圈51之间是否出现新的金属异物。在发射线圈组4表面上出现金属异物，会使发射线圈组4的品质因数下降，导致传输能力的下降，在保持负载端输出功率不变的情况下，在发射装置表现为输入功率的增加，即使输入功率和输出功率之间差值变大。正常情况下输入功率和输出功率之间差值是由于功率转换中的系统损耗引起的，所述功率差值在理论上是可以根据传输效率提前获得的。因此现有技术常常会通过检测功率差值的变化来识别金属异物，即当差值的变化超过相应设置的阈值时，可认为所述差值的变化是因为出现金属异物而导致功率损耗的增加，据此可认为在发射线圈组4上出现了金属异物。

本申请中在无线充电过程中也可以通过这种方法来监测是否出现了金属异物。但对于一些体积较小的金属异物，其损耗的能量占无线传输的总能量比例较小，其引起的功率差值变化相对于总传输功率来说很小，采用检测功率差值的方式无法检测出来。并且无线充电的功率转换电路也受到电压、频率、温度等因素影响，本身也会造成输入功率和输出功率之间差值的一些波动变化，另外功率测量的误差，线圈之间的偏移等因素也会导致检测功率差值变化方式的失效。

为弥补检测功率差值变化方式的不足，本申请对功率差值波动较小的情况下，即功率差值的变化在设置的阈值范围内时，进一步采用检测相位角差的方式检测金属异物，以提高识别精度，减少识别盲区。具体的，比较以下两个参数的第五相位差Ф5：

参数9：加载到激励线圈1的交流信号的电压。

参数10：电信号采集电路检测并联的第一发射单元和所有工作单元的总电流信号。

第五相位差Ф5与上述第一相位差Ф1、第三相位差Ф3的比较基准不同，因此引入一个新阈值范围，新阈值范围的确定如下：

令事先记录的基准相位角差为Ф_S，令事先相应确定的阈值偏差为Ф_T，这两个值都是预先测试并记录的基础值。接下来则对应可确定新阈值范围为Ф_B~Ф_A，其中Ф_A=Ф_S+Ф_T，Ф_B=Ф_S-Ф_T。此时Ф_S不等于0°和360°，也不接近0°和360°，我们将该范围称为第一种范围。当基准相位角差Ф_S等于或接近0°和360°时，可能会出现Ф_A大于360°或者Ф_B小于0°的情况。当Ф_A>360°时,令Ф_A ^’=Ф_A-360°，相应的新阈值范围变成2个，其中第一新阈值范围为0°~ Ф_A ^’，第二新阈值范围为Ф_B ~ 360°，我们将这两个范围称为第二种范围。当Ф_B<0°时,令Ф_B ^’=Ф_B +360°，相应的第一新阈值范围和第二新阈值范围发生了改变，具体为：第一新阈值范围变为0°~ Ф_A，第二新阈值范围变为Ф_B ^’~ 360°。当相第五相位差Ф5在这新阈值范围内（包括在第一新阈值范围内或第二新阈值范围内），判断为无线充电系统工作正常，发射线圈组4上方没有出现金属异物；否则，判断为工作发射线圈上方出现金属异物。上述新阈值范围是和Ф_A及Ф_B的取值有关，并且上述三种范围只会出现一种。

举例来说，Ф_S=10°、Ф_T=2°，可知Ф_A=12°、Ф_B=8°，新阈值范围为[8°，10°]，也就是第一种范围。

若，Ф_S=359°、Ф_T=2°，可知Ф_A=361°、Ф_B=357°、Ф_A ^’=1°，新阈值范围变为两个，第一新阈值范围[0°，1°]，第二新阈值范围[357°，360°]也就是第二种范围。

若，Ф_S=1°、Ф_T=2°，可知Ф_A=3°、Ф_B=-1°、Ф_B ^’=359°，第一新阈值范围变为[0°，3°]，第二新阈值范围变为[359°，360°]也就是第三种范围。

上述三种范围只会出现一种。

为确保充电传输安全，无线充电系统在发现在工作发射线圈组4表面出现金属异物应立即停止功率传输。在停止功率传输后可以进一步检测出金属异物所在的发射线圈，并关闭上方有金属异物的发射线圈所在回路的控制开关（上述使用第三相位差Ф3检测的方法，即能判断金属异物的位置）。

如果剩余的工作发射线圈的数量仍然可以满足总传输功率的要求，可以通过剩余的工作发射单元重新恢复功率传输；如果剩余的工作发射线圈的数量已经不能满足总传输功率的要求，则通过控制器上报存在金属异物的所在的发射线圈位置，在清除异物后可开始无线功率传输，即按照前述步骤重新完成接收线圈51位置识别和金属异物检测后再次启动功率传输。

现有技术中，在无线充电系统功率传输过程中，系统中的功率转换电路和负载等会因系统调节、充电状态等原因发生变化，导致系统的阻抗也随之发生变化，因此如果采用上述相位差的变化的方法，系统无法分辨是该变化是金属异物引起的，还是系统中其它电路的阻抗变化造成的影响。为了解决这一问题，现有技术在无线充电系统功率传输过程中检测金属异物除了采用检测功率差值的变化外，主要是通过在发射线圈表面增加一层辅助检测线圈阵列来实现的。例如专利CN111086401A，其公开了一种无线充电系统及其检测设备、检测方法、充电方法，为避免系统功率转换电路和负载等的干扰，其采用独立于发射线圈与接收线圈设置的线圈矩阵来检测金属异物，通过检测线圈矩阵中检测线圈的阻抗变化来获得更高的检测精度，弥补采用检测功率差值的方式无法检测小体积金属异物的不足。

本申请中发射线圈组4是由多个发射单元并联组成的独立回路，并联工作发射单元的等效阻抗除了反射线圈本身的电感和补偿电容有关外，还和与激励线圈和接收线圈的互感有关，但因为接收线圈位置在充电过程中是固定的，因此与激励线圈和接收线圈的互感也是固定值，并联的工作发射单元的等效阻抗在功率传输期间是不变的，电压和电流的相位差在工作过程中也不会受到接收装置的功率转换电路和负载等的影响，所述实施例的电路结构可以在工作过程中精确地动态检测金属异物。

在金属异物的检测过程中，并联的工作发射单元相当于前述的辅助检测线圈阵列，但其本身又是系统实现功率传输的一个部分，起到能量中继和增强传输的作用。而另一方面，采用相位差的方式可以分辨电压和电流超前和落后的状态，相当于分辨出了等效阻抗的实部和虚部，比单纯测量等效阻抗模值的方式也更为精确。

在所述实施例中将激励线圈1设置在发射线圈组4的中心位置，这样在接收装置放置在发射线圈组4上方时，可以覆盖激励线圈，也就能覆盖激励线圈发出的电磁场，从而可以减少电磁场向外泄漏。而实际上，由于发射线圈组4的发射单元是并联的，改变激励线圈的位置，其与发射线圈组4其它的一个或多个发射线圈耦合，无线充电系统的等效电路是一样的。换句话说，激励线圈并不一定需要布置在发射线圈组4的中心，改变其位置的布置不会影响系统特性和相应的控制方式。

现有技术也经常会采用多发射线圈切换的方案来扩展可充电区域，如手机三线圈充电结构，需要说明的是，这里的三线圈是指三个发射线圈经识别后只选择一个发射线圈进行功率传输，实际还是两线圈结构。这种方式虽然在一定程度上扩展了可充电区域，但很多情况下接收线圈存在着不能和其中任何一个线圈处于完全对准的状况，而只是从中选择一个耦合最好的线圈来发射功率，因此每次充电时大多无法获得最佳充电性能。而本申请的设计可以避免这种情况，本申请通过设置多个发射线圈有效增大传输区域，以保证接收线圈可以与发射线圈之间获得更大的耦合，在提高了接收装置的位置偏差容忍度的前提下可以获得更好的充电性能。另一方面，本申请的方案中通过并联发射单元而只采用了一套供电驱动电路，而不需要使用多套供电驱动单元，减少了系统的部件数量、成本和控制复杂性。本申请的方案通过设置的中继的三线圈结构，没有将供电驱动电路接入到并联的发射单元组，相当于隔离了供电驱动电路和接收装置的影响，因此不需要一个复杂的开关切换机制就可以实现对相位差的检测，据此可以识别接收线圈位置，以及在功率传输前和传输过程中识别金属异物，并可以获得对接收装置更好的兼容性。

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 (5)

1.一种宽偏移范围的无线充电发射端，其特征在于，包括：

激励线圈（1）；

发射线圈组，由多个并联的发射单元组成，每个发射单元由发射线圈（L）、补偿电容（C）和控制开关（S）串联组成回路；

所述发射单元中包括第一发射单元，所述激励线圈（1）与所述第一发射单元耦合；

电流采集电路（2），采集任意所述发射单元的电流；

控制器（3），与所述电流采集电路（2）联通，并控制任意控制开关（S）的通断关系；

工作电路，与所述激励线圈（1）连接，用于向所述激励线圈（1）提供交流电。

2.根据权利要求1所述的宽偏移范围的无线充电发射端，其特征在于，

所述激励线圈（1）与位于所述发射线圈组中心位置的发射线圈（L）耦合。

3.根据权利要求1所述的宽偏移范围的无线充电发射端，其特征在于，

在所述激励线圈（1）上加载的交流电的频率可变，且所述频率至少包括第一频率f₁，且满足；

其中，其中L_D1为第一发射单元的等效电感，C_D1为第一发射单元的等效电容。

4.根据权利要求3所述的宽偏移范围的无线充电发射端，其特征在于，

所述频率还包括第二频率f₂，满足，

其中，L_D2为第一发射单元、每次闭合的控制开关（S）所在的发射单元、激励线圈（1）以及接收线圈（51）组成的等效电感，C_D2为第一发射单元与每次闭合的控制开关（S）所在的发射单元的等效电容。

5.根据权利要求1所述的宽偏移范围的无线充电发射端，其特征在于，

所述激励线圈（1）至少与一个所述发射线圈（L）通过磁芯形成紧耦合。

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