TWI540812B - Wireless charging system and its detection method of metal foreign body - Google Patents

Description

無線充電系統及其金屬異物檢測方法

本發明係關於一種無線充電系統，尤指一種無線充電系統及其金屬異物檢測方法。

目前的無線充電技術主要是以近場感應為主，由一用於無線充電的充電器在一預定的充電區域範圍將能量傳送至一用電設備，該用電設備使用接收到的能量對其電池充電，並同時供用電設備本身利用，能量傳送的原理是在該充電器內設置一線圈並通過交流電產生一交流電磁場，該用電設備的一端設置另一線圈以接收該交流電磁場，並且將其轉換成電能以儲存在用電設備的電池中，因此無線充電技術確實可提升用電設備充電的方便性，但是當有金屬異物侵入該充電區域範圍內時，造成設備損壞的可能性非常的高，尤其是在充電中因金屬異物產生高溫而造成危險。

以目前在無線充電異物偵測技術中主要可歸納為兩類，一為外加式感測器（如線圈、超音波、紅外線等）於傳送端天線表面以進行異物偵測，但是外加式感測器會與系統本身產生相互作用而影響電力傳輸的性能，因此外加式感測器僅適合充電前偵測，充電時偵測則會對系統產生影響，另一類為電力傳送線圈偵測異物，其主要技術係於量測參數變化以判斷異物存在與否，量測之參數有傳送功率、效率、S參數與品質因子等，但上述各參數皆會受到傳輸距離的不同而產生無法測定的變化，不易精準判斷是否真實的有異物存在。

如我國發明專利公開第201415064號「在預定的空間中偵測金屬物件之系統、方法及裝置」（以下簡稱前案），其主要係一種用於偵測一物件之一存在之裝置，該裝置包括一諧振電路，該諧振電路具有一諧振頻率，該諧振電路包括一感測電路，該感測電路包括一導電結構，該裝置進一步包括一耦合電路，該耦合電路耦合至該感測電路，該裝置進一步包括一偵測電路，該偵測電路係經由該耦合電路而耦合至該感測電路，該偵測電路經組態（由一磁性墊及其塑膠圍封體構成）以回應於偵測取決於該諧振電路正在諧振之一頻率之一測定特性與取決於該諧振電路之該諧振頻率之一對應特性之間的一差而偵測該物件之該存在，該耦合電路經組態以縮減在不存在該物件的情況下由該偵測電路進行的該諧振頻率之一變化。

由上述現有技術可知，若有金屬異物侵入充電區域範圍，因充電中而令金屬異物產生高溫，使得發生危險令設備損壞的可能性非常的高，但是現有技術中的外加式感測器容易影響電力傳輸的性能，電力傳送線圈偵測異物技術會受到傳輸距離的不同而無法精準判斷是否有異物真實的存在，雖然前案經由量測諧振頻率之變化藉以辦別異物存在與否，但是使用的元件結構複雜使得製造成本較高，而且以該諧振頻率之一對應特性之間的一差做為有異物存在的依據，仍無法有效率並精準的判斷是否真的有金屬異物存在，因此，現有的金屬異物偵測技術仍存在有受傳輸距離變動的影響、準確性及製造成本高等問題，實在有待提出更理想的解決方案。

有鑑於上述現有技術之問題，本發明主要目的係提供一種無線充電系統及其金屬異物檢測方法，其可應用於無線充電開始前以及無線充電進行中，以即時具有效率、不受傳輸距離變動之影響並且具有準確性又低成本的方式，偵測出充電區域內是否有金屬異物侵入，以避免因金屬異物產生高溫而造成的設備損壞及危險。

為達成上述目的所採取的主要技術手段係令前述無線充電系統的金屬異物檢測方法，透過一無線充電裝置發射一電磁訊號供一用電裝置接收，並由該無線充電裝置執行下列步驟： 接收一組以上的電壓／電流資訊及其相位差資訊； 判斷該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於一安全範圍； 若該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於該安全範圍，則執行一應變措施。

在前述步驟中，當開始進行無線充電前或充電中時，該無線充電裝置發射電磁訊號至該用電裝置，並由該無線充電裝置接收並判斷電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於該安全範圍，若該無線充電裝置判斷電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於該安全範圍，則令該無線充電裝置執行一應變措施，以即時判斷出是否有金屬異物侵入，避免因金屬異物產生高溫而造成的設備損壞及危險，達到提升無線充電安全性的目的。

為達成上述目的所採取的又一主要技術手段係令前述無線充電系統包括： 一無線充電裝置，主要係由一發送端控制器、一訊號轉換模組以及一發送天線所組成；該訊號轉換模組係分別與該發送天線、該發送端控制器連接，以驅動該發送天線發射電磁訊號，並由該發送端控制器偵測該發送天線的耗電狀況、電壓／電流資訊及其相位差資訊； 一用電裝置，具有一接收端線圈、一整流器與一接收端控制器，該接收端線圈、該接收端控制器分別與該整流器連接，該接收端線圈係將感應電磁訊號所產生的電流，由該整流器輸出至一電源輸出端； 藉由上述無線充電裝置的發送端控制器判斷電壓／電流資訊及其相位差資訊，當電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於一安全的檢測範圍時，則對該訊號轉換模組發送一控制訊號使得該發送天線中斷發射電磁訊號。

由上述構造可知，於開始進行無線充電之前，該無線充電裝置係透過該發送天線發射電磁訊號至該用電裝置，並由該發送端控制器偵測該發送天線的耗電狀況、電壓／電流資訊及其相位差資訊，當該無線充電裝置的發送端控制器判斷電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於安全的檢測範圍時，則令該訊號轉換模組發送一控制訊號，使得該發送天線中斷發射電磁訊號；若是正在進行無線充電中，該用電裝置係以該接收端線圈接收感應電磁訊號，並將所產生的電流由該整流器輸出至電源輸出端，並且同時由發送端控制器判斷電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於安全的檢測範圍，若是，則使得該發送天線中斷發射電磁訊號，透過上述方式可即時判斷出是否有金屬異物侵入，避免因金屬異物產生高溫而造成的設備損壞及危險，以達到提升無線充電安全性的目的。

關於本發明無線充電系統之一較佳實施例的系統架構，請參考圖1所示，其中包括一無線充電裝置10與一用電裝置20均設置於一充電區域內，並由該無線充電裝置10偵測該充電區域內是否有一個以上的金屬異物60侵入，該無線充電裝置10分別與外部一電源端30、一緊急中止模組40連接，該用電裝置20係與一電源輸出端50連接；本實施例中，若無線充電系統運作時有緊急事件發生，例如偵測到金屬異物、過溫度、過電壓、過電流等事件，能夠透過該緊急中止模組40送出一即時中斷訊號至該無線充電裝置10，以令無線充電系統立即停止運作，而且必須先加以說明的是，本發明能夠應用在尚未開始無線充電以前，並且又能夠在無線充電進行中使用，因此使用的時機並不受限制而相當具有即時性與便利性。

該無線充電裝置10主要係由一發送端控制器11、一訊號轉換模組12以及一發送天線13所組成；該訊號轉換模組12係分別連接該發送天線13、該發送端控制器11以及該電源端30，接收該電源端30提供的一電力訊號以驅動該發送天線13發射一電磁訊號，並由該發送端控制器11偵測該發送天線13的耗電狀況、電壓／電流資訊及其相位差資訊，該發送端控制器11係與該緊急中止模組40連接；因此在尚未開始無線充電以前，該無線充電裝置10根據該發送端控制器11接收到一組以上的電壓／電流資訊及其相位差資訊，判斷該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於一預設的安全範圍，當該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於該安全範圍時，則對該訊號轉換模組12發送一控制訊號使得該發送天線13中斷發射電磁訊號，並令該無線充電裝置10發出一警報信號。

再者，該用電裝置20係具有一接收端線圈21、一整流器22與一接收端控制器23，該接收端線圈21、該接收端控制器23分別與該整流器22連接，而在無線充電進行當中，該接收端線圈21係將感應上述無線充電裝置10的發送天線13所發出的電磁訊號並產生一電流，再經由該整流器22將電流輸出至該電源輸出端50，該接收端控制器23可量測接收端資訊，若該無線充電裝置10的發送端控制器11判斷該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於該安全範圍時，則對該訊號轉換模組12發送該控制訊號令該發送天線13即時地中斷發射電磁訊號，使得在無線充電進行當中的無線充電系統，能避免因金屬異物產生高溫而造成的設備損壞及危險並達到提升無線充電安全性的目的。

請參閱圖2所示，為本發明無線充電系統的另一較佳實施例，本實施例的主要技術內容係與前一實施例大致相同，惟本實施例中該無線充電裝置10係進一步包括一第一通訊模組14與該發送端控制器11連接，並且該訊號轉換模組12係具有一第一訊號轉換器121與一第二訊號轉換器122，該第二訊號轉換器122係分別與該電源端30以及該第一訊號轉換器121連接，該第一訊號轉換器121係分別與該發送天線13以及該發送端控制器11連接，本實施例中該第一訊號轉換器121係指一DC／AC轉換器，該第二訊號轉換器122係指一AC／DC轉換器；除此之外，本實施例中該用電裝置20係進一步包括一第二通訊模組24，該第二通訊模組24係與該接收端控制器23連接，該第二通訊模組24係透過一通訊協定與該第一通訊模組14連結。

為進一步的提升無線充電系統的安全性，本實施例中該用電裝置20的接收端控制器23係可分別與一緊急中止模組40、一人機介面41、一電能管理系統（EMS）42以及一整車控制器（VCU）43等外部輔助系統連接，該緊急中止模組40係可送出一即時中斷訊號至該用電裝置20令系統立即停止運作，該人機介面41係可由技術人員輸入即時訊息或產生相對應的控制，該電能管理系統42係可依需求對用電裝置20進行配電以提高效能，該整車控制器43係用以調整動力控制、通訊診斷、系統參數調校的技術。

為說明本發明無線充電裝置10如何計算電壓／電流資訊及其相位差資訊，請參考圖3所示，為該無線充電裝置10的發送端控制器11偵測該發送天線13的一組電壓／電流之類比訊號波形圖；其中包含一代表時間T的水平軸與代表電壓／電流振幅Am的垂直軸，該組電壓S1及電流S2係於連續時間T上因振幅Am的變化所產生的波形，該振幅Am即代表電壓S1及電流S2的實部阻抗值，當該等實部阻抗值大於一第一安全值時則同時需要判斷其相位差資訊是否大於一第二安全值，本實施例中該第一、第二安全值可以依照環境需要而調整為相同值或相異值。其中，該實部阻抗值及相位差可視需偵測之異物大小而設定，其會受到環境及偵測靈敏度所影響，如阻抗變化值為1%即可偵測出來，更精準的甚至可以到0.1%的變化量可偵測到，因此該第一、第二安全值可依實際需求進行設定。

在計算相位差資訊之前，上述無線充電裝置10的發送端控制器11係將該組電壓S1及電流S2的波形訊號轉換為方波訊號，以使計算結果更為準確，由該組電壓S1及電流S2的方波訊號中找出分別計算出一第一週期訊號T1、一第二週期訊號T2，該發送端控制器11係依據該第一週期訊號T1與該第二週期訊號T2之比例以取得該組電壓／電流資訊的一相位差資訊，本實施例中，該相位差資訊的計算方式，主要係由該第一週期訊號T1除以該第二週期訊號T2以得到一比例值，再以該比例值乘以360度而得到該相位差資訊。

基於本發明上述各實施例的說明可進一步歸納出一無線充電系統的金屬異物檢測方法，該方法可執行於開始進行無線充電之前或正在進行無線充電中，其透過一無線充電裝置10發射一電磁訊號供一用電裝置接收20，如圖4所示，並由該無線充電裝置10執行下列步驟： 由該發送端控制器11接收一組以上的電壓／電流資訊及其相位差資訊（S41）； 判斷該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於一安全範圍（S42）； 若該組電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於該安全範圍，則執行一應變措施（S43）；本實施例中該應變措施可為發出一告警信息或令發送天線13停止發射電磁訊號至該用電裝置20；需說明的是，當上述發送端控制器11接收複數組電壓／電流資訊及其相位差資訊時，判斷其變化量的方式仍與一組電壓／電流資訊時相同，同樣的當變化量大於一安全範圍時亦執行用於保護的應變措施，只要複數組電壓／電流資訊之其中一組被偵測到有異物即觸發應變措施，而複數組電壓／電流資訊亦能夠被偵測出含有複數組異物。

因此當無線充電裝置10透過發送天線13發射電磁訊號至該用電裝置20，並由該發送端控制器11偵測該發送天線13的耗電狀況、電壓／電流資訊及其相位差資訊，當該無線充電裝置10的發送端控制器11判斷電壓／電流資訊及其相位差資訊的變化量大於安全的檢測範圍時，則令發送天線13中斷發射電磁訊號，當上述步驟執行至「由該發送端控制器11接收一組以上的電壓／電流資訊及其相位差資訊（S41）」步驟時，如圖5所示，該方法更包括下列步驟： 根據該組電壓／電流資訊取得相應的一實部阻抗值（S411）； 同時判斷該組電壓／電流資訊相應的實部阻抗值、該組電壓／電流資訊的相位差資訊是否分別大於一第一安全值、一第二安全值（S421），該第一、第二安全值可以依照環境需要而調整為相同值或相異值，且進一步的該相位差資訊的計算方式可由該第一週期訊號與該第二週期訊號相除得到一比例值，再將該比例值乘以360度而得到該相位差資訊； 若判斷該組電壓／電流資訊相應的實部阻抗值、該組電壓／電流資訊的相位差資訊是否分別大於一第一安全值、一第二安全值的結果為是，則執行上述應變措施（S43）。

進一步的，當上述步驟執行至「則執行一應變措施（S43）」步驟時，如圖6所示，該方法更包括下列步驟： 由該發送天線13送出一中斷訊號（S44）令發送天線13停止發射電磁訊號至該用電裝置20，並令該無線充電裝置10發出一警報信號（S45）。

綜上所述，本發明可分別適用於無線充電裝置10與用電裝置20開始無線充電之前或進行充電中，該無線充電裝置20之發送端控制器11係可偵測該發送天線13的耗電狀況、電壓／電流資訊及其相位差資訊，以即時、準確的判斷該充電區域中是否有金屬異物60侵入，避免因金屬異物產生高溫而造成的設備損壞及危險，並以製造成本較低的方式達到提升無線充電安全性的目的。

10 無線充電裝置 11 發送端控制器                             12 訊號轉換模組 121 第一訊號轉換器                       122 第二訊號轉換器 13 發送天線                                     14 第一通訊模組 20 用電裝置 21 接收端線圈                                 22 整流器 23 接收端控制器                             24 第二通訊模組 30 電源端 40 緊急中止模組                             41 人機介面 42 電能管理系統                             43 整車控制器 50 輸出端 60 金屬異物

圖1 係本發明一較佳實施例的系統架構示意圖。 圖2 係本發明另一較佳實施例的系統架構示意圖。 圖3 係本發明透過電壓／電流資訊取得相位差資訊之波形圖。 圖4 係本發明一較佳實施例的金屬異物檢測方法流程圖。 圖5 係本發明一較佳實施例的判斷金屬異物流程圖。 圖6 係本發明一較佳實施例的產生警報信號流程圖。

10 無線充電裝置                               11 發送端控制器 12 訊號轉換模組                               13 發送天線 20 用電裝置                                       21 接收端線圈 22 整流器                                           23 接收端控制器 24 第二通訊模組                               30 電源端 40 緊急中止模組                               50 輸出端 60 金屬異物

Claims (9)

1. 一種無線充電系統的金屬異物檢測方法，其透過一無線充電裝置發射一電磁訊號供一用電裝置接收，並由該無線充電裝置執行下列步驟：接收一組以上的電壓/電流資訊及其相位差資訊；判斷該組電壓/電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於一安全範圍；若該組電壓/電流資訊及其相位差資訊的變化量大於該安全範圍，則執行一應變措施；當執行接收一組以上的電壓/電流資訊及其相位差資訊步驟，該方法更包括下列步驟：根據該組電壓/電流資訊取得相應的一實部阻抗值。
2. 如請求項1所述之無線充電系統的金屬異物檢測方法，當執行判斷該組電壓/電流資訊及其相位差資訊的變化量是否大於一安全範圍步驟，該方法更包括下列步驟：同時判斷該組電壓/電流資訊相應的實部阻抗值、該組電壓/電流資訊的相位差資訊是否分別大於一第一安全值、一第二安全值；若是，則執行一應變措施。
3. 如請求項2所述之無線充電系統的金屬異物檢測方法，當執行一應變措施步驟，該方法更包括下列步驟：送出一中斷訊號，令該無線充電裝置發出警報。
4. 如請求項1至3中任一項所述之無線充電系統的金屬異物檢測方法，其中該組電壓/電流資訊具有一第一週期訊號、一第二週期訊號，並依據該第一週期訊號與該第二週期訊號之比例以取得該組電壓/電流資訊的相位差資訊。
5. 一種無線充電系統，其包括： 一無線充電裝置，主要係由一發送端控制器、一訊號轉換模組以及一發送天線所組成；該訊號轉換模組係分別與該發送天線、該發送端控制器連接，以驅動該發送天線發射電磁訊號，並由該發送端控制器偵測該發送天線的耗電狀況、電壓/電流資訊及其相位差資訊，該無線充電裝置根據電壓/電流資訊取得相應的一實部阻抗值；一用電裝置，具有一接收端線圈、一整流器與一接收端控制器，該接收端線圈、該接收端控制器分別與該整流器連接，該接收端線圈係將感應電磁訊號所產生的電流，由該整流器輸出至一電源輸出端；藉由上述無線充電裝置的發送端控制器判斷電壓/電流資訊的實部阻抗值及電壓/電流資訊的相位差資訊，當電壓/電流資訊的實部阻抗值及電壓/電流資訊的相位差資訊的變化量大於一安全範圍時，則對該訊號轉換模組發送一控制訊號使得該發送天線中斷發射電磁訊號。
6. 如請求項5所述之無線充電系統，該訊號轉換模組係具有一第一訊號轉換器與一第二訊號轉換器，該第二訊號轉換器係連接於該第一訊號轉換器與電源之間，該第一訊號轉換器係分別與該發送天線、該發送端控制器連接。
7. 如請求項6所述之無線充電系統，該無線充電裝置進一步包括一第一通訊模組，該第一通訊模組係與該發送端控制器連接；該用電裝置進一步包括一第二通訊模組，該第二通訊模組係與該接收端控制器連接；其中，該第二通訊模組係與該第一通訊模組連結。
8. 如請求項7所述之無線充電系統，該第一訊號轉換器係指一DC/AC轉換器，該第二訊號轉換器係指一AC/DC轉換器。
9. 如請求項8所述之無線充電系統，該無線充電裝置的發送端控制器係與一緊急中止模組連接，該用電裝置的接收端控制器係與一緊急中止模組、一人機介面、一電能管理系統或一整車控制器連接。