无线充电异物检测装置、方法及无线充电系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种无线充电异物检测装置、方法及无线充电系统，属无线充电技术领域。异物靠近发射线圈上方会发热严重，但是传统的基于纵向磁场检测的异物检测方案在发射线圈上方存在“检测盲区”的问题。本发明专利技术提供一种立式异物检测线圈结构以检测发射线圈上方水平磁场为主，解决了“检测盲点”问题。另外，由于水平磁场随高度衰减较慢，所以本发明专利技术的结构具有检测一定高度的空间异物的能力。本发明专利技术可以实现异物检测，有效预警异物所导致的安全危险，为具有无线充电、无线供电系统的电动汽车、电子产品、自动导引运输车、无人机、物流机器人、自动驾驶设备等提供安全保障。驾驶设备等提供安全保障。驾驶设备等提供安全保障。

【技术实现步骤摘要】
无线充电异物检测装置、方法及无线充电系统


[0001]本申请涉及无线充电
，尤其涉及一种无线充电异物检测装置、方法和系统。

技术介绍

[0002]无线充电技术已经应用到电动汽车、电子产品、自动导引运输车（AGV，Automated Guided Vehicle）、无人机、物流机器人、自动驾驶等领域，尤其是需要自动充电的场合。相对于接触式供电，无线供电具有安全、灵活、无火花、少维护、可移动及易于实现自动充电等优势。已有多个无线充电相关技术及专利公开，比如：针对非接触变压器结构，已公开的专利“CN104319076B一种非接触变压器（陈乾宏、侯佳等）”和“CN101630577A边沿扩展型高耦合系数非接触变压器（张巍、陈乾宏等）”；针对补偿网络优化，已公开的专利“CN104242657B一种原边并串补偿副边串联补偿的非接触谐振变换器（陈乾宏、侯佳）”和“CN112202251A可自适应全调谐的无线电能传输电路的补偿参数设计方法（柯光洁、陈乾宏等）”；针对系统控制方法，已公开的专利“CN105871213A一种非接触电能传输系统中的控制方法和装置（陈乾宏、张鹏真等）”；针对无线充电系统低成本化，已公开的专利“CN209860803U一种非接触单管谐振变换器（陈乾宏、张帅等）”；针对无线充电系统辅助定位功能，已公开的专利“CN110103739A弱磁场激励三线圈检测装置（张斌、陈乾宏等）”。
[0003]对于无线充电系统而言，其电能传输效率和系统安全性是最为关键的两个方面。由于无线充电系统原副边可分离，原副边功率线圈在未对位之前及对位充电工作时均不与外部隔离，因此外界异物可能在任意时刻掉落或进入原副边之间的磁场耦合区域中，干扰到无线供电系统的正常工作。对于金属异物，交变磁场会在其内部感应出涡流，致使金属异物温度急剧上升，烧毁设备，甚至引发火灾事故，严重威胁到无线供电系统的安全工作，对生命财产安全也造成了极大的安全隐患。因此，对可能存在的异物进行有效检测并及时停止功率传输是保障无线供电系统的正常、安全与可靠工作的必要过程。
[0004]当前无线充电领域的异物检测（Foreign Object Detection，FOD）方法，根据被测量可以分为：基于检测磁场变化的异物检测方法、基于传输效率（损耗）变化的异物检测方法、基于检测线圈阻抗变化的异物检测方法等。根据激励方式可以分为：通过附加高频激励磁场的主动激励方法，和利用主功率磁场激励的被动激励方法。
[0005]主动激励系统，主要分为三部分，激励源、LC谐振电路，和检测电路。串联的谐振电容（容值为C）或检测线圈寄生电容（容值为C）与检测线圈（感值为L）组成LC谐振电路。通过向LC谐振电路二端口主动注入高频电流（一般为1MHz~3MHz）的方式，或通过附近的主动激励线圈耦合的方式，使得LC谐振电路震荡。同时，通过测量谐振频率/相位/幅值/电压电流比值等方法测量LC两端的等效阻抗Z，由于异物会改变检测线圈的感值L、寄生电容的容值和等效阻值R，所以监测其等效阻抗变化量ΔZ可以实现异物的辨识。主动激励方法在无外界磁场干扰时（如无线功率传输前）可以实现高精度的异物检测。如何利用振荡器，锁相环，相位比较电路等方法精准的检测出LC等效阻抗的细微变化是主动激励方法的难点；如何在
功率传输时提高其抗干扰的能力也是主动激励方法的另一难点；为了提高小体积异物的检测精度，主动激励的激励线圈和检测线圈一般采用微元的矩阵式，较小的激励面积限制了其对空间磁场变化的检测能力。因此，主动激励异物检测方法很难实现对于空间异物的检测。WIDMER, Hans Peter和SIEBER, Lukas提出的Foreign Object Detection Circuit Using Mutual Impedance Sensing（WO2020/131194A1，WITRICITY CORPORATION），公开了一种激励频率为3MHz的主动激励异物检测方法，主动激励线圈和感应线圈集成为一个三端口平面线圈，其铺设成平行于原边线圈的“棋盘式”的矩阵线圈。
[0006]被动激励系统，通过监测功率磁场的变化来辨识异物。在无线充电系统传输功率时，由于涡流效应，异物会产生与功率磁场相反的磁场，使得检测线圈的耦合磁场减小。所以，通过监测其端口感应电压的变化ΔV可以更简单的实现异物辨识。由于被动激励系统利用的是功率线圈发射的功率磁场，所以在功率传输前，只能通过预激励磁场来实现离线检测；相比主动激励系统，被动激励系统省去了高频激励源，功放，带通滤波器等部分；但是，被动激励系统的异物判断阈值会随着功率磁场而变化，可以增加电流测量模块，用来检测主功率线圈的激励电流，根据激励电流调整ΔV的异物判断阈值，来适应不同的工况；何谋、陈为、朱勇发、冯绍杰提出的无线充电系统的异物检测装置、方法及系统（CN110571948A，华为技术有限公司），其利用一组内外嵌套的检测线圈检测磁场变化来判断异物是否存在；毛云鹤、武志贤、刘彦丁、萧辅荣提出的一种检测无线充电系统中金属异物的装置、设备及方法（WO2020/001207A1，华为技术有限公司），其利用主功率磁场作为激励磁场，并通过平行于原边发射线圈的“棋盘式”检测线圈来辨识异物。
[0007]激励磁场依赖发射线圈产生，其本身存在纵向磁场为零的区域。现有技术中“棋盘式”平面线圈的异物检测方法中检测线圈检测的是纵向磁场，所以当异物在纵向磁场为零的区域时无法避免的导致纵向磁场导致感应电压变化ΔV极其微弱，这将导致异物在此区域（一般称为“检测盲区”）无法检测。（参考：V. X. Thai, G. C. Jang, S. Y. Jeong, J. H. Park, Y. Kim and C. T. Rim, "Symmetric Sensing Coil Design for the Blind
‑
Zone Free Metal Object Detection of a Stationary Wireless Electric Vehicles Charger," 《IEEE Transactions on Power Electronics》, vol. 35, no. 4, pp. 3466
‑
3477, April 2020.）。如何提高“检测盲区”的检测信号强度是急需解决的问题。

技术实现思路

[0008]异物靠近发射线圈上方会发热严重，但是传统的基于纵向磁场检测的异物检测方案在发射线圈上方存在“检测盲区”的问题。针对上述不足，本专利技术提供一种立式异物检测线圈结构以检测发射线圈上方水平磁场为主，解决了“检测盲点”问题。另外，由于水平磁场随高度衰减较慢，所以本专利技术的结构具有检测一定高度的空间异物的能力。
[0009]本专利技术具体技术方案如下：一种无线充电异物检测装置，包括至少一个发射线圈，每个发射线圈配置多个异物检测线圈，多个异物检测线圈布置于发射线圈周边且覆盖检测区域；每个发射线圈用于产生激励磁场；每个异物检测线圈，用于产生检测信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无线充电异物检测装置，包括至少一个发射线圈，每个发射线圈配置多个异物检测线圈，多个异物检测线圈布置于发射线圈周边且覆盖检测区域；每个发射线圈用于产生激励磁场；每个异物检测线圈，用于产生检测信号；其特征在于：所述发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或副边线圈，或独立铺设的线圈；发射线圈采用水平绕制的盘式线圈或垂直绕制的螺线管线圈；发射线圈为水平绕制的盘式线圈时，发射线圈绕制平面为第一平面；发射线圈为垂直绕制的螺线管线圈时，发射线圈绕制平面的正交平面为第一平面；配置的每个检测线圈用于检测一个维度或多个维度的激励磁场；检测一个维度激励磁场时，该异物检测线圈绕制平面与所述第一平面垂直；检测多个维度激励磁场时，该异物检测线圈绕制平面相对所述第一平面倾斜设置，倾角a∈(0
°
,90
°
)；或者，该异物检测线圈绕制平面弯折成两个平面，两个平面之间夹角b∈(0
°
,180
°
)，且其中一个平面与所述第一平面垂直；该装置以异物检测线圈感应的电压信号或电流信号作为判断异物的检测信号，判断是否有异物。2.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于配置有多个异物检测线圈，每个异物检测线圈的绕制平面配置成其正上方的异物产生涡流磁场切向的正交平面。3.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于所述弯折成两个平面异物检测线圈，两个平面垂直，相对于第一平面改变水平部分占比c∈(100%,0%)且垂直部分的占比d∈(0%,100%) 来检测倾角θ∈(0
°
,90
°
)的激励磁场。4.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述异物检测线圈绕制在磁芯上。5.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述异物检测线圈采用印刷电路板结构，该印刷电路板上设有第一过孔和第二过孔，该印刷电路板的上层设有第一层印刷电路，下层设有第二层印刷电路；其中，第一过孔与第一层印刷电路的第一端和第二层印...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈乾宏，张斌，徐立刚，温振霖，任小永，张之梁，
申请(专利权)人：江苏展芯半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：