本發(fā)明涉及無線電能傳輸領(lǐng)域，特別地，涉及一種用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置、檢測方法。此外，本發(fā)明還涉及一種包括上述金屬異物檢測裝置的無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無線電能傳輸(wirelesspowertransmission，wpt)技術(shù)在傳輸端與接收端之間以電磁場傳送能量，兩者之間不用電線連接。目前無線電能傳輸技術(shù)主要包括電磁感應(yīng)式和磁諧振式。傳輸端的發(fā)送線圈如果連通一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在接收端的接收線圈中會產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的充電解決方案就采用了電磁感應(yīng)技術(shù)。磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。麻省理工學(xué)院(mit)物理教授marinsoljacic帶領(lǐng)的研究團隊利用該技術(shù)點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為witricity。

當(dāng)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)送線圈與接收線圈之間出現(xiàn)金屬類異物時，處在高頻電磁場中的金屬異物會產(chǎn)生電渦流損耗并導(dǎo)致異物熱量的產(chǎn)生，當(dāng)溫度上升到一定值會有著火等安全性問題。此外，金屬異物的存在同樣會影響無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率等。所以，無線電能傳輸系統(tǒng)中金屬異物檢測已經(jīng)是無線電能傳輸系統(tǒng)重要的一環(huán)，例如qi無線充電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)通過發(fā)送端到接收端的功率損耗來判斷金屬異物。但是在大功率傳輸環(huán)境下，這種方法并不適用，較小的金屬可能檢測不到。

cn205081516u公開了一種無線充電發(fā)射器，通過在感應(yīng)線圈的中心處設(shè)置溫度探頭，經(jīng)溫度探頭檢測發(fā)射器的溫度變化進而判斷發(fā)射器表面是否有金屬異物，進而避免產(chǎn)生微波爐效應(yīng)，保證使用安全。

cn104716725a公開了《一種具有金屬異物檢測的電動汽車無線充電系統(tǒng)》，其在發(fā)送線圈和接收線圈之間敷設(shè)平衡結(jié)構(gòu)金屬檢測線圈，利用金屬檢測線圈與金屬檢測電路形成回路來檢測磁場中是否存在金屬異物。由于金屬檢測線圈在發(fā)送線圈和接收線圈之間影響系統(tǒng)無線傳能的效率，同時由于金屬渦流效應(yīng)，可以引起金屬檢測線圈溫度過高造成安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置、方法及傳輸系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的無線電能傳輸系統(tǒng)存在金屬異物檢測影響系統(tǒng)無線傳能效率的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置，無線電能傳輸包括用于將輸入端的電能轉(zhuǎn)換為無線電發(fā)射的發(fā)送線圈及用于接收發(fā)送線圈發(fā)射的無線電并轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢傳遞給負(fù)載端的接收線圈，金屬異物檢測裝置包括：

多個信號采集線圈，多個信號采集線圈沿發(fā)送線圈的徑向成對布置于發(fā)送線圈的外圍，且成對布置的兩個信號采集線圈的旋轉(zhuǎn)方向相反；

信號處理單元，連接多個信號采集線圈，用于根據(jù)多個信號采集線圈生成的電動勢信號判定無線電能傳輸是否存在金屬異物。

進一步地，多個信號采集線圈位于以發(fā)送線圈的中心為圓心的同一圓周上，且多個信號采集線圈與發(fā)送線圈處于同一水平面上。

進一步地，多個信號采集線圈包括至少兩組成對設(shè)置的信號采集線圈，多組成對設(shè)置的信號采集線圈沿周向均勻布置于發(fā)送線圈的外圍。

進一步地，信號處理單元包括：

信號采集及處理電路，用于采集多個信號采集線圈生成的電動勢信號并進行放大、濾波處理；

處理控制器，用于接收信號采集及處理電路的輸出結(jié)果并進行邏輯處理以判斷無線電能傳輸是否存在金屬異物。

進一步地，處理控制器包括：用于判定是否存在金屬異物的第一判定模塊；

第一判定模塊用于經(jīng)加法器對對成對布置的信號采集線圈對應(yīng)的濾波處理后的信號相加以判斷其幅值是否超過第一閾值，若是則判定為存在金屬異物。

進一步地，處理控制器還包括：用于判定金屬異物是否為磁性金屬的第二判定模塊；

第二判定模塊用于經(jīng)相位比較器判斷成對布置的信號采集線圈對應(yīng)的濾波處理后的信號的相位差是否超過第二閾值，若是則判定金屬異物為磁性金屬。

進一步地，處理控制器還包括：

切斷控制模塊，連接第一判定模塊，用于根據(jù)第一判定模塊的檢測結(jié)果切斷發(fā)送線圈的供電電路。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測方法，采用上述的用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置，本發(fā)明檢測方法包括：

判斷發(fā)送線圈與接收線圈之間是否對齊；

當(dāng)發(fā)送線圈與接收線圈對齊的情況下，在無線電能傳輸過程中，信號處理單元判斷任意組成對布置的兩個信號采集線圈經(jīng)過放大、濾波、加法器相加后的電壓幅值是否大于第一閾值，若是則判定無線電能傳輸過程中存在金屬異物；

當(dāng)發(fā)送線圈與接收線圈未對齊的情況下，在開始無線電能傳能傳輸前，分別記錄各組對稱布置的兩個信號采集線圈經(jīng)過放大、濾波、加法器相加后的電壓幅值極值；在無線傳能工作過程中如果一組或者多組成對布置的兩個信號采集線圈對應(yīng)的電壓幅值極值變化值大于設(shè)定閾值，則判定金屬異物進入。

進一步地，判斷發(fā)送線圈與接收線圈是否對齊包括：

當(dāng)發(fā)送線圈與接收線圈嘗試對齊的過程中，判斷一組或者多組成對布置的兩個信號采集線圈經(jīng)過放大、濾波、加法器相加后的電壓幅值是否超出第一閥值，若是則判定發(fā)送線圈與接收線圈未對齊。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種無線電能傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)送線圈、接收線圈及上述的用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置，發(fā)送線圈連接有用于提供發(fā)射電能的電源驅(qū)動電路，接收線圈連接有用于給負(fù)載供電的電能轉(zhuǎn)換電路。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置、方法及傳輸系統(tǒng)，通過在發(fā)送線圈的外周布置多個信號采集線圈，多個信號采集線圈沿發(fā)送線圈的徑向成對布置于發(fā)送線圈之外，且成對布置的兩個信號采集線圈的旋轉(zhuǎn)方向相反，且多個信號采集線圈均連接至信號處理單元，信號處理單元根據(jù)成對布置的兩個信號采集線圈的電動勢信號判定無線電能傳輸是否存在金屬異物，本發(fā)明將多個信號采集線圈成對布置于磁場相對較弱的發(fā)送線圈的外周，且各信號采集線圈較小，避免了傳統(tǒng)的位于發(fā)送線圈和接收線圈之間的金屬檢測線圈影響系統(tǒng)無線傳能效率的問題，此外，亦避免了由于金屬渦流效應(yīng)引起金屬檢測線圈溫度過高、進而造成安全隱患的風(fēng)險，其在保證無線電能傳輸效率的前提下又有力地提升了系統(tǒng)安全性，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例中信號采集線圈的布置及檢測信號示意圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例中信號采集及處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中處理控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例中無金屬異物時成對布置的信號采集線圈的檢測原理示意圖；

圖6是本發(fā)明優(yōu)選實施例中有金屬異物時成對布置的信號采集線圈的檢測原理示意圖；

圖7是本發(fā)明優(yōu)選實施例中區(qū)分磁性金屬與非磁性金屬的檢測原理示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

1、發(fā)送線圈；

2、接收線圈；

3、電源驅(qū)動電路；

4、電能轉(zhuǎn)換電路；

5、信號采集線圈；

6、信號處理單元；

61、信號采集及處理電路；

611、信號放大模塊；612、濾波模塊；

62、處理控制器；621、第一判定模塊；622、第二判定模塊；

623、切斷控制模塊；624、加法器；625、相位比較器。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

參照圖1及圖2，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置，本實施例中，無線電能傳輸包括用于將輸入端的電能轉(zhuǎn)換為無線電發(fā)射的發(fā)送線圈1及用于接收發(fā)送線圈1發(fā)射的無線電并轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢傳遞給負(fù)載端的接收線圈2，該金屬異物檢測裝置包括：多個信號采集線圈5，多個信號采集線圈5沿發(fā)送線圈1的徑向成對布置于發(fā)送線圈1的外圍，且成對布置的兩個信號采集線圈5的旋轉(zhuǎn)方向相反；信號處理單元6，連接多個信號采集線圈5，用于根據(jù)多個信號采集線圈5生成的電動勢信號判定無線電能傳輸是否存在金屬異物。

本實施例中，發(fā)送線圈1產(chǎn)生交變磁場，且發(fā)送線圈1和接收線圈2存在漏磁現(xiàn)象，設(shè)于發(fā)送線圈1外圍的信號采集線圈5會產(chǎn)生對應(yīng)的電動勢信號。本實施例，由于將多個信號采集線圈5成對布置于發(fā)送線圈1的四周，該區(qū)域磁場相對較弱，且各信號采集線圈5較小，對無線電能傳輸效率幾乎不會產(chǎn)生影響，避免了傳統(tǒng)的位于發(fā)送線圈和接收線圈之間的金屬檢測線圈影響系統(tǒng)無線傳能效率的問題，此外，亦避免了由于金屬渦流效應(yīng)引起金屬檢測線圈溫度過高、進而造成安全隱患的風(fēng)險，其在保證無線電能傳輸效率的前提下又有力地提升了系統(tǒng)安全性，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。本實施例中，發(fā)送線圈1、接收線圈2及信號采集線圈5可以采用包括但不限于圓形、方形、棱形等形狀，且多個信號采集線圈5只需成對布置于發(fā)送線圈1的外周即可。

優(yōu)選地，參照圖2，多個信號采集線圈5位于以發(fā)送線圈1的中心為圓心的同一圓周上，且多個信號采集線圈5與發(fā)送線圈1處于同一水平面上。在此結(jié)構(gòu)中，對稱布置的信號采集線圈5旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣可以保證成對的信號采集線圈5采集的信號幅值相同，且信號相位相差180°，即電壓幅值大小相等，極性相反。優(yōu)選地，多個信號采集線圈5包括至少兩組成對設(shè)置的信號采集線圈5，多組成對設(shè)置的信號采集線圈5沿周向均勻布置于發(fā)送線圈1的外圍，可以進一步提高對金屬異物檢測的檢測精度，且利于信號采集線圈小型化設(shè)計，避免對無線傳能效率的干擾影響。

本實施例中，信號處理單元6包括：信號采集及處理電路61，用于采集多個信號采集線圈5生成的電動勢信號并進行放大、濾波處理；處理控制器62，用于接收信號采集及處理電路61的輸出結(jié)果并進行邏輯處理以判斷無線電能傳輸是否存在金屬異物。

參照圖3，本實施信號采集及處理電路61包括：依次連接的用于對電動勢信號進行放大的信號放大模塊611、用于對放大后的信號進行濾波處理的濾波模塊612。本實施例中，對稱布置的信號采集線圈5采集的電壓信號經(jīng)信號放大模塊611放大后，再經(jīng)濾波模塊612進行低頻濾波，為處理控制器62的檢測決策提供信號源。

參照圖4，處理控制器62包括：用于判定是否存在金屬異物的第一判定模塊621；第一判定模塊621用于經(jīng)加法器624對對成對布置的信號采集線圈5對應(yīng)的濾波處理后的信號相加以判斷其幅值是否超過第一閾值，若是則判定為存在金屬異物。圖5示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例中無金屬異物時成對布置的信號采集線圈的檢測原理示意圖；圖6示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例中有金屬異物時成對布置的信號采集線圈的檢測原理示意圖。兩路濾波后的信號采集線圈的電壓信號經(jīng)加法器624相加，如果對應(yīng)路徑中沒有金屬異物產(chǎn)生電磁干擾，則經(jīng)過加法器624相加的兩路信號幅值為零；若對應(yīng)路徑中存在金屬異物，則經(jīng)過加法器相加的兩路信號幅值由于電磁干擾存在突變，如圖6示出的a區(qū)域，通過檢測幅值峰值是否超出第一閾值，若超過，則判定存在金屬異物，此處的第一閾值的大小可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)檢測誤差設(shè)定。

優(yōu)選地，處理控制器62還包括：用于判定金屬異物是否為磁性金屬的第二判定模塊622；第二判定模塊622用于經(jīng)相位比較器625判斷成對布置的信號采集線圈5對應(yīng)的濾波處理后的信號的相位差是否超過第二閾值，若是則判定金屬異物為磁性金屬。圖7示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例中區(qū)分磁性金屬與非磁性金屬的檢測原理示意圖。由于磁性金屬會引起發(fā)送電壓與接收線圈電壓之間的相位差，在檢測到金屬異物以后，將對稱位置的信號采集線圈信號經(jīng)過放大、濾波后輸入相位比較器進行相位比較，如果單片機監(jiān)測到相位差超過某一閥值，則判定該金屬異物為磁性金屬。

優(yōu)選地，處理控制器62還包括：切斷控制模塊623，連接第一判定模塊621，用于根據(jù)第一判定模塊621的檢測結(jié)果切斷發(fā)送線圈1的供電電路。通過引入切斷控制模塊623對發(fā)送線圈1的供電通斷進行切換控制，從而實現(xiàn)了對無線電能傳輸?shù)闹悄芸刂?。本實施例切斷控制模塊623可以采用繼電器等類似的供電控制開關(guān)，由處理器(如單片機)生成切換控制信號。優(yōu)選地，控制切斷控制模塊623動作的處理器還連接有報警裝置，用于生成報警提示，以提醒用戶供電路徑上存在金屬異物。更優(yōu)選地，處理器還根據(jù)檢測確定超過閾值對應(yīng)的信號采集線圈的編碼位置生成提示金屬異物所處位置的指示信息，便于用戶快速鎖定排查區(qū)域，便于快速排查故障，提高維護及充電效率。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測方法，采用上述實施例的用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置，本發(fā)明檢測方法包括：

判斷發(fā)送線圈1與接收線圈2之間是否對齊；

當(dāng)發(fā)送線圈1與接收線圈2對齊的情況下，在無線電能傳輸過程中，信號處理單元6判斷任意組成對布置的兩個信號采集線圈5經(jīng)過放大、濾波、加法器624相加后的電壓幅值是否大于第一閾值，若是則判定無線電能傳輸過程中存在金屬異物；

當(dāng)發(fā)送線圈1與接收線圈2未對齊的情況下，在開始無線電能傳能傳輸前，分別記錄各組對稱布置的兩個信號采集線圈5經(jīng)過放大、濾波、加法器624相加后的電壓幅值極值；在無線傳能工作過程中如果一組或者多組成對布置的兩個信號采集線圈5對應(yīng)的電壓幅值極值變化值大于設(shè)定閾值，則判定金屬異物進入。

通過采用該檢測方法，既可以實現(xiàn)發(fā)送線圈1與接收線圈2對齊情形下的金屬異物檢測，又可以實現(xiàn)二者在未對齊情形下的金屬異物檢測，適用范圍廣。

本實施例中，判斷發(fā)送線圈1與接收線圈2是否對齊包括：

當(dāng)發(fā)送線圈1與接收線圈2嘗試對齊的過程中，判斷一組或者多組成對布置的兩個信號采集線圈5經(jīng)過放大、濾波、加法器624相加后的電壓幅值是否超出第一閥值，若是則判定發(fā)送線圈1與接收線圈2未對齊。

通過引入該方法對發(fā)送線圈1與接收線圈2是否對否對齊進行判斷，便于對發(fā)送線圈1與接收線圈2的位置進行校正，進而提升無線電能的傳輸效率。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種無線電能傳輸系統(tǒng)，參照圖1，包括發(fā)送線圈1、接收線圈2及上述實施例的用于無線電能傳輸?shù)慕饘佼愇餀z測裝置，發(fā)送線圈1連接有用于提供發(fā)射電能的電源驅(qū)動電路3，接收線圈2連接有用于給負(fù)載供電的電能轉(zhuǎn)換電路4。本實施例中，電源驅(qū)動電路3包括高頻交變電源，如功率放大器、mosfet或者igbt驅(qū)動模塊等；電能轉(zhuǎn)換電路4包括與接收線圈2相連的補償電路、整流電路等。發(fā)送線圈1在電源驅(qū)動電路3的驅(qū)動下產(chǎn)生交變磁場，接收線圈2在交變磁場中感應(yīng)生成感應(yīng)電流，并經(jīng)電能轉(zhuǎn)換電路4轉(zhuǎn)換為電能供電給負(fù)載。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。