一种支持负载识别的无线充电设备及其识别方法与流程
本发明涉及一种支持负载识别的无线充电设备及其识别方法。
背景技术：
随着智能手机、可穿戴设备的普及，使用电源线、数据线进行充电的方式已经无法满足智能设备爆炸式增长的数量。无线充电在近几年得到了飞速的发展，而无线充电系统对多负载设备充电的能力成为当前最为关注的问题。市场要求无线充电系统能够低成本、快速准确得对负载设备进行定位，及早、无功率损耗、无安全隐患的对异物进行有效检测。
现有识别负载并定位的方案主要如下：
一、通过检测发射端谐振频率偏差，判断系统带载情况及负载位置，检测谐振频率需要发射端进行扫频，通过检测不同频率驱动下谐振电路中电容的最大值电压或电感的最大值电流，确定当前负载条件下的谐振频率。比较当前谐振频率与系统空载时的谐振频率，识别负载并定位。该方法对扫频的频率范围、频率精度均有比较严格的要求，且比较耗时，针对多负载及线圈阵列应用的可扩展性较差。
二、向负载传输小功率，通过与负载通信以获取负载端检测到的信号强度值识别负载并定位，在规定时间内未收到信号强度信息，则判断系统为空载。该方法的实施主要依靠负载与系统的通信，而负载上电、启动通信模块需要较长的时间，针对多负载及线圈阵列应用的可扩展性较差。
三、在系统中集成重力传感器或红外传感器，通过系统带载、空载时传感器检测的结果对负载进行识别并定位。该方法需要将多个传感器均匀置于系统表面，大大增加了成本及系统的复杂性。
四、使用可移动线圈追踪负载，系统向负载传输功率，通过计算寄生损耗、充电频率判断，系统识别负载并定位。该方法基于功率发射与负载接收功率的偏差进行位置判断，判断内容包含线圈需要移动的方向与距离，且需要一个单独的线圈移动装置，大大增加了系统的复杂性和成本，无法向多负载及线圈阵列的应用方向扩展。
现有异物检测的主要方案如下：
一、通过系统负载情况下q值检测结果与负载提供参考q值比对，q值偏差超过阈值，判断系统负载存在异物。该方法需要负载进入通信阶段，向系统传输参考q值，每次判断都需要消耗较长的时间，且需要向负载传输足以使其进入通信阶段的功率，如果负载存在异物，判断过程也会引起一定的发热量。
二、系统在功率传输过程中通过对发射功率的监测及负载提供的接收功率，求出差值，当差值超过阈值，判断系统负载存在异物。该方法的精度依赖于在不同传输功率状态下，对发射端及负载固有损耗评估的精度，增加了系统的复杂度，且容易出现漏报、误报的情况，导致系统响应不及时。判断过程是建立在系统向负载正常功率传输的状态下，如果负载存在异物，在系统响应之前，可能就会产生很大的发热量，进而存在安全隐患。
现有增强功率传输的主要方案如下：
在由功率发射电路与单线圈一一相连构成功率发射子单元的系统中，当单一的子单元传输功率不足以满足负载要求时，开启另一个子单元加强磁场。该方法材质成本较高、灵活性差的问题。当传输功率不足的时候，增加线圈虽然能够增大磁场，但是会导致发射端谐振频率产生偏差，降低系统效率。
综上可见现有的技术方案普遍存在系统复杂、成本高以及存在可能的安全隐患等问题，并且还具有耗时、耗电且对多设备的可扩展性差的问题。
技术实现要素：
本发明针对多负载同时充电技术，提供一种支持负载识别的无线充电设备及其识别方法，以快速、直接、无需辅助模块的方式对负载进行识别、定位，其能够节省系统资源，降低成本，提高运行效率；在运行初期不依赖通信或功率传输即可对异物进行有效地排除并保障系统的安全性；在不损失增强磁场能力的前提下，实现对发射端谐振频率的校正，提高效率。
本发明提供一种支持负载识别的无线充电设备，包括微控制器、功率发射电路组、线圈阵列和多路复用器，所述微控制器连接功率发射电路组，所述功率发射电路组通过多路复用器连接线圈阵列，所述线圈阵列连接微控制器。
所述功率发射电路组包括多个功率发射单元，所述线圈阵列包括多个线圈，所述功率发射单元通过微控制器连接各线圈。
所述线圈阵列包括多个线圈，所述线圈之间相互交叠的面积在30％～50％之间，线圈内半径交叠范围在20％～35％之间，且每个线圈与至少两个线圈有交叠。
所述功率发射单元的个数为n，所述线圈的个数为m，其中n≤m。
所述功率发射单元包括功率发射电路和匹配电路，所述功率发射电路和匹配电路相连，所述功率发射电路和匹配电路均连接微控制器，所述匹配电路连接多路复用器。
所述多路复用器为单刀多掷开关组。
本发明还提供一种支持负载识别的识别方法，包括以下步骤：
步骤一：微控制器和功率发射单元上电后进行复位和初始化；
步骤二：微控制器使能当前空闲的功率发射单元x，并将该功率发射单元x与线圈阵列中的线圈依次相连进行检测，并将检测结果发送至微处理器；
步骤三：微控制器对检测结果进行处理，判断是否带载及负载个数，并对系统负载进行定位；
步骤四：微控制器根据步骤三得到的判断结果进行以下执行：
a、判断系统空载时，则对微控制器中内置的定时器进行定时，命令用于负载检测的功率发射单元x进入待机状态，当定时结束时自动返回步骤二；
b、判断系统负载中存在异物时，再判断负载是否仅为异物，若是则对微控制器中内置的定时器进行定时，命令用于负载检测的功率发射单元x进入待机状态，当定时结束时自动返回步骤二；若否则对异物进行移除，并按照以下判断情况c的步骤执行；
c、判断系统负载为一个以上负载设备而无异物时，对负载设备进行功率传输。
优选地，所述步骤三中微控制器根据电流检测阈值、异物检测电流阈值及线圈关联表判断系统判断是否带载及负载个数。
优选地，所述步骤四中d具体为：
微控制器中内置的定时器进行定时，定时结束时返回步骤二，定时的同时微控制器使能对应负载个数的功率发射单元，记录负载位置及负载检测电流有效值，与负载设备通信获取功率传输需求及负载设备信息，微控制器发送信息至对应的功率发射电路，功率发射电路对负载设备进行功率传输，当功率传输完成后，停止功率传输，并向微控制器发送中断信号，功率发射单元进入待机状态。
附图说明
图1为本发明提供的支持多负载的无线充电设备的架构图；
图2为本发明中线圈阵列结构示意图；
图3为本发明提供的支持多负载的无线充电方法的流程图；
图4为本发明中线圈关联示意图；
图5为本发明中匹配电路的结构示意图。
图6为本发明中匹配电路与其他模块连接示意图。
具体实施方式
本发明提供一种支持负载识别的无线充电设备，如图1左侧虚线框所示，包括微控制器1、功率发射电路组2、线圈阵列3和多路复用器4，图1中右侧虚线框内的负载设备1至负载设备x(负载设备表示系统的正常负载，是接收功率进行充电的设备)，及金属异物对于整个系统(即支持多负载的无线充电设备)来讲均是负载，在整个系统运行时是可以不带负载的，即x可以为零。图1将负载做出示意是为了表示系统与其负载的相互关系，及系统负载可能包含的内容，其中金属异物的出现会带来安全隐患，因此属于运行过程中需要予以识别并排除的负载。
所述微控制器1连接功率发射电路组2，所述功率发射电路组2包括多个功率发射单元，其个数为n，所述微控制器1分别连接各功率发射单元，以实现对其的控制。所述线圈阵列3包括多个线圈，个数为m，其中n、m均未大于1的自然数，且n≤m。所述各功率发射单元通过多路复用器4连接各线圈阵列3中的线圈，所述多路复用器3连接微控制器1，所述微控制器1优选基于32-
本发明中的线圈阵列3的结构示意图如图2所示，各线圈之间相互交叠的面积在30％～50％的范围内，线圈内半径交叠范围在20％～35％之间，且每个线圈与至少两个线圈有交叠。采用上述线圈结构，在相同驱动条件下，负载线圈在线圈阵列覆盖范围内的任意位置耦合系数偏差小于15％，无线充电动态控制设备于线圈阵列的外侧形成充电表面，不限制其具体形状，可以形成为矩形、圆形等各种形状，但其表面之下需被线圈阵列布置充满，以使功率接收设备可以放置于系统表面的任意位置。
单个线圈优选的实施方式为：由180股0.06mm直径漆包线绕线构成48.5mm外直径，25.3mm内直径，厚度2.0mm，单层11圈的单个线圈。
本发明中各功率发射单元均包含功率发射电路6(功率发射电路采用当前主流的功率发射电路，优选基于idtp9242芯片的方案)与一匹配电路5，所述功率发射电路6和匹配电路5均连接微控制器1。所述匹配电路5的结构如图5所示，所述匹配电路5连接功率发射电路6和多路复用器4之间。所述匹配电路5通过电容与电感构成阵列的配置能够调整发射端的谐振频率，其具体结构不做限制，只要是电容、电感构成的可配置谐振网络均应在发明所述匹配电路范围之内。如图6所示，匹配电路5的输入端连接功率发射电路6的输出端，控制端连接微控制器1，由微控制器1调节其内部的连接关系，例如图5中连接电容的闭合/断开，匹配电路5的输出端连接多路复用器4。
本发明提供一种支持负载识别的识别方法，其原理如下：
a、微控制器使能当前空闲的某一功率发射单元，使其与线圈阵列中未被占用的任一线圈相连，功率发射单元向该线圈发送几个短脉冲信号，检测短脉冲信号后一段时间内流过线圈的有效电流值，如果该值较空载时超出一定的阈值，则可以判断出该线圈带载。
由于短脉冲是连续的，以td为检测短脉冲信号周期，th为高电平持续时间，tl为低电平持续时，td＝th+dl；
短脉冲信号的个数在6～18，高电平在5v～10v为目前选择的主要范围，周期td范围为2-10ms，th范围为200ns-1.5us。
在以上述单个线圈的实施方式以及各线圈之间相互交叠的面积45％左右，最优选择：8个连续td＝3.75ms，th＝375ns，高电平5v的短脉冲。
施加短脉冲信号的作用是功率发射单元通过线圈向外发射微量功率，如果有负载设备，这部分能量会传到负载设备的谐振网络。在短脉冲过后，负载设备的谐振网络会辐射存储的微量功率，辐射的功率在发射侧的线圈中生成电流。检测时间根据发射微量功率决定，一般小于1ms，检测电流的阈值同样是根据发射的微量功率决定的，阈值设定在ua量级，通常小于200ua。在短脉冲的优选方案中，合适的阈值范围在90ua±20ua。
b：微控制器通过控制多路复用器，使该功率发射单元采用上述方法对线圈阵列中的所有的空闲线圈采用上述a过程的方法进行遍历，则可以获得线圈阵列中各个线圈的带载情况。
c：微控制器根据各个线圈电流有效值的记录，统计线圈带载的情况及线圈序号。通过带载线圈序号、线圈关联表及电流有效值的比对，识别负载个数、判断负载位置、与该负载耦合最好的线圈及其关联线圈。
微控制器可以内置定时器，通过上述方法，定时对系统进行负载检测，即可实现对系统负载增加、移除的实时监测。
所述微控制器具备处理中断、定时唤醒(即内置定时器)的功能，内部存储了功率发射电路组中包含的功率发射单元的个数、线圈阵列中线圈序号、线圈关联表；功率发射单元除了向负载进行功率传输的功能，还需具备发送中断以及与微控制器通信的能力；功率发射电路组通过由微控制器控制的多路复用器与线圈阵列相连，任一功率发射单元可以与阵列中任意未被占用的一个或多个线圈相连。
如图4所示，所述线圈关联表作为已知的参量，使用确定的线圈阵列之后，该关联表即为已知值。线圈关联表用于了解在某个线圈a在已经被使用的时候，附近的线圈如果开启会对线圈a负载的设备传输功率有大幅增加，所以微控制器能够需要根据目前线圈a的工作状况判断当传输功率不足的时候，开启关联的线圈就可以增加传输的功率。线圈关联表还可以用来判断当线圈a已经被使用的时候，关联的线圈应该被禁止进行负载检测，也禁止向线圈a负载的设备之外的其他设备进行功率传输，提高安全性。
以上方法除了可以用来识别负载，还可以通过在微控制器中存储的负载异物阈值表，实现对异物的排除，具体的检测方法是在以上三个步骤之后还包含d：微控制器通过查表法，将流过线圈的有效电流值与负载异物阈值表进行比对，判断系统识别的负载是否为可接收功率的有效负载。
对于该无线充电设备使用单个功率发射单元对应单个线圈传输功率磁场不足的时候，需要单个功率发射单元连接多于一个的线圈进行功率传输(单个功率发射单元具备同时连接多于一个的线圈进行功率传输的功能)，这种方法将导致发射侧谐振频率偏移，需要对功率发射单元中的匹配电路进行配置，如图5所示，配置值根据已知的单个线圈的电感值、寄生电阻值、系统增加线圈数量、增加线圈与负载耦合系数进行计算，通过配置匹配电路调整谐振频率，提高传输功率。
实施例：
本实施例提供一种支持负载识别的识别方法，如图3所示，具体包括以下流程：
步骤一：系统发射侧(微控制器和功率发射单元)上电后进行复位和初始化，初始化内容包括微控制器获取功率发射单元的个数、线圈关联表、主级线圈阈值检测值、异物检测电流阈值、异物检测功率损耗表和异物检测报警阈值表；功率发射单元获取异物检测功率阈值表、异物检测安全传输功率阈值表及在安全功率阈值下的异物检测功率阈值表。初始化完成后，微控制器命令所有功率发射单元进入待机状态，切断功率发射单元与线圈阵列的连接，确保运行初始任一功率发射单元可以使用线圈中的任意一个线圈。
步骤二：微控制器使能当前空闲的功率发射单元x，并将该功率发射单元x与线圈阵列中的线圈依次相连，依次进行检测，并将检测结果发送至微处理器。
每次检测方法是功率发射单元x向其中一线圈周期性施加短脉冲信号，检测短脉冲后一段短时间t内流过线圈的电流icoil，计算出icoil的有效电流值，并记录该值与线圈的序号，并将其传送给微控制器。
功率发射单元x完成对线圈阵列的所有线圈检测之后，向微控制器发送中断信号。
步骤三、微控制器收到功率发射子单元的中断信号之后，对所有检测结果进行处理，即根据系统的电流检测阈值、异物检测电流阈值及线圈关联表判断系统是否带载及负载个数，对系统负载进行定位。
步骤四：微控制器根据判断结果，进行以下三种不同情况下的执行：
a、若微控制器判断系统空载，则对微控制器中内置的定时器进行定时，微控制器命令用于负载检测的功率发射单元x进入待机状态，直到定时结束，回到步骤二；
b、若微控制器判断此时系统负载中存在异物，则记录异物位置，驱动蜂鸣器报警，然后微控制器判断负载是否仅为异物，若判断负载仅为异物，则对定时器进行定时，同时微控制器命令用于负载检测的功率发射单元x进入待机状态，当定时结束时返回步骤二；若判断包含异物，但同时带载，则对异物进行规定时间内移除，如果在规定时间内未移除，则对定时器进行定时，同时微控制器命令用于负载检测的功率发射单元x进入待机状态，当定时结束时返回步骤二，如果在规定时间内移除，则执行对负载设备的功率传输，其具体流程与判断c的情况下流程相同；
c、若微控制器判断此时系统负载为一个以上负载设备，无异物，则微控制器对其中定时器进行定时，用于定期对系统新增负载进行即时检测，同时使能对应负载个数的功率发射单元，记录负载位置及负载检测电流有效值，尝试与负载设备通信获取功率传输需求及设备信息。若该阶段未收到负载设备的反馈，则尝试再次通信，若连续几次(三次)尝试均失败，记录该负载的定位及负载检测电流的有效值，微控制器在检测到该位置的电流有效值发生变化之前，不再对该负载进行通信。微控制器与负载设备通信获得的信息包括负载需要系统传输的最小功率值、制造商编码及设备编码。
功率发射电路获得负载设备的有效信息后，向微控制器传输该有效信息。微控制器发送信息至对应的功率发射电路，功率发射电路对负载设备进行功率传输；
当功率传输完成后，停止功率传输，并向微控制器发送中断信号，微控制器命令功率发射单元进入待机状态，对该负载设备的功率传输完成。若在功率传输过程中出现异常情况，立即停止功率传输并向微控制器发送中断，由微控制器驱动蜂鸣器报警。
本发明中微控制器能够对线圈阵列的直接控制，可以对使用状态的记录和实时更新，且微控制器能够对负载当前及历史检测结果的记录和实时更新，可以识别功率传输完成或由于异常情况中断功率传输的负载设备信息及位置。
本发明具有的优点在于：
本发明提供的负载检测方法可以拓展用于排除异物；
本发明中每个功率发射单元均配有一个匹配电路，可以实现功率发射单元在功率传输过程对谐振频率的偏差的及时校正；
本发明中应用线圈关联表及电流有效值来判断负载个数，选择相关区域内耦合最好的线圈进行功率传输，在单个线圈传输功率不足时，通过线圈关联表选择相关区域内耦合关系最合适的线圈增强磁场。
本发明中微控制器通过对线圈阵列的直接控制，对使用状态的记录和实时更新。
本发明中微控制器能够对负载当前及历史检测结果的记录和实时更新，可以识别功率传输完成或由于异常情况中断功率传输的负载设备信息及位置。
本发明减小系统识别负载、定位负载所需的时间，且无需辅助模块，功耗低，降低成本与复杂度，适于多负载应用的扩展。
本发明在系统运行初期即可对大部分异物进行有效排除，提高系统运行效率，增强了系统的安全性。
本发明通过匹配电路的应用对系统发射侧谐振频率的偏差进行及时补偿，提高系统功率传输的效率。
本发明能够快速准确判读负载个数及定位，需要增强磁场的时候，快速选择最合适的线圈。
本发明能够防止其它功率发射电路误连接与已占用线圈强关联的线圈，有效杜绝因已建立的发射-接受功率传输突变引发的安全隐患。
本发明能够避免功率发射电路对已知设备或异常设备进行反复的通信或功率传输，降低了系统功耗、节省了系统资源、提高了系统运行效率。
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