可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法

1.本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法。


背景技术：

2.磁耦合无线电能传输(mc-wpt)技术，是一种以高频磁场作为能量传输载体，实现无直接电气连接的电能传输技术，该技术被广泛的应用于各类无线供电设备中，诸如无线充电手机、无线充电电动汽车等。无线电能传输设备的能量发射与接收线圈之间存在一个大功率高频磁场区域，该区域周围或内部存在金属异物时，金属可能会与空间磁场耦合并生成二次磁场，这将导致无线供电系统的参数特性发生偏移，传输性能降低，甚至部分金属异物内部将产生涡流并迅速升温，产生安全隐患。所以异物检测技术已经成为无线电能传输领域中一个重要的研究方向，该技术是保证无线供电系统正常工作的关键之一。
3.异物检测技术主要分为借助辅助检测线圈检测技术、传感器异物检测技术和系统参数异物检测技术三大类。辅助线圈检测技术需要引入额外的检测线圈并覆盖于发射线圈上方，而检测线圈本身也容易影响无线供电系统的传输性能，并且检测系统还需要独立的激励和信号处理装置；传感器异物检测技术则需要更为精密的独立装置，并且高精度的传感器成本极高，同时其安装受环境影响大，以至于应用受限；而基于系统参数的异物检测技术是在异物出现后，利用系统自身变化的参数进行检测，但是现有的检测技术因异物带来的检测变量变化小而难以有效检测，检测准确性和灵敏度低是这个技术最大的痛点。


技术实现要素：

4.基于上述需求，本发明的首要目的在于提出一种可检测异物的耦合机构，针对中小型功率的无线供电系统的发射线圈进行设计和改造，在不加装其他检测线圈和传感器的条件下和不影响原无线供电系统功率与效率等性能的前提下，提高金属异物的检测准确性和灵敏度，实现系统无线供电功能的同时让其具备异物检测的功能。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种可检测异物的耦合机构，包括能量发射线圈，其关键在于：所述能量发射线圈按序分段绕制，相邻两段能量发射子线圈之间通过分割电容串接，所述分割电容与内侧的一个能量发射子线圈构成的异物检测采样模块，且在所述异物检测采样模块的两端设置有异物检测接线抽头。
7.可选地，所述能量发射线圈呈平面线圈绕制，也可以根据应用场景的需求，将能量发射线圈设置为非平面线圈。
8.可选地，所述能量发射线圈呈平面圆形线圈绕制，当然也采用矩形、正方形等各形状线圈。
9.可选地，所述能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成，当然也可以根据需求，拆分为更多子线圈结构。
10.可选地，在所述能量发射线圈的前端配置有外部补偿电容，外部补偿电容可以与能量发射线圈一体设计，也可以在具体应用时，临时加装。
11.可选地，设第一能量发射子线圈的自感为l
1a
，第二能量发射子线圈的自感l
1b
，第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的互感为m
ab
，则所述外部补偿电容与所述分割电容的电容值按照：设置，其中c
1a
为外部补偿电容的电容值，c
1b
为分割电容的电容值。
12.基于上述耦合机构，本发明第二目的在于提供一种无线供电系统，包括能量发射端和能量接收端，其关键在于：所述能量发射端设置有直流电源、高频逆变器以及前文所述的可检测异物的耦合机构，所述能量接收端设置有能量接收线圈、整流滤波电路以及用电负载。
13.可选地，在所述异物检测接线抽头上连接有异物检测信号处理电路，所述异物检测信号处理电路根据异物检测信号的检测结果控制所述高频逆变器中开关管的状态。
14.所述能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成，包括外部的第一能量发射线圈和内部的第二能量发射线圈，在所述第一能量发射线圈的前端配置有外部补偿电容，所述分割电容与所述第二能量发射子线圈构成异物检测采样模块，所述异物检测采样模块通过采样通道连接所述异物检测信号处理电路，当采样电压有效值超过预设阈值时，所述异物检测信号处理电路控制所述能量发射端停止供电。
15.本发明的第三目的还在于提供一种用于前文所述耦合机构的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
16.s1：根据应用场景，按照平面圆形线圈绕制方式确定能量发射线圈的线径d，绕线半径r和匝数n；
17.s2：按照
[0018][0019]
确定能量发射线圈分割点的位置a，其中a表示内部的第二能量发射线圈的匝数，μ0为相对磁导率，ri表示第二能量发射子线圈第i匝的等效半径，rj表示第一能量发射子线圈第j匝的等效半径,s
ip
表示第二能量发射子线圈中第i匝线圈的微分量dli与第p匝线圈的微分量dl
p
之间的间距；s
jq
表示第一能量发射子线圈中第j匝线圈的微分量dlj与第q匝线圈的微分量dlq之间的间距，λ为分割系数，通过分割使得内部的第二能量发射子线圈与外部的第一能量发射子线圈自感之比为λ，变量i和变量p从1开始取值，变量j和变量q从(a+1)开始取值；
[0020]
s3：根据分割位置确定第一能量发射子线圈的自感l
1a
，第二能量发射子线圈的自感l
1b
，第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的互感m
ab
，并根据系统工作频率确定谐振所需的补偿电容值c1；
[0021]
s4：按照确定外部补偿电容的电容值c
1a
和分割电容的电容值c
1b
。
[0022]
本发明的效果是：
[0023]
本发明在不加装其他检测线圈和传感器的条件下和不影响原无线供电系统功率与效率等性能的前提下，提高金属异物的检测准确性和灵敏度，实现系统供电功能的同时让其具备异物检测的功能，与基于独立检测线圈和独立传感器的异物检测技术相比，制造简单，不用增加过多的成本，与传统的基于系统自身参数的检测技术相比，系统检测灵敏度和准确性更高，检测到的异物尺寸更小，检测效果良好。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0025]
图1为本发明提供的可检测异物的耦合机构的结构示意图；
[0026]
图2为本发明提供的无线供电系统的电路原理图；
[0027]
图3为本发明提供的具有异物检测功能的无线供电系统的电路原理图；
[0028]
图4为本发明具体实施例中异物检测的控制流程图。
具体实施方式
[0029]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0030]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0031]
如图1所示，本实施例首先提供一种可检测异物的耦合机构，包括能量发射线圈，能量发射线圈呈平面圆形线圈按序分两段绕制，更靠近圆心的内发射线圈作为第一能量发射子线圈，离圆心更远的外发射线圈作为第二能量发射子线圈，两段能量发射子线圈之间通过分割电容串接，分割电容与内侧的一个能量发射子线圈构成的异物检测采样模块，且在所述异物检测采样模块的两端设置有异物检测接线抽头，接收端的接收线圈不进行改变，各个线圈具体匝数和尺寸根据系统需求确定。
[0032]
具体实施时，除了对如上所示的圆形耦合机构进行分割，也可对矩形、正方形等各形状线圈进行分割。另外在耦合机构分割后，内发射线圈和外发射线圈相较于原线圈的水平高度、相对位置等不调整即可使用，而外发射线圈或者内发射线圈也可根据需求进行调整，例如改变相对位置、匝间距等。应用过程中，还可以在所述外发射线圈的前端配置外部补偿电容。
[0033]
如图2、图3所示，结合上述耦合机构，本实施例还提供一种无线供电系统，包括能量发射端和能量接收端，所述能量发射端设置有直流电源、高频逆变器以及前文所述的耦合机构，所述能量接收端设置有能量接收线圈、整流滤波电路以及用电负载。
[0034]
通过图2可以看出，本实施例中直流电源e
dc
，高频逆变器采用4个mosfet s
1-s4组成全桥型逆变器，外部补偿电容的电容值c
1a
，分割电容的电容值c
1b
，第一能量发射子线圈的自感为l
1a
，第二能量发射子线圈的自感l
1b
，能量接收线圈为l2，接收端调谐电容为c2，4个二极管d
1-d4组成全桥整流器，配合滤波电容cf构成整流滤波电路，r
l
表示用电负载。
[0035]
具体实施时，线圈分割可按电感等效原则进行分割，通过计算分割后的外发射线圈和内发射线圈的电感值，推导使两者电感值相等的分割点。发射端的发射线圈在分割前自感为l1，总匝数为n，分割后l
1a
有a匝，l
1b
有(n-a)匝，通常l1》l
1a
+l
1b
，且有：
[0036][0037][0038]
其中ri、rj分别为l
1a
和l
1b
当前匝数时线圈等效半径，d为线圈线径，μ0为相对磁导率，常数i和p从1开始取值，j和q从(a+1)开始取值，外发射线圈和内发射线圈此时互感为：
[0039][0040]sip
表示第二能量发射子线圈中第i匝线圈的微分量dli与第p匝线圈的微分量dl
p
之间的间距；s
jq
表示第一能量发射子线圈中第j匝线圈的微分量dlj与第q匝线圈的微分量dlq之间的间距，s
ij
表示第二能量发射子线圈中第i匝线圈的微分量dli与第一能量发射子线圈中第j匝线圈的微分量dlj之间的间距，分割点选为使外发射线圈和内发射线圈的等效自感和互感之和相等的位置，即此时的分割点a对应关系：
[0041][0042]
分割电容c
1b
可以补偿外发射线圈和内发射线圈，调整分割线圈端口谐振电压范围，同样也可以大幅度降低端口谐振电压峰值，增强系统安全性。分割电容c
1b
与外部补偿电容c
1a
的串联等效容值，应等于外发射线圈和内发射线圈在当前频率下谐振所需的电容值c1，以保证电路保持在最佳传输性能点上，即系统本身的传输特性和效率基本不会发生改变。在此基础上，将电容c1分割为c
1a
和c
1b
，而c1的分割关系需保证为：
[0043][0044]
分割电容和外部补偿电容之比与内发射线圈和外圈之比呈反比时，端口电压降低程度最大。并且c
1a
和c
1b
满足：
[0045][0046]
时，分割后线圈可具备较强的检测灵敏度。
[0047]
这种结构不仅不会降低原无线供电系统的供电性能，同时，还会极大的提高系统对能影响系统的金属异物的敏感性，降低系统谐振端的端口电压，使原系统具备更强的异物检测能力，同时提高系统的安全性。
[0048]
该系统对目标金属异物敏感性大大增强后，即可将内发射线圈l
1b
和分割电容c
lb
两端的端口电压作为异物是否存在的评判标准，设计如图3所示的基于发射线圈分割的无线供电及异物检测系统。即在所述异物检测接线抽头上连接有异物检测信号处理电路，所
述异物检测信号处理电路根据异物检测信号的检测结果控制所述高频逆变器中开关管的状态。
[0049]
鉴于能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成，且在所述能量发射线圈的前端配置有外部补偿电容，因此，分割电容与第二能量发射子线圈可以构成异物检测采样模块，从图3可以看出，异物检测采样模块通过采样通道连接所述异物检测信号处理电路，采集的电压为内发射线圈l
1b
和分割电容c
1b
两端的电压ub，当采样电压有效值超过预设阈值时，异物检测信号处理电路控制所述能量发射端停止供电。
[0050]
结合图4可以看出，在无线电能传输系统工作时，如果信号处理系统发现端口电压ub超过提前设定好的判断阈值，则判定为存在异物。系统工作大致步骤如下：
[0051]
①
检测系统初始化，根据该系统正常工作时l
1b
和c
1b
两端端口电压的波动范围设定检测阈值，并启动无线供电系统；
[0052]
②
启动逆变器s
1-s4和电源e
dc
，对逆变电路进行定频控制，使无线供电装置开始充电。
[0053]
③
异物检测电路实时收集n组端口电压ub信息并送往信号处理部分；
[0054]
④
信号处理部分对电压信号进行滤波、放大并计算端口电压ub当前有效值；
[0055]
⑤
当前值与阈值进行比较，若端口电压ub未超过阈值，则执行步骤
③
，若端口电压ub超过阈值，则执行步骤
⑥
；
[0056]
⑥
系统发出报警，向无线供电系统输入关闭指令。
[0057]
⑦
关闭电源e
dc
和逆变电路s
1-s4的脉冲指令。
[0058]
具体实施时，难以准确的确定分割点使得内部的第一能量发射子线圈与外部的第二能量发射子线圈等效电感相同，本实施例还提供一种参数设计方法，包括以下步骤：
[0059]
s1：根据应用场景，按照平面圆形线圈绕制方式确定能量发射线圈的线径d，绕线半径r和匝数n；
[0060]
s2：按照
[0061][0062]
确定能量发射线圈分割点的位置a，其中a表示内部的第二能量发射线圈的匝数，μ0为相对磁导率，ri表示第二能量发射子线圈第i匝的等效半径，rj表示第一能量发射子线圈第j匝的等效半径,s
ip
表示第二能量发射子线圈中第i匝线圈的微分量dli与第p匝线圈的微分量dl
p
之间的间距；s
jq
表示第一能量发射子线圈中第j匝线圈的微分量dlj与第q匝线圈的微分量dlq之间的间距，λ为分割系数，通过分割使得内部的第二能量发射子线圈与外部的第一能量发射子线圈自感之比为λ，变量i和变量p从1开始取值，变量j和变量q从(a+1)开始取值；
[0063]
s3：根据分割位置确定第一能量发射子线圈的自感l
1a
，第二能量发射子线圈的自感l
1b
，第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的互感m
ab
，并根据系统工作频率确定谐振所需的补偿电容值c1；
[0064]
s4：按照确定外部补偿电容的电容值c
1a
和分割电
容的电容值c
1b
。
[0065]
基于上述方法，设计时可以根据系统需求预先设定分割系数，从而预估分割点的位置，分割后通过计算或实测确定第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的自感值和互感值，最后再确定外部补偿电容的电容值和分割电容的电容值，使其满足最佳的异物检测需求。
[0066]
为证明所提出的新型耦合机构不影响原系统的无线电能传输性能并具备较强的金属异物检测能力，下面通过构建具体的分割模型进行仿真验证。结合图2所示的电路拓扑结构，随机选择线圈分割点，下文将外发射线圈和内发射线圈分为4和16匝。分割前的联合仿真模型的主要参数如表1所示，电路拓扑主要参数如表2所示。
[0067]
表1耦合机构分割前供电模型参数参数
[0068][0069]
表2耦合机构分割前对应系统的电路参数
[0070][0071]
分割后的联合仿真模型的主要参数如表3所示，电路拓扑主要参数如表4所示。
[0072]
表3耦合机构分割后发射线圈供电模型参数
[0073][0074]
表4耦合机构分割后对应系统的电路参数
[0075][0076]
分别对比不分割线圈、仅分割线圈和分割线圈与电容三种情况进行仿真验证，无线电能传输系统的主要参数变化如表5所示。
[0077]
表5耦合机构分割前后系统关键参数
[0078][0079]
可见，分割耦合机构线圈或是分割补偿电容，无线电能传输系统的输出功率和传输效率等性能基本不变，而耦合机构线圈端口高电压在分割后明显降低。
[0080]
而后在耦合机构之间放入金属异物钢片，尺寸为2
×2×
0.4cm，距离发射线圈约为6.75mm，系统的关键参数变化如表6所示：
[0081]
表6金属异物距离6.75mm时耦合机构分割前后系统关键参数
[0082][0083]
可以明显看到，在金属异物存在的情况下，电能传输系统的传输效率和传输功率在分割前后变化程度基本相同，但是对于端口电压而言，金属异物介入后，未分割的耦合机构l1的端口电压变化了1.07％，仅对线圈分割l
1b
的端口电压变化了1.65％，而同时分割电容后，端口电压ub波动了8.96％，可见系统具备了明显的异物检测能力。
[0084]
进一步的，改变金属异物与发射线圈之间的距离，分别调整为约9.75mm、11.75mm处，系统的关键参数变化如表7、8所示。
[0085]
表7金属异物距离9.75mm时耦合机构分割前后系统关键参数
[0086][0087]
表8金属异物距离11.75mm时耦合机构分割前后系统关键参数
[0088][0089]
由上述表格可知，即使金属异物相对于发射线圈的距离发生改变，分割前的系统线圈l1端口电压变化也不到3％，而耦合机构的线圈和电容都进行了分段补偿的端口电压ub变化率依然超过原系统线圈l1端口电压的2倍以上。可见，上述分段补偿的系统更具备对金属异物的识别能力。
[0090]
进一步的，改变金属异物的水平位置，向线圈圆心方向，移动5mm、10mm的距离，系统的关键参数变化如表9、10所示。
[0091]
表9金属异物向圆心挪5mm时耦合机构分割前后系统关键参数
[0092][0093]
表10金属异物向圆心挪10mm时耦合机构分割前后系统关键参数
[0094][0095]
由上述表格可知，原系统中置入金属异物后，并在水平方向上发生一定程度的位移，分段后的系统端口电压ub变化率甚至能达到原系统的数倍，可见分段线圈和电容的无线电能传输系统对金属异物的识别度依然远远大于原系统，和前文规律一致。
[0096]
综上，本发明提出一种可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法，对中小功率无线供电系统的供电线圈进行设计和改造，在不加装其他检测线圈和传感器的条件下和不影响原无线供电系统功率与效率等性能的前提下，提高了金属异物的检测准确性和灵敏性，实现了系统无线供电功能的同时且具备更好的异物检测性能。与基于独立检
测线圈和独立传感器的异物检测技术相比，不用增加过多的成本，与传统的基于系统自身参数的检测技术相比，系统检测灵敏度和准确度更高，检测到的异物尺寸更小，检测效果良好。
[0097]
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。