一种无线电能传输和异物检测系统及方法

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种无线电能传输和异物检测系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.无线电能传输技术相比传统的传导取电方式具有卓越的便捷特性，该技术符合智能时代的发展趋势，在电动汽车、无人机、机器人等中大功率用电设备领域中有极大的应用潜力。然而无线电能传输技术的进一步推广受到异物检测技术成熟度的制约，异物检测的必要性主要体现在：在能量传输区域中，随机混入的金属异物和生物体等会由于各类电磁效应而使系统传输效率降低，并带来严重的安全问题，无线电能传输系统的功率等级越高，此类问题越明显。
4.发明人发现，现阶段无线电能传输系统中主流的异物检测手段是基于有源传感线圈的检测技术，其核心结构在于传感线圈和检测控制系统，主要存在如下问题：
5.(1)传感线圈：传感线圈一般呈由多个传感线圈单元组合而成的阵列式设计，传感线圈单元一般为平面螺旋状，且多采用相邻传感线圈单元或间隔传感线圈单元反串联的连接方式，这种布局设计方式的初衷是：
①
降低传感线圈与能量传输线圈之间的耦合系数；
②
改变检测磁场的分布从而有效增大传感线圈对小尺寸异物的感知能力。然而就目前工程实践情况来看，此种布局设计方式虽有一定的成效，但仍需改进，主要体现在：
①
由于无线电能传输磁耦合机构内部磁场在实际应用中的分布并不均匀，且多数情况下不对称性比较明显，所以上述反串联传感线圈单元与能量传输线圈的解耦情况不够理想；
②
相邻或间隔传感线圈单元之间的磁场走势对感知某些特定位置(如传感线圈边缘处)的异物仍存在不足，影响检测的可靠性。
6.(2)检测控制系统：异物检测是无线电能传输系统的辅助环节，其检测控制系统的主要功能是负责数据采集、数据处理与逻辑判断。目前对异物检测技术的研究相对独立，在一定程度上造成了异物检测与无线电能传输较为割裂的现状，尤其在控制系统上体现较为明显，这导致无线电能传输系统中，功率传输和异物检测分别由各自的控制系统控制，造成系统繁冗和成本叠加，不利于系统的高效轻便化设计。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种无线电能传输和异物检测系统及方法，将异物检测与无线电能传输系统的功率传输电路进行整体化考虑，共用一套控制系统，有利于实现信息的最小化采集和高效利用，降低了系统对信息处理和响应的时延，既了降低系统成本，又利于系统的高效轻便化设计。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明第一方面提供了一种内外嵌套布局型有源传感线圈单元。
10.一种内外嵌套布局型有源传感线圈单元，包括：
11.呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，内层传感线圈和外层传感线圈反串联连接；
12.通电时外层传感线圈和内层传感线圈的感生磁场均垂直于有源传感线圈单元所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈单元时，穿过有源传感线圈单元的净磁通为零或在可接受范围内。
13.作为可选的一种实现方式，所述有源传感线圈单元的外轮廓呈规则几何形状或特定几何形状。
14.作为可选的一种实现方式，有源传感线圈单元的外轮廓至少为三角形、圆形、矩形、正方形和五边形中的一种。
15.本发明第二方面提供了一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构。
16.一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，包括多个本发明第一方面所述的内外嵌套布局型有源传感线圈单元；
17.各个内外嵌套布局型有源传感线圈单元依次铺设在能量发射线圈上。
18.本发明第三方面提供了一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构。
19.一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及多层呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，多层呈环状螺旋状布置的外层传感线圈层层嵌套，相邻层反串联或者间隔层反串联；
20.通电时传感线圈任意反串联连接的部分所产生的感生磁场均垂直于有源传感线圈结构所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈结构时，穿过有源传感线圈结构的净磁通为零或在可接受范围内。
21.作为可选的一种实现方式，有源传感线圈结构的几何中心与能量发射线圈的几何中心重合。
22.本发明第四方面提供了一种无线电能传输和异物检测系统。
23.一种无线电能传输和异物检测系统，包括：发射端和接收端；
24.发射端包括第一功率传输电路、异物检测电路和第一控制模块，接收端包括第二功率传输电路和第二控制模块；
25.第一功率传输电路，包括：来自公用电网的电能经过整流电路和逆变电路转变成高频交流电，再经匹配网络输入到发射线圈中；
26.异物检测电路，包括：信号发生器产生高频正弦信号，经过功率放大器转变成可用电信号，再经通道开关和匹配网络输入到第二方面或者第三方面所述的内外嵌套布局型传感线圈结构；
27.第一控制模块，包括：负责采集第一功率传输电路和异物检测电路各环节电压、电流和温度等信息并进行初步处理的数据采集与处理单元、负责通过输出驱动信号而控制整流电路工作模式的整流控制单元、负责通过输出驱动信号而控制逆变电路工作模式的逆变控制单元、负责高频信号调节的信号发生控制单元、负责功率调节的功率放大控制单元、负责通过输出驱动信号而控制通道开关工作模式的通道开关控制单元以及能够实现与接收端信息交互的无线通信单元；
28.第二功率传输电路，包括：在匹配网络作用下的接收线圈具有与发射线圈相同的
本征频率，在磁耦合谐振情况下，接收线圈拾取的电能经过整流电路输送给负载；
29.第二控制模块，包括：负责采集第二功率传输电路各环节电压、电流和温度等信息并进行初步处理的数据采集与处理单元、负责通过输出驱动信号而控制整流电路工作模式的整流控制单元以及能够实现与发射端信息交互的无线通信单元。
30.作为可选的一种实现方式，发射端中，整流电路和逆变电路之间设有dc-dc变换电路；接收端中，整流电路和负载之间设有dc-dc变换电路及对应的控制单元。
31.本发明第五方面提供了一种无线电能传输和异物检测方法。
32.一种无线电能传输和异物检测方法，利用本发明第四方面所述的无线电能传输和异物检测系统，包括以下过程：
33.设定各有源传感线圈单元的电感与电容取值满足谐振条件；
34.采用外加激励扫频的方式进行频率校正；
35.检测各有源传感线圈单元电压电流的幅值与相位，谐振状态下有源传感线圈单元的电流和电压均处于最大值，且相位相差π；
36.当异物混入能量耦合区域并被某有源传感线圈单元感知时，对应有源传感线圈单元的谐振条件将会被破坏，有源传感线圈单元的电流和电压均会变小，相位发生明显变化，根据电流、电压和相位与各自阈值的对比进行异物的检测，感知到异物后，发送停电停机指令和异物清除指令。
37.作为可选的一种实现方式，采用外加激励扫频的方式进行频率校正，包括：
38.初始状态使所有有源传感线圈单元的通道开关断开，给定扫频下限、扫频上限以及步长；
39.外加激励的频率设定从扫频下限开始；
40.在外加激励的频率下依次检测各传感线圈单元的输出电压值，将所有源传感线圈单元的检测电压累加，存储到变量utotalb中，每一个频率对应一个下标编号b；
41.将扫频下限到扫频上限范围内所有的utotalb进行比较，utotalb最大值所对应的外加激励的频率为调零所得频率。
42.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
43.1、本发明将异物检测与无线电能传输系统的功率传输电路进行整体化考虑，共用一套控制系统，有利于实现信息的最小化采集和高效利用，降低了系统对信息处理和响应的时延，既了降低系统成本，又利于系统的高效轻便化设计。
44.2、相比于传统的相邻传感线圈单元或间隔传感线圈单元反串联的连接方式，内外嵌套反串联的连接方式所产生的检测磁场有更好的全向包裹性，对异物的感知能力能强。
45.3、将内外嵌套布局型传感线圈单元进行平铺阵列构成，相比传统的基于普通型传感线圈单元的阵列式传感线圈，既保留了能够提高异物检测精度的优势和盲区可以通过双层线圈错位平铺方式来轻易消除的优势，也进一步解决了传统方式中对反串联传感线圈单元边缘处异物检测不灵敏的问题。
46.4、相比传统的基于普通型传感线圈单元的阵列式传感线圈，本发明包围形式的位置布局决定了所述传感线圈能够实现与能量发射线圈更好的解耦效果，从而有效降低了异物检测线圈与功率传输线圈之间的互相干扰；并且也解决了传统方式中反串联传感线圈单元边缘处异物检测不灵敏的问题。
47.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
48.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
49.图1为本发明实施例1提供的矩形内外嵌套布局型传感线圈单元示意图。
50.图2为本发明实施例1提供的圆形内外嵌套布局型传感线圈单元示意图。
51.图3为本发明实施例2提供的基于矩形内外嵌套布局型传感线圈单元的平铺阵列式传感线圈示意图。
52.图4为本发明实施例2提供的基于圆形内外嵌套布局型传感线圈单元的平铺阵列式传感线圈示意图。
53.图5为本发明实施例3提供的基于矩形传感线圈单元的嵌套阵列式传感线圈结构示意图。
54.图6为本发明实施例3提供的基于圆形传感线圈单元的嵌套阵列式传感线圈结构示意图。
55.图7为本发明实施例4提供的无线电能传输及其异物检测系统结构示意图。
56.图8为本发明实施例5提供无线电能传输及有源异物检测的原理图。
57.图9为本发明实施例5提供基于外加激励扫频方式的异物检测调零方法流程示意图。
具体实施方式
58.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
59.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
60.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
61.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
62.实施例1：
63.本发明实施例1提供了一种内外嵌套布局型有源传感线圈单元，传感线圈采用阵列式设计，其最小传感线圈单元为内外嵌套布局型，所述传感线圈单元为外轮廓呈规则或特定几何形状(如三角形、圆形、矩形、正方形、五边形等)的平面内外嵌套状，示例如图1和图2所示。
64.内层传感部分呈平面螺旋状，外层传感部分包围内层传感部分并呈环状螺旋。外层传感部分的缺口处应尽量小，直至可忽略。
65.内外两层反串联连接，即图1中b1端连接d1端，图2中a2端连接d2端，由此可实现当
所述传感线圈单元通入电流后，外层传感部分和内层传感部分的感生磁场均垂直于传感线圈单元所在平面并且方向始终相反。
66.外层传感部分和内层传感部分在设计时，分别考虑其所覆盖的平面面积、匝数、匝距、电感值，实现当外界一均匀磁场垂直穿过该传感线圈单元时，穿过该传感线圈单元的净磁通为零或在可接受范围内，由此能够保证当所述传感线圈单元铺设在无线电能传输发射线圈上时，所述传感线圈单元与功率传输线圈实现高程度解耦。
67.相比于传统的相邻传感线圈单元或间隔传感线圈单元反串联的连接方式，本实施例所述的内外嵌套反串联的连接方式所产生的检测磁场有更好的全向包裹性，对异物的感知能力能强。
68.实施例2：
69.本发明实施例2提供了一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，采用平铺阵列式的方式，将实施例1所述的传感线圈单元按照一定方式进行平铺布置，如：图3是基于矩形内外嵌套布局型传感线圈单元的平铺阵列式传感线圈，图4是基于圆形内外嵌套布局型传感线圈单元的平铺阵列式传感线圈。平铺阵列式传感线圈紧密铺设于能量发射线圈之上，适用于能量发射平面面积较大、磁耦合机构内磁场较均匀的应用场景。
70.将实施例1所述的内外嵌套布局型传感线圈单元进行平铺阵列构成，相比传统的基于普通型传感线圈单元的阵列式传感线圈，既保留了能够提高异物检测精度的优势和盲区可以通过双层线圈错位平铺方式来轻易消除的优势，也进一步解决了传统方式中对反串联传感线圈单元边缘处异物检测不灵敏的问题。
71.实施例3：
72.本发明实施例3提供了一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，采用嵌套阵列式，将所述传感线圈单元按照内外嵌套形式进行扩展。
73.图5是基于矩形内外嵌套布局型传感线圈单元而扩展的嵌套阵列式传感线圈示意图，图6是基于圆形内外嵌套布局型传感线圈单元而扩展的嵌套阵列式传感线圈示意图，第一层为最内层，为平面螺旋状，其余外层均为环状螺旋。
74.连接方式可以是相邻层反串联或间隔层反串联。嵌套阵列式传感线圈紧密铺设于能量发射线圈之上，且几何中心与能量发射线圈的几何中心重合，适用于能量发射平面面积适中或较小的应用场景。
75.相比传统的基于普通型传感线圈单元的阵列式传感线圈，其包围形势的位置布局决定了所述传感线圈能够实现与能量传输线圈在对位偏移情况下更好的解耦效果，从而有效降低异物检测线圈与能量传输线圈之间的互相干扰；并且也解决了传统方式中对反串联传感线圈单元边缘处异物检测不灵敏的问题。
76.实施例4：
77.本发明实施例4提供了一种基于阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈的无线电能传输异物检测系统，包括：
78.发射端和接收端两部分，发射端包括功率传输电路、异物检测电路、控制模块三个模块；接收端包括功率传输电路、控制模块两个模块。
79.发射端中：
80.功率传输电路，具体为：来自公用电网的电能经过整流电路、逆变电路转变成高频
交流电，再经匹配网络输入到发射线圈中，该高频交流电的频率与发射线圈在匹配网络作用下的本征频率相同，通常为几十千赫兹；
81.异物检测电路，具体为：信号发生器产生高频正弦信号，经过功率放大器转变成可用电信号，再经通道开关、匹配网络输入到内外嵌套布局型传感线圈，该可用电信号的频率与内外嵌套布局型传感线圈在其匹配网络作用下的本征频率相同，通常为几兆赫兹甚至更高，通过对异物检测频率和功率传输频率的合理差异设置，可明显降低功率传输对异物检测的干扰；
82.控制模块，包括：负责采集功率传输电路及异物检测电路各环节电压、电流、温度等信息并进行初步处理的数据采集与处理单元、负责通过输出驱动信号而控制整流电路工作模式的整流控制单元、负责通过输出驱动信号而控制逆变电路工作模式的逆变控制单元、负责高频信号调节的信号发生控制单元、负责功率调节的功率放大控制单元、负责通过输出驱动信号而控制通道开关工作模式的通道开关控制单元以及能够实现与接收端信息交互的无线通信单元。
83.接收端中：
84.功率传输电路，具体为：在匹配网络作用下的接收线圈具有与发射线圈相同的本征频率，在磁耦合谐振情况下，接收线圈拾取的电能经过整流电路输送给负载；
85.控制模块，包括：负责采集功率传输电路各环节电压、电流、温度等信息并进行初步处理的数据采集与处理单元、负责通过输出驱动信号而控制整流电路工作模式的整流控制单元以及能够实现与发射端信息交互的无线通信单元。
86.发射端中，整流电路和逆变电路之间可以加置dc-dc变换电路；接收端中，整流电路和负载之间可以加置dc-dc变换电路；发射端和接收端控制系统中，可以加置温度保护、过压过流保护等保护模块，以使系统功能更加完善可靠。
87.本发明将异物检测与无线电能传输系统的功率传输电路进行整体化考虑，共用一套控制系统，有利于实现信息的最小化采集和高效利用，降低系统对信息处理和响应的时延，既降低系统成本，又利于系统的高效轻便化设计。
88.实施例5：
89.无线电能传输及有源异物检测的原理图如图8所示，l
t
表示功率发射线圈，lr表示功率接收线圈；l
11
、l
12
，l
21
、l
22
，
……
，l
(n-1)1
、l
(n-1)2
，l
n1
、l
n2
表示n组呈反串联连接的传感线圈单元，l
t
与lr互感为m
tr
，功率传输线圈与传感线圈之间互感极小可忽略，c1、c2、
……
、c
n-1
、cn为贴片谐振电容，u
fod
为异物检测激励源，角频率为ω
fod
；各支路上电感、电容、电压、电流的下角标序号表示传感线圈单元序号。
90.无线电能传输及有源异物检测方法，包括：
91.(1)初始设定：各传感线圈单元的电感与电容取值满足谐振条件，即：
[0092][0093]
(2)调零：在异物检测系统的实际使用中，各电感电容等元件参数易受外界因素影响发生改变，但电感和电容不宜频繁更换，所以需要不定期校正频率，以使传感线圈工作在谐振状态，本发明采用外加激励扫频的方式进行频率校正，如图9所示，具体的实现对所有传感线圈单元平均校正的方法，包括：
[0094]
①
初始状态使所有传感线圈单元的通道开关断开，给定扫频下限f
min
、扫频上限f
max
以及步长δf；
[0095]
②
外加激励的频率f设定从f＝f
min
开始；
[0096]
③
在f下依次检测各传感线圈单元的输出电压值，将所有传感线圈单元的检测电压累加，存储到变量utotalb中，每一个频率对应一个下标编号b；
[0097]
④
将[f
min
,f
max
]范围内所有的utotalb进行比较，utotalb最大值所对应的f即为调零所得频率。
[0098]
(3)检测：检测各传感线圈单元电压电流的幅值与相位，谐振状态下in和un均处于最大值，且相位相差π，当异物混入能量耦合区域并被某传感线圈单元感知时，对应传感线圈单元的谐振条件将会被破坏，in和un均会变小，且相位发生明显变化，设定合理阈值即可实现对异物的检测，感知到异物后，发送停电停机指令和异物清除指令。
[0099]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。