一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测系统和方法

1.本发明涉及无线充电安全技术领域，特别涉及一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测系统和方法。


背景技术：

2.近年来，无线充电技术凭借安全、快捷方便的优点，在许多领域得到了推广与应用。无线充电系统利用高频交变磁场来实现电能的非接触式传输，但因为发射线圈和接收线圈之间存在空隙，在实际应用中，存在着异物进入空隙的情况。如果异物是金属物体，一方面会增加系统的损耗，影响传输效率；另一方面，由于涡流效应，金属异物温度升高，对系统安全有很大的威胁，因此异物检测技术非常关键。
3.目前针对无线充电系统中的异物检测方案根据检测原理和实现手段的不同，可以分为以下三类方式：基于原副边的系统参数的检测方案、添加检测线圈的检测方案以及添加相机、超声波等其他辅助传感器的检测方案。
4.1.基于原副边的系统参数的检测方法不需要额外的检测线圈，也不需要复杂的信号处理电路，但对于大功率无线充电系统来说，本身的功率就会有一定的波动，所以对异物不敏感，误报概率很大，只能适用于中小型功率系统。
5.2.添加检测线圈的方法主要利用检测线圈来提取异物信息，该方法实现成本较低、检测精度较高，目前应用较广。但是检测线圈本身与无线充电系统的原副边线圈存在耦合，也会对系统造成影响，所以还需要克服来自原边线圈、外界复杂电磁环境以及检测系统本身的噪声干扰，对信号处理电路的设计有较高要求。为了消除检测盲区，提高检测的范围及灵敏度，该类方案通常会增加检测线圈的层数或匝数，这会加大检测线圈与系统原副边的耦合程度，进而增加系统设计难度。同时由于线圈层数和面积的增多，检测系统也会进一步占用原系统空间。除此之外，异物检测的范围集中于检测线圈覆盖的面积，难以对充电系统的周边范围进行检测，在一些检测范围需求较大的场合，该类方案实现效果较差。
6.3.添加相机、超声波等其他辅助传感器检测方法，需要考虑很多环境的问题，而且传感器本身成本较高，适用于对精度要求特别高的场合。


技术实现要素：

7.针对现有技术中无线充电系统中异物检测效率较低的技术问题，本发明提出一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测系统和方法，通过在发射端设置三次谐波滤波电路，而且不需要额外添加检测线圈或者传感器，可以精确地识别金属异物，提高检测效率的同时减少了成本。
8.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
9.1一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测系统，包括发射端、接收端、阻抗检测模块和上位机；所述发射端和所述接收端无线连接，所述发射端通过阻抗检测模块和上位机连接；
10.阻抗检测模块实时检测发射端阻抗并发送到上位机进行存储和分析；当有异物进入发射端和接收端之间的空隙时，发射端阻抗若超过预设阈值，上位机发出报警，停止无线充电。
11.优选地，所述发射端包括发射线圈lp、第一三次谐波滤波电路、第一调谐电容cp，所述第一三次谐波滤波电路包括第一电感la、第一可调电容caa、第一电容ca；
12.优选地，所述发射端的具体电路为：
13.电源电压的一端与第一调谐电容cp的一端连接，第一调谐电容cp的另一端、第一可调电容caa的另一端并联后与发射线圈lp的一端；
14.电源电压的另一端分别与第一电感la的一端、第一电容ca的一端连接，第一电感la的另一端与第一可调电容caa的一端连接，第一电容ca的另一端与发射线圈lp的另一端连接。
15.优选地，所述接收端包括负载rl、接收线圈ls、第二三次谐波滤波电路、第二调谐电容cs；所述第二三次谐波滤波电路包括第二电感lb、第二可调电容cbb、第二电容cb。
16.优选地，所述接收线圈的具体电路为：
17.接收线圈ls的一端与第二调谐电容cs的一端连接，第二调谐电容cs的另一端、第二可调电容cbb的另一端并联后与负载rl的一端连接；
18.接收线圈ls的另一端分别与第二电感lb的一端、第二电容cb的一端连接，第二电感lb的另一端与第二可调电容cbb的一端连接，第二电容cb的另一端与负载rl的另一端连接。
19.本发明还提供一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测方法，包括以下步骤：
20.s1：构建发射端和接收端，在发射端构建发射基频和发射三阶频率的双频信道；
21.s2：构建发射端双频信道的谐振参数，实现双频信号传输；
22.s3：在接收端构建接收基频和接收三阶频率的双频信道：接收基频信道用于实现功率传输；接收三阶频率信道用于阻断来自发射线圈的三阶谐波分量；
23.s4：在上位机中构建阻抗检测模型，用于实时检测发射端中发射线圈的阻抗；
24.s5：系统开始工作，实时检测发射线圈的阻抗，上位机将实时阻抗和预设的阻抗进行比较，当超过预设阈值时，发出报警。
25.优选地，所述s2中，发射端双频信道的谐振参数，满足以下等式：
[0026][0027]
公式(1)中，j表示虚部；ω1表示基频；ω3表示三阶频率；c
aa
表示第一可调电容；la表示第一电感；ca表示第一电容；c
p
表示第一调谐电容。
[0028]
优选地，所述基频ω1和三阶频率ω3的关系为：
[0029]
ω3＝3ω1。
[0030]
优选地，所述s3中，接收端的接收基频和接收三阶频率的参数值，满足以下等式：
[0031][0032]
公式(2)中，j表示虚部；ω1表示基频；ω3表示三阶频率；c
bb
表示第二可调电容；lb表示第二电感；cb表示第二电容；cs表示第二调谐电容。
[0033]
优选地，所述s4中，发射线圈的阻抗检测模型为：
[0034][0035]
公式(3)中，z
tx
表示发射线圈的阻抗；j表示虚部；ω表示系统工作频率；ω1表示基频；c
aa
表示第一可调电容；ra表示第一电感的等效内阻；la表示第一电感；ca表示第一电容；c
p
表示第一调谐电容；r
p
表示发射线圈的等效内阻。
[0036]
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0037]
本发明通过在发射端设置第一三次谐波滤波电路，并通过检测发射线圈的阻抗变化辨别是否有异物，在有金属异物的情况下，阻抗的幅值显著增加，当监测到这个变化时，将信息提取出来上传到上位机，发出报警信号并停止充电，实现对异物的精确判别。
[0038]
还通过在接收端设置第二三次谐波滤波电路，以使得接收线圈在三阶频率上进行调谐，但三阶电流被滤波器过滤，因此，金属异物的存在与接收线圈的错位都是唯一识别的，提高异物检测准确性。
附图说明：
[0039]
图1为根据本发明示例性实施例的一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测系统示意图。
[0040]
图2为根据本发明示例性实施例的发射端和接收端电路示意图。
[0041]
图3为根据本发明示例性实施例的一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测方法示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装
置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044]
如图1所示，本发明提供一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测系统，包括发射端、接收端、阻抗检测模块和上位机，发射端和接收端为无线连接，发射端通过阻抗检测模块和上位机连接。
[0045]
本实施例中，阻抗检测模块实时检测发射端阻抗并发送到上位机进行存储和分析。当有异物(例如金属异物mo)进入发射端和接收端之间的空隙时，发射端阻抗会发生变化(例如变大)，若超过预设阈值，上位机发出报警，停止无线充电，从而避免异物对充电系统的干扰。
[0046]
如图2所示，发射端包括发射线圈lp(发射线圈的内阻等效于rp)、第一三次谐波滤波电路、第一调谐电容cp，第一三次谐波滤波电路包括第一电感la(内阻等效于ra)、第一可调电容caa、第一电容ca:
[0047]
电源电压u的一端通过与第一调谐电容cp的一端连接，第一调谐电容cp的另一端、第一可调电容caa的另一端并联后与发射线圈lp的一端；
[0048]
电源电压u的另一端分别与第一电感la的一端、第一电容ca的一端连接，第一电感la的另一端与第一可调电容caa的一端连接，第一电容ca的另一端与发射线圈lp的另一端连接。
[0049]
本实施例中，第一可调电容caa，用于根据实际频率的变化调整第一电容ca的值以达到谐振滤波的目的。
[0050]
接收端包括负载rl、接收线圈ls(接收线圈的内阻等效于rs)、第二三次谐波滤波电路、第二调谐电容cs，第二三次谐波滤波电路包括第二电感lb(内阻等效于rb)、第二可调电容cbb、第二电容cb:
[0051]
接收线圈ls的一端与第二调谐电容cs的一端连接，第二调谐电容cs的另一端、第二可调电容cbb的另一端并联后与负载rl的一端连接；
[0052]
接收线圈ls的另一端分别与第二电感lb的一端、第二电容cb的一端连接，第二电感lb的另一端与第二可调电容cbb的一端连接，第二电容cb的另一端与负载rl的另一端连接。
[0053]
本实施例中，第二可调电容cbb，用于根据实际频率的变化调整第二电容cb的值以达到谐振滤波的目的。
[0054]
本专利与其它文献中的电路拓扑不同，例如五次谐波电路采用串联阻波网络的形式，而本技术采用短路高次谐波的方式设计电路拓扑与实现方案
[0055]
本技术采用第一可调电容和第二可调电容，不但可以实现灵活的谐波阶数调节，也可以在耦合机构发生偏移等情况下，通过动态调节第一可调电容和第二可调电容从而进行谐振滤波，区分由异物引起的阻抗特性变化与耦合机构偏移引起的阻抗特性变化，从而改善检测精度。
[0056]
基于上述系统，如图3所示，本发明提供一种基于三次谐波分量的无线充电异物检测方法，包括以下步骤：
[0057]
s1：构建上述系统所述的发射端和接收端，并在发射端构建基频和三阶频率的双频信道。
[0058]
本实施例中，可通过傅里叶变换将系统工作频率转换成基频和三阶频率；基频用于进行无线电能传输，三阶频率用于检测异物，例如金属异物mo。
[0059]
s2：构建发射端双频信道的谐振参数，以确保有效的功率传输，而且还提高了金属异物检测性能。
[0060]
本实施例中，由于发射端中发射线圈和第一电感的等效串联电阻比其电抗要小得多，因此忽略了等效电阻，构建双频信道的谐振参数，应满足以下等式：
[0061][0062]
公式(1)中，j表示虚部；ω1表示基频；ω3表示三阶频率；c
aa
表示第一可调电容；la表示第一电感；ca表示第一电容；c
p
表示第一调谐电容。
[0063]
本实施例中，为使得两个频率不仅确保有效的功率传输，还提高金属异物检测性能，两个频率应满足：
[0064]
ω3＝3ω1。
[0065]
s3：接收端也构建基频和三阶频率的双频信道：基频信道用于实现功率传输；三阶频率信道用于阻断来自发射线圈的三阶谐波分量，并将其自身与金属异物区分开来。
[0066]
接收端的参数值应满足以下等式：
[0067][0068]
公式(2)中，j表示虚部；ω1表示基频；ω3表示三阶频率；c
bb
表示第二可调电容；lb表示第二电感；cb表示第二电容；cs表示第二调谐电容。
[0069]
这样接收线圈也在三阶频率上进行调谐，但三阶电流被滤波器过滤，因此，金属异物的存在与接收线圈的错位都是唯一识别的。同时使得发射线圈不会影响三阶频率下的系统输入阻抗，确保了对金属异物是否存在的唯一响应。
[0070]
s4：在上位机中构建阻抗检测模型，用于实时检测发射端中发射线圈的阻抗：
[0071][0072]
公式(3)中，z
tx
表示发射线圈的阻抗；j表示虚部；ω表示系统工作频率；ω1表示基频；c
aa
表示第一可调电容；ra表示第一电感的等效内阻；la表示第一电感；ca表示第一电容；c
p
表示第一调谐电容；r
p
表示发射线圈的等效内阻。
[0073]
s5：系统开始工作，实时检测发射线圈的阻抗，上位机将实时阻抗和预设的阻抗进行比较，当超过预设阈值时，发出报警，以便工作人员清楚异物。
[0074]
本实施例中，发射线圈的阻抗是跟随频率发生变化的，因此应将实时阻抗与同频率下的预设阻抗进行比较，以提高准确性。
[0075]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。