一种无线充电异物检测装置及无线充电系统

本申请涉及无线充电，尤其涉及一种无线充电异物检测装置及无线充电系统。

背景技术：

1、无线充电（wireless power transfer，简称wpt）主要利用电磁感应原理，通过发射装置将电能转换为其他形式的能量，而后将能量通过接受装置转换为电能，并送至用电设备，从而完成电能的无线传输。与传统的接触式电能传输方式相比，其具有安全、灵活、无火花、少维护、可移动及易于实现自动充电等优势。无线充电有着广阔的市场前景，目前已经成为电动汽车、自动导引运输车等领域解决自动充电的重要技术方法。

2、金属异物检测功能是保障充电安全的必要功能之一。在充电过程中，充电区域中容易进入金属异物。金属异物进入之后会产生涡流进而可能引起火灾，同时也可能会大幅度改变耦合机构的参数导致系统偏离正常工作点，严重情况下会使系统无法工作。因此，有必要对金属异物进行检测，从而保证充电过程的安全性和系统的可靠性。

3、现在的无线充电系统中异物检测的方法主要有主动激励检测和无源检测两种方式。

4、主动激励系统，主要分为三部分，激励源、lc谐振电路和检测电路。通过向串/并联的lc谐振电路端口主动注入高频电流（一般为1mhz~3mhz）的方式，或通过附近的主动激励线圈耦合的方式，使得lc谐振电路震荡。同时，通过测量谐振频率/相位/幅值/电压电流比值等方法测量等效阻抗z，由于异物会改变检测线圈的感值l、寄生电容的容值c和等效阻值r，所以监测其等效阻抗变化量δz可以实现异物的辨识。

5、无源检测系统，通过监测功率磁场的变化来辨识异物。在无线充电系统传输功率时，由于涡流效应，金属异物会产生与功率磁场相反的磁场。所以，通过监测检测线圈端口感应电压的变化δv可以更简单的实现异物辨识。

6、现有的无线充电异物无源检测检测装置，检测线圈铺设在发射线圈上方，一般由印刷线路板制成。为了消除检测盲区，多采用多层印刷线路板拼接检测，有效检测区域互相补充，消除检测盲区。然而，这种结构不利于加工和安装，成本较高。因此，如何提高无线充电异物无源检测装置的实用性，降低成本，同时避免出现检测盲区，确保异物检测的高精度和可靠性，成为了现有技术亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对目前金属异物检测系统存在检测盲区，成本高等问题，本发明提供一种适用于无线充电系统的异物检测装置，该装置通过齿形拼合结构，可减小检测线路板成本并有效消除检测盲区。

2、本发明另一目的是提供一种无线充电系统。本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种无线充电异物检测装置，包括发射线圈和检测线圈，检测线圈铺设在发射线圈上方，检测线圈布置在检测线路板上，发射线圈用于产生激励磁场，检测线圈耦合发射线圈产生的激励磁场，并通过所感应的电压和/或电流判断是否存在金属异物，发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或者副边线圈，或者额外独立铺设的线圈；

4、所述检测线路板覆盖发射线圈的表面区域，并采用多块对称分割的检测线路板拼合而成，相邻的两块检测线路板通过齿相互啮合；每块检测线路板上布置有检测线圈，检测线路板的齿处也布置有检测线圈，拼合的检测线路板上的检测线圈形成若干组环形线圈，相邻两组环形线圈内的相邻检测线圈呈错位排列；拼合后检测线路板上交错排列的检测线圈有效覆盖检测盲区。

5、本发明进一步设计在于，检测线路板的中部为一整块中心线路板，四周为多块对称分割且拼合的检测线路板，所述中心线路板对应发射线圈中部位置，中心线路板上的检测线圈与拼合的检测线路板上的检测线圈采用同样的错位排布方式。

6、本发明进一步设计还在于，检测线路板上各齿的尺寸相当；所述环形线圈对应每组啮合的齿处设置一组。

7、本发明进一步设计还在于，每组环形线圈在每块检测线路板上的部分形成一个或多个检测通道；

8、每块检测线路板上的一组环形线圈中设有2n个线圈单元，n≥1，且线圈单元两两结构相同，相同的线圈单元之间反向串联形成一个差分单元，其间的间隙为差分过渡区域；一个或多个差分单元之间形成一个检测通道，同一检测通道内的多个差分单元串联。

9、本发明进一步设计还在于，线圈单元布满齿形部分，并留有走线区域，线圈单元与线圈单元之间也留有走线区域，用于线圈单元之间的连接；布置在齿处的线圈单元的长度大于齿高，使得线圈单元之间的间隙与齿根不在同一直线上。

10、本发明进一步设计还在于，所述发射线圈为q型线圈、圆形线圈或方形线圈；所述环形线圈为椭圆形、圆形或矩形结构。

11、本发明进一步设计还在于，所述线圈单元的绕制平面垂直于发射线圈的绕制平面或平行于发射线圈的绕制平面。

12、本发明进一步设计还在于，检测线路板边缘的齿形设置为直方形、三角形、半圆形或等腰梯形。

13、本发明相比现有技术具有如下优点：

14、本发明的无线充电系统的异物检测装置采用多块对称分割的检测线路板拼合而成，拼合后检测线路板上检测线圈覆盖发射线圈的表面区域。检测线路板的边缘设置为采用齿形相互啮合，并且齿形处也布置有检测线圈，检测线路板拼接后形成的相邻的环形线圈内相邻的线圈单元呈错位排列，线圈单元的有效检测区域能够互补，消除检测盲区。

15、本发明检测线路板的齿形结构可以采用多种形式，通过在齿形结构部分排布检测线圈，且齿部的检测线圈的长度大于齿高，使得齿部的线圈单元和相邻线圈单元之间的间隙与齿根不在同一直线上，当差分过渡区域上出现金属异物时，可以消除检测盲区。

16、本发明检测线路板采用四周由多块对称分割带齿的结构拼合，中部为一整块无齿的中心线路板的结构设计，以方便设计齿形结构。

17、检测线路板可采用双层印刷线路板，加工难度低、成本低廉、重量轻，能够适应各种无线充电系统。

技术特征：

1.一种无线充电异物检测装置，包括发射线圈和检测线圈，检测线圈铺设在发射线圈上方，检测线圈布置在检测线路板上，检测线圈耦合发射线圈产生的激励磁场，并通过所感应的电压和/或电流判断是否存在金属异物，其特征在于，

2.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述检测线路板采用四周由多块对称分割带齿的结构拼合，中部为一整块无齿的中心线路板的结构设计，所述中心线路板对应发射线圈中部位置。

3.根据权利要求2所述无线充电异物检测装置，其特征在于，检测线路板上各齿的尺寸相当；每组齿的凸部和凹部分别对应一组环形线圈。

4.根据权利要求2所述无线充电异物检测装置，其特征在于，每块带齿的检测线路板上设置所述环形线圈的一段，每段环形线圈形成一个或多个检测通道；

5.根据权利要求4所述无线充电异物检测装置，其特征在于，检测线路板的每个齿部设置一个线圈单元，布置在齿部的线圈单元的长度大于齿高，使得该线圈单元和相邻线圈单元之间的间隙与齿根不在同一直线上。

6.根据权利要求4所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元布满在齿形部分，并留有走线区域，线圈单元与线圈单元之间也留有走线区域，用于线圈单元之间的连接。

7.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，检测线路板边缘的齿形设置为直方形、三角形、半圆形或等腰梯形。

8.根据权利要求1所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述发射线圈为无线充电系统的原边线圈，或者副边线圈，或者额外独立铺设的线圈；所述发射线圈为q型线圈、圆形线圈或方形线圈；所述环形线圈为椭圆形、圆形或矩形。

9.根据权利要求4所述无线充电异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元的绕制平面垂直于发射线圈的绕制平面或平行于发射线圈的绕制平面。

10.一种无线充电系统，包括权利要求1-8任一项所述的无线充电异物检测装置。

技术总结
本发明提供一种无线充电异物检测装置及无线充电系统，包括发射线圈和检测线圈，检测线圈铺设在发射线圈上方，检测线圈布置在检测线路板上，检测线圈耦合发射线圈产生的激励磁场，并通过所感应的电压和/或电流判断是否存在金属异物。检测线路板采用多块对称分割的检测线路板拼合覆盖发射线圈的表面区域，边缘设置为齿形，并且齿形处也布置有检测线圈，使检测线圈错位排列，消除检测盲区。检测线路板采用双层印刷线路板，加工难度低、成本低廉、重量轻，能够适应各种无线充电系统。

技术研发人员：陈乾宏,郑仕林,张斌,任小永,张之梁
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14