一种用于无线充电异物检测的无源检测线圈、检测方法及系统与流程

本发明属于无线充电领域，更具体地，涉及一种用于无线充电异物检测的无源检测线圈、检测方法及系统。

背景技术：

1、安全稳定的无线充电技术正被越来越多的用户和行业所期待，而异物检测是阻碍无线充电技术进一步商业化的瓶颈环节之一。无线充电异物检测可分为基于系统参数的检测技术、基于额外传感器的检测技术、基于检测线圈的检测技术三大类：基于系统参数的异物检测其检测精度低，可靠性差，更适合作为补充检测手段；基于额外传感器的检测技术大幅增加系统成本和复杂程度，对传感器的安装位置有比较高的要求，不便于商业化推广；基于检测线圈的检测技术成本适中、易与无线充电系统集成，其可靠性和检测精度的可提升潜力较大，是无线充电异物检测的主要实现途径。

2、基于检测线圈的异物检测技术可分为基于无源检测线圈的检测技术和基于有源检测线圈的检测技术。

3、现阶段，基于无源检测线圈的检测技术存在如下问题：一是精度问题，目前采用的各类无源检测线圈通常是平衡线圈方案，基础形式的平衡线圈覆盖面积偏大，检测精度不足，而阵列形式平衡线圈通常采用相同的最小检测单元平铺布局的设计，此举忽略了无线充电系统磁耦合机构内实际的磁场分布情况，虽增大了对微小异物的检测精度，但极易引起误报；二是盲区问题，盲区主要发生在当某质地均匀的异物恰巧覆盖于平衡线圈的两侧，或者当一个或多个异物对平衡线圈两侧的电磁影响恰巧相同而发生抵消时的情况下，目前大多采用双层检测线圈错位布局的方法解决该问题，但会使系统成本和复杂度显著增加，更重要的是会对无线充电系统宝贵的能量传输距离有所牺牲。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于无线充电异物检测的无源检测线圈、检测方法及系统，适用于磁耦合机构呈正多边形或圆形的无线电能传输系统，通过采用多组尺寸大小不同的子线圈，提高检测精度，通过动态变化的方式整体消除每组线圈的检测盲区问题。

2、为实现无源检测线圈的无线充电异物检测，本发明提供一种基于无源检测线圈的无线充电异物检测方法和系统。

3、本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种用于无线充电异物检测的无源检测线圈：

4、所述无源检测线圈包括从外到内依次嵌套的第1-第x环线圈组，每一层线圈组均分为全等的y部分，整个检测线圈共划分为x×y个区域，每个区域各布置一个多匝平面螺旋子线圈；

5、第1环至第(x-1)环线圈组的整体形状和布局保持相似，调整设置最内环线圈组的形状和布局以覆盖整个无源检测线圈几何中心区域；

6、每环上的子线圈形状大小相同，且各环上每个子线圈均至少有一个与之不相邻的另一子线圈，各子线圈均留出两个引线端子。

7、优选地，相邻子线圈组合或者间隔子线圈组合依次呈反串联连接导通，不同组线圈分别具有对应的开关切换电路，不同组线圈的开关切换可并行进行。

8、优选地，所述无源检测线圈包括x环线圈组，每一环包括y个形状大小相同的子线圈；

9、第1-第(x-1)环线圈组中，每一个螺旋子线圈整体形状为长方形结构，在同一环中，相邻子线圈的头、尾端部相对；

10、第x环线圈组中，每一个螺旋子线圈整体形状为正方形结构，y个子线圈相邻设置覆盖整个无源检测线圈几何中心区域。

11、优选地，所述无源检测线圈包括x环线圈组，每一环包括y个形状大小相同的子线圈；

12、第1-第(x-1)环线圈组中，每一个螺旋子线圈整体形状为l形结构，在同一环中，相邻子线圈的头、尾端部相对；

13、第x环线圈组中，每一个螺旋子线圈整体形状为正方形结构，y个子线圈相邻设置覆盖整个无源检测线圈几何中心区域。

14、优选地，所述无源检测线圈包括x环线圈组，每一环包括y个形状大小相同的子线圈；

15、第1-第(x-1)环线圈组中，每一个螺旋子线圈整体形状为弧形结构，在同一环中，相邻子线圈间隔设置，组成一环；

16、第x环线圈组中，每一个螺旋子线圈整体形状为扇形结构，各个子线圈相邻设置覆盖整个无源检测线圈几何中心区域。

17、本发明的第二方面提供了一种基于无源检测线圈的无线充电异物检测系统的方法，包括以下步骤：

18、步骤1，将无源检测线圈紧密重合固定在无线充电系统发射线圈上方，覆盖整个能量传输区域；

19、步骤2，在无线充电启动前，操作子线圈组合依次呈反串联连接导通，对无源检测线圈进行检测基准值校正，记录不同子线圈间对应端口之间的初始电压差，以此作为基准值；

20、步骤3，在无线充电装置稳定充电期间，操作子线圈组合依次呈反串联连接导通，测量不同子线圈间对应端口之间的电压差，将稳定充电期间所测量的不同子线圈间对应端口之间的电压差与步骤2得到的相应基准值相比较，判断该子线圈对应位置处是否存在异物。

21、优选地，在步骤2中，具体包括以下内容：

22、步骤2.1，将各环线圈组合中的相邻子线圈或者间隔线圈反串联连接，其他子线圈之间断开连接；

23、步骤2.2，测量相邻子线圈或间隔线圈对应端口之间的电压值；

24、步骤2.3，将测量电压值通过模数转换、中断eoc、数字滤波后得到相邻子线圈或间隔线圈对应端口之间的检测基准值；

25、步骤2.4，判断该环线圈组合中的各子线圈是否反串联操作完毕，如果还有相邻或间隔子线圈没有操作，则返回步骤2.1。

26、优选地，在步骤3中，具体包括以下内容：

27、步骤3.1，将各环线圈组合中的相邻子线圈或者间隔线圈反串联连接，其他子线圈之间断开连接；

28、步骤3.2，测量相邻子线圈或间隔线圈对应端口之间的电压值；

29、步骤3.3，将测量电压值通过模数转换、中断eoc、数字滤波后得到相邻子线圈或间隔线圈对应端口之间的检测值；

30、步骤3.4，将步骤3测量的电压值vi(i+1)与步骤2测量的电压值ui(i+1)进行比较，如果vi(i+1)大于ui(i+1)，则存在异物，否则不存在；

31、步骤3.5，判断该环线圈组合中的各子线圈对应位置是否存在异物，如果不存在异物，则返回步骤3.1，如果存在异物，则停机报警或启动异物清除机构。

32、优选地，在步骤3中，当稳定充电期间所测量的不同子线圈间对应端口之间的电压差与步骤2得到的相应基准值的比值大于设定阈值，则判断该子线圈对应位置处存在异物。

33、本发明的第三方面提供了一种使用无线充电异物检测方法的无线充电异物检测系统，包括无源检测线圈、与无源检测线圈中各环子线圈端口相连的开关切换电路、电压测量模块、模数转换模块、基准值存储模块，以及无线充电异物检测判断模块；其特征在于：

34、无源检测线圈紧密重合固定在无线充电系统发射线圈上方，覆盖整个能量传输区域；

35、与无源检测线圈中各环子线圈端口相连的开关切换电路用于控制相邻或间隔子线圈实现反串联连接；

36、电压测量模块用于测量相邻或间隔子线圈反串联连接时不同子线圈之间对应端口的电压差，通过电压放大、滤波、和峰值检测，再经a/d转换器转换为数字量；

37、电压测量模块在无线充电装置启动前，对开关切换电路不同组合操作后所测量的不同子线圈之间的电压差作为基准值存放在基准值存储模块；

38、电压测量模块在无线充电装置稳定充电期间，对开关切换电路不同组合操作后所测量的不同子线圈之间对应端口间的电压差进行测量；

39、无线充电异物检测判断模块将稳定充电期间所测量的不同子线圈间对应端口之间的电压差与步骤2得到的相应基准值相比较，判断该子线圈对应位置处是否存在异物。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：考虑到无线充电系统磁耦合机构内部的磁场按其几何结构集中在能量传输线圈中心，故采用多组尺寸大小不同的子线圈，外层面积最大，中间各层面积逐渐减小，内层面积最小。一方面，既保留了阵列式线圈能够改善检测精度的优点，又结合了实际情况，在磁通较密集的区域采用较小的子线圈，在磁通较稀疏的区域采用较大的子线圈；另一方面，相比采用相同小尺寸子线圈密集平铺布局的结构，本发明所述结构能够明显减少子线圈数量，从而有效降低系统复杂程度；

41、用一层检测线圈，并将每组线圈的检测盲区以动态变化的方式进行整体消除，避免了多层检测线圈方式对无线电能传输距离的不利影响；

42、以能量传输和异物检测的一体化系统结构设计方案，有效精简系统体积和降低控制电路复杂程度；

43、增加了系统检测基值自校正功能，由于受到温度漂移、机械振动、受电装置相对位置等因素影响，每次检测电压的基值均会在一定范围内有微小变化，这对检测精度会带来一定不利影响。所以每次充电启动前均进行检测基值校正，记录初始电压差，并以此当做检测阈值用于后续检测输出电压的比对，从软件层面有效降低了外界因素对检测的影响，提高检测精度。