基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置及方法与流程

1.本发明涉及电动汽车无线电能传输系统金属异物检测技术领域，特别涉及一种基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置及方法。


背景技术：

2.为提高充电功率和效率，满足各型车辆底盘离地高度要求，电动汽车无线充电系统通常采用磁耦合谐振式无线电能传输(mcr-wpt，magnetically-coupled resonant wireless power transfer)方式。由于耦合机构间存在强磁场，混入的金属异物受磁场作用后将产生涡流效应和磁效应，进而改变无线电能传输系统原边线圈与副边线圈之间的自感、互感、品质因数等参数，以及耦合磁场的强度分布和平衡关系，影响无线电能传输系统的谐振频率、传输功率和传输效率。此外，金属异物的涡流效应也会使金属本体快速升温，易引发火灾和安全事故。因此，有效可靠的金属异物检测功能是确保电动汽车充电安全的重要保证。
3.目前相关技术提出了多种检测线圈来解决上述提及的问题，例如，2011年，美国witricity团队设计了一种呈“8”字型的大尺寸单匝圆形差分线圈用于金属异物检测；2015年，刘逊、罗浩勤、陈永光等人在其申请的专利中，提出了一种单匝圆形检测线圈阵列，各子线圈紧密排列，实现对无线电能传输系统发射线圈的全覆盖；2019年，韩国gist和三星电子团队设计了一种单层间隔对称的矩形线圈组，各子线圈横向间隔排列，且左右对称的两个子线圈构成一个差分线圈对；2019年，广东省光电子器件与系统重点实验室和深圳大学设计了一种双层间隔对称矩形检测线圈组，上下两线圈组采用正交方式叠放；2019年，韩国kaist和gist团队设计了一种变匝数对称矩形线圈组，更好地抵消了由不相等的发射线圈磁场引起的差分线圈感应电压问题。
4.但相关技术中，还是存在以下几个问题：
5.(1)单层圆形线圈阵列会在相邻子线圈之间的区域内产生检测盲区；
6.(2)矩形线圈结构简单且便于设计和加工，与金属异物之间的互感沿横向分布较为均匀，但在检测小尺寸金属异物时，由于互感幅度整体水平较低，易造成对小尺寸金属异物的大面积漏检。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
8.为此，本发明的一个目的在于提出一种基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置。
9.本发明的另一个目的在于提出一种基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法。
10.为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于齿条形差分检测线圈组的无线
充电系统金属异物检测与定位的装置，包括：双层检测线圈组、异物信号调理电路、数字信号处理及比较电路和上位机，其中，所述双层检测线圈组包括两个上下正交叠放的单层齿条形差分检测线圈组，所述双层检测线圈组重合叠放在发射线圈的任意四分之一处，且相对静止，用于当存在金属异物时，与金属异物产生互感；所述异物信号调理电路与所述双层检测线圈组连接，用于采集每个单层齿条形差分检测线圈组与所述金属异物感应的互感电压值；所述数字信号处理及比较电路与所述异物信号调理电路连接，用于分别将每个互感电压值转换为数字变化量，并对所述数字变化量进行处理，确定所述金属异物在每个单层齿条形差分检测线圈组中所在通道编号；所述上位机与所述数字信号处理及比较电路连接，用于对所述所在通道编号进行处理，得到矩阵数据以绘制二维平面云图。
11.本发明实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置，通过齿条线圈改变矩阵线圈与金属异物之间互感沿横向的分布状态，提高了部分区域内检测线圈与金属异物的互感值，增加了对小尺寸金属异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检，同时，采用齿条形线圈，成本低、可以采用pcb制作、集成度高，重量轻，能够适用于各型车辆以及其它无线充电设备的金属异物位置检测，适用范围广。
12.另外，根据本发明上述实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置还可以具有以下附加的技术特征：
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，每个单层齿条形差分检测线圈组均采用8对齿条形线圈对构成，其中，每对齿条形线圈通过两个齿条线圈相互啮合组成。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，每个单层齿条形差分检测线圈组均采用16路通道并行的方式对所述金属异物进行检测。
15.进一步地，在本发明的一个实施例中，当采集每个单层齿条形差分检测线圈组的互感电压值时，需与与无异物时单层齿条形差分检测线圈组中的感应电压值作为参考阈值进行对比，若每个单层齿条形差分检测线圈组中某一通道数字变化量大于所述参考阈值，则确定所述金属异物在每个单层齿条形差分检测线圈组中所在通道编号。
16.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上位机具体用于：获取所述金属异物在两个单层齿条形差分检测线圈组所在通道编号的数字变化量进行相乘并开方，得到所述矩阵数据，并根据所述矩阵数据绘制二维平面云图。
17.为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法，包括以下步骤：步骤s1，启动检测，将所述双层检测线圈组中的一个单层齿条形差分检测线圈组的第1路通道电压接入所述异物信号调理电路；步骤s2，利用所述数字信号处理及比较电路对所述异物信号调理电路输出的第1路电压峰值检波电压进行处理，计算当前单层齿条形差分检测线圈组与金属异物感应的互感电压值的数字变化量；步骤s3，判断所述当前单层齿条形差分检测线圈组的16路通道是否检测完毕，若未检测完则回到所述步骤s1继续，反之，则将每个通道数据转换为16进制，分成高8位、低8位，占2个字节，16路通道共32个字节数据上传至所述上位机进行处理；步骤s4，将所述当前单层齿条形差分检测线圈组的16通道预存储的初始零漂数据与所述数字变化量进行相减并求绝对值，再与参考阈值比较，其中，若绝对值超过参考阈值，则输出最大值所在的通道编号，反之，则等待指令或重新进行检测，或结束检测；步骤s5，对所述双层检测线圈
组中的另一个单层齿条形差分检测线圈组重复上述步骤s1-步骤s4，得到所述金属异物在另一单层齿条形差分检测线圈组上的通道编号，进而确定对金属异物所处位置。
18.本发明实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法，通过齿条线圈改变矩阵线圈与金属异物之间互感沿横向的分布状态，提高了部分区域内检测线圈与金属异物的互感值，增加了对小尺寸金属异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检，同时，采用齿条形线圈，成本低、可以采用pcb制作、集成度高，重量轻，能够适用于各型车辆以及其它无线充电设备的金属异物位置检测，适用范围广。
19.另外，根据本发明上述实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法还可以具有以下附加的技术特征：
20.进一步地，在本发明的一个实施例中，启动检测时，使所述数字信号处理及比较电路输出“0000”逻辑控制电平，形成所述第1路通道地址码。
21.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2具体包括：步骤s201，利用所述数字信号处理及比较电路对所述异物信号调理电路输出的第1路电压峰值检波电压进行a/d采样，预设采样100个点；步骤s202，对100个点的数字量进行卡尔曼滤波，计算所述当前单层齿条形差分检测线圈组与所述金属异物感应的互感电压值的数字变化量。
22.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s5中将所述金属异物在两个单层齿条形差分检测线圈组所在通道编号的数字变化量进行相乘并开方，得到所述矩阵数据。
23.进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：步骤s6，利用所述上位机处理所述矩阵数据绘制二维平面云图。
24.本发明附加的方面和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
25.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1是本发明一个实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置的结构示意图；
27.图2是本发明一个实施例的齿条线圈与矩形线圈的关系示意图，其中，阴影部分为传统矩形线圈，外部线圈部分为齿条形线圈；
28.图3是本发明一个实施例的双层检测线圈组的结构示意图，其中，(a)为单层齿条形差分检测线圈组，(b)为单层齿条形差分检测线圈组旋转90
°
；
29.图4是本发明一个实施例的两种检测线圈对与金属异物的互感仿真模型图，(a)为矩形线圈对，(b)为齿条线圈对；
30.图5是本发明一个实施例的齿条线圈组和矩形线圈组与金属异物的互感变化曲线示意图；
31.图6是本发明一个实施例的常见方形耦合结构以及磁场分布云图，其中，(a)为方形耦合机构示意图，(b)为发射线圈磁场分布云图；
32.图7是本发明一个实施例的单层检测线圈检测异物结果，(a)为位置1，(b)为位置
2，(c)为位置3，(d)为位置4，(e)为位置5；
33.图8是本发明一个实施例的双层检测线圈定位金属异物结果，(a)为位置1，(b)为位置2，(c)为位置3，(d)为位置4，(e)为位置5；
34.图9是本发明一个实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法流程图；
35.图10是本发明一个实施例的数字信号处理及比较电路检测流程图。
36.附图标记说明：
37.10-基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置、100-双层检测线圈组、200-异物信号调理电路、300-数字信号处理及比较电路和400-上位机。
具体实施方式
38.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
39.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置。
40.图1是本发明一个实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置的结构示意图。
41.如图1所示，该基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置10包括：双层检测线圈组100、异物信号调理电路200、数字信号处理及比较电路300和上位机400。
42.其中，双层检测线圈组100包括两个上下正交叠放的单层齿条形差分检测线圈组，双层检测线圈组100重合叠放在发射线圈的任意四分之一处，且相对静止，用于当存在金属异物时，与金属异物产生互感。异物信号调理电路200与双层检测线圈组100连接，用于采集每个单层齿条形差分检测线圈组与金属异物感应的互感电压值。数字信号处理及比较电路300与异物信号调理电路200连接，用于分别将每个互感电压值转换为数字变化量，并对数字变化量进行处理，确定金属异物在每个单层齿条形差分检测线圈组中所在通道编号。上位机400与数字信号处理及比较电路300连接，用于对所在通道编号进行处理，得到矩阵数据以绘制二维平面云图。
43.需要说明的是，由于发射线圈的结构是对称的，所以将双层检测线圈组100重合叠放在发射线圈的任意四分之一处即可，故也只需要验证整个系统的四分之一的检测情况即可。
44.具体地，每个单层齿条形差分检测线圈组均采用8对齿条形线圈对构成，其中，每对齿条形线圈通过两个齿条线圈相互啮合组成。其中，如图2所示，齿条线圈与传统矩形线圈在几何关系上满足如下三个约束条件：
45.(1)齿条线圈的检测面积与矩形线圈相同；
46.(2)齿条线圈的半齿高h大于0，且小于矩形线圈宽w与线圈线径的差值；
47.(3)齿条线圈的齿厚l等于矩形线圈长的1/2n，n＝1，2，3
……
。
48.进一步地，如图3(a)所示，通过齿条线圈相互啮合在一起组成多个检测通道，本发明实施例采用16通道并行的方式进行异物检测，采用单层齿条形差分检测线圈组，在系统工作于1.5kw功率下，采集单层检测线圈组的感应电压并记录，通过对比每个通道无金属异物时系统的感应电压情况，单层齿条形差分检测线圈组可实现对金属异物的检测，判断金属异物所在的检测通道。
49.将图3(b)所示的单层齿条形差分检测线圈组放在图3(a)所示的单层齿条形差分检测线圈组上方，其中，构成双层齿条形检测线圈组，检测金属异物所在上下两层的检测通道位置，即可实现对异物的定位功能。
50.具体地，当异物信号调理电路200采集每个单层齿条形差分检测线圈组100的互感电压值时，需与无金属异物时单层齿条形差分检测线圈组中的感应电压值作为参考阈值进行对比，进而判断是否存在金属异物，若有，则利用数字信号处理及比较电路300分别将每个互感电压值转换为数字变化量，并将每个单层齿条形差分检测线圈组中各通道的数字变化量与参考阈值比较，若每个单层齿条形差分检测线圈组中某一通道数字变化量大于参考阈值，则确定金属异物在每个单层齿条形差分检测线圈组中所在通道编号，并上传给上位机400；上位机400获取金属异物在两个单层齿条形差分检测线圈组所在通道编号的数字变化量进行相乘并开方，得到矩阵数据，并依据矩阵数据绘制二维平面云图以进行显示，同时，还对相关数据进行存储。
51.下面通过一个具体实施例对本发明实施例提出的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置的性能以及工作原理进行说明。
52.如图4所示，在maxwell分别建立矩阵线圈对和齿条线圈对的仿真模型，对齿条线圈、矩形线圈与异物之间的互感进行仿真分析，模型参数如下表1所示，金属异物与齿条线圈、矩形线圈的间距设置为10mm，各几何体均由线径单匝0.5mm铜线绕成。
53.表1两种检测线圈和异物参数
54.名称参数矩形线圈长140mm、宽15mm齿条线圈长140mm、齿厚10mm、齿长20mm、齿高5mm异物半径12.5mm，高10mm，圆心(0，0，10)异物移动轨迹圆心(-70，0，10)～(70，0，10)，步长5mm
55.如图5所示，可以看出上下两个齿条线圈与金属异物的互感呈现了很好的互补关系，当金属异物处于齿条线圈对的啮合位置时，齿条线圈与金属异物的互感始终大于矩形线圈，因此本发明实施例提出的齿条形差分检测线圈的检测效果优于矩阵线圈。
56.进一步地，采用8对齿条形线圈对构成单层齿条形差分检测线圈组后将其进行上下正交叠放组成双层检测线圈组100，采用如图6(a)所示的耦合机构，将双层检测线圈组100放在下方发射线圈右下角的位置时，与发射端相对静止，在1.5kw功率等级的无线电能传输系统中，在发射端通入励磁电流，将金属异物放在检测线圈的5个不同位置，开始进行金属异物的检测和定位。当异物位于图6(b)中五个位置时，明显可以发现位置3和4的磁场强度要大于位置2、5和1，且位置1的磁场最低。磁场分布云图表明：磁场强度越大的位置，金属异物涡流效果越明显，产生的反射磁场也越强，其与检测线圈的互感也越大，检测线圈的
检测效果越好。通过采集双层检测线圈磁场分布的变化情况，将磁场分布的不同情况与金属异物的位置进行对应即可实现对异物的定位功能。
57.进一步地，通过采集有金属异物时双层检测线圈中的互感电压值，与无金属异物时检测线圈中的互感电压值对比，单层检测线圈组可检测有无异物；双层检测线圈组100可判断异物的具体位置。
58.以一元硬币异物为例，通过检测金属异物在单层检测线圈中数字信号处理及比较电路300中各通道数字变化量的大小，与参考阈值相比较，若某一通道数字变化量大于阈值，即可确定异物所在通道，结果如图7所示。由此可见采用双层检测线圈组100即可实现异物的定位功能，其中，定位功能的具体实现方法为：将双层检测线圈组100中数字信号处理及比较电路300中各通道数字变化量进行相乘并开方，形成矩阵数据进行二维平面云图绘制，结果如图8所示，可见异物所处位置的磁场强度明显高于周边，由此可以定位异物所在位置。
59.综上，根据本发明实施例提出的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的装置，具有以下有益效果：
60.(1)检测装置采用齿条形线圈，成本低、可以采用pcb制作、集成度高，重量轻，能够适用于各型车辆以及其它无线充电设备的金属异物位置检测，适用范围广；
61.(2)利用电磁感应线圈检测方法进行检测，可以实现任意频率下无线供电系统中异物位置的检测，并且结构简单、环境适应性强、成本低廉；
62.(3)齿条线圈替代矩形线圈，改变了检测线圈与金属异物之间互感沿横向的分布状态，提高了部分区域内检测线圈与金属异物的互感值，增加了对小尺寸金属异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检。
63.其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法。
64.图9是本发明一个实施例的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法流程图。
65.如图9所示，该基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法包括以下步骤：
66.在步骤s1中，启动检测，将双层检测线圈组100中的一个单层齿条形差分检测线圈组的第1路通道电压接入异物信号调理电路200。
67.进一步地，在本发明的一个实施例中，启动检测时，使数字信号处理及比较电路300输出“0000”逻辑控制电平，形成第1路通道地址码。
68.具体地，如图10所示，将数字信号处理及比较电路300上电待机，当有外部“按键”中断触发后，启动检测，数字信号处理及比较电路300输出“0000”逻辑控制电平，形成第1路通道地址码，控制mux16:1多路开关芯片将一个单层齿条形差分检测线圈组的第1路通道电压接入异物信号调理电路200。
69.在步骤s2中，利用数字信号处理及比较电路300对异物信号调理电路200输出的第1路电压峰值检波电压进行处理，计算当前单层齿条形差分检测线圈组与金属异物感应的互感电压值的数字变化量。
70.进一步地，如图10所示，本发明实施例中的步骤s2具体包括以下步骤：
71.步骤s201，利用数字信号处理及比较电路300对异物信号调理电路200输出的第1路电压峰值检波电压进行a/d采样，预设采样100个点；
72.步骤s202，对100个点的数字量进行卡尔曼滤波，计算当前单层齿条形差分检测线圈组与金属异物感应的互感电压值的数字变化量。
73.在步骤s3中，判断当前单层齿条形差分检测线圈组的16路通道是否检测完毕，若未检测完则回到步骤s1继续，反之，则将每个通道数据转换为16进制，分成高8位、低8位，占2个字节，16路通道共32个字节数据经数字信号处理及比较电路300的串口通信上传至上位机400进行处理。
74.如图10所示，在步骤s4中，将当前单层齿条形差分检测线圈组的16通道预存储的初始零漂数据与数字变化量进行相减并求绝对值，再与参考阈值(无异物时检测线圈中的数字信号处理及比较电路300数字量)比较，其中，若绝对值超过参考阈值，则输出最大值所在的通道编号，也就是金属异物所在的通道，反之，则等待指令或重新进行检测，或结束检测，从而单层齿条形检测线圈系统完成了金属异物的检测功能。
75.在步骤s5中，对双层检测线圈组100中的另一个单层齿条形差分检测线圈组重复上述步骤s1-步骤s4，得到金属异物在另一单层齿条形差分检测线圈组上的通道编号，进而确定对金属异物所处位置。
76.其中，步骤s5中将金属异物在两个单层齿条形差分检测线圈组所在通道编号的数字变化量进行相乘并开方，得到矩阵数据。
77.进一步地，还包括：步骤s6，利用上位机400处理矩阵数据绘制二维平面云图。
78.根据本发明实施例提出的基于齿条形差分检测线圈组的无线充电系统金属异物检测与定位的方法，通过齿条线圈代替矩形线圈，改变了检测线圈与金属异物之间互感沿横向的分布状态，提高了部分区域内检测线圈与金属异物的互感值，增加了对小尺寸金属异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检，同时，采用齿条形线圈，成本低、可以采用pcb制作、集成度高，重量轻，能够适用于各型车辆以及其它无线充电设备的金属异物位置检测，适用范围广。
79.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
81.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。