CN113890205A - 无线充电***辅助检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电***辅助检测方法，包括：依次将设置在无线充电***地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路；每接入一个电容，执行以下步骤：测量步骤：信号发生器在工作电路中施加一组频率变化的交流信号，并对应的测量出一组工作电压值；筛选步骤：筛选出工作电压值最高的一个，将对应的交流信号的频率作为测量谐振频率；第一判断步骤：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容处是否存在金属异物。本发明起到对金属异物的检测功能，可以直接运用温度对电容值的影响，直接高效的发现异物，具有较高的检测精度，受到环境干扰小。同时，该方式对温度敏感，能够实现对温度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电辅助检测方法。
背景技术
电动汽车无线充电时，在功率发射线圈和功率接收线圈之间存在着开放的空间，可能会有金属材质的异物进入，而无线充电功率传输时的交变磁场会在金属异物中产生涡流，使金属异物被加热到高温，导致灼伤、燃烧等潜在的风险，因此异物检测是保证无线充电***安全运行所必须配置的功能。
排除金属异物造成风险最直接的方法是测量发射线圈表面的温度，但现有技术中常见的温度传感器如热电阻一般只能测定某一接触点的温度，如果布置不足会产生监测盲区，并且其基本也是金属材质，同样容易受到功率传输磁场的影响。专利CN110077247A-《基于光纤传感网络的无线充电异物检测***及检测方法》提出了可以在磁场中工作的基于光纤传感网络的无线充电异物检测***及检测方法，但存在着异物位置分辨率低和测量精度不高的问题。专利CN110103745A-《一种无线充电金属异物检测装置及检测方法》提出了通过激励声表面波检测发射线圈表面的温度变化从而发现异物的装置及检测方法，但其测量精度也容易受到环境噪声及介质组成等因数的影响，因此仍有必要提出一种异物检测的方法，改进当前技术的不足。
发明内容
本发明提供一种无线充电***辅助检测方法，能够精准检测金属异物。
本发明的无线充电***辅助检测方法，包括：依次将设置在无线充电***地面端的传感器组中的每个电容接入工作电路；每接入一个电容，执行以下步骤：测量步骤：信号发生器在工作电路中施加一组频率变化的交流信号，并对应的测量出一组工作电压值；筛选步骤：筛选出工作电压值最高的一个，将对应的交流信号的频率作为测量谐振频率；第一判断步骤：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容处是否存在金属异物。
优选的，将传感器组中的电容分为多个电容组，在接入步骤中，依次将电容组接入工作电路；每接入一个电容组，执行所述测量步骤、所述筛选步骤和第二判断步骤，所述第二判断步骤为：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容组处是否存在金属异物；当电容组处存在异物时，再将该电容组内的每个电容依次接入工作电路，每接入一个电容，执行所述测量步骤、所述筛选步骤和第一判断步骤。
优选的，所述第一判断步骤还包括：通过测量谐振频率和
获得电容的电容值Cx，根据电容值Cx获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率。
优选的，所述第一判断步骤还包括：通过测量谐振频率和
获得电容的电容值Cx，根据电容值Cx获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率；所述第二判断步骤还包括：通过测量谐振频率和
获得电容组的电容值Cx’，根据电容值 Cx’获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率。
优选的，根据
Cx＝ε0εrS/d
计算出电容的介电常数εr，该介电常数εr与温度相关，通过介电常数εr计算电容的温度值；其中ε0为真空绝对介电常数(8.85×10-12F/m)，εr为上电容板和下电容板间的介质材料的介电常数，S为电容板面积，d为电容板之间的间距。
优选的，信号发生器施加的交流信号的频率范围与无线充电***工作频率的范围不重合。
本发明的无线充电辅助检测方法能够通过传感器组的电容，接入工作电路，在金属异物被加热时，影响电容的电容值，从而改变工作电路的电参数，从而起到对金属异物的检测功能。对无线充电来说，金属异物在电磁场内被加热升温，是主要的安全隐患，本申请可以直接运用温度对电容值的影响，直接高效的发现异物，具有较高的检测精度，受到环境干扰小。同时，该方式对温度敏感，能够实现对温度的检测。
附图说明
图1为无线充电***辅助检测方法的流程图；
图2为发射端的***图；
图3为本发明无线充电***辅助检测方法对应设备的示意图；
图4为传感器组的示意图；
图5为无线充电***工作的示意图。
附图标记：
工作电路1；传感器组3；接收端8；发射端9；信号发生器11；工作电感12；检测单元13；上电容板31；基片32；下电容板33；电极34；上壳体91；线圈绕组92；软磁材料板93；金属屏蔽板94；下壳体95；工作电阻R；检测器M；开关组K；。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明提供一种无线充电***辅助检测方法，该辅助设备主要用于金属异物检测，在一些实施例中还能够对温度监控。
为了方便说明，下文将以电动汽车的无线充电为例进行说明，但是需要强调的是，本申请的无线充电***辅助检测方法并不仅适用于车辆的无线充电，例如手机无线充电、无人机无线充电等，都可以运用本申请的辅助设备。
先参见图5，以电动汽车无线充电为例进行整体介绍。无线***包括安装在地面的发射端9和安装在汽车底部的接收端8，发射端9的功率发射线圈通过功率控制器连接到供电电源，工频交流电转换为高频交流电后通过发射线圈，将电能转化为磁场，其可通过空气传播，接收端8的功率接收线圈接收到磁场后，由于电磁感应在接收线圈内会产生电流，进而转换为直流电为动力电池充电，最终实现电能从电源到电池的无线传输。
在无线充电过程中，如果在功率发射线圈和功率接收线圈之间存在金属异物，就会磁场加热，产生安全隐患。本申请的无线充电***辅助检测方法就能及时发现这些安全隐患。
参见图1，该方法包括：依次将设置在无线充电***地面端的传感器组 3中的每个电容接入工作电路1；每接入一个电容，执行以下步骤：
测量步骤：信号发生器11在工作电路1中施加一组频率变化的交流信号，并对应的测量出一组工作电压值；信号发生器11施加的交流信号的频率范围与无线充电***工作频率的范围不重合。筛选步骤：筛选出工作电压值最高的一个，将对应的交流信号的频率作为测量谐振频率；第一判断步骤：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容处是否存在金属异物。
因为金属异物会被无线充电的电磁场加热升温，导致其电容值变化，电容值的变化会使工作电路1的谐振频率变化，因此通过测量谐振频率与标准谐振频率的比对，就能判断是否有金属异物被加热。
这种方法中，依次将电容接入工作电路，就能够测量每个电容处是否有异物，该电容一般是分布在整个无线充电工作范围内。下文会具体对结构和布置方式进行说明。
该方法是依次将设置在无线充电***地面端的传感器组3中的每个电容接入工作电路1，每接入一个电容，执行以下步骤：
测量步骤：信号发生器11在工作电路1中施加一组频率变化的交流信号，并对应的测量出一组工作电压值；
筛选步骤：筛选出工作电压值最高的一个，将对应的交流信号的频率作为测量谐振频率；
第一判断步骤：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容处是否存在金属异物。
每个电容都经过这三个步骤，从而判断出其所在位置是否有金属异物。
在一些实施例中，为了提高检测效率，将传感器组3中的电容分为多个电容组，在接入步骤中，依次将电容组接入工作电路1；每接入一个电容组，执行所述测量步骤、所述筛选步骤和第二判断步骤，所述第二判断步骤为：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容组处是否存在金属异物。
这里第二判断步骤和第一判断步骤的原理是相同的，区别仅在他们判断的对象，一个是电容组一个是单个电容。当电容组处存在异物时，再将该电容组内的每个电容依次接入工作电路1，每接入一个电容，执行所述测量步骤、所述筛选步骤和第一判断步骤。
上述第一判断步骤和第二判断步骤，还可以用来测量温度，通过测量谐振频率和
获得电容的电容值Cx，根据电容值Cx获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率。对应的，当接入电容组时，所述第二判断步骤还包括：通过测量谐振频率和
获得电容组的电容值Cx’，根据电容值Cx’获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率。
根据
Cx＝ε0εrS/d………………………………式1
计算出电容的介电常数εr，该介电常数εr与温度相关，通过介电常数εr计算电容的温度值；
其中ε0为真空绝对介电常数(8.85×10-12F/m)，εr为上电容板和下电容板间的介质材料的介电常数，S为电容板面积，d为电容板之间的间距。
在上述方法中，通过测量得到最大电压值，从而得到对应的频率作为谐振频率，通过该谐振频率计算得到对应电容的电容值，该电容值和介电常数εr成正比，而介电常数εr又和温度相关，因此可以建立对应的联系。不同材质的介电常数εr和温度之间的关系可能有所差异。可以预先测定对应温度时的电容值、谐振频率等，以方便实际应用中快速得到结果。
下面对执行该方法的设备结构和安装位置进行说明。传感器组3通过开关组K接入工作电路，这三个部分通过线路连接组成回路。开关组K中包括多个独立的开关，以实现依次将电容接入，也就是每个电容都有一个独立的开关。这些电容具体的形成方式下文会说明。
传感器组3设置在发射端9，一般是在功率发射线圈上方。如图2所示，是发射端9的***图，其包括了上壳体91、线圈绕组92(功率发射线圈)、软磁材料板93、金属屏蔽板94和下壳体95，在上壳体91和线圈绕组92之间具有本申请无线充电***辅助检测方法的传感器组3。工作电路1和开关组K等零部件可以位于金属屏蔽板94下侧，或者不设置在上壳体91和下壳体95之间。他们的具体设置位置可以根据实际需求调整。在一种实施例中，传感器组3可以直接作为上壳体91使用，即图2 中传感器组3和上壳体91为一体结构。
上壳体91和下壳体95主要用于封装整个结构，提高机械强度和密封性。这两部分一般采用非金属材料制作，如ABS工程塑料、SMC热固性塑料等。线圈绕组92一般由高频利兹线盘绕而成。上壳体91与下壳体95可以采用不同的材质，在保证强度的同时，至少让上壳体91具备良好的热传导性，能将表面的温度传递到传感器组3。传感器组3也可以直接布置在最上层，作为上壳体91并成为发射线圈的表面。软磁材料板93一般采用铁氧体材料制作而成，在无线充电时起引导磁场方向和屏蔽磁场泄漏的作用，软磁材料板93位于线圈绕组92下层，而金属屏蔽板94安装在软磁材料板 93下层，金属屏蔽板94一般是一块金属铝材质的薄板，起到电磁场屏蔽及导热作用。
处理器，可以是独立设置的，也可以作为无线充电***发射端控制器的一部分，而发射端控制器一般设置在发射线圈之外的柜体之内。
上述发射端装配完成后内部还会填充环氧树脂灌封胶，起到对线圈结构的固化、绝缘、导热、防水等作用。
如图3和图4所示，工作电路1由信号发生器11、工作电感12和检测单元13连接组成，并且工作电路1具有两个接入端口；传感器组3由依次层叠设置的上电容板31、基片32和下电容板33组成，上电容板31通过所述开关K连接所述工作电路1的一个接入端口，所述下电容板33连接所述工作电路1另一个接入端口。
传感器组3简单理解是通过上电容板31、基片32和下电容板33形成电容，该电容的电容值Cx可能会随着温度发生改变。传感器组3能整体覆盖需要异物检测的范围。上电容板31由多个间隔排布的上栅条组成；所述下电容板32由多个间隔排布的下栅条组成；所述上栅条与所述下栅条之间一一对应。也就是说，上电容板31、基片32和下电容板33可以形成多个电容，每个电容之间都是彼此独立的，为了方便说明，将这些多个电容组合在一起的结构称为电容单元；上电容板31和下电容板33统称为电容板。上述的“栅条”是用来表述电容板被分割成多个独立部分的状态，也就是说全部上栅条组成的机构即为上电容板31。如果上栅条数量为一个，那就说明上电容板31是一个整体。下电容板33和下栅条也是同样的。
无论形成电容的数量，对于这些电容来说，电容值Cx和材料的介电常数有上式1的关系。
基片32是采用如铁电陶瓷、氧化铝、碳酸钡等高介电常数的陶瓷材料制作的薄片，上述εr即为基片32的电介质常数，其随温度变化。
栅条可以采用铜箔、铝箔等材料制作，也就是说上电容板31和下电容板33可以采用这些材料制作。
根据关系式1电容板厚度对电容的电容值没有影响，因此优选的由导电聚合物、金属氧化物或碳素材料制作薄膜栅条，在基片32上沉积，以获得最小化的厚度。也就是在基片32相对的两侧分别沉积，形成上电容板31 和下电容板33。栅条上面连出电极34，用于与开关K或者工作电路1连接。
上下相对的栅条和之间的基片32形成电容，同侧栅条的电极34之间相互连接，上下分别形成一个电容单元的上电极和下电极，这样相当于由多个电容并联而成一个电容单元。电容单元与工作电路的连线一般也是金属性材质，同样会暴露在功率传输磁场内，为最小化涡流损耗，所述连线也具有最小化的厚度和宽度。
除了这种方式外，也可以将多个独立的电容并联，形成上述的电容单元，使用时从中选取一个接入工作电路。
工作电路1中的检测单元13,该检测单元包括工作电阻R和检测器M，检测器M用来检测工作电阻R的电压。如图3所示，检测器连接在AB两处，用来获取工作电阻R两端的电压值。
工作电路1由检测单元13、工作电感12和信号发生器11组成，当然还会包括用来处理信息的处理器(未在图上示出)，为了方便理解，以图3 为例，检测单元13包括工作电阻R和检测器M。其中处理器可获取A、B两点间的电压信号、控制开关组K及信号发生器11。每一个电容的电极34与开关组K中的一个开关连接，另一个电极34与工作电路连接。图3中为了示出每个等小电容连接的开关，开关组K中的每个开关分别以K1、K2…… Kn表示。
开关组K由处理器控制循环切换接入电容，每次接入一个电容与工作电路相连，检测器M分时测量各个电容的参数。
开关组K的一个开关接通时，传感器组3的一个电容与工作电路1连接，这个接入的电容和工作电感12以及工作电阻R组成LCR串联谐振电路。
信号发生器11在工作电路1内施加具有一定频率的交流信号，信号发生器调节输出信号使电压幅度不变而频率改变，由检测器M测量电阻R两端(即A、B两端)的电压，并发给处理器，当频率变化至某一值时会使工作电路中感抗和容抗相互抵消，工作电路发生串联谐振，即输出信号的频率与工作电路的谐振频率一致。此时电容和工作电感12相位相互补充，工作电阻R上分得为电压最大值。当处理器测得的工作电阻R上电压获得极大值时，所对应信号发生器的频率即为谐振频率。由谐振电路知识可以得知，一个LCR串联电路的谐振频率f由电感L和电容C决定且有关系式2：
对于工作电路，其中Cx为接入的一个电容的电容值，Lx为工作电感12的电感值。需要注意，上述提到的工作电阻R是用来测量电压时所用的，如果采用其他的数据测应该使用相对应的零部件。当电容分组后，将电容组接入工作电路后，式2可以变形为：
Cx’是电容组的电容值。
上述频率的测量方法是一个实施例，也可以通过测量和分析工作电路 1的相位、阻抗等参数而获得。
根据关系式1，当电容因温度改变引起基片32的介电常数发生变化时，电容值继而也会随着介电常数的变化而改变，其介质常数会随温度变化而变化，进而导致电容单元容值变化，根据式2和材料的介质常数特性，谐振频率将随温度的变化而变化。对于确定的材质的电容，可以事先采集不同温度对应的谐振频率，将温度与谐振频率的变化数据进行标定，采用线性拟合可以得到谐振频率随温度的变化关系式，使工作电路通过测量谐振频率即可测定电容的电容板的温度。工作电路的工作电感12的电感值为固定值，当电容的容值变化会使谐振频率有一定的变化范围。
工作电感的电感值设置为，使工作电路的频率变化，与无线充电工作功率处在不同范围内。当然，这也需要保证电容的容值范围。这就需要在选择工作电感12以及选定传感器组3中的材质时，就互相验证的选择。
而根据式1和式2，当无线充电***处于最低温度时(这里的最低温度一般是指无线充电***未工作时的温度，可以是对应的环境温度)，工作电路1所获得的谐振频率最大，信号发生器11可以以此作为频率变化范围的最大值，在异物检测时，不断减小输出频率，测量电阻R两端的电压。
当无线充电时，如当有金属异物落入到工作范围内，金属异物暴露于无线充电的功率传输磁场内，金属异物会因为涡流效应而升高温度，温度的上升会传递到传感器组3的一个或多个电容上。无线充电异物检测时，信号发生器11输出频率变化的交流信号，工作电路1通过检测单元13获得谐振频率(例如是测量工作电阻R的端电压)，并获得对应的温度。将测量温度与温度基准值进行比较，当测量温度超过基准值一定范围时，可以判断发射线圈上方存在有金属异物，并且根据发生升温的电容的位置确定金属异物在发射线圈上方的位置。为了能够确定该位置，传感器组3在设置时，一般是设置在无线充电发射端的功率发射线圈之上，并且可能传感器组3的覆盖范围不小于发射线圈的范围。
一旦检测到存在金属异物，无线充电***可以降低功率发射或直接关闭功率发射，并发出警报上报异物检测故障，提示用户移除金属异物。
无线充电***启动前也可以进行正式充电前的检测，首先在功率发射线圈上施加小功率的能量开始试充电，当发现有电容的温度超过基准温度时，并发出警报上报异物检测故障，提示用户移除金属异物，并停止小功率充电。如果在充电过程中发现了金属异物，并且在报警后故障被消除，可以重新进入到充电前检测状态，进而恢复进入到正常充电状态，并重复上述异物检测的过程。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种无线充电***辅助检测方法，其特征在于，包括：
依次将设置在无线充电***地面端的传感器组(3)中的每个电容接入工作电路(1)；
每接入一个电容，执行以下步骤：
测量步骤：信号发生器(11)在工作电路(1)中施加一组频率变化的交流信号，并对应的测量出一组工作电压值；
筛选步骤：筛选出工作电压值最高的一个，将对应的交流信号的频率作为测量谐振频率；
第一判断步骤：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容处是否存在金属异物。
2.根据权利要求1所述的无线充电***辅助检测方法，其特征在于，包括：
将传感器组(3)中的电容分为多个电容组，在接入步骤中，依次将电容组接入工作电路(1)；
每接入一个电容组，执行所述测量步骤、所述筛选步骤和第二判断步骤，所述第二判断步骤为：通过所述测量谐振频率与标准谐振频率比对，判断该接入的电容组处是否存在金属异物；
当电容组处存在异物时，再将该电容组内的每个电容依次接入工作电路(1)，每接入一个电容，执行所述测量步骤、所述筛选步骤和第一判断步骤。
3.根据权利要求1所述的无线充电***辅助检测方法，其特征在于，
所述第一判断步骤还包括：
通过测量谐振频率和
获得电容的电容值Cx，根据电容值Cx获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率。
4.根据权利要求2所述的无线充电***辅助检测方法，其特征在于，
所述第一判断步骤还包括：
通过测量谐振频率和
获得电容的电容值Cx，根据电容值Cx获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率；
所述第二判断步骤还包括：
通过测量谐振频率和
获得电容组的电容值Cx’，根据电容值Cx’获得对应的电容的温度值，其中f为测量谐振频率。
5.根据权利要求3或4所述的无线充电异物检测方法，其特征在于，
根据
Cx＝ε0εrS/d
计算出电容的介电常数εr，该介电常数εr与温度相关，通过介电常数εr计算电容的温度值；
其中ε0为真空绝对介电常数(8.85×10-12F/m)，εr为上电容板和下电容板间的介质材料的介电常数，S为电容板面积，d为电容板之间的间距。
6.根据权利要求1或2所述的无线充电***辅助检测方法，其特征在于，
信号发生器(11)施加的交流信号的频率范围与无线充电***工作频率的范围不重合。
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| CN202111084122.XA CN113890205A (zh) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | 无线充电***辅助检测方法 |
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