CN115932983A - 一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法 - Google Patents

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谭林林
武志军
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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法，属于无线电能传输技术领域。由S个锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组，其中S＝2T，T≥1；横向检测线圈组沿几何中心逆时针或顺时针旋转90°后形成纵向检测线圈组，由横向检测线圈和纵向检测线圈组共同组成整体检测线圈，整体检测线圈由2S个锯齿形线圈构成，并覆盖无线电能传输***的充电区域；与现有技术相比，本申请可有效解决现有相关技术中金属异物体积较小存在检测盲区或差分线圈检测电信号为零而无法有效检测的问题，检测灵敏度较高；实现金属异物检测的同时，还能够对金属异物的大小、金属异物的位置进行有效识别与定位。

Description

一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
磁耦合式无线电能传输技术通过发射线圈和接收线圈的强磁耦合谐振原理实现电能的传输。在电能传输过程中，若某些金属异物或导电材料置于发射线圈和接收线圈中间，金属异物或导电材料会在发射线圈激发出的高频电磁场中产生涡流效应，可能引发过热或火灾等安全风险，能量传输效率也会大幅降低。因此，无线电能传输中的金属异物检测与定位是保障能量传输***安全、可靠和高效运行的关键一步。
现有相关技术主要包括采用平面线圈阵列方式和差分线圈方式进行金属异物检测。
上述两种传统技术手段均存在当金属异物掉落在某些特殊位置时，存在检测盲区无法有效识别的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法，可以有效解决传统技术方案存在检测盲区的问题，并能够准确定位金属异物的位置。
为达到上述目的，本发明提供一种无线电能传输金属异物检测线圈，由S个锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组，其中S＝2T，T≥1；
横向检测线圈组沿几何中心逆时针或顺时针旋转90°后形成纵向检测线圈组，由横向检测线圈和纵向检测线圈组共同组成整体检测线圈，整体检测线圈由2S个锯齿形线圈构成，并覆盖无线电能传输***的充电区域；
优选的，每个所述锯齿形线圈一侧轮廓边缘呈锯齿形，相对侧轮廓边缘呈直线形；
优选的，S个锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组的拼接方式为：每2个锯齿形线圈相对放置，沿锯齿边缘为邻边嵌合，共同组成一个略有空隙的矩形结构，T个矩形结构横向排列，组成横向检测线圈组；
优选的，每个锯齿形线圈由一根导线从外到内或从内到外顺序绕制而成；
优选的，每个锯齿形线圈的锯齿边缘一侧引出导线作为零电位参考点，直线边缘一侧作为信号检测点，通过观测各信号检测点的检测信息是否超过安全阈值判断是否存在金属异物，通过观测各信号检测点的检测信息哪些超过安全阈值判断金属异物大小及位置；
优选的，所述用于信号检测点的检测信息包括但不局限于电压幅值、电流幅值、相位差、线圈阻抗等信号；
基于上述无线电能传输金属异物检测线圈，本发明还提供一种无线电能传输金属异物检测和定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，向无线电能传输金属异物检测线圈施加激励；
步骤2，在横向和纵向检测线圈组中，每2个沿锯齿边缘为邻边嵌合的一对锯齿形线圈为一组，各信号检测点分别按顺序依次接入检测电路进行信号检测，并记录每组锯齿形线圈中两个信号检测点的检测信息差值；
步骤3，比较每组锯齿形线圈中两个信号检测点的检测信息差值是否在检测信号安全阈值范围内；若每组检测信息差值均在检测信号安全阈值范围内，则无线电能传输***充电区域内无任何金属异物；若存在检测信息差值超过检测信号安全阈值范围，则无线电能传输***充电区域内存在金属异物，执行步骤4进一步判断金属异物大小及位置；
步骤4，记录检测信息差值超过检测信号安全阈值范围的全部锯齿形线圈组所对应信号检测点编号，所记录全部横向编号对应的锯齿形线圈组覆盖区域与所记录全部纵向编号对应的锯齿形线圈组覆盖区域交集即为金属异物所在位置，并根据上述覆盖区域交集范围大小判断金属异物大小。
进一步的，一种设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当一个或多个所述程序被一个或多个所述处理器执行，使得一个或多个所述处理器实现如上述所述的一种无线电能传输金属异物检测和定位方法。
进一步的，一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述所述的一种无线电能传输金属异物检测和定位方法。
本发明的有益效果在于：
1、与现有技术相比，本发明可有效解决现有相关技术中金属异物体积较小存在检测盲区或差分线圈检测电信号为零而无法有效检测的问题，检测灵敏度较高；
2、与现有技术相比，本发明在实现金属异物检测的同时，还能够对金属异物的大小、金属异物的位置进行有效识别与定位；
3、与现有技术相比，本发明不仅可以有效检测金属异物和精确定位，还可以判断出接收线圈平面偏移情况，且该结构对磁耦合无线电能传输***传输特性几乎没有影响，不会造成功率损耗。
附图说明
图1为本发明提供的一种无线电能传输金属异物检测线圈整体示意图；
图2为本发明提供的平面线圈阵列方式进行金属异物检测的线圈示意图；
图3为本发明提供的差分线圈方式进行金属异物检测的线圈示意图；
图4为本发明提供的一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法示意图；
附图标记列表：
1、横向检测线圈；2、纵向检测线圈；3、零电位参考点；4、多双绞屏蔽线束；5、双绞铜线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干变形和改进。这些仍属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法，其与现有相关技术相比，能够解决金属异物体积较小而存在检测盲区、差分线圈检测电信号为零而无法有效检测的问题，检测灵敏度较高，且对金属异物的大小、金属异物的位置也能够进行有效的识别与定位。
图1为本发明提供的一种无线电能传输金属异物检测线圈整体示意图，由S＝10个锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组1，其中S＝2T，T≥1；
参照图1，横向检测线圈组1沿几何中心逆时针或顺时针旋转90°后形成纵向检测线圈组2，由横向检测线圈1和纵向检测线圈组2共同组成整体检测线圈，横向检测线圈1和纵向检测线圈组2无间隙，整体检测线圈由2S＝20个锯齿形线圈构成，并覆盖无线电能传输***的充电区域，其中充电区域指发射端线圈和接收端线圈所覆盖的面积；每个锯齿形线圈一侧轮廓边缘呈锯齿形，相对侧轮廓边缘呈直线形。
参照图1，以S＝10为本实施例，10个锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组1的拼接方式为：每2个锯齿形线圈分别相对放置，2个锯齿形线圈的锯齿形部分沿锯齿边缘为邻边嵌合，共同组成一个略有空隙的矩形结构，5个矩形结构横向排列，组成横向检测线圈组1；每个锯齿形线圈由一根导线从外到内或从内到外顺序绕制而成。
参照图1，每个锯齿形线圈的锯齿边缘一侧引出导线作为零电位参考点3，直线边缘一侧作为信号检测点，其中，A、A’、B、B’、C、C’、D、D’、E、E’为横向检测线圈组信号检测点，F、F’、G、G’、H、H’、I、I’、J、J’为纵向检测线圈组信号检测点；通过观测上述各信号检测点的检测信息是否超过安全阈值判断是否存在金属异物，通过观测上述各信号检测点的检测信息哪些超过安全阈值判断金属异物大小及位置。
需要说明的是，用于信号检测点A、A’、B、B’、C、C’、D、D’、E、E’、F、F’、G、G’、H、H’、I、I’、J、J’的检测信息包括但不局限于电压幅值、电流幅值、相位差、线圈阻抗等信号，本实施例选取电压幅值作为检测信息。
如图2所示，采用平面线圈阵列方式进行金属异物检测。检测电路通过检测线圈的输出电压/电流幅值等信号判断是否有金属异物存在。但当金属异物体积较小时，该方法存在检测盲区或检测线圈各部分产生的感应电动势能够相互抵消或变化极小的问题。
如图3所示，采用差分线圈方式进行金属异物检测。检测电路通过检测多个线圈端点处输出电压等电信号的差值判断是否有金属异物存在。但当金属异物恰好掉落在关于两线圈端点对称处时，电压差可能为零，导致该方法将无法有效检测到金属异物，存在检测盲区。
图4为本发明提供的一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法示意图。
以图4所示的无线电能传输金属异物检测线圈为例，本发明还提供一种无线电能传输金属异物检测和定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，向无线电能传输金属异物检测线圈施加激励；
步骤2，在横向和纵向检测线圈组中，每2个沿锯齿边缘为邻边嵌合组成矩形结构的一对锯齿形线圈为一组，信号检测点A、A’、B、B’、C、C’、D、D’、E、E’、F、F’、G、G’、H、H’、I、I’、J、J’分别通过多双绞屏蔽线束4和双绞铜线5按顺序依次接入检测电路进行信号检测，并记录每组锯齿形线圈中两个信号检测点的检测信息差值|UA-UA′|、|UB-UB′|、|UC-UC′|、|UD-UD′|、|UE-UE′|、|UF-UF′|、|UG-UG′|、|UH-UH′|、|UI-UI′|、|UJ-UJ′|；
步骤3，比较每组锯齿形线圈中两个信号检测点的检测信息差值|UA-UA′|、|UB-UB′|、|UC-UC′|、|UD-UD′|、|UE-UE′|、|UF-UF′|、|UG-UG′|、|UH-UH′|、|UI-UI′|、|UJ-UJ′|是否在检测信号安全阈值范围内；若每组检测信息差值均在检测信号安全阈值范围内，则无线电能传输***充电区域内无任何金属异物；若存在检测信息差值超过检测信号安全阈值范围，则无线电能传输***充电区域内存在金属异物，执行步骤4进一步判断金属异物大小及位置；
步骤4，记录检测信息差值超过检测信号安全阈值范围的全部锯齿形线圈组(包括横向检测线圈组和纵向检测线圈组)所对应信号检测点编号，所记录全部横向编号对应的锯齿形线圈组覆盖区域与所记录全部纵向编号对应的锯齿形线圈组覆盖区域交集即为金属异物所在位置，并根据上述覆盖区域交集范围大小判断金属异物大小。以记录信息检测点编号A、A’、F、F’为例，则判定金属异物所在位置为A、A’所对应横向锯齿形线圈组覆盖区域与F、F’所对应纵向锯齿形线圈组覆盖区域得交集区域内。
综上，本发明实施例提供的一种无线电能传输金属异物检测线圈及检测和定位方法，其有益效果在于：
1、与现有技术相比，本发明可有效解决现有相关技术中金属异物体积较小存在检测盲区或差分线圈检测电信号为零而无法有效检测的问题，检测灵敏度较高；
2、与现有技术相比，本发明在实现金属异物检测的同时，还能够对金属异物的大小、金属异物的位置进行有效识别与定位；
3、与现有技术相比，本发明不仅可以有效检测金属异物和精确定位，还可以判断出接收线圈平面偏移情况，且该结构对磁耦合无线电能传输***传输特性几乎没有影响，不会造成功率损耗。
本发明与现有相关技术的对比优势如表1所示。
平面线圈阵列方式 差分线圈方式 本发明
有无检测盲区 有检测盲区 有检测盲区 无检测盲区
能否定位异物位置 否 否 是
基于同一种发明构思，本发明还提供一种计算机设备，该计算机设备包括包括：一个或多个处理器，以及存储器，用于存储一个或多个计算机程序；程序包括程序指令，处理器用于执行存储器存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Centra l Process i ngUn it，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(D i gita l S i gna lProcessor、DSP)、专用集成电路(App l icat ion Spec ifi cI ntegrated Ci rcu it，ASIC)、现场可编程门阵列(Fie l d-Programmab l e GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其用于实现一条或一条以上指令，具体用于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现上述方法。
需要进一步进行说明的是，基于同一种发明构思，本发明还提供一种计算机存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述方法。该存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电、磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线电能传输金属异物检测线圈，其特征在于，包括由S个锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组，其中S＝2T，T≥1；所述横向检测线圈组沿几何中心逆时针或顺时针旋转90°后形成纵向检测线圈组，所述横向检测线圈组和纵向检测线圈组共同组成整体检测线圈，所述整体检测线圈由2S个锯齿形线圈构成，并覆盖无线电能传输***的充电区域。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输金属异物检测线圈，其特征在于，每个所述锯齿形线圈一侧轮廓边缘呈锯齿形，相对侧轮廓边缘呈直线形。
3.根据权利要求1所述的一种无线电能传输金属异物检测线圈，其特征在于，S个所述锯齿形线圈横向拼接而成以作为横向检测线圈组的拼接方式为：每2个锯齿形线圈相对放置，沿锯齿边缘为邻边嵌合，共同组成一个略有空隙的矩形结构，T个矩形结构横向排列，组成横向检测线圈组。
4.根据权利要求1所述的一种无线电能传输金属异物检测线圈，其特征在于，每个所述锯齿形线圈由一根导线从外到内或从内到外顺序绕制而成。
5.根据权利要求1所述的一种无线电能传输金属异物检测线圈，其特征在于，每个所述锯齿形线圈的锯齿边缘一侧引出导线作为零电位参考点，直线边缘一侧作为信号检测点，通过观测各信号检测点的检测信息是否超过安全阈值判断是否存在金属异物，通过观测各信号检测点的检测信息哪些超过安全阈值判断金属异物大小及位置。
6.根据权利要求1所述的一种无线电能传输金属异物检测线圈，其特征在于，所述用于信号检测点的检测信息包括但不局限于电压幅值、电流幅值、相位差、线圈阻抗。
7.一种无线电能传输金属异物检测和定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
向无线电能传输金属异物检测线圈施加激励；
在横向和纵向检测线圈组中，每2个沿锯齿边缘为邻边嵌合的一对锯齿形线圈为一组，各信号检测点分别按顺序依次接入检测电路进行信号检测，并记录每组锯齿形线圈中两个信号检测点的检测信息差值；
比较每组锯齿形线圈中两个信号检测点的检测信息差值是否在检测信号安全阈值范围内；若每组检测信息差值均在检测信号安全阈值范围内，则无线电能传输***充电区域内无任何金属异物；若存在检测信息差值超过检测信号安全阈值范围，则无线电能传输***充电区域内存在金属异物；
记录检测信息差值超过检测信号安全阈值范围的全部锯齿形线圈组所对应信号检测点编号，所记录全部横向编号对应的锯齿形线圈组覆盖区域与所记录全部纵向编号对应的锯齿形线圈组覆盖区域交集即为金属异物所在位置，并根据上述覆盖区域交集范围大小判断金属异物大小。
8.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求7中所述的一种无线电能传输金属异物检测和定位方法。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求7中所述的一种无线电能传输金属异物检测和定位方法。
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