可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法，耦合机构包括能量发射线圈，其特征在于：能量发射线圈按序分段绕制，相邻两段能量发射子线圈之间通过分割电容串接，分割电容与内侧的一个能量发射子线圈构成异物检测采样模块，且在异物检测采样模块的两端设置有异物检测接线抽头。其效果是：在不加装其他检测线圈和传感器的条件下和不影响原无线供电系统功率与效率等性能的前提下，提高金属异物的检测灵敏度，实现系统供电功能的同时让其具备异物检测的功能，制造简单，与传统的基于系统自身参数的检测技术相比，在相同条件下，系统检测灵敏度和准确性更高，检测到的异物尺寸更小，检测效果良好。检测效果良好。检测效果良好。

【技术实现步骤摘要】
可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输技术，具体涉及一种可检测异物的耦合机构及无线供电系统与参数设计方法。

技术介绍

[0002]磁耦合无线电能传输(MC
‑
WPT)技术，是一种以高频磁场作为能量传输载体，实现无直接电气连接的电能传输技术，该技术被广泛的应用于各类无线供电设备中，诸如无线充电手机、无线充电电动汽车等。无线电能传输设备的能量发射与接收线圈之间存在一个大功率高频磁场区域，该区域周围或内部存在金属异物时，金属可能会与空间磁场耦合并生成二次磁场，这将导致无线供电系统的参数特性发生偏移，传输性能降低，甚至部分金属异物内部将产生涡流并迅速升温，产生安全隐患。所以异物检测技术已经成为无线电能传输领域中一个重要的研究方向，该技术是保证无线供电系统正常工作的关键之一。
[0003]异物检测技术主要分为借助辅助检测线圈检测技术、传感器异物检测技术和系统参数异物检测技术三大类。辅助线圈检测技术需要引入额外的检测线圈并覆盖于发射线圈上方，而检测线圈本身也容易影响无线供电系统的传输性能，并且检测系统还需要独立的激励和信号处理装置；传感器异物检测技术则需要更为精密的独立装置，并且高精度的传感器成本极高，同时其安装受环境影响大，以至于应用受限；而基于系统参数的异物检测技术是在异物出现后，利用系统自身变化的参数进行检测，但是现有的检测技术因异物带来的检测变量变化小而难以有效检测，检测准确性和灵敏度低是这个技术最大的痛点。

技术实现思路

[0004]基于上述需求，本专利技术的首要目的在于提出一种可检测异物的耦合机构，针对中小型功率的无线供电系统的发射线圈进行设计和改造，在不加装其他检测线圈和传感器的条件下和不影响原无线供电系统功率与效率等性能的前提下，提高金属异物的检测准确性和灵敏度，实现系统无线供电功能的同时让其具备异物检测的功能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种可检测异物的耦合机构，包括能量发射线圈，其关键在于：所述能量发射线圈按序分段绕制，相邻两段能量发射子线圈之间通过分割电容串接，所述分割电容与内侧的一个能量发射子线圈构成的异物检测采样模块，且在所述异物检测采样模块的两端设置有异物检测接线抽头。
[0007]可选地，所述能量发射线圈呈平面线圈绕制，也可以根据应用场景的需求，将能量发射线圈设置为非平面线圈。
[0008]可选地，所述能量发射线圈呈平面圆形线圈绕制，当然也采用矩形、正方形等各形状线圈。
[0009]可选地，所述能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成，当然也可以根据需求，拆分为更多子线圈结构。
[0010]可选地，在所述能量发射线圈的前端配置有外部补偿电容，外部补偿电容可以与能量发射线圈一体设计，也可以在具体应用时，临时加装。
[0011]可选地，设第一能量发射子线圈的自感为L
1a
，第二能量发射子线圈的自感L
1b
，第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的互感为M
ab
，则所述外部补偿电容与所述分割电容的电容值按照：设置，其中C
1a
为外部补偿电容的电容值，C
1b
为分割电容的电容值。
[0012]基于上述耦合机构，本专利技术第二目的在于提供一种无线供电系统，包括能量发射端和能量接收端，其关键在于：所述能量发射端设置有直流电源、高频逆变器以及前文所述的可检测异物的耦合机构，所述能量接收端设置有能量接收线圈、整流滤波电路以及用电负载。
[0013]可选地，在所述异物检测接线抽头上连接有异物检测信号处理电路，所述异物检测信号处理电路根据异物检测信号的检测结果控制所述高频逆变器中开关管的状态。
[0014]所述能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成，包括外部的第一能量发射线圈和内部的第二能量发射线圈，在所述第一能量发射线圈的前端配置有外部补偿电容，所述分割电容与所述第二能量发射子线圈构成异物检测采样模块，所述异物检测采样模块通过采样通道连接所述异物检测信号处理电路，当采样电压有效值超过预设阈值时，所述异物检测信号处理电路控制所述能量发射端停止供电。
[0015]本专利技术的第三目的还在于提供一种用于前文所述耦合机构的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
[0016]S1：根据应用场景，按照平面圆形线圈绕制方式确定能量发射线圈的线径d，绕线半径r和匝数n；
[0017]S2：按照
[0018][0019]确定能量发射线圈分割点的位置a，其中a表示内部的第二能量发射线圈的匝数，μ0为相对磁导率，r
i
表示第二能量发射子线圈第i匝的等效半径，r
j
表示第一能量发射子线圈第j匝的等效半径,S
ip
表示第二能量发射子线圈中第i匝线圈的微分量dl
i
与第p匝线圈的微分量dl
p
之间的间距；S
jq
表示第一能量发射子线圈中第j匝线圈的微分量dl
j
与第q匝线圈的微分量dl
q
之间的间距，λ为分割系数，通过分割使得内部的第二能量发射子线圈与外部的第一能量发射子线圈自感之比为λ，变量i和变量p从1开始取值，变量j和变量q从(a+1)开始取值；
[0020]S3：根据分割位置确定第一能量发射子线圈的自感L
1a
，第二能量发射子线圈的自感L
1b
，第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的互感M
ab
，并根据系统工作频率确定谐振所需的补偿电容值C1；
[0021]S4：按照确定外部补偿电容的电容值C
1a
和分割电容的电容值C
1b
。
[0022]本专利技术的效果是：
[0023]本专利技术在不加装其他检测线圈和传感器的条件下和不影响原无线供电系统功率与效率等性能的前提下，提高金属异物的检测准确性和灵敏度，实现系统供电功能的同时让其具备异物检测的功能，与基于独立检测线圈和独立传感器的异物检测技术相比，制造简单，不用增加过多的成本，与传统的基于系统自身参数的检测技术相比，系统检测灵敏度和准确性更高，检测到的异物尺寸更小，检测效果良好。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0025]图1为本专利技术提供的可检测异物的耦合机构的结构示意图；
[0026]图2为本专利技术提供的无线供电系统的电路原理图；
[0027]图3为本专利技术提供的具有异物检测功能的无线供电系统的电路原理图；
[0028]图4为本专利技术具体实施例中异物检测的控制流程图。
具体实施方式
[0029]下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可检测异物的耦合机构，包括能量发射线圈，其特征在于：所述能量发射线圈按序分段绕制，相邻两段能量发射子线圈之间通过分割电容串接，所述分割电容与内侧的一个能量发射子线圈构成的异物检测采样模块，且在所述异物检测采样模块的两端设置有异物检测接线抽头。2.根据权利要求1所述的耦合机构，其特征在于：所述能量发射线圈呈平面线圈绕制。3.根据权利要求2所述的耦合机构，其特征在于：所述能量发射线圈呈平面圆形线圈绕制。4.根据权利要求1或2或3所述的耦合机构，其特征在于：所述能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成。5.根据权利要求4所述的耦合机构，其特征在于：在所述能量发射线圈的前端配置有外部补偿电容。6.根据权利要求5所述的耦合机构，其特征在于：设第一能量发射子线圈的自感为L
1a
，第二能量发射子线圈的自感L
1b
，第一能量发射子线圈与第二能量发射子线圈的互感为M
ab
，则所述外部补偿电容与所述分割电容的电容值按照：设置，其中C
1a
为外部补偿电容的电容值，C
1b
为分割电容的电容值。7.一种无线供电系统，包括能量发射端和能量接收端，其特征在于：所述能量发射端设置有直流电源、高频逆变器以及权利要求1
‑
6任一所述的耦合机构，所述能量接收端设置有能量接收线圈、整流滤波电路以及用电负载。8.根据权利要求7所述的无线供电系统，其特征在于：在所述耦合机构的异物检测接线抽头上连接有异物检测信号处理电路，所述异物检测信号处理电路根据异物检测信号的检测结果控制所述高频逆变器中开关管的状态。9.根据权利要求8所述的无线供电系统，其特征在于：所述能量发射线圈采用两段能量发射子线圈绕制而成，包括外部的第一能量发射线圈和内部的第二能量发射线...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宏晟，王曜怡，苏玉刚，孙跃，王智慧，戴欣，唐春森，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：