一种无线电能传输和异物检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种无线电能传输和异物检测系统及方法，传感线圈采用阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈单元，内外嵌套布局型有源传感线圈单元，包括：呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，内层传感线圈和外层传感线圈反串联连接；通电时外层传感线圈和内层传感线圈的感生磁场均垂直于有源传感线圈单元所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈单元时，穿过有源传感线圈单元的净磁通为零或小于预设值；本发明专利技术所述的内外嵌套反串联的连接方式所产生的检测磁场有更好的全向包裹性，对异物的感知能力能强。对异物的感知能力能强。对异物的感知能力能强。

【技术实现步骤摘要】
一种无线电能传输和异物检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，特别涉及一种无线电能传输和异物检测系统及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]无线电能传输技术相比传统的传导取电方式具有卓越的便捷特性，该技术符合智能时代的发展趋势，在电动汽车、无人机、机器人等中大功率用电设备领域中有极大的应用潜力。然而无线电能传输技术的进一步推广受到异物检测技术成熟度的制约，异物检测的必要性主要体现在：在能量传输区域中，随机混入的金属异物和生物体等会由于各类电磁效应而使系统传输效率降低，并带来严重的安全问题，无线电能传输系统的功率等级越高，此类问题越明显。
[0004]专利技术人发现，现阶段无线电能传输系统中主流的异物检测手段是基于有源传感线圈的检测技术，其核心结构在于传感线圈和检测控制系统，主要存在如下问题：
[0005](1)传感线圈：传感线圈一般呈由多个传感线圈单元组合而成的阵列式设计，传感线圈单元一般为平面螺旋状，且多采用相邻传感线圈单元或间隔传感线圈单元反串联的连接方式，这种布局设计方式的初衷是：
①
降低传感线圈与能量传输线圈之间的耦合系数；
②
改变检测磁场的分布从而有效增大传感线圈对小尺寸异物的感知能力。然而就目前工程实践情况来看，此种布局设计方式虽有一定的成效，但仍需改进，主要体现在：
①
由于无线电能传输磁耦合机构内部磁场在实际应用中的分布并不均匀，且多数情况下不对称性比较明显，所以上述反串联传感线圈单元与能量传输线圈的解耦情况不够理想；
②
相邻或间隔传感线圈单元之间的磁场走势对感知某些特定位置(如传感线圈边缘处)的异物仍存在不足，影响检测的可靠性。
[0006](2)检测控制系统：异物检测是无线电能传输系统的辅助环节，其检测控制系统的主要功能是负责数据采集、数据处理与逻辑判断。目前对异物检测技术的研究相对独立，在一定程度上造成了异物检测与无线电能传输较为割裂的现状，尤其在控制系统上体现较为明显，这导致无线电能传输系统中，功率传输和异物检测分别由各自的控制系统控制，造成系统繁冗和成本叠加，不利于系统的高效轻便化设计。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种无线电能传输和异物检测系统及方法，将异物检测与无线电能传输系统的功率传输电路进行整体化考虑，共用一套控制系统，有利于实现信息的最小化采集和高效利用，降低了系统对信息处理和响应的时延，既了降低系统成本，又利于系统的高效轻便化设计。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术第一方面提供了一种内外嵌套布局型有源传感线圈单元。
[0010]一种内外嵌套布局型有源传感线圈单元，包括：
[0011]呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，内层传感线圈和外层传感线圈反串联连接；
[0012]通电时外层传感线圈和内层传感线圈的感生磁场均垂直于有源传感线圈单元所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈单元时，穿过有源传感线圈单元的净磁通为零或在可接受范围内。
[0013]作为可选的一种实现方式，所述有源传感线圈单元的外轮廓呈规则几何形状或特定几何形状。
[0014]作为可选的一种实现方式，有源传感线圈单元的外轮廓至少为三角形、圆形、矩形、正方形和五边形中的一种。
[0015]本专利技术第二方面提供了一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构。
[0016]一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，包括多个本专利技术第一方面所述的内外嵌套布局型有源传感线圈单元；
[0017]各个内外嵌套布局型有源传感线圈单元依次铺设在能量发射线圈上。
[0018]本专利技术第三方面提供了一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构。
[0019]一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及多层呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，多层呈环状螺旋状布置的外层传感线圈层层嵌套，相邻层反串联或者间隔层反串联；
[0020]通电时传感线圈任意反串联连接的部分所产生的感生磁场均垂直于有源传感线圈结构所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈结构时，穿过有源传感线圈结构的净磁通为零或在可接受范围内。
[0021]作为可选的一种实现方式，有源传感线圈结构的几何中心与能量发射线圈的几何中心重合。
[0022]本专利技术第四方面提供了一种无线电能传输和异物检测系统。
[0023]一种无线电能传输和异物检测系统，包括：发射端和接收端；
[0024]发射端包括第一功率传输电路、异物检测电路和第一控制模块，接收端包括第二功率传输电路和第二控制模块；
[0025]第一功率传输电路，包括：来自公用电网的电能经过整流电路和逆变电路转变成高频交流电，再经匹配网络输入到发射线圈中；
[0026]异物检测电路，包括：信号发生器产生高频正弦信号，经过功率放大器转变成可用电信号，再经通道开关和匹配网络输入到第二方面或者第三方面所述的内外嵌套布局型传感线圈结构；
[0027]第一控制模块，包括：负责采集第一功率传输电路和异物检测电路各环节电压、电流和温度等信息并进行初步处理的数据采集与处理单元、负责通过输出驱动信号而控制整流电路工作模式的整流控制单元、负责通过输出驱动信号而控制逆变电路工作模式的逆变控制单元、负责高频信号调节的信号发生控制单元、负责功率调节的功率放大控制单元、负责通过输出驱动信号而控制通道开关工作模式的通道开关控制单元以及能够实现与接收端信息交互的无线通信单元；
[0028]第二功率传输电路，包括：在匹配网络作用下的接收线圈具有与发射线圈相同的
本征频率，在磁耦合谐振情况下，接收线圈拾取的电能经过整流电路输送给负载；
[0029]第二控制模块，包括：负责采集第二功率传输电路各环节电压、电流和温度等信息并进行初步处理的数据采集与处理单元、负责通过输出驱动信号而控制整流电路工作模式的整流控制单元以及能够实现与发射端信息交互的无线通信单元。
[0030]作为可选的一种实现方式，发射端中，整流电路和逆变电路之间设有DC
‑
DC变换电路；接收端中，整流电路和负载之间设有DC
‑
DC变换电路及对应的控制单元。
[0031]本专利技术第五方面提供了一种无线电能传输和异物检测方法。
[0032]一种无线电能传输和异物检测方法，利用本专利技术第四方面所述的无线电能传输和异物检测系统，包括以下过程：
[0033]设定各有源传感线圈单元的电感与电容取值满足谐振条件；
[0034]采用外加激励扫频的方式进行频率校正；
[0035]检测各有源传感线圈单元电压电流的幅值与相位，谐振状态下有源传感线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内外嵌套布局型有源传感线圈单元，其特征在于：包括：呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，内层传感线圈和外层传感线圈反串联连接；通电时外层传感线圈和内层传感线圈的感生磁场均垂直于有源传感线圈单元所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈单元时，穿过有源传感线圈单元的净磁通为零或小于预设值。2.如权利要求1所述的内外嵌套布局型有源传感线圈单元，其特征在于：所述有源传感线圈单元的外轮廓呈规则几何形状或特定几何形状。3.如权利要求1或2所述的内外嵌套布局型有源传感线圈单元，其特征在于：有源传感线圈单元的外轮廓至少为三角形、圆形、矩形、正方形和五边形中的一种。4.一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，其特征在于：包括多个权利要求1或2或3所述的内外嵌套布局型有源传感线圈单元；各个内外嵌套布局型有源传感线圈单元依次铺设在能量发射线圈上。5.一种阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，其特征在于：呈平面螺旋状布置的内层传感线圈以及多层呈环状螺旋状布置的外层传感线圈，多层呈环状螺旋状布置的外层传感线圈层层嵌套，相邻层反串联或者间隔层反串联；通电时传感线圈任意反串联连接的部分所产生的感生磁场均垂直于有源传感线圈结构所在平面并且方向始终相反，当外界一均匀磁场垂直穿过有源传感线圈结构时，穿过有源传感线圈结构的净磁通为零或在可接受范围内。6.如权利要求5所述的阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，其特征在于：有源传感线圈结构的几何中心与能量发射线圈的几何中心重合。7.权利要求5所述的阵列式内外嵌套布局型有源传感线圈结构，其特征在于：有源传感线圈结构的外轮廓至少为三角形、圆形、矩形、正方形和五边形中的一种。8.一种无线电能传输和异物检测系统，其特征在于：包括：发射端和接收端；发射端包括第一功率传输电路、异物检测电路和第一控制模块，接收端包括第二功率传输电路和第二控制模块；第一功率传输电路，包括：来自公用电网的电能经过整流电路和逆变电路转变成高频交流电，再经匹配网络输入到发射线圈中；异物检测电路，包括：信号发生器产生高频正弦信号，经过功率放大器转变成可用电信号，再经通道开关和匹配网络输入到权利要求4
‑
7任一项所述的内外嵌套布局型传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志珍，魏小钊，罗学卿，侯延进，冯国文，丁冉，孙舒瑶，孙维择，谢雨欣，张智鑫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：