本發明涉及無線電能傳輸,尤其涉及一種雙層pcb線圈及基于此的無線充電異物檢測方法及系統。
背景技術:
1、無線電能傳輸技術(wireless?power?transfer,wpt)是一種綜合應用電力電子和自動控制等相關理論與技術,實現電能在電網(或電池)與用電設備之問通過某種載體(如電場、磁場、微波、激光)以松耦合非電氣接觸模式傳輸的技術。相比于傳統的電氣接觸式電能接入技術,無線電能傳輸技術具有更高的可靠性與安全性、占地空間更小、使用方式靈活、不易受外界環境因素干擾、與電網互動能力強、可在某些極端環境和特殊條件下應用等優點,因此在消費電子、醫療保障、電動汽車等領域有著越來越廣的發展與應用。
2、磁場耦合式無線電能傳輸(magnetic?coupled?wireless?power?transfer,mc-wpt)通過原邊線圈中的高頻交變電流產生高頻交變磁場,作為電能傳輸的載體。然而,由于原邊設備和副邊設備之間的非接觸特性,異物很容易進入充電區域,對于進入mc-wpt系統高頻交變磁場的外來金屬而言,其會因為渦流效應發熱而造成安全隱患;對于外來的生物體而言,長期處于高頻交變磁場中會提高致病的概率。此外,這些外來的物體會改變原有系統的磁場分布,造成系統傳輸效率的下降。綜上所述,針對mc-wpt系統的異物檢測技術(foreign?object?detection,fod)不可或缺。
3、現有的異物檢測方案主要有基于mc-wpt系統參數、基于傳統傳感器和基于檢測線圈三類檢測方法。其中基于mc-wpt系統參數的檢測方法利用異物對mc-wpt系統相關參數的影響,對異物進行檢測,這類方法成本較低,不需要額外檢測機構,但是其檢測進度會受到mc-wpt系統功率水平的影響,不適于大功率場合;基于傳統傳感器的檢測方法通過在系統中放置傳感器的方式來對異物進行檢測,例如溫度傳感器、視覺相機、超聲波傳感器等,此類方法檢測覆蓋面積大,不受mc-wpt系統功率水平影響,但是成本高,集成度低,對傳感器要求高;在大功率和大尺寸應用中,基于檢測線圈的方案以其低成本和高集成度逐漸成為主流,檢測線圈主要通過高頻激勵信號產生的磁場來與金屬異物發生耦合從而實現對異物的檢測。
4、對于金屬異物而言,它與檢測線圈的耦合機理主要是通過金屬異物的渦流場和檢測線圈的固有磁場發生耦合來實現,因此可以獲取檢測線圈的阻抗來實現。而對于生物體異物而言,目前主要通過電容極板與生物體產生電容耦合來實現。目前針對生物體和金屬異物的一體化檢測方案較少。除此之外,對于陣列式檢測線圈而言,需要對每個檢測線圈單元都配置諧振電容來放大阻抗變化,這造成了線圈的走線的復雜度,并占據了一定的空間,造成了檢測盲區,不利于檢測線圈與原邊設備的集成化。對于放置在發射線圈表面的檢測線圈而言,其集總參數會因功率利茲線和磁芯的不同排布而發生不同程度的偏移,造成檢測線圈與配諧電容的失諧,降低了檢測線圈的靈敏度。
技術實現思路
1、本發明提供一種雙層pcb線圈及基于此的無線充電異物檢測方法及系統,解決的技術問題在于:金屬異物和生物體異物一體化檢測方案少,檢測線圈集成度低,檢測線圈參數容易偏移。
2、為解決以上技術問題,本發明提供一種雙層pcb線圈,包括由上及下層級設置的頂層線圈、pcb基板和底層線圈,所述頂層線圈與所述底層線圈之間通過所述pcb基板上開設的過孔進行連接;所述頂層線圈包括n個陣列式排布的頂層子線圈,所述底層線圈包括與n個所述頂層子線圈排布相同的n個底層子線圈;所述頂層子線圈和所述底層子線圈均采用平面螺旋線圈,n個所述頂層子線圈的繞向相同,n個所述底層子線圈的繞向相同且與所述頂層子線圈的繞向相反,n≥2。
3、優選地,n個陣列式排布的頂層子線圈與n個陣列式排布的底層子線圈之間通過所述pcb基板連接成上下解耦的m個檢測線圈,m≥2。
4、優選地,上下相對的所述頂層子線圈與所述底層子線圈的外尺寸相同;上下相對的所述頂層子線圈的匝數大于所述底層子線圈的匝數。
5、優選地,n個所述頂層子線圈分為k個頂層線圈單元,每個所述頂層線圈單元包括2行4列排布的8個所述頂層子線圈,第一行的首尾兩個所述頂層子線圈串聯連接成第一頂層檢測線圈,第一行的中間兩個所述頂層子線圈串聯連接成第二頂層檢測線圈,第二行的首尾兩個所述頂層子線圈串聯連接第三頂層檢測線圈,第二行的中間兩個所述頂層子線圈串聯連接成第四頂層檢測線圈,k≥1;
6、n個所述底層子線圈分為k個底層線圈單元,每個所述底層線圈單元包括2行4列排布的8個所述底層子線圈,第一行的首尾兩個所述底層子線圈串聯連接成第一底層檢測線圈,第一行的中間兩個所述底層子線圈串聯連接成第二底層檢測線圈,第二行的首尾兩個所述底層子線圈串聯連接第三底層檢測線圈,第二行的中間兩個所述底層子線圈串聯連接成第四底層檢測線圈;
7、所述第一頂層檢測線圈與所述第一底層檢測線圈串聯作為第一檢測線圈;
8、所述第二頂層檢測線圈與所述第二底層檢測線圈串聯作為第二檢測線圈;
9、所述第三頂層檢測線圈與所述第三底層檢測線圈串聯作為第三檢測線圈;
10、所述第四頂層檢測線圈與所述第四底層檢測線圈串聯作為第四檢測線圈。
11、優選地,所述檢測線圈的自感等于組成該檢測線圈的頂層子線圈和底層子線圈的集成電感之和;
12、所述頂層子線圈或所述底層子線圈的集成電感l通過下式計算:
13、
14、其中,μ0是真空磁導率,n是線圈匝數,ρ和davg分別為線圈的填充率和平均直徑,din、dout分別表示線圈的內徑和外徑。
15、優選地,所述檢測線圈的寄生電容cd由下式計算:
16、
17、其中,ε表示所述pcb基板的介電常數,h、w分別表示所述pcb基板的厚度和線圈線徑,dout1表示所述檢測線圈的頂層檢測線圈的外徑,din2表示所述檢測線圈的底層檢測線圈的內徑,n2表示底層檢測線圈的匝數。
18、本發明還提供一種基于雙層pcb線圈的無線充電異物檢測方法,其關鍵在于,包括:
19、在無異物介入時,為所述的每一個檢測線圈施加初始頻率為f0的激勵信號;
20、獲取初始頻率為f0的激勵信號下的每一個檢測線圈的電壓信號和電流信號;
21、根據該電壓信號和電流信號計算對應的阻抗信息并根據該阻抗信息閉環調節給每個所述檢測線圈的驅動信號的頻率,直至每個所述檢測線圈的阻抗信息滿足預設要求,得到每個所述檢測線圈的最佳驅動頻率;
22、連續發射最佳驅動頻率的激勵信號致對應的所述檢測線圈;
23、實時獲取每個所述檢測線圈在其最佳驅動頻率下的電壓信號;
24、根據在最佳驅動頻率下的每個所述檢測線圈的電壓信號計算每個所述檢測線圈的振幅比和相位差,并根據每一個所述檢測線圈的振幅比和相位差判斷每一個所述檢測線圈的檢測區域是否有異物介入。
25、進一步地,所述最佳驅動頻率滿足所述檢測線圈的阻抗值大于阻抗閾值且阻抗相位角為正;當所述檢測線圈的振幅比和相位差均大于對應的閾值時,判定該檢測線圈對應的檢測區域有異物介入。
26、本發明還提供一種基于雙層pcb線圈的無線充電異物檢測系統,其關鍵在于:包括所述的雙層pcb線圈,還包括與m個所述檢測線圈一一連接的m個異物采樣處理電路,以及連接m個異物采樣處理電路的mcu,以及連接在所述mcu和m個所述檢測線圈之間的m個驅動電路;
27、所述mcu用于在無異物時給每個所述檢測線圈施加初始頻率為f0的驅動信號并通過所述檢測線圈連接的驅動電路生成初始頻率為f0的激勵信號作用于該檢測線圈;
28、所述異物采樣處理電路用于獲取所述檢測線圈在初始頻率為f0的激勵信號下的電壓信號和電流信號并發送至所述mcu;
29、所述mcu還用于根據收到的電壓信號和電流信號計算對應的阻抗信息并根據該阻抗信息閉環調節給每個所述檢測線圈的驅動信號的頻率,直至每個所述檢測線圈的阻抗信息滿足預設要求,得到每個所述檢測線圈的最佳驅動頻率;
30、所述mcu還用于在得到每個所述檢測線圈的最佳驅動頻率后,連續發射給每個所述檢測線圈施加最佳驅動頻率的驅動信號并通過所述檢測線圈連接的驅動電路生成最佳驅動頻率的激勵信號作用于該檢測線圈;
31、所述異物采樣處理電路還用于實時獲取每個所述檢測線圈在其最佳驅動頻率下的電壓信號,并根據該電壓信號計算對應的振幅比和相位差發送至所述mcu;
32、所述mcu還用于根據每個所述檢測線圈的振幅比和相位差判斷每個所述檢測線圈的檢測區域是否有異物介入。
33、優選地,所述異物采樣處理電路包括一個連接所述檢測線圈的采樣電阻,以及連接所述采樣電阻的帶通濾波器以及順序連接在所述帶通濾波器和所述mcu之間的幅值相位信號檢測芯片,所述帶通濾波器用于濾除實際場合中來自功率磁場的85khz的感應電壓信號以及由于開關管開通關斷引入的其他噪聲信號;;所述幅相檢測芯片用于根據濾波后采樣電阻的電壓信號計算對應的振幅比和相位差并輸出能直接供所述mcu進行adc轉換的直流電平信號,所述幅相檢測芯片的輸出電壓與輸入信號的關系如下式所示:
34、vmag=vslp·log(vina/vinb)
35、vphs=vφ[φ(vina)-φ(vinb)]
36、其中v?ina和v?inb是輸入電壓,vslp是以mv/度為單位的幅值斜率系數,vmag是對于輸入信號的振幅比信號;vφ是以mv/度為單位的相位斜率系數,φ()是以度為單位的相對相位,vphs是輸出信號的相位差信號;
37、所述mcu用于在無異物介入時根據濾波后的所述電壓信號和電流信號計算對應的所述檢測線圈的阻抗值和阻抗相位角,以及根據該阻抗值和阻抗相位角判斷是否需要調整所述檢測信號的驅動頻率;所述mcu還用于在確定最佳驅動頻率后,根據采集到的振幅比和相位差判斷該檢測線圈對應的檢測區域是否有異物介入;
38、所述最佳驅動頻率滿足所述檢測線圈的阻抗值大于阻抗閾值且阻抗相位角為正;當所述檢測線圈的振幅比和相位差均大于對應的閾值時,判定該檢測線圈對應的檢測區域有異物介入。
39、本發明提供的一種雙層pcb線圈,包括由上及下層級設置的頂層線圈、pcb基板和底層線圈,頂層線圈與底層線圈之間通過pcb基板上開設的過孔進行連接,pcb基板用于產生寄生電容,并與頂層線圈和底層線圈自身的電感形成lc并聯補償特性,實現了在無需額外配諧電容的情況下,即具有lc并聯諧振的特性,在保證檢測線圈高靈敏度的同時,提高了系統的集成度。
40、本發明提供的基于雙層pcb線圈的無線充電異物檢測方法及系統,針對檢測線圈參數偏移的問題,基于檢測線圈阻抗值閾值確定在檢測線圈自共振頻率附近的最佳激勵頻率,以對檢測線圈進行激勵,在最佳激勵頻率下可放大檢測線圈的信號變化,可以提高檢測線圈的靈敏度,也可以抵消檢測線圈參數漂移的不利影響。該檢測系統及方法利用了檢測線圈頂層走線和底層走線之間的匝間電容,在最佳激勵頻率下通過計算檢測線圈的振幅比和相位差實現對生物體和金屬異物的一體化檢測。