一种用于磁共振无线电能传输异物检测及电能传输的系统

摘要

本发明公开了一种用于磁共振无线电能传输异物检测及电能传输的系统，包括连接的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统；磁共振无线电能异物检测子系统用于进行异物检测；磁共振无线电能传输子系统用于根据磁共振无线电能异物检测子系统的检测结果进行无线电能传输，对负载进行供电。本发明中的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统共用同一个控制电路或使用两个可以双向通信的控制系统，有利于减少信息处理和信息传输的时延，在检测到异物时可以第一时间保护无线电能传输系统的发射电路，更好地达到异物检测的目的。

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于磁共振无线电能传输异物检测及电能传输的系统。

背景技术

随着电子信息技术和自动化控制技术的不断发展，各式各样的家电设备、消费电子产品和移动通信设备等已得到了广泛普及，然而传统的家用电器依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，采用内置电池的电子设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，因此我们随处能看到为这些电子设备提供电能供给的电线。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，而且产生了安全用电的隐患。所以，随着人们对可以完全无线使用的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。由于其具有无导线限制、无插拔等优势，目前在电子设备上的应用越来越广泛。目前，越来越多的电子设备采用无线充电设备为其进行无线充电，例如电子设备可以为手机和可穿戴设备等；无线充电技术的原理是通过发射端的发射线圈和接收端的接收线圈之间磁场耦合来传输电能。例如，对于手机的无线充电，无线充电设备是指无线充电器，电子设备是指手机。其中，发射线圈位于无线充电器中，接收线圈位于手机内部。但是，当发射线圈和接收线圈之间存在NFC卡或者RFID电子标签时，发射线圈和接收线圈之间变化的磁场会损坏NFC卡或者RFID电子标签，使其损坏无法使用；当发射线圈和接收线圈之间存在金属异物时，发射线圈和接收线圈之间变化的磁场会在异物上产生涡流或异物耦合到发射线圈发射出来的能量，从而产生热量，可能损坏发射电路，并且容易因为发热进而引起起火等安全性问题；当发射线圈和接收线圈之间存在非充电电子设备时，发射线圈发射在空中的电磁能量会被非充电电子设备内部的电路板耦合到，从而造成非充电电子设备不能正常工作或者损坏；因此，异物检测是无线充电技术需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决磁共振无线电能传输领域的异物检测问题，提出了一种。

本发明的技术方案是：一种用于磁共振无线电能传输异物检测及电能传输的系统包括通信连接的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统；

磁共振无线电能异物检测子系统用于进行异物检测；

磁共振无线电能传输子系统用于根据磁共振无线电能异物检测子系统的检测结果进行无线电能传输，对负载进行供电。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统共用同一个控制电路或使用两个可以双向通信的控制系统，有利于减少信息处理和信息传输的时延，在检测到异物时可以第一时间保护无线电能传输系统的发射电路，更好地达到异物检测的目的。

（2）本发明的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统分别采用不同的工作频率，因此两个系统可以同时工作，做到对异物的实时检测以及对发射电路的及时保护，两个系统对彼此的干扰很小，不会影响彼此的正常工作。

进一步地，磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统采用不同的工作频率。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，两个系统采用不同的工作频率，因此两个系统可以同时工作，做到对异物的实时检测以及对发射电路的及时保护，由于两个系统采用不同的工作频率，因此两个系统对彼此的干扰会很小，不会影响彼此的正常工作。

进一步地，磁共振无线电能传输子系统包括依次连接的第一控制电路、第一功率放大器、第一阻抗匹配网络、第一发射谐振网络、第一发射天线、接收天线、接收谐振网络、整流稳压电路和负载；

第一控制电路用于采集磁共振无线电能传输子系统的参数和控制磁共振无线电能传输子系统工作；

第一功率放大器用于放大无线电能的功率，将直流功率转换为射频能量；

第一阻抗匹配网络用于进行阻抗变换，将第一功率放大器的输出阻抗匹配至第一发射谐振网络的输入阻抗；

第一发射谐振网络和第一发射天线组成LC串并联谐振电路，并用于通过调整第一发射谐振网络的元器件参数调整磁共振无线电能传输子系统的工作频率；因此，本系统可以适用于任何工作频段；

第一发射天线用于将射频能量发射至第一发射天线所处空间中；

接收天线用于接收射频能量；

接收天线和接收谐振网络组成LC串并联谐振电路，用于将射频能量整流为直流信号；

整流稳压电路的整流桥用于对直流信号进行整流稳压，并提供给负载使用。

进一步地，磁共振无线电能异物检测子系统包括依次连接的第二控制电路、第二功率放大器、第二匹配阻抗网络、第二发射谐振网络和第二发射天线，且第一控制电路和第二控制电路连接；

第二控制电路用于检测磁共振无线电能传输子系统是否存在异物；

第二功率放大器用于放大无线电能的功率，将直流功率转换为射频能量；

第二匹配阻抗网络用于进行阻抗变换，将第二功率放大器的输出阻抗匹配至第二发射谐振网络的输入阻抗；

第二发射谐振网络和第二发射天线组成LC串并联谐振电路，并用于调整磁共振无线电能异物检测子系统的工作频率；

第二发射天线用于将射频能量发射至第二发射天线所处空间中。

进一步地，第二控制电路检测是否存在异物的具体方法为：利用第二控制电路判断磁共振无线电能异物检测子系统的回波损耗、阻抗Zin和输入电流的参数变化值是否超过设定阈值，若是则磁共振无线电能传输子系统存在异物，并利用第一控制电路断开磁共振无线电能传输子系统的电源；否则磁共振无线电能传输子系统不存在异物，并利用第一控制电路启动磁共振无线电能传输子系统工作。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，第一控制电路和第二控制电路不限于是两个分开的电路，既控制磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统可以共用同一个控制电路或者可以双向通信的两个电路；磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统共用控制电路可以减少信息处理和信息传输的时延，在检测到异物时可以第一时间保护磁共振无线电能传输子系统的发射电路，更好的达到异物检测的目的。

附图说明

图1为系统的结构图；

图2为整个系统的工作逻辑框图；

图3为磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统的发射天线图；

图4为磁共振无线电能传输子系统发射天线图；

图5为磁共振无线电能异物检测子系统发射天线图；

图6为磁共振无线电能异物检测子系统内有异物和无异物时对应图5中各点的回波损耗S11的对比图；

图7为磁共振无线电能异物检测子系统内有异物和无异物时对应图5中各点的阻抗Zin值的对比图；

图8为磁共振无线电能异物检测子系统内有异物和无异物时对应图5中各点的输入电流变化对比图；

图中，401、第一发射天线；402、第一连接点；403、第一发射天线补偿部分；404、第一能量馈入口；501、第二发射天线；502、第二连接点；503、第二发射天线补偿部分；504、第二能量馈入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种用于磁共振无线电能传输异物检测及电能传输的系统，包括连接的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统；

磁共振无线电能异物检测子系统用于进行异物检测；

磁共振无线电能传输子系统用于根据磁共振无线电能异物检测子系统的检测结果进行无线电能传输，对负载进行供电。

在本发明实施例中，磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统采用不同的工作频率。

两个系统采用不同的工作频率，因此两个系统可以同时工作，做到对异物的实时检测以及对发射电路的及时保护，由于两个系统采用不同的工作频率，因此两个系统对彼此的干扰会很小，不会影响彼此的正常工作。

在本发明实施例中，如图1所示，磁共振无线电能传输子系统包括依次连接的第一控制电路、第一功率放大器、第一阻抗匹配网络、第一发射谐振网络、第一发射天线、接收天线、接收谐振网络、整流稳压电路和负载；

第一控制电路用于采集磁共振无线电能传输子系统的参数和控制磁共振无线电能传输子系统工作；

第一功率放大器用于放大无线电能的功率，将直流功率转换为射频能量；

第一阻抗匹配网络用于进行阻抗变换，将第一功率放大器的输出阻抗匹配至第一发射谐振网络的输入阻抗；

第一发射谐振网络和第一发射天线组成LC串并联谐振电路，并用于通过调整第一发射谐振网络的元器件参数调整磁共振无线电能传输子系统的工作频率；因此，本系统可以适用于任何工作频段；

第一发射天线用于将射频能量发射至第一发射天线所处空间中；

接收天线用于接收射频能量；

接收天线和接收谐振网络组成LC串并联谐振电路，用于将射频能量整流为直流信号；

整流稳压电路的整流桥用于对直流信号进行整流稳压，并提供给负载使用。

直流功率通过第一发射功率放大器再到阻抗变换电路进行阻抗变换，再经第一发射谐振网络和第一发射天线发射到第一发射天线附近的空间中，接收天线和接收谐振网络通过磁共振耦合获得能量，最后经过整流稳压电路，再供给负载。

在本发明实施例中，如图1所示，磁共振无线电能异物检测子系统包括依次连接的第二控制电路、第二功率放大器、第二匹配阻抗网络、第二发射谐振网络和第二发射天线，且第一控制电路和第二控制电路连接；

第二控制电路用于检测磁共振无线电能传输子系统是否存在异物；

第二功率放大器用于放大无线电能的功率，将能量转换为射频能量；

第二匹配阻抗网络用于进行阻抗变换，将第二功率放大器的输出阻抗匹配至第二发射谐振网络的输入阻抗；

第二发射谐振网络和第二发射天线组成LC串并联谐振电路，并用于调整磁共振无线电能异物检测子系统的工作频率；

第二发射天线用于将射频能量发射至第二发射天线所处空间中。

能量通过第二发射功率放大器由DC转换成射频能量，再经过第二匹配阻抗网络进行阻抗匹配，然后到第二发射谐振网络和第二发射天线发射到第二发射天线附近的空间中，当第二发射天线发射出的电磁场空间内有异物时会引起系统的阻抗、电流等参数产生较大变化，磁共振无线电能异物检测子系统中的阻抗Zin、输入电流检测等参数电路再将采集到的值传回控制电路来判断系统中是否存在异物，控制电路再通过判断的结果控制磁共振无线电能传输子系统的通断。其中，第二发射功率放大器的作用是将小信号放大变成大功率信号，第二阻抗匹配网络将第二功率放大器的输出阻抗匹配到第二发射谐振网络的输入阻抗，第二发射谐振网络和第二发射线圈组成LC串并联谐振电路。

在本发明实施例中，第二控制电路检测是否存在异物的具体方法为：利用第二控制电路判断磁共振无线电能异物检测子系统的回波损耗、阻抗Zin和输入电流的参数变化值是否超过设定阈值，若是则磁共振无线电能传输子系统存在异物，并利用第一控制电路断开磁共振无线电能传输子系统的电源；否则磁共振无线电能传输子系统不存在异物，并利用第一控制电路启动磁共振无线电能传输子系统工作。

当第二发射天线发射出的电磁场空间内有异物时会引起磁共振无线电能异物检测子系统的阻抗Zin和输入电流等参数发生剧烈变化，磁共振无线电能传输异物检测系统中的各个参数检测电路再将这一值传回控制电路来判断系统中是否存在异物，控制电路再通过判断的结果控制磁共振无线电能传输子系统的通断；

第一控制电路和第二控制电路不限于是两个分开的电路，既控制磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统可以共用同一个控制电路或者可以双向通信的两个电路；磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统共用控制电路可以减少信息处理和信息传输的时延，在检测到异物时可以第一时间保护磁共振无线电能传输子系统的发射电路，更好的达到异物检测的目的。

在本发明实施例中，如图2所示，本发明的工作流程如下：当整个电路通电时，磁共振无线电能异物检测子系统开始工作，当磁共振无线电能异物检测子系统电路中采集到的值超过预设值的范围时，判定系统中存在异物，则第一控制电路不开启磁共振无线电能传输子系统的电源，磁共振无线电能异物检测子系统继续检测，直到系统判定不存在异物，若判定系统中不存在异物时，则控制电路开启磁共振无线电能传输子系统的电源，磁共振无线电能传输子系统开始正常工作，同时磁共振无线电能异物检测子系统也在工作，若磁共振无线电能异物检测子系统判定存在异物则磁共振无线电能传输子系统断电，回到最开始状态，反之，磁共振无线电能传输子系统进入扫描状态，若此时磁共振无线电能异物检测子系统判定存在异物则磁共振无线电能传输子系统断电，回到最开始状态，反之，无线电能传输系统进入正常工作状态，若此时磁共振无线电能异物检测子系统判定存在异物则磁共振无线电能传输子系统断电，回到最开始状态，反之，磁共振无线电能异物检测子系统一直检测是否存在异物。

磁共振无线电能异物检测子系统先于磁共振无线电能传输子系统工作，当控制电路判断磁共振无线电能异物检测子系统中无异物的时候，磁共振无线电能传输子系统才开始工作，磁共振无线电能异物检测子系统可以在磁共振无线电能传输子系统未工作、低功率扫描和正常充电三个状态进行异物检测，即当整个系统开始通电磁共振无线电能异物检测子系统就开始工作，直到整个系统电源断开。

如图3-5所示，本实施例中用于磁共振无线电能异物检测子系统发射天线结构和尺寸不固定，但始终遵循系统内存在异物时无论异物在发射天线内的任何位置都能引起电路中阻抗Zin和输入电流等参数发生较大变化，且异物在发射天线内的任何位置引起各个变化的量都接近。如图3所示，为本实施例中磁共振无线电能传输子系统发射天线和磁共振无线电能异物检测子系统发射天线，其长和宽都为200mm。如图4所示，为本实施例所设计的磁共振无线电能传输子系统发射天线，其中，401是第一发射天线、403是第一发射天线补偿部分，402是连接401和403的第一连接点，404是磁共振无线电能传输子系统的第一能量馈入口；如图5所示，为本实施例所设计的磁共振无线电能异物检测子系统发射天线，其在整个系统平面内都能检测出异物，其中，501是第二发射天线，504是磁共振无线电能异物检测子系统发射天线的第二能量馈入口，502是连接501和503的第二连接点，503是第二发射天线补偿部分，点A、点B点C、点D、点E、点F、点G、点H、点I、点J、点K、点L、点M、点N和点O表示进行有异物时和无异物时的检测点。整个系统的两个发射天线，第一发射天线和第二发射天线的结构不固定，始终遵循在整个系统内存在异物时无论异物在系统内的任何地方都能够检测出来，即当整个系统内任何地方存在异物时用于判断是否存在异物的参数都会发生明显变化，且在任何地方发生变化的幅度值接近。

本实施例中磁共振无线电能异物检测子系统的电路中具备多种参数判断标准如图6所示，图6是磁共振无线电能异物检测子系统内有异物和无异物时对应图5中各点（点A、点B点C、点D、点E、点F、点G、点H、点I、点J、点K、点L、点M、点N和点O）的回波损耗S11的对比图，当系统中无异物时在整个平面能都保持同一个值，大约在-1.65dB，当系统中有异物时在整个平面内的值变化不大，在-10.7dB到-10.2dB左右，整个平面内变化幅度不大，但与无异物时的S11值相比具有明显的差别，因此可以作为有无异物的判断标准。如图7所示，是磁共振无线电能异物检测子系统内有异物和无异物时对应图5中各点（点A、点B点C、点D、点E、点F、点G、点H、点I、点J、点K、点L、点M、点N和点O）的阻抗Zin值的对比图，包括实部和虚部，当系统内无异物时在整个平面内实部和虚部都无变化，其中实部大约在5.4Ω左右，虚部在20Ω左，当磁共振无线电能异物检测子系统中存在异物时在各点的阻抗Zin实部变化范围是33-34.5Ω左右，整个平面内各点实部变化不大，虚部变化范围在18.5-20Ω左右，且平面内各点变化不大，虽然虚部与无异物时变化不大，但是实部变化很明显，因此可以通过检测阻抗值变化来判断是否存在异物。如图8所示，图8是磁共振无线电能异物检测子系统内有异物和无异物时对应图5中各点（点A、点B点C、点D、点E、点F、点G、点H、点I、点J、点K、点L、点M、点N和点O）的输入电流变化对比图，当系统内无异物时整个平面内流过系统的输入电流无变化，且保持在151mA，当磁共振无线电能异物检测子系统内有异物时，在平面内各点对应的输入电流存在差异，变化范围在113-120mA内，与无异物时相比差异明显，控制电路可以根据这一系列参数可以判断系统内是否存在异物；磁共振无线电能异物检测子系统具备输入电流采集功能，当系统内存在异物时，经过磁共振无线电能异物检测子系统的电路中的以上参数会发生较大的变化，以此作为判断异物是否存在的标准，检测电路中参数的变化是否超出设定的值的范围，若超出设定的值的范围则认为异物存在，反之则判定不存在异物；磁共振无线电能传输子系统与磁共振无线电能异物检测子系统共用同一控制电路；磁共振无线电能传输异物检测系统的输入电流采集电路采集到的输入电流值传到控制电路，控制电路通过采集到的值与设定的阈值进行比较，判断是否存在异物，若判断结果为存在异物，则控制电路断开磁共振无线电能传输子系统的电源。

本发明的工作原理及过程为：本发明需要实时监测无线充电系统中是否有异物存在，并基于两个不同工作频率的系统，两个系统同时工作；两个系统具备不同的功能，一个系统用于无线电能传输，另一个系统用于异物检测。

本发明的有益效果为：

（1）本发明中的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统共用同一个控制电路或使用两个可以双向通信的控制系统，有利于减少信息处理和信息传输的时延，在检测到异物时可以第一时间保护无线电能传输系统的发射电路，更好地达到异物检测的目的。

（2）本发明的磁共振无线电能传输子系统和磁共振无线电能异物检测子系统分别采用不同的工作频率，因此两个系统可以同时工作，做到对异物的实时检测以及对发射电路的及时保护，两个系统对彼此的干扰很小，不会影响彼此的正常工作。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。