一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法

摘要

本发明提出一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法。所述系统包括：双层梯形检测线圈板、双通道锁相放大器、DSP模块和Labview上位机软件。该系统采用梯形线圈提高了部分区域检测线圈与金属异物的互感值，并应用双通道锁相放大器来对淹没于噪声中的信号进行处理，增加了对小尺寸异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检。

说明书

技术领域

本发明涉及的是无线电能传输技术领域，具体涉及到一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法。

背景技术

本发明的背景技术为电动汽车无线电能传输系统(WPT,Wireless PowerTransfer)异物检测(FOD，Foreign Object Detection)。无线电能传输技术具有安全可靠、简单高效、互操作性强、无接触火花、适用于恶劣环境等优点，备受人们青睐，广泛应用于电动汽车、医疗电子设备、便携式电子设备、轨道交通等领域。但由于收发线圈之间存在间隙，在实际应用中，不可避免的会有金属异物掉落其中，金属异物在高频磁场下产生的涡流效应会使得系统电磁参数发生变化，导致系统的传能效率降低甚至无法充电，并且会使得金属异物温度飙升，极易引发火灾等事故。因此，金属异物检测是无线电能传输系统中必不可少的功能之一。

目前各研究团队提出了多种不同检测线圈用来进行金属异物检测。例如，2014年曲晓东等提出一种由两个半圆形线圈绕制而成的检测线圈，减小了检测线圈的体积，可以实现对圆形铁片的有效检测；2018年Seog Jeong等提出四层非重叠矩形检测线圈，用以实现对金属异物的定位；2020年Jongeun Byun等提出一种由一根导线绕制成的矩形线圈，增加了线圈的数量，并设计了上下两层检测线圈用以消除检测盲区；2020年深圳大学研究团队提出新型矩形检测线圈阵列，通过改变第二层线圈的位置，减小了第二层线圈的数量，结构简单，成本低；2022年，杜凯等提出新型DD检测线圈阵列，设计继电器使检测线圈分时工作，消除不同检测线圈之间的干扰，提高检测精度。

现有技术的水平以及存在的问题(缺陷)：

一、单层检测线圈阵列(如半圆形线圈)无法实现单层紧密排列，在两线圈相接区域存在检测盲区；

二、矩形线圈阵列排列紧密，可有效消除检测盲区，与金属异物之间的互感沿横向分布较为均匀，但在检测小尺寸金属异物时，由于互感幅度整体较低，导致检测线圈感应到的电压变化量较小，易造成对小尺寸金属异物的漏检。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法。本发明提出一种新型梯形检测线圈板作为金属异物检测线圈，并使用双通道锁相放大器对检测线圈感应到的电压信号进行处理。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统，所述系统包括：双层梯形检测线圈板、双通道锁相放大器、DSP模块和Labview上位机软件，其中，

所述双层梯形检测线圈板包括两个正交叠放的单层16通道梯形检测线圈板，放置于无线充电系统原边线圈表面，当存在金属异物时，与金属异物产生互感，线圈感应电压发生变化；

所述双通道锁相放大器与梯形检测线圈板相连接，用于检测线圈感应电压的变化量，包括前置放大电路、移相电路、相敏检测电路和低通滤波电路；

所述DSP模块用于输出逻辑电平控制不同通道信号的选通，还用于对双通道锁相放大器处理后的信号进行采样，并以RS232串口通信的方式发送至Labview上位机软件；

所述Labview上位机软件，用于接收DSP模块发送的数据，对数据进行处理，并以柱状图形式输出各通道数字量变化值。

进一步地，每个单层梯形检测线圈板均采用16个梯形检测线圈相互啮合构成8组梯形线圈对，采用16通道并行的方式对所述金属异物进行检测。

进一步地，所述前置放大电路包括运算放大器OP1、电阻R

被测信号输入到运算放大器OP1的同相输入端，并与电阻R

进一步地，所述移相电路包括运算放大器OP2、电阻R

正弦参考信号输入与电阻R

进一步地，所述相敏检测电路由两块电子开关型相敏检测器组成，分别以参考信号和移相90°后的参考信号为基准，对放大后的被测信号进行相敏检测。

进一步地，所述低通滤波电路包括运算放大器OP3、电阻R

相敏检测器的输出与电阻R

进一步地，所述Labview上位机软件对串口接收的数据进行处理的具体过程为：

将接收到的数据个数实时显示在上位机的前面板，用以判断数据是否接收完毕；将采集到的两个低通滤波器输出的结果进行平方后求和再求平方根，所得结果即为被测信号经放大后的幅值所对应的数据量；将此结果与预存储的检测线圈零漂数据相减并取绝对值，即为有无异物情况下各通道数字量的变化值，通过与阈值进行对比，可判断有无金属异物，并可输出金属异物所在位置的通道编号。

本发明提出一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位方法，所述方法利用所述的一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统来实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，DSP按键启动检测，通过信号选通将所述双层检测线圈板中的每一个梯形检测线圈轮流接入到所述双通道锁相放大器；

步骤S2，利用DSP将所述双通道锁相放大器的两路滤波输出信号采集并发送到Labview上位机软件，计算出各通道感应到的电压数据量，与预存储的线圈零漂数据作差后与阈值作比较，判断有无异物；

步骤S3，若存在异物，则输出异物所在通道对应的编号，反之，则等待指令或重新进行检测，或结束检测；

步骤S4，将正交叠放的两个梯形线圈板检测到的数据量差值进行矩阵相乘并开方，得到256个数据，对应着两个检测线圈形成的256个坐标，绘制3D带投影云图，显示异物所在位置。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法，通过将矩形检测线圈更改为梯形检测线圈，提高了金属异物与检测线圈之间的互感值，进一步提高了检测线圈感应电压的变化值，有利于提高对小尺寸金属异物的检测概率，避免出现大面积漏检的情况；将检测线圈制作成PCB板，设计精度高，成本低，重量轻，利于检测系统的安装与集成，可进行大批量生产，适用范围广；同时，采用双通道锁相放大器对检测线圈感应到的电压信号进行处理，可提取淹没在WPT系统原边驱动器或高频逆变器产生的高频谐波下的电压信号，进一步提高小尺寸金属异物的检测概率。

附图说明

图1为本发明的基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统的结构示意图；

图2为本发明的检测线圈、金属异物和原边线圈的等效电路模型示意图；

图3为本发明的矩形和梯形检测线圈的仿真模型示意图；

图4为本发明的梯形线圈对和矩形线圈对与金属异物的互感变化曲线示意图；

图5为本发明的双通道锁相放大器结构示意图；

图6为本发明的前置放大器电路结构示意图；

图7为本发明的移相电路结构示意图；

图8为本发明的低通滤波器电路结构示意图；

图9为本发明的Labview上位机软件的前面板示意图；

图10为本发明的双层检测线圈金属异物定位投影云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统结构示意图，所述系统包括：双层梯形检测线圈板、双通道锁相放大器、DSP模块和Labview上位机软件。其中，所述双层梯形检测线圈板包括两个正交叠放的单层16通道梯形检测板，放置于无线电能传输系统原边线圈表面，当存在金属异物时，与金属异物产生互感，线圈感应电压发生变化；所述双通道锁相放大器与梯形检测线圈板相连接，用于检测线圈感应电压的变化量，包括前置放大电路、移相电路、相敏检测电路、低通滤波电路；所述DSP模块用于输出逻辑电平控制不同通道信号的选通，还用于对双通道锁相放大器处理后的信号进行采样，并以RS232串口通信的方式发送至上位机软件；所述Labview上位机软件，用于接收DSP模块发送的数据，对数据进行处理，并以柱状图形式输出各通道数字量变化值。

所述双层梯形检测线圈板，通过变换线圈形状改变了矩形线圈与金属异物之间互感沿横向的分布状态，提高了部分区域内检测线圈与金属异物的互感值，该互感值与检测线圈感应电压变化量成正相关，进而提高了检测线圈感应电压的变化量，增加了对小尺寸金属异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检。每个单层梯形检测线圈板均采用16个梯形检测线圈相互啮合构成8组梯形线圈对，采用16通道并行的方式对所述金属异物进行检测，另外，为降低检测线圈的设计加工难度，利于检测系统的安装与集成，采用PCB板制作梯形检测线圈，设计灵活，精度高，重量轻，可进行大批量生产，适用范围广。

所述双通道锁相放大器，将其作为信号处理电路的核心，主要是由于单匝检测线圈较传统的多匝检测线圈感应到的电压较小，并且WPT系统原边驱动器或高频逆变器产生的高频谐波将直接注入到原边线圈，进而严重干扰检测线圈所感应到的电压。而双通道锁相放大器可用于提取高频噪声环境下的信号，可解决上述问题，并且双通道锁相放大器滤波输出只与被测信号的幅值相关，不受被测信号和参考信号之间相位差的影响，确保异物检测的准确性。

所述金属异物与检测线圈之间的互感和检测线圈感应电压变化量的关系是通过图2的等效电路推导得到，其中，检测线圈和金属异物均等效为阻感负载，U

列写有无金属异物时检测线圈的感应电压，二者区别在于存在异物时，检测线圈与金属异物之间的耦合会产生电压，检测线圈感应电压以及二者的差值为：

列写金属异物回路的KVL方程为：

由于在高频磁场环境下jωL

将式(3)代入式(1)后，有无异物情况下检测线圈的感应电压变化量为：

式中，自感是金属异物自身的参数，不会发生变化；WPT系统设计完成后，系统工作角频率和原边回路电流也固定不变。金属异物与检测线圈之间的互感与检测线圈的感应电压变化量呈正相关。因此，提高检测线圈感应电压变化量的途径之一是通过优化检测线圈结构，提升线圈与金属异物之间互感，进而实现更好检测效果。

下面具体说明矩形线圈和梯形线圈与金属异物之间的互感，搭建Maxwell仿真模型，齿条形线圈和梯形线圈如图3所示，具体参数如表1所示，金属异物由圆环代替，各几何体均由线径为0.5mm的单匝铜线组成。

表1各几何体参数

仿真结果如图4所示，可以看出上下两个梯形线圈与金属异物的互感呈现了很好的互补关系，当金属异物处于梯形线圈对的啮合位置时，梯形线圈与金属异物的互感始终大于矩形线圈，因此本发明实施例提出的梯形检测线圈的检测效果优于矩阵线圈。

所述双通道锁相放大器与梯形检测线圈板相连接，用于检测线圈感应电压的变化量，包括前置放大电路、移相电路、相敏检测电路、低通滤波电路，电路结构如图5所示。

如图6所示，所述前置放大电路主要用于放大被测信号，包括运算放大器OP1、电阻R

如图7所示，所述移相电路包括运算放大器OP2、电阻R

所述相敏检测电路由两块电子开关型相敏检测器组成，分别以参考信号和移相90°后的参考信号为基准，对放大后的被测信号进行相敏检测。

如图8所示，所述低通滤波电路包括包括运算放大器OP3、电阻R

根据不同的逼近方法，滤波器主要分为巴特沃斯、切比雪夫、椭圆和贝塞尔低通滤波器。巴特沃斯低通滤波器特点是在通频带内平坦度最大，随着阶数的增加通带内平坦度区域就越宽，但其过渡带较长，阻频带逐渐下降为零；切比雪夫低通滤波器过渡带衰减比巴特沃斯更快，但频率相应的幅频特性不如后者平坦，通带内存在波动，并随着阶数的增加而增加；椭圆滤波器是在通带和阻带均等纹波波动的滤波器，相比于切比雪夫，其更进一步利用通带和阻带的起伏为代价来换取过渡带更为陡峭的特性，即其阻带下降最快，也意味着通带内波动最大；贝塞尔滤波器具有最平坦的幅度响应，但通带内的没有巴特沃斯滤波器平坦，阻带下降速度比切比雪夫滤波器慢。

相敏检测电路输出结果包含被测信号的倍频分量和直流分量，需要经过低通滤波器滤除倍频分量，保留直流分量，用于后续输出信号幅值的计算。对比上述四种逼近方式，本发明所需低通滤波器期望有较短的过渡带，显然椭圆和切比雪夫低通滤波器较合适，但椭圆滤波器通带纹波较大，相比之下，切比雪夫低通滤波器更合适，并且可通过调节滤波器参数来削弱通带内纹波。

其传递函数可以表示为：

其中，A＝1+R

为了减小元件值得分散性并使得设计变得简单，且不影响滤波器的特性，选取等值电阻R

所述DSP模块用于输出逻辑电平控制不同通道信号的选通，还用于对双通道锁相放大器处理后的信号进行A/D采样，并以RS232串口通信的方式发送至上位机软件。

所述Labview上位机软件对串口接收的数据进行处理的具体过程为：将接收到的数据个数实时显示在上位机的前面板，如图9所示，用以判断数据是否接收完毕；将采集到的两个低通滤波器输出的结果进行平方后求和再求平方根，所得结果即为被测信号经放大后的幅值所对应的数据量，该结果以柱状图形式显示在上位机软件的前面板；将此结果与预存储的检测线圈零漂数据相减并取绝对值，即为有无异物情况下各通道数字量的变化值，通过与阈值进行对比，可判断有无金属异物，并可输出金属异物所在位置的通道编号。

以一角硬币异物为例，通过双层检测线圈感应到的电压变化所对应的数字量，将两组数据进行矩阵相乘并开放，得到256个代表着256个坐标的数据，绘制成3D带投影图云图如图10所示，可见异物所处位置的对应的数据量明显高于周边，由此可以定位异物所在位置。

本发明提供一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位方法，包括以下步骤：

步骤S1，DSP按键启动检测，通过信号选通将所述双层检测线圈板中的每一个梯形检测线圈轮流接入到所述双通道锁相放大器中，进行被测信号的放大，参考信号的移相，处理后的信号输入到相敏检测器中，使用低通滤波器滤除倍频信号；

步骤S2，利用DSP将所述双通道锁相放大器的两路滤波输出信号采集并发送到Labv iew上位机软件，计算出各通道感应到的电压数据量，与预存储的线圈零漂数据作差后与阈值作比较，判断有无异物。

步骤S3，若存在异物，则输出异物所在通道对应的编号，反之，则等待指令或重新进行检测，或结束检测；

步骤S4，将正交叠放的两个梯形线圈板检测到的数据量差值进行矩阵相乘并开方，得到256个数据，对应着两个检测线圈形成的256个坐标，绘制3D带投影云图，显示异物所在位置。

本发明提供一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法，该系统包括：双层检测线圈包括两个上下正交叠放的单层16通道梯形检测线圈板，用于当存在金属异物时，与其产生互感，并输出感应电压；双通道锁相放大器用于对检测线圈输出的电压信号进行处理，输出只与被测信号幅值相关的直流信号；DSP模块用于控制不同通道信号分时进行检测，采集低通滤波器输出结果并发送到上位机软件；上位机用于对接收到的数据进行运算处理，输出各检测通道数据量变化值，并与检测阈值作比较，判断有无金属异物。该系统采用梯形线圈提高了部分区域检测线圈与金属异物的互感值，并应用双通道锁相放大器来对淹没于噪声中的信号进行处理，增加了对小尺寸异物的检测概率，避免造成检测线圈组对小尺寸金属异物的大面积漏检。

综上，根据本发明实施例提出的一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统，通过将矩形检测线圈更改为梯形检测线圈，提高了金属异物与检测线圈之间的互感值，进一步提高了检测线圈感应电压的变化值，有利于提高对小尺寸金属异物的检测概率，避免出现大面积漏检的情况；

(2)将检测线圈制作成PCB板，设计精度高，成本低，重量轻，利于检测系统的安装与集成，可进行大批量生产，适用范围广；

(3)采用双通道锁相放大器对检测线圈感应到的电压信号进行处理，可提取淹没在WPT系统原边驱动器或高频逆变器产生的高频谐波下的电压信号，进一步提高小尺寸金属异物的检测概率。

以上对本发明所提供的一种基于双通道锁相放大器的无线充电系统金属异物检测与定位系统及方法，进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。