电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构。

背景技术

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术作为一种无需金属导线的直接接触，便可将能量从发射端输送到负载接收端的技术，近年来受到了越来越多研究人员的关注，其主要的优点是安全可靠灵活，实现了自由的充电以及电源和负载间完全意义上的电气隔离，在电动汽车，消费类电子产品等商业领域得到了广泛的应用。

磁耦合式无线电能传输技术在WPT中技术最为成熟应用最为广泛，但在实际应用中，由于发射端和接收端没有直接的物理接触，导致两者之间的充电区域往往会有金属异物的进入。这些金属异物一方面会使无线电能传输系统的耦合机构的参数发生变化，进而使得系统的功率和效率下降，影响系统正常工作；另一方面，意外进入的金属异物会在涡流效应的影响下产生发热现象，尤其是在电动汽车无线充电这种对大功率要求比较高的场景，充电功率一般会达到几十千瓦，涡流效应尤为显著，金属异物产生的发热现象会十分严重，甚至会发生火灾，威胁人身财产的安全。因此，异物检测(Foreign Object Detection,FOD)作为能够提高电动汽车无线充电安全性和可靠的技术，其重要性不言而喻，并且已有相关标准规定了电动汽车无线充电系统中必须有FOD技术。在异物检测技术中，金属异物检测(metal object detection，MOD)尤为重要，其基本原理是：在充电区域中产生涡流效应下的金属异物可以等效为电阻和电感的串联模型,如说明书附图1所示，在高频激励下，检测线圈的自感量会随着金属异物的介入而发生变化，通过检测线圈自感变化量来判断是否有金属异物的存在。

发明内容

考虑在电动汽车无线电能传输系统中，由于发射端和接收端没有直接的物理接触，导致两者之间的充电区域往往会有金属异物的进入。为了弥补现有技术的缺陷和不足，本发明旨在提供一种电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构，其特征在于：检测线圈位于发射线圈的上方；所述检测线圈的结构通过相反极性的线圈串联使检测线圈和发射线圈之间解耦。

进一步地，所述检测线圈一共有20列，每一列由16个相互串联的矩形小线圈组成；单个子检测线圈由两个相反极性的小矩形线圈串联而成，使两个小矩形线圈的磁场相互抵消，以实现解耦；

将两个所述子检测线圈串联得到由四个小矩形线圈组成的检测模块，进而得到一列由8个子检测线圈串联而成的条形检测线圈，检测线圈则由20个所述条形检测线圈铺设而成。

进一步地，所述检测线圈由两层检测线圈组成，其中第二层检测线圈用于消除第一层的检测盲区；

设线圈A、B、C、D为四个四极型线圈，它们分别由四个单极线圈以相反的极性串联而成，相邻的两个单极线圈极性相反，从而实现了四极线圈与发射线圈的解耦；通过从外向内布置多个四极检测线圈，得到每侧由8个矩形线圈组成的第一层检测线圈；

第二层检测线圈设置在位于四个不同四极线圈的交界处的检测盲区的上方用于消除盲点，采用四极线圈及与第一层检测线圈相同的去耦结构。

进一步地，所述第二层检测线圈每侧有七个单极线圈，中间不能构成四极线圈的单极线圈采用双极线圈结构，通过串联两个相反极性的单极线圈实现与发射线圈的解耦。

与现有技术相比，本发明及其优选方案的优势在于实现了检测线圈和发射线圈的解耦，从而消除了对无线充电能量传输的影响，并且在检测线圈的各个位置上，均取得了一个较大的检测线圈自感变化率，从而获得优异的金属异物检测能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是现有技术金属异物检测检测线圈与金属异物的模型示意图：（a）布局示意图；（b）耦合电路模型；

图2本发明所提出的金属异物检测线圈结构一示意图：（a）俯视图；（b）MAXWELL里的仿真模型；

图3本发明反向串联的金属异物检测线圈结构示意图；

图4为本发明金属异物在检测线圈结构一上摆放的不同位置示意图；

图5本发明所提出的金属异物检测线圈结构二示意图：（左）俯视图；（右）MAXWELL里的仿真模型；

图6为本发明结构二第一层检测线圈解耦原理示意图；

图7为本发明结构二第二层检测线圈解耦原理示意图；

图8为本发明金属异物在检测线圈结构二上摆放的不同位置示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举2个实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本发明所提出的电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构一如图2所示，检测线圈位于发射线圈的上方，一共有20列，每一列由16个相互串联的矩形小线圈组成。

为了消除检测线圈对无线电能传输磁场的影响，需要设计线圈结构使检测线圈和发射线圈之间解耦。如图3所示，图中符号“x”表示磁场方向垂直纸面方向向里，而符号“·”表示磁场方向垂直纸面方向向外。单个子检测线圈由两个相反极性的小矩形线圈串联而成，这样两个小矩形线圈的磁场相互抵消，实现解耦。将两个子检测线圈串联可得到由四个小矩形线圈组成的检测模块，进而可得到一列由8个子检测线圈串联而成的条形检测线圈，图2中的检测线圈则由20个这样的条形检测线圈铺设而成。

建立所提结构的仿真模型，如图2所示，以硬币为金属异物，得到金属异物在不同位置时的检测线圈自感变化率及检测线圈与发射线圈耦合系数，如表I所示。其中金属异物在检测线圈上摆放的不同位置如图4所示。

表I 金属异物在不同位置时检测线圈结构一的自感变化率及检测线圈与发射线圈耦合系数

由表I可知，在异物常出现的5种位置上，检测线圈均实现了与发射线圈的解耦，且检测线圈的自感变化率最小为2.98%，最大达到了4.41%。

实施例二

本发明所提出的电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构二如图5所示，该结构由两层检测线圈组成，第二层检测线圈主要作用是消除第一层的检测盲区。

第一层检测线圈的解耦原理如图6所示，图中符号“x”表示磁场方向垂直纸面方向向里，而符号“· ”表示磁场方向垂直纸面方向向外。线圈A、B、C、D为四个四极型线圈，它们分别是由四个单极线圈以相反的极性串联而成的。从图中的磁场方向可知，相邻的两个单极线圈极性相反，从而实现了四极线圈与发射线圈的解耦。通过从外向内布置多个四极检测线圈，可以得到每侧由8个矩形线圈组成的第一层检测线圈。

在图6中用数字1到4标记的四个点上，线圈的参数变化很小，因为这些点位于四个不同四极线圈的交界处。在这些点上金属异物较难被检测到，因此被称为检测盲区。有必要在这些点上方放置第二层检测线圈，以消除盲点。如图7所示，图中的线圈A即为放置在图6中标记的四个点上方的四极线圈，其去耦原理与第一层相同。双层检测线圈结构确保金属异物能够位于一个四极线圈的中心区域，以获得较大的自感变化率。

由于第二层线圈每侧有七个单极线圈，因此在第二层的中间将有一个剩余的单极线圈不能构成四极线圈，所以该线圈将设计为双极线圈。如图7中间的双极型线圈所示，通过串联两个相反极性的单极线圈实现与发射线圈的解耦。这样在所有点上都取得了良好的检测效果。

根据图6和图7，建立所提结构的仿真模型，如图5（右）所示，检测线圈与发射线圈耦合系数最大值仅为0.35%，因此检测线圈与发射线圈实现了解耦。以最新版一元人民币为金属异物，得到金属异物在不同位置时的检测线圈自感变化率，如表Ⅱ所示。其中金属异物在检测线圈上摆放的不同位置示意图如图8所示。

表Ⅱ 金属异物在不同位置时检测线圈结构二的自感变化率及检测线圈与发射线圈耦合系数

从表Ⅱ可以看出，第一层线圈自感变化率在0.92%和3.51%之间，第二层线圈自感变化率在2.4%和28.11%之间。在实际应用中，两层检测线圈中有一层线圈检测到金属异物的存在即可，这意味着在检测线圈结构二中的金属异物可以被轻松检测到。

由以上两个实施例可以看出，相比于现有的方案，本发明的优势在于：

（1） 提出电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈的两种不同的结构。

（2） 实现了检测线圈和发射线圈的解耦，从而消除了对电动汽车无线充电系统能量传输的影响。

（3） 在检测线圈的各个位置上，均取得了一个较大的检测线圈自感变化率，从而获得优异的金属异物检测能力。

本发明所提出的电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈的结构，可以获得两种不同的优选解耦方式，均实现了发射线圈与检测线圈的解耦，从而消除了对无线充电系统能量传输的影响，并且获得了优异的金属异物检测能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电动汽车无线充电系统的金属异物检测线圈结构，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。