無線充電領(lǐng)域金屬異物檢測(cè)的方法綜述

秦媛倩

摘 要：無線充電技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，但在充電過程中若有金屬異物侵入充電區(qū)域范圍，將使得金屬異物產(chǎn)生高溫，此時(shí)，發(fā)生危險(xiǎn)以及令充電設(shè)備損壞的可能性很高，因此本文將從專利申請(qǐng)角度重點(diǎn)介紹如何針對(duì)該金屬異物進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：無線;充電;異物;檢測(cè)

一、緒論

無線充電是通過磁耦合、磁共振等技術(shù)，在充電器和待充電設(shè)備之間的空氣中傳輸電能，從而為電池充電的技術(shù)。這種無線充電方法有效地應(yīng)用于需要大容量電池充電手持通信裝置、電動(dòng)汽車等。但當(dāng)能量傳輸區(qū)域中出現(xiàn)金屬異物時(shí)，混入無線充電電磁能量傳輸區(qū)的金屬異物在高頻電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生一系列的電磁現(xiàn)象，在混入金屬異物后，由金屬異物引起發(fā)射線圈等效阻抗增大將使得發(fā)射端電流減小，降低充電效能。因此，有必要對(duì)混入金屬的無線充電系統(tǒng)的充電進(jìn)行分析，并找到能夠合理檢測(cè)無線充電系統(tǒng)中的金屬異物、保持系統(tǒng)能量傳輸?shù)姆椒ā1-2]

二、金屬異物檢測(cè)方法介紹

本章將重點(diǎn)從專利申請(qǐng)角度介紹一下金屬異物檢測(cè)的各種方法以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

（一）Q值檢測(cè)方法

Q因數(shù)是代表電路中能量維持和能量損失之間的關(guān)系的指標(biāo)，其中電路包括電力發(fā)送側(cè)的線圈和電力接收側(cè)的線圈，該Q因數(shù)是代表諧振電路中的諧振強(qiáng)度的指標(biāo)。磁諧振方法的優(yōu)點(diǎn)在于電力接收側(cè)線圈的軸不用必須調(diào)整成電力發(fā)送側(cè)線圈的軸;選擇電力發(fā)送側(cè)位置和電力接收側(cè)位置時(shí)的自由度高，并且設(shè)置電力發(fā)送側(cè)和電力接收側(cè)之間的距離的自由度也高。通過測(cè)量包括電磁耦合至外部的線圈的電路的Q值來確定是否有金屬異物的技術(shù)被應(yīng)用于一個(gè)初級(jí)側(cè)向多個(gè)次級(jí)側(cè)充電的情況。但基于Q值檢測(cè)的方式需要設(shè)置專門的Q值檢測(cè)電路，成本也將相應(yīng)提高。

（二）溫度檢測(cè)方法

由于當(dāng)存在金屬異物時(shí)將導(dǎo)致發(fā)射、接收線圈溫度升高，因而基于溫度檢測(cè)方式被提出用來執(zhí)行異物檢測(cè)。其原理主要是在發(fā)射線圈側(cè)設(shè)置溫度傳感器，用來檢測(cè)該線圈的溫度，在溫度傳感器的檢測(cè)溫度大于某一閾值時(shí)確定存在金屬異物。而基于該原理的檢測(cè)方式還包括對(duì)于多個(gè)溫度傳感器排布方式、溫度傳感器的精度選擇、溫度傳感器的檢測(cè)位置以及對(duì)溫度檢測(cè)的方式進(jìn)行改進(jìn)。

（三）電壓、電流、功率損耗

對(duì)無線充電裝置的發(fā)射端和接收端之間是否存在金屬異物的檢測(cè)方法還包括通過電壓、電流以及功率損耗的方式來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于電壓、電流的方式，主要是通過在發(fā)射側(cè)設(shè)置電壓傳感器或電流傳感器，當(dāng)存在異物時(shí)，發(fā)射線圈側(cè)的電壓或者流過發(fā)射線圈的電流將發(fā)生變化，而將感測(cè)的信號(hào)與相應(yīng)的閾值比較即能夠判斷是否存在異物。

而對(duì)于通過檢測(cè)發(fā)射端的功率損耗方式來實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)的原理是：若檢測(cè)的功率損耗超出預(yù)設(shè)閥值，則判定為有金屬異物存在，無線充電裝置的發(fā)射端將會(huì)終止功率傳送。但由于半導(dǎo)體器件的損耗還受電壓、開關(guān)頻率、溫度等影響，因此，功率損耗在發(fā)射端的電路難以計(jì)算，此外，在測(cè)試功率損耗時(shí)，需要同步測(cè)量發(fā)射端和接收端各級(jí)的功率損耗，但系統(tǒng)響應(yīng)通常存在幾百毫秒級(jí)別的時(shí)間延遲，測(cè)量過程為防止功率發(fā)生驟變，需要同步校準(zhǔn)功率補(bǔ)償系統(tǒng)測(cè)量誤差，從而造成操作性難度和復(fù)雜度都很大。

（四）紅外、圖像或者超聲

由于通過紅外、圖像或超聲方式進(jìn)行異物檢測(cè)比較直觀，因此，近幾年來關(guān)于該分支的專利申請(qǐng)相繼被提出，其原理是通過在無線充電過程中獲取無線電力發(fā)射端與無線電力接收端之間的紅外熱成像圖像，確定是否有異常物體，并在無線電力發(fā)射端與無線電力接收端之間存在異常物體時(shí)，判斷異常物體的溫度值或者功率損耗是否滿足預(yù)設(shè)規(guī)則，然后在異常物體的溫度值或功率損耗滿足預(yù)設(shè)規(guī)則時(shí)，向無線電力發(fā)射端發(fā)送無線充電終止指令，終止無線充電過程，通過紅外熱圖像可以準(zhǔn)確的判斷出異常物體以及異常物體的溫度值，提高無線充電過程中異物檢測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高無線充電過程中的安全性。

（五）反饋認(rèn)證

反饋認(rèn)證主要是使得發(fā)射端和接收端通過通信的方式實(shí)現(xiàn)相互認(rèn)證，若認(rèn)證失敗，則判定存在異物或者是不匹配的接收端，則停止供電，其中一個(gè)認(rèn)證原理為：接收側(cè)的通信設(shè)備響應(yīng)于來自供電側(cè)的預(yù)定數(shù)據(jù)的接收將特定的數(shù)據(jù)序列發(fā)送至供電側(cè)，由供電側(cè)判定該接收端是否為合法的接收端。通過反饋認(rèn)證的方式可以很好的檢測(cè)出是否存在異物，但該檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。

（六）阻抗

由于存在異物時(shí)，線圈的阻抗參數(shù)將發(fā)生變化，因而基于阻抗原理的異物檢測(cè)方法被提出，該方式是通過檢測(cè)輸入阻抗或者輸出阻抗，將該阻抗與相應(yīng)阻抗閾值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)。

（七）其他

其他方向包括通過壓力、重力檢測(cè)，如通過檢測(cè)充電殼體上表面的壓力參數(shù)值判斷是否存在異物;通過頻率實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，如通過檢測(cè)的諧振頻率的偏離信息，來判斷有無對(duì)非接觸電能傳輸有影響的異物;通過電容檢測(cè)，如根據(jù)電容檢測(cè)電路檢測(cè)的電容值判斷發(fā)射線圈陣列的有效發(fā)射區(qū)域內(nèi)是否存在異物。

三、結(jié)語

盡管專利申請(qǐng)中已經(jīng)提出多種技術(shù)來檢測(cè)這種金屬異物，如基于品質(zhì)因數(shù)、電壓、電流、功率損耗、溫度等方式，但由于每種方式均具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，并且存在局限性，因而近年來通過多種方式相結(jié)合進(jìn)行金屬異物檢測(cè)的方式相繼被提出，利用該種方式看可以使得不同的方法之間互補(bǔ)疊加，從而產(chǎn)生更優(yōu)的檢測(cè)效果，并且具有良好的應(yīng)用前景。

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