技术领域
[0001] 本
发明涉及电动
汽车无线充电技术领域，尤其是一种无线充电金属异物检测装置及检测方法。
背景技术
[0002] 随着化石
能源的不断消耗以及环境污染的不断加剧，新能源汽车产业得到了各国政府的大
力支持，正处于一个高速发展的阶段。电动汽车无线充电具有安全、方便、自动化等优势，已经成为充电技术研究和发展的热点。但电动汽车无线充电发射线圈一般安装在室外的
停车位上，其表面随时有可能出现如硬币、易拉罐、
铁钉等各类金属异物，在无线充电时这些金属异物会因为
涡流效应导致发热，这一方面将大幅降低无线充电的传输效率，同时也有可能引燃周边的易燃物而带来安全事故。所以无线充电系统必须配置一套金属异物的检测设备，保障充电的安全性。
[0003] 电动汽车无线充电可以采用如下几种方式进行金属异物检测,包括:
[0004] ①监控发射线圈表面图像，通过图像监测发现异物；
[0005] 图像视觉的检测方法存在着可能受到光线等外界干扰，以及本身清洁的问题而产生误报警或不能及时报警的情况；
[0006] ②采用辅助检测线圈阵列检测工作
磁场下阻抗等参数变化的方法；
[0007] 采用辅助线圈也因为无线充电工作时的强磁场对检测系统部件的影响，而存在着检测的敏感性、准确性及抗干扰等方面的问题。小尺寸金属异物因为在磁场下参数变化较小，且线圈阵列内检测线圈的边界相互有重叠，往往会存在金属异物检测的盲区。
[0008] ③采用
温度传感器采样发射端温度的方法；
[0009] 温度传感器只能测定某一
接触点的温度，如果要采样一个发射线圈的整体端面，需要大量的传感器组成阵列。温度传感器的
探头和引出线一般都是金属材质，在无线充电传输过程中同样会因为涡流效应损坏传感器，破坏
能量传输，且这种检测方式也很容易产生监测盲区。
[0010] ④采用红外测温监控联动报警的检测技术；
[0011] 红外测温同样会受到环境光线等的外界干扰，金属物体测量时表面会有反光，会影响实际应用中的检测，不能保证无线充电的整体安全。采用红外测温采样一个发射线圈的整体端面，也存在着高成本的问题，往往较多使用在实验测试中。
发明内容
[0012] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种无线充电金属异物检测装置及检测方法，通过在发射线圈内增加压电
基板，激励声表面波检测温度变化，从而发现金属异物的装置及检测方法，解决了无线充电发射线圈上存在金属异物引起高温而可能引发安全隐患的问题，而且抗干扰性强，可以提高电动汽车无线充电工作的安全性。
[0013] 一种无线充电金属异物检测装置及检测方法，其中：
[0014] 一种无线充电金属异物检测装置，包括：声表面波采样单元、压电基板、导热胶层、吸声材料层、高频发生
电路、温度传感器、循环采集电路和表面
声波检测电路；所述声表面波采样单元设置在压电基板上方，用于采样无线充电系统发射线圈的上壳体温度；所述声表面波采样单元的一端与所述循环采集电路的一端电连接，所述循环采集电路的另一端与所述表面声波检测电路的一端电连接；所述声表面波采样单元的另一端与所述高频发生电路的一端电连接；
[0015] 进一步的，为达到检测异物的目的，所述压电基板封装在发射线圈线盘上方，上壳体的下部；所述压电基板和上壳体之间填充了一层导热胶层作为
缓冲层，以减少上壳体上方出现异物时对压电材料传递压力；
[0016] 作为一种举例说明，所述压电基板采用压电材料制作而成；
[0017] 进一步的，所述声表面波采样单元包括：多组输入
叉指换能器、多组输出叉指换能器、输入
电极以及输出电极；所述多组输入叉指换能器并排紧邻的设置在所述压电基板的左侧，所述多组输出叉指换能器并排紧邻的设置在所述压电基板的右侧；所述输入叉指换能器用于接收声表面波；所述输出叉指换能器用于产生声表面波；所述输入电极用于向所述多组输入叉指换能器输入交变
电压；所述输出电极与所述多组输出叉指换能器电连接，用于输出电
信号；
[0018] 作为一种举例说明，所述输入叉指换能器包括：两个交叉相对、互不接触的输入叉指电极，每组输入叉指电极大小、形状一致；
[0019] 作为一种优选举例说明，所述输入叉指电极采用多个电极齿垂直设置在汇流条上的结构，即类似木梳结构；
[0020] 作为一种举例说明，所述输出叉指换能器包括：两个交叉相对、互不接触的输出叉指电极，每组输出叉指电极大小、形状一致；
[0021] 作为一种优选举例说明，所述输出叉指电极采用多个电极齿垂直设置在汇流条上的结构，即类似木梳结构；
[0022] 作为一种举例说明，所述输入、输出叉指电极均采用
半导体集成电路工艺，通过金属沉积制作而成；
[0023] 作为一种举例说明，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器大小、结构一致；
[0024] 作为一种举例说明，所述输入电极与输出电极均为交流两线制引线机制，相当于均具备零线与火线两个接头；
[0025] 进一步的，所述压电基板左侧的多组输入叉指换能器作为输入换能器，当在每组输入叉指换能器的输入电极上施加一个交变电压时，就会在所述两个输入叉指电极之间形成电位差；在该电位差形成的
电场作用下，由于逆压电的效应，会在压电基板表面产生应变，从而引起压电基板材料的拉伸或收缩，而电场方向因受交变电压的影响，会产生周期性的交替变化，使得压电基板表面产生“收缩-拉伸-收缩”的周期性交替形变，这种表面的形变就会激励出声表面波，并沿压电基板表面向左右两边扩散；
[0026] 进一步的，所述多组输入叉指换能器的每一对输入叉指电极都能激发出声表面波，多组输入叉指电极同时激励的声表面波可以互相
叠加，从而可获得更高的波
动能量；
[0027] 作为一种原理举例说明，所述声表面波固有的振荡
频率由所述输入叉指换能器的输入叉指电极的宽度、长度和间距所决定；还与温度、基底材料的
应力、
刚度、
质量密度等因素影响而实时发生变化；即输入叉指电极的宽度、长度和间距，以及压电基板的刚度、密度保持不变的情况下，可以通过
感知振荡频率的变化，检测到温度的变化；
[0028] 进一步的，所述声表面波的温度T和振荡频率F(T)关系有如下关系式：
[0029] F(T)＝f(T0)*[1+b0*(T-T0)+b1*(T-T0)2+…bn*(T-T0)n+1]
[0030] 公式中T0由温度传感器测量而得，测量的是空气温度，即是
环境温度。公式中温度系数b0～bn由材料决定，当压电基板采用如
石英等材料制作时，其一阶温度系数b0较高，而二阶b1到n阶温度系数bn较低，声表面波的温度变化和振荡频率基本成线性关系。
[0031] 进一步的，所述压电基板右侧的多组输出叉指换能器作为输出换能器，用于接收向右侧传播过来的声表面波，由于压电基板形变带来的正
压电效应，会在每组所述输出叉指换能器内激励产生高频电场，从而能够在所述输出电极上输出高频交流电场信号；每组输出电极的两个接头彼此并联在一起，而后分别与所述循环采集电路的一端电连接；
[0032] 进一步的，所述压电基板的四周和顶端安装了吸声材料层，向左侧边缘及向右侧传播穿过所述输出叉指换能器而外溢出的杂散声波可被吸声材料层吸收，避免了回声造成的干扰。
[0033] 进一步的，所述表面声波检测电路包括：低通
滤波器、转换
放大器和
控制器；所述表面声波检测电路用于接收所述循环采集电路采集的信号，并对该信号进行滤波、放大与处理；
[0034] 进一步的，所述循环采集电路，用于采集所述声表面波采样单元采样得到的高频交流电场信号；
[0035] 一种无线充电金属异物检测装置的检测方法，包括如下步骤：
[0036] 步骤一、在无线充电启动前的小功率传输检查或正常充电大功率的传输过程中，如果发射线圈的上壳体上方存在着金属异物，该金属异物会因涡流效应引起自身温度急剧升高，并带动其所在区域的温度同步升高，此热量会透过发射线圈的上壳体通过后面的导热胶层传递到压电基板上；
[0037] 步骤二、为检测所述压电基板上的温度分布，由高频发生电路将外部工频交流电转换为高频交流电，并施加在输入叉指换能器的输入电极上，在所述压电基板上产生一系列
覆盖整个压电基板的声表面波，并沿压电基板传播；
[0038] 步骤三、所述压电基板右端设置的各个输出叉指换能器将所接收到的声表面波转换为高频交流电场，各个输出叉指换能器两端的输出电极的两个接头分别并联在一起，并与循环采集电路的一端电连接，所述循环采集电路通过内部电路分时切换后，与表面声波检测电路循环接通，即每次只接入一个所述输出叉指换能器，将该通道的高频交流
电信号送入表面声波检测电路，滤除信号中无用的频率分量，而后送入到转换放大器，将信号放大，并将信号由
正弦波信号变换为方波信号，之后送入到控制器中进行
信号处理。
[0039] 作为一种举例说明，对振荡频率的测量主要通过对方波信号计数来实现，即控制器通过测量每秒的脉冲个数来测量并计算得出振荡频率。
[0040] 作为一种举例说明，可以通过设置多组循环采集电路及表面声波检测电路，以提高信号的采集速度。
[0041] 作为一种举例说明，输入的所述高频交流电还可以直接采用线圈等耦合设备耦合无线充电功率传输过程中施加在接
收线圈上的高频交流电，也可以由独立的高频发生电路产生高频交流电；采用功率传输过程中的交流电作为叉指换能器的高频交流电时，产生的声表面波与无线充电功率传输的磁场谐振频率一致，可以更好地抵消功率传输磁场可能对声表面波产生的影响。
[0042] 步骤四、控制器进行信号的处理依据振荡频率与温度的关系公式计算得出，当控制器检测出的温度超过设定温度值时，控制器发出指令使无线充电系统停止功率传输，通过无线充电的配套终端设备发出报警信号，并根据相应通道
位置指示出异物的位置，即发生温度变化的区域。
[0043] 为了更好的说明本发明的工作原理，现简要说明其原理设计的依据如下：
[0044] 由于金属异物的存在，产生涡流发热现象，导致压电基板上局部区域的温度变化，受温度影响压电基板上局部区域的声表面波的振荡频率会发生变化，通过对比采集到的不同通道测得的振荡频率值及各通道的参数相互比较，可以发现某些通道的振荡频率发生异常；
[0045] 检测温度的设定值的设定按照相关国家规范或更高的产品要求来确定，即将金属异物发热允许的最高限值透过上壳体传递到压电基板的温度作为检测设定的温度值。
[0046] 作为一种举例说明，所述输入、输出叉指换能器以半导体集成电路工艺制作，其尺寸和对应产生的声表面波检测通道为毫米级别，可以检测出类似回形针等的小尺寸金属异物；
[0047] 作为一种举例说明，无线充电功率传输中产生磁场的发射线圈包括：上壳体、发射线圈线盘、磁屏蔽材料和下壳体；其中在内部安装发射线圈线盘的壳体一般由非金属材料制作，线盘下面一般会安装磁屏蔽材料；采用磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统具有功率发射和接收两部分，其中功率发射利用接收线圈的电感与电容
串联或并联形成LC谐振回路，在接收端也组成同样谐振频率的接收回路，发射和接收之间可以通过谐振形成的强磁耦合来实现无线
电能传输。
[0048] 有益效果：
[0049] 本发明通过检测压电基板的声表面波，从而判断出金属异物带来的温度变化，声表面波利用的是由封装在线圈内部的压电材料表面产生的
机械波，而不是辅助线圈等产生的
电磁波，减小了无线充电时的强
电磁场及外部环境的干扰，从而解决了现有金属异物检测的可靠性问题。
[0050] 金属异物产生危险的原因就是温升，测量温度是检测金属异物最直接有效的方法，声表面波对温度变化非常敏感，通过声表面波可以获得很高的检测
精度。
附图说明
[0051] 图1是本发明一种无线充电金属异物检测装置的结构设计示意图
[0052] 图2是本发明一种无线充电金属异物检测装置的电路原理示意图
[0053] 图3是本发明一种无线充电金属异物检测装置之所基于的发射线圈结构示意图举例
具体实施方式
[0054] 下面，参考附图1至图3所示，一种无线充电金属异物检测装置及检测方法，其中：
[0055] 一种无线充电金属异物检测装置，包括：声表面波采样单元201、压电基板101、导热胶层305、吸声材料层102、高频发生电路202、温度传感器203、循环采集电路204和表面声波检测电路205；所述声表面波采样单元201设置在压电基板101上方，用于采样无线充电系统发射线圈的上壳体301温度；所述声表面波采样单元201的一端与所述循环采集电路204的一端电连接，所述循环采集电路204的另一端与所述表面声波检测电路205的一端电连接；所述声表面波采样单元201的另一端与所述高频发生电路202的一端电连接；
[0056] 进一步的，为达到检测异物的目的，所述压电基板101封装在发射线圈线盘302上方，上壳体301的下部；所述压电基板101和上壳体301之间填充了一层导热胶层305作为缓冲层，以减少上壳体301上方出现异物时对压电材料传递压力；
[0057] 作为一种举例说明，所述压电基板101采用压电材料制作而成；
[0058] 进一步的，所述声表面波采样单元201包括：多组输入叉指换能器、多组输出叉指换能器、输入电极103以及输出电极104；所述多组输入叉指换能器并排紧邻的设置在所述压电基板101的左侧，所述多组输出叉指换能器并排紧邻的设置在所述压电基板101的右侧；所述输入叉指换能器用于接收声表面波；所述输出叉指换能器用于产生声表面波；所述输入电极103用于向所述多组输入叉指换能器输入交变电压；所述输出电极104与所述多组输出叉指换能器电连接，用于输出电信号；
[0059] 作为一种举例说明，所述输入叉指换能器包括：两个交叉相对、互不接触的输入叉指电极，每组输入叉指电极大小、形状一致；
[0060] 作为一种优选举例说明，所述输入叉指电极采用多个电极齿105垂直设置在汇流条106上的结构，即类似木梳结构；
[0061] 作为一种举例说明，所述输出叉指换能器包括：两个交叉相对、互不接触的输出叉指电极，每组输出叉指电极大小、形状一致；
[0062] 作为一种优选举例说明，所述输出叉指电极采用多个电极齿垂直设置在汇流条上的结构，即类似木梳结构；
[0063] 作为一种举例说明，所述输入、输出叉指电极均采用半导体集成电路工艺，通过金属沉积制作而成；
[0064] 作为一种举例说明，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器大小、结构一致；
[0065] 作为一种举例说明，所述输入电极与输出电极均为交流两线制引线机制，相当于均具备零线与火线两个接头；
[0066] 进一步的，所述压电基板101左侧的多组输入叉指换能器作为输入换能器，当在每组输入叉指换能器的输入电极上施加一个交变电压时，就会在所述两个输入叉指电极之间形成电位差；在该电位差形成的电场作用下，由于逆压电的效应，会在压电基板101表面产生应变，从而引起压电基板101材料的拉伸或收缩，而电场方向因受交变电压的影响，会产生周期性的交替变化，使得压电基板101表面产生“收缩-拉伸-收缩”的周期性交替形变，这种表面的形变就会激励出声表面波，并沿压电基板101表面向左右两边扩散；
[0067] 进一步的，所述多组输入叉指换能器的每一对输入叉指电极都能激发出声表面波，多组输入叉指电极同时激励的声表面波可以互相叠加，从而可获得更高的
波动能量；
[0068] 作为一种原理举例说明，所述声表面波固有的振荡频率由所述输入叉指换能器的输入叉指电极的宽度、长度和间距所决定；还与温度、基底材料的应力、刚度、质量密度等因素影响而实时发生变化；即输入叉指电极的宽度、长度和间距，以及压电基板的刚度、密度保持不变的情况下，可以通过感知振荡频率的变化，检测到温度的变化；
[0069] 进一步的，所述声表面波的温度T和振荡频率F(T)关系有如下关系式：
[0070] F(T)＝f(T0)*[1+b0*(T-T0)+b1*(T-T0)2+…bn*(T-T0)n+1]
[0071] 公式中T0由温度传感器测量而得，测量的是空气温度，即是环境温度。公式中温度系数b0～bn由材料决定，当压电基板采用如石英等材料制作时，其一阶温度系数b0较高，而二阶b1到n阶温度系数bn较低，声表面波的温度变化和振荡频率基本成线性关系。
[0072] 进一步的，所述压电基板101右侧的多组输出叉指换能器作为输出换能器，用于接收向右侧传播过来的声表面波，由于压电基板101形变带来的
正压电效应，会在每组所述输出叉指换能器内激励产生高频电场，从而能够在所述输出电极104上输出高频交流电场信号；每组输出电极104的两个接头彼此并联在一起，而后分别与所述循环采集电路的一端电连接；
[0073] 进一步的，所述压电基板101的四周和顶端安装了吸声材料层102，向左侧边缘及向右侧传播穿过所述输出叉指换能器而外溢出的杂散声波可被吸声材料层吸收，避免了回声造成的干扰。
[0074] 进一步的，所述表面声波检测电路205包括：
低通滤波器206、转换放大器207和控制器208；所述表面声波检测电路205用于接收所述循环采集电路204采集的信号，并对该信号进行滤波、放大与处理；
[0075] 进一步的，所述循环采集电路204，用于采集所述声表面波采样单元201采样得到的高频交流电场信号；
[0076] 一种无线充电金属异物检测装置的检测方法，包括如下步骤：
[0077] 步骤一、在无线充电启动前的小功率传输检查或正常充电大功率的传输过程中，如果发射线圈的上壳体301上方存在着金属异物，该金属异物会因涡流效应引起自身温度急剧升高，并带动其所在区域的温度同步升高，此热量会透过发射线圈的上壳体301通过后面的导热胶层305传递到压电基板101上；
[0078] 步骤二、为检测所述压电基板上101的温度分布，由高频发生电路202将外部工频交流电转换为高频交流电，并施加在输入叉指换能器的输入电极103上，在所述压电基板101上产生一系列覆盖整个压电基板101的声表面波，并沿压电基板传播；
[0079] 步骤三、所述压电基板101右端设置的各个输出叉指换能器将所接收到的声表面波转换为高频交流电场，各个输出叉指换能器两端的输出电极104的两个接头分别并联在一起，并与循环采集电路204的一端电连接，所述循环采集电路204通过内部电路分时切换后，与表面声波检测电路205循环接通，即每次只接入一个所述输出叉指换能器，将该通道的高频交流电信号送入表面声波检测电路205，滤除信号中无用的频率分量，而后送入到转换放大器207，将信号放大，并将信号由正弦波信号变换为方波信号，之后送入到控制器208中进行信号处理。
[0080] 作为一种举例说明，对振荡频率的测量主要通过对方波信号计数来实现，即控制器208通过测量每秒的脉冲个数来测量并计算得出振荡频率。
[0081] 作为一种举例说明，可以通过设置多组循环采集电路204及表面声波检测电路205，以提高信号的采集速度。
[0082] 作为一种举例说明，输入的所述高频交流电还可以直接采用线圈等耦合设备耦合无线充电功率传输过程中施加在接收线圈上的高频交流电，也可以由独立的高频发生电路产生高频交流电；采用功率传输过程中的交流电作为叉指换能器的高频交流电时，产生的声表面波与无线充电功率传输的磁场谐振频率一致，可以更好地抵消功率传输磁场可能对声表面波产生的影响。
[0083] 为了更好的说明本发明的工作原理，现简要说明其原理设计的依据如下：
[0084] 由于金属异物的存在，产生涡流发热现象，导致压电基板101上局部区域的温度变化，受温度影响压电基板101上局部区域的声表面波的振荡频率会发生变化，通过对比采集到的不同通道测得的振荡频率值及各通道的参数相互比较，可以发现某些通道的振荡频率发生异常；
[0085] 检测温度的设定值的设定按照相关国家规范或更高的产品要求来确定，即将金属异物发热允许的最高限值透过上壳体301传递到压电基板101的温度作为检测设定的温度值。
[0086] 作为一种举例说明，所述输入、输出叉指换能器以半导体集成电路工艺制作，其尺寸和对应产生的声表面波检测通道为毫米级别，可以检测出类似回形针等的小尺寸金属异物；
[0087] 作为一种举例说明，无线充电功率传输中产生磁场的发射线圈包括：上壳体301、发射线圈线盘302、磁屏蔽材料303和下壳体304；其中在内部安装发射线圈线盘的壳体一般由非金属材料制作，线盘下面一般会安装磁屏蔽材料；采用磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统具有功率发射和接收两部分，其中功率发射利用接收线圈的电感与电容串联或并联形成LC谐振回路，在接收端也组成同样谐振频率的接收回路，发射和接收之间可以通过谐振形成的强磁耦合来实现无线电能传输。
[0088] 本发明通过检测压电基板101的声表面波，从而判断出金属异物带来的温度变化，声表面波利用的是由封装在线圈内部的压电材料表面产生的机械波，而不是辅助线圈等产生的电磁波，减小了无线充电时的强电磁场及外部环境的干扰，从而解决了现有金属异物检测的可靠性问题；金属异物产生危险的原因就是温升，测量温度是检测金属异物最直接有效的方法，声表面波对温度变化非常敏感，通过声表面波可以获得很高的检测精度。
[0089] 以上公开的仅为本
申请的一个具体
实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
