一种无线充电器金属异物间接检测算法

一种无线充电器金属异物间接检测算法

技术领域

在本发明涉及用于防止无线充电器上金属异物引起的发热问题。该算法经过校正可以精确计算金属异物的发热，对无线充电器在使用中的安全性起到关键性的作用。 

本发明的应用范围主要是电磁感应式无线充电器(QI标准)，磁共振式无线充电器，用于单电源功率精确计算的场合。 

背景技术

现有常用无线充电技术中， QI标准逐渐成为了主流的无线充电标准。在无线充电器的发射端和接收端之间如果放入金属物体，交流的磁场在金属中会产生涡流损耗产生热量，该热量会产生高温，发生安全事故。最新的QI标准中有关于金属异物探测的要求，并且是强制性的规定，为了准确的检测金属异物，本发明提出的检测算法有助于精确检测并计算金属异物的损耗，如果损耗超出预定的值，无线充电器将会终止功率传送。 

 QI标准中的异物识别方法采用计算异物引发的有功功率损耗，当其损耗超过判断阈值后，即判定为存在异物。其关系式如下： 

 接收端接收的有功功率是由接收端控制器通过通信的方式发给发送端的控制器，用于发送端控制器进行异物识别的判断。公式中，发射端电路有功损耗是一项较难获得的信息，它主要包括逆变桥半导体开关和发射端控制、显示等元器件电路损耗的电能。其中半导体开关的损耗受到供电电压、开关频率、温度等影响，较难计算。而发射端元器件电路损耗的电能更是一项较难评估的信息。以上各部分损耗的有功功率都是较难通过控制软件计算得到，无法获得准确的结果，导致异物识别的精度降低。

 本发明的核心通过检测发送端电感线圈输出的有功功率，避免了对发射端电路损耗的检测和计算，提高了异物识别的精度，详细原理由下一节阐述。 

发明内容

本发明所述的无线充电金属异物间接检测算法，包括两部分的内容，第一部分是硬件处理部分，第二部分是软件处理部分。具体的理论原理如下： 

无线充电器的结构如图1所示，发射端将直流电源逆变成交流电，加在发射端的线圈电感上，通过交变电磁场，将能量传递至接收端线圈。本发明的核心是计算发射端电路的有功损耗，为异物识别方法提供准确可靠的依据。

无线充电发射端有功功率的输入、输出、各部分损耗分布如图2所示。如果存在异物，交变电磁场在异物中产生的损耗可以用下式计算出来： 

发射端电路有功损耗是一项较难获得的信息，它主要包括逆变桥半导体开关和发射端控制、显示等元器件电路损耗的电能。本发明的核心是通过测量发送端线圈的电压电流，计算得到发送端发出的有功功率，从而避免计算发射端电路的有功损耗。发送端输出的有功功率实际上可以表达成下式：

按以上所述，异物产生的有功损耗可以简化为：

 交流量的有功功率计算公式如下：

 电感电压：

电感电流：

视在功率：

有功功率平均值：

 该公式的电路实现的方法如图3， 发射端电感线圈两端的电压和流过的电流都是交流正弦量，经过采样调理电路后得到信号量。电压和电流采样信号量经过有效值电路得到电压有效值U和电流有效值I，经过鉴相器得到电压和电流的相位角， 电压有效值，电流有效值和电压电流的相位角接到中央处理单元。中央处理单元根据上述有功功率平均值计算公式，计算中有功功率平均值，作为异物识别的依据之一。而发射端线圈的涡流损耗，可以通过电流和频率，根据线圈损耗计算公式计算得到。

 现结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述。 

  无线充电器由直流输入，全桥逆变电路，谐振电感和谐振电容，驱动电路，负载通信解调电路，功率计算单元，电流采样，输入电压采样，谐振电感电压采样组成。接收端由LCC双谐振电路，负载通信调制电路，功率计算单元，电压采样等电路构成。接收端通过负载调制电路把接收端接收到的功率发送给发射端，发射端通过负载通信解调电路把负载扰动形成高低电平送给发射端的微处理器，微处理器经过约定的通信协议翻译成所需要的信息，然后通过计算判断是否终止功率传送。 

附图说明

图1是无线充电系统框图； 

图2是金属异物检测原理框图； 

图3是功率计算原理框图； 

 具体实施方式

本发明采用检测方法，具体实施方法是这样的： 

发射端线圈两端的电压可以直接采样得到，送入差分电路进行信号转换。流过发射端线圈的电流可以经过采样电阻或者电流传感器得到，经过差分电路进行信号转换。另外一种间接的方式是忽略电流中的谐波成分，直接采样和电感串联电容两端的电压峰值，除以1.414，即为流过电感和电容的电流有效值。

有效值计算电路用来计算电压和电流信号的有效值的平均值，此电路可以用多种方式实现。其中一种方式是，将电压和电流信号经过绝对值运算电路，如桥式整流电路，再经过低通滤波器得到有效值的平均值。 

鉴相器用来获得电压和电流信号的相位角，将此信号送入中央处理器单元计算正弦量。将采样电路输出的电压电流信号经过过零比较电路，整形成方波信号。然后，将这两路电压、电流整形信号经过异或逻辑电路得到包含相位角信息的方波信号。将此信号送入中央处理器单元。 

中央处理器单元用来计算发射端输出的有功功率平均值，进行异物识别的判断。具体方式采用2个AD口采样电压和电流的有效值平均值，用捕获单元计算鉴相器输出的方波的高电平时间宽度，以此计算出。 

软件算法主要由中央处理器单元完成，如图四所示。当鉴相器输出到中央处理器单元的方波信号出现上升沿或下降沿时，进入捕获中断服务程序，用下降沿的时刻减去上升沿的时刻，即为电压和电流信号的相位差，将相位差进行正弦计算，得到功率因数。 

主程序中用AD转换得到电压和电流有效值的平均值采样，将电压、电流有效值和功率因数相乘，得到电感线圈输出的有功功率的平均值。中央处理器用电感电流的大小及频率估算电感线圈的涡流损耗，将上面计算得到的有功功率平均值减去线圈涡流损耗和接收端发送过来的接收功率数据，得到金属异物损耗的有功功率，当此有功功率大于设定好的判断阀值，即断定为存在异物，进入异物处理环节。