唐春森 鐘良亮 吳新剛 蘇炳柯 鐘明祥

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基于阻抗特性的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測(cè)方法

唐春森1鐘良亮2吳新剛3蘇炳柯1鐘明祥2

（1. 重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400044；2. 國(guó)網(wǎng)寧波供電公司，浙江 寧波 315000；3. 北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

針對(duì)無線充電系統(tǒng)中金屬及生物體異物的檢測(cè)問題，本文圍繞線圈阻抗的變化特性進(jìn)行分析，利用在高頻下金屬物體對(duì)線圈磁場(chǎng)分布的影響以及生物體對(duì)線圈雜散參數(shù)的影響，提出了一種基于阻抗特性的異物檢測(cè)方法。本文詳細(xì)分析了不同類型異物引起的檢測(cè)線圈阻抗變化特性，并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了不同類型和尺寸的異物對(duì)應(yīng)的線圈阻抗變化規(guī)律。本文所提的異物檢測(cè)方法能夠區(qū)分異物的類型和尺寸，使無線充電系統(tǒng)能夠采取更優(yōu)化的處理異物的措施，具有成本低、效果好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

電動(dòng)汽車；無線充電；阻抗特性；金屬檢測(cè)；生物體檢測(cè)

目前，電動(dòng)汽車在高速發(fā)展[1]，其充電站幾乎都采用有線充電方式，但是有線充電的發(fā)展普遍存在著一些問題，其依靠導(dǎo)體直接接觸實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，會(huì)產(chǎn)生接觸不可靠、接觸電阻溫度升高引起損壞、充電頭笨重、插拔不方便以及環(huán)境適應(yīng)性不好等問題。電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)采用高頻耦合磁場(chǎng)，把能量從電網(wǎng)無線傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車對(duì)電池進(jìn)行充電，充電過程可以自動(dòng)進(jìn)行，無需人為干預(yù)，具有便捷、安全、靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到電動(dòng)汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-5]。

對(duì)于無線充電系統(tǒng)而言，其水平鋪置的能量發(fā)射與接收線圈之間存在一個(gè)大功率高頻磁場(chǎng)區(qū)域，該區(qū)域容易進(jìn)入異物，如果是金屬類異物，就可能會(huì)因?yàn)闇u流損耗發(fā)熱而導(dǎo)致危險(xiǎn)，而且較大尺寸的金屬異物還會(huì)改變耦合機(jī)構(gòu)的參數(shù)，可能會(huì)使系統(tǒng)偏離正常工作點(diǎn)，嚴(yán)重情況下會(huì)使系統(tǒng)完全無法正常工作[6]。如果是人和動(dòng)物等生物體異物（或稱活物），就可能因?yàn)榇蠊β蚀艌?chǎng)曝露對(duì)其健康造成潛在影響。準(zhǔn)確快速的金屬類異物檢測(cè)（foreign object detect, FOD）及活物檢測(cè)（live object detect, LOD）對(duì)于無線充電系統(tǒng)的運(yùn)行安全性具有至關(guān)重要的作用。

圍繞金屬異物檢測(cè)及活物檢測(cè)，近年來人們已經(jīng)做了較多的研究。麻省理工學(xué)院通過在磁場(chǎng)中間加入兩個(gè)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了金屬異物的檢測(cè)，通過電容電信號(hào)檢測(cè)是否有活體進(jìn)入磁場(chǎng)范圍[7]。中興等公司也提出了一些無線充電異物檢測(cè)方法，比如通過有異物和沒有異物的兩個(gè)開關(guān)頻率不一樣進(jìn)行檢 測(cè)[8]，或者是在磁場(chǎng)中加入線圈對(duì)，看兩個(gè)線圈的感應(yīng)電壓差值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)等等[9-10]。其他還有比如通過重力進(jìn)行檢測(cè)或者功率檢測(cè)等方式[11-12]。但是各種辦法都有一些局限或者缺點(diǎn)，且基本不能同時(shí)檢測(cè)金屬及生物體異物。

為此，本文提出了一種基于阻抗特性的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測(cè)方法，該方法通過檢測(cè)異物對(duì)高頻檢測(cè)線圈的阻抗變化特性來判斷異物的存在，甚至可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)異物類型及尺寸的判斷。本文給出了該方法的基本原理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

1 基于阻抗特性的異物檢測(cè)方法

本方法是把一塊等間距螺旋繞制的線圈板作為傳感元件，將該檢測(cè)線圈鋪置在無線充電系統(tǒng)的能量發(fā)射線圈上方，如圖1和圖2所示。

圖1 螺旋等間距繞制的線圈板

圖2 阻抗測(cè)量線圈位置圖

當(dāng)金屬或者生物體異物進(jìn)入檢測(cè)線圈的范圍時(shí)，會(huì)改變線圈環(huán)境進(jìn)而影響檢測(cè)線圈的參數(shù)，線圈的阻抗就會(huì)發(fā)生變化，檢測(cè)到線圈阻抗發(fā)生變化即可判斷有金屬或生物體異物進(jìn)入。該檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 阻抗特性變化原理

在交變的磁場(chǎng)中，由于金屬進(jìn)入磁場(chǎng)引起的磁效應(yīng)或者渦流效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)，這個(gè)附加磁場(chǎng)將會(huì)破壞交變磁場(chǎng)的磁力線分布，所以也可以把這個(gè)產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)稱為二次場(chǎng)。附加的磁場(chǎng)的反作用會(huì)使測(cè)量線圈的有效阻抗產(chǎn)生變化。

2.1 非鐵磁性金屬特性

測(cè)量線圈中電流的幅值大小和相位都會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入線圈范圍的金屬所產(chǎn)生的二次場(chǎng)而發(fā)生變化，也就是測(cè)量線圈的等效阻抗發(fā)生了變化?？梢允褂脺y(cè)量線圈的等效阻抗變化來反映被測(cè)金屬的渦流效應(yīng)[13]。

為了方便分析，可以把金屬導(dǎo)體看作是一個(gè)短路線圈，其與測(cè)量線圈形成互感，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象可以得到如圖4所示的等效電路圖，圖中各字母符號(hào)的含義見表1。

互感隨金屬導(dǎo)體到測(cè)量線圈距離的減小而呈現(xiàn)出非線性增大。由電磁感應(yīng)原理可知，激勵(lì)磁通1和感應(yīng)磁通2相互抵消，根據(jù)克希荷夫定律，可得到電壓平衡方程式：

圖4 磁場(chǎng)中金屬與線圈等效電路

表1 字母參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

解方程組，得到受電渦流影響后測(cè)量線圈的等效阻抗為

2.2 鐵磁性金屬特性

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，自感是每單位電流變化的磁鏈變化，即

式中，1為線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；為線圈的面積。

對(duì)于磁性材料，可以用簡(jiǎn)單的原子模型來解釋其磁性質(zhì)。電子以恒速圍繞原子作圓周運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生如圖5所示軌道磁矩，其大小為

式中，e為電子電荷量；Ue為它的速度；為半徑。

同時(shí)電子圍繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)（自旋），自旋磁矩為固定值，其大小為

式中，為普朗克常量；e為電子質(zhì)量。

原子的凈磁矩由所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成[14]。凈磁矩產(chǎn)生一個(gè)類似于電流（磁偶極子）產(chǎn)生的遠(yuǎn)方場(chǎng)，在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，物質(zhì)中的磁偶極子是隨機(jī)排列的，如圖6所示，所以物質(zhì)的凈磁矩幾乎為零。當(dāng)有外磁場(chǎng)1時(shí)，每一個(gè)磁偶極子感受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使它們沿磁場(chǎng)方向排列，如圖7所示。磁性材料中磁偶極子磁極的對(duì)準(zhǔn)排列是加強(qiáng)原來的磁場(chǎng)1，相當(dāng)于沿材料表面流動(dòng)的電流，產(chǎn)生一個(gè)附加場(chǎng)2，如圖8所示。

圖6 磁偶極子隨機(jī)排列

圖7 外磁場(chǎng)使磁偶極子順向排列

圖8 磁偶極子對(duì)準(zhǔn)排列等效于物質(zhì)表面電流環(huán)

當(dāng)磁性材料靠近通電的測(cè)量線圈時(shí)，會(huì)被通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)1磁化，磁化后材料內(nèi)部對(duì)準(zhǔn)磁偶極子的對(duì)準(zhǔn)排列為產(chǎn)生附加磁場(chǎng)2，這個(gè)附加磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致，2會(huì)穿過線圈面，如圖9所示。

圖9 磁性材料附加磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)疊加示意圖

這時(shí)測(cè)量線圈面上的磁通就是1和2的疊加，所以線圈自感變?yōu)?/p>

2.3 生物體變化特性

生物體的基本單元是細(xì)胞，細(xì)胞由細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞膜組成；細(xì)胞外還存在著細(xì)胞外液和細(xì)胞間質(zhì)。細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液可以看作電解液。細(xì)胞膜內(nèi)部由于有復(fù)雜的生物化學(xué)結(jié)構(gòu)控制著粒子的移動(dòng)和物質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)，其電壓電流特性非常復(fù)雜，但仍可將其視為電介質(zhì)。所以總體而言可以將生物體視為一個(gè)電介質(zhì)[15]。

當(dāng)生物體進(jìn)入檢測(cè)線圈時(shí)，如圖10所示，等效于線圈對(duì)地增加了雜散電容。

圖10 生物體進(jìn)入測(cè)量線圈示意圖

這些雜散電容是線圈導(dǎo)線上的各個(gè)點(diǎn)對(duì)地的電容，將導(dǎo)線電阻看作無數(shù)個(gè)電阻串聯(lián)，可設(shè)線圈導(dǎo)線的電阻為1=r+r-1…3+2+1，則生物體進(jìn)入線圈范圍時(shí)產(chǎn)生的雜散電容模型如圖11所示。

圖11 雜散電容分布模型

為便于計(jì)算，將該模型簡(jiǎn)化，等效于一個(gè)對(duì)地電容與線圈電阻并聯(lián)，如圖12所示。

圖12 簡(jiǎn)化的雜散電容模型

此時(shí)線圈電阻與雜散等效電容并聯(lián)的阻抗為

所以線圈在生物體接近影響雜散參數(shù)時(shí)的等效阻抗為

3 阻抗變化特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證上述阻抗變化特性原理，使用電橋?qū)CB制作的線圈板的阻抗參數(shù)（包括串聯(lián)電阻S串聯(lián)電感S阻抗幅度||阻抗幅角）進(jìn)行測(cè)量，如圖13所示。首先測(cè)量沒有異物時(shí)線圈的阻抗參數(shù)，然后將不同的異物分別放在線圈板上測(cè)量線圈阻抗參數(shù)，對(duì)比異物放入前后線圈阻抗參數(shù)的變化，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

圖13 檢測(cè)線圈PCB圖

3.1 不同異物類型的阻抗變化實(shí)驗(yàn)

在1MHz的頻率下，分別對(duì)生物體（人體）、磁性材料（錳鋅鐵氧體）、金屬（10×10cm銅箔）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 1MHz頻率不同異物時(shí)線圈阻抗參數(shù)

為便于比較，表2中括號(hào)里的內(nèi)容表示異物進(jìn)入后相對(duì)于沒有異物時(shí)參數(shù)的變化，上箭頭表示增加，下箭頭表示減小。由此可以看出，不同異物類型使阻抗參數(shù)變化的規(guī)律是不同的。

首先分析金屬，在引入金屬后其阻抗實(shí)部也就是電阻部分是S增加的，而虛部電抗部分S是減小的。同時(shí)阻抗幅度||和阻抗幅角也是減小的。再結(jié)合前文對(duì)金屬引起阻抗變化的原理，引入金屬產(chǎn)生的渦流效應(yīng)作用下，線圈的等效阻抗公式變?yōu)槭剑?）。其阻抗實(shí)部也是增加，而虛部減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論原理一致。

引入磁性材料后，阻抗的實(shí)部、虛部、幅度、幅角全部增大。結(jié)合理論等效阻抗的式（8）。加入磁性材料引起的阻抗變化為

其中，阻抗實(shí)部的變化是渦流效應(yīng)引起的；而阻抗虛部的變化，前面負(fù)的那部分是渦流效應(yīng)引起的，后面正的那部分是磁效應(yīng)引起的。由于實(shí)驗(yàn)所用的磁性材料為錳鋅鐵氧體，其磁導(dǎo)率很大，但電導(dǎo)率較小，磁效應(yīng)強(qiáng)于渦流效應(yīng)，所以綜合之后阻抗虛部變化表現(xiàn)為增大。對(duì)于生物體，線圈阻抗的實(shí)部和虛部均是減小，這也于前文的生物體阻抗變化原理吻合。

縱觀3種異物類型對(duì)線圈阻抗參數(shù)的變化規(guī)律，明顯發(fā)現(xiàn)不同類型的異物使線圈阻抗參數(shù)的變化方向是不同的。異物對(duì)于線圈阻抗有這樣的變化規(guī)律，不僅使基于阻抗變化特性的異物檢測(cè)方式能夠有效地檢測(cè)到異物，還為阻抗檢測(cè)方式區(qū)分出異物類型（金屬、生物體、鐵磁體）提供了可能性。

但一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能證明此規(guī)律，所以又在不同頻率下使用電橋?qū)Σ煌愋彤愇镞M(jìn)行了測(cè)試。

3.2 不同頻率下的阻抗變化實(shí)驗(yàn)

分別在500kHz、200kHz和100kHz的頻率下，對(duì)生物體（人體）、磁性材料（錳鋅鐵氧體）、金屬（10cm×10cm銅箔）進(jìn)行測(cè)試。表3、表4、表5分別為測(cè)試結(jié)果，表中括號(hào)內(nèi)上下箭頭分別表示加入異物后相關(guān)參數(shù)的增減。

由表2至表5可以看出，在不同頻率下，生物體、磁性材料和金屬對(duì)線圈阻抗參數(shù)的改變規(guī)律都是一樣的。也與前文阻抗變化的原理吻合，進(jìn)一步證明此原理的可信度。

表3 500kHz頻率不同異物時(shí)線圈阻抗參數(shù)

表4 200kHz頻率不同異物時(shí)線圈阻抗參數(shù)

表5 100kHz頻率不同異物時(shí)線圈阻抗參數(shù)

對(duì)于生物體而言，頻率越高，線圈阻抗變化越明顯。從1MHz到100kHz頻率生物體使線圈阻抗的變化越來越小，且100kHz時(shí)線圈阻抗對(duì)生物體已經(jīng)不再敏感，阻抗變化為零。而隨頻率降低雖然磁性材料以及金屬使阻抗變化的程度也會(huì)變小，但沒有生物體那么明顯。

再對(duì)比阻抗參數(shù)對(duì)3種異物的敏感程度，生物體對(duì)阻抗實(shí)部比阻抗虛部的影響更大；磁性材料對(duì)阻抗虛部的影響非常明顯，與之相反對(duì)阻抗實(shí)部影響很小；金屬對(duì)阻抗實(shí)部和虛部的影響都比較明顯。

3.3 不同異物尺寸的阻抗變化實(shí)驗(yàn)

為研究異物的尺寸大小對(duì)線圈阻抗參數(shù)的影響程度，分別設(shè)計(jì)了在長(zhǎng)寬一定（即面積一定）時(shí)不同厚度金屬和在厚度一定時(shí)不同面積金屬使線圈阻抗參數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)。

將銅箔（厚度均為0.1mm）剪成不同大?。ǚ謩e是長(zhǎng)寬為2cm×2cm、5cm×5cm和10cm×10cm）在1MHz頻率下進(jìn)行線圈阻抗變化的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表6。

表6 加入一定厚度不同面積金屬時(shí)線圈阻抗參數(shù)

將長(zhǎng)寬均為10cm×10cm，厚度分別為0.5mm、1mm和5mm的銅板在1MHz頻率下進(jìn)行線圈阻抗變化的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表7。

表7 加入一定面積不同厚度金屬時(shí)線圈阻抗參數(shù)

由表6可以看出，面積越大的金屬異物，使線圈阻抗參數(shù)的變化越大，包括阻抗的實(shí)部、虛部、幅角和幅度。

再對(duì)比表7中不同厚度金屬異物對(duì)阻抗參數(shù)變化的影響，隨著厚度的增加，阻抗實(shí)部也就是電阻部分變化越小，而阻抗虛部，幅角和幅度的變化是隨厚度的增加而增大的。

3.4 阻抗變化特性實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和啟示

綜合上述實(shí)驗(yàn)和分析，對(duì)于異物使線圈阻抗變化的特性作出如下總結(jié)：

1）生物體、磁性材料和金屬使線圈阻抗參數(shù)（電阻部分、電抗部分、幅度、幅角）變化的方向都是不同的。

2）激勵(lì)頻率越低，線圈阻抗對(duì)異物越不敏感，尤其是對(duì)生物體。

3）金屬異物面積越大，線圈阻抗變化也會(huì)越大。

4）隨著金屬異物厚度增加，除線圈阻抗的電阻部分變化減小以外，電抗部分、幅角、幅度的變化都增大。

由于激勵(lì)頻率越低，線圈阻抗對(duì)異物越不敏感，所以應(yīng)該給線圈提供高頻的正弦激勵(lì)信號(hào)。

由于不同異物類型對(duì)于線圈阻抗參數(shù)變化方向是不同的，所以這種基于阻抗特性的異物檢測(cè)方式不僅能夠檢測(cè)到有異物，還能分辨出異物的類別。

由于金屬尺寸越大，阻抗參數(shù)變化越大，所以可以通過阻抗參數(shù)變化的大小來判斷金屬的尺寸。

因此，本文所提的阻抗檢測(cè)法具有判斷異物類型和尺寸的能力。這可以使得采用該方法進(jìn)行異物檢測(cè)的無線傳輸系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的異物類型和尺寸采取不同的控制措施。如檢測(cè)到尺寸較大容易對(duì)充電系統(tǒng)造成嚴(yán)重安全隱患的金屬時(shí)，直接停止充電并發(fā)出報(bào)警等待排除異物后再開始充電；如檢測(cè)到尺寸較小的對(duì)充電系統(tǒng)影響不大的金屬異物時(shí)，可以僅報(bào)警通知管理人員處理；對(duì)于生物體這種能自己移動(dòng)的異物則采取報(bào)警驅(qū)趕的措施。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)車無線充電系統(tǒng)的異物檢測(cè)問題，研究并提出了一種基于阻抗特性的異物檢測(cè)方法。本文詳細(xì)分析了各類異物引起檢測(cè)線圈阻抗變化的原理。采用電橋法對(duì)異物致使阻抗變化的特性進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了阻抗變化原理并分析和總結(jié)了阻抗變化的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)基于阻抗變化特性的異物檢測(cè)方法具備區(qū)分異物類型和辨識(shí)異物尺寸的能力。相比于其他異物檢測(cè)方法，基于阻抗特性的異物檢測(cè)方法能夠獲得更詳細(xì)的異物信息，基于這些信息可以采取更優(yōu)化的控制策略和措施，更好地提高充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。下一步將對(duì)該方法的敏感性、準(zhǔn)確性及抗干擾性進(jìn)行研究，以提高其在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的實(shí)用性。

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Foreign objects detection methodbased on impedance characteristics for EV wireless charging systems

Tang Chunsen1Zhong Liangliang2Wu Xin’gang3Su Bingke1Zhong Mingxiang2

(1. Automation College of Chongqing University, Chongqing 400044;2. State Grid Nsingbo Power Company, Ningbo, Zhejiang 315000;3. Beijing Zhixin Microelectronic Technology Co., Ltd, Beijing 102200)

Aimed at the detection of metal and living objects in wireless charging system, this paper proposes a detecting method based on impedance variation characteristics, analyzing the change of coil impedance and the influence of metal objects on coil magnetic field distribution and living objects on the parasitic parameters. In this paper, the coil impedance variation characteristics resulting from different types of foreign objects are analyzed in detail, results are verified by a mass of experiment data, and based on which, the regular patterns of impedance variation characteristics corresponding to foreign objects of different types and sizes are summarized. The method proposed has the advantages of low-cost, impressive effect, and stability and is able to distinguish the types and sizes of foreign objects, thus making the wireless charging system deal with foreign objects in a more optimized way.

electric vehicle; wireless charging; impedance characteristics; metal detection; living object detection

2017-11-30

唐春森（1980-），男，重慶大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)及系統(tǒng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61573074）

國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211NB16000B）