張 獻(xiàn) 邢子瑤 薛 明 楊慶新 孫 于

無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)異物檢測(cè)技術(shù)研究綜述

張 獻(xiàn)1邢子瑤1薛 明1楊慶新1孫 于2

（1. 天津工業(yè)大學(xué)天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387 2. 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì) 北京 100055）

近幾年，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)發(fā)展迅猛，使用過(guò)程中安全性要求越來(lái)越高。由于其結(jié)構(gòu)上存在耦合氣隙，在工作時(shí)不可避免地會(huì)介入異物。金屬異物及生物體異物的介入使系統(tǒng)偏離正常工作點(diǎn)甚至引發(fā)安全事故，因此異物檢測(cè)（FOD）技術(shù)受到廣泛關(guān)注。該文首先系統(tǒng)地闡述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)異物檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步指出當(dāng)前檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題；其次將目前涌現(xiàn)的異物檢測(cè)技術(shù)劃分為輔助線(xiàn)圈異物檢測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)參數(shù)異物檢測(cè)技術(shù)和傳感器異物檢測(cè)技術(shù)三大類(lèi)別，針對(duì)每一類(lèi)技術(shù)，分別分析其基本原理、解決的技術(shù)問(wèn)題及檢測(cè)類(lèi)別，并對(duì)比三類(lèi)檢測(cè)技術(shù)的特性；最后進(jìn)一步指出異物檢測(cè)技術(shù)亟待解決的問(wèn)題，為異物檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的研究提供方向。

無(wú)線(xiàn)電能傳輸 異物檢測(cè) 標(biāo)準(zhǔn) 金屬異物 生物體異物

0 引言

無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)是電能從電網(wǎng)到用電設(shè)備無(wú)需經(jīng)過(guò)電氣直接接觸的能量傳輸方式[1]。相比于傳統(tǒng)的接觸式充電方式，無(wú)線(xiàn)充電因具有更高的可靠性與安全性[2]、占地空間更小[3]、使用方式靈活[4]、不易受外界環(huán)境因素干擾[5]、與電網(wǎng)互動(dòng)能力強(qiáng)、可在某些極端環(huán)境和特殊條件下應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[6]，從而發(fā)展迅猛，且隨著理論成果研究層面向商業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程不斷加快[7-8]，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、植入醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、家用電器等領(lǐng)域得到了一定的推廣應(yīng)用[9-15]。

無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間存在一個(gè)高頻磁場(chǎng)區(qū)域，因系統(tǒng)應(yīng)用在各種復(fù)雜場(chǎng)景下，該區(qū)域不可避免地會(huì)有異物介入。異物通常指不屬于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的任何一部分，但出現(xiàn)在發(fā)射和接收線(xiàn)圈表面及周?chē)奈矬w[16]。在研究中通常將異物分為金屬異物和生物體異物，當(dāng)金屬異物進(jìn)入發(fā)射線(xiàn)圈及接收線(xiàn)圈之間的磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，一方面，金屬異物會(huì)因渦流損耗而迅速升溫，若此時(shí)接觸可燃性物體，極易引發(fā)火災(zāi)，造成安全隱患[17-20]；另一方面，金屬異物的介入會(huì)影響無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率與傳輸效率，使耦合機(jī)構(gòu)的某些參數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行正常工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使系統(tǒng)完全停止運(yùn)行[21-25]。當(dāng)生物體異物進(jìn)入該區(qū)域后，受到高強(qiáng)度磁場(chǎng)的影響，生物體可能會(huì)產(chǎn)生惡心、眩暈、肢體乏力及血壓升高等癥狀[26-27]，同時(shí)高強(qiáng)度的磁場(chǎng)還會(huì)對(duì)人體的免疫系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的損害[26]。因此，需要對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的金屬異物以及生物體異物檢測(cè)，高效、準(zhǔn)確的異物檢測(cè)技術(shù)對(duì)于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性具有至關(guān)重要的保障作用[28-29]。

異物檢測(cè)技術(shù)因其重要性已得到越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)、高校以及企業(yè)的廣泛關(guān)注。國(guó)外如帝國(guó)理工學(xué)院[9]、奧克蘭大學(xué)[30]、蔚山大學(xué)[31]、東京大 學(xué)[32]、韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)院[33]、高通公司[34]等研究團(tuán)隊(duì)[35-38]；國(guó)內(nèi)如哈爾濱工業(yè)大學(xué)[39-40]、中科院電工研究所[20]、香港大學(xué)[41]、重慶大學(xué)[42]、山東大 學(xué)[43-44]等研究團(tuán)隊(duì)[45-46]，已經(jīng)在異物對(duì)系統(tǒng)影響、檢測(cè)方法多樣性以及實(shí)際應(yīng)用等多方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。

本文主要研究無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)異物檢測(cè)技術(shù)，首先闡述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)異物檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其次重點(diǎn)分析了目前各項(xiàng)異物檢測(cè)技術(shù)基本原理、解決的技術(shù)問(wèn)題以及檢測(cè)類(lèi)別等內(nèi)容，并對(duì)比了各項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的特性。最后指出異物檢測(cè)技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)制定及技術(shù)方面亟待解決的問(wèn)題，為異物檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的研究提供方向。

1 異物檢測(cè)技術(shù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)梳理

在無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程中，異物檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，國(guó)外主要有三個(gè)組織進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，分別為美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）制定的SAE J2954無(wú)線(xiàn)充電標(biāo)準(zhǔn)[47]、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定的IEC 61980標(biāo)準(zhǔn)[48]與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的ISO 19363標(biāo)準(zhǔn)[49]；關(guān)于手機(jī)等便攜式移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，主要由WPC聯(lián)盟制定的Qi標(biāo)準(zhǔn)、Duracell Powermat公司發(fā)起的PMA（Power Matters Alliance）標(biāo)準(zhǔn)以及三星、高通等公司創(chuàng)立的A4WP（Alliance for Wireless Power）標(biāo)準(zhǔn)。

在SAE J2954_201904標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)提出了相應(yīng)的測(cè)試方法以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中選定了如硬幣、線(xiàn)纜、易拉罐、回形針等13種異物作為測(cè)試樣本，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行或關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)置三種不同的初始條件。異物檢測(cè)系統(tǒng)是否合格的標(biāo)準(zhǔn)為：①異物在任何時(shí)候被檢測(cè)到，系統(tǒng)都可自動(dòng)停止運(yùn)行；②若發(fā)射端或系統(tǒng)中其他設(shè)備出現(xiàn)損毀導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)停止運(yùn)行，則判定異物檢測(cè)系統(tǒng)不符合標(biāo)準(zhǔn)；③當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈的表面溫度達(dá)到80℃以上且持續(xù)10min，在無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)停止運(yùn)行后2min內(nèi)監(jiān)測(cè)表面溫度，若2min內(nèi)溫度低于80℃，則認(rèn)為異物檢測(cè)系統(tǒng)符合標(biāo)準(zhǔn)。

J2954標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于生物體異物檢測(cè)提供了一種測(cè)試方法。符合標(biāo)準(zhǔn)的生物體異物檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足：①檢測(cè)區(qū)域出現(xiàn)生物體異物時(shí)，系統(tǒng)立刻減弱磁場(chǎng)；②該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)生物體不會(huì)造成損害。

IEC 61980標(biāo)準(zhǔn)與ISO 19363標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于異物檢測(cè)技術(shù)部分的要求保持一致，在異物檢測(cè)技術(shù)部分中進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定：①金屬異物表面溫度不得超過(guò)80℃；②非金屬異物表面溫度不得超過(guò)90℃。標(biāo)準(zhǔn)中提出，可通過(guò)降低傳輸功率或中斷系統(tǒng)運(yùn)行直到異物從系統(tǒng)中清除兩種方法來(lái)確保系統(tǒng)的安全性。

Qi標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)金屬異物的溫度提出具體的要求，僅提供了兩種異物檢測(cè)方法：①對(duì)發(fā)射端進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度超過(guò)其內(nèi)部設(shè)定的閾值時(shí)，傳輸系統(tǒng)自動(dòng)停止工作；②功率損耗檢測(cè)法，即對(duì)接收端進(jìn)行功率監(jiān)測(cè)，將接收端實(shí)際功率與預(yù)設(shè)功率進(jìn)行比較，當(dāng)該差值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)則判定存在異物。

PMA和A4WP標(biāo)準(zhǔn)于2015年合并成為AirFuel Alliance標(biāo)準(zhǔn)，與Qi標(biāo)準(zhǔn)成為手機(jī)等便攜式移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)兩大主流標(biāo)準(zhǔn)。其中，A4WP標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行明確的規(guī)定，但為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，分別對(duì)發(fā)射端及接受端設(shè)定運(yùn)行狀態(tài)：

（1）對(duì)發(fā)射端設(shè)定了四種運(yùn)行狀態(tài)，分別為配置狀態(tài)、省電狀態(tài)、低功耗狀態(tài)及功率傳輸狀態(tài)。在功率傳輸狀態(tài)中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視狀態(tài)轉(zhuǎn)換、充電持續(xù)時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間及故障情況。

（2）對(duì)接收端設(shè)定了三種運(yùn)行狀態(tài)，分別為零值狀態(tài)（Null）、啟動(dòng)狀態(tài)（Boot）以及功率傳輸狀態(tài)（On），在功率傳輸狀態(tài)中，系統(tǒng)通過(guò)與發(fā)射端建立通信可確定剩余的充電時(shí)間，同時(shí)，當(dāng)過(guò)電壓、過(guò)電流及過(guò)熱等故障狀況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)需立即停止充電以避免造成安全隱患。

國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)主要是由中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)、工業(yè)與信息化部門(mén)以及全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等部門(mén)共同制定的《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)18項(xiàng)，規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)在公共以及私人應(yīng)用領(lǐng)域的性能要求、安全要求、測(cè)試要求及試驗(yàn)方法等。2020年4月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)》通用要求、車(chē)載充電設(shè)備間的通信協(xié)議及特殊要求等4項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中，在GB/T 38775.3《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng) 第3部分：特殊要求》中，對(duì)金屬異物及活體異物檢測(cè)技術(shù)提出了明確的要求。針對(duì)金屬異物檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)生活常見(jiàn)金屬如硬幣、易拉罐、鋼絲球及線(xiàn)纜等九種異物，在系統(tǒng)發(fā)射、接收線(xiàn)圈間以及與系統(tǒng)水平距離20cm、40cm及60cm處進(jìn)行相應(yīng)溫升測(cè)試及灼熱測(cè)試，金屬異物表面溫度需滿(mǎn)足GB/T 38775.1《電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》中相關(guān)規(guī)定，同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)射端必須具備金屬異物檢測(cè)及識(shí)別功能，當(dāng)異物出現(xiàn)在檢測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)必須發(fā)出警告，且立刻停止充電或系統(tǒng)不啟動(dòng)。針對(duì)活體異物，標(biāo)準(zhǔn)中要求系統(tǒng)必須具備活體保護(hù)功能，能夠判斷保護(hù)區(qū)域內(nèi)是否存在活體，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到活體異物存在時(shí)，系統(tǒng)必須發(fā)出警告，并停止充電或系統(tǒng)不啟動(dòng)。

表1詳細(xì)列出國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)規(guī)定以及測(cè)試方法。總體而言，國(guó)內(nèi)外關(guān)于金屬異物及生物體檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)較為完整，但仍存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

表1 異物檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

Tab.1 Foreign object detection standard

（1）由于異物材質(zhì)的多樣性導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)缺少具體的界定，仍需進(jìn)一步完善。

（2）相較于金屬異物檢測(cè)，針對(duì)生物體異物檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定內(nèi)容較少。

（3）未對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)精度進(jìn)行相關(guān)規(guī)定。

（4）對(duì)異物介入系統(tǒng)的方式并未進(jìn)行明確規(guī)定等。

2 異物檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

本文將目前涌現(xiàn)的諸多異物檢測(cè)新技術(shù)劃分為輔助線(xiàn)圈異物檢測(cè)技術(shù)、系統(tǒng)參數(shù)異物檢測(cè)技術(shù)和傳感器異物檢測(cè)技術(shù)三大類(lèi)別，逐一分析其基本原理、解決的技術(shù)問(wèn)題以及檢測(cè)類(lèi)別等內(nèi)容，并將三種檢測(cè)技術(shù)的特性進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 輔助線(xiàn)圈異物檢測(cè)技術(shù)

這種方法通常要將檢測(cè)線(xiàn)圈鋪設(shè)在發(fā)射線(xiàn)圈上方，當(dāng)金屬異物靠近檢測(cè)區(qū)域時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈的電感、阻抗等參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，因此可以實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)。但當(dāng)金屬異物遠(yuǎn)小于檢測(cè)線(xiàn)圈的體積時(shí)，異物對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈的影響較小，此時(shí)很難實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)。為提高檢測(cè)精度，通常需要使用多個(gè)足夠小的線(xiàn)圈組成陣列式檢測(cè)線(xiàn)圈進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈外加激勵(lì)源，陣列檢測(cè)線(xiàn)圈的異物檢測(cè)方法如圖1所示。當(dāng)金屬異物介入時(shí)，通過(guò)分析檢測(cè)線(xiàn)圈的輸出電壓或輸出電流的波形、幅值、頻率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)。

2.1.1 消除檢測(cè)盲區(qū)

由輔助線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)可知，該檢測(cè)系統(tǒng)通常由多個(gè)足夠小的線(xiàn)圈陣列組合而成，但在檢測(cè)小線(xiàn)圈之間易存在空隙，當(dāng)體積較小金屬落入這些區(qū)域時(shí)，輔助線(xiàn)圈參數(shù)變化較小或無(wú)變化無(wú)法引起報(bào)警，形成了檢測(cè)盲區(qū)。

圖1 陣列檢測(cè)線(xiàn)圈的異物檢測(cè)方法

文獻(xiàn)[50]通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)多層檢測(cè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提出了一種非重疊輔助檢測(cè)線(xiàn)圈方法，如圖2所示。系統(tǒng)主要由一個(gè)高頻逆變器、發(fā)射線(xiàn)圈、非重疊檢測(cè)線(xiàn)圈以及異物檢測(cè)電路構(gòu)成。

圖2 非重疊檢測(cè)線(xiàn)圈

系統(tǒng)中沒(méi)有金屬異物時(shí)，兩層線(xiàn)圈感應(yīng)電壓差值接近零，金屬異物介入系統(tǒng)使線(xiàn)圈互感發(fā)生變化，因此感應(yīng)電壓值發(fā)生波動(dòng)，該差值超過(guò)設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬異物的檢測(cè)。

非重疊線(xiàn)圈檢測(cè)盲區(qū)如圖3所示。但當(dāng)金屬異物如圖3中灰色部分所示，在不同檢測(cè)線(xiàn)圈中覆蓋面積相同時(shí)，此時(shí)電壓變化為零。無(wú)論單層結(jié)構(gòu)或雙層結(jié)構(gòu)在該情況下均存在檢測(cè)盲區(qū)。

為消除盲區(qū)，文獻(xiàn)[50]提出一種四層檢測(cè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，如圖4所示。通過(guò)在水平與垂直方向分別增加一層輔助線(xiàn)圈，此時(shí)無(wú)論金屬異物的形狀如何，或處于檢測(cè)區(qū)域的任何位置，均可以精確地檢測(cè)到電壓變化，實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)。同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)生電壓變化的線(xiàn)圈不同，可通過(guò)上位機(jī)獲取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)金屬異物的位置信息。

圖3 非重疊線(xiàn)圈檢測(cè)盲區(qū)

圖4 四層非重疊線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[51]以該結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)獲取非重疊線(xiàn)圈組的感應(yīng)電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了異物檢測(cè)及車(chē)輛位置檢測(cè)功能，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)硬幣介入時(shí)，感應(yīng)電壓差增至無(wú)異物時(shí)的10倍以上，極大地提高了檢測(cè)精度，但該結(jié)構(gòu)同樣存在如圖5所示檢測(cè)盲區(qū)。

圖5 檢測(cè)盲區(qū)

為消除盲區(qū)，文獻(xiàn)[51]將同樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)角定位交叉方式進(jìn)行布置，一種消除檢測(cè)盲區(qū)的方法如圖6所示。此時(shí)當(dāng)圖5情況發(fā)生時(shí)，以對(duì)角交叉布置的第二層輔助線(xiàn)圈仍可產(chǎn)生電壓變化，且不論金屬異物在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)任何位置，線(xiàn)圈陣列均可以產(chǎn)生電壓差值，一定程度上消除了檢測(cè)區(qū)域內(nèi)盲區(qū)。

圖6 一種消除檢測(cè)盲區(qū)方法

此外，基于磁場(chǎng)在水平與垂直方向的對(duì)稱(chēng)分布，文獻(xiàn)[52]提出了一種雙層對(duì)稱(chēng)檢測(cè)線(xiàn)圈，如圖7所示。在垂直方向?qū)⒍鄠€(gè)矩形檢測(cè)線(xiàn)圈對(duì)稱(chēng)排列，為消除檢測(cè)盲區(qū)，在第二層將兩組檢測(cè)線(xiàn)圈以中心對(duì)稱(chēng)方式進(jìn)行水平方向排列，當(dāng)金屬異物覆蓋相鄰線(xiàn)圈面積相同時(shí)，第一層檢測(cè)線(xiàn)圈無(wú)電壓變化差值，但通過(guò)檢測(cè)第二層水平排列的檢測(cè)線(xiàn)圈互感差值變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬異物的檢測(cè)，有效地消除了檢測(cè)區(qū)域盲區(qū)，提高了檢測(cè)的可靠性。

圖7 雙層對(duì)稱(chēng)檢測(cè)線(xiàn)圈

文獻(xiàn)[53]基于檢測(cè)線(xiàn)圈電感變化實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測(cè)，為消除檢測(cè)盲區(qū)，提出了三層六邊形陣列檢測(cè)線(xiàn)圈系統(tǒng)以及四層矩形陣列檢測(cè)線(xiàn)圈。

上述研究均以特定結(jié)構(gòu)疊加輔助線(xiàn)圈來(lái)消除盲區(qū)，此類(lèi)方法一定程度上增加了檢測(cè)系統(tǒng)占用空間體積以及設(shè)計(jì)制造的復(fù)雜度。為此，文獻(xiàn)[54]提出了一種非重疊對(duì)稱(chēng)感應(yīng)線(xiàn)圈，如圖8所示。將感應(yīng)線(xiàn)圈組鋪設(shè)在發(fā)射端上方，當(dāng)金屬異物介入時(shí)，由于引起磁場(chǎng)變化的相鄰線(xiàn)圈并非是與其對(duì)稱(chēng)相連的檢測(cè)線(xiàn)圈，故不同組的對(duì)稱(chēng)感應(yīng)線(xiàn)圈將產(chǎn)生不相等的電壓差，以此實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)，消除盲區(qū)。文中使用邊長(zhǎng)40mm矩形鐵片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該感應(yīng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)完全消除了檢測(cè)盲區(qū)，極大地提高了檢測(cè)可靠性，且使用單層線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，一定程度上降低了設(shè)計(jì)成本。

2.1.2 可獨(dú)立運(yùn)行的輔助線(xiàn)圈系統(tǒng)

文獻(xiàn)[43]基于差分放大原理設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型平衡線(xiàn)圈，改進(jìn)的探頭結(jié)構(gòu)如圖9所示，不僅提高了檢測(cè)精度，且減小了輔助線(xiàn)圈占用的空間。文獻(xiàn)[55]將六角線(xiàn)圈、四D形線(xiàn)圈、雙環(huán)形線(xiàn)圈等七種不同結(jié)構(gòu)的檢測(cè)線(xiàn)圈與傳統(tǒng)矩形檢測(cè)線(xiàn)圈進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，七種不同形狀的檢測(cè)線(xiàn)圈的電感變化值均超過(guò)傳統(tǒng)矩形檢測(cè)線(xiàn)圈，具有更高、更均勻的靈敏度，且不會(huì)顯著降低靈敏度的峰值。當(dāng)給予檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)時(shí)，金屬異物的出現(xiàn)使該信號(hào)發(fā)生變化，檢測(cè)激勵(lì)的脈沖數(shù)、脈沖峰值均發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測(cè)。

圖8 非重疊對(duì)稱(chēng)檢測(cè)線(xiàn)圈

圖9 改進(jìn)的探頭結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[42]基于輔助線(xiàn)圈的阻抗特性，當(dāng)不同種類(lèi)異物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈的阻抗參數(shù)（電阻部分、電抗部分、幅值、幅位）變化方向不同，可同時(shí)檢測(cè)金屬異物及生物體異物，但檢測(cè)靈敏度有待提高。上述輔助線(xiàn)圈系統(tǒng)雖已取得了良好的檢測(cè)效果，但均存在一個(gè)共同的問(wèn)題，即：這些檢測(cè)系統(tǒng)均無(wú)法獨(dú)立于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)工作，其都是依靠異物介入后，影響磁場(chǎng)發(fā)生改變，進(jìn)一步檢測(cè)其他參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)[56-58]。但當(dāng)電能傳輸系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，耦合區(qū)域不存在磁場(chǎng)，且若此時(shí)異物在電能傳輸系統(tǒng)開(kāi)機(jī)前介入耦合區(qū)域，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[33]提出了一種基于輔助線(xiàn)圈自感變化的檢測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。該系統(tǒng)中由并聯(lián)諧振電路檢測(cè)輔助線(xiàn)圈的自感變化，并聯(lián)諧振電路由獨(dú)立電流源單獨(dú)供電，因此可獨(dú)立于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)運(yùn)行。多組環(huán)形線(xiàn)圈拼接安裝在發(fā)射線(xiàn)圈上方，為抵消輔助線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓，每組環(huán)形線(xiàn)圈由兩個(gè)極性相反的線(xiàn)圈串聯(lián)組成。

圖10 自感變化金屬異物檢測(cè)

該系統(tǒng)不再依靠磁場(chǎng)變化造成的參數(shù)改變實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)，而是通過(guò)測(cè)量金屬異物介入后，其阻抗對(duì)輔助線(xiàn)圈自感的影響。同時(shí)，由于接收線(xiàn)圈與感應(yīng)線(xiàn)圈之間的距離遠(yuǎn)小于金屬物體和感應(yīng)線(xiàn)圈之間的距離，當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈的自感變化的影響可以忽略不計(jì)，從而提高了可靠性。

文獻(xiàn)[33]為消除感應(yīng)電壓，使同一通道中的兩個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈的匝數(shù)不同。因此，同一通道的兩個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈的靈敏度不相同，即在靈敏度較低的線(xiàn)圈中可能存在檢測(cè)盲區(qū)，且發(fā)射線(xiàn)圈的匝數(shù)不同，加大了設(shè)計(jì)制造難度。因此，文獻(xiàn)[59]在此基礎(chǔ)上對(duì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出一種基于輔助線(xiàn)圈自感變化的對(duì)稱(chēng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，如圖11所示。文中通過(guò)分析檢測(cè)線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)以及金屬異物尺寸對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，減少輔助線(xiàn)圈組數(shù)，降低了制造成本。采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，極大地簡(jiǎn)化了制造設(shè)計(jì)流程，且同組線(xiàn)圈匝數(shù)相同，感應(yīng)電壓為零，每組線(xiàn)圈檢測(cè)靈敏度相同，從而完全消除了檢測(cè)盲區(qū)。檢測(cè)線(xiàn)圈與諧振電容采用并聯(lián)諧振方式以放大線(xiàn)圈自感變化，提高了檢測(cè)精度。

圖11 對(duì)稱(chēng)檢測(cè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)

輔助線(xiàn)圈異物檢測(cè)技術(shù)成本較低，檢測(cè)可靠性強(qiáng)，與相關(guān)算法結(jié)合可提高檢測(cè)靈敏度。但缺點(diǎn)在于該技術(shù)不適用于便攜電子設(shè)備等小功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，因?yàn)樾」β氏到y(tǒng)中金屬異物造成功率損耗較低，且檢測(cè)線(xiàn)圈輸出電壓變化相對(duì)較小，不易達(dá)到上位機(jī)電壓報(bào)警閾值，無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測(cè)，因此在小功率系統(tǒng)中可靠性較差。而對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)等大功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，由于介入金屬異物的體積通常相對(duì)較小，雖會(huì)造成一定的功率損耗，但并不能使無(wú)線(xiàn)電能傳輸完全停止運(yùn)行[17]，且通過(guò)對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈陣列的合理設(shè)計(jì)，可消除檢測(cè)盲區(qū)，提高檢測(cè)系統(tǒng)可靠性。此外，檢測(cè)裝置需要占用一定的空間，且該檢測(cè)技術(shù)在發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，檢測(cè)精度會(huì)受到一定程度的影響。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)異物檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)參數(shù)異物檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)金屬異物，檢測(cè)系統(tǒng)某些參數(shù)如電壓、電流[17]、諧振頻率[46]、功率損耗[60]、線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)[37]等，根據(jù)這些參數(shù)的變化判斷系統(tǒng)中是否有異物介入。根據(jù)金屬異物的去磁效應(yīng)以及熱效應(yīng)[61]，將金屬異物的電感與電阻等效為3與3引入電路中，金屬介入等效電路如圖12所示。I（=1, 2, 3）為介入的金屬異物以及發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的回路電流，12為發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感，23為金屬異物和接收線(xiàn)圈間的互感，13為金屬異物和發(fā)射線(xiàn)圈間的互感。s123分別為電源內(nèi)阻、發(fā)射線(xiàn)圈等效電阻、接收線(xiàn)圈等效電阻和金屬異物等效電阻。1、2、3分別為發(fā)射線(xiàn)圈電感、接收線(xiàn)圈電感和金屬異物等效電感，12分別為發(fā)射端與接收端諧振電容。

圖12 金屬介入等效電路

s為發(fā)射端電源。設(shè)電源諧振頻率為，在諧振狀態(tài)下，由電路的KVL可得

整理得

由式（2）可得等效電阻及等效電感分別為

根據(jù)式（2）可知，金屬異物與線(xiàn)圈耦合后，線(xiàn)圈等效電阻增加，等效電感減小，因此引起耦合系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)及其他參數(shù)發(fā)生改變。

對(duì)該檢測(cè)原理分析可知，該技術(shù)的關(guān)鍵是要檢測(cè)到異物引起的參數(shù)變化。但當(dāng)金屬異物的體積較小時(shí)，其介入后造成的參數(shù)變化相對(duì)較弱，而金屬異物由于渦流損耗迅速升溫又極易引發(fā)安全事故。因此，為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)金屬異物的檢測(cè)，提高系統(tǒng)參數(shù)異物檢測(cè)技術(shù)的可靠性成為近幾年國(guó)內(nèi)外某些高校及科研機(jī)構(gòu)主要解決的技術(shù)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[20]基于平面盤(pán)式螺旋線(xiàn)圈仿真模型，分析了不同材質(zhì)、體積的金屬異物，處于無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸區(qū)域的不同位置時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的參數(shù)變化相對(duì)值及系統(tǒng)效率的影響。文中實(shí)驗(yàn)表明，金屬的混入而產(chǎn)生的渦流效應(yīng)、磁效應(yīng)會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生不同的影響。該檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度較高，但檢測(cè)流程比較復(fù)雜。

文獻(xiàn)[17]通過(guò)檢測(cè)發(fā)射線(xiàn)圈電壓及電流變化實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬異物的檢測(cè)。金屬異物介入使發(fā)射線(xiàn)圈的電壓及電流的變化超過(guò)預(yù)設(shè)值，此時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出故障報(bào)警，若異物未被及時(shí)清除，異物檢測(cè)系統(tǒng)則會(huì)中斷電能傳輸。但該系統(tǒng)可靠性較差，無(wú)法檢測(cè)到體積較小的金屬異物，且檢測(cè)算法較為復(fù)雜。

因此，有文獻(xiàn)提出基于頻率參數(shù)的異物檢測(cè)技術(shù)。文獻(xiàn)[38]表明，金屬異物介入與發(fā)射線(xiàn)圈發(fā)生耦合，導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生改變，文中采用邊長(zhǎng)20cm、厚度1mm的矩形銅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了異物 檢測(cè)。

文獻(xiàn)[46]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，通過(guò)控制變量的方法對(duì)比系統(tǒng)參數(shù)的變化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了金屬異物介入后諧振頻率升高約24%。此外，文獻(xiàn)[62]提出一種基于頻率差值的檢測(cè)方法，首先檢測(cè)當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)的第一開(kāi)關(guān)頻率，將其與系統(tǒng)內(nèi)無(wú)異物時(shí)的第二開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行比較，得到一個(gè)差值，當(dāng)所述第一開(kāi)關(guān)頻率與第二開(kāi)關(guān)頻率的差值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，判定有異物介入到檢測(cè)區(qū)域中。文獻(xiàn)[63]通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)諧振頻率變化以及一次側(cè)諧振電流差值可判斷介入耦合區(qū)域內(nèi)金屬異物處于發(fā)射線(xiàn)圈表面或發(fā)射線(xiàn)圈中心附近，且通過(guò)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，可判斷此時(shí)發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈是否存在未對(duì)準(zhǔn)的故障。

由于金屬在高頻耦合區(qū)域產(chǎn)生渦流效應(yīng)，會(huì)造成無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的功率損耗。Qi標(biāo)準(zhǔn)所采用功率損耗檢測(cè)技術(shù)[60]，通過(guò)對(duì)比預(yù)設(shè)接收端功率與實(shí)際接收端功率差值，實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測(cè)。雖然該檢測(cè)技術(shù)可靠性較高，但由于金屬異物造成的損耗通常低于10W，因此在大功率系統(tǒng)中該檢測(cè)技術(shù)并不適用。

品質(zhì)因數(shù)作為無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的一種重要參數(shù)，反映了電路諧振的強(qiáng)弱程度，它的大小直接影響系統(tǒng)的性能，是評(píng)判電路損耗情況的一種重要指標(biāo)[64-65]。因此，文獻(xiàn)[65]針對(duì)S/S型磁耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，提出一種基于等效品質(zhì)因數(shù)的非鐵磁性金屬異物檢測(cè)方法。將拾取端移除后系統(tǒng)等效電路中的電壓比值定義為等效品質(zhì)因數(shù)，通過(guò)對(duì)比有無(wú)非鐵磁性金屬異物介入時(shí)系統(tǒng)等效品質(zhì)因數(shù)模型，給出了判定是否存在非鐵磁性金屬異物的閾值確定方法，基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在金屬異物介入發(fā)射端和接收端之間或周?chē)?，等效品質(zhì)因數(shù)有較大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了非鐵磁性金屬異物檢測(cè)。

系統(tǒng)參數(shù)異物檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要占用額外的空間，可通過(guò)算法優(yōu)化提高檢測(cè)靈敏度。但對(duì)于大功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，當(dāng)介入的金屬異物體積相對(duì)較小時(shí)，引起的系統(tǒng)參數(shù)變化不易被檢測(cè)，因此僅適用于小功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)。且在電能傳輸過(guò)程中，線(xiàn)圈錯(cuò)位也會(huì)引起相關(guān)參數(shù)的變化，因此這類(lèi)方法在使用中需要對(duì)金屬異物及線(xiàn)圈錯(cuò)位進(jìn)行區(qū)分。

2.3 傳感器異物檢測(cè)技術(shù)

在此類(lèi)異物檢測(cè)技術(shù)中，需要借助傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)。如雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、熱成像相機(jī)、光學(xué)傳感器等，該類(lèi)技術(shù)通?？梢酝瑫r(shí)檢測(cè)生物體異物及金屬異物。由于傳感器種類(lèi)繁多，如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，考慮成本、使用環(huán)境及傳感器使用壽命等多種因素，選擇不同種類(lèi)的傳感器，或?qū)⒍喾N傳感器組合使用以實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)效果，成為該類(lèi)技術(shù)所需解決的主要問(wèn)題?；诶走_(dá)、超聲波傳感器檢測(cè)技術(shù)的基本原理是發(fā)射波遇到異物發(fā)生反射，通過(guò)判斷目標(biāo)點(diǎn)與異物之間的距離，對(duì)異物的位置和類(lèi)型進(jìn)行檢測(cè)。

文獻(xiàn)[66]將雷達(dá)傳感器發(fā)射端安裝在發(fā)射線(xiàn)圈正上方，雷達(dá)異物檢測(cè)方式如圖13所示。為增加檢測(cè)的可靠性，該裝置還在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)為一個(gè)發(fā)射端配備多個(gè)接收端進(jìn)行異物檢測(cè)，用以消除檢測(cè)盲區(qū)。然而該設(shè)計(jì)使用傳感器數(shù)量較多，增加了制造成本。

圖13 雷達(dá)異物檢測(cè)方式

為此，文獻(xiàn)[67]僅將單個(gè)雷達(dá)傳感器安裝在車(chē)身一側(cè)，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)身下方耦合區(qū)域的檢測(cè)。且采用二維信號(hào)處理技術(shù)，使系統(tǒng)可以檢測(cè)出輕微移動(dòng)的物體，增加檢測(cè)靈敏度，并可以準(zhǔn)確地區(qū)分移動(dòng)或靜止的物體，減小了系統(tǒng)的誤報(bào)警次數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將人的手臂和其他靜止非生物體異物進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。

隨著近幾年機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過(guò)與相應(yīng)傳感器結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)良好的檢測(cè)效果。文獻(xiàn)[68]提出了一種熱成像相機(jī)與機(jī)器視覺(jué)學(xué)習(xí)相結(jié)合的金屬異物檢測(cè)技術(shù)，熱成像檢測(cè)方法如圖14所示。

圖14 熱成像檢測(cè)方法

系統(tǒng)硬件部分僅使用單個(gè)熱成像相機(jī)作為傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、降低了成本；軟件部分為降噪卷積自動(dòng)編碼器的深度學(xué)習(xí)算法，先對(duì)異物原始圖像進(jìn)行噪聲添加處理，可防止圖像過(guò)擬合，并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)忽略隨機(jī)噪聲，再對(duì)添加噪聲的圖像進(jìn)行處理，原始圖像被編碼成較低維圖像供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)圖像的關(guān)鍵特征后，將該圖像解碼，最后輸出與原始異物圖像大小相同的重構(gòu)圖像。

自動(dòng)編碼器經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，可識(shí)別傳入其中的圖像有無(wú)異物存在。文中針對(duì)不同的初始條件及測(cè)試對(duì)象成功完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較好的適用性及可靠性。

文獻(xiàn)[69]基于機(jī)器視覺(jué)學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)對(duì)發(fā)射線(xiàn)圈表面圖像進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)異物自動(dòng)化檢測(cè)與識(shí)別，如圖15a所示。該異物檢測(cè)裝置安置在停車(chē)位的兩個(gè)限位擋塊之間的區(qū)域內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)的檢測(cè)范圍為無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射線(xiàn)圈500～1 100mm的距離。通過(guò)建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，基于Tensorflow框架，結(jié)合采集到的各類(lèi)異物圖片，如圖15b所示，訓(xùn)練了基于支持向量機(jī)（Support Vector Machine, SVM）的異物識(shí)別網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地辨別金屬異物、光斑與光影，識(shí)別正確率高達(dá)95%。

此外，文獻(xiàn)[27]提出一種以梳狀電容傳感器為基礎(chǔ)的生物體異物檢測(cè)裝置，用于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，梳狀電容檢測(cè)方法如圖16所示。該生物體異物檢測(cè)系統(tǒng)安裝在發(fā)射線(xiàn)圈平臺(tái)，將電容傳感器以最優(yōu)梳狀進(jìn)行安裝，實(shí)驗(yàn)表明，該種結(jié)構(gòu)可使電容傳感器獲得相同的電容值。該裝置對(duì)電容傳感器的應(yīng)用與大部分裝置不同，該電容傳感器抑制了生物體與大地之間的電容耦合，為了提高檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)出生物體出現(xiàn)在系統(tǒng)中引起極小的電容變化，系統(tǒng)對(duì)電容耦合進(jìn)行了相應(yīng)處理。

圖15 基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方法

圖16 梳狀電容檢測(cè)方法

金屬異物的渦流效應(yīng)會(huì)使其進(jìn)入到發(fā)射、接收線(xiàn)圈之間的耦合區(qū)域，溫度迅速上升。根據(jù)這一特點(diǎn)，通過(guò)使用溫度傳感器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，從而準(zhǔn)確、迅速地實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測(cè)。

但對(duì)于生物體異物，僅使用溫度傳感器可靠性較差，因此文獻(xiàn)[70]將溫度傳感器與光學(xué)相機(jī)相結(jié)合，共同構(gòu)成生物體異物檢測(cè)系統(tǒng)，并安裝在車(chē)載線(xiàn)圈兩側(cè)，傳感器與光學(xué)相機(jī)結(jié)合的生物體檢測(cè)裝置如圖17所示。

兩種檢測(cè)方法組合使用，使該系統(tǒng)可以同時(shí)區(qū)分金屬異物與生物體異物。基于傳感器的異物檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備不需要占用較多的空間體積，通過(guò)對(duì)安裝位置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較大的檢測(cè)范圍，具備同時(shí)檢測(cè)金屬異物及生物體異物的能力，不易受到溫度、噪聲等因素干擾，具有良好的可靠性；其缺點(diǎn)是部分種類(lèi)傳感器造價(jià)較高，使用過(guò)程容易受到灰塵、泥土的遮蓋影響檢測(cè)效果，需要進(jìn)行定期維護(hù)；設(shè)備受到外力作用容易損毀可能導(dǎo)致無(wú)法正常使用。

圖17 傳感器與光學(xué)相機(jī)結(jié)合的生物體檢測(cè)裝置

表2對(duì)三類(lèi)異物檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、檢測(cè)異物種類(lèi)及適用功率進(jìn)行了總結(jié)。不同的檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)種類(lèi)及使用系統(tǒng)的功率要求不同。根據(jù)具體的使用需求選擇合適的檢測(cè)方法以獲得最優(yōu)的異物檢測(cè)效果。

表2 異物檢測(cè)技術(shù)特性對(duì)比

Tab.2 Comparison of the characteristics of some foreign object detection technologies

3 異物檢測(cè)技術(shù)亟待解決的問(wèn)題

3.1 完善異物檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已基本完成了針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)及便攜式設(shè)備無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制定，但異物檢測(cè)技術(shù)部分的標(biāo)準(zhǔn)尚不完善。為了給無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)提供更全面的安全保障，需要盡快對(duì)金屬異物檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)精度進(jìn)行具體數(shù)值的界定，進(jìn)一步完善對(duì)異物介入方式以及生物體異物檢測(cè)方面的相關(guān)檢測(cè)要求。

3.2 提高可靠性與靈敏性

在無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中，對(duì)基于不同原理與方法的異物檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，歸根結(jié)底是對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)可靠性與靈敏性的提升。異物檢測(cè)系統(tǒng)需保證在異物介入時(shí)，減少漏檢、誤檢的次數(shù)，消除檢測(cè)盲區(qū)，提升系統(tǒng)的可靠性；此外，靈敏性要求檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備異物介入時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或中斷電源的能力，預(yù)防危險(xiǎn)情況發(fā)生。為保證靈敏性，檢測(cè)系統(tǒng)的閾值無(wú)法設(shè)置得過(guò)高，但當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的閾值設(shè)置過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)一旦受到輕微干擾引起的變化，都可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的誤報(bào)，難以保證檢測(cè)的可靠性。因此，異物檢測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足相應(yīng)可靠性與靈敏性的檢測(cè)系統(tǒng)。

3.3 優(yōu)化異物檢測(cè)技術(shù)的算法

當(dāng)前異物檢測(cè)技術(shù)的多樣性不斷增加，但更多的研究注重對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)硬件的提升、更高程度的集成化以及各類(lèi)傳感器的智能化。對(duì)于軟件算法的優(yōu)化研究較少。軟件算法可從對(duì)異物圖像的處理、異物的識(shí)別、檢測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理等多方面進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合具體傳感器異物檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中可能會(huì)受到的干擾，通過(guò)改進(jìn)算法，可以提高系統(tǒng)的可靠性。

4 異物檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

4.1 異物防護(hù)方法

當(dāng)前對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中異物檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在檢測(cè)方法改進(jìn)、檢測(cè)靈敏度的提升，對(duì)異物防護(hù)方法研究較少。在異物誤入系統(tǒng)之前，建立相應(yīng)的防護(hù)措施，在無(wú)線(xiàn)電能傳輸過(guò)程中，即可將異物隔離在外，有效避免金屬異物迅速升溫造成的危險(xiǎn)，以及對(duì)生物體造成的損害。當(dāng)異物誤入系統(tǒng)后，迅速實(shí)現(xiàn)異物驅(qū)離，降低對(duì)系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)以穩(wěn)定的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

4.2 生物體異物檢測(cè)技術(shù)多樣性

當(dāng)前對(duì)于異物檢測(cè)技術(shù)的研究及異物檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定主要針對(duì)金屬異物，涉及生物體異物檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容較少。文中敘述的幾種生物體異物檢測(cè)技術(shù)均具有一定的局限性。隨著無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)不斷發(fā)展，安全隱患問(wèn)題必定會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此生物體異物檢測(cè)的重要性不斷增加。對(duì)于無(wú)線(xiàn)電能傳輸生物體異物檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)運(yùn)用更多樣化的方法，如壓力、紅外、超聲波等檢測(cè)技術(shù)，將這些檢測(cè)方法科學(xué)、高效地結(jié)合應(yīng)用于異物檢測(cè)技術(shù)中，更準(zhǔn)確、迅速地實(shí)現(xiàn)生物體異物檢測(cè)。

4.3 與新興技術(shù)相結(jié)合的異物檢測(cè)方法

隨著無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)的要求不斷提高，當(dāng)前如人工智能技術(shù)、視覺(jué)機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)將這些技術(shù)合理運(yùn)用于異物檢測(cè)技術(shù)中。如利用人工智能技術(shù)優(yōu)化異物檢測(cè)算法，提高異物檢測(cè)硬件部分的集成化，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提高檢測(cè)可靠性，采用模式識(shí)別算法對(duì)檢測(cè)異物種類(lèi)準(zhǔn)確區(qū)分等。因此將新興技術(shù)與異物檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合是重要發(fā)展方向之一。

4.4 擴(kuò)大異物檢測(cè)技術(shù)的適用范圍

當(dāng)前無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中異物檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于日常生活場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車(chē)、體內(nèi)植入醫(yī)療設(shè)備以及便攜電子產(chǎn)品。隨著無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)在如深海環(huán)境、宇宙空間、高溫高壓環(huán)境等復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用，必然要擴(kuò)大異物檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍。這些環(huán)境對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)必定也有更復(fù)雜的要求，因此，為保障無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)更迅速的發(fā)展，需進(jìn)一步擴(kuò)大異物檢測(cè)技術(shù)的適用范圍。

4.5 提高無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)對(duì)異物的抗干擾能力

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置、優(yōu)化檢測(cè)算法、改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備等方法，在實(shí)現(xiàn)異物檢測(cè)的同時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整，降低異物介入對(duì)系統(tǒng)的影響，在不斷電的情況下，保證系統(tǒng)繼續(xù)以正常狀態(tài)運(yùn)行。提高系統(tǒng)對(duì)異物的抗干擾能力，這也是異物檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了異物檢測(cè)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并指出當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題。針對(duì)輔助線(xiàn)圈、系統(tǒng)參數(shù)、傳感器三大類(lèi)別的異物檢測(cè)技術(shù)，逐一闡明基本原理、所解決的技術(shù)問(wèn)題以及檢測(cè)類(lèi)別，對(duì)比分析了三類(lèi)異物檢測(cè)技術(shù)的特性。最后指出了異物檢測(cè)技術(shù)亟待解決的問(wèn)題，對(duì)其未來(lái)的研究提供方向?？梢钥吹?，異物檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待解決，如異物檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的完善、檢測(cè)系統(tǒng)可靠性與靈敏性的提升、異物檢測(cè)技術(shù)相關(guān)算法等。為了加快異物檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，可以從異物防護(hù)、生物體檢測(cè)方法多樣性、異物檢測(cè)與新興技術(shù)結(jié)合、異物檢測(cè)技術(shù)適用范圍、系統(tǒng)對(duì)異物的抗干擾能力等多個(gè)方向進(jìn)一步對(duì)異物檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

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Overview of Foreign Object Detection inWireless Power Transfer System

11112

（1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tiangong University Tianjin 300387 China 2. China Electrotechnical Society Beijing 100055 China）

As wireless power transfer technology has developed rapidly in recent years, the requirements of security have become higher and higher in the course of using. Because of the coupling air gap in its structure, foreign objects will inevitably enter into the system during work. The intervention of metal objects and living objects makes the system deviate from the normal operating point and even lead to safety accidents. Therefore, foreign object detection (FOD) technology has been extensively concerned. The relevant standards of FOD technology in wireless power transfer system at home and abroad were systematically discussed, and the issues existing in the current standards were further pointed out. In addition, the new FOD technology was divided into three parts, auxiliary coil FOD technology, system parameter FOD technology and sensor FOD technology. For each type of technology, the basic principle, technical problems and detection categories were respectively analyzed, and the characteristics of these three types of technologies were compared. Hot issues for FOD technology in wireless power transfer system were further pointed out in the end, aiming to provide directions for the future research of FOD in wireless power transfer system.

Wireless power transfer, foreign object detection, standards, metal object, living object

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201356

TM724

張 獻(xiàn) 男，1983年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)。E-mail: zxshow1983@163.com（通信作者）

邢子瑤 男，1996年生，碩士，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)。E-mail: 372562215@qq.com

2020-10-12

2020-12-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB0106300）和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52077153, 51977147）資助。

（編輯 陳 誠(chéng)）