李糧, 楊玲君, 蔡昌松, 張帆, 王曉婷, 陳洪勝

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院， 武漢 430074； 2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司， 武漢 430074)

0 引 言

傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在著接頭老化、接觸火花等安全隱患，而無(wú)線電能傳輸技術(shù)由于具有安全可靠的優(yōu)勢(shì)而受到了廣泛的關(guān)注，被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[1-6]。一般而言，無(wú)線電能傳輸技術(shù)可分為磁場(chǎng)耦合式、電場(chǎng)耦合式、電磁輻射式以及超聲波傳輸，其中磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)由于傳輸功率大、傳輸效率高而應(yīng)用最為廣泛[7-8]。

隨著磁耦合式無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，一些影響無(wú)線電能傳輸效率與安全的因素也逐漸顯現(xiàn)，其中較為重要的便是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的金屬異物檢測(cè)[9-10]。當(dāng)金屬異物混入無(wú)線充電系統(tǒng)中時(shí)，由于渦流效應(yīng)，無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流電場(chǎng)，渦流電場(chǎng)在金屬內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)電流將產(chǎn)生大量熱量，這不僅會(huì)損耗大量的功率，甚至還會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)等安全事故。如果混入的金屬異物較大，則原有的無(wú)線充電系統(tǒng)磁場(chǎng)分布大受干擾，甚至無(wú)法進(jìn)行正常的功率傳輸。因此，有必要對(duì)金屬異物對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究，并研究一種能有效檢測(cè)金屬異物的方法。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)內(nèi)的金屬異物檢測(cè)大致可分為不加檢測(cè)線圈陣列與外加檢測(cè)線圈陣列的方法。前者以Qi無(wú)線充電聯(lián)盟為代表，通過(guò)檢測(cè)能量發(fā)送側(cè)與能量接收側(cè)的功率之差來(lái)判定能量傳輸路徑內(nèi)是否存在金屬異物[11]；文獻(xiàn)[12]提出了測(cè)量發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)變化作為檢測(cè)金屬異物存在的判據(jù)。這些方法都面臨著檢測(cè)精度不高，只適用于小功率應(yīng)用場(chǎng)合等問(wèn)題[13-14]：當(dāng)較小的金屬(如回形針、螺絲釘?shù)鹊?混入較大功率等級(jí)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)(如電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng))中時(shí)，功率損失、發(fā)射端的參數(shù)變化不明顯，無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的檢測(cè)結(jié)果。

針對(duì)上述問(wèn)題，許多學(xué)者提出了在發(fā)射線圈表面添加一層檢測(cè)線圈陣列的方法用來(lái)判定金屬異物的存在。某公司、某團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈的諧振頻率、感應(yīng)電壓等參數(shù)來(lái)檢測(cè)金屬異物[15]。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種鋸齒交錯(cuò)狀的檢測(cè)線圈形式，在沒(méi)有金屬異物時(shí)，由于磁場(chǎng)的對(duì)稱性，感應(yīng)電壓差為零，金屬異物會(huì)打破這種平衡從而導(dǎo)致感應(yīng)電壓差增大。這種方法不僅可以檢測(cè)金屬異物的存在，還可以檢測(cè)金屬異物的具體坐標(biāo)。文獻(xiàn)[17]基于磁場(chǎng)對(duì)稱的前提，設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱式的檢測(cè)線圈陣列用以判定金屬異物的存在。這些方法通過(guò)對(duì)檢測(cè)線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到很高的檢測(cè)精度。但是這些方法同樣存在著弊端，一方面這些方法全部依賴于發(fā)射線圈的磁場(chǎng)，當(dāng)原有無(wú)線充電系統(tǒng)沒(méi)有工作時(shí)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，即被動(dòng)式檢測(cè)方案；另一方面，這些方法在特殊場(chǎng)景下存在檢測(cè)失靈的情況，例如當(dāng)金屬異物與電磁線方向平行時(shí)，金屬異物將對(duì)磁場(chǎng)影響極小，此時(shí)這些方案將面臨著檢測(cè)失靈的后果。

提出了一種基于阻抗測(cè)量的主動(dòng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)金屬異物檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)了反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)。檢測(cè)線圈陣列如圖1所示，兩個(gè)線圈反向串聯(lián)組成一個(gè)檢測(cè)線圈，無(wú)論金屬異物放置于何處，以何種姿態(tài)放置，都可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了解決被動(dòng)式檢測(cè)方案在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)掉電情況下無(wú)法檢測(cè)金屬異物的難題，提出了主動(dòng)式檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)不工作亦可檢測(cè)?；诮饘佼愇锏拇嬖跁?huì)影響檢測(cè)線圈的等效電感值與電阻值，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈回路的阻抗變化即可測(cè)量出金屬異物的存在。設(shè)計(jì)了檢測(cè)回路的振蕩頻率，提高檢測(cè)精度；仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性與有效性。

圖1 檢測(cè)線圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection coil

圖2 金屬異物檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of the proposed metal object detection system

1 金屬異物檢測(cè)系統(tǒng)的原理分析

金屬異物混入交流磁場(chǎng)中時(shí)，在渦流效應(yīng)下，此時(shí)金屬異物可以等效為一個(gè)電感與電阻的串聯(lián)組合，金屬異物與檢測(cè)線圈相互耦合，等效電路如圖3所示。

圖3 金屬異物與檢測(cè)線圈的耦合等效電路Fig.3 Coupling equivalent circuit of metal object and detection coil

在不存在金屬異物時(shí)，檢測(cè)回路的等效阻抗為：

Zeq0=Rd+jXd

(1)

根據(jù)基爾霍夫定律，可列寫(xiě)KVL方程：

(2)

式中Ld、Lm分別為金屬異物與檢測(cè)線圈的等效電感；Xd=ωLd- 1/ωCd為檢測(cè)回路的等效感抗；Id、Im分別為檢測(cè)線圈回路的電流以及金屬異物內(nèi)的環(huán)電流；Rd、Rm分別為檢測(cè)線圈與金屬異物的串聯(lián)等效電阻；M為金屬異物與檢測(cè)線圈的互感值。

記：

(3)

則可求出檢測(cè)線圈回路的等效阻抗：

j(Xd-αωLm)

(4)

從式(4)可以看出，金屬異物的存在會(huì)讓檢測(cè)線圈回路的等效電阻增大，等效感抗減小。因此，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈回路的等效阻抗變化即可判定金屬異物是否存在[18]。

由式(1)和式(2)可得金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈回路等效阻抗的影響：

|ΔZeq|=|Zeq|2-|Zeq0|2=(αRm+Rd)2+

(5)

對(duì)金屬異物進(jìn)行理想化處理，則金屬異物的品質(zhì)因數(shù)可以表示為:

Qm=ωLm/Rm

(6)

金屬異物與檢測(cè)線圈的耦合系數(shù)可以表示為：

(7)

同時(shí)假定檢測(cè)線圈與補(bǔ)償電容完全諧振，即Xd=ωLd-1/ωCd=0。對(duì)式(5)進(jìn)行化簡(jiǎn)可以得到：

(8)

根據(jù)式(8)畫(huà)出的阻抗與金屬異物品質(zhì)因數(shù)Qm以及耦合系數(shù)k的關(guān)系圖如圖4所示。從圖4中可以看出，金屬異物的存在會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)線圈回路的等效阻抗發(fā)生改變。同時(shí)，如果金屬異物與檢測(cè)線圈之間耦合系數(shù)越大，檢測(cè)線圈回路的阻抗變化越大。造成這種現(xiàn)象的原因是金屬異物與檢測(cè)線圈耦合度越高，則金屬異物從檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)中獲取的能量越大，導(dǎo)致的檢測(cè)線圈回路的等效阻抗變化越大[19]。

圖4 檢測(cè)回路阻抗變化與金屬異物品質(zhì)因數(shù) Qm 以及耦合系數(shù) k 的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the impedance variation and the quality factor Qm and the coupling factor k of the metal object

2 檢測(cè)線圈的設(shè)計(jì)與仿真分析

根據(jù)上述分析，當(dāng)金屬異物混入無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)時(shí)，檢測(cè)線圈的參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯改變。但是，傳統(tǒng)的單個(gè)陣列式檢測(cè)線圈形式，只能檢測(cè)到位于檢測(cè)線圈表面的金屬異物，在一些特殊情況下則存在著檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題。如圖5所示，當(dāng)金屬異物立于兩個(gè)檢測(cè)線圈中間時(shí)，此時(shí)金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)影響極小，為了體現(xiàn)金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈磁場(chǎng)的影響，在有限元仿真軟件中搭建有限元仿真模型。檢測(cè)線圈磁力線分布如圖6所示，可以看出，當(dāng)金屬直立于檢測(cè)線圈中間時(shí)，由于金屬與磁力線相平行，相比不存在金屬異物時(shí)，此時(shí)金屬異物檢測(cè)線圈的磁力線分布影響不大。

圖5 傳統(tǒng)檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)檢測(cè)盲區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of blind area of traditional detection coil structure

圖6 傳統(tǒng)檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)有無(wú)金屬異物時(shí)磁力線分布情況Fig.6 Distribution of magnetic field in traditional detection coil structure with or without metal object

為更具體地體現(xiàn)金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的影響，改變金屬異物的類型，在仿真軟件中計(jì)算檢測(cè)線圈的自感與感抗變化情況，得出的仿真結(jié)果如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)金屬異物處于該位置時(shí)，無(wú)論金屬是哪種類型，兩個(gè)檢測(cè)線圈的電感與電阻變化情況較小，其中線圈電感變化率在0.5%左右，線圈等效電阻變化率約為1.5%左右，導(dǎo)致檢測(cè)線圈回路的阻抗變化，即金屬異物放置在這種區(qū)域時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)方案無(wú)法提供足夠的檢測(cè)靈敏度，甚至有可能無(wú)法檢測(cè)。

表1 不同金屬異物位于傳統(tǒng)檢測(cè)盲區(qū)的檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection results of different metal objects located in the blind area of traditional detection coil

為了解決上述檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，傳統(tǒng)方式在表面再添加一層檢測(cè)線圈陣列，對(duì)檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行覆蓋。但是這種方式成本較高，控制復(fù)雜。文中設(shè)計(jì)了一種新型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)。為了改變檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)分布，對(duì)兩個(gè)完全一致的線圈進(jìn)行反向串聯(lián)，使得檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)由左線圈發(fā)射出去，右線圈匯入。因此當(dāng)金屬異物位于兩個(gè)線圈中間時(shí)，由于金屬異物與磁場(chǎng)方向正交，金屬對(duì)檢測(cè)線圈的影響較大，因此可提高檢測(cè)的靈敏度與精確性。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)在ANSYS有限元仿真中仿真參數(shù)如表2所示。

表2 金屬異物檢測(cè)線圈仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of the metal object detection coil

設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為無(wú)金屬異物時(shí)檢測(cè)線圈磁場(chǎng)分布圖，圖7(b)為金屬異物直立于檢測(cè)線圈中間時(shí)檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)分布圖，圖7(c)為金屬異物平放于檢測(cè)線圈表面時(shí)磁場(chǎng)分布圖。對(duì)比圖7(a)、圖7(b)與圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬異物位于兩個(gè)線圈中間時(shí)，金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)分布影響很大，因此所設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)金屬異物有的檢測(cè)效果。對(duì)比圖7(a)與圖7(c)可以發(fā)現(xiàn)，金屬異物的存在幾乎阻斷了大部分磁場(chǎng)，對(duì)檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)影響非常大。綜上所述，所提出檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)能夠檢測(cè)任意位置任意擺放的金屬異物。

圖7 所設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.7 Magnetic field simulation results of the designed detection coil structure

為了使檢測(cè)線圈的檢測(cè)效果更為具體化，將不同類型的金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的參數(shù)變化記錄于表3中，其中Ld和Rd分別表示檢測(cè)線圈的自感與等效電阻，ΔLd和ΔRd分別表示不同金屬異物放置于線圈表面時(shí)，檢測(cè)線圈的自感與等效電阻的變化量。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是何種金屬異物放置于金屬異物表面，檢測(cè)線圈的參數(shù)變化都是非常大，其中線圈電感變化率在10%左右，線圈等效電阻變化率約為32%左右，檢測(cè)線圈回路的阻抗變化很大。相比傳統(tǒng)檢測(cè)線圈機(jī)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)金屬異物提供了較高的靈敏度。

表3 不同金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈參數(shù)的影響Tab.3 Influence of different metal objects on the parameters of detection coil

3 檢測(cè)線圈回路的諧振頻率選擇

文中，所有的檢測(cè)線圈參數(shù)完全相同，為了降低檢測(cè)成本，縮小檢測(cè)端的體積，所有檢測(cè)線圈共用一個(gè)補(bǔ)償電容Cd。通過(guò)可控繼電器依次控制各個(gè)檢測(cè)線圈與補(bǔ)償電容的連接，檢測(cè)回路的固有諧振頻率為：

(9)

根據(jù)式(1)和式(4)畫(huà)出如圖8所示的檢測(cè)回路輸入阻抗與電路諧振頻率之間的關(guān)系曲線。ω0為沒(méi)有金屬異物的時(shí)候檢測(cè)電路的諧振頻率，ω1為金屬異物放置在檢測(cè)線圈表面時(shí)檢測(cè)回路的諧振頻率。從圖8中可以看出，金屬異物的存在，會(huì)讓檢測(cè)線圈回路的阻抗極值點(diǎn)發(fā)生偏移，如果固定檢測(cè)線圈回路的諧振頻率，那么金屬異物的存在，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)線圈回路在該頻率下的阻抗發(fā)生改變。

圖8 輸入阻抗模值與角頻率關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between input impedance modulus and angular frequency

從圖8中還可以得出一個(gè)值得注意的結(jié)論，在某些諧振頻率下，金屬異物的存在并不一定會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)線圈回路的阻抗發(fā)生改變。例如圖8中所示兩條曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)ωe，有無(wú)金屬異物的情況下，檢測(cè)線圈的回路不會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)檢測(cè)方案存在檢測(cè)失靈的風(fēng)險(xiǎn)。由于該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的諧振頻率與金屬異物的具體參數(shù)有關(guān)，不同類型的金屬異物存在不同的頻率點(diǎn)ωe。因此，為了避免檢測(cè)失靈，檢測(cè)電路的諧振頻率ωs不可大于檢測(cè)電路的固有諧振頻率ω0，即檢測(cè)線圈的諧振頻率需滿足：

ωs<ω0

(10)

文中，考慮到檢測(cè)線圈回路在固有頻率ω0電流太大而容易造成器件損耗等因素，而選擇固有諧振頻率ω0的-1 dB點(diǎn)作為檢測(cè)電路的諧振頻率，即：

(11)

那么，檢測(cè)電路的阻抗變化在諧振頻率點(diǎn)ωs可以表示為：

(12)

在固有諧振點(diǎn)ω0，檢測(cè)電路的感抗Xd=0，于是檢測(cè)電路的阻抗變化在諧振頻率點(diǎn)ωs可以表示為：

(13)

則可求出在兩個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗變化之差表達(dá)式，帶入仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

|ΔZeq(ωs)|-|ΔZeq(ω0)|>0

(14)

式(14)表明，選擇固有諧振頻率ω0的-1 dB點(diǎn)時(shí)，不僅可以避免完全諧振時(shí)帶來(lái)的電流過(guò)大的問(wèn)題，而且可以提高系統(tǒng)檢測(cè)金屬異物的檢測(cè)靈敏度，同時(shí)規(guī)避檢測(cè)失靈風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方案的可行性，按照檢測(cè)線圈的仿真參數(shù)，搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)所提出的檢測(cè)方案進(jìn)行驗(yàn)證。值得一提的是，由于檢測(cè)線圈為手工繞制，各個(gè)檢測(cè)線圈之間的電感量難免會(huì)有一定差距，對(duì)8個(gè)檢測(cè)線圈的電感求平均值作為諧振參數(shù)的配置，諧振參數(shù)如下：

(15)

檢測(cè)線圈回路的固有諧振頻率選為330 kHz，按照上文分析，激勵(lì)頻率應(yīng)為：

ωs=0.909×ω0=300 kHz

(16)

搭建的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示，整個(gè)檢測(cè)線圈陣列由8個(gè)檢測(cè)線圈(D11、D12、D21、…、D41)組成，每個(gè)檢測(cè)線圈又由兩個(gè)完全一致的線圈反向串聯(lián)組成。8個(gè)檢測(cè)線圈共用一個(gè)補(bǔ)償電容，MCU通過(guò)控制開(kāi)關(guān)陣列依次接通每個(gè)檢測(cè)線圈與補(bǔ)償電容。逆變電源為檢測(cè)線圈施加激勵(lì)，檢測(cè)線圈陣列對(duì)發(fā)射線圈實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。由于檢測(cè)線圈回路的阻抗不方便直接測(cè)量，因此選擇將檢測(cè)回路的輸入電壓值幅值固定，而檢測(cè)諧振電流的有效值，通過(guò)測(cè)量電流的有效值變化來(lái)反應(yīng)阻抗的變化。

圖9 金屬異物檢測(cè)樣機(jī)實(shí)物圖Fig.9 Photograph of the metal object detection prototype

將金屬異物一元硬幣平放于檢測(cè)線圈D21上，記錄下檢測(cè)線圈D21回路的電壓與電流波形。圖10(a) 將金屬異物放置在檢測(cè)線圈表面的過(guò)程中電壓與電流波形對(duì)比，從波形圖可以看書(shū)，回路的電壓波形隨著金屬異物的放置變化不大，而檢測(cè)線圈回路的電流幅值變化較為明顯。圖10(b)和圖10(c) 更為具體地表明了這一現(xiàn)象，當(dāng)檢測(cè)線圈表面不存在金屬異物時(shí)，檢測(cè)線圈上的諧振電流有效值為1.67 A，而當(dāng)金屬異物放置于檢測(cè)線圈表面時(shí)，檢測(cè)線圈諧振電流有效值達(dá)到了2.63 A，即線圈諧振電流的有效值變化了57%。在電路輸入電壓保持基本不變的情況下，電流的變化即表示了檢測(cè)回路阻抗的變化，因此，基于阻抗變化的金屬異物檢測(cè)原理得到了驗(yàn)證。

圖10 檢測(cè)線圈回路電壓與電流波形圖Fig.10 Voltage and current waveforms of the detection coin loop

如圖11所示的四種金屬異物為實(shí)驗(yàn)中所測(cè)試用到的金屬異物類型，分別為一元硬幣，五毛硬幣，M5螺絲，回形針，它們的尺寸如圖11所示，將其放置于檢測(cè)線圈表面，得到的檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出，表面沒(méi)有金屬異物的線圈，檢測(cè)線圈回路諧振電流有效值約為1.6 A左右；當(dāng)不同類型的金屬異物放置于檢測(cè)線圈表面時(shí)，檢測(cè)線圈回路諧振電流有效值發(fā)生了明顯的改變，因此，只要選擇合適的閾值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同金屬異物的檢測(cè)。

圖11 不同類型的金屬異物Fig.11 Different types of metal objects

圖12 不同金屬異物檢測(cè)結(jié)果Fig.12 Detection results of different metal objects

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)盲區(qū)的消除效果，文中還與傳統(tǒng)檢測(cè)方案進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。如圖13所示將金屬異物直立放置于兩個(gè)電感之間，得到的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表4所示。表中ΔIL、ΔIR分別表示按照傳統(tǒng)單線圈檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，金屬異物左側(cè)線圈與右側(cè)線圈流過(guò)電流的變化量，而ΔId表示按照所提出的反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈方案進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，反向串聯(lián)線圈Ld所流過(guò)的電流變化量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)檢測(cè)線圈方案對(duì)存在于檢測(cè)盲區(qū)的金屬異物，無(wú)法提供足夠的檢測(cè)精度；相比于傳統(tǒng)檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)的反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)于該區(qū)域的金屬異物變化非常靈敏，足以檢測(cè)出該區(qū)域的金屬異物，即設(shè)計(jì)的檢測(cè)線圈的方案解決了傳統(tǒng)方案的檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題。

圖13 傳統(tǒng)檢測(cè)方案的檢測(cè)盲區(qū)Fig.13 Blind spot of traditional detection scheme

表4 與傳統(tǒng)檢測(cè)方案對(duì)比結(jié)果Tab.4 Comparison results with the traditional detection scheme

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于阻抗變化的主動(dòng)式無(wú)線充電系統(tǒng)金屬異物檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)內(nèi)的金屬異物進(jìn)行檢測(cè)。與傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測(cè)線圈方案不同，對(duì)檢測(cè)線圈施加一定頻率的激勵(lì)，保證原有無(wú)線充電系統(tǒng)不工作時(shí)亦可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方案存在檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)完全一致的線圈進(jìn)行反向串聯(lián)，改變磁場(chǎng)分布，保證檢測(cè)線圈方案的無(wú)盲區(qū)檢測(cè)。為提高檢測(cè)靈敏度并避免檢測(cè)失靈，對(duì)檢測(cè)線圈回路的諧振頻率進(jìn)行選取原則進(jìn)行討論。搭建的仿真模型表明，金屬異物的存在會(huì)讓檢測(cè)線圈的等效阻抗變大，等效感抗減小，驗(yàn)證了基于阻抗變化的檢測(cè)方案原理的可行性。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)不同種金屬異物放置于檢測(cè)線圈表面時(shí)，相比于無(wú)金屬異物時(shí)，檢測(cè)線圈的電流都發(fā)生了明顯變化，檢測(cè)方案的可行性得到了驗(yàn)證。通過(guò)和傳統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈方案可以解決傳統(tǒng)方案中存在的檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題。