孫 瀛 周 天 宋 凱 朱春波 魏 國

提升無線充電異物檢測系統(tǒng)靈敏度的高階復合諧振拓撲

孫 瀛 周 天 宋 凱 朱春波 魏 國

（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

針對無線充電系統(tǒng)中金屬異物的檢測需要，提出一種提升異物檢測系統(tǒng)檢測靈敏度的高階復合諧振拓撲，解決了傳統(tǒng)檢測線圈邊緣區(qū)域檢測靈敏度低及存在檢測盲區(qū)等問題。首先建立金屬異物與檢測線圈的互感耦合模型，闡釋諧振拓撲對檢測線圈阻抗變化的放大作用；其次在合理設計參數(shù)下分析復合諧振拓撲對檢測靈敏度提升的可行性；然后根據(jù)諧振拓撲對線圈阻抗變化的放大特性設計一種高階復合諧振拓撲，并對該拓撲結(jié)構(gòu)中各器件參數(shù)進行優(yōu)化；最后對所提出的高階復合諧振拓撲的檢測靈敏度及其具體實現(xiàn)電路進行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，針對檢測線圈邊角位置處的金屬異物和曲別針等小尺寸異物，系統(tǒng)檢測靈敏度可達62.31%和119.23%。在金屬異物對檢測線圈阻抗影響的微小變化下，所提出的高階復合諧振拓撲具有足夠高的檢測靈敏度并可以完全消除檢測盲區(qū)。

金屬異物檢測 無線電能傳輸 電動汽車 高階復合諧振拓撲 檢測靈敏度

0 引言

無線電能傳輸技術(shù)逐漸成為近年來的研究熱點。該技術(shù)在理論方面日趨完善，但實際應用時需考慮各種工況條件。由于其原、副邊的非接觸特性而容易引入金屬異物，充電區(qū)域中的金屬異物由于渦流效應而發(fā)熱，不僅會降低系統(tǒng)的輸出功率及傳輸效率，嚴重時會導致火災等安全事故[1-11,16-19]。因此異物檢測（Foreign Object Detection, FOD）是提升無線充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性的不可或缺的技術(shù)之一。同時隨著無線充電功率等級的提升，金屬異物的渦流熱效應越發(fā)顯著，異物檢測功能的必要性也更加顯現(xiàn)。例如在電動汽車無線充電領(lǐng)域，相關(guān)標準中已明確規(guī)定無線充電系統(tǒng)中必須包含異物檢測功能[12-13]。

目前常用的異物檢測方法有：原副邊功率損耗法、機器視覺檢測、調(diào)頻波雷達檢測、紅外溫度檢測以及基于檢測線圈的電磁特性檢測等。其中原副邊功率損耗法適用于小功率的無線充電場合中，如Qi標準手機充電、可穿戴設備等。該方法在大功率無線充電場合中難以適用，因為通過對比發(fā)射端與接收端的功率差值無法準確測量出異物的損耗。機器視覺檢測、調(diào)頻波雷達檢測等方法需要額外的傳感器，會增加異物檢測系統(tǒng)成本，且易受到環(huán)境影響，容易產(chǎn)生誤判?；诩t外攝像的溫度檢測法同樣會使檢測系統(tǒng)成本增加，且異物與發(fā)射端必須有明顯的溫度差異才能檢測，系統(tǒng)檢測速度存在滯后性。

基于檢測線圈的電磁特性異物檢測法主要分為磁通量檢測法[14-17]和阻抗檢測法[18-19]。上述兩種方法通過測量檢測線圈的磁通量或阻抗值的變化以實現(xiàn)對金屬異物準確且快速的檢測，而對其他不會因渦流效應發(fā)熱或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)無危害的材料不會響應，如塑料等。

磁通量檢測法原理是通過測量金屬異物對檢測線圈的磁通量變化和感應電壓進行異物檢測[10-11]。由于其檢測原理存在固有的檢測盲區(qū)，目前的解決方法是通過鋪設多層檢測線圈來覆蓋其他層檢測線圈的檢測盲區(qū)。該檢測方法原理較為簡單但結(jié)構(gòu)較為復雜，且提升檢測靈敏度的方法較為有限，如縮小每個子檢測線圈的尺寸等[14-17]。

阻抗檢測法是通過測量高頻激勵下檢測線圈的阻抗變化進行異物檢測[18-19]，該方法不依賴發(fā)射端磁場，可獨立工作。由于激勵源頻率與功率磁場頻率不同，因此該方法中檢測信號抗干擾能力強，且不易受到原、副邊偏移的影響，同時可設計較高的信噪比以提升檢測靈敏度[18-19]。

目前上述檢測靈敏度方法存在以下問題：

（1）部分區(qū)域檢測靈敏度較低。當金屬異物尺寸較小或位于檢測線圈邊緣時，上述方法難以實現(xiàn)準確檢測或解決方法較為繁瑣，而檢測盲區(qū)會導致無線充電系統(tǒng)存在安全隱患。

（2）檢測電路中諧振拓撲對檢測靈敏度的影響分析較少，且所選用的拓撲結(jié)構(gòu)多為串聯(lián)或并聯(lián)的簡單拓撲結(jié)構(gòu)，高階復合拓撲對檢測效果的影響未知。

基于以上分析，本文提出一種提升異物檢測系統(tǒng)檢測靈敏度的高階復合諧振拓撲結(jié)構(gòu)，利用諧振拓撲對檢測線圈阻抗變化的放大作用，并配合高階拓撲結(jié)構(gòu)進一步將金屬異物對檢測線圈阻抗影響的微小變化轉(zhuǎn)換為整體諧振拓撲阻抗的顯著變化，提升了系統(tǒng)整體檢測靈敏度，有助于解決傳統(tǒng)檢測線圈邊緣區(qū)域檢測靈敏度低和存在檢測盲區(qū)等問題。

1 系統(tǒng)建模

1.1 金屬異物與檢測線圈耦合模型

根據(jù)法拉第電磁感應定律，當塊狀導體置于交變磁場或在固定磁場中運動時，導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流且在導體內(nèi)閉合。因此渦流效應下的金屬異物可以等效為短路環(huán)電流模型，此時可以將金屬異物等效為一個線圈，并利用互感模型分析金屬異物對檢測線圈阻抗的影響，其互感耦合模型如圖1所示。

圖1 金屬異物與檢測線圈互感耦合模型

設D與D分別為檢測線圈自感與內(nèi)阻，m和m分別為金屬異物的等效電感和等效內(nèi)阻，m為金屬異物與檢測線圈之間的互感。NONE與FOD分別為無金屬異物時和存在金屬異物時檢測線圈的等效阻抗，二者表達式分別為

令和分別為檢測線圈電感變化率和內(nèi)阻變化比例系數(shù)，則

式（2）可簡化為

設為異物引入后檢測線圈阻抗變化百分比，則

為便于分析，將檢測線圈品質(zhì)因數(shù)D代入式（6）得

由式（7）可知檢測線圈阻抗變化百分比與金屬異物對檢測線圈的互感m有關(guān)，因此可通過合理設計檢測線圈結(jié)構(gòu)和尺寸提升m，進而提升檢測線圈電感變化比例系數(shù)和內(nèi)阻變化比例系數(shù)。

同時不同尺寸、材料、形狀的金屬異物以及金屬異物位于檢測線圈的不同位置都可以歸結(jié)為金屬異物對檢測線圈自感和等效內(nèi)阻影響的不同，即可以用不同的電感變化比例系數(shù)和內(nèi)阻變化比例系數(shù)的組合來等效不同種類或不同位置處的金屬異物對檢測線圈阻抗的影響。

根據(jù)文獻[14-15, 18, 20-23]，本文的檢測線圈采用反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中虛線框內(nèi)為檢測線圈1的兩個子檢測線圈且由引線連接。當檢測線圈外部磁場方向為“·”即垂直紙面向內(nèi)的方向時，兩個子檢測線圈產(chǎn)生的感應電流均為順時針方向。由于該線圈為反向串聯(lián)型連接方式，兩個子檢測線圈的磁通量和感應電壓可相互抵消即解耦。為完全或大部分抵消無線充電系統(tǒng)功率磁場在檢測線圈上產(chǎn)生的感應電壓，便于提升高頻檢測信號信噪比，反向串聯(lián)的兩個子線圈應分別置于發(fā)射端磁場的對稱分布位置。檢測線圈陣列的對稱鋪設結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。利用有限元仿真軟件Maxwell對耦合機構(gòu)發(fā)射端線圈表面的磁場分布進行仿真分析，考慮到印制電路板加工尺寸和加工成本的限制，檢測線圈陣列的中間區(qū)域和上、下區(qū)域分別采用基于軸的上、下軸對稱和基于軸的左、右軸對稱的鋪設方式。兩個子線圈均可分別置于發(fā)射端線盤表面磁場分布中的對稱位置，使功率磁場在兩子檢測線圈上產(chǎn)生的感應電壓接近或相同，并最大程度相互抵消。

圖2 反向串聯(lián)型檢測線圈結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 檢測線圈陣列的對稱鋪設結(jié)構(gòu)示意圖

為與后文實驗參數(shù)保持一致，本文采用外尺寸為32mm×40mm、匝數(shù)為10匝的反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)檢測線圈。檢測線圈自感D為10.02μH，不同頻率下的內(nèi)阻D可由阻抗分析儀測量得到。（注：圖3只是檢測線圈陣列對稱鋪設的結(jié)構(gòu)示意圖，實際密鋪發(fā)射端所需檢測線圈個數(shù)要多于圖3中所示）

1.2 諧振拓撲對檢測線圈的阻抗變化放大作用

基于串聯(lián)和并聯(lián)諧振的檢測線圈阻抗變化檢測電路分別如圖4a和圖4b所示。

圖4 基于串、并聯(lián)諧振的檢測線圈阻抗變化檢測電路

檢測電路原理是將異物對檢測線圈阻抗的影響轉(zhuǎn)換為放大電路的輸出信號放大比例的變化，進而通過檢測放大電路幅值變化來進行異物檢測。則可定義檢測靈敏度為

則串聯(lián)諧振檢測電路檢測靈敏度s和并聯(lián)諧振檢測電路檢測靈敏度p分別為

此時，通過對比S與δ的數(shù)值大小關(guān)系即可探究諧振拓撲對檢測線圈阻抗變化的放大作用，以及影響檢測效果的參量。以并聯(lián)諧振為例，在1.1節(jié)中已知檢測線圈自感與內(nèi)阻LD和RD的情況下，根據(jù)式（11）分析不同激勵源頻率下并聯(lián)諧振檢測電路的檢測靈敏度Sp與檢測線圈阻抗變化百分比δ之間的關(guān)系，繪制曲線簇如圖5所示。

由圖5可以看出，就百分比數(shù)值而言，在給定的情況下，的值始終大于，表明諧振拓撲對檢測線圈的阻抗變化具有放大作用。

對比不同激勵源頻率的曲線簇可以看出，隨的增加而逐漸增大，并最終趨于一致。同時在相同激勵源頻率下，越大金屬異物對檢測線圈阻抗的影響越顯著，檢測電路輸出電壓變化比例越大即檢測靈敏度越大，該現(xiàn)象也符合異物檢測的電路設計需求。

但當金屬異物尺寸較小或位于檢測線圈邊角位置時，金屬異物對檢測線圈阻抗的影響尤其是對檢測線圈自感的影響過小，致使也較小。在實際測試中，檢測線圈邊角區(qū)域的小尺寸金屬異物如螺母等對檢測線圈的自感影響約為1%，對內(nèi)阻影響約為5%。結(jié)合式（3）和式（4）對應=99%、=105%，因此可以借助和的參數(shù)組合來等效建立小尺寸異物對檢測靈敏度影響的數(shù)學關(guān)系。

根據(jù)式（10）和式（11）分析該情況下串聯(lián)和并聯(lián)拓撲的檢測靈敏度的曲線，如圖6a和圖6b所示。

由圖6可知，檢測靈敏度隨激勵源頻率提高而提升，低頻情況下的檢測靈敏度小于10%，高頻情況下檢測靈敏度有所改善但寄生參數(shù)難以控制，且高頻器件成本較高，信號處理難度較高。而且在發(fā)射端強功率磁場的干擾下，較低的檢測靈敏度會導致檢測信號信噪比較低，檢測系統(tǒng)難以實現(xiàn)準確檢測，進而導致安全隱患。因此有必要進一步研究其他類型拓撲對檢測線圈阻抗變化百分比的放大效果。

2 復合諧振拓撲

2.1 改進型復合諧振拓撲對檢測效果的增強作用

根據(jù)上文對傳統(tǒng)串、并聯(lián)諧振拓撲的分析可以看出，諧振拓撲的阻抗放大作用是將檢測線圈阻抗變化通過配諧轉(zhuǎn)換為諧振拓撲整體的阻抗變化，進而放大了金屬異物對檢測電路阻抗的影響，提升了檢測效果。但對于傳統(tǒng)串、并聯(lián)的一階諧振拓撲只放大一次而言，其在檢測線圈阻抗變化較小時仍存在檢測靈敏度較低的問題。

為此將串聯(lián)和并聯(lián)拓撲混聯(lián)為復合拓撲以構(gòu)成諧振腔的多級嵌套，進而實現(xiàn)檢測線圈阻抗變化的多級放大。

本節(jié)從如圖7所示的最基本的混聯(lián)復合諧振拓撲入手，對檢測線圈阻抗變化的放大程度、參數(shù)選取及檢測靈敏度優(yōu)化進行了研究，為后文設計多諧振腔嵌套組合以實現(xiàn)檢測線圈阻抗變化的更多級放大和高階復合諧振拓撲結(jié)構(gòu)的提出奠定理論基礎(chǔ)。

圖7 復合諧振拓撲

圖7中s和p分別為檢測線圈支路串聯(lián)電容和整體并聯(lián)電容。令s和p滿足式（12）所示的關(guān)系，為比例系數(shù)。

當沒有金屬異物和金屬異物存在時，整個拓撲的等效輸入阻抗分別為

參照式（9）檢測靈敏度為

結(jié)合式（13）～式（15）可知，表達式中包含，因此可通過優(yōu)化來優(yōu)化檢測靈敏度。為探究該復合諧振拓撲中s和p的選取對檢測靈敏度的提升作用，仍取=99%、=105%繪制檢測靈敏度關(guān)于比例系數(shù)的曲線簇如圖8所示。

圖8a和圖8b分別對不同步長進行參數(shù)掃描以便于在給定頻率下求解使最大時的最優(yōu)值。

結(jié)合圖8并對比圖6可知，在合理選取時, 相同激勵頻率下該復合拓撲的檢測靈敏度相較于串、并聯(lián)拓撲有所提升，但提升程度有限?？紤]到實際情況下的寄生參數(shù)情況，合理選擇s和p可改善檢測靈敏度。

2.2 高階復合諧振拓撲

結(jié)合前文的分析可將2.1節(jié)中的復合諧振拓撲作為高階諧振拓撲的一部分，將檢測線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)換為低階復合諧振拓撲的阻抗變化，再利用高階諧振拓撲對該諧振腔的阻抗變化進一步放大，進而實現(xiàn)檢測靈敏度的進一步提升。所提出的高階復合諧振拓撲如圖9所示。

圖9 高階復合諧振拓撲

圖9中點畫線內(nèi)1為子諧振拓撲，其實部和虛部分別表示為Re(1)和Im(1)，該拓撲在給定激勵源頻率0下呈容性，其等效電容為_eq，f、f分別為補償配諧電感及其等效串聯(lián)電阻；p1為整體并聯(lián)諧振電容。類比2.1節(jié)中的電容比例關(guān)系，定義1和2分別為

令1_eq,2p1,eqRe(Z1)f則該高階復合諧振拓撲的整體導納為

令I(lǐng)m()=0，求解參考電感f值。

其中

為保證≥0時f存在實數(shù)解，因此1和2的取值需合理設計，并保證檢測靈敏度的提升。

2.3 參數(shù)選擇

為便于分析1和2的取值，本文采用固定頻率進行分析，同時采用和進行檢測線圈阻抗變化程度的調(diào)節(jié)來等效不同情況下金屬異物（如不同位置或尺寸大小等）對檢測線圈的阻抗影響。

檢測線圈參數(shù)見表1。對1和2進行參數(shù)掃描分析其與檢測靈敏度的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖10和圖11所示，圖中只選擇了f存在實數(shù)解的1和2取值區(qū)間。

表1 檢測線圈參數(shù)

Tab.1 Parameters of detection coil

由圖10和圖11可知，在檢測靈敏度的絕對值大小方面，對比圖6和圖8，針對=99%、=105%的參數(shù)組合，合理選取1和2可使檢測靈敏度顯著提升，即該拓撲顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)拓撲以及復合諧振拓撲。同時對=95%、=120%的參數(shù)組合，檢測靈敏度大于100%，其原因是金屬異物進入后，高階復合諧振拓撲的整體阻抗變化幅度超過了無異物時高階復合諧振拓撲的整體阻抗，因此檢測靈敏度會超過100%。這也印證了當金屬異物對檢測線圈產(chǎn)生足夠大的阻抗變化時，所提出的高階復合諧振拓撲具有非常高的阻抗變化即高檢測靈敏度，進而保證了檢測信號的高信噪比，可在發(fā)射端強磁場環(huán)境中準確檢測金屬異物。

總體上檢測靈敏度的最大值隨著2的增大而增大，但隨著2接近于1，檢測靈敏度最大值趨于一致。

合理選取1和2的參數(shù)組合可使檢測靈敏度取得極大值點，不同的和情況下的最優(yōu)檢測靈敏度對應的1和2參數(shù)組合差異明顯。例如在=99%、=105%的情況中，1和2取值區(qū)間雖然受制于f存在實數(shù)解的條件限制，但1隨2增加而增加才可使檢測靈敏度達到最大，而相同的1和2參數(shù)組合在=95%、=120%的情況中與最優(yōu)解相差較大。因此該拓撲的參數(shù)是綜合統(tǒng)籌考慮多種情況下的檢測靈敏度進行選取的。

實際應用中考慮到高頻情況下的寄生參數(shù)以及高頻器件參數(shù)標稱值的誤差，1與2過于接近0或1時諧振電路準確配諧難度較大，同時為盡量優(yōu)先保證檢測線圈阻抗變化最小時即=99%、=105%的檢測靈敏度以保證邊角區(qū)域的異物可準確檢測，本文選擇的高階復合諧振拓撲參數(shù)見表2。

表2 高階復合諧振拓撲參數(shù)

Tab.2 Parameters of high-order composite resonant topology

本文選擇1為0.07而非0.08是因為1=0.07、2=0.9時，雖然在=99%、=105%情況下的檢測靈敏度略低于1=0.08、2=0.9的取值組合，但在=95%、=120%的情況下顯著高于后者。

所選參數(shù)構(gòu)成的檢測電路在=99%、=105%和=95%、=120%的情況下，理論計算的檢測靈敏度分別為64.75%和289.08%，此時金屬異物引起的檢測信號變化率和信噪比已足夠用于檢測。

3 實驗驗證

3.1 無線電能傳輸實驗平臺

本實驗以電動汽車無線充電標準SAEJ2954標準中WPT3Z2耦合機構(gòu)為系統(tǒng)實驗平臺，采用LCC-LCC拓撲結(jié)構(gòu)，用于實驗驗證的輸出功率為3.3kW。

由于本文提出的拓撲結(jié)構(gòu)對檢測線圈阻抗變化較為敏感，因此為探究耦合機構(gòu)副邊位置變化時對檢測線圈自感和內(nèi)阻的影響是否超出設定的比例系數(shù)，以耦合機構(gòu)原邊中心為原點，副邊中心位置相對于原邊線圈進行偏移，移動步長為2.5cm，實時測量檢測線圈的自感和內(nèi)阻變化情況，測量結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，當原、副邊間隔大于12cm時，耦合機構(gòu)副邊的移動對檢測線圈自感和內(nèi)阻影響均低于0.2%，即耦合機構(gòu)副邊的移動對檢測不會產(chǎn)生影響或引起誤判。

圖12 耦合機構(gòu)副邊位置對檢測線圈阻抗的影響

為驗證異物檢測系統(tǒng)對無線充電系統(tǒng)本身的諧振偏移情況和輸出功率效率的影響，通過阻抗分析儀對比測量了有、無異物檢測系統(tǒng)時發(fā)射端線圈的自感和內(nèi)阻變化，并分別進行包含和撤掉異物檢測系統(tǒng)的3.3kW功率等級的無線電能傳輸實驗，實驗結(jié)果對比如圖13和圖14所示。結(jié)合1.1節(jié)檢測線圈陣列的對稱排布及其與發(fā)射端線圈的解耦特性和圖13測量結(jié)果可知，檢測線圈內(nèi)部感應電流極低，且每次只接入一個檢測線圈進行輪巡檢測，因此異物檢測系統(tǒng)總損耗極低。同時異物檢測系統(tǒng)對發(fā)射端線圈的自感基本無影響，只是略微增加內(nèi)阻，因此不會造成無線充電系統(tǒng)諧振頻率的偏諧。

圖13 有無異物檢測系統(tǒng)對發(fā)射端線圈參數(shù)的影響

圖14 異物檢測系統(tǒng)對無線充電系統(tǒng)功率效率的影響

圖14中功率分析儀rms1和rms1及rms2和rms2分別為無線充電系統(tǒng)的逆變前直流母線電壓、電流有效值和直流電子負載端電壓、電流有效值，即整體無線充電系統(tǒng)DC至DC端參數(shù)。通過對比可以看出異物檢測系統(tǒng)對無線充電系統(tǒng)本身的輸出功率效率基本無影響。

3.2 基于高階復合諧振拓撲的異物檢測系統(tǒng)

高階復合諧振拓撲檢測電路和異物檢測系統(tǒng)如圖15和圖16所示。

檢測線圈陣列鋪設在發(fā)射端線圈線盤表面如圖16所示。為驗證所設計的系統(tǒng)的檢測效果，實驗中選取高純度直徑20mm的鋁片以及閉合曲別針作為待檢測金屬異物。實驗分別將金屬異物的幾何中心放置在四個檢測線圈交界位置處（檢測線圈邊角），并利用阻抗分析儀檢測金屬異物對線圈的阻抗影響比例系數(shù)以滿足仿真分析的和的數(shù)值，并記錄此時異物的位置。

圖15 高階復合諧振拓撲檢測電路

圖16 基于高階復合諧振拓撲的異物檢測系統(tǒng)

由于異物檢測線圈陣列放置于發(fā)射端表面，檢測線圈不可避免地會與發(fā)射線圈耦合出感應電壓。盡管檢測線圈已采用如文獻[14-15, 18, 20-23]中的反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)消除了大部分功率磁場產(chǎn)生的感應電壓，且該拓撲對85kHz的功率磁場具有-22.7dB的衰減抑制作用，但為精確提取用于異物檢測的高頻信號，檢測電路中需包含帶通濾波環(huán)節(jié)以濾除檢測線圈上的由功率磁場產(chǎn)生的感應電壓信號和高頻毛刺等噪聲信號。綜合考慮感應電壓幅值、增益、通頻帶、器件應力等因素，選用AD8066作為檢測電路中所需的運算放大器。所設計的帶通濾波器的通頻帶為2～4MHz，且在85kHz頻率處的衰減約為-30dB，由此可將高頻信號提取出來進行異物檢測。同時，為進一步提升檢測信號信噪比以及防止誤判等情況，檢測信號經(jīng)過A-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集至FPGA中再進行數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并設計檢測閾值判斷異物是否存在。

實際測量結(jié)果如圖17和圖18所示。實際高階復合諧振拓撲的諧振頻率為2.936MHz，調(diào)節(jié)信號源頻率使檢測電路保持諧振。分別將高純度鋁片置于檢測線圈阻抗變化比例=99%、=105%和=95%、=120%的對應位置處，待測信號經(jīng)濾波電路處理后信噪比較高，85kHz功率磁場產(chǎn)生的感應電壓噪聲濾除較好。

圖17 根據(jù)檢測電路輸出幅值變化計算檢測靈敏度S

圖18 異物位于不同位置處對檢測線圈阻抗變化的影響及其檢測靈敏度S的關(guān)系

檢測電路輸出電壓有效值從無異物時的2.60V分別變化至4.22V和9.75V，對應的系統(tǒng)檢測靈敏度分別為62.31%和275.68%。當鋁片位于檢測線圈中心時，檢測靈敏度為187.69%，實驗結(jié)果與理論分析基本吻合。對于曲別針等常見的小尺寸異物位于檢測線圈中心時，系統(tǒng)檢測靈敏度為119.23%。

雖然鋁片位于檢測線圈中心位置時其對檢測線圈阻抗變化百分比要超過=95%、=120%，但檢測靈敏度卻有所下降，其原因如2.3節(jié)所述：不同的和情況下的最優(yōu)檢測靈敏度對應的1和2參數(shù)組合差異明顯，但依然在強磁場下檢測足夠準確。

從圖16可以看出對于直徑20mm的鋁片，其置于檢測線圈阻抗變化比例為=99%、=105%位置處時，已有大部分面積覆蓋周圍相鄰檢測線圈。此時對于周圍相鄰檢測線圈而言，鋁片對其自感和內(nèi)阻變化的比例系數(shù)影響應分別大于99%和105%，因此可結(jié)合多個相鄰線圈的檢測結(jié)果綜合判斷異物是否存在，進而準確檢測位于檢測線圈邊角處的異物，完全消除檢測盲區(qū)等安全隱患。

綜上所述，采用該高階復合諧振拓撲可實現(xiàn)足夠高的檢測信號變化量，并實現(xiàn)小尺寸或檢測線圈邊緣位置處的金屬異物的準確檢測，進而完全消除了檢測盲區(qū)，保障并增強了無線充電系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)論

本文提出了一種應用于無線電能傳輸場合的提升異物檢測系統(tǒng)靈敏度的高階復合諧振拓撲結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)拓撲，所提出的拓撲結(jié)構(gòu)對因金屬異物導致的檢測線圈阻抗變化較為敏感，并可通過調(diào)節(jié)拓撲參數(shù)進行檢測靈敏度優(yōu)化。通過電路仿真分析，根據(jù)檢測線圈等效內(nèi)阻和自感比例系數(shù)可模擬小尺寸的金屬異物或位于檢測線圈邊角位置處的異物的檢測靈敏度。根據(jù)3.3kW電動汽車無線充電異物檢測實驗結(jié)果表明：

1）異物檢測系統(tǒng)檢測靈敏度實測值與理論值基本一致，在功率傳輸中檢測信號具有很高信噪比且對無線充電系統(tǒng)輸出功率和效率無影響。

2）該高階復合拓撲對異物位于檢測線圈極限邊角位置以及如曲別針等小尺寸異物的檢測靈敏度分別為62.31%和119.23%，具有較好的檢測靈敏度。

3）可結(jié)合多個相鄰線圈的檢測結(jié)果綜合判斷異物是否存在，進而準確檢測位于檢測線圈邊角處的異物，完全消除檢測盲區(qū)等安全隱患。

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Design of High-Order Composite Resonant Topology for Improving the Sensitivity of Foreign Object Detection System

Sun Ying Zhou Tian Song Kai Zhu Chunbo Wei Guo

（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Wireless power transfer (WPT) has been widely applied in various charging fields due to its non-contact and high-efficiency transmission of high-power electric energy over medium and long distances. In contrast to the traditional plug-in charging, WPT has the advantages of misalignment adaptation and easy maintenance, also can effectively avoid the plug wear, wire aging, and contact electrical sparks. However, because of its characteristics of non-contact between primary side and secondary side, foreign object could easily enter the coupling charging area. The eddy effect caused by the high power alternating magnetic field will lead to fire and ignition. As for the foreign metal objects with small size or located in the corner area relative to detection coil, the detection sensitivity of existing common detection methods is not high enough to detect them accurately. The blind detection area will cause the safety hazards. Thus, a high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper, which solves the problems of low detection sensitivity and blind area of traditional detection coil.

Firstly, the mutual inductance coupling model between metal foreign object and detection coil was established, and the amplifying effect of resonance topology on the impedance variation of detection coil was interpreted. Secondly, the feasibility of improving the detection sensitivity of composite resonant topology under reasonable designed parameters was analyzed. Then a high-order composite resonant topology was designed according to the amplification characteristics of the resonant topology. Also, the device parameter optimization of the proposed high-order composite resonant topology is analyzed in detail. Finally, the sensitivity of the proposed topology and its realization circuit were simulated and verified by experiments.

In the WPT experiment, the proposed detection coil array and FOD system did not affect the output power and efficiency due to its decoupling characteristic with magnetic coupler. Also, the parameters of detection coils were basically not affected by the offset of magnetic coupler, which can avoid the misjudgment effectively.

In the FOD experiment, the aluminum cylinder with diameter 20mm is placed at the corresponding corner positions of the detection coil, the detection sensitivity of two situations above are 62.31% and 275.68%, respectively. When the aluminum cylinder was located in the center area of the detection coil, the detection sensitivity is 187.69%. As for the foreign object with small size, such as paper clips, the detection sensitivity can reach 119.23%. The experimental results above demonstrate that the proposed topology has high enough detection sensitivity to eliminate the detection blind area completely even if the metal foreign object has a small influence on the detection coil impedance.

A high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper. Compared with the traditional series and parallel resonant topology of detection circuit, the proposed topology is more sensitive for the impedance changes of detection coils caused by metal foreign objects.

The following conclusions can be drawn from the analysis and experiment results:

(1) The measured detection sensitivity of the FOD system is basically consistent with the theoretical analysis. And the detection signal has a high SNR and has no influence on the output power and efficiency of the wireless charging system.

(2) The proposed high-order composite resonant topology owns the high detection sensitivity. As for the paper clips and foreign objects which located at the ultimate corner of the detection coil, the detection sensitivity can be up to 62.31% and 119.23%, respectively.

(3) The existence of foreign objects can be determined accurately by combining the detection results of multiple adjacent coils comprehensively. Thus, the blind detection areas and other safety risks can be eliminated completely.

Metal foreign object detection, wireless power transfer, electric vehicle, high-order composite resonant topology, detection sensitivity

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211758

TM724

國家自然科學基金（51977043）和哈爾濱工業(yè)大學電驅(qū)動與推進技術(shù)教育部重點實驗室開放基金資助項目。

2021-10-31

2021-12-30

孫 瀛 男，1993年生，博士生，研究方向為電動汽車無線充電技術(shù)。E-mail：sunying_0916@163.com

宋 凱 男，1982年生，教授，博士生導師，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)。E-mail：kaisong@hit.edu.cn （通信作者）

（編輯 赫 蕾）