電動汽車無線充電系統異物檢測技術

李 川，張寶強，王朝暉，黃 炘，孔治國，蘭 昊

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 引言

無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer，WPT）是一種綜合利用電力電子技術和現代控制理論并通過軟介質來實現電能從電源以非電氣接觸的方式傳遞到負載的技術，具有安全、可靠、靈活等優點［1］。具體應用到電動汽車領域，磁耦合無線充電技術 （Magnetic Field Wireless Power Transfer，MF-WPT）是目前的主流技術發展方向［2］。MFWPT利用發射線圈和接收線圈之間的高頻交變耦合磁場來實現電能傳輸。在電動汽車進行無線充電的過程中，無線充電系統往往會受到周圍環境因素的影響，例如鐵釘、易拉罐等。當這些物品位于電動汽車無線充電工作區域內，無線充電的傳輸功率和效率都會受到影響，甚至產生更嚴重的安全隱患。此外，無線充電過程中產生的電磁輻射也可能會對生物體產生傷害。因此，電動汽車無線充電系統對周圍環境物品的檢測技術值得重點關注。

2 電動汽車無線充電異物檢測

由于電動汽車無線充電技術屬于無線電能傳輸技術在電動汽車方面的具體應用，因此電動汽車無線充電的異物檢測概念也引申自無線電能傳輸的異物檢測。Qi標準V1.2.3版本對異物和異物檢測的定義為：所有不屬于無線電能傳輸設備但會出現在發射/接收線圈表面的物體均被稱為異物，異物檢測是一個由發射裝置或接收裝置執行的過程，用于確定發射線圈表面是否存在異物。

具體在電動汽車無線充電領域，國家標準GB/T 38775.1-2020《電動汽車無線充電系統 第1部分：通用要求》對異物的定義為：異物是位于原邊設備和副邊設備的任何物體，其既不是電動汽車的一部分，也不是電動汽車無線充電位的一部分［3］。國家標準GB/T 38775.3-2020《電動汽車無線充電系統 第3部分：特殊要求》對異物檢測的要求為：磁耦合WPT系統地面設備應具備異物檢測功能，能夠識別原邊設備上方影響無線電能傳輸的異物。若檢測到異物，則磁耦合WPT系統發出警告，并停止充電或不啟動充電［4］。SAE J2954-2019中規定異物檢測的目的：確保發射線圈和接收線圈之間的異物在車輛完成充電駛離后，不會因為溫度過高灼傷其他生物或者損害地面端設備的表面。

目前，異物檢測技術尚處于初步研究階段，主要圍繞金屬異物檢測（metal object detection，MOD）技術和生物體異物檢測（living object detection，LOD）技術兩方面展開［5］。本文借鑒了文獻［6］中關于異物和異物檢測的定義，其統一將金屬異物和生物稱之為異物，定義為：不屬于無線充電系統的一部分，但是會影響系統傳輸性能和安全性的物體或可能會受到系統電磁輻射影響的生物體，如金屬、非金屬磁性材料、人體等。其定義異物檢測技術為通過傳感器或電氣檢測方法，探測和識別發射/接收線圈之間或周圍的異物，并對系統進行保護和報警等相關技術。

3 國內異物檢測技術現狀

3.1 中興無線充電異物檢測功能技術現狀

3.1.1 活物檢測功能

采用的是雷達檢測的技術方案。選取的測試對象包括運動的手掌、5cm水球、樹葉、白色塑料袋，活物入侵速率為1000mm/s。圖1為中興活物檢測技術方案示意圖。

該方案的優點為有車與沒車檢測范圍一致（除輪胎遮擋區域無信號外），缺點包括：①由于雷達檢測角的問題，活物在高于地面一定高度后檢測不到；②水球尺寸太小，反射面較小，若雷達檢測精度不夠，檢測區域受限；③樹葉在近距離（3～5cm）可以檢測到，因此若無線充電設備在室外停車場可能會造成誤檢測。

3.1.2 金屬異物檢測功能

采用的是通過檢測線圈的電信號變化檢測異物。具體實現為在地面線圈上方、棋盤檢測線圈下方，增加激勵線圈；給激勵線圈加激勵后產生磁場，棋盤檢測線圈在磁場感應的原理下產生感應電壓；金屬異物的渦流會影響磁場，引起檢測線圈的感應電壓和阻抗的變化。圖2為中興金屬異物檢測技術方案示意圖。

圖2 中興金屬異物檢測技術方案示意圖

該方案可以實現主動檢測異物，缺點包括：①空間異物及訂書針大小的異物檢測難度較大，需要提升異物檢測精度；②異物檢測精度提升容易引起誤檢，如樹葉、水瓶等非金屬異物也可能引起誤檢；③不同的使用環境會引起“檢測線圈”參數變化，進一步影響檢測準確性。

3.2 中惠創智無線充電異物檢測功能技術現狀

3.2.1 活物檢測功能

采用多普勒雷達檢測，發射線圈四周安裝8只多普勒雷達傳感器，通過檢測距離和速度信息來判斷是否有活體進入充電區域。

檢測方法為采用直徑5cm的水球作為被測試對象，測試時，水球以1m/s的速度從不同方向侵入活體保護區域。當被測物體侵入標準規定的檢測區域內，系統能夠檢測到異物入侵，并進行關機或降功率運行或進行其他保證入侵物體的安全的措施，則判定系統具有活體保護功能。圖3為中惠創智活物檢測方案示意圖。

圖3 中惠創智活物檢測方案示意圖

該方案技術成熟，容易實現；運行穩定，不易受磁場環境天氣情況等影響。但是僅能檢測快速移動的物體，且與物體大小及材質有關；不能區分是否活體；檢測區域不能覆蓋線圈上方；線圈安裝只能地上安裝，地埋安裝則無法實現。

3.2.2 金屬異物檢測功能

采用差分式線圈有源檢測方案，利用高頻信號源產生的磁場激勵，系統主要由高頻信號源、檢測線圈、處理電路、電源電路4個部分組成。檢測方法為：充電區域設置若干坐標點，記錄各坐標點檢測出不同異物的反應時間。圖4為中惠創智金屬異物檢測方案示意圖。

圖4 中惠創智金屬異物檢測方案示意圖

該方案的檢測系統與原無線充電系統信號區別不大，可實現單獨設計、批量生產；檢測范圍可隨意設計，也解決了無源檢測方案中的缺點，主動檢測系統的抗干擾能力和環境適應能力都有增強。

但是系統電路復雜，成本較高；異物檢測系統不間斷發射高頻磁場，功耗較高。

3.3 華為無線充電異物檢測功能技術現狀

3.3.1 活物檢測功能

華為活物檢測功能實現方案尚未查詢到。

3.3.2 金屬異物檢測功能

采用檢測線圈+激勵線圈+處理器的方案。

檢測線圈包括至少3組檢測線圈，每一組檢測線圈的正投影均為一個平面線圈；激勵線圈的正投影也為一個平面線圈，且檢測線圈中的每一組檢測線圈的正投影以及所述激勵線圈的正投影均位于同一平面內，且彼此隔離；檢測線圈中每兩組檢測線圈形成一個線圈對，每一個線圈對用于消除檢測盲區；處理器判斷每一個線圈對的兩組線圈在所述時變磁場中產生的感應電壓值是否相等，結果不相等則判定存在異物。圖5為華為金屬異物檢測技術方案示意圖。

圖5 華為金屬異物檢測技術方案示意圖

該方案檢測系統與原無線充電系統信號區別不大，可實現單獨設計、批量生產；檢測范圍可隨意設計，也解決了無源檢測方案中的缺點，主動檢測系統的抗干擾能力和環境適應能力都有增強。但是系統電路復雜，成本較高；異物檢測系統不間斷發射高頻磁場，功耗較高。

3.4 有感無線充電異物檢測功能技術現狀

3.4.1 活物檢測功能

采用微波感測雷達，并將其集成到地面發射線圈內部。能夠判斷保護區域內是否存在活體，當有活體進入到檢測范圍內時，系統會發出警告，并停止充電或不啟動充電。圖6為有感活物檢測方案示意圖。

圖6 有感活物檢測方案示意圖

該方案集成到地面發射線圈內部，體積小，但是設備復雜，成本較高。

3.4.2 金屬異物檢測功能

采用通過檢測小檢測線圈的阻抗大小發現金屬異物的方案。小檢測線圈由多匝線纏繞制作而成，其可以等效為電阻R和電感L；金屬異物也能夠等效為電感和電阻，并且與檢測線圈的電感之間有等效互感。當金屬靠近小檢測線圈時，測到的小檢測線圈等效電感和電阻就會發生變化；根據阻抗值的變化大小判斷是否有金屬異物落入磁場中，根據變化線圈的位置可以判斷金屬異物的位置。圖7為有感金屬異物檢測方案示意圖。

圖7 有感金屬異物檢測方案示意圖

該方案檢測線圈和電路獨立于功率傳輸系統，與傳輸磁場無關；多個檢測線圈陣列可以重疊，以消除檢測盲區。但是系統電路較復雜；檢測精度容易受到干擾。

3.5 小結

國內主要的異物檢測技術方案可以歸納如圖8所示。

圖8 異物檢測技術方案對比

對各類技術方案，分析總結如下。

1）綜合考慮異物檢測裝置的安裝、防護、維護等的便利性，車端的質量、成本的限制、抗碾壓等要求，金屬異物檢測最好由發射端完成。

2）保證溫度在常見物體的燃點以下，采用感溫材料或者熱成像是最直接的方法，檢測裝置的安裝、防水、防塵和安全防護是主要問題。

3）圖像識別、微波雷達或者超聲波等可以同時進行異物和生命體的檢測，檢測裝置的安裝、防護、維護、遮擋等問題是主要問題。

4）磁場檢測或者電場檢測，不受安裝、防護等影響，檢測精度與抗碾壓材料的厚度相矛盾，干擾的消除算法是關鍵技術。

4 異物檢測功能現存問題

1）異物檢測范圍窄。目前電動汽車無線充電金屬異物檢測更多關注的是鐵磁性金屬異物的檢測，但實際生活中各類合金材料應用更加廣泛。此外，非金屬磁性材料也可能會對電動汽車無線充電系統造成影響。因此，有必要拓寬異物檢測的范圍。

2）異物檢測準確率低。一方面，現有電動汽車無線充電異物檢測系統對于小體積的鐵磁性金屬異物很難識別出來；另一方面，容易誤檢測運動的但對無線充電系統影響不大的物體，如滾動的石頭、飄落的樹葉等。

3）異物檢測產品化成本高。例如采用雷達技術的異物檢測技術方案需要在多個方向上安裝雷達裝置，造價較高。如何將異物檢測裝置集成化、模塊化、智能化，需要加強研究，進一步形成產業化的產品。

5 結語

異物檢測是保障電動汽車無線充電系統安全可靠運行的核心技術之一，它的研究及應用對促進電動汽車無線充電產業化發展至關重要。本文主要介紹了電動汽車無線充電異物檢測的概念，總結歸納了國內主要設備廠商異物檢測方案，分析了異物檢測功能現存的問題，為后續異物檢測技術的發展提供了參考。