基于功率損耗的LCC無線電能傳輸系統金屬異物檢測技術

周正行，翟智勇

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

近些年來隨著理論的不斷進步，在保證無線傳輸的電能質量的同時，還應該注意到隨之而來的安全問題。在使用無線電能傳輸系統時，發射線圈與接收線圈之間會產生高頻的交變磁場，并且無線電能傳輸的結構特點，會存在一定的微小間隙，當外界非磁性金屬異物進入高頻交變磁場，對系統傳輸電能穩定性和電能傳輸效率造成嚴重影響，當金屬異物進入能量傳輸區域后，能量傳輸區域的高頻交變磁場會和金屬異物產生渦流，損害無線電能傳輸設備，若無線電能傳輸的設備是植入式醫療設備將會對使用者造成不可估量的后果，此外，金屬異物還會對系統的傳輸效率造成影響，同時造成能量損耗。關于無線電能傳輸系統異物檢測的解決方案，國內外學者做了諸多研究。大致可以歸為三類：設計輔助線圈實現異物檢測技術、根據金屬異物影響系統參數技術和通過各類傳感器檢測異物存在技術，文獻[8]提出了一種使用陣列式差分線圈金屬異物檢測方式，利用金屬異物靠近檢測區域時輔助線圈的電感、阻抗一些參數發生改變，從而實現異物檢出，文獻[9]提出了一種測量發射線圈的品質因數變化作為檢測金屬異物存在的判據。文獻[10]基于機器視覺原理，設計一種利用攝像傳感器的異物檢測方法。該方法是利用攝像頭，對螺釘、螺栓等異物進行檢測，并通過實驗驗證了這種方法的可行性。本文提出了一種基于功率損耗的LCC無線電能傳輸系統金屬異物檢測技術，對金屬異物檢測進行研究。

1 無線電能傳輸系統的選擇

目前，由于廣泛應用的無線電能傳輸系統為磁耦合諧振式無線電能傳輸結構，磁耦合無線電能傳輸常用的補償方式主要有：LCC補償型、串型（S-S）、串并型（S-P）、并并型（P-P）、并串型（P-S）等，其中LCC補償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統主要具有結構簡單、魯棒性較強、輸出電壓增益較高等優點，并廣泛應用于中小型設備的充電、放電等領域。因此，本文選用LCC補償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統為對象，圍繞非鐵磁性金屬異物檢測方法展開研究。圖1是LCC補償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的結構示意圖。

圖1

系統主要由兩部分構成：發射端、接收端。在發射端，直流電壓源Us提供整個系統的電能輸入，MOSFET的S1~S4構成高頻逆變電路，D1~D4 為反并聯二極管；L1、C1和C2一起構成發射線圈側的補償諧振網絡；L2為發射線圈，L3為接收線圈；C3為接收線圈側并聯補償電容；R為系統等效負載電阻，I2和Io為發射端電流和負載接收電流。

2 無線電能傳輸系統的功率參數檢測原理分析

2.1 建立模型

中、小型設備的無線電能傳輸主要采用兩個線圈耦合結構，圖2為建立的中、小型設備的無線電能傳輸的耦合模型，其中L1、C1和 C2一起構成發射線圈側的補償諧振網絡；L2為發射線圈，L3為接受線圈；C3為接收線圈側并聯補償電容；RL為系統等效負載電阻，Is和Io為發射線圈電流和負載電流。

圖2

R1、R2和 R3分別為補償電感內阻、發射線圈內阻和接收線圈內阻。則接收側總阻抗 Zs為：

所以，在諧振狀態下，接收側總阻抗在發射端的反映阻抗Zr為：

將發射端等效的等效模型如圖3(a)，根據諾頓定理進一步等效圖3(b)。

圖3

在正常工作狀態下，圖中的阻抗Zeq：

則系統的總輸入阻抗為：

因為LCC型無線電能傳輸系統工作在正常狀態下，所以系統是處在諧振狀態下的所以可以得出下式：

等效后的系統輸入電流Iin、發射線圈電流IP和接收線圈電流IS為：

分別將式（2）、（3）、（4）、（5）代入到式（6）中，經過計算化簡：

在諧振狀態下，Ls和Cs相當于開路，故接收側總阻抗ZS為：

所以電流 可以簡化為：

等效后的輸出電壓為：

等效后，負載功率為：

由式(11)可以看出，發射線圈的電流僅與輸入的電壓有關，即當系統負載變化時，發射側線圈可保持恒定的電流，有利于形成穩定的磁場。由式可得，系統輸出電壓具有負載無關性。

2.2 金屬異物存在的模型

金屬材料一般具有較好的電導率，但磁導率差別較大，根據金屬磁導率不同，可分為非磁性金屬（如銅、鋁、金等）和磁性金屬（如鐵、鎳、鈷、錳等）。非磁性金屬對系統的影響主要表現為渦流效應，磁性金屬在磁場中表現為增強渦流效應和磁效應。因此， LCC補償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統耦合機構之間或周圍出現的非鐵磁性導電介質可以被等效為一個電感 4L和電阻 4R串聯的渦流計算回路，含非鐵磁性金屬異物的LCC型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統等效電路圖如圖4所示。

在非鐵磁性金屬異物的等效電路中，3R為渦流計算回路內阻，表示渦流引起的能量損耗，3L為渦流計算回路等效電感，表示渦流磁場對諧振線圈磁場的影響，M2和M3分別代表金屬異物與發射線圈和接收線圈的耦合互感，M1為電感線圈的互感。當電路處于諧振狀態時，原邊電路、副邊電路和金屬異物等效回路方程可分別表示為：

根據圖4，列寫KVL方程：

圖4

其中Z1、Z2分別為發射端、接收端回路阻抗：

在諧振狀態下，異物側總阻抗在發射端的反映阻抗zr1為：

所以由于金屬異物線圈與接收線圈耦合較弱，為了簡化問題，忽略M3，即負載電流為：

通過搭建的模型得出輸入電流為：

圖5

圖6

所以功率損耗為：

其中Zr1、Zr2分別是Z3等效阻抗和Z2等效阻抗，由式可以看出，只有Zr2為變量，所以負載功率的大小由金屬異物在磁場中產生的渦流等效阻值決定。通過式(18)可以看出PLOSS的變化，通過P0的變化得出Pin也會產生相應的變化量。

采用功率損耗方式檢測異物是否存在，其可靠性主要依賴發射端和接收端檢測的功率準確與否。考慮到一些不可測因素，不同負載下發射端和接收端測得的功率會有些偏差，為了防止發射端因一些不可測因素導致測得的功率偏差從而造成系統誤認為耦合線圈內有金屬異物的存在，通常在接收端測得的功率加上一個預設的閾值PΔ，其中PΔ作為對不可控因素誤造成系統認為金屬存在的補償。

當發、收端的耦合線圈內沒有異物時，接收端的功率式要略大或等于發射端所測得的功率的。根據輸出功率大小的不同，PΔ也不同，其值一般取最大輸出功率的5%。

由此推導出一種方法：基于功率損耗的異物檢測：

其中，Pin等于輸入功率，PPTLOSS為發射端所有的必要傳輸損耗功率，Pout等于輸出功率，PPRLOSS為接收端所有的必要傳輸損耗功率。通過發射端和接收端的功率的變化判斷異物的存在。

3 仿真驗證

基于上述分析，通過MATLAB/Simulink建立存在金屬異物的LCC型磁耦合無線電能傳輸系統仿真模型如圖7所示。

圖7

經過仿真，無金屬異物回路LCC型磁耦合無線電能傳輸系統和加入金屬異物回路的LCC型磁耦合無線電能傳輸系統的負載功率變化曲線如圖8、9所示，明顯可以看出有金屬異物后負載功率下降。

圖8

圖9

從仿真結果中可以看出，當系統不含金屬異物時，其輸入功率因約為5006mW，在加入金屬異物后，系統的等效品質因數值有較大幅度降低，約為4414mW，功率損耗約為500mW。從仿真結果可以看出基于功率損耗的變化能夠有效實現金屬異物的檢測。

圖10

4 結論

對磁耦合無線電能傳輸系統金屬異物檢測技術進行了研究。以LCC型磁耦合無線電能傳輸系統為對象，提出了一種基于功率損耗的金屬異物檢測方法。通過對不存在和存在非鐵磁性金屬異物情況下LCC型磁耦合無線電能傳輸系統的理論分析，建立LCC型磁耦合無線電能傳輸系統功率損耗模型，給出了判定是否存在非鐵磁性金屬異物的閾值確定方法；通過MATLAB/Simulink建立含有金屬異物的LCC型磁耦合無線電能傳輸系統仿真模型，給出了仿真驗證結果；仿真表明，功率損耗可作為非鐵磁性金屬異物檢測的依據，基于功率損耗的金屬異物檢測方法可有效檢測發射端和接收端之間或周圍的非鐵磁性金屬異物，并且實現比較簡單。