基于阻抗變化的主動(dòng)式無線充電系統(tǒng)金屬異物檢測方案

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，而無線電能傳輸技術(shù)由于具有安全可靠的優(yōu)勢而受到了廣泛的關(guān)注，被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[1-6]。一般而言，無線電能傳輸技術(shù)可分為磁場耦合式、電場耦合式、電磁輻射式以及超聲波傳輸，其中磁場耦合式無線電能傳輸技術(shù)由于傳輸功率大、傳輸效率高而應(yīng)用最為廣泛[7-8]。

隨著磁耦合式無線充電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，一些影響無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線電能傳輸系統(tǒng)的金屬異物檢測[9-10]。當(dāng)金屬異物混入無線充電系統(tǒng)中時(shí)，由于渦流效應(yīng)，無線電能傳輸系統(tǒng)的交變磁場會(huì)在金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流電場，渦流電場在金屬內(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，則原有的無線充電系統(tǒng)磁場分布大受干擾，甚至無法進(jìn)行正常的功率傳輸。因此，有必要對金屬異物對無線充電系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究，并研究一種能有效檢測金屬異物的方法。

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

針對上述問題，許多學(xué)者提出了在發(fā)射線圈表面添加一層檢測線圈陣列的方法用來判定金屬異物的存在。某公司、某團(tuán)隊(duì)提出了通過測量檢測線圈的諧振頻率、感應(yīng)電壓等參數(shù)來檢測金屬異物[15]。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種鋸齒交錯(cuò)狀的檢測線圈形式，在沒有金屬異物時(shí)，由于磁場的對稱性，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金屬異物的存在，還可以檢測金屬異物的具體坐標(biāo)。文獻(xiàn)[17]基于磁場對稱的前提，設(shè)計(jì)了一種對稱式的檢測線圈陣列用以判定金屬異物的存在。這些方法通過對檢測線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到很高的檢測精度。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，當(dāng)原有無線充電系統(tǒng)沒有工作時(shí)，整個(gè)檢測系統(tǒng)無法正常工作，即被動(dòng)式檢測方案；另一方面，這些方法在特殊場景下存在檢測失靈的情況，例如當(dāng)金屬異物與電磁線方向平行時(shí)，金屬異物將對磁場影響極小，此時(shí)這些方案將面臨著檢測失靈的后果。

提出了一種基于阻抗測量的主動(dòng)式無線電能傳輸系統(tǒng)金屬異物檢測方案，設(shè)計(jì)了反向串聯(lián)型檢測線圈結(jié)構(gòu)。檢測線圈陣列如圖1所示，兩個(gè)線圈反向串聯(lián)組成一個(gè)檢測線圈，無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。檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了解決被動(dòng)式檢測方案在無線電能傳輸系統(tǒng)掉電情況下無法檢測金屬異物的難題，提出了主動(dòng)式檢測方案，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)不工作亦可檢測。基于金屬異物的存在會(huì)影響檢測線圈的等效電感值與電阻值，通過測量檢測線圈回路的阻抗變化即可測量出金屬異物的存在。設(shè)計(jì)了檢測回路的振蕩頻率，提高檢測精度；仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性與有效性。

圖1 檢測線圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection coil

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

1 金屬異物檢測系統(tǒng)的原理分析

金屬異物混入交流磁場中時(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，金屬異物與檢測線圈相互耦合，等效電路如圖3所示。

圖3 金屬異物與檢測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)，檢測回路的等效阻抗為：

Zeq0=Rd+jXd

(1)

根據(jù)基爾霍夫定律，可列寫KVL方程：

(2)

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

記：

(3)

則可求出檢測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)讓檢測線圈回路的等效電阻增大，等效感抗減小。因此，通過測量檢測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)可得金屬異物對檢測線圈回路等效阻抗的影響：

|ΔZeq|=|Zeq|2-|Zeq0|2=(αRm+Rd)2+

(5)

對金屬異物進(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)

金屬異物與檢測線圈的耦合系數(shù)可以表示為：

(7)

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

(8)

根據(jù)式(8)畫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線圈之間耦合系數(shù)越大，檢測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線圈耦合度越高，則金屬異物從檢測線圈的磁場中獲取的能量越大，導(dǎo)致的檢測線圈回路的等效阻抗變化越大[19]。

圖4 檢測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)金屬異物混入無線電能傳輸系統(tǒng)時(shí)，檢測線圈的參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯改變。但是，傳統(tǒng)的單個(gè)陣列式檢測線圈形式，只能檢測到位于檢測線圈表面的金屬異物，在一些特殊情況下則存在著檢測盲區(qū)的問題。如圖5所示，當(dāng)金屬異物立于兩個(gè)檢測線圈中間時(shí)，此時(shí)金屬異物對檢測線圈的磁場影響極小，為了體現(xiàn)金屬異物對檢測線圈磁場的影響，在有限元仿真軟件中搭建有限元仿真模型。檢測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)金屬異物檢測線圈的磁力線分布影響不大。

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

圖6 傳統(tǒng)檢測線圈結(jié)構(gòu)有無金屬異物時(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)金屬異物對檢測線圈的影響，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)，無論金屬是哪種類型，兩個(gè)檢測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)檢測方案無法提供足夠的檢測靈敏度，甚至有可能無法檢測。

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

為了解決上述檢測盲區(qū)的問題，傳統(tǒng)方式在表面再添加一層檢測線圈陣列，對檢測盲區(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)了一種新型檢測線圈結(jié)構(gòu)。為了改變檢測線圈的磁場分布，對兩個(gè)完全一致的線圈進(jìn)行反向串聯(lián)，使得檢測線圈的磁場由左線圈發(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方向正交，金屬對檢測線圈的影響較大，因此可提高檢測的靈敏度與精確性。所設(shè)計(jì)的檢測線圈結(jié)構(gòu)在ANSYS有限元仿真中仿真參數(shù)如表2所示。

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

設(shè)計(jì)的檢測線圈結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為無金屬異物時(shí)檢測線圈磁場分布圖，圖7(b)為金屬異物直立于檢測線圈中間時(shí)檢測線圈的磁場分布圖，圖7(c)為金屬異物平放于檢測線圈表面時(shí)磁場分布圖。對比圖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)，金屬異物對檢測線圈的磁場分布影響很大，因此所設(shè)計(jì)的檢測線圈結(jié)構(gòu)對金屬異物有的檢測效果。對比圖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，對檢測線圈的磁場影響非常大。綜上所述，所提出檢測線圈結(jié)構(gòu)能夠檢測任意位置任意擺放的金屬異物。

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

為了使檢測線圈的檢測效果更為具體化，將不同類型的金屬異物對檢測線圈的參數(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，無論是何種金屬異物放置于金屬異物表面，檢測線圈的參數(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，檢測線圈回路的阻抗變化很大。相比傳統(tǒng)檢測線圈機(jī)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的反向串聯(lián)型檢測線圈結(jié)構(gòu)對金屬異物提供了較高的靈敏度。

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

3 檢測線圈回路的諧振頻率選擇

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

(9)

根據(jù)式(1)和式(4)畫出如圖8所示的檢測回路輸入阻抗與電路諧振頻率之間的關(guān)系曲線。ω0為沒有金屬異物的時(shí)候檢測電路的諧振頻率，ω1為金屬異物放置在檢測線圈表面時(shí)檢測回路的諧振頻率。從圖8中可以看出，金屬異物的存在，會(huì)讓檢測線圈回路的阻抗極值點(diǎn)發(fā)生偏移，如果固定檢測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)對應(yīng)的頻率點(diǎn)ωe，有無金屬異物的情況下，檢測線圈的回路不會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)檢測方案存在檢測失靈的風(fēng)險(xiǎn)。由于該交點(diǎn)對應(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，為了避免檢測失靈，檢測電路的諧振頻率ωs不可大于檢測電路的固有諧振頻率ω0，即檢測線圈的諧振頻率需滿足：

ωs<ω0

(10)

文中，考慮到檢測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)作為檢測電路的諧振頻率，即：

(11)

那么，檢測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，檢測電路的感抗Xd=0，于是檢測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)帶來的電流過大的問題，而且可以提高系統(tǒng)檢測金屬異物的檢測靈敏度，同時(shí)規(guī)避檢測失靈風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測方案的可行性，按照檢測線圈的仿真參數(shù)，搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對所提出的檢測方案進(jìn)行驗(yàn)證。值得一提的是，由于檢測線圈為手工繞制，各個(gè)檢測線圈之間的電感量難免會(huì)有一定差距，對8個(gè)檢測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)檢測線圈陣列由8個(gè)檢測線圈(D11、D12、D21、…、D41)組成，每個(gè)檢測線圈又由兩個(gè)完全一致的線圈反向串聯(lián)組成。8個(gè)檢測線圈共用一個(gè)補(bǔ)償電容，MCU通過控制開關(guān)陣列依次接通每個(gè)檢測線圈與補(bǔ)償電容。逆變電源為檢測線圈施加激勵(lì)，檢測線圈陣列對發(fā)射線圈實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。由于檢測線圈回路的阻抗不方便直接測量，因此選擇將檢測回路的輸入電壓值幅值固定，而檢測諧振電流的有效值，通過測量電流的有效值變化來反應(yīng)阻抗的變化。

圖9 金屬異物檢測樣機(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線圈D21上，記錄下檢測線圈D21回路的電壓與電流波形。圖10(a) 將金屬異物放置在檢測線圈表面的過程中電壓與電流波形對比，從波形圖可以看書，回路的電壓波形隨著金屬異物的放置變化不大，而檢測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)檢測線圈表面不存在金屬異物時(shí)，檢測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線圈表面時(shí)，檢測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回路阻抗的變化，因此，基于阻抗變化的金屬異物檢測原理得到了驗(yàn)證。

圖10 檢測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，將其放置于檢測線圈表面，得到的檢測結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出，表面沒有金屬異物的線圈，檢測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線圈表面時(shí)，檢測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)對不同金屬異物的檢測。

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

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

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測線圈結(jié)構(gòu)對檢測盲區(qū)的消除效果，文中還與傳統(tǒng)檢測方案進(jìn)行了對比實(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)單線圈檢測方案進(jìn)行檢測時(shí)，金屬異物左側(cè)線圈與右側(cè)線圈流過電流的變化量，而ΔId表示按照所提出的反向串聯(lián)型檢測線圈方案進(jìn)行檢測時(shí)，反向串聯(lián)線圈Ld所流過的電流變化量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)檢測線圈方案對存在于檢測盲區(qū)的金屬異物，無法提供足夠的檢測精度；相比于傳統(tǒng)檢測方案，設(shè)計(jì)的反向串聯(lián)型檢測線圈結(jié)構(gòu)對于該區(qū)域的金屬異物變化非常靈敏，足以檢測出該區(qū)域的金屬異物，即設(shè)計(jì)的檢測線圈的方案解決了傳統(tǒng)方案的檢測盲區(qū)問題。

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

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

5 結(jié)束語

提出了一種基于阻抗變化的主動(dòng)式無線充電系統(tǒng)金屬異物檢測方案，實(shí)現(xiàn)對無線電能傳輸系統(tǒng)內(nèi)的金屬異物進(jìn)行檢測。與傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測線圈方案不同，對檢測線圈施加一定頻率的激勵(lì)，保證原有無線充電系統(tǒng)不工作時(shí)亦可實(shí)現(xiàn)檢測功能。針對傳統(tǒng)檢測方案存在檢測盲區(qū)的問題，設(shè)計(jì)了一種反向串聯(lián)型檢測線圈結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)完全一致的線圈進(jìn)行反向串聯(lián)，改變磁場分布，保證檢測線圈方案的無盲區(qū)檢測。為提高檢測靈敏度并避免檢測失靈，對檢測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線圈表面時(shí)，相比于無金屬異物時(shí)，檢測線圈的電流都發(fā)生了明顯變化，檢測方案的可行性得到了驗(yàn)證。通過和傳統(tǒng)方案進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的反向串聯(lián)型檢測線圈方案可以解決傳統(tǒng)方案中存在的檢測盲區(qū)問題。