電動汽車蓄電池充電機無線充電系統基于阻抗特性的異物檢測方法
2018-7-12 13:47:00??????點擊：
針對蓄電池充電機無線充電系統中金屬及生物體異物的檢測問題，本文圍繞線圈阻抗的變化特性進行分析，利用在高頻下金屬物體對線圈磁場分布的影響以及生物體對線圈雜散參數的影響，提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。
本文詳細分析了不同類型異物引起的檢測線圈阻抗變化特性，并通過大量實驗數據進行了驗證，在此基礎上總結了不同類型和尺寸的異物對應的線圈阻抗變化規律。本文所提的異物檢測方法能夠區分異物的類型和尺寸，使蓄電池充電機無線充電系統能夠采取更優化的處理異物的措施，具有成本低、效果好、穩定可靠等優點。
目前，電動汽車在高速發展[1]，其充電站幾乎都采用有線充電方式，但是有線充電的發展普遍存在著一些問題，其依靠導體直接接觸實現電能的傳輸，會產生接觸不可靠、接觸電阻溫度升高引起損壞、充電頭笨重、插拔不方便以及環境適應性不好等問題。
電動汽車蓄電池充電機無線充電技術采用高頻耦合磁場，把能量從電網無線傳輸到電動汽車對電池進行充電，充電過程可以自動進行，無需人為干預，具有便捷、安全、靈活等優點，已成為新能源汽車領域的研究熱點，受到電動汽車行業的廣泛關注[2-5]。
對于蓄電池充電機無線充電系統而言，其水平鋪置的能量發射與接收線圈之間存在一個大功率高頻磁場區域，該區域容易進入異物，如果是金屬類異物，就可能會因為渦流損耗發熱而導致危險，而且較大尺寸的金屬異物還會改變耦合機構的參數，可能會使系統偏離正常工作點，嚴重情況下會使系統完全無法正常工作[6]。
如果是人和動物等生物體異物（或稱活物），就可能因為大功率磁場曝露對其健康造成潛在影響。準確快速的金屬類異物檢測（foreign object detect, FOD）及活物檢測（live object detect, LOD）對于蓄電池充電機無線充電系統的運行安全性具有至關重要的作用。
圍繞金屬異物檢測及活物檢測，近年來人們已經做了較多的研究。麻省理工學院通過在磁場中間加入兩個檢測器實現了金屬異物的檢測，通過電容電信號檢測是否有活體進入磁場范圍[7]。中興等公司也提出了一些蓄電池充電機無線充電異物檢測方法，比如通過有異物和沒有異物的兩個開關頻率不一樣進行檢測[8]，或者是在磁場中加入線圈對，看兩個線圈的感應電壓差值是否在預設范圍內等等[9-10]。
其他還有比如通過重力進行檢測或者功率檢測等方式[11-12]。但是各種辦法都有一些局限或者缺點，且基本不能同時檢測金屬及生物體異物。
為此，本文提出了一種基于阻抗特性的電動汽車蓄電池充電機無線充電系統異物檢測方法，該方法通過檢測異物對高頻檢測線圈的阻抗變化特性來判斷異物的存在，甚至可以進一步實現異物類型及尺寸的判斷。本文給出了該方法的基本原理，并通過實驗驗證了其可行性。
圖1 螺旋等間距繞制的線圈板
圖2 阻抗測量線圈位置圖
圖3 系統架構示意圖
圖10 生物體進入測量線圈示意圖
圖13 檢測線圈PCB圖
阻抗變化特性實驗的總結和啟示
綜合實驗和分析，對于異物使線圈阻抗變化的特性作出如下總結：
1）生物體、磁性材料和金屬使線圈阻抗參數（電阻部分、電抗部分、幅度、幅角）變化的方向都是不同的。
2）激勵頻率越低，線圈阻抗對異物越不敏感，尤其是對生物體。
3）金屬異物面積越大，線圈阻抗變化也會越大。
4）隨著金屬異物厚度增加，除線圈阻抗的電阻部分變化減小以外，電抗部分、幅角、幅度的變化都增大。
由于激勵頻率越低，線圈阻抗對異物越不敏感，所以應該給線圈提供高頻的正弦激勵信號。
由于不同異物類型對于線圈阻抗參數變化方向是不同的，所以這種基于阻抗特性的異物檢測方式不僅能夠檢測到有異物，還能分辨出異物的類別。
由于金屬尺寸越大，阻抗參數變化越大，所以可以通過阻抗參數變化的大小來判斷金屬的尺寸。
因此，本文所提的阻抗檢測法具有判斷異物類型和尺寸的能力。這可以使得采用該方法進行異物檢測的無線傳輸系統能夠根據不同的異物類型和尺寸采取不同的控制措施。如檢測到尺寸較大容易對充電系統造成嚴重安全隱患的金屬時，直接停止充電并發出報警等待排除異物后再開始充電；如檢測到尺寸較小的對充電系統影響不大的金屬異物時，可以僅報警通知管理人員處理；對于生物體這種能自己移動的異物則采取報警驅趕的措施。
結論
本文針對電動車蓄電池充電機無線充電系統的異物檢測問題，研究并提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。本文詳細分析了各類異物引起檢測線圈阻抗變化的原理。采用電橋法對異物致使阻抗變化的特性進行了測試，驗證了阻抗變化原理并分析和總結了阻抗變化的規律。
發現基于阻抗變化特性的異物檢測方法具備區分異物類型和辨識異物尺寸的能力。相比于其他異物檢測方法，基于阻抗特性的異物檢測方法能夠獲得更詳細的異物信息，基于這些信息可以采取更優化的控制策略和措施，更好地提高充電系統的安全性和穩定性。下一步將對該方法的敏感性、準確性及抗干擾性進行研究，以提高其在電動汽車蓄電池充電機無線充電系統中的實用性。
本文詳細分析了不同類型異物引起的檢測線圈阻抗變化特性，并通過大量實驗數據進行了驗證，在此基礎上總結了不同類型和尺寸的異物對應的線圈阻抗變化規律。本文所提的異物檢測方法能夠區分異物的類型和尺寸，使蓄電池充電機無線充電系統能夠采取更優化的處理異物的措施，具有成本低、效果好、穩定可靠等優點。
目前，電動汽車在高速發展[1]，其充電站幾乎都采用有線充電方式，但是有線充電的發展普遍存在著一些問題，其依靠導體直接接觸實現電能的傳輸，會產生接觸不可靠、接觸電阻溫度升高引起損壞、充電頭笨重、插拔不方便以及環境適應性不好等問題。
電動汽車蓄電池充電機無線充電技術采用高頻耦合磁場，把能量從電網無線傳輸到電動汽車對電池進行充電，充電過程可以自動進行，無需人為干預，具有便捷、安全、靈活等優點，已成為新能源汽車領域的研究熱點，受到電動汽車行業的廣泛關注[2-5]。
對于蓄電池充電機無線充電系統而言，其水平鋪置的能量發射與接收線圈之間存在一個大功率高頻磁場區域，該區域容易進入異物，如果是金屬類異物，就可能會因為渦流損耗發熱而導致危險，而且較大尺寸的金屬異物還會改變耦合機構的參數，可能會使系統偏離正常工作點，嚴重情況下會使系統完全無法正常工作[6]。
如果是人和動物等生物體異物（或稱活物），就可能因為大功率磁場曝露對其健康造成潛在影響。準確快速的金屬類異物檢測（foreign object detect, FOD）及活物檢測（live object detect, LOD）對于蓄電池充電機無線充電系統的運行安全性具有至關重要的作用。
圍繞金屬異物檢測及活物檢測，近年來人們已經做了較多的研究。麻省理工學院通過在磁場中間加入兩個檢測器實現了金屬異物的檢測，通過電容電信號檢測是否有活體進入磁場范圍[7]。中興等公司也提出了一些蓄電池充電機無線充電異物檢測方法，比如通過有異物和沒有異物的兩個開關頻率不一樣進行檢測[8]，或者是在磁場中加入線圈對，看兩個線圈的感應電壓差值是否在預設范圍內等等[9-10]。
其他還有比如通過重力進行檢測或者功率檢測等方式[11-12]。但是各種辦法都有一些局限或者缺點，且基本不能同時檢測金屬及生物體異物。
為此，本文提出了一種基于阻抗特性的電動汽車蓄電池充電機無線充電系統異物檢測方法，該方法通過檢測異物對高頻檢測線圈的阻抗變化特性來判斷異物的存在，甚至可以進一步實現異物類型及尺寸的判斷。本文給出了該方法的基本原理，并通過實驗驗證了其可行性。
圖1 螺旋等間距繞制的線圈板
圖2 阻抗測量線圈位置圖
圖3 系統架構示意圖
圖10 生物體進入測量線圈示意圖
圖13 檢測線圈PCB圖
阻抗變化特性實驗的總結和啟示
綜合實驗和分析，對于異物使線圈阻抗變化的特性作出如下總結：
1）生物體、磁性材料和金屬使線圈阻抗參數（電阻部分、電抗部分、幅度、幅角）變化的方向都是不同的。
2）激勵頻率越低，線圈阻抗對異物越不敏感，尤其是對生物體。
3）金屬異物面積越大，線圈阻抗變化也會越大。
4）隨著金屬異物厚度增加，除線圈阻抗的電阻部分變化減小以外，電抗部分、幅角、幅度的變化都增大。
由于激勵頻率越低，線圈阻抗對異物越不敏感，所以應該給線圈提供高頻的正弦激勵信號。
由于不同異物類型對于線圈阻抗參數變化方向是不同的，所以這種基于阻抗特性的異物檢測方式不僅能夠檢測到有異物，還能分辨出異物的類別。
由于金屬尺寸越大，阻抗參數變化越大，所以可以通過阻抗參數變化的大小來判斷金屬的尺寸。
因此，本文所提的阻抗檢測法具有判斷異物類型和尺寸的能力。這可以使得采用該方法進行異物檢測的無線傳輸系統能夠根據不同的異物類型和尺寸采取不同的控制措施。如檢測到尺寸較大容易對充電系統造成嚴重安全隱患的金屬時，直接停止充電并發出報警等待排除異物后再開始充電；如檢測到尺寸較小的對充電系統影響不大的金屬異物時，可以僅報警通知管理人員處理；對于生物體這種能自己移動的異物則采取報警驅趕的措施。
結論
本文針對電動車蓄電池充電機無線充電系統的異物檢測問題，研究并提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。本文詳細分析了各類異物引起檢測線圈阻抗變化的原理。采用電橋法對異物致使阻抗變化的特性進行了測試，驗證了阻抗變化原理并分析和總結了阻抗變化的規律。
發現基于阻抗變化特性的異物檢測方法具備區分異物類型和辨識異物尺寸的能力。相比于其他異物檢測方法，基于阻抗特性的異物檢測方法能夠獲得更詳細的異物信息，基于這些信息可以采取更優化的控制策略和措施，更好地提高充電系統的安全性和穩定性。下一步將對該方法的敏感性、準確性及抗干擾性進行研究，以提高其在電動汽車蓄電池充電機無線充電系統中的實用性。
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