基于阻抗特性的電動汽車無線充電系統異物檢測方法

唐春森 鐘良亮 吳新剛 蘇炳柯 鐘明祥

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基于阻抗特性的電動汽車無線充電系統異物檢測方法

唐春森1鐘良亮2吳新剛3蘇炳柯1鐘明祥2

（1. 重慶大學自動化學院，重慶 400044；2. 國網寧波供電公司，浙江 寧波 315000；3. 北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

針對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。

電動汽車；無線充電；阻抗特性；金屬檢測；生物體檢測

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。

1 基于阻抗特性的異物檢測方法

本方法是把一塊等間距螺旋繞制的線圈板作為傳感元件，將該檢測線圈鋪置在無線充電系統的能量發射線圈上方，如圖1和圖2所示。

圖1 螺旋等間距繞制的線圈板

圖2 阻抗測量線圈位置圖

當金屬或者生物體異物進入檢測線圈的范圍時，會改變線圈環境進而影響檢測線圈的參數，線圈的阻抗就會發生變化，檢測到線圈阻抗發生變化即可判斷有金屬或生物體異物進入。該檢測系統架構如圖3所示。

圖3 系統架構示意圖

2 阻抗特性變化原理

在交變的磁場中，由于金屬進入磁場引起的磁效應或者渦流效應將會產生一個附加磁場，這個附加磁場將會破壞交變磁場的磁力線分布，所以也可以把這個產生的附加磁場稱為二次場。附加的磁場的反作用會使測量線圈的有效阻抗產生變化。

2.1 非鐵磁性金屬特性

測量線圈中電流的幅值大小和相位都會因為進入線圈范圍的金屬所產生的二次場而發生變化，也就是測量線圈的等效阻抗發生了變化。可以使用測量線圈的等效阻抗變化來反映被測金屬的渦流效應[13]。

為了方便分析，可以把金屬導體看作是一個短路線圈，其與測量線圈形成互感，根據這個現象可以得到如圖4所示的等效電路圖，圖中各字母符號的含義見表1。

互感隨金屬導體到測量線圈距離的減小而呈現出非線性增大。由電磁感應原理可知，激勵磁通1和感應磁通2相互抵消，根據克希荷夫定律，可得到電壓平衡方程式：

圖4 磁場中金屬與線圈等效電路

表1 字母參數對應關系

解方程組，得到受電渦流影響后測量線圈的等效阻抗為

2.2 鐵磁性金屬特性

根據電磁場理論，自感是每單位電流變化的磁鏈變化，即

式中，1為線圈電流產生的磁場；為線圈的面積。

對于磁性材料，可以用簡單的原子模型來解釋其磁性質。電子以恒速圍繞原子作圓周運動，產生如圖5所示軌道磁矩，其大小為

式中，e為電子電荷量；Ue為它的速度；為半徑。

同時電子圍繞其自身軸線轉動（自旋），自旋磁矩為固定值，其大小為

式中，為普朗克常量；e為電子質量。

原子的凈磁矩由所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成[14]。凈磁矩產生一個類似于電流（磁偶極子）產生的遠方場，在沒有外磁場時，物質中的磁偶極子是隨機排列的，如圖6所示，所以物質的凈磁矩幾乎為零。當有外磁場1時，每一個磁偶極子感受到轉動力矩，使它們沿磁場方向排列，如圖7所示。磁性材料中磁偶極子磁極的對準排列是加強原來的磁場1，相當于沿材料表面流動的電流，產生一個附加場2，如圖8所示。

圖6 磁偶極子隨機排列

圖7 外磁場使磁偶極子順向排列

圖8 磁偶極子對準排列等效于物質表面電流環

當磁性材料靠近通電的測量線圈時，會被通電線圈產生的磁場1磁化，磁化后材料內部對準磁偶極子的對準排列為產生附加磁場2，這個附加磁場與線圈產生的磁場方向一致，2會穿過線圈面，如圖9所示。

圖9 磁性材料附加磁場與原磁場疊加示意圖

這時測量線圈面上的磁通就是1和2的疊加，所以線圈自感變為

2.3 生物體變化特性

生物體的基本單元是細胞，細胞由細胞內液和細胞膜組成；細胞外還存在著細胞外液和細胞間質。細胞外液和細胞內液可以看作電解液。細胞膜內部由于有復雜的生物化學結構控制著粒子的移動和物質的運轉，其電壓電流特性非常復雜，但仍可將其視為電介質。所以總體而言可以將生物體視為一個電介質[15]。

當生物體進入檢測線圈時，如圖10所示，等效于線圈對地增加了雜散電容。

圖10 生物體進入測量線圈示意圖

這些雜散電容是線圈導線上的各個點對地的電容，將導線電阻看作無數個電阻串聯，可設線圈導線的電阻為1=r+r-1…3+2+1，則生物體進入線圈范圍時產生的雜散電容模型如圖11所示。

圖11 雜散電容分布模型

為便于計算，將該模型簡化，等效于一個對地電容與線圈電阻并聯，如圖12所示。

圖12 簡化的雜散電容模型

此時線圈電阻與雜散等效電容并聯的阻抗為

所以線圈在生物體接近影響雜散參數時的等效阻抗為

3 阻抗變化特性實驗驗證及分析

為驗證上述阻抗變化特性原理，使用電橋對PCB制作的線圈板的阻抗參數（包括串聯電阻S串聯電感S阻抗幅度||阻抗幅角）進行測量，如圖13所示。首先測量沒有異物時線圈的阻抗參數，然后將不同的異物分別放在線圈板上測量線圈阻抗參數，對比異物放入前后線圈阻抗參數的變化，并對測試結果進行分析。

圖13 檢測線圈PCB圖

3.1 不同異物類型的阻抗變化實驗

在1MHz的頻率下，分別對生物體（人體）、磁性材料（錳鋅鐵氧體）、金屬（10×10cm銅箔）進行測試，測試結果見表2。

表2 1MHz頻率不同異物時線圈阻抗參數

為便于比較，表2中括號里的內容表示異物進入后相對于沒有異物時參數的變化，上箭頭表示增加，下箭頭表示減小。由此可以看出，不同異物類型使阻抗參數變化的規律是不同的。

首先分析金屬，在引入金屬后其阻抗實部也就是電阻部分是S增加的，而虛部電抗部分S是減小的。同時阻抗幅度||和阻抗幅角也是減小的。再結合前文對金屬引起阻抗變化的原理，引入金屬產生的渦流效應作用下，線圈的等效阻抗公式變為式（2）。其阻抗實部也是增加，而虛部減小。實驗結果與理論原理一致。

引入磁性材料后，阻抗的實部、虛部、幅度、幅角全部增大。結合理論等效阻抗的式（8）。加入磁性材料引起的阻抗變化為

其中，阻抗實部的變化是渦流效應引起的；而阻抗虛部的變化，前面負的那部分是渦流效應引起的，后面正的那部分是磁效應引起的。由于實驗所用的磁性材料為錳鋅鐵氧體，其磁導率很大，但電導率較小，磁效應強于渦流效應，所以綜合之后阻抗虛部變化表現為增大。對于生物體，線圈阻抗的實部和虛部均是減小，這也于前文的生物體阻抗變化原理吻合。

縱觀3種異物類型對線圈阻抗參數的變化規律，明顯發現不同類型的異物使線圈阻抗參數的變化方向是不同的。異物對于線圈阻抗有這樣的變化規律，不僅使基于阻抗變化特性的異物檢測方式能夠有效地檢測到異物，還為阻抗檢測方式區分出異物類型（金屬、生物體、鐵磁體）提供了可能性。

但一組實驗數據并不能證明此規律，所以又在不同頻率下使用電橋對不同類型異物進行了測試。

3.2 不同頻率下的阻抗變化實驗

分別在500kHz、200kHz和100kHz的頻率下，對生物體（人體）、磁性材料（錳鋅鐵氧體）、金屬（10cm×10cm銅箔）進行測試。表3、表4、表5分別為測試結果，表中括號內上下箭頭分別表示加入異物后相關參數的增減。

由表2至表5可以看出，在不同頻率下，生物體、磁性材料和金屬對線圈阻抗參數的改變規律都是一樣的。也與前文阻抗變化的原理吻合，進一步證明此原理的可信度。

表3 500kHz頻率不同異物時線圈阻抗參數

表4 200kHz頻率不同異物時線圈阻抗參數

表5 100kHz頻率不同異物時線圈阻抗參數

對于生物體而言，頻率越高，線圈阻抗變化越明顯。從1MHz到100kHz頻率生物體使線圈阻抗的變化越來越小，且100kHz時線圈阻抗對生物體已經不再敏感，阻抗變化為零。而隨頻率降低雖然磁性材料以及金屬使阻抗變化的程度也會變小，但沒有生物體那么明顯。

再對比阻抗參數對3種異物的敏感程度，生物體對阻抗實部比阻抗虛部的影響更大；磁性材料對阻抗虛部的影響非常明顯，與之相反對阻抗實部影響很小；金屬對阻抗實部和虛部的影響都比較明顯。

3.3 不同異物尺寸的阻抗變化實驗

為研究異物的尺寸大小對線圈阻抗參數的影響程度，分別設計了在長寬一定（即面積一定）時不同厚度金屬和在厚度一定時不同面積金屬使線圈阻抗參數變化的實驗。

將銅箔（厚度均為0.1mm）剪成不同大小（分別是長寬為2cm×2cm、5cm×5cm和10cm×10cm）在1MHz頻率下進行線圈阻抗變化的實驗。結果見表6。

表6 加入一定厚度不同面積金屬時線圈阻抗參數

將長寬均為10cm×10cm，厚度分別為0.5mm、1mm和5mm的銅板在1MHz頻率下進行線圈阻抗變化的實驗。結果見表7。

表7 加入一定面積不同厚度金屬時線圈阻抗參數

由表6可以看出，面積越大的金屬異物，使線圈阻抗參數的變化越大，包括阻抗的實部、虛部、幅角和幅度。

再對比表7中不同厚度金屬異物對阻抗參數變化的影響，隨著厚度的增加，阻抗實部也就是電阻部分變化越小，而阻抗虛部，幅角和幅度的變化是隨厚度的增加而增大的。

3.4 阻抗變化特性實驗的總結和啟示

綜合上述實驗和分析，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。

4 結論

本文針對電動車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無線充電系統中的實用性。

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Foreign objects detection methodbased on impedance characteristics for EV wireless charging systems

Tang Chunsen1Zhong Liangliang2Wu Xin’gang3Su Bingke1Zhong Mingxiang2

(1. Automation College of Chongqing University, Chongqing 400044;2. State Grid Nsingbo Power Company, Ningbo, Zhejiang 315000;3. Beijing Zhixin Microelectronic Technology Co., Ltd, Beijing 102200)

Aimed at the detection of metal and living objects in wireless charging system, this paper proposes a detecting method based on impedance variation characteristics, analyzing the change of coil impedance and the influence of metal objects on coil magnetic field distribution and living objects on the parasitic parameters. In this paper, the coil impedance variation characteristics resulting from different types of foreign objects are analyzed in detail, results are verified by a mass of experiment data, and based on which, the regular patterns of impedance variation characteristics corresponding to foreign objects of different types and sizes are summarized. The method proposed has the advantages of low-cost, impressive effect, and stability and is able to distinguish the types and sizes of foreign objects, thus making the wireless charging system deal with foreign objects in a more optimized way.

electric vehicle; wireless charging; impedance characteristics; metal detection; living object detection

2017-11-30

唐春森（1980-），男，重慶大學副教授，博士生導師，研究方向為無線電能傳輸技術及系統。

國家自然科學基金面上項目（61573074）

國網浙江省電力公司科技項目（5211NB16000B）