電動汽車無線充電金屬異物檢測線圈電磁特性

任秉銀， 湯欣寧， 馬云輝

(哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

隨著電動汽車產業的發展，無線充電方式應運而生[1]. 無線充電憑借其非接觸式充電方式，具有高靈活性、高便利性、高穩定性和可實現動態充電的優點[2]，必將成為電動汽車的主要充電方式. 但是，在無線充電過程中，如果電能發送端與接收端之間的區域落入金屬異物，會導致金屬異物短時間內迅速溫升，從而帶來安全隱患，并影響汽車充電效率[3]. 因此，開發電動汽車無線充電系統中金屬異物檢測技術是十分必要的.

由于電動汽車無線充電系統具有充電功率大(數kW級)、充電過程中功率變化大(0～滿功率)、充電區域大(邊長在500～700 mm的矩形區域)、工況復雜(車型差異、車輛進入、停車位置偏移)等特點，基于超聲波和紅外線識別、基于機器視覺以及基于無源感應線圈等檢測方案存在各自的局限性[4]. 基于諧振電路原理，通過檢測阻抗變化量來實現金屬異物檢測的有源線圈方案已經成為該領域的研究熱點.

金屬異物檢測線圈是電動汽車無線充電系統中金屬異物檢測的感知單元，如何確定檢測線圈的結構形式與結構參數是決定這種檢測方案有效性與實用性的關鍵問題.

近年來，WiTricity公司[5]、Convenient Power公司[6-7]、韓國高等科學技術院[8-10]等單位的研究人員分別提出了不同的金屬異物檢測線圈結構方案，并分析了線圈結構參數對金屬異物檢測性能的影響. 香港大學[11]、重慶大學[12-13]、山東大學[14]及其他高校[15-16]也開展了無線充電系統中金屬異物檢測技術的相關研究，并對單個圓形線圈在無線充電環境下感應磁場受金屬異物的影響進行了初步仿真.

在電動汽車無線充電系統中，金屬異物檢測線圈的電磁環境極其復雜，目前還沒有能夠用于檢測線圈設計的成熟理論方法. 本文首先深入分析影響檢測線圈電磁特性的主要因素，然后通過磁場仿真探究線圈結構參數與結構形式對檢測線圈電磁特性的影響規律，為電動汽車無線充電系統中金屬異物檢測線圈的設計提供指導.

1 金屬異物檢測基本原理

將金屬異物檢測線圈布置于電動汽車無線充電系統中能量發送線圈與接收線圈之間的磁場環境中，發送線圈一般采用基頻為85 kHz的電壓信號，給“由檢測線圈與電容串聯構成的諧振電路”施加頻率遠高于無線充電頻率的高頻交流激勵信號(考慮到諧波的影響，檢測線圈的激勵諧振頻率一般選擇3～6 MHz)，生成高頻磁場，當有金屬異物進入這個高頻磁場時，因互感效應必然導致諧振電路偏離原諧振點而“失諧”[10]，從而使檢測線圈兩端的電壓變化. 檢測該電壓變化情況即可判斷是否有金屬異物進入無線充電磁場環境中. 由此可知，檢測線圈的電磁感應特性直接決定了這種檢測方法的可行性和靈敏度.

需要指出的是：置于無線充電環境中的檢測線圈也會同時產生源于無線充電主磁場的感應信號，對于檢測線圈，這些感應信號是低頻噪聲信號，可以通過濾波技術去除，限于篇幅，本文不予討論.

此外，金屬異物檢測線圈置于無線充電環境中自身也必然會因渦流效應而發熱，同時對系統的充電效率有微弱影響. 在線圈結構設計時需要考慮充電過程中檢測線圈發熱引起的升溫問題，避免造成安全隱患. 對相關領域的用戶，為確保充電系統的安全性，因檢測線圈自身發熱對系統充電效率的影響是可以接受的.

2 檢測線圈電磁特性影響因素分析

2.1 檢測線圈的基本結構形式

為確保基于諧振原理的檢測線圈的電磁感應特性對硬幣、螺釘、螺母等小型金屬異物進入充電區域后反應靈敏，綜合考慮線圈的自感系數與載流量、線圈自身的發熱、線圈參數選擇的靈活性、線圈的制造成本以及匹配諧振電容的容值范圍等眾多因素，采用PCB形式的線圈比采用金屬絲纏繞的線圈更具優勢.

由電磁學理論可知，線圈內側的磁感應強度遠高于外側的磁感應強度，金屬異物在位于線圈內側上方時，其與線圈耦合程度強于線圈外側. 因此，線圈的有效檢測范圍集中于線圈內側上方區域. 此外，線圈尺寸與異物尺寸之間的關系直接影響檢測線圈對金屬異物的敏感性. 根據文獻[12]，對于硬幣等尺寸較小的異物，隨著檢測線圈尺寸的增加，檢測靈敏度逐步降低. 為了能夠檢測到區域內是否存在硬幣、螺釘、螺母等小型金屬異物，檢測線圈一般采用30～50 mm的圓形或矩形線圈為宜. 電動汽車無線充電系統中的電能傳輸區域尺度遠大于單個線圈的尺度，為實現全充電區域內金屬異物檢測，需要將若干個小線圈以陣列的形式鋪設.

矩形線圈因其幾何特征可實現單層緊密鋪設，異物檢測盲區面積占比較小，適用于單層線圈結構；圓形線圈無法實現單層緊密鋪設，因此盲區面積較大，但在相同電流激勵條件下，圓形線圈內側磁場分布更為集中，磁感應強度更強，更適用于多層線圈結構.

2.2 檢測線圈的基本結構參數

在確定單個線圈輪廓尺寸的前提下，每個PCB小線圈可調整的參數主要有線距、線寬及匝數，這些參數的變化會直接影響線圈的電磁感應特性.

當線圈線寬、匝數不變時，增加線距使線圈自感系數減小，線圈中心處場強增強，邊緣處場強減弱；線距、匝數不變時，增加線寬使線圈自感系數減小，磁場形狀基本不變；當線距、線寬不變時，增加匝數使線圈自感系數增加，線圈中心場強增強，邊緣基本不變.

線圈自感系數過大或過小，可以通過調節線圈匝數進行改善；調節線距可優化磁場分布，但對自感系數影響不大；線寬通常取一固定值即可，考慮到檢測線圈也會影響充電效率，覆銅面積盡量小，所以該值不宜取過大.

2.3 檢測線圈的組合方式

電動汽車無線充電過程中，由于需要檢測金屬異物的區域面積遠遠大于單個線圈的面積，需要布置的檢測線圈數量一般會達到數百個，必然導致檢測線圈的驅動與采樣電路數量龐大，系統的復雜性與成本會大大提高. 因此，需要將若干線圈組合連接成線圈組，以降低驅動電路與采樣電路的數量.

線圈的組合數量、串并聯方式、線圈繞向對噪聲抑制、磁場分布、靈敏度有直接影響：1)同一組中線圈數量越多，整個系統的驅動、采樣電路的數量就越少，但受小異物與線圈耦合面積制約，對小異物檢測的靈敏度越低；2)同一組內線圈串聯連接使總電感與總電阻增加，而并聯連接使總電感與總電阻值減小；3)相鄰兩線圈同向串聯時(如圖1(a)所示)，相鄰線圈的瞬時磁場方向相同，線圈感應到充電磁場的低頻噪聲電壓會增強；反向串聯時(如圖1(b)所示)，相鄰線圈的磁場方向相反，則線圈感應到充電磁場的低頻噪聲電壓會消減.

(a)兩線圈同向串聯 (b) 兩線圈反向串聯圖1 線圈繞向示意(箭頭表示瞬時電流方向)Fig.1 Schematic diagram of coil winding directions

若將單個線圈等效為電感與電阻串聯模型，則將i組由j個線圈串聯后再并聯連接組成的線圈組的等效模型如圖2所示.

圖2 線圈串并聯等效模型Fig.2 Equivalent model of coil series-parallel connection

3 檢測線圈電磁特性仿真分析

針對電動汽車無線充電金屬異物檢測的具體應用實例，可以根據第2節的原則首先確定出檢測線圈的大致結構參數范圍和線圈組的不同結構方案，然后仿真分析各結構參數和線圈組合方式對金屬異物檢測靈敏度的具體影響規律，為優選檢測線圈的設計方案提供依據.

Ansoft Maxwell軟件可以仿真磁場分布的三維云圖、向量場圖、截面等值曲線等，為模擬金屬異物進入無線充電環境前后磁場的變化提供了可視化分析工具.

3.1 金屬異物進入檢測線圈上方對磁場的影響

3.1.1 檢測線圈的基本磁場特性

以一角/一元硬幣(直徑為19/25 mm、厚度為2/2 mm的扁圓柱體)作為金屬異物平行放置于銅質圓形檢測線圈(外直徑為35 mm、厚度0.1 mm、匝數10匝、電感理論計算值L=3.608 μH)正上方3 mm處為例，建立檢測線圈模型和金屬異物模型. 采用一角硬幣時的模型如圖3(a)所示. 檢測線圈采用串聯諧振方式激勵，取諧振電容C=180 pF，檢測線圈等效電阻r=1 Ω，激勵源電壓表達式為U0=1sin(2π6 400 000t)(V)，激勵電路原理如圖3(b)所示.

(a)金屬異物與線圈模型 (b)檢測線圈激勵電路原理

圖3 線圈特性仿真模型

Fig.3 Simulation model of coil characteristics

使用瞬態場求解方式進行仿真，可獲得在無/有金屬異物兩種工況下，線圈磁感應強度在YOZ平面內的分布矢量圖，見圖4.

(a)無異物狀態

(b)一角硬幣進入磁場

(c)一元硬幣進入磁場圖4 YOZ平面內磁感應強度矢量Fig.4 Vector diagram of magnetic induction in YOZ plane

由圖4可看出，當一角/一元硬幣作為金屬異物進入后，使線圈原磁場磁力線走向朝四周發散，磁感應強度值被削弱，線圈的等效電感值相應減小.

有/無金屬異物時線圈兩端電壓隨時間變化的曲線如圖5所示.

(a)一角硬幣作為金屬異物

(b)一元硬幣作為金屬異物圖5 有無金屬異物時線圈兩端電壓變化曲線Fig.5 Variation of coil voltage with /without metal object

由圖5可看出，分別將一角/一元硬幣作為金屬異物放入磁場后，線圈兩端電壓幅值分別由4.4 V下降為3.1 V/2.8 V，變化率達29.5%/36.4%，相位也發生一定程度偏移，表明線圈等效阻抗發生變化. 因此，通過檢測線圈兩端電壓是否有變化，即可判斷是否有金屬異物進入線圈上方充電區域. 另外，金屬異物尺寸越大，引起線圈兩端電壓的變化率越大，檢測靈敏度越高.

3.1.2 線圈上方不同高度磁場的變化

在無線充電系統中，由于金屬異物檢測線圈一般需要封裝，必然導致金屬異物處于檢測線圈上方一定高度(一般為3～5 mm)的平面內，而檢測線圈上方磁場強度是隨著高度的變化而變化的.

下面分別以常見的銅質圓形和方形線圈為例，設圓形線圈內直徑為19 mm，外直徑為35 mm；方形線圈內邊長為19 mm，外邊長為35 mm；兩組線圈厚度均為0.035 mm，匝數均為10匝，由10 A恒定電流激勵. 每組中兩個線圈之間的間隙為0.3 mm，建立兩個線圈模型如圖6所示.

(a)圓形線圈

(b) 方形線圈圖6 兩種結構線圈的仿真模型Fig.6 Simulation models of two types of coil

采用靜磁場求解方式，可以得到在線圈上方高度分別為1、3、5 mm平行于XOY平面中各點磁感應強度的Z軸分量模|BZ|場圖，如圖7所示.

(a)圓形線圈上方1 mm處 (b)圓形線圈上方3 mm處 (c)圓形線圈上方5 mm處

(d)方形線圈上方1 mm處 (e)方形線圈上方3 mm處 (f)方形線圈上方5 mm處圖7 不同線圈上方XOY平面磁場分布Fig.7 Magnetic field distribution of different coil structures over XOY plane

圖7中對應較低|BZ|的區域為弱耦合區域，屬于異物檢測盲區；對應較高|BZ|的區域為強耦合區域，屬于異物敏感區.

在YOZ平面內平行于Y軸、距離Y軸上方分別為1、3、5 mm的位置上磁感應強度Z軸分量BZ沿Y軸方向的變化曲線如圖8所示(Z軸正方向為正).

(a)圓形線圈

(b)方形線圈圖8 磁感應強度Z分量隨位置變化曲線

Fig.8 Variation of magnetic field inductionZscalar with position

從圖7和8可看出，圓形與方形兩種形狀線圈的磁場分布規律大致相同，當距離線圈高度較小時，磁場強度分布呈草帽狀；隨著高度增加，場強最大值逐漸減小，且線圈上方中心區域場強逐漸趨于平緩. 磁場強度越強，線圈對金屬異物檢測的靈敏度越高，因此，增加金屬異物與檢測線圈之間距離會降低檢測靈敏度.

當金屬異物落入線圈外邊緣|BZ|較小的區域時，與線圈耦合程度較弱，檢測靈敏度較低，因此單層線圈結構在客觀上必然存在檢測盲區. 在同一高度下，方形線圈相比于圓形線圈對異物敏感區所占總面積比例更大一些，選用方形線圈或選用多層線圈方案可在一定程度上降低檢測盲區的面積.

3.2 線圈結構參數對磁場特性的影響

在確定單個線圈輪廓尺寸的前提下，影響檢測線圈電磁特性的結構參數主要有形狀、線寬、線距、匝數等. 而線寬與匝數是有直接關聯的一對參數，下面以圓形線圈為例，分別分析在設定線寬的前提下，線距和匝數對磁場分布的影響.

3.2.1 檢測線圈線距的影響

取圓形線圈外直徑為35 mm，厚度0.035 mm，線寬0.5 mm，材質為銅，匝數為10線距分別取0.2、0.4、0.6、0.8 mm進行仿真. 其中線距為0.2 mm和0.8 mm時的線圈模型如圖9所示.

在Y軸上方3、5 mm處分別建立兩條直線，直線上各點BZ值隨位置變化曲線如圖10所示.

(a)線距0.2 mm

(b)線距0.8 mm圖9 不同線距的圓形線圈仿真模型

Fig.9 Simulation models of circular coils with different line distances

(a)線圈Y軸上方3 mm

(b)線圈Y軸上方5 mm圖10 不同線距時BZ隨位置變化曲線

Fig.10 Variation ofBZwith different line distances and position

由圖10(a)可知，在Y軸上方3 mm處，當線圈線距為0.2 mm時，磁場為草帽狀分布，線圈中心位置BZ值小于最大值，線圈邊緣位置BZ值衰減速率較快；隨著線距的增加，線圈中心處BZ值增加，BZ最大值點向線圈中心接近，邊緣位置BZ值衰減速率變緩；當線距達到0.8 mm時，BZ最大值點位于線圈中心，磁場近似梯形分布；由圖10(b)可知，Y軸上方5 mm時磁場強度的變化規律與3 mm時相同，但幅值有明顯降低.

由此可見，增加線距可使線圈中心磁場強度增強，線圈邊緣磁場強度減弱，具有匯聚磁場效果. 在估算有效檢測區域大小時，可預先設定一磁感應強度閾值，并認為閾值以下區域為檢測盲區.

3.2.2 檢測線圈匝數的影響

取線距為0.4 mm，匝數取4、6、8、10，其他參數均與3.2.1小節相同，在Y軸上方3、5 mm處分別建立兩條直線，直線上各點BZ值隨位置變化曲線如圖11所示.

(a)線圈Y軸上方3 mm

(b)線圈Y軸上方5 mm圖11 不同匝數BZ隨位置變化曲線Fig.11 Variation of BZ with different turns and position

由圖11可知，當匝數增加時，線圈中心區域BZ值增加，邊緣區域BZ值衰減速率相差不大，磁場整體呈增強趨勢. 因此，當線圈中心位置磁場強度較弱，檢測盲區較大時，可通過適當增加線圈匝數來提高磁場強度. 但是，匝數過多會導致線圈自感系數過大，在諧振匹配時較為困難，同時，線圈接收來自充電磁場的噪聲信號較強，從而影響系統檢測效果.

3.2.3 檢測線圈線距與匝數的組合影響

為進一步分析檢測線圈的線距與匝數對線圈磁場特性的影響，選3種間距與3種匝數組合成9組參數，其在3、5 mm高度上BZ值隨位置變化的曲線見圖12.

由圖12可知，匝數增大能明顯提高磁場強度的最大值；而線距增大則使線圈邊緣處磁場下降的速度趨緩；相同參數組合情況下，隨著高度的增加，整體磁場強度逐漸減弱.

(a)線圈Y軸上方3 mm

(b) 線圈Y軸上方5 mm圖12 不同間距與匝數BZ隨位置變化曲線

Fig.12 Variation ofBZwith different line distances and turns and position

3.3 線圈組合方式對感應特性的影響

為探究小線圈間不同連接方式對磁場分布的影響，選取8個圓形線圈并以4*2方式排列作為仿真對象，線圈外直徑、內直徑與厚度同3.2.1小節，匝數為10，材質為銅，不同連接方式如圖13所示. 順接時各線圈沿X、Y軸方向相鄰線圈中的電流方向相同，反接時各線圈沿X、Y軸方向相鄰線圈中的電流方向相反.

在XOZ平面上繪制|BZ|云圖如圖14所示，XOY平面上方3 mm時|BZ|云圖如圖15所示.

由圖14、15可知：線圈反接時磁場強度更強，磁場分布更均勻，此時線圈與異物間耦合更強，檢測靈敏度更高.

(a)順接 (b) 反接圖13 不同線圈組合方式瞬時電流示意

Fig.13 Schematic diagram of transient current direction in different coil connecting ways

(a)相鄰線圈順接

(b) 相鄰線圈反接圖14 線圈不同連接方式的XOZ平面|BZ|云圖

Fig.14 |BZ| cloud of different coil connecting ways inXOZplane

(a) 相鄰線圈順接 (b) 相鄰線圈反接圖15 線圈不同連接方式的XOY平面|BZ|云圖

Fig.15 |BZ| cloud of different coil connecting ways inXOYplane

4 無線充電環境下檢測線圈組的感應特性仿真分析

為分析檢測線圈采用反接方式連接時抵消來自充電主磁場信號噪聲的效果，將一組檢測線圈置入充電磁場中，通過采集線圈組兩端電壓判斷噪聲大小. 模擬無線充電環境由發射線圈與接收線圈正對位，間距130 mm，發射線圈由85 kHz、峰峰電壓100 V的正弦電壓激勵；Y軸方向相鄰線圈間串聯，X軸方向相鄰線圈間并聯，檢測線圈布置于發射線圈上方5 mm處，整體仿真模型如圖16所示.

圖16 無線充電磁場噪聲仿真模型

Fig.16 Simulation model of wireless charging magnetic field noise

順接、反接兩種接線方式下的線圈組兩端電壓隨時間變化曲線如圖17所示.

仿真結果表明：當線圈順接時，線圈組兩端電壓最大值為1.9 V；反接時，線圈組兩端電壓最大值為0.01 V. 由此可見，線圈反接抑制低頻噪聲效果明顯.

圖17 線圈組內不同連接方式兩端感應電壓曲線

Fig.17 Curve of voltage across coil in different coil connecting ways

5 結 論

本文分析了電動汽車無線充電系統中影響檢測線圈電磁特性的主要因素，用Maxwell軟件仿真分析，揭示了金屬異物檢測原理以及不同小線圈結構參數和小線圈組連接方式對檢測線圈電磁特性的影響. 得出如下結論：

1)在確定了單個線圈輪廓尺度的情況下，線圈的形狀、線距、匝數對磁場分布有較大影響. 單層線圈結構中，選用方形小線圈、減小線距或增加匝數可以降低檢測盲區面積；增加線距可使線圈的中心磁場強度增強，線圈邊緣磁場強度減弱，具有匯聚磁場效果，但異物檢測的靈敏范圍縮小；增加線圈匝數可使中心區域的磁場強度增強，邊緣區域磁場強度值衰減速率幾乎不變；但匝數過多導致線圈自感系數過大，在諧振匹配時選擇電容較為困難，同時導致線圈中由充電磁場引起的噪聲信號較強，增加了后期信號處理的難度.

2)為提高對尺度較小的金屬異物的檢測靈敏度，單個檢測線圈的尺度不宜過大. 可以采用若干小線圈構成線圈組的方式，線圈組內小線圈間采用串聯反接方式可以使磁場強度更強，磁場更均勻，并能夠有效抑制低頻噪聲的干擾，同時減少因小線圈數量過多帶來激勵與信號處理電路龐大的弊端.