电动汽车蓄电池充电机无线充电系统基于阻抗特性的异物检测方法
2018-7-12 13:47:00 点击：
针对蓄电池充电机无线充电系统中金属及生物体异物的检测问题，本文围绕线圈阻抗的变化特性进行分析，利用在高频下金属物体对线圈磁场分布的影响以及生物体对线圈杂散参数的影响，提出了一种基于阻抗特性的异物检测方法。
本文详细分析了不同类型异物引起的检测线圈阻抗变化特性，并通过大量实验数据进行了验证，在此基础上总结了不同类型和尺寸的异物对应的线圈阻抗变化规律。本文所提的异物检测方法能够区分异物的类型和尺寸，使蓄电池充电机无线充电系统能够采取更优化的处理异物的措施，具有成本低、效果好、稳定可靠等优点。
目前，电动汽车在高速发展[1]，其充电站几乎都采用有线充电方式，但是有线充电的发展普遍存在着一些问题，其依靠导体直接接触实现电能的传输，会产生接触不可靠、接触电阻温度升高引起损坏、充电头笨重、插拔不方便以及环境适应性不好等问题。
电动汽车蓄电池充电机无线充电技术采用高频耦合磁场，把能量从电网无线传输到电动汽车对电池进行充电，充电过程可以自动进行，无需人为干预，具有便捷、安全、灵活等优点，已成为新能源汽车领域的研究热点，受到电动汽车行业的广泛关注[2-5]。
对于蓄电池充电机无线充电系统而言，其水平铺置的能量发射与接收线圈之间存在一个大功率高频磁场区域，该区域容易进入异物，如果是金属类异物，就可能会因为涡流损耗发热而导致危险，而且较大尺寸的金属异物还会改变耦合机构的参数，可能会使系统偏离正常工作点，严重情况下会使系统完全无法正常工作[6]。
如果是人和动物等生物体异物（或称活物），就可能因为大功率磁场曝露对其健康造成潜在影响。准确快速的金属类异物检测（foreign object detect, FOD）及活物检测（live object detect, LOD）对于蓄电池充电机无线充电系统的运行安全性具有至关重要的作用。
围绕金属异物检测及活物检测，近年来人们已经做了较多的研究。麻省理工学院通过在磁场中间加入两个检测器实现了金属异物的检测，通过电容电信号检测是否有活体进入磁场范围[7]。中兴等公司也提出了一些蓄电池充电机无线充电异物检测方法，比如通过有异物和没有异物的两个开关频率不一样进行检测[8]，或者是在磁场中加入线圈对，看两个线圈的感应电压差值是否在预设范围内等等[9-10]。
其他还有比如通过重力进行检测或者功率检测等方式[11-12]。但是各种办法都有一些局限或者缺点，且基本不能同时检测金属及生物体异物。
为此，本文提出了一种基于阻抗特性的电动汽车蓄电池充电机无线充电系统异物检测方法，该方法通过检测异物对高频检测线圈的阻抗变化特性来判断异物的存在，甚至可以进一步实现异物类型及尺寸的判断。本文给出了该方法的基本原理，并通过实验验证了其可行性。
图1 螺旋等间距绕制的线圈板
图2 阻抗测量线圈位置图
图3 系统架构示意图
图10 生物体进入测量线圈示意图
图13 检测线圈PCB图
阻抗变化特性实验的总结和启示
综合实验和分析，对于异物使线圈阻抗变化的特性作出如下总结：
1）生物体、磁性材料和金属使线圈阻抗参数（电阻部分、电抗部分、幅度、幅角）变化的方向都是不同的。
2）激励频率越低，线圈阻抗对异物越不敏感，尤其是对生物体。
3）金属异物面积越大，线圈阻抗变化也会越大。
4）随着金属异物厚度增加，除线圈阻抗的电阻部分变化减小以外，电抗部分、幅角、幅度的变化都增大。
由于激励频率越低，线圈阻抗对异物越不敏感，所以应该给线圈提供高频的正弦激励信号。
由于不同异物类型对于线圈阻抗参数变化方向是不同的，所以这种基于阻抗特性的异物检测方式不仅能够检测到有异物，还能分辨出异物的类别。
由于金属尺寸越大，阻抗参数变化越大，所以可以通过阻抗参数变化的大小来判断金属的尺寸。
因此，本文所提的阻抗检测法具有判断异物类型和尺寸的能力。这可以使得采用该方法进行异物检测的无线传输系统能够根据不同的异物类型和尺寸采取不同的控制措施。如检测到尺寸较大容易对充电系统造成严重安全隐患的金属时，直接停止充电并发出报警等待排除异物后再开始充电；如检测到尺寸较小的对充电系统影响不大的金属异物时，可以仅报警通知管理人员处理；对于生物体这种能自己移动的异物则采取报警驱赶的措施。
结论
本文针对电动车蓄电池充电机无线充电系统的异物检测问题，研究并提出了一种基于阻抗特性的异物检测方法。本文详细分析了各类异物引起检测线圈阻抗变化的原理。采用电桥法对异物致使阻抗变化的特性进行了测试，验证了阻抗变化原理并分析和总结了阻抗变化的规律。
发现基于阻抗变化特性的异物检测方法具备区分异物类型和辨识异物尺寸的能力。相比于其他异物检测方法，基于阻抗特性的异物检测方法能够获得更详细的异物信息，基于这些信息可以采取更优化的控制策略和措施，更好地提高充电系统的安全性和稳定性。下一步将对该方法的敏感性、准确性及抗干扰性进行研究，以提高其在电动汽车蓄电池充电机无线充电系统中的实用性。
本文详细分析了不同类型异物引起的检测线圈阻抗变化特性，并通过大量实验数据进行了验证，在此基础上总结了不同类型和尺寸的异物对应的线圈阻抗变化规律。本文所提的异物检测方法能够区分异物的类型和尺寸，使蓄电池充电机无线充电系统能够采取更优化的处理异物的措施，具有成本低、效果好、稳定可靠等优点。
目前，电动汽车在高速发展[1]，其充电站几乎都采用有线充电方式，但是有线充电的发展普遍存在着一些问题，其依靠导体直接接触实现电能的传输，会产生接触不可靠、接触电阻温度升高引起损坏、充电头笨重、插拔不方便以及环境适应性不好等问题。
电动汽车蓄电池充电机无线充电技术采用高频耦合磁场，把能量从电网无线传输到电动汽车对电池进行充电，充电过程可以自动进行，无需人为干预，具有便捷、安全、灵活等优点，已成为新能源汽车领域的研究热点，受到电动汽车行业的广泛关注[2-5]。
对于蓄电池充电机无线充电系统而言，其水平铺置的能量发射与接收线圈之间存在一个大功率高频磁场区域，该区域容易进入异物，如果是金属类异物，就可能会因为涡流损耗发热而导致危险，而且较大尺寸的金属异物还会改变耦合机构的参数，可能会使系统偏离正常工作点，严重情况下会使系统完全无法正常工作[6]。
如果是人和动物等生物体异物（或称活物），就可能因为大功率磁场曝露对其健康造成潜在影响。准确快速的金属类异物检测（foreign object detect, FOD）及活物检测（live object detect, LOD）对于蓄电池充电机无线充电系统的运行安全性具有至关重要的作用。
围绕金属异物检测及活物检测，近年来人们已经做了较多的研究。麻省理工学院通过在磁场中间加入两个检测器实现了金属异物的检测，通过电容电信号检测是否有活体进入磁场范围[7]。中兴等公司也提出了一些蓄电池充电机无线充电异物检测方法，比如通过有异物和没有异物的两个开关频率不一样进行检测[8]，或者是在磁场中加入线圈对，看两个线圈的感应电压差值是否在预设范围内等等[9-10]。
其他还有比如通过重力进行检测或者功率检测等方式[11-12]。但是各种办法都有一些局限或者缺点，且基本不能同时检测金属及生物体异物。
为此，本文提出了一种基于阻抗特性的电动汽车蓄电池充电机无线充电系统异物检测方法，该方法通过检测异物对高频检测线圈的阻抗变化特性来判断异物的存在，甚至可以进一步实现异物类型及尺寸的判断。本文给出了该方法的基本原理，并通过实验验证了其可行性。
图1 螺旋等间距绕制的线圈板
图2 阻抗测量线圈位置图
图3 系统架构示意图
图10 生物体进入测量线圈示意图
图13 检测线圈PCB图
阻抗变化特性实验的总结和启示
综合实验和分析，对于异物使线圈阻抗变化的特性作出如下总结：
1）生物体、磁性材料和金属使线圈阻抗参数（电阻部分、电抗部分、幅度、幅角）变化的方向都是不同的。
2）激励频率越低，线圈阻抗对异物越不敏感，尤其是对生物体。
3）金属异物面积越大，线圈阻抗变化也会越大。
4）随着金属异物厚度增加，除线圈阻抗的电阻部分变化减小以外，电抗部分、幅角、幅度的变化都增大。
由于激励频率越低，线圈阻抗对异物越不敏感，所以应该给线圈提供高频的正弦激励信号。
由于不同异物类型对于线圈阻抗参数变化方向是不同的，所以这种基于阻抗特性的异物检测方式不仅能够检测到有异物，还能分辨出异物的类别。
由于金属尺寸越大，阻抗参数变化越大，所以可以通过阻抗参数变化的大小来判断金属的尺寸。
因此，本文所提的阻抗检测法具有判断异物类型和尺寸的能力。这可以使得采用该方法进行异物检测的无线传输系统能够根据不同的异物类型和尺寸采取不同的控制措施。如检测到尺寸较大容易对充电系统造成严重安全隐患的金属时，直接停止充电并发出报警等待排除异物后再开始充电；如检测到尺寸较小的对充电系统影响不大的金属异物时，可以仅报警通知管理人员处理；对于生物体这种能自己移动的异物则采取报警驱赶的措施。
结论
本文针对电动车蓄电池充电机无线充电系统的异物检测问题，研究并提出了一种基于阻抗特性的异物检测方法。本文详细分析了各类异物引起检测线圈阻抗变化的原理。采用电桥法对异物致使阻抗变化的特性进行了测试，验证了阻抗变化原理并分析和总结了阻抗变化的规律。
发现基于阻抗变化特性的异物检测方法具备区分异物类型和辨识异物尺寸的能力。相比于其他异物检测方法，基于阻抗特性的异物检测方法能够获得更详细的异物信息，基于这些信息可以采取更优化的控制策略和措施，更好地提高充电系统的安全性和稳定性。下一步将对该方法的敏感性、准确性及抗干扰性进行研究，以提高其在电动汽车蓄电池充电机无线充电系统中的实用性。
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