提升無(wú)線充電異物檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)?/h1>
2023-03-30 06:09:20朱春波
電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2023年6期
孫 瀛 周 天 宋 凱 朱春波 魏 國(guó)
提升無(wú)線充電異物檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)?/p>
孫 瀛 周 天 宋 凱 朱春波 魏 國(guó)
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）
針對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)中金屬異物的檢測(cè)需要，提出一種提升異物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)洌鉀Q了傳統(tǒng)檢測(cè)線圈邊緣區(qū)域檢測(cè)靈敏度低及存在檢測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題。首先建立金屬異物與檢測(cè)線圈的互感耦合模型，闡釋諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大作用；其次在合理設(shè)計(jì)參數(shù)下分析復(fù)合諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)靈敏度提升的可行性；然后根據(jù)諧振拓?fù)鋵?duì)線圈阻抗變化的放大特性設(shè)計(jì)一種高階復(fù)合諧振拓?fù)?，并?duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后對(duì)所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)涞臋z測(cè)靈敏度及其具體實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)檢測(cè)線圈邊角位置處的金屬異物和曲別針等小尺寸異物，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度可達(dá)62.31%和119.23%。在金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗影響的微小變化下，所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)渚哂凶銐蚋叩臋z測(cè)靈敏度并可以完全消除檢測(cè)盲區(qū)。
金屬異物檢測(cè) 無(wú)線電能傳輸 電動(dòng)汽車(chē) 高階復(fù)合諧振拓?fù)?檢測(cè)靈敏度
0 引言
無(wú)線電能傳輸技術(shù)逐漸成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)在理論方面日趨完善，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮各種工況條件。由于其原、副邊的非接觸特性而容易引入金屬異物，充電區(qū)域中的金屬異物由于渦流效應(yīng)而發(fā)熱，不僅會(huì)降低系統(tǒng)的輸出功率及傳輸效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等安全事故[1-11,16-19]。因此異物檢測(cè)（Foreign Object Detection, FOD）是提升無(wú)線充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性的不可或缺的技術(shù)之一。同時(shí)隨著無(wú)線充電功率等級(jí)的提升，金屬異物的渦流熱效應(yīng)越發(fā)顯著，異物檢測(cè)功能的必要性也更加顯現(xiàn)。例如在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電領(lǐng)域，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已明確規(guī)定無(wú)線充電系統(tǒng)中必須包含異物檢測(cè)功能[12-13]。
目前常用的異物檢測(cè)方法有：原副邊功率損耗法、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、調(diào)頻波雷達(dá)檢測(cè)、紅外溫度檢測(cè)以及基于檢測(cè)線圈的電磁特性檢測(cè)等。其中原副邊功率損耗法適用于小功率的無(wú)線充電場(chǎng)合中，如Qi標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)充電、可穿戴設(shè)備等。該方法在大功率無(wú)線充電場(chǎng)合中難以適用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)比發(fā)射端與接收端的功率差值無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出異物的損耗。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、調(diào)頻波雷達(dá)檢測(cè)等方法需要額外的傳感器，會(huì)增加異物檢測(cè)系統(tǒng)成本，且易受到環(huán)境影響，容易產(chǎn)生誤判?；诩t外攝像的溫度檢測(cè)法同樣會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)成本增加，且異物與發(fā)射端必須有明顯的溫度差異才能檢測(cè)，系統(tǒng)檢測(cè)速度存在滯后性。
基于檢測(cè)線圈的電磁特性異物檢測(cè)法主要分為磁通量檢測(cè)法[14-17]和阻抗檢測(cè)法[18-19]。上述兩種方法通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈的磁通量或阻抗值的變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬異物準(zhǔn)確且快速的檢測(cè)，而對(duì)其他不會(huì)因渦流效應(yīng)發(fā)熱或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)無(wú)危害的材料不會(huì)響應(yīng)，如塑料等。
磁通量檢測(cè)法原理是通過(guò)測(cè)量金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的磁通量變化和感應(yīng)電壓進(jìn)行異物檢測(cè)[10-11]。由于其檢測(cè)原理存在固有的檢測(cè)盲區(qū)，目前的解決方法是通過(guò)鋪設(shè)多層檢測(cè)線圈來(lái)覆蓋其他層檢測(cè)線圈的檢測(cè)盲區(qū)。該檢測(cè)方法原理較為簡(jiǎn)單但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且提升檢測(cè)靈敏度的方法較為有限，如縮小每個(gè)子檢測(cè)線圈的尺寸等[14-17]。
阻抗檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量高頻激勵(lì)下檢測(cè)線圈的阻抗變化進(jìn)行異物檢測(cè)[18-19]，該方法不依賴發(fā)射端磁場(chǎng)，可獨(dú)立工作。由于激勵(lì)源頻率與功率磁場(chǎng)頻率不同，因此該方法中檢測(cè)信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，且不易受到原、副邊偏移的影響，同時(shí)可設(shè)計(jì)較高的信噪比以提升檢測(cè)靈敏度[18-19]。
目前上述檢測(cè)靈敏度方法存在以下問(wèn)題：
（1）部分區(qū)域檢測(cè)靈敏度較低。當(dāng)金屬異物尺寸較小或位于檢測(cè)線圈邊緣時(shí)，上述方法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)或解決方法較為繁瑣，而檢測(cè)盲區(qū)會(huì)導(dǎo)致無(wú)線充電系統(tǒng)存在安全隱患。
（2）檢測(cè)電路中諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)靈敏度的影響分析較少，且所選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為串聯(lián)或并聯(lián)的簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高階復(fù)合拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)效果的影響未知。
基于以上分析，本文提出一種提升異物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大作用，并配合高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步將金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗影響的微小變化轉(zhuǎn)換為整體諧振拓?fù)渥杩沟娘@著變化，提升了系統(tǒng)整體檢測(cè)靈敏度，有助于解決傳統(tǒng)檢測(cè)線圈邊緣區(qū)域檢測(cè)靈敏度低和存在檢測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題。
1 系統(tǒng)建模
1.1 金屬異物與檢測(cè)線圈耦合模型
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)塊狀導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流且在導(dǎo)體內(nèi)閉合。因此渦流效應(yīng)下的金屬異物可以等效為短路環(huán)電流模型，此時(shí)可以將金屬異物等效為一個(gè)線圈，并利用互感模型分析金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響，其互感耦合模型如圖1所示。
圖1 金屬異物與檢測(cè)線圈互感耦合模型
設(shè)D與D分別為檢測(cè)線圈自感與內(nèi)阻，m和m分別為金屬異物的等效電感和等效內(nèi)阻，m為金屬異物與檢測(cè)線圈之間的互感。NONE與FOD分別為無(wú)金屬異物時(shí)和存在金屬異物時(shí)檢測(cè)線圈的等效阻抗，二者表達(dá)式分別為
令和分別為檢測(cè)線圈電感變化率和內(nèi)阻變化比例系數(shù)，則
式（2）可簡(jiǎn)化為
設(shè)為異物引入后檢測(cè)線圈阻抗變化百分比，則
為便于分析，將檢測(cè)線圈品質(zhì)因數(shù)D代入式（6）得
由式（7）可知檢測(cè)線圈阻抗變化百分比與金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的互感m有關(guān)，因此可通過(guò)合理設(shè)計(jì)檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)和尺寸提升m，進(jìn)而提升檢測(cè)線圈電感變化比例系數(shù)和內(nèi)阻變化比例系數(shù)。
同時(shí)不同尺寸、材料、形狀的金屬異物以及金屬異物位于檢測(cè)線圈的不同位置都可以歸結(jié)為金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈自感和等效內(nèi)阻影響的不同，即可以用不同的電感變化比例系數(shù)和內(nèi)阻變化比例系數(shù)的組合來(lái)等效不同種類或不同位置處的金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響。
根據(jù)文獻(xiàn)[14-15, 18, 20-23]，本文的檢測(cè)線圈采用反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中虛線框內(nèi)為檢測(cè)線圈1的兩個(gè)子檢測(cè)線圈且由引線連接。當(dāng)檢測(cè)線圈外部磁場(chǎng)方向?yàn)椤啊ぁ奔创怪奔埫嫦騼?nèi)的方向時(shí)，兩個(gè)子檢測(cè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流均為順時(shí)針?lè)较?。由于該線圈為反向串聯(lián)型連接方式，兩個(gè)子檢測(cè)線圈的磁通量和感應(yīng)電壓可相互抵消即解耦。為完全或大部分抵消無(wú)線充電系統(tǒng)功率磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，便于提升高頻檢測(cè)信號(hào)信噪比，反向串聯(lián)的兩個(gè)子線圈應(yīng)分別置于發(fā)射端磁場(chǎng)的對(duì)稱分布位置。檢測(cè)線圈陣列的對(duì)稱鋪設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。利用有限元仿真軟件Maxwell對(duì)耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射端線圈表面的磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析，考慮到印制電路板加工尺寸和加工成本的限制，檢測(cè)線圈陣列的中間區(qū)域和上、下區(qū)域分別采用基于軸的上、下軸對(duì)稱和基于軸的左、右軸對(duì)稱的鋪設(shè)方式。兩個(gè)子線圈均可分別置于發(fā)射端線盤(pán)表面磁場(chǎng)分布中的對(duì)稱位置，使功率磁場(chǎng)在兩子檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓接近或相同，并最大程度相互抵消。
圖2 反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 檢測(cè)線圈陣列的對(duì)稱鋪設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖
為與后文實(shí)驗(yàn)參數(shù)保持一致，本文采用外尺寸為32mm×40mm、匝數(shù)為10匝的反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)檢測(cè)線圈。檢測(cè)線圈自感D為10.02μH，不同頻率下的內(nèi)阻D可由阻抗分析儀測(cè)量得到。（注：圖3只是檢測(cè)線圈陣列對(duì)稱鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)際密鋪發(fā)射端所需檢測(cè)線圈個(gè)數(shù)要多于圖3中所示）
1.2 諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈的阻抗變化放大作用
基于串聯(lián)和并聯(lián)諧振的檢測(cè)線圈阻抗變化檢測(cè)電路分別如圖4a和圖4b所示。
圖4 基于串、并聯(lián)諧振的檢測(cè)線圈阻抗變化檢測(cè)電路
檢測(cè)電路原理是將異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響轉(zhuǎn)換為放大電路的輸出信號(hào)放大比例的變化，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)放大電路幅值變化來(lái)進(jìn)行異物檢測(cè)。則可定義檢測(cè)靈敏度為
則串聯(lián)諧振檢測(cè)電路檢測(cè)靈敏度s和并聯(lián)諧振檢測(cè)電路檢測(cè)靈敏度p分別為
此時(shí)，通過(guò)對(duì)比S與δ的數(shù)值大小關(guān)系即可探究諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大作用，以及影響檢測(cè)效果的參量。以并聯(lián)諧振為例，在1.1節(jié)中已知檢測(cè)線圈自感與內(nèi)阻LD和RD的情況下，根據(jù)式（11）分析不同激勵(lì)源頻率下并聯(lián)諧振檢測(cè)電路的檢測(cè)靈敏度Sp與檢測(cè)線圈阻抗變化百分比δ之間的關(guān)系，繪制曲線簇如圖5所示。
由圖5可以看出，就百分比數(shù)值而言，在給定的情況下，的值始終大于，表明諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈的阻抗變化具有放大作用。
對(duì)比不同激勵(lì)源頻率的曲線簇可以看出，隨的增加而逐漸增大，并最終趨于一致。同時(shí)在相同激勵(lì)源頻率下，越大金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響越顯著，檢測(cè)電路輸出電壓變化比例越大即檢測(cè)靈敏度越大，該現(xiàn)象也符合異物檢測(cè)的電路設(shè)計(jì)需求。
但當(dāng)金屬異物尺寸較小或位于檢測(cè)線圈邊角位置時(shí)，金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響尤其是對(duì)檢測(cè)線圈自感的影響過(guò)小，致使也較小。在實(shí)際測(cè)試中，檢測(cè)線圈邊角區(qū)域的小尺寸金屬異物如螺母等對(duì)檢測(cè)線圈的自感影響約為1%，對(duì)內(nèi)阻影響約為5%。結(jié)合式（3）和式（4）對(duì)應(yīng)=99%、=105%，因此可以借助和的參數(shù)組合來(lái)等效建立小尺寸異物對(duì)檢測(cè)靈敏度影響的數(shù)學(xué)關(guān)系。
根據(jù)式（10）和式（11）分析該情況下串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)涞臋z測(cè)靈敏度的曲線，如圖6a和圖6b所示。
由圖6可知，檢測(cè)靈敏度隨激勵(lì)源頻率提高而提升，低頻情況下的檢測(cè)靈敏度小于10%，高頻情況下檢測(cè)靈敏度有所改善但寄生參數(shù)難以控制，且高頻器件成本較高，信號(hào)處理難度較高。而且在發(fā)射端強(qiáng)功率磁場(chǎng)的干擾下，較低的檢測(cè)靈敏度會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)信噪比較低，檢測(cè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致安全隱患。因此有必要進(jìn)一步研究其他類型拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化百分比的放大效果。
2 復(fù)合諧振拓?fù)?/h2>2.1 改進(jìn)型復(fù)合諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)效果的增強(qiáng)作用
根據(jù)上文對(duì)傳統(tǒng)串、并聯(lián)諧振拓?fù)涞姆治隹梢钥闯?，諧振拓?fù)涞淖杩狗糯笞饔檬菍z測(cè)線圈阻抗變化通過(guò)配諧轉(zhuǎn)換為諧振拓?fù)湔w的阻抗變化，進(jìn)而放大了金屬異物對(duì)檢測(cè)電路阻抗的影響，提升了檢測(cè)效果。但對(duì)于傳統(tǒng)串、并聯(lián)的一階諧振拓?fù)渲环糯笠淮味裕湓跈z測(cè)線圈阻抗變化較小時(shí)仍存在檢測(cè)靈敏度較低的問(wèn)題。
為此將串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)浠炻?lián)為復(fù)合拓?fù)湟詷?gòu)成諧振腔的多級(jí)嵌套，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線圈阻抗變化的多級(jí)放大。
本節(jié)從如圖7所示的最基本的混聯(lián)復(fù)合諧振拓?fù)淙胧?，?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大程度、參數(shù)選取及檢測(cè)靈敏度優(yōu)化進(jìn)行了研究，為后文設(shè)計(jì)多諧振腔嵌套組合以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線圈阻抗變化的更多級(jí)放大和高階復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出奠定理論基礎(chǔ)。
圖7 復(fù)合諧振拓?fù)?/p>
圖7中s和p分別為檢測(cè)線圈支路串聯(lián)電容和整體并聯(lián)電容。令s和p滿足式（12）所示的關(guān)系，為比例系數(shù)。
當(dāng)沒(méi)有金屬異物和金屬異物存在時(shí)，整個(gè)拓?fù)涞牡刃л斎胱杩狗謩e為
參照式（9）檢測(cè)靈敏度為
結(jié)合式（13）～式（15）可知，表達(dá)式中包含，因此可通過(guò)優(yōu)化來(lái)優(yōu)化檢測(cè)靈敏度。為探究該復(fù)合諧振拓?fù)渲衧和p的選取對(duì)檢測(cè)靈敏度的提升作用，仍取=99%、=105%繪制檢測(cè)靈敏度關(guān)于比例系數(shù)的曲線簇如圖8所示。
圖8a和圖8b分別對(duì)不同步長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)掃描以便于在給定頻率下求解使最大時(shí)的最優(yōu)值。
結(jié)合圖8并對(duì)比圖6可知，在合理選取時(shí), 相同激勵(lì)頻率下該復(fù)合拓?fù)涞臋z測(cè)靈敏度相較于串、并聯(lián)拓?fù)溆兴嵘嵘潭扔邢?。考慮到實(shí)際情況下的寄生參數(shù)情況，合理選擇s和p可改善檢測(cè)靈敏度。
2.2 高階復(fù)合諧振拓?fù)?/h3>
結(jié)合前文的分析可將2.1節(jié)中的復(fù)合諧振拓?fù)渥鳛楦唠A諧振拓?fù)涞囊徊糠?，將檢測(cè)線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)換為低階復(fù)合諧振拓?fù)涞淖杩棺兓?，再利用高階諧振拓?fù)鋵?duì)該諧振腔的阻抗變化進(jìn)一步放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)靈敏度的進(jìn)一步提升。所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)淙鐖D9所示。
圖9 高階復(fù)合諧振拓?fù)?/p>
圖9中點(diǎn)畫(huà)線內(nèi)1為子諧振拓?fù)?，其?shí)部和虛部分別表示為Re(1)和Im(1)，該拓?fù)湓诮o定激勵(lì)源頻率0下呈容性，其等效電容為_(kāi)eq，f、f分別為補(bǔ)償配諧電感及其等效串聯(lián)電阻；p1為整體并聯(lián)諧振電容。類比2.1節(jié)中的電容比例關(guān)系，定義1和2分別為
令1_eq,2p1,eqRe(Z1)f則該高階復(fù)合諧振拓?fù)涞恼w導(dǎo)納為
令I(lǐng)m()=0，求解參考電感f值。
其中
為保證≥0時(shí)f存在實(shí)數(shù)解，因此1和2的取值需合理設(shè)計(jì)，并保證檢測(cè)靈敏度的提升。
2.3 參數(shù)選擇
為便于分析1和2的取值，本文采用固定頻率進(jìn)行分析，同時(shí)采用和進(jìn)行檢測(cè)線圈阻抗變化程度的調(diào)節(jié)來(lái)等效不同情況下金屬異物（如不同位置或尺寸大小等）對(duì)檢測(cè)線圈的阻抗影響。
檢測(cè)線圈參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)1和2進(jìn)行參數(shù)掃描分析其與檢測(cè)靈敏度的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖10和圖11所示，圖中只選擇了f存在實(shí)數(shù)解的1和2取值區(qū)間。
表1 檢測(cè)線圈參數(shù)
Tab.1 Parameters of detection coil
由圖10和圖11可知，在檢測(cè)靈敏度的絕對(duì)值大小方面，對(duì)比圖6和圖8，針對(duì)=99%、=105%的參數(shù)組合，合理選取1和2可使檢測(cè)靈敏度顯著提升，即該拓?fù)滹@著優(yōu)于傳統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)拓?fù)湟约皬?fù)合諧振拓?fù)?。同時(shí)對(duì)=95%、=120%的參數(shù)組合，檢測(cè)靈敏度大于100%，其原因是金屬異物進(jìn)入后，高階復(fù)合諧振拓?fù)涞恼w阻抗變化幅度超過(guò)了無(wú)異物時(shí)高階復(fù)合諧振拓?fù)涞恼w阻抗，因此檢測(cè)靈敏度會(huì)超過(guò)100%。這也印證了當(dāng)金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈產(chǎn)生足夠大的阻抗變化時(shí)，所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)渚哂蟹浅８叩淖杩棺兓锤邫z測(cè)靈敏度，進(jìn)而保證了檢測(cè)信號(hào)的高信噪比，可在發(fā)射端強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中準(zhǔn)確檢測(cè)金屬異物。
總體上檢測(cè)靈敏度的最大值隨著2的增大而增大，但隨著2接近于1，檢測(cè)靈敏度最大值趨于一致。
合理選取1和2的參數(shù)組合可使檢測(cè)靈敏度取得極大值點(diǎn)，不同的和情況下的最優(yōu)檢測(cè)靈敏度對(duì)應(yīng)的1和2參數(shù)組合差異明顯。例如在=99%、=105%的情況中，1和2取值區(qū)間雖然受制于f存在實(shí)數(shù)解的條件限制，但1隨2增加而增加才可使檢測(cè)靈敏度達(dá)到最大，而相同的1和2參數(shù)組合在=95%、=120%的情況中與最優(yōu)解相差較大。因此該拓?fù)涞膮?shù)是綜合統(tǒng)籌考慮多種情況下的檢測(cè)靈敏度進(jìn)行選取的。
實(shí)際應(yīng)用中考慮到高頻情況下的寄生參數(shù)以及高頻器件參數(shù)標(biāo)稱值的誤差，1與2過(guò)于接近0或1時(shí)諧振電路準(zhǔn)確配諧難度較大，同時(shí)為盡量?jī)?yōu)先保證檢測(cè)線圈阻抗變化最小時(shí)即=99%、=105%的檢測(cè)靈敏度以保證邊角區(qū)域的異物可準(zhǔn)確檢測(cè)，本文選擇的高階復(fù)合諧振拓?fù)鋮?shù)見(jiàn)表2。
表2 高階復(fù)合諧振拓?fù)鋮?shù)
Tab.2 Parameters of high-order composite resonant topology
本文選擇1為0.07而非0.08是因?yàn)?=0.07、2=0.9時(shí)，雖然在=99%、=105%情況下的檢測(cè)靈敏度略低于1=0.08、2=0.9的取值組合，但在=95%、=120%的情況下顯著高于后者。
所選參數(shù)構(gòu)成的檢測(cè)電路在=99%、=105%和=95%、=120%的情況下，理論計(jì)算的檢測(cè)靈敏度分別為64.75%和289.08%，此時(shí)金屬異物引起的檢測(cè)信號(hào)變化率和信噪比已足夠用于檢測(cè)。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
本實(shí)驗(yàn)以電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2954標(biāo)準(zhǔn)中WPT3Z2耦合機(jī)構(gòu)為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用LCC-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的輸出功率為3.3kW。
由于本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)線圈阻抗變化較為敏感，因此為探究耦合機(jī)構(gòu)副邊位置變化時(shí)對(duì)檢測(cè)線圈自感和內(nèi)阻的影響是否超出設(shè)定的比例系數(shù)，以耦合機(jī)構(gòu)原邊中心為原點(diǎn)，副邊中心位置相對(duì)于原邊線圈進(jìn)行偏移，移動(dòng)步長(zhǎng)為2.5cm，實(shí)時(shí)測(cè)量檢測(cè)線圈的自感和內(nèi)阻變化情況，測(cè)量結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，當(dāng)原、副邊間隔大于12cm時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)副邊的移動(dòng)對(duì)檢測(cè)線圈自感和內(nèi)阻影響均低于0.2%，即耦合機(jī)構(gòu)副邊的移動(dòng)對(duì)檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生影響或引起誤判。
圖12 耦合機(jī)構(gòu)副邊位置對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響
為驗(yàn)證異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)本身的諧振偏移情況和輸出功率效率的影響，通過(guò)阻抗分析儀對(duì)比測(cè)量了有、無(wú)異物檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)發(fā)射端線圈的自感和內(nèi)阻變化，并分別進(jìn)行包含和撤掉異物檢測(cè)系統(tǒng)的3.3kW功率等級(jí)的無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖13和圖14所示。結(jié)合1.1節(jié)檢測(cè)線圈陣列的對(duì)稱排布及其與發(fā)射端線圈的解耦特性和圖13測(cè)量結(jié)果可知，檢測(cè)線圈內(nèi)部感應(yīng)電流極低，且每次只接入一個(gè)檢測(cè)線圈進(jìn)行輪巡檢測(cè)，因此異物檢測(cè)系統(tǒng)總損耗極低。同時(shí)異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端線圈的自感基本無(wú)影響，只是略微增加內(nèi)阻，因此不會(huì)造成無(wú)線充電系統(tǒng)諧振頻率的偏諧。
圖13 有無(wú)異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端線圈參數(shù)的影響
圖14 異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)功率效率的影響
圖14中功率分析儀rms1和rms1及rms2和rms2分別為無(wú)線充電系統(tǒng)的逆變前直流母線電壓、電流有效值和直流電子負(fù)載端電壓、電流有效值，即整體無(wú)線充電系統(tǒng)DC至DC端參數(shù)。通過(guò)對(duì)比可以看出異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)本身的輸出功率效率基本無(wú)影響。
3.2 基于高階復(fù)合諧振拓?fù)涞漠愇餀z測(cè)系統(tǒng)
高階復(fù)合諧振拓?fù)錂z測(cè)電路和異物檢測(cè)系統(tǒng)如圖15和圖16所示。
檢測(cè)線圈陣列鋪設(shè)在發(fā)射端線圈線盤(pán)表面如圖16所示。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的檢測(cè)效果，實(shí)驗(yàn)中選取高純度直徑20mm的鋁片以及閉合曲別針作為待檢測(cè)金屬異物。實(shí)驗(yàn)分別將金屬異物的幾何中心放置在四個(gè)檢測(cè)線圈交界位置處（檢測(cè)線圈邊角），并利用阻抗分析儀檢測(cè)金屬異物對(duì)線圈的阻抗影響比例系數(shù)以滿足仿真分析的和的數(shù)值，并記錄此時(shí)異物的位置。
圖15 高階復(fù)合諧振拓?fù)錂z測(cè)電路
圖16 基于高階復(fù)合諧振拓?fù)涞漠愇餀z測(cè)系統(tǒng)
由于異物檢測(cè)線圈陣列放置于發(fā)射端表面，檢測(cè)線圈不可避免地會(huì)與發(fā)射線圈耦合出感應(yīng)電壓。盡管檢測(cè)線圈已采用如文獻(xiàn)[14-15, 18, 20-23]中的反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)消除了大部分功率磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，且該拓?fù)鋵?duì)85kHz的功率磁場(chǎng)具有-22.7dB的衰減抑制作用，但為精確提取用于異物檢測(cè)的高頻信號(hào)，檢測(cè)電路中需包含帶通濾波環(huán)節(jié)以濾除檢測(cè)線圈上的由功率磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)和高頻毛刺等噪聲信號(hào)。綜合考慮感應(yīng)電壓幅值、增益、通頻帶、器件應(yīng)力等因素，選用AD8066作為檢測(cè)電路中所需的運(yùn)算放大器。所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的通頻帶為2～4MHz，且在85kHz頻率處的衰減約為-30dB，由此可將高頻信號(hào)提取出來(lái)進(jìn)行異物檢測(cè)。同時(shí)，為進(jìn)一步提升檢測(cè)信號(hào)信噪比以及防止誤判等情況，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)A-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集至FPGA中再進(jìn)行數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并設(shè)計(jì)檢測(cè)閾值判斷異物是否存在。
實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖17和圖18所示。實(shí)際高階復(fù)合諧振拓?fù)涞闹C振頻率為2.936MHz，調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率使檢測(cè)電路保持諧振。分別將高純度鋁片置于檢測(cè)線圈阻抗變化比例=99%、=105%和=95%、=120%的對(duì)應(yīng)位置處，待測(cè)信號(hào)經(jīng)濾波電路處理后信噪比較高，85kHz功率磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓噪聲濾除較好。
圖17 根據(jù)檢測(cè)電路輸出幅值變化計(jì)算檢測(cè)靈敏度S
圖18 異物位于不同位置處對(duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的影響及其檢測(cè)靈敏度S的關(guān)系
檢測(cè)電路輸出電壓有效值從無(wú)異物時(shí)的2.60V分別變化至4.22V和9.75V，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度分別為62.31%和275.68%。當(dāng)鋁片位于檢測(cè)線圈中心時(shí)，檢測(cè)靈敏度為187.69%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本吻合。對(duì)于曲別針等常見(jiàn)的小尺寸異物位于檢測(cè)線圈中心時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度為119.23%。
雖然鋁片位于檢測(cè)線圈中心位置時(shí)其對(duì)檢測(cè)線圈阻抗變化百分比要超過(guò)=95%、=120%，但檢測(cè)靈敏度卻有所下降，其原因如2.3節(jié)所述：不同的和情況下的最優(yōu)檢測(cè)靈敏度對(duì)應(yīng)的1和2參數(shù)組合差異明顯，但依然在強(qiáng)磁場(chǎng)下檢測(cè)足夠準(zhǔn)確。
從圖16可以看出對(duì)于直徑20mm的鋁片，其置于檢測(cè)線圈阻抗變化比例為=99%、=105%位置處時(shí)，已有大部分面積覆蓋周?chē)噜彊z測(cè)線圈。此時(shí)對(duì)于周?chē)噜彊z測(cè)線圈而言，鋁片對(duì)其自感和內(nèi)阻變化的比例系數(shù)影響應(yīng)分別大于99%和105%，因此可結(jié)合多個(gè)相鄰線圈的檢測(cè)結(jié)果綜合判斷異物是否存在，進(jìn)而準(zhǔn)確檢測(cè)位于檢測(cè)線圈邊角處的異物，完全消除檢測(cè)盲區(qū)等安全隱患。
綜上所述，采用該高階復(fù)合諧振拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)足夠高的檢測(cè)信號(hào)變化量，并實(shí)現(xiàn)小尺寸或檢測(cè)線圈邊緣位置處的金屬異物的準(zhǔn)確檢測(cè)，進(jìn)而完全消除了檢測(cè)盲區(qū)，保障并增強(qiáng)了無(wú)線充電系統(tǒng)的安全性。
4 結(jié)論
本文提出了一種應(yīng)用于無(wú)線電能傳輸場(chǎng)合的提升異物檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)拓?fù)?，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)因金屬異物導(dǎo)致的檢測(cè)線圈阻抗變化較為敏感，并可通過(guò)調(diào)節(jié)拓?fù)鋮?shù)進(jìn)行檢測(cè)靈敏度優(yōu)化。通過(guò)電路仿真分析，根據(jù)檢測(cè)線圈等效內(nèi)阻和自感比例系數(shù)可模擬小尺寸的金屬異物或位于檢測(cè)線圈邊角位置處的異物的檢測(cè)靈敏度。根據(jù)3.3kW電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電異物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
1）異物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度實(shí)測(cè)值與理論值基本一致，在功率傳輸中檢測(cè)信號(hào)具有很高信噪比且對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)輸出功率和效率無(wú)影響。
2）該高階復(fù)合拓?fù)鋵?duì)異物位于檢測(cè)線圈極限邊角位置以及如曲別針等小尺寸異物的檢測(cè)靈敏度分別為62.31%和119.23%，具有較好的檢測(cè)靈敏度。
3）可結(jié)合多個(gè)相鄰線圈的檢測(cè)結(jié)果綜合判斷異物是否存在，進(jìn)而準(zhǔn)確檢測(cè)位于檢測(cè)線圈邊角處的異物，完全消除檢測(cè)盲區(qū)等安全隱患。
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Design of High-Order Composite Resonant Topology for Improving the Sensitivity of Foreign Object Detection System
Sun Ying Zhou Tian Song Kai Zhu Chunbo Wei Guo
（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）
Wireless power transfer (WPT) has been widely applied in various charging fields due to its non-contact and high-efficiency transmission of high-power electric energy over medium and long distances. In contrast to the traditional plug-in charging, WPT has the advantages of misalignment adaptation and easy maintenance, also can effectively avoid the plug wear, wire aging, and contact electrical sparks. However, because of its characteristics of non-contact between primary side and secondary side, foreign object could easily enter the coupling charging area. The eddy effect caused by the high power alternating magnetic field will lead to fire and ignition. As for the foreign metal objects with small size or located in the corner area relative to detection coil, the detection sensitivity of existing common detection methods is not high enough to detect them accurately. The blind detection area will cause the safety hazards. Thus, a high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper, which solves the problems of low detection sensitivity and blind area of traditional detection coil.
Firstly, the mutual inductance coupling model between metal foreign object and detection coil was established, and the amplifying effect of resonance topology on the impedance variation of detection coil was interpreted. Secondly, the feasibility of improving the detection sensitivity of composite resonant topology under reasonable designed parameters was analyzed. Then a high-order composite resonant topology was designed according to the amplification characteristics of the resonant topology. Also, the device parameter optimization of the proposed high-order composite resonant topology is analyzed in detail. Finally, the sensitivity of the proposed topology and its realization circuit were simulated and verified by experiments.
In the WPT experiment, the proposed detection coil array and FOD system did not affect the output power and efficiency due to its decoupling characteristic with magnetic coupler. Also, the parameters of detection coils were basically not affected by the offset of magnetic coupler, which can avoid the misjudgment effectively.
In the FOD experiment, the aluminum cylinder with diameter 20mm is placed at the corresponding corner positions of the detection coil, the detection sensitivity of two situations above are 62.31% and 275.68%, respectively. When the aluminum cylinder was located in the center area of the detection coil, the detection sensitivity is 187.69%. As for the foreign object with small size, such as paper clips, the detection sensitivity can reach 119.23%. The experimental results above demonstrate that the proposed topology has high enough detection sensitivity to eliminate the detection blind area completely even if the metal foreign object has a small influence on the detection coil impedance.
A high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper. Compared with the traditional series and parallel resonant topology of detection circuit, the proposed topology is more sensitive for the impedance changes of detection coils caused by metal foreign objects.
The following conclusions can be drawn from the analysis and experiment results:
(1) The measured detection sensitivity of the FOD system is basically consistent with the theoretical analysis. And the detection signal has a high SNR and has no influence on the output power and efficiency of the wireless charging system.
(2) The proposed high-order composite resonant topology owns the high detection sensitivity. As for the paper clips and foreign objects which located at the ultimate corner of the detection coil, the detection sensitivity can be up to 62.31% and 119.23%, respectively.
(3) The existence of foreign objects can be determined accurately by combining the detection results of multiple adjacent coils comprehensively. Thus, the blind detection areas and other safety risks can be eliminated completely.
Metal foreign object detection, wireless power transfer, electric vehicle, high-order composite resonant topology, detection sensitivity
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211758
TM724
國(guó)家自然科學(xué)基金（51977043）和哈爾濱工業(yè)大學(xué)電驅(qū)動(dòng)與推進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目。
2021-10-31
2021-12-30
孫 瀛 男，1993年生，博士生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)。E-mail：sunying_0916@163.com
宋 凱 男，1982年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)。E-mail：kaisong@hit.edu.cn （通信作者）
（編輯 赫 蕾）
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孫 瀛 周 天 宋 凱 朱春波 魏 國(guó)
提升無(wú)線充電異物檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)?/p>
孫 瀛 周 天 宋 凱 朱春波 魏 國(guó)
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）
針對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)中金屬異物的檢測(cè)需要，提出一種提升異物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)洌鉀Q了傳統(tǒng)檢測(cè)線圈邊緣區(qū)域檢測(cè)靈敏度低及存在檢測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題。首先建立金屬異物與檢測(cè)線圈的互感耦合模型，闡釋諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大作用；其次在合理設(shè)計(jì)參數(shù)下分析復(fù)合諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)靈敏度提升的可行性；然后根據(jù)諧振拓?fù)鋵?duì)線圈阻抗變化的放大特性設(shè)計(jì)一種高階復(fù)合諧振拓?fù)?，并?duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后對(duì)所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)涞臋z測(cè)靈敏度及其具體實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)檢測(cè)線圈邊角位置處的金屬異物和曲別針等小尺寸異物，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度可達(dá)62.31%和119.23%。在金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗影響的微小變化下，所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)渚哂凶銐蚋叩臋z測(cè)靈敏度并可以完全消除檢測(cè)盲區(qū)。
金屬異物檢測(cè) 無(wú)線電能傳輸 電動(dòng)汽車(chē) 高階復(fù)合諧振拓?fù)?檢測(cè)靈敏度
0 引言
無(wú)線電能傳輸技術(shù)逐漸成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)在理論方面日趨完善，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮各種工況條件。由于其原、副邊的非接觸特性而容易引入金屬異物，充電區(qū)域中的金屬異物由于渦流效應(yīng)而發(fā)熱，不僅會(huì)降低系統(tǒng)的輸出功率及傳輸效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等安全事故[1-11,16-19]。因此異物檢測(cè)（Foreign Object Detection, FOD）是提升無(wú)線充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性的不可或缺的技術(shù)之一。同時(shí)隨著無(wú)線充電功率等級(jí)的提升，金屬異物的渦流熱效應(yīng)越發(fā)顯著，異物檢測(cè)功能的必要性也更加顯現(xiàn)。例如在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電領(lǐng)域，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已明確規(guī)定無(wú)線充電系統(tǒng)中必須包含異物檢測(cè)功能[12-13]。
目前常用的異物檢測(cè)方法有：原副邊功率損耗法、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、調(diào)頻波雷達(dá)檢測(cè)、紅外溫度檢測(cè)以及基于檢測(cè)線圈的電磁特性檢測(cè)等。其中原副邊功率損耗法適用于小功率的無(wú)線充電場(chǎng)合中，如Qi標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)充電、可穿戴設(shè)備等。該方法在大功率無(wú)線充電場(chǎng)合中難以適用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)比發(fā)射端與接收端的功率差值無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出異物的損耗。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、調(diào)頻波雷達(dá)檢測(cè)等方法需要額外的傳感器，會(huì)增加異物檢測(cè)系統(tǒng)成本，且易受到環(huán)境影響，容易產(chǎn)生誤判?；诩t外攝像的溫度檢測(cè)法同樣會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)成本增加，且異物與發(fā)射端必須有明顯的溫度差異才能檢測(cè)，系統(tǒng)檢測(cè)速度存在滯后性。
基于檢測(cè)線圈的電磁特性異物檢測(cè)法主要分為磁通量檢測(cè)法[14-17]和阻抗檢測(cè)法[18-19]。上述兩種方法通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈的磁通量或阻抗值的變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬異物準(zhǔn)確且快速的檢測(cè)，而對(duì)其他不會(huì)因渦流效應(yīng)發(fā)熱或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)無(wú)危害的材料不會(huì)響應(yīng)，如塑料等。
磁通量檢測(cè)法原理是通過(guò)測(cè)量金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的磁通量變化和感應(yīng)電壓進(jìn)行異物檢測(cè)[10-11]。由于其檢測(cè)原理存在固有的檢測(cè)盲區(qū)，目前的解決方法是通過(guò)鋪設(shè)多層檢測(cè)線圈來(lái)覆蓋其他層檢測(cè)線圈的檢測(cè)盲區(qū)。該檢測(cè)方法原理較為簡(jiǎn)單但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且提升檢測(cè)靈敏度的方法較為有限，如縮小每個(gè)子檢測(cè)線圈的尺寸等[14-17]。
阻抗檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量高頻激勵(lì)下檢測(cè)線圈的阻抗變化進(jìn)行異物檢測(cè)[18-19]，該方法不依賴發(fā)射端磁場(chǎng)，可獨(dú)立工作。由于激勵(lì)源頻率與功率磁場(chǎng)頻率不同，因此該方法中檢測(cè)信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，且不易受到原、副邊偏移的影響，同時(shí)可設(shè)計(jì)較高的信噪比以提升檢測(cè)靈敏度[18-19]。
目前上述檢測(cè)靈敏度方法存在以下問(wèn)題：
（1）部分區(qū)域檢測(cè)靈敏度較低。當(dāng)金屬異物尺寸較小或位于檢測(cè)線圈邊緣時(shí)，上述方法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)或解決方法較為繁瑣，而檢測(cè)盲區(qū)會(huì)導(dǎo)致無(wú)線充電系統(tǒng)存在安全隱患。
（2）檢測(cè)電路中諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)靈敏度的影響分析較少，且所選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為串聯(lián)或并聯(lián)的簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高階復(fù)合拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)效果的影響未知。
基于以上分析，本文提出一種提升異物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大作用，并配合高階拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步將金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗影響的微小變化轉(zhuǎn)換為整體諧振拓?fù)渥杩沟娘@著變化，提升了系統(tǒng)整體檢測(cè)靈敏度，有助于解決傳統(tǒng)檢測(cè)線圈邊緣區(qū)域檢測(cè)靈敏度低和存在檢測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題。
1 系統(tǒng)建模
1.1 金屬異物與檢測(cè)線圈耦合模型
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)塊狀導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流且在導(dǎo)體內(nèi)閉合。因此渦流效應(yīng)下的金屬異物可以等效為短路環(huán)電流模型，此時(shí)可以將金屬異物等效為一個(gè)線圈，并利用互感模型分析金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響，其互感耦合模型如圖1所示。
圖1 金屬異物與檢測(cè)線圈互感耦合模型
設(shè)D與D分別為檢測(cè)線圈自感與內(nèi)阻，m和m分別為金屬異物的等效電感和等效內(nèi)阻，m為金屬異物與檢測(cè)線圈之間的互感。NONE與FOD分別為無(wú)金屬異物時(shí)和存在金屬異物時(shí)檢測(cè)線圈的等效阻抗，二者表達(dá)式分別為
令和分別為檢測(cè)線圈電感變化率和內(nèi)阻變化比例系數(shù)，則
式（2）可簡(jiǎn)化為
設(shè)為異物引入后檢測(cè)線圈阻抗變化百分比，則
為便于分析，將檢測(cè)線圈品質(zhì)因數(shù)D代入式（6）得
由式（7）可知檢測(cè)線圈阻抗變化百分比與金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈的互感m有關(guān)，因此可通過(guò)合理設(shè)計(jì)檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)和尺寸提升m，進(jìn)而提升檢測(cè)線圈電感變化比例系數(shù)和內(nèi)阻變化比例系數(shù)。
同時(shí)不同尺寸、材料、形狀的金屬異物以及金屬異物位于檢測(cè)線圈的不同位置都可以歸結(jié)為金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈自感和等效內(nèi)阻影響的不同，即可以用不同的電感變化比例系數(shù)和內(nèi)阻變化比例系數(shù)的組合來(lái)等效不同種類或不同位置處的金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響。
根據(jù)文獻(xiàn)[14-15, 18, 20-23]，本文的檢測(cè)線圈采用反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中虛線框內(nèi)為檢測(cè)線圈1的兩個(gè)子檢測(cè)線圈且由引線連接。當(dāng)檢測(cè)線圈外部磁場(chǎng)方向?yàn)椤啊ぁ奔创怪奔埫嫦騼?nèi)的方向時(shí)，兩個(gè)子檢測(cè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流均為順時(shí)針?lè)较?。由于該線圈為反向串聯(lián)型連接方式，兩個(gè)子檢測(cè)線圈的磁通量和感應(yīng)電壓可相互抵消即解耦。為完全或大部分抵消無(wú)線充電系統(tǒng)功率磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，便于提升高頻檢測(cè)信號(hào)信噪比，反向串聯(lián)的兩個(gè)子線圈應(yīng)分別置于發(fā)射端磁場(chǎng)的對(duì)稱分布位置。檢測(cè)線圈陣列的對(duì)稱鋪設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。利用有限元仿真軟件Maxwell對(duì)耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射端線圈表面的磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析，考慮到印制電路板加工尺寸和加工成本的限制，檢測(cè)線圈陣列的中間區(qū)域和上、下區(qū)域分別采用基于軸的上、下軸對(duì)稱和基于軸的左、右軸對(duì)稱的鋪設(shè)方式。兩個(gè)子線圈均可分別置于發(fā)射端線盤(pán)表面磁場(chǎng)分布中的對(duì)稱位置，使功率磁場(chǎng)在兩子檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓接近或相同，并最大程度相互抵消。
圖2 反向串聯(lián)型檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 檢測(cè)線圈陣列的對(duì)稱鋪設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖
為與后文實(shí)驗(yàn)參數(shù)保持一致，本文采用外尺寸為32mm×40mm、匝數(shù)為10匝的反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)檢測(cè)線圈。檢測(cè)線圈自感D為10.02μH，不同頻率下的內(nèi)阻D可由阻抗分析儀測(cè)量得到。（注：圖3只是檢測(cè)線圈陣列對(duì)稱鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)際密鋪發(fā)射端所需檢測(cè)線圈個(gè)數(shù)要多于圖3中所示）
1.2 諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈的阻抗變化放大作用
基于串聯(lián)和并聯(lián)諧振的檢測(cè)線圈阻抗變化檢測(cè)電路分別如圖4a和圖4b所示。
圖4 基于串、并聯(lián)諧振的檢測(cè)線圈阻抗變化檢測(cè)電路
檢測(cè)電路原理是將異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響轉(zhuǎn)換為放大電路的輸出信號(hào)放大比例的變化，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)放大電路幅值變化來(lái)進(jìn)行異物檢測(cè)。則可定義檢測(cè)靈敏度為
則串聯(lián)諧振檢測(cè)電路檢測(cè)靈敏度s和并聯(lián)諧振檢測(cè)電路檢測(cè)靈敏度p分別為
此時(shí)，通過(guò)對(duì)比S與δ的數(shù)值大小關(guān)系即可探究諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大作用，以及影響檢測(cè)效果的參量。以并聯(lián)諧振為例，在1.1節(jié)中已知檢測(cè)線圈自感與內(nèi)阻LD和RD的情況下，根據(jù)式（11）分析不同激勵(lì)源頻率下并聯(lián)諧振檢測(cè)電路的檢測(cè)靈敏度Sp與檢測(cè)線圈阻抗變化百分比δ之間的關(guān)系，繪制曲線簇如圖5所示。
由圖5可以看出，就百分比數(shù)值而言，在給定的情況下，的值始終大于，表明諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈的阻抗變化具有放大作用。
對(duì)比不同激勵(lì)源頻率的曲線簇可以看出，隨的增加而逐漸增大，并最終趨于一致。同時(shí)在相同激勵(lì)源頻率下，越大金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響越顯著，檢測(cè)電路輸出電壓變化比例越大即檢測(cè)靈敏度越大，該現(xiàn)象也符合異物檢測(cè)的電路設(shè)計(jì)需求。
但當(dāng)金屬異物尺寸較小或位于檢測(cè)線圈邊角位置時(shí)，金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響尤其是對(duì)檢測(cè)線圈自感的影響過(guò)小，致使也較小。在實(shí)際測(cè)試中，檢測(cè)線圈邊角區(qū)域的小尺寸金屬異物如螺母等對(duì)檢測(cè)線圈的自感影響約為1%，對(duì)內(nèi)阻影響約為5%。結(jié)合式（3）和式（4）對(duì)應(yīng)=99%、=105%，因此可以借助和的參數(shù)組合來(lái)等效建立小尺寸異物對(duì)檢測(cè)靈敏度影響的數(shù)學(xué)關(guān)系。
根據(jù)式（10）和式（11）分析該情況下串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)涞臋z測(cè)靈敏度的曲線，如圖6a和圖6b所示。
由圖6可知，檢測(cè)靈敏度隨激勵(lì)源頻率提高而提升，低頻情況下的檢測(cè)靈敏度小于10%，高頻情況下檢測(cè)靈敏度有所改善但寄生參數(shù)難以控制，且高頻器件成本較高，信號(hào)處理難度較高。而且在發(fā)射端強(qiáng)功率磁場(chǎng)的干擾下，較低的檢測(cè)靈敏度會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)信噪比較低，檢測(cè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致安全隱患。因此有必要進(jìn)一步研究其他類型拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化百分比的放大效果。
2 復(fù)合諧振拓?fù)?/h2>2.1 改進(jìn)型復(fù)合諧振拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)效果的增強(qiáng)作用
根據(jù)上文對(duì)傳統(tǒng)串、并聯(lián)諧振拓?fù)涞姆治隹梢钥闯?，諧振拓?fù)涞淖杩狗糯笞饔檬菍z測(cè)線圈阻抗變化通過(guò)配諧轉(zhuǎn)換為諧振拓?fù)湔w的阻抗變化，進(jìn)而放大了金屬異物對(duì)檢測(cè)電路阻抗的影響，提升了檢測(cè)效果。但對(duì)于傳統(tǒng)串、并聯(lián)的一階諧振拓?fù)渲环糯笠淮味裕湓跈z測(cè)線圈阻抗變化較小時(shí)仍存在檢測(cè)靈敏度較低的問(wèn)題。
為此將串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)浠炻?lián)為復(fù)合拓?fù)湟詷?gòu)成諧振腔的多級(jí)嵌套，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線圈阻抗變化的多級(jí)放大。
本節(jié)從如圖7所示的最基本的混聯(lián)復(fù)合諧振拓?fù)淙胧?，?duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的放大程度、參數(shù)選取及檢測(cè)靈敏度優(yōu)化進(jìn)行了研究，為后文設(shè)計(jì)多諧振腔嵌套組合以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)線圈阻抗變化的更多級(jí)放大和高階復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出奠定理論基礎(chǔ)。
圖7 復(fù)合諧振拓?fù)?/p>
圖7中s和p分別為檢測(cè)線圈支路串聯(lián)電容和整體并聯(lián)電容。令s和p滿足式（12）所示的關(guān)系，為比例系數(shù)。
當(dāng)沒(méi)有金屬異物和金屬異物存在時(shí)，整個(gè)拓?fù)涞牡刃л斎胱杩狗謩e為
參照式（9）檢測(cè)靈敏度為
結(jié)合式（13）～式（15）可知，表達(dá)式中包含，因此可通過(guò)優(yōu)化來(lái)優(yōu)化檢測(cè)靈敏度。為探究該復(fù)合諧振拓?fù)渲衧和p的選取對(duì)檢測(cè)靈敏度的提升作用，仍取=99%、=105%繪制檢測(cè)靈敏度關(guān)于比例系數(shù)的曲線簇如圖8所示。
圖8a和圖8b分別對(duì)不同步長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)掃描以便于在給定頻率下求解使最大時(shí)的最優(yōu)值。
結(jié)合圖8并對(duì)比圖6可知，在合理選取時(shí), 相同激勵(lì)頻率下該復(fù)合拓?fù)涞臋z測(cè)靈敏度相較于串、并聯(lián)拓?fù)溆兴嵘嵘潭扔邢?。考慮到實(shí)際情況下的寄生參數(shù)情況，合理選擇s和p可改善檢測(cè)靈敏度。
2.2 高階復(fù)合諧振拓?fù)?/h3>
結(jié)合前文的分析可將2.1節(jié)中的復(fù)合諧振拓?fù)渥鳛楦唠A諧振拓?fù)涞囊徊糠?，將檢測(cè)線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)換為低階復(fù)合諧振拓?fù)涞淖杩棺兓?，再利用高階諧振拓?fù)鋵?duì)該諧振腔的阻抗變化進(jìn)一步放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)靈敏度的進(jìn)一步提升。所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)淙鐖D9所示。
圖9 高階復(fù)合諧振拓?fù)?/p>
圖9中點(diǎn)畫(huà)線內(nèi)1為子諧振拓?fù)?，其?shí)部和虛部分別表示為Re(1)和Im(1)，該拓?fù)湓诮o定激勵(lì)源頻率0下呈容性，其等效電容為_(kāi)eq，f、f分別為補(bǔ)償配諧電感及其等效串聯(lián)電阻；p1為整體并聯(lián)諧振電容。類比2.1節(jié)中的電容比例關(guān)系，定義1和2分別為
令1_eq,2p1,eqRe(Z1)f則該高階復(fù)合諧振拓?fù)涞恼w導(dǎo)納為
令I(lǐng)m()=0，求解參考電感f值。
其中
為保證≥0時(shí)f存在實(shí)數(shù)解，因此1和2的取值需合理設(shè)計(jì)，并保證檢測(cè)靈敏度的提升。
2.3 參數(shù)選擇
為便于分析1和2的取值，本文采用固定頻率進(jìn)行分析，同時(shí)采用和進(jìn)行檢測(cè)線圈阻抗變化程度的調(diào)節(jié)來(lái)等效不同情況下金屬異物（如不同位置或尺寸大小等）對(duì)檢測(cè)線圈的阻抗影響。
檢測(cè)線圈參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)1和2進(jìn)行參數(shù)掃描分析其與檢測(cè)靈敏度的關(guān)系，關(guān)系曲線如圖10和圖11所示，圖中只選擇了f存在實(shí)數(shù)解的1和2取值區(qū)間。
表1 檢測(cè)線圈參數(shù)
Tab.1 Parameters of detection coil
由圖10和圖11可知，在檢測(cè)靈敏度的絕對(duì)值大小方面，對(duì)比圖6和圖8，針對(duì)=99%、=105%的參數(shù)組合，合理選取1和2可使檢測(cè)靈敏度顯著提升，即該拓?fù)滹@著優(yōu)于傳統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)拓?fù)湟约皬?fù)合諧振拓?fù)?。同時(shí)對(duì)=95%、=120%的參數(shù)組合，檢測(cè)靈敏度大于100%，其原因是金屬異物進(jìn)入后，高階復(fù)合諧振拓?fù)涞恼w阻抗變化幅度超過(guò)了無(wú)異物時(shí)高階復(fù)合諧振拓?fù)涞恼w阻抗，因此檢測(cè)靈敏度會(huì)超過(guò)100%。這也印證了當(dāng)金屬異物對(duì)檢測(cè)線圈產(chǎn)生足夠大的阻抗變化時(shí)，所提出的高階復(fù)合諧振拓?fù)渚哂蟹浅８叩淖杩棺兓锤邫z測(cè)靈敏度，進(jìn)而保證了檢測(cè)信號(hào)的高信噪比，可在發(fā)射端強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中準(zhǔn)確檢測(cè)金屬異物。
總體上檢測(cè)靈敏度的最大值隨著2的增大而增大，但隨著2接近于1，檢測(cè)靈敏度最大值趨于一致。
合理選取1和2的參數(shù)組合可使檢測(cè)靈敏度取得極大值點(diǎn)，不同的和情況下的最優(yōu)檢測(cè)靈敏度對(duì)應(yīng)的1和2參數(shù)組合差異明顯。例如在=99%、=105%的情況中，1和2取值區(qū)間雖然受制于f存在實(shí)數(shù)解的條件限制，但1隨2增加而增加才可使檢測(cè)靈敏度達(dá)到最大，而相同的1和2參數(shù)組合在=95%、=120%的情況中與最優(yōu)解相差較大。因此該拓?fù)涞膮?shù)是綜合統(tǒng)籌考慮多種情況下的檢測(cè)靈敏度進(jìn)行選取的。
實(shí)際應(yīng)用中考慮到高頻情況下的寄生參數(shù)以及高頻器件參數(shù)標(biāo)稱值的誤差，1與2過(guò)于接近0或1時(shí)諧振電路準(zhǔn)確配諧難度較大，同時(shí)為盡量?jī)?yōu)先保證檢測(cè)線圈阻抗變化最小時(shí)即=99%、=105%的檢測(cè)靈敏度以保證邊角區(qū)域的異物可準(zhǔn)確檢測(cè)，本文選擇的高階復(fù)合諧振拓?fù)鋮?shù)見(jiàn)表2。
表2 高階復(fù)合諧振拓?fù)鋮?shù)
Tab.2 Parameters of high-order composite resonant topology
本文選擇1為0.07而非0.08是因?yàn)?=0.07、2=0.9時(shí)，雖然在=99%、=105%情況下的檢測(cè)靈敏度略低于1=0.08、2=0.9的取值組合，但在=95%、=120%的情況下顯著高于后者。
所選參數(shù)構(gòu)成的檢測(cè)電路在=99%、=105%和=95%、=120%的情況下，理論計(jì)算的檢測(cè)靈敏度分別為64.75%和289.08%，此時(shí)金屬異物引起的檢測(cè)信號(hào)變化率和信噪比已足夠用于檢測(cè)。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
本實(shí)驗(yàn)以電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)SAEJ2954標(biāo)準(zhǔn)中WPT3Z2耦合機(jī)構(gòu)為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用LCC-LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的輸出功率為3.3kW。
由于本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)線圈阻抗變化較為敏感，因此為探究耦合機(jī)構(gòu)副邊位置變化時(shí)對(duì)檢測(cè)線圈自感和內(nèi)阻的影響是否超出設(shè)定的比例系數(shù)，以耦合機(jī)構(gòu)原邊中心為原點(diǎn)，副邊中心位置相對(duì)于原邊線圈進(jìn)行偏移，移動(dòng)步長(zhǎng)為2.5cm，實(shí)時(shí)測(cè)量檢測(cè)線圈的自感和內(nèi)阻變化情況，測(cè)量結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，當(dāng)原、副邊間隔大于12cm時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)副邊的移動(dòng)對(duì)檢測(cè)線圈自感和內(nèi)阻影響均低于0.2%，即耦合機(jī)構(gòu)副邊的移動(dòng)對(duì)檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生影響或引起誤判。
圖12 耦合機(jī)構(gòu)副邊位置對(duì)檢測(cè)線圈阻抗的影響
為驗(yàn)證異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)本身的諧振偏移情況和輸出功率效率的影響，通過(guò)阻抗分析儀對(duì)比測(cè)量了有、無(wú)異物檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)發(fā)射端線圈的自感和內(nèi)阻變化，并分別進(jìn)行包含和撤掉異物檢測(cè)系統(tǒng)的3.3kW功率等級(jí)的無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖13和圖14所示。結(jié)合1.1節(jié)檢測(cè)線圈陣列的對(duì)稱排布及其與發(fā)射端線圈的解耦特性和圖13測(cè)量結(jié)果可知，檢測(cè)線圈內(nèi)部感應(yīng)電流極低，且每次只接入一個(gè)檢測(cè)線圈進(jìn)行輪巡檢測(cè)，因此異物檢測(cè)系統(tǒng)總損耗極低。同時(shí)異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端線圈的自感基本無(wú)影響，只是略微增加內(nèi)阻，因此不會(huì)造成無(wú)線充電系統(tǒng)諧振頻率的偏諧。
圖13 有無(wú)異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端線圈參數(shù)的影響
圖14 異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)功率效率的影響
圖14中功率分析儀rms1和rms1及rms2和rms2分別為無(wú)線充電系統(tǒng)的逆變前直流母線電壓、電流有效值和直流電子負(fù)載端電壓、電流有效值，即整體無(wú)線充電系統(tǒng)DC至DC端參數(shù)。通過(guò)對(duì)比可以看出異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)本身的輸出功率效率基本無(wú)影響。
3.2 基于高階復(fù)合諧振拓?fù)涞漠愇餀z測(cè)系統(tǒng)
高階復(fù)合諧振拓?fù)錂z測(cè)電路和異物檢測(cè)系統(tǒng)如圖15和圖16所示。
檢測(cè)線圈陣列鋪設(shè)在發(fā)射端線圈線盤(pán)表面如圖16所示。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的檢測(cè)效果，實(shí)驗(yàn)中選取高純度直徑20mm的鋁片以及閉合曲別針作為待檢測(cè)金屬異物。實(shí)驗(yàn)分別將金屬異物的幾何中心放置在四個(gè)檢測(cè)線圈交界位置處（檢測(cè)線圈邊角），并利用阻抗分析儀檢測(cè)金屬異物對(duì)線圈的阻抗影響比例系數(shù)以滿足仿真分析的和的數(shù)值，并記錄此時(shí)異物的位置。
圖15 高階復(fù)合諧振拓?fù)錂z測(cè)電路
圖16 基于高階復(fù)合諧振拓?fù)涞漠愇餀z測(cè)系統(tǒng)
由于異物檢測(cè)線圈陣列放置于發(fā)射端表面，檢測(cè)線圈不可避免地會(huì)與發(fā)射線圈耦合出感應(yīng)電壓。盡管檢測(cè)線圈已采用如文獻(xiàn)[14-15, 18, 20-23]中的反向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)消除了大部分功率磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，且該拓?fù)鋵?duì)85kHz的功率磁場(chǎng)具有-22.7dB的衰減抑制作用，但為精確提取用于異物檢測(cè)的高頻信號(hào)，檢測(cè)電路中需包含帶通濾波環(huán)節(jié)以濾除檢測(cè)線圈上的由功率磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)和高頻毛刺等噪聲信號(hào)。綜合考慮感應(yīng)電壓幅值、增益、通頻帶、器件應(yīng)力等因素，選用AD8066作為檢測(cè)電路中所需的運(yùn)算放大器。所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的通頻帶為2～4MHz，且在85kHz頻率處的衰減約為-30dB，由此可將高頻信號(hào)提取出來(lái)進(jìn)行異物檢測(cè)。同時(shí)，為進(jìn)一步提升檢測(cè)信號(hào)信噪比以及防止誤判等情況，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)A-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集至FPGA中再進(jìn)行數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并設(shè)計(jì)檢測(cè)閾值判斷異物是否存在。
實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖17和圖18所示。實(shí)際高階復(fù)合諧振拓?fù)涞闹C振頻率為2.936MHz，調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率使檢測(cè)電路保持諧振。分別將高純度鋁片置于檢測(cè)線圈阻抗變化比例=99%、=105%和=95%、=120%的對(duì)應(yīng)位置處，待測(cè)信號(hào)經(jīng)濾波電路處理后信噪比較高，85kHz功率磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓噪聲濾除較好。
圖17 根據(jù)檢測(cè)電路輸出幅值變化計(jì)算檢測(cè)靈敏度S
圖18 異物位于不同位置處對(duì)檢測(cè)線圈阻抗變化的影響及其檢測(cè)靈敏度S的關(guān)系
檢測(cè)電路輸出電壓有效值從無(wú)異物時(shí)的2.60V分別變化至4.22V和9.75V，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度分別為62.31%和275.68%。當(dāng)鋁片位于檢測(cè)線圈中心時(shí)，檢測(cè)靈敏度為187.69%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本吻合。對(duì)于曲別針等常見(jiàn)的小尺寸異物位于檢測(cè)線圈中心時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度為119.23%。
雖然鋁片位于檢測(cè)線圈中心位置時(shí)其對(duì)檢測(cè)線圈阻抗變化百分比要超過(guò)=95%、=120%，但檢測(cè)靈敏度卻有所下降，其原因如2.3節(jié)所述：不同的和情況下的最優(yōu)檢測(cè)靈敏度對(duì)應(yīng)的1和2參數(shù)組合差異明顯，但依然在強(qiáng)磁場(chǎng)下檢測(cè)足夠準(zhǔn)確。
從圖16可以看出對(duì)于直徑20mm的鋁片，其置于檢測(cè)線圈阻抗變化比例為=99%、=105%位置處時(shí)，已有大部分面積覆蓋周?chē)噜彊z測(cè)線圈。此時(shí)對(duì)于周?chē)噜彊z測(cè)線圈而言，鋁片對(duì)其自感和內(nèi)阻變化的比例系數(shù)影響應(yīng)分別大于99%和105%，因此可結(jié)合多個(gè)相鄰線圈的檢測(cè)結(jié)果綜合判斷異物是否存在，進(jìn)而準(zhǔn)確檢測(cè)位于檢測(cè)線圈邊角處的異物，完全消除檢測(cè)盲區(qū)等安全隱患。
綜上所述，采用該高階復(fù)合諧振拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)足夠高的檢測(cè)信號(hào)變化量，并實(shí)現(xiàn)小尺寸或檢測(cè)線圈邊緣位置處的金屬異物的準(zhǔn)確檢測(cè)，進(jìn)而完全消除了檢測(cè)盲區(qū)，保障并增強(qiáng)了無(wú)線充電系統(tǒng)的安全性。
4 結(jié)論
本文提出了一種應(yīng)用于無(wú)線電能傳輸場(chǎng)合的提升異物檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度的高階復(fù)合諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的串聯(lián)、并聯(lián)拓?fù)?，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)因金屬異物導(dǎo)致的檢測(cè)線圈阻抗變化較為敏感，并可通過(guò)調(diào)節(jié)拓?fù)鋮?shù)進(jìn)行檢測(cè)靈敏度優(yōu)化。通過(guò)電路仿真分析，根據(jù)檢測(cè)線圈等效內(nèi)阻和自感比例系數(shù)可模擬小尺寸的金屬異物或位于檢測(cè)線圈邊角位置處的異物的檢測(cè)靈敏度。根據(jù)3.3kW電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電異物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
1）異物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度實(shí)測(cè)值與理論值基本一致，在功率傳輸中檢測(cè)信號(hào)具有很高信噪比且對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)輸出功率和效率無(wú)影響。
2）該高階復(fù)合拓?fù)鋵?duì)異物位于檢測(cè)線圈極限邊角位置以及如曲別針等小尺寸異物的檢測(cè)靈敏度分別為62.31%和119.23%，具有較好的檢測(cè)靈敏度。
3）可結(jié)合多個(gè)相鄰線圈的檢測(cè)結(jié)果綜合判斷異物是否存在，進(jìn)而準(zhǔn)確檢測(cè)位于檢測(cè)線圈邊角處的異物，完全消除檢測(cè)盲區(qū)等安全隱患。
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Design of High-Order Composite Resonant Topology for Improving the Sensitivity of Foreign Object Detection System
Sun Ying Zhou Tian Song Kai Zhu Chunbo Wei Guo
（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）
Wireless power transfer (WPT) has been widely applied in various charging fields due to its non-contact and high-efficiency transmission of high-power electric energy over medium and long distances. In contrast to the traditional plug-in charging, WPT has the advantages of misalignment adaptation and easy maintenance, also can effectively avoid the plug wear, wire aging, and contact electrical sparks. However, because of its characteristics of non-contact between primary side and secondary side, foreign object could easily enter the coupling charging area. The eddy effect caused by the high power alternating magnetic field will lead to fire and ignition. As for the foreign metal objects with small size or located in the corner area relative to detection coil, the detection sensitivity of existing common detection methods is not high enough to detect them accurately. The blind detection area will cause the safety hazards. Thus, a high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper, which solves the problems of low detection sensitivity and blind area of traditional detection coil.
Firstly, the mutual inductance coupling model between metal foreign object and detection coil was established, and the amplifying effect of resonance topology on the impedance variation of detection coil was interpreted. Secondly, the feasibility of improving the detection sensitivity of composite resonant topology under reasonable designed parameters was analyzed. Then a high-order composite resonant topology was designed according to the amplification characteristics of the resonant topology. Also, the device parameter optimization of the proposed high-order composite resonant topology is analyzed in detail. Finally, the sensitivity of the proposed topology and its realization circuit were simulated and verified by experiments.
In the WPT experiment, the proposed detection coil array and FOD system did not affect the output power and efficiency due to its decoupling characteristic with magnetic coupler. Also, the parameters of detection coils were basically not affected by the offset of magnetic coupler, which can avoid the misjudgment effectively.
In the FOD experiment, the aluminum cylinder with diameter 20mm is placed at the corresponding corner positions of the detection coil, the detection sensitivity of two situations above are 62.31% and 275.68%, respectively. When the aluminum cylinder was located in the center area of the detection coil, the detection sensitivity is 187.69%. As for the foreign object with small size, such as paper clips, the detection sensitivity can reach 119.23%. The experimental results above demonstrate that the proposed topology has high enough detection sensitivity to eliminate the detection blind area completely even if the metal foreign object has a small influence on the detection coil impedance.
A high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper. Compared with the traditional series and parallel resonant topology of detection circuit, the proposed topology is more sensitive for the impedance changes of detection coils caused by metal foreign objects.
The following conclusions can be drawn from the analysis and experiment results:
(1) The measured detection sensitivity of the FOD system is basically consistent with the theoretical analysis. And the detection signal has a high SNR and has no influence on the output power and efficiency of the wireless charging system.
(2) The proposed high-order composite resonant topology owns the high detection sensitivity. As for the paper clips and foreign objects which located at the ultimate corner of the detection coil, the detection sensitivity can be up to 62.31% and 119.23%, respectively.
(3) The existence of foreign objects can be determined accurately by combining the detection results of multiple adjacent coils comprehensively. Thus, the blind detection areas and other safety risks can be eliminated completely.
Metal foreign object detection, wireless power transfer, electric vehicle, high-order composite resonant topology, detection sensitivity
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211758
TM724
國(guó)家自然科學(xué)基金（51977043）和哈爾濱工業(yè)大學(xué)電驅(qū)動(dòng)與推進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目。
2021-10-31
2021-12-30
孫 瀛 男，1993年生，博士生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)。E-mail：sunying_0916@163.com
宋 凱 男，1982年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)。E-mail：kaisong@hit.edu.cn （通信作者）
（編輯 赫 蕾）
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