提升无线充电异物检测系统灵敏度的新方法可完全消除检测盲区

无线电能传输技能逐渐成为近年来的研究热点。

该技能在理论方面日趋完善，但实际运用时需考虑各种工况条件。
由于其原、副边的非打仗特性而随意马虎引入金属异物，充电区域中的金属异物由于涡流效应而发热，不仅会降落系统的输出功率及传输效率，严重时会导致失火等安全事件。
因此异物检测（Foreign Object Detection, FOD）是提升无线充电系统的安全性和稳定性的不可或缺的技能之一。

同时随着无线充电功率等级的提升，金属异物的涡流热效应加倍显著，异物检测功能的必要性也更加显现。
例如在电动汽车无线充电领域，干系标准中已明确规定无线充电系统中必须包含异物检测功能。

目前常用的异物检测方法有：原副边功率损耗法、机器视觉检测、调频波雷达检测、红外温度检测以及基于检测线圈的电磁特性检测等。
个华夏副边功率损耗法适用于小功率的无线充电场合中，如Qi标准手机充电、可穿着设备等。

但是，原副边功率损耗法在大功率无线充电场合中难以适用，由于通过比拟发射端与吸收真个功率差值无法准确丈量出异物的损耗。
机器视觉检测、调频波雷达检测等方法须要额外的传感器，会增加异物检测系统本钱，且易受到环境影响，随意马虎产生误判。
基于红外摄像的温度检测法同样会使检测系统本钱增加，且异物与发射端必须有明显的温度差异才能检测，系统检测速率存在滞后性。

基于检测线圈的电磁特性异物检测法紧张分为磁通量检测法和阻抗检测法。
这两种方法通过丈量检测线圈的磁通量或阻抗值的变革以实现对金属异物准确且快速的检测，而对其他不会因涡流效应发热或对充电系统无危害的材料不会相应，如塑料等。

磁通量检测法事理是通过丈量金属异物对检测线圈的磁通量变革和感应电压进行异物检测。
由于其检测事理存在固有的检测盲区，目前的办理方法是通过铺设多层检测线圈来覆盖其他层检测线圈的检测盲区。
该检测方法事理较为大略但构造较为繁芜，且提升检测灵敏度的方法较为有限，如缩小每个子检测线圈的尺寸等。

阻抗检测法是通过丈量高频勉励下检测线圈的阻抗变革进行异物检测，该方法不依赖发射端磁场，可独立事情。
由于勉励源频率与功率磁场频率不同，因此该方法中检测旗子暗记抗滋扰能力强，且不易受到原、副边偏移的影响，同时可设计较高的信噪比以提升检测灵敏度。

目前上述检测灵敏度方法存在以下问题：（1）部分区域检测灵敏度较低。
当金属异物尺寸较小或位于检测线圈边缘时，上述方法难以实现准确检测或办理方法较为繁琐，而检测盲区会导致无线充电系统存在安全隐患；（2）检测电路中谐振拓扑对检测灵敏度的影响剖析较少，且所选用的拓扑构造多为串联或并联的大略拓扑构造，高阶复合拓扑对检测效果的影响未知。

为办理传统检测线圈边缘区域检测灵敏度低和存在检测盲区等问题，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究者，提出了一种运用于无线电能传输场合的提升异物检测系统灵敏度的高阶复合谐振拓扑构造。

图1 高阶复合谐振拓扑检测电路

相较于传统的串联、并联拓扑，所提出的拓扑构造对因金属异物导致的检测线圈阻抗变革较为敏感，并可通过调节拓扑参数进行检测灵敏度优化。
通过电路仿真剖析，根据检测线圈等效内阻和自感比例系数可仿照小尺寸的金属异物或位于检测线圈边角位置处的异物的检测灵敏度。

图2 异物检测系统

根据3.3kW电动汽车无线充电异物检测实验结果，研究者指出，异物检测系统检测灵敏度实测值与理论值基本同等，在功率传输中检测旗子暗记具有很高信噪比且对无线充电系统输出功率和效率无影响。
其余，该高阶复合拓扑对异物位于检测线圈极限边角位置以及如曲别针等小尺寸异物的检测灵敏度分别为62.31%和119.23%，具有较好的检测灵敏度。

他们表示，可结合多个相邻线圈的检测结果综合判断异物是否存在，进而准确检测位于检测线圈边角处的异物，从而完备肃清检测盲区等安全隐患。

本事情成果揭橥在2023年第6期《电工技能学报》，论文标题为“提升无线充电异物检测系统灵敏度的高阶复合谐振拓扑”。
本课题得到国家自然科学基金和哈尔滨工业大学电驱动与推进技能教诲部重点实验室开放基金帮助项目的支持。