基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测方法

唐春森 钟良亮 吴新刚 苏炳柯 钟明祥



基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测方法

唐春森1钟良亮2吴新刚3苏炳柯1钟明祥2

（1. 重庆大学自动化学院，重庆 400044；2. 国网宁波供电公司，浙江 宁波 315000；3. 北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200）

针对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。

电动汽车；无线充电；阻抗特性；金属检测；生物体检测

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。

1 基于阻抗特性的异物检测方法

本方法是把一块等间距螺旋绕制的线圈板作为传感元件，将该检测线圈铺置在无线充电系统的能量发射线圈上方，如图1和图2所示。

图1 螺旋等间距绕制的线圈板

图2 阻抗测量线圈位置图

当金属或者生物体异物进入检测线圈的范围时，会改变线圈环境进而影响检测线圈的参数，线圈的阻抗就会发生变化，检测到线圈阻抗发生变化即可判断有金属或生物体异物进入。该检测系统架构如图3所示。

图3 系统架构示意图

2 阻抗特性变化原理

在交变的磁场中，由于金属进入磁场引起的磁效应或者涡流效应将会产生一个附加磁场，这个附加磁场将会破坏交变磁场的磁力线分布，所以也可以把这个产生的附加磁场称为二次场。附加的磁场的反作用会使测量线圈的有效阻抗产生变化。

2.1 非铁磁性金属特性

测量线圈中电流的幅值大小和相位都会因为进入线圈范围的金属所产生的二次场而发生变化，也就是测量线圈的等效阻抗发生了变化。可以使用测量线圈的等效阻抗变化来反映被测金属的涡流效应[13]。

为了方便分析，可以把金属导体看作是一个短路线圈，其与测量线圈形成互感，根据这个现象可以得到如图4所示的等效电路图，图中各字母符号的含义见表1。

互感随金属导体到测量线圈距离的减小而呈现出非线性增大。由电磁感应原理可知，激励磁通1和感应磁通2相互抵消，根据克希荷夫定律，可得到电压平衡方程式：

图4 磁场中金属与线圈等效电路

表1 字母参数对应关系

解方程组，得到受电涡流影响后测量线圈的等效阻抗为

2.2 铁磁性金属特性

根据电磁场理论，自感是每单位电流变化的磁链变化，即

式中，1为线圈电流产生的磁场；为线圈的面积。

对于磁性材料，可以用简单的原子模型来解释其磁性质。电子以恒速围绕原子作圆周运动，产生如图5所示轨道磁矩，其大小为

式中，e为电子电荷量；Ue为它的速度；为半径。

同时电子围绕其自身轴线转动（自旋），自旋磁矩为固定值，其大小为

式中，为普朗克常量；e为电子质量。

原子的净磁矩由所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成[14]。净磁矩产生一个类似于电流（磁偶极子）产生的远方场，在没有外磁场时，物质中的磁偶极子是随机排列的，如图6所示，所以物质的净磁矩几乎为零。当有外磁场1时，每一个磁偶极子感受到转动力矩，使它们沿磁场方向排列，如图7所示。磁性材料中磁偶极子磁极的对准排列是加强原来的磁场1，相当于沿材料表面流动的电流，产生一个附加场2，如图8所示。

图6 磁偶极子随机排列

图7 外磁场使磁偶极子顺向排列

图8 磁偶极子对准排列等效于物质表面电流环

当磁性材料靠近通电的测量线圈时，会被通电线圈产生的磁场1磁化，磁化后材料内部对准磁偶极子的对准排列为产生附加磁场2，这个附加磁场与线圈产生的磁场方向一致，2会穿过线圈面，如图9所示。

图9 磁性材料附加磁场与原磁场叠加示意图

这时测量线圈面上的磁通就是1和2的叠加，所以线圈自感变为

2.3 生物体变化特性

生物体的基本单元是细胞，细胞由细胞内液和细胞膜组成；细胞外还存在着细胞外液和细胞间质。细胞外液和细胞内液可以看作电解液。细胞膜内部由于有复杂的生物化学结构控制着粒子的移动和物质的运转，其电压电流特性非常复杂，但仍可将其视为电介质。所以总体而言可以将生物体视为一个电介质[15]。

当生物体进入检测线圈时，如图10所示，等效于线圈对地增加了杂散电容。

图10 生物体进入测量线圈示意图

这些杂散电容是线圈导线上的各个点对地的电容，将导线电阻看作无数个电阻串联，可设线圈导线的电阻为1=r+r-1…3+2+1，则生物体进入线圈范围时产生的杂散电容模型如图11所示。

图11 杂散电容分布模型

为便于计算，将该模型简化，等效于一个对地电容与线圈电阻并联，如图12所示。

图12 简化的杂散电容模型

此时线圈电阻与杂散等效电容并联的阻抗为

所以线圈在生物体接近影响杂散参数时的等效阻抗为

3 阻抗变化特性实验验证及分析

为验证上述阻抗变化特性原理，使用电桥对PCB制作的线圈板的阻抗参数（包括串联电阻S串联电感S阻抗幅度||阻抗幅角）进行测量，如图13所示。首先测量没有异物时线圈的阻抗参数，然后将不同的异物分别放在线圈板上测量线圈阻抗参数，对比异物放入前后线圈阻抗参数的变化，并对测试结果进行分析。

图13 检测线圈PCB图

3.1 不同异物类型的阻抗变化实验

在1MHz的频率下，分别对生物体（人体）、磁性材料（锰锌铁氧体）、金属（10×10cm铜箔）进行测试，测试结果见表2。

表2 1MHz频率不同异物时线圈阻抗参数

为便于比较，表2中括号里的内容表示异物进入后相对于没有异物时参数的变化，上箭头表示增加，下箭头表示减小。由此可以看出，不同异物类型使阻抗参数变化的规律是不同的。

首先分析金属，在引入金属后其阻抗实部也就是电阻部分是S增加的，而虚部电抗部分S是减小的。同时阻抗幅度||和阻抗幅角也是减小的。再结合前文对金属引起阻抗变化的原理，引入金属产生的涡流效应作用下，线圈的等效阻抗公式变为式（2）。其阻抗实部也是增加，而虚部减小。实验结果与理论原理一致。

引入磁性材料后，阻抗的实部、虚部、幅度、幅角全部增大。结合理论等效阻抗的式（8）。加入磁性材料引起的阻抗变化为

其中，阻抗实部的变化是涡流效应引起的；而阻抗虚部的变化，前面负的那部分是涡流效应引起的，后面正的那部分是磁效应引起的。由于实验所用的磁性材料为锰锌铁氧体，其磁导率很大，但电导率较小，磁效应强于涡流效应，所以综合之后阻抗虚部变化表现为增大。对于生物体，线圈阻抗的实部和虚部均是减小，这也于前文的生物体阻抗变化原理吻合。

纵观3种异物类型对线圈阻抗参数的变化规律，明显发现不同类型的异物使线圈阻抗参数的变化方向是不同的。异物对于线圈阻抗有这样的变化规律，不仅使基于阻抗变化特性的异物检测方式能够有效地检测到异物，还为阻抗检测方式区分出异物类型（金属、生物体、铁磁体）提供了可能性。

但一组实验数据并不能证明此规律，所以又在不同频率下使用电桥对不同类型异物进行了测试。

3.2 不同频率下的阻抗变化实验

分别在500kHz、200kHz和100kHz的频率下，对生物体（人体）、磁性材料（锰锌铁氧体）、金属（10cm×10cm铜箔）进行测试。表3、表4、表5分别为测试结果，表中括号内上下箭头分别表示加入异物后相关参数的增减。

由表2至表5可以看出，在不同频率下，生物体、磁性材料和金属对线圈阻抗参数的改变规律都是一样的。也与前文阻抗变化的原理吻合，进一步证明此原理的可信度。

表3 500kHz频率不同异物时线圈阻抗参数

表4 200kHz频率不同异物时线圈阻抗参数

表5 100kHz频率不同异物时线圈阻抗参数

对于生物体而言，频率越高，线圈阻抗变化越明显。从1MHz到100kHz频率生物体使线圈阻抗的变化越来越小，且100kHz时线圈阻抗对生物体已经不再敏感，阻抗变化为零。而随频率降低虽然磁性材料以及金属使阻抗变化的程度也会变小，但没有生物体那么明显。

再对比阻抗参数对3种异物的敏感程度，生物体对阻抗实部比阻抗虚部的影响更大；磁性材料对阻抗虚部的影响非常明显，与之相反对阻抗实部影响很小；金属对阻抗实部和虚部的影响都比较明显。

3.3 不同异物尺寸的阻抗变化实验

为研究异物的尺寸大小对线圈阻抗参数的影响程度，分别设计了在长宽一定（即面积一定）时不同厚度金属和在厚度一定时不同面积金属使线圈阻抗参数变化的实验。

将铜箔（厚度均为0.1mm）剪成不同大小（分别是长宽为2cm×2cm、5cm×5cm和10cm×10cm）在1MHz频率下进行线圈阻抗变化的实验。结果见表6。

表6 加入一定厚度不同面积金属时线圈阻抗参数

将长宽均为10cm×10cm，厚度分别为0.5mm、1mm和5mm的铜板在1MHz频率下进行线圈阻抗变化的实验。结果见表7。

表7 加入一定面积不同厚度金属时线圈阻抗参数

由表6可以看出，面积越大的金属异物，使线圈阻抗参数的变化越大，包括阻抗的实部、虚部、幅角和幅度。

再对比表7中不同厚度金属异物对阻抗参数变化的影响，随着厚度的增加，阻抗实部也就是电阻部分变化越小，而阻抗虚部，幅角和幅度的变化是随厚度的增加而增大的。

3.4 阻抗变化特性实验的总结和启示

综合上述实验和分析，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。

4 结论

本文针对电动车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无线充电系统中的实用性。

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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，重庆大学副教授，博士生导师，研究方向为无线电能传输技术及系统。

国家自然科学基金面上项目（61573074）

国网浙江省电力公司科技项目（5211NB16000B）