电动汽车无线充电系统异物检测技术

李 川，张宝强，王朝晖，黄 炘，孔治国，兰 昊

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

1 引言

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）是一种综合利用电力电子技术和现代控制理论并通过软介质来实现电能从电源以非电气接触的方式传递到负载的技术，具有安全、可靠、灵活等优点［1］。具体应用到电动汽车领域，磁耦合无线充电技术 （Magnetic Field Wireless Power Transfer，MF-WPT）是目前的主流技术发展方向［2］。MFWPT利用发射线圈和接收线圈之间的高频交变耦合磁场来实现电能传输。在电动汽车进行无线充电的过程中，无线充电系统往往会受到周围环境因素的影响，例如铁钉、易拉罐等。当这些物品位于电动汽车无线充电工作区域内，无线充电的传输功率和效率都会受到影响，甚至产生更严重的安全隐患。此外，无线充电过程中产生的电磁辐射也可能会对生物体产生伤害。因此，电动汽车无线充电系统对周围环境物品的检测技术值得重点关注。

2 电动汽车无线充电异物检测

由于电动汽车无线充电技术属于无线电能传输技术在电动汽车方面的具体应用，因此电动汽车无线充电的异物检测概念也引申自无线电能传输的异物检测。Qi标准V1.2.3版本对异物和异物检测的定义为：所有不属于无线电能传输设备但会出现在发射/接收线圈表面的物体均被称为异物，异物检测是一个由发射装置或接收装置执行的过程，用于确定发射线圈表面是否存在异物。

具体在电动汽车无线充电领域，国家标准GB/T 38775.1-2020《电动汽车无线充电系统 第1部分：通用要求》对异物的定义为：异物是位于原边设备和副边设备的任何物体，其既不是电动汽车的一部分，也不是电动汽车无线充电位的一部分［3］。国家标准GB/T 38775.3-2020《电动汽车无线充电系统 第3部分：特殊要求》对异物检测的要求为：磁耦合WPT系统地面设备应具备异物检测功能，能够识别原边设备上方影响无线电能传输的异物。若检测到异物，则磁耦合WPT系统发出警告，并停止充电或不启动充电［4］。SAE J2954-2019中规定异物检测的目的：确保发射线圈和接收线圈之间的异物在车辆完成充电驶离后，不会因为温度过高灼伤其他生物或者损害地面端设备的表面。

目前，异物检测技术尚处于初步研究阶段，主要围绕金属异物检测（metal object detection，MOD）技术和生物体异物检测（living object detection，LOD）技术两方面展开［5］。本文借鉴了文献［6］中关于异物和异物检测的定义，其统一将金属异物和生物称之为异物，定义为：不属于无线充电系统的一部分，但是会影响系统传输性能和安全性的物体或可能会受到系统电磁辐射影响的生物体，如金属、非金属磁性材料、人体等。其定义异物检测技术为通过传感器或电气检测方法，探测和识别发射/接收线圈之间或周围的异物，并对系统进行保护和报警等相关技术。

3 国内异物检测技术现状

3.1 中兴无线充电异物检测功能技术现状

3.1.1 活物检测功能

采用的是雷达检测的技术方案。选取的测试对象包括运动的手掌、5cm水球、树叶、白色塑料袋，活物入侵速率为1000mm/s。图1为中兴活物检测技术方案示意图。

该方案的优点为有车与没车检测范围一致（除轮胎遮挡区域无信号外），缺点包括：①由于雷达检测角的问题，活物在高于地面一定高度后检测不到；②水球尺寸太小，反射面较小，若雷达检测精度不够，检测区域受限；③树叶在近距离（3～5cm）可以检测到，因此若无线充电设备在室外停车场可能会造成误检测。

3.1.2 金属异物检测功能

采用的是通过检测线圈的电信号变化检测异物。具体实现为在地面线圈上方、棋盘检测线圈下方，增加激励线圈；给激励线圈加激励后产生磁场，棋盘检测线圈在磁场感应的原理下产生感应电压；金属异物的涡流会影响磁场，引起检测线圈的感应电压和阻抗的变化。图2为中兴金属异物检测技术方案示意图。

图2 中兴金属异物检测技术方案示意图

该方案可以实现主动检测异物，缺点包括：①空间异物及订书针大小的异物检测难度较大，需要提升异物检测精度；②异物检测精度提升容易引起误检，如树叶、水瓶等非金属异物也可能引起误检；③不同的使用环境会引起“检测线圈”参数变化，进一步影响检测准确性。

3.2 中惠创智无线充电异物检测功能技术现状

3.2.1 活物检测功能

采用多普勒雷达检测，发射线圈四周安装8只多普勒雷达传感器，通过检测距离和速度信息来判断是否有活体进入充电区域。

检测方法为采用直径5cm的水球作为被测试对象，测试时，水球以1m/s的速度从不同方向侵入活体保护区域。当被测物体侵入标准规定的检测区域内，系统能够检测到异物入侵，并进行关机或降功率运行或进行其他保证入侵物体的安全的措施，则判定系统具有活体保护功能。图3为中惠创智活物检测方案示意图。

图3 中惠创智活物检测方案示意图

该方案技术成熟，容易实现；运行稳定，不易受磁场环境天气情况等影响。但是仅能检测快速移动的物体，且与物体大小及材质有关；不能区分是否活体；检测区域不能覆盖线圈上方；线圈安装只能地上安装，地埋安装则无法实现。

3.2.2 金属异物检测功能

采用差分式线圈有源检测方案，利用高频信号源产生的磁场激励，系统主要由高频信号源、检测线圈、处理电路、电源电路4个部分组成。检测方法为：充电区域设置若干坐标点，记录各坐标点检测出不同异物的反应时间。图4为中惠创智金属异物检测方案示意图。

图4 中惠创智金属异物检测方案示意图

该方案的检测系统与原无线充电系统信号区别不大，可实现单独设计、批量生产；检测范围可随意设计，也解决了无源检测方案中的缺点，主动检测系统的抗干扰能力和环境适应能力都有增强。

但是系统电路复杂，成本较高；异物检测系统不间断发射高频磁场，功耗较高。

3.3 华为无线充电异物检测功能技术现状

3.3.1 活物检测功能

华为活物检测功能实现方案尚未查询到。

3.3.2 金属异物检测功能

采用检测线圈+激励线圈+处理器的方案。

检测线圈包括至少3组检测线圈，每一组检测线圈的正投影均为一个平面线圈；激励线圈的正投影也为一个平面线圈，且检测线圈中的每一组检测线圈的正投影以及所述激励线圈的正投影均位于同一平面内，且彼此隔离；检测线圈中每两组检测线圈形成一个线圈对，每一个线圈对用于消除检测盲区；处理器判断每一个线圈对的两组线圈在所述时变磁场中产生的感应电压值是否相等，结果不相等则判定存在异物。图5为华为金属异物检测技术方案示意图。

图5 华为金属异物检测技术方案示意图

该方案检测系统与原无线充电系统信号区别不大，可实现单独设计、批量生产；检测范围可随意设计，也解决了无源检测方案中的缺点，主动检测系统的抗干扰能力和环境适应能力都有增强。但是系统电路复杂，成本较高；异物检测系统不间断发射高频磁场，功耗较高。

3.4 有感无线充电异物检测功能技术现状

3.4.1 活物检测功能

采用微波感测雷达，并将其集成到地面发射线圈内部。能够判断保护区域内是否存在活体，当有活体进入到检测范围内时，系统会发出警告，并停止充电或不启动充电。图6为有感活物检测方案示意图。

图6 有感活物检测方案示意图

该方案集成到地面发射线圈内部，体积小，但是设备复杂，成本较高。

3.4.2 金属异物检测功能

采用通过检测小检测线圈的阻抗大小发现金属异物的方案。小检测线圈由多匝线缠绕制作而成，其可以等效为电阻R和电感L；金属异物也能够等效为电感和电阻，并且与检测线圈的电感之间有等效互感。当金属靠近小检测线圈时，测到的小检测线圈等效电感和电阻就会发生变化；根据阻抗值的变化大小判断是否有金属异物落入磁场中，根据变化线圈的位置可以判断金属异物的位置。图7为有感金属异物检测方案示意图。

图7 有感金属异物检测方案示意图

该方案检测线圈和电路独立于功率传输系统，与传输磁场无关；多个检测线圈阵列可以重叠，以消除检测盲区。但是系统电路较复杂；检测精度容易受到干扰。

3.5 小结

国内主要的异物检测技术方案可以归纳如图8所示。

图8 异物检测技术方案对比

对各类技术方案，分析总结如下。

1）综合考虑异物检测装置的安装、防护、维护等的便利性，车端的质量、成本的限制、抗碾压等要求，金属异物检测最好由发射端完成。

2）保证温度在常见物体的燃点以下，采用感温材料或者热成像是最直接的方法，检测装置的安装、防水、防尘和安全防护是主要问题。

3）图像识别、微波雷达或者超声波等可以同时进行异物和生命体的检测，检测装置的安装、防护、维护、遮挡等问题是主要问题。

4）磁场检测或者电场检测，不受安装、防护等影响，检测精度与抗碾压材料的厚度相矛盾，干扰的消除算法是关键技术。

4 异物检测功能现存问题

1）异物检测范围窄。目前电动汽车无线充电金属异物检测更多关注的是铁磁性金属异物的检测，但实际生活中各类合金材料应用更加广泛。此外，非金属磁性材料也可能会对电动汽车无线充电系统造成影响。因此，有必要拓宽异物检测的范围。

2）异物检测准确率低。一方面，现有电动汽车无线充电异物检测系统对于小体积的铁磁性金属异物很难识别出来；另一方面，容易误检测运动的但对无线充电系统影响不大的物体，如滚动的石头、飘落的树叶等。

3）异物检测产品化成本高。例如采用雷达技术的异物检测技术方案需要在多个方向上安装雷达装置，造价较高。如何将异物检测装置集成化、模块化、智能化，需要加强研究，进一步形成产业化的产品。

5 结语

异物检测是保障电动汽车无线充电系统安全可靠运行的核心技术之一，它的研究及应用对促进电动汽车无线充电产业化发展至关重要。本文主要介绍了电动汽车无线充电异物检测的概念，总结归纳了国内主要设备厂商异物检测方案，分析了异物检测功能现存的问题，为后续异物检测技术的发展提供了参考。