基于功率损耗的LCC无线电能传输系统金属异物检测技术

周正行，翟智勇

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

0 引言

近些年来随着理论的不断进步，在保证无线传输的电能质量的同时，还应该注意到随之而来的安全问题。在使用无线电能传输系统时，发射线圈与接收线圈之间会产生高频的交变磁场，并且无线电能传输的结构特点，会存在一定的微小间隙，当外界非磁性金属异物进入高频交变磁场，对系统传输电能稳定性和电能传输效率造成严重影响，当金属异物进入能量传输区域后，能量传输区域的高频交变磁场会和金属异物产生涡流，损害无线电能传输设备，若无线电能传输的设备是植入式医疗设备将会对使用者造成不可估量的后果，此外，金属异物还会对系统的传输效率造成影响，同时造成能量损耗。关于无线电能传输系统异物检测的解决方案，国内外学者做了诸多研究。大致可以归为三类：设计辅助线圈实现异物检测技术、根据金属异物影响系统参数技术和通过各类传感器检测异物存在技术，文献[8]提出了一种使用阵列式差分线圈金属异物检测方式，利用金属异物靠近检测区域时辅助线圈的电感、阻抗一些参数发生改变，从而实现异物检出，文献[9]提出了一种测量发射线圈的品质因数变化作为检测金属异物存在的判据。文献[10]基于机器视觉原理，设计一种利用摄像传感器的异物检测方法。该方法是利用摄像头，对螺钉、螺栓等异物进行检测，并通过实验验证了这种方法的可行性。本文提出了一种基于功率损耗的LCC无线电能传输系统金属异物检测技术，对金属异物检测进行研究。

1 无线电能传输系统的选择

目前，由于广泛应用的无线电能传输系统为磁耦合谐振式无线电能传输结构，磁耦合无线电能传输常用的补偿方式主要有：LCC补偿型、串型（S-S）、串并型（S-P）、并并型（P-P）、并串型（P-S）等，其中LCC补偿型磁耦合谐振式无线电能传输系统主要具有结构简单、鲁棒性较强、输出电压增益较高等优点，并广泛应用于中小型设备的充电、放电等领域。因此，本文选用LCC补偿型磁耦合谐振式无线电能传输系统为对象，围绕非铁磁性金属异物检测方法展开研究。图1是LCC补偿型磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图。

图1

系统主要由两部分构成：发射端、接收端。在发射端，直流电压源Us提供整个系统的电能输入，MOSFET的S1~S4构成高频逆变电路，D1~D4 为反并联二极管；L1、C1和C2一起构成发射线圈侧的补偿谐振网络；L2为发射线圈，L3为接收线圈；C3为接收线圈侧并联补偿电容；R为系统等效负载电阻，I2和Io为发射端电流和负载接收电流。

2 无线电能传输系统的功率参数检测原理分析

2.1 建立模型

中、小型设备的无线电能传输主要采用两个线圈耦合结构，图2为建立的中、小型设备的无线电能传输的耦合模型，其中L1、C1和 C2一起构成发射线圈侧的补偿谐振网络；L2为发射线圈，L3为接受线圈；C3为接收线圈侧并联补偿电容；RL为系统等效负载电阻，Is和Io为发射线圈电流和负载电流。

图2

R1、R2和 R3分别为补偿电感内阻、发射线圈内阻和接收线圈内阻。则接收侧总阻抗 Zs为：

所以，在谐振状态下，接收侧总阻抗在发射端的反映阻抗Zr为：

将发射端等效的等效模型如图3(a)，根据诺顿定理进一步等效图3(b)。

图3

在正常工作状态下，图中的阻抗Zeq：

则系统的总输入阻抗为：

因为LCC型无线电能传输系统工作在正常状态下，所以系统是处在谐振状态下的所以可以得出下式：

等效后的系统输入电流Iin、发射线圈电流IP和接收线圈电流IS为：

分别将式（2）、（3）、（4）、（5）代入到式（6）中，经过计算化简：

在谐振状态下，Ls和Cs相当于开路，故接收侧总阻抗ZS为：

所以电流 可以简化为：

等效后的输出电压为：

等效后，负载功率为：

由式(11)可以看出，发射线圈的电流仅与输入的电压有关，即当系统负载变化时，发射侧线圈可保持恒定的电流，有利于形成稳定的磁场。由式可得，系统输出电压具有负载无关性。

2.2 金属异物存在的模型

金属材料一般具有较好的电导率，但磁导率差别较大，根据金属磁导率不同，可分为非磁性金属（如铜、铝、金等）和磁性金属（如铁、镍、钴、锰等）。非磁性金属对系统的影响主要表现为涡流效应，磁性金属在磁场中表现为增强涡流效应和磁效应。因此， LCC补偿型磁耦合谐振式无线电能传输系统耦合机构之间或周围出现的非铁磁性导电介质可以被等效为一个电感 4L和电阻 4R串联的涡流计算回路，含非铁磁性金属异物的LCC型磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路图如图4所示。

在非铁磁性金属异物的等效电路中，3R为涡流计算回路内阻，表示涡流引起的能量损耗，3L为涡流计算回路等效电感，表示涡流磁场对谐振线圈磁场的影响，M2和M3分别代表金属异物与发射线圈和接收线圈的耦合互感，M1为电感线圈的互感。当电路处于谐振状态时，原边电路、副边电路和金属异物等效回路方程可分别表示为：

根据图4，列写KVL方程：

图4

其中Z1、Z2分别为发射端、接收端回路阻抗：

在谐振状态下，异物侧总阻抗在发射端的反映阻抗zr1为：

所以由于金属异物线圈与接收线圈耦合较弱，为了简化问题，忽略M3，即负载电流为：

通过搭建的模型得出输入电流为：

图5

图6

所以功率损耗为：

其中Zr1、Zr2分别是Z3等效阻抗和Z2等效阻抗，由式可以看出，只有Zr2为变量，所以负载功率的大小由金属异物在磁场中产生的涡流等效阻值决定。通过式(18)可以看出PLOSS的变化，通过P0的变化得出Pin也会产生相应的变化量。

采用功率损耗方式检测异物是否存在，其可靠性主要依赖发射端和接收端检测的功率准确与否。考虑到一些不可测因素，不同负载下发射端和接收端测得的功率会有些偏差，为了防止发射端因一些不可测因素导致测得的功率偏差从而造成系统误认为耦合线圈内有金属异物的存在，通常在接收端测得的功率加上一个预设的阈值PΔ，其中PΔ作为对不可控因素误造成系统认为金属存在的补偿。

当发、收端的耦合线圈内没有异物时，接收端的功率式要略大或等于发射端所测得的功率的。根据输出功率大小的不同，PΔ也不同，其值一般取最大输出功率的5%。

由此推导出一种方法：基于功率损耗的异物检测：

其中，Pin等于输入功率，PPTLOSS为发射端所有的必要传输损耗功率，Pout等于输出功率，PPRLOSS为接收端所有的必要传输损耗功率。通过发射端和接收端的功率的变化判断异物的存在。

3 仿真验证

基于上述分析，通过MATLAB/Simulink建立存在金属异物的LCC型磁耦合无线电能传输系统仿真模型如图7所示。

图7

经过仿真，无金属异物回路LCC型磁耦合无线电能传输系统和加入金属异物回路的LCC型磁耦合无线电能传输系统的负载功率变化曲线如图8、9所示，明显可以看出有金属异物后负载功率下降。

图8

图9

从仿真结果中可以看出，当系统不含金属异物时，其输入功率因约为5006mW，在加入金属异物后，系统的等效品质因数值有较大幅度降低，约为4414mW，功率损耗约为500mW。从仿真结果可以看出基于功率损耗的变化能够有效实现金属异物的检测。

图10

4 结论

对磁耦合无线电能传输系统金属异物检测技术进行了研究。以LCC型磁耦合无线电能传输系统为对象，提出了一种基于功率损耗的金属异物检测方法。通过对不存在和存在非铁磁性金属异物情况下LCC型磁耦合无线电能传输系统的理论分析，建立LCC型磁耦合无线电能传输系统功率损耗模型，给出了判定是否存在非铁磁性金属异物的阈值确定方法；通过MATLAB/Simulink建立含有金属异物的LCC型磁耦合无线电能传输系统仿真模型，给出了仿真验证结果；仿真表明，功率损耗可作为非铁磁性金属异物检测的依据，基于功率损耗的金属异物检测方法可有效检测发射端和接收端之间或周围的非铁磁性金属异物，并且实现比较简单。