無線充電領(lǐng)域金屬異物檢測的方法綜述

秦媛倩

摘 要：無線充電技術(shù)在各個領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，但在充電過程中若有金屬異物侵入充電區(qū)域范圍，將使得金屬異物產(chǎn)生高溫，此時，發(fā)生危險以及令充電設(shè)備損壞的可能性很高，因此本文將從專利申請角度重點介紹如何針對該金屬異物進(jìn)行檢測。

關(guān)鍵詞：無線;充電;異物;檢測

一、緒論

無線充電是通過磁耦合、磁共振等技術(shù)，在充電器和待充電設(shè)備之間的空氣中傳輸電能，從而為電池充電的技術(shù)。這種無線充電方法有效地應(yīng)用于需要大容量電池充電手持通信裝置、電動汽車等。但當(dāng)能量傳輸區(qū)域中出現(xiàn)金屬異物時，混入無線充電電磁能量傳輸區(qū)的金屬異物在高頻電磁場的作用下會產(chǎn)生一系列的電磁現(xiàn)象，在混入金屬異物后，由金屬異物引起發(fā)射線圈等效阻抗增大將使得發(fā)射端電流減小，降低充電效能。因此，有必要對混入金屬的無線充電系統(tǒng)的充電進(jìn)行分析，并找到能夠合理檢測無線充電系統(tǒng)中的金屬異物、保持系統(tǒng)能量傳輸?shù)姆椒?。[1-2]

二、金屬異物檢測方法介紹

本章將重點從專利申請角度介紹一下金屬異物檢測的各種方法以及相應(yīng)的優(yōu)缺點。

（一）Q值檢測方法

Q因數(shù)是代表電路中能量維持和能量損失之間的關(guān)系的指標(biāo)，其中電路包括電力發(fā)送側(cè)的線圈和電力接收側(cè)的線圈，該Q因數(shù)是代表諧振電路中的諧振強(qiáng)度的指標(biāo)。磁諧振方法的優(yōu)點在于電力接收側(cè)線圈的軸不用必須調(diào)整成電力發(fā)送側(cè)線圈的軸;選擇電力發(fā)送側(cè)位置和電力接收側(cè)位置時的自由度高，并且設(shè)置電力發(fā)送側(cè)和電力接收側(cè)之間的距離的自由度也高。通過測量包括電磁耦合至外部的線圈的電路的Q值來確定是否有金屬異物的技術(shù)被應(yīng)用于一個初級側(cè)向多個次級側(cè)充電的情況。但基于Q值檢測的方式需要設(shè)置專門的Q值檢測電路，成本也將相應(yīng)提高。

（二）溫度檢測方法

由于當(dāng)存在金屬異物時將導(dǎo)致發(fā)射、接收線圈溫度升高，因而基于溫度檢測方式被提出用來執(zhí)行異物檢測。其原理主要是在發(fā)射線圈側(cè)設(shè)置溫度傳感器，用來檢測該線圈的溫度，在溫度傳感器的檢測溫度大于某一閾值時確定存在金屬異物。而基于該原理的檢測方式還包括對于多個溫度傳感器排布方式、溫度傳感器的精度選擇、溫度傳感器的檢測位置以及對溫度檢測的方式進(jìn)行改進(jìn)。

（三）電壓、電流、功率損耗

對無線充電裝置的發(fā)射端和接收端之間是否存在金屬異物的檢測方法還包括通過電壓、電流以及功率損耗的方式來實現(xiàn)。

對于電壓、電流的方式，主要是通過在發(fā)射側(cè)設(shè)置電壓傳感器或電流傳感器，當(dāng)存在異物時，發(fā)射線圈側(cè)的電壓或者流過發(fā)射線圈的電流將發(fā)生變化，而將感測的信號與相應(yīng)的閾值比較即能夠判斷是否存在異物。

而對于通過檢測發(fā)射端的功率損耗方式來實現(xiàn)異物檢測的原理是：若檢測的功率損耗超出預(yù)設(shè)閥值，則判定為有金屬異物存在，無線充電裝置的發(fā)射端將會終止功率傳送。但由于半導(dǎo)體器件的損耗還受電壓、開關(guān)頻率、溫度等影響，因此，功率損耗在發(fā)射端的電路難以計算，此外，在測試功率損耗時，需要同步測量發(fā)射端和接收端各級的功率損耗，但系統(tǒng)響應(yīng)通常存在幾百毫秒級別的時間延遲，測量過程為防止功率發(fā)生驟變，需要同步校準(zhǔn)功率補(bǔ)償系統(tǒng)測量誤差，從而造成操作性難度和復(fù)雜度都很大。

（四）紅外、圖像或者超聲

由于通過紅外、圖像或超聲方式進(jìn)行異物檢測比較直觀，因此，近幾年來關(guān)于該分支的專利申請相繼被提出，其原理是通過在無線充電過程中獲取無線電力發(fā)射端與無線電力接收端之間的紅外熱成像圖像，確定是否有異常物體，并在無線電力發(fā)射端與無線電力接收端之間存在異常物體時，判斷異常物體的溫度值或者功率損耗是否滿足預(yù)設(shè)規(guī)則，然后在異常物體的溫度值或功率損耗滿足預(yù)設(shè)規(guī)則時，向無線電力發(fā)射端發(fā)送無線充電終止指令，終止無線充電過程，通過紅外熱圖像可以準(zhǔn)確的判斷出異常物體以及異常物體的溫度值，提高無線充電過程中異物檢測的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高無線充電過程中的安全性。

（五）反饋認(rèn)證

反饋認(rèn)證主要是使得發(fā)射端和接收端通過通信的方式實現(xiàn)相互認(rèn)證，若認(rèn)證失敗，則判定存在異物或者是不匹配的接收端，則停止供電，其中一個認(rèn)證原理為：接收側(cè)的通信設(shè)備響應(yīng)于來自供電側(cè)的預(yù)定數(shù)據(jù)的接收將特定的數(shù)據(jù)序列發(fā)送至供電側(cè)，由供電側(cè)判定該接收端是否為合法的接收端。通過反饋認(rèn)證的方式可以很好的檢測出是否存在異物，但該檢測裝置的結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜。

（六）阻抗

由于存在異物時，線圈的阻抗參數(shù)將發(fā)生變化，因而基于阻抗原理的異物檢測方法被提出，該方式是通過檢測輸入阻抗或者輸出阻抗，將該阻抗與相應(yīng)阻抗閾值進(jìn)行比較，實現(xiàn)異物檢測。

（七）其他

其他方向包括通過壓力、重力檢測，如通過檢測充電殼體上表面的壓力參數(shù)值判斷是否存在異物;通過頻率實現(xiàn)檢測，如通過檢測的諧振頻率的偏離信息，來判斷有無對非接觸電能傳輸有影響的異物;通過電容檢測，如根據(jù)電容檢測電路檢測的電容值判斷發(fā)射線圈陣列的有效發(fā)射區(qū)域內(nèi)是否存在異物。

三、結(jié)語

盡管專利申請中已經(jīng)提出多種技術(shù)來檢測這種金屬異物，如基于品質(zhì)因數(shù)、電壓、電流、功率損耗、溫度等方式，但由于每種方式均具有一定的優(yōu)缺點，并且存在局限性，因而近年來通過多種方式相結(jié)合進(jìn)行金屬異物檢測的方式相繼被提出，利用該種方式看可以使得不同的方法之間互補(bǔ)疊加，從而產(chǎn)生更優(yōu)的檢測效果，并且具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲曉東.基于磁耦合諧振的電動汽車無線充電系統(tǒng)研究[D].山東：山東大學(xué)學(xué)位論文，2016：1-8.

[2]馬中原，等.金屬異物對電動汽車無線充電系統(tǒng)影響分析[J].電工電能新技術(shù)，2017：14-20.