汽車無線充電異物檢測(cè)建模及檢測(cè)方法

甘凱文，賴曉陽，唐厚君

(上海交通大學(xué)電氣系，上海 200240)

0 引言

近年來，隨著汽車無線充電的快速發(fā)展，由此帶來的安全與電磁兼容問題越來越受到關(guān)注。實(shí)驗(yàn)表明，一枚放置在汽車無線充電系統(tǒng)中的硬幣由于渦流效應(yīng)會(huì)被快速加熱，其2 min后的溫度足以點(diǎn)燃生活中大部分的易燃物。在國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中，異物檢測(cè)都是汽車無線充電中必不可少的功能之一。為了解決這一問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)展開了大量的研究。

中國科學(xué)院電工研究所通過有限元仿真，分析了金屬異物對(duì)無線充電系統(tǒng)參數(shù)及效率的影響[1]。山東大學(xué)提出基于平衡線圈的無源檢測(cè)方案，給出了環(huán)形差分線圈的設(shè)計(jì)方案[2]。韓國科學(xué)院提出DQ平衡線圈，設(shè)計(jì)出更靈活的檢測(cè)線圈[3]。重慶大學(xué)使用了有源激勵(lì)的方法，從阻抗測(cè)量的角度實(shí)現(xiàn)了金屬異物檢測(cè)[4]。華為技術(shù)有限公司通過模擬掃頻的手段去實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)線圈的諧振頻率，并根據(jù)頻率的變化確定金屬異物的有無[5]。

本文首先對(duì)平衡線圈法異物檢測(cè)進(jìn)行建模，分析了鐵磁性金屬和非鐵磁性金屬對(duì)檢測(cè)電路的影響。然后，提出一種有源和無源相結(jié)合的平衡線圈檢測(cè)方法，通過分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了線圈陣列掃描。在該方案的基礎(chǔ)上，提出一種基于全局檢測(cè)的靜態(tài)偏置跟蹤算法，使設(shè)計(jì)的檢測(cè)器對(duì)功率波動(dòng)具有很強(qiáng)的免疫能力，在保證零誤報(bào)率的情況下提高了檢測(cè)的精度。

1 異物檢測(cè)電路模型

金屬異物對(duì)于檢測(cè)線圈的影響來源于其兩大特性：渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)[6]。渦流效應(yīng)是指電導(dǎo)率較高的物體在高頻交變磁場(chǎng)中為了阻止周邊磁場(chǎng)的快速變化，從而在導(dǎo)體內(nèi)部感生出渦旋電流。導(dǎo)體中流過渦流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱損耗，該損耗完全來源于空間磁場(chǎng)的變化，隨著磁場(chǎng)頻率的升高，渦流損耗越明顯。磁效應(yīng)則指磁導(dǎo)率較高的物體在磁場(chǎng)中，其內(nèi)部磁疇分布發(fā)生變化，產(chǎn)生與外磁場(chǎng)方向相同的內(nèi)磁場(chǎng)，從而增強(qiáng)空間磁場(chǎng)。本文主要研究這兩種效應(yīng)對(duì)于小物體檢測(cè)的影響，為了簡(jiǎn)化模型，作出如下假設(shè)。

(1) 小異物僅改變周圍的局部磁場(chǎng)，對(duì)主功率線圈的影響很小，不考慮其與主功率線圈的耦合。可以認(rèn)為，在金屬異物引入后，主系統(tǒng)的工作狀態(tài)保持不變，系統(tǒng)之間的耦合系數(shù)也保持不變。

(2) 小異物放置在地面端表面，僅受到發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響，而由于距離接收線圈較遠(yuǎn)，它們之間的耦合系數(shù)可以忽略。

1.1 渦流效應(yīng)作用下的檢測(cè)模型

非鐵磁性物質(zhì)的渦流效應(yīng)來源于高頻交變磁場(chǎng)，由于物質(zhì)內(nèi)部可以形成環(huán)流，所以其電路模型可以等效為一個(gè)電感與一個(gè)電阻串聯(lián)。非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率接近1，所以在異物形狀位置不發(fā)生改變的情況下，其電導(dǎo)率的變化與線圈和異物之間的互感沒有直接聯(lián)系。在平衡線圈檢測(cè)法下，檢測(cè)線圈與金屬異物的電路模型，如圖1所示。

圖1 渦流效應(yīng)下異物檢測(cè)模型

圖1中，RD1、LD1、RD2和LD2為檢測(cè)線圈中2個(gè)差分線圈的電阻和電感。VD1和VD2是平衡線圈上由主磁場(chǎng)感應(yīng)出的交流電壓，在理想情況下這兩個(gè)交流電壓幅值和相位相等。RM和LM是金屬異物的等效電感和等效電阻，受金屬異物的材質(zhì)和形狀大小影響。ITX是主系統(tǒng)中原邊線圈流過的激勵(lì)電流，該電流頻率為85 kHz，其大小與主系統(tǒng)功率有關(guān)。根據(jù)電路理論，可以列出如下方程組：

(1)

解方程組(1)，可以得到平衡線圈開路電壓與金屬異物的關(guān)系式：

(2)

假設(shè)異物掉落瞬間，主系統(tǒng)不主動(dòng)改變其工作狀態(tài)，則金屬引入的開路電壓變化量如下：

(3)

從式(3)可以看出，金屬異物引入后同時(shí)會(huì)改變開路電壓的幅值與相位，并且開路電壓實(shí)部與虛部的變化相反。開路電壓變化的幅值與系統(tǒng)工作頻率、異物與檢測(cè)線圈的互感、異物與發(fā)射線圈的互感、系統(tǒng)工作狀態(tài)以及金屬的阻抗特性都有關(guān)系。

1.2 磁效應(yīng)下的檢測(cè)模型

磁效應(yīng)主要來源于異物本身特性，對(duì)靜磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)都有增強(qiáng)作用，但有所區(qū)別。在高頻磁場(chǎng)下，受異物本身磁滯曲線的影響，異物本身會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗，也會(huì)散發(fā)大量熱量到空氣中。由于此時(shí)研究對(duì)象的電導(dǎo)率很低，可以忽略異物與檢測(cè)線圈的耦合，但這并不意味著異物對(duì)檢測(cè)線圈沒有影響。異物的磁效應(yīng)將增強(qiáng)檢測(cè)線圈周圍的空間磁場(chǎng)，從而影響到平衡線圈的開路電壓。其等效模型如圖2所示。

圖2 磁效應(yīng)下異物檢測(cè)模型

圖2中，a、b、c、d均為大于1的比例系數(shù)，表明在鐵磁性物體的影響下，檢測(cè)線圈的自感和感應(yīng)電壓都有所增強(qiáng)。由于RM很大，檢測(cè)線圈開路電壓表達(dá)式如下：

VMEAS=bVD2-aVD1

(4)

異物磁效應(yīng)對(duì)平衡線圈的影響，主要表現(xiàn)在主磁場(chǎng)感應(yīng)電壓的增強(qiáng)。從向量的角度來看，平衡線圈開路電壓將朝著原有的方向增加或減小，電壓的相角變化可以忽略。利用磁效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，依賴于探測(cè)場(chǎng)的強(qiáng)弱，與線圈上的初始感應(yīng)電壓相關(guān)。

2 平衡線圈法異物檢測(cè)系統(tǒng)

本文提出的平衡線圈法異物檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。圖中包含激勵(lì)電路、激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈和檢測(cè)電路。

圖3 平衡線圈法異物檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)中發(fā)射線圈的激勵(lì)方式分為無源激勵(lì)和有源激勵(lì)。無源激勵(lì)是指依靠主發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為異物檢測(cè)的探測(cè)場(chǎng)。直流電源經(jīng)過全橋逆變電路形成高頻方波，再在LC諧振電路的作用下轉(zhuǎn)化為正弦電流給主發(fā)射線圈供電，并產(chǎn)生高頻探測(cè)場(chǎng)。該探測(cè)場(chǎng)很強(qiáng)，其強(qiáng)度可達(dá)幾mT，但隨功率波動(dòng)變化較大。有源激勵(lì)則指用一個(gè)與主功率同頻的輔助高頻電流源去激勵(lì)輔助的發(fā)射線圈，從而產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定的探測(cè)場(chǎng)。這兩個(gè)激勵(lì)源在工作時(shí)是互補(bǔ)的，分別工作在無線充電的不同階段。當(dāng)充電開始前，利用的是有源激勵(lì)產(chǎn)生的探測(cè)場(chǎng)。在充電開始之后，利用的是無源激勵(lì)產(chǎn)生的探測(cè)場(chǎng)。當(dāng)異物引入時(shí)，會(huì)破壞原有的磁場(chǎng)分布。局部平衡線圈通過感知磁場(chǎng)分布的變化，轉(zhuǎn)換為內(nèi)部感應(yīng)電壓的變化，從而打破電壓平衡，被檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)。

圖3中的檢測(cè)線圈為示意圖，其陣列線圈多少和外邊界形狀主要由具體的主發(fā)射線圈而定，目的是使檢測(cè)區(qū)域覆蓋整個(gè)地面端表面。檢測(cè)線圈中字母編號(hào)相同的線圈具有相同的公共端，通過后級(jí)模擬開關(guān)的選擇可以實(shí)現(xiàn)上下或左右差分。以線圈A為例，當(dāng)車輛無上下偏移且左右偏移比較大時(shí)，此時(shí)左上角和右上角的A線圈的感應(yīng)電壓之間差距比較大，不利于實(shí)現(xiàn)電壓平衡。左上角和左下角的A線圈則是更好的選擇，因?yàn)檫@兩個(gè)線圈上下對(duì)稱，汽車橫向的偏移對(duì)兩者的影響近乎等同。當(dāng)車輛存在兩種方向的偏移時(shí)，線圈上可提供兩種可選的差分方案用于檢測(cè)，總有一種受偏移的影響較小，能夠維持原有的檢測(cè)精度。

檢測(cè)線圈上信號(hào)經(jīng)過模擬開關(guān)MUX之后，將經(jīng)過有源濾波器濾除高次諧波與噪聲。該有源濾波器為無限增益多路反饋低通濾波器，其特點(diǎn)是所用元件少，易級(jí)聯(lián)，增益無限制、穩(wěn)定性好。濾波器的截至頻率設(shè)置為100 kHz，略高于檢測(cè)信號(hào)頻率85 kHz，目的是濾除主功率的高次諧波和環(huán)境中的高頻噪聲。實(shí)際上，該電路只能濾除傳導(dǎo)電壓中的高頻噪聲，難以抑制空間中輻射噪聲。當(dāng)功率開啟后，濾波后的信號(hào)仍存在一定的開關(guān)噪聲，需要在軟件上做進(jìn)一步處理。

對(duì)高頻信號(hào)直接進(jìn)行采樣，不僅需要高采樣率的ADC，而且對(duì)微控制器性能也有很高的要求。為了解決這一問題，在電路最后引入增益相位檢波器。該芯片可以比較輸入的2個(gè)正弦信號(hào)的幅值和相位，然后以輸出與之相關(guān)的直流電壓。微控制器解析該芯片的輸出電壓，可以還原出檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位信息。在工作頻率保持不變的情況下，這些信息可以唯一確定一個(gè)正弦信號(hào)。

綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過分時(shí)控制的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)線圈陣列的掃描，陣列上任意線圈上電壓的改變都能即時(shí)被系統(tǒng)檢測(cè)到。該系統(tǒng)在充電前和充電過程中都能正常工作，最大可能地保證了系統(tǒng)安全。

3 異物檢測(cè)算法

在理想的平衡線圈模型下，其開路電壓為0。但是，實(shí)際中磁場(chǎng)分布不是均勻?qū)ΨQ的，所以檢測(cè)信號(hào)會(huì)存在一定的靜態(tài)偏置。從式(3)和式(4)可以看出，該靜態(tài)偏置主要與系統(tǒng)的激勵(lì)電流有關(guān)。汽車無線充電給汽車電池供電過程中，其發(fā)射線圈電流會(huì)隨著電池SOC的變化而變化。并且，短時(shí)間內(nèi)無線充電系統(tǒng)也需要追尋效率最高點(diǎn)而改變?cè)叞l(fā)射電流。所以，如何讓檢測(cè)系統(tǒng)快速地追尋靜態(tài)偏置和準(zhǔn)確地獲取動(dòng)態(tài)檢測(cè)閾值是消除功率波動(dòng)影響的關(guān)鍵。

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，為了在一組數(shù)據(jù)中判別某個(gè)數(shù)據(jù)是否異常，常使用統(tǒng)計(jì)尾部置信度檢驗(yàn)[7]。檢驗(yàn)的原理是假設(shè)數(shù)據(jù)組服從正態(tài)分布，由此計(jì)算出統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差和均值，然后選取合適置信區(qū)間，最后代入數(shù)據(jù)去驗(yàn)證其是否在置信區(qū)間內(nèi)。在異物檢測(cè)中，分別對(duì)信號(hào)幅值和相位建立正態(tài)分布模型，可以得到如下檢測(cè)器。

(5)

式中：xi為第i個(gè)通道新的檢測(cè)信號(hào)；ui為第i個(gè)通道的統(tǒng)計(jì)均值；σi為第i個(gè)通道的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差；γ為固定檢測(cè)閾值。

式(5)的左側(cè)可以看成是檢測(cè)信號(hào)變化量歸一化的結(jié)果，記為檢測(cè)判決量Di。為了確保統(tǒng)計(jì)模型的準(zhǔn)確性，需要在每個(gè)采樣周期去更新模型中的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，它們的更新公式如下：

(6)

式中：n表示第n次采樣計(jì)算；α為每次更新的權(quán)重。

更新權(quán)重不能太大也不能太小，大的更新權(quán)重會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)量與實(shí)際值有較大的誤差，小的更新權(quán)重會(huì)降低更新的速率，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)量無法即時(shí)追上實(shí)際值。根據(jù)實(shí)踐中的多次調(diào)試，α的取值在0.02～0.05之間較適宜。

在系統(tǒng)短時(shí)間的正常運(yùn)行過程中，可以認(rèn)為功率是平穩(wěn)變化的，通過式(6)去更新模型可以有效地減少功率波動(dòng)帶來的影響，并提高檢測(cè)的穩(wěn)定性。然而，從長期來看，系統(tǒng)為了追求最優(yōu)效率點(diǎn)，可能存在瞬時(shí)較大的功率變化，此時(shí)并不希望檢測(cè)系統(tǒng)因此產(chǎn)生任何誤報(bào)。從式(3)和式(4)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射電流發(fā)生變化時(shí)，平衡線圈的開路電壓必然發(fā)生變化，并且其帶來的影響是全局的。當(dāng)小異物進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，只會(huì)影響其周邊的幾個(gè)的線圈，帶來的影響是局部的。在算法上，通過分辨開路電壓變化是全局還是局部，就可以跳過功率瞬時(shí)變化。具體而言，是在原有的閾值的基礎(chǔ)上，再設(shè)置一個(gè)小閾值β和大閾值θ。當(dāng)某個(gè)通道檢測(cè)判決量超過小閾值β時(shí)，將其標(biāo)記為可能存在異物的線圈。逐個(gè)掃描線圈后，統(tǒng)計(jì)出標(biāo)記線圈的總個(gè)數(shù)Nm。若該個(gè)數(shù)超過線圈上限的1/4時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)變化是全局的，系統(tǒng)進(jìn)入到全局檢測(cè)狀態(tài)。此時(shí)，為避免系統(tǒng)發(fā)出誤報(bào)，檢測(cè)閾值相應(yīng)地變化到θ。θ的設(shè)置保證功率波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)，而在大型異物的作用下，系統(tǒng)正常報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到全局檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，還需要快速地跟蹤上功率波動(dòng)引起的靜態(tài)偏置的變化。統(tǒng)計(jì)均值仍可依照式(6)進(jìn)行更新，但是需要將α增大為原來的5～10倍，以加快動(dòng)態(tài)跟蹤的速度。對(duì)于統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差，不可直接依照公式計(jì)算。因?yàn)橛?jì)算的統(tǒng)計(jì)均值并不準(zhǔn)確，用不準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)均值算出的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差與實(shí)際值的偏差可能在百倍以上。一種合理的做法是，在每次更新時(shí)將統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差提高10%，以小幅降低檢測(cè)靈敏度為代價(jià)，去保證檢測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)估計(jì)的靜態(tài)偏置近實(shí)際值時(shí)，系統(tǒng)標(biāo)記的檢測(cè)線圈個(gè)數(shù)將開始下降，直到退出全局檢測(cè)狀態(tài)。

應(yīng)用以上方法，可以有效跳過功率波動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。然而，當(dāng)系統(tǒng)功率波動(dòng)與異物引入同時(shí)發(fā)生時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)就會(huì)將異物的帶來變化歸于功率波動(dòng)之中。為了解決這個(gè)問題，將檢測(cè)判決量作為一個(gè)新的觀測(cè)量，計(jì)算出它的離散系數(shù)，具體計(jì)算公式如下：

(7)

式中:c為離散系數(shù)；N為線圈總數(shù)；uD為判決量均值；σD為判決量標(biāo)準(zhǔn)差。

離散系數(shù)是歸一化統(tǒng)計(jì)量，其大小表明數(shù)據(jù)的離散程度[8]。當(dāng)離散系數(shù)越大，說明某個(gè)局部線圈受到金屬異物較大的影響；當(dāng)離散系數(shù)越小，說明各線圈開路電壓變化比較集中，只存在功率波動(dòng)的影響。當(dāng)離散系數(shù)大于設(shè)定閾值λ時(shí)，同時(shí)標(biāo)記線圈個(gè)數(shù)超標(biāo)，則認(rèn)為局部線圈可能存在異物，系統(tǒng)仍保持原有的狀態(tài)。綜上所述，系統(tǒng)軟件總框圖如圖4所示。

圖4 檢測(cè)算法軟件框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在6.6 kW的汽車無線充電系統(tǒng)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中所用的測(cè)試線圈與電路如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)中，分別使用不同形狀的金屬異物，并以不同角度放置在每個(gè)線圈中心，并統(tǒng)計(jì)出能成功檢測(cè)的線圈個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中使用的物體如圖6所示。

表1為測(cè)試結(jié)果。從結(jié)果來看，回形針能在大部分的線圈中檢出，但是由于主磁場(chǎng)分布不均，在線圈的中心區(qū)域仍存在一部分的盲區(qū)。主要因?yàn)榻饘俜胖?/p>

(c)檢測(cè)線圈與輔助發(fā)射線圈圖5 測(cè)試線圈與電路

圖6 實(shí)驗(yàn)中使用的金屬物體(回形針、硬幣、鋁箔)

表1 檢測(cè)結(jié)果

在盲區(qū)時(shí)造成的開路電壓變化太小，有用信號(hào)淹沒在背景噪聲之中。此外，金屬在一些無法檢測(cè)的區(qū)域沒有明顯溫升，不需要被系統(tǒng)檢出。

當(dāng)有較大功率波動(dòng)時(shí)，記錄每個(gè)線圈的歸一化判決量，并以柱狀圖顯示，如圖7所示。圖中統(tǒng)計(jì)出的標(biāo)記線圈有26個(gè)，大于總線圈的1/4。系統(tǒng)將進(jìn)入全局檢測(cè)狀態(tài)，提高檢測(cè)閾值，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生誤報(bào)。

當(dāng)放置硬幣進(jìn)入某個(gè)檢測(cè)線圈時(shí)，各線圈判決量如圖8所示?？梢钥闯雠c功率波動(dòng)相比，異物帶給單線圈的變化較大，利用離散系數(shù)就可以判斷線圈上存在異物。

圖7 功率波動(dòng)時(shí)各線圈判決量柱形圖

圖8 異物引入時(shí)個(gè)線圈判決量柱形圖

5 結(jié)論

本文對(duì)平行線圈法進(jìn)行建模，得到了渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)下檢測(cè)線圈開路電壓的變化。渦流效應(yīng)對(duì)線圈電壓的幅值和相位均有影響，鐵效應(yīng)則更多體現(xiàn)在線圈電壓幅值上。檢測(cè)線圈主要利用這兩種效應(yīng)去感知異物的信息。系統(tǒng)能夠處理多通道的線圈陣列信號(hào)，并具有較高的靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明，該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)小異物有很好的檢測(cè)效果，可以檢測(cè)到小型異物，例如回形針、硬幣和鋁箔。對(duì)于這些物體的檢測(cè)基本上能夠滿足國標(biāo)對(duì)汽車無線充電系統(tǒng)的最高要求。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，可以檢測(cè)到大功率波動(dòng)的瞬間，從而避免誤報(bào)。并且，在功率波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)仍能檢測(cè)到不少的異物。