基于功率損耗的LCC無線電能傳輸系統(tǒng)金屬異物檢測技術(shù)

周正行，翟智勇

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

近些年來隨著理論的不斷進(jìn)步，在保證無線傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量的同時(shí)，還應(yīng)該注意到隨之而來的安全問題。在使用無線電能傳輸系統(tǒng)時(shí)，發(fā)射線圈與接收線圈之間會產(chǎn)生高頻的交變磁場，并且無線電能傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，會存在一定的微小間隙，當(dāng)外界非磁性金屬異物進(jìn)入高頻交變磁場，對系統(tǒng)傳輸電能穩(wěn)定性和電能傳輸效率造成嚴(yán)重影響，當(dāng)金屬異物進(jìn)入能量傳輸區(qū)域后，能量傳輸區(qū)域的高頻交變磁場會和金屬異物產(chǎn)生渦流，損害無線電能傳輸設(shè)備，若無線電能傳輸?shù)脑O(shè)備是植入式醫(yī)療設(shè)備將會對使用者造成不可估量的后果，此外，金屬異物還會對系統(tǒng)的傳輸效率造成影響，同時(shí)造成能量損耗。關(guān)于無線電能傳輸系統(tǒng)異物檢測的解決方案，國內(nèi)外學(xué)者做了諸多研究。大致可以歸為三類：設(shè)計(jì)輔助線圈實(shí)現(xiàn)異物檢測技術(shù)、根據(jù)金屬異物影響系統(tǒng)參數(shù)技術(shù)和通過各類傳感器檢測異物存在技術(shù)，文獻(xiàn)[8]提出了一種使用陣列式差分線圈金屬異物檢測方式，利用金屬異物靠近檢測區(qū)域時(shí)輔助線圈的電感、阻抗一些參數(shù)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)異物檢出，文獻(xiàn)[9]提出了一種測量發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)變化作為檢測金屬異物存在的判據(jù)。文獻(xiàn)[10]基于機(jī)器視覺原理，設(shè)計(jì)一種利用攝像傳感器的異物檢測方法。該方法是利用攝像頭，對螺釘、螺栓等異物進(jìn)行檢測，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的可行性。本文提出了一種基于功率損耗的LCC無線電能傳輸系統(tǒng)金屬異物檢測技術(shù)，對金屬異物檢測進(jìn)行研究。

1 無線電能傳輸系統(tǒng)的選擇

目前，由于廣泛應(yīng)用的無線電能傳輸系統(tǒng)為磁耦合諧振式無線電能傳輸結(jié)構(gòu)，磁耦合無線電能傳輸常用的補(bǔ)償方式主要有：LCC補(bǔ)償型、串型（S-S）、串并型（S-P）、并并型（P-P）、并串型（P-S）等，其中LCC補(bǔ)償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性較強(qiáng)、輸出電壓增益較高等優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于中小型設(shè)備的充電、放電等領(lǐng)域。因此，本文選用LCC補(bǔ)償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)為對象，圍繞非鐵磁性金屬異物檢測方法展開研究。圖1是LCC補(bǔ)償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1

系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：發(fā)射端、接收端。在發(fā)射端，直流電壓源Us提供整個(gè)系統(tǒng)的電能輸入，MOSFET的S1~S4構(gòu)成高頻逆變電路，D1~D4 為反并聯(lián)二極管；L1、C1和C2一起構(gòu)成發(fā)射線圈側(cè)的補(bǔ)償諧振網(wǎng)絡(luò)；L2為發(fā)射線圈，L3為接收線圈；C3為接收線圈側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償電容；R為系統(tǒng)等效負(fù)載電阻，I2和Io為發(fā)射端電流和負(fù)載接收電流。

2 無線電能傳輸系統(tǒng)的功率參數(shù)檢測原理分析

2.1 建立模型

中、小型設(shè)備的無線電能傳輸主要采用兩個(gè)線圈耦合結(jié)構(gòu)，圖2為建立的中、小型設(shè)備的無線電能傳輸?shù)鸟詈夏Ｐ停渲蠰1、C1和 C2一起構(gòu)成發(fā)射線圈側(cè)的補(bǔ)償諧振網(wǎng)絡(luò)；L2為發(fā)射線圈，L3為接受線圈；C3為接收線圈側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償電容；RL為系統(tǒng)等效負(fù)載電阻，Is和Io為發(fā)射線圈電流和負(fù)載電流。

圖2

R1、R2和 R3分別為補(bǔ)償電感內(nèi)阻、發(fā)射線圈內(nèi)阻和接收線圈內(nèi)阻。則接收側(cè)總阻抗 Zs為：

所以，在諧振狀態(tài)下，接收側(cè)總阻抗在發(fā)射端的反映阻抗Zr為：

將發(fā)射端等效的等效模型如圖3(a)，根據(jù)諾頓定理進(jìn)一步等效圖3(b)。

圖3

在正常工作狀態(tài)下，圖中的阻抗Zeq：

則系統(tǒng)的總輸入阻抗為：

因?yàn)長CC型無線電能傳輸系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)下，所以系統(tǒng)是處在諧振狀態(tài)下的所以可以得出下式：

等效后的系統(tǒng)輸入電流Iin、發(fā)射線圈電流IP和接收線圈電流IS為：

分別將式（2）、（3）、（4）、（5）代入到式（6）中，經(jīng)過計(jì)算化簡：

在諧振狀態(tài)下，Ls和Cs相當(dāng)于開路，故接收側(cè)總阻抗ZS為：

所以電流 可以簡化為：

等效后的輸出電壓為：

等效后，負(fù)載功率為：

由式(11)可以看出，發(fā)射線圈的電流僅與輸入的電壓有關(guān)，即當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)，發(fā)射側(cè)線圈可保持恒定的電流，有利于形成穩(wěn)定的磁場。由式可得，系統(tǒng)輸出電壓具有負(fù)載無關(guān)性。

2.2 金屬異物存在的模型

金屬材料一般具有較好的電導(dǎo)率，但磁導(dǎo)率差別較大，根據(jù)金屬磁導(dǎo)率不同，可分為非磁性金屬（如銅、鋁、金等）和磁性金屬（如鐵、鎳、鈷、錳等）。非磁性金屬對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為渦流效應(yīng)，磁性金屬在磁場中表現(xiàn)為增強(qiáng)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)。因此， LCC補(bǔ)償型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)之間或周圍出現(xiàn)的非鐵磁性導(dǎo)電介質(zhì)可以被等效為一個(gè)電感 4L和電阻 4R串聯(lián)的渦流計(jì)算回路，含非鐵磁性金屬異物的LCC型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路圖如圖4所示。

在非鐵磁性金屬異物的等效電路中，3R為渦流計(jì)算回路內(nèi)阻，表示渦流引起的能量損耗，3L為渦流計(jì)算回路等效電感，表示渦流磁場對諧振線圈磁場的影響，M2和M3分別代表金屬異物與發(fā)射線圈和接收線圈的耦合互感，M1為電感線圈的互感。當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，原邊電路、副邊電路和金屬異物等效回路方程可分別表示為：

根據(jù)圖4，列寫KVL方程：

圖4

其中Z1、Z2分別為發(fā)射端、接收端回路阻抗：

在諧振狀態(tài)下，異物側(cè)總阻抗在發(fā)射端的反映阻抗zr1為：

所以由于金屬異物線圈與接收線圈耦合較弱，為了簡化問題，忽略M3，即負(fù)載電流為：

通過搭建的模型得出輸入電流為：

圖5

圖6

所以功率損耗為：

其中Zr1、Zr2分別是Z3等效阻抗和Z2等效阻抗，由式可以看出，只有Zr2為變量，所以負(fù)載功率的大小由金屬異物在磁場中產(chǎn)生的渦流等效阻值決定。通過式(18)可以看出PLOSS的變化，通過P0的變化得出Pin也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。

采用功率損耗方式檢測異物是否存在，其可靠性主要依賴發(fā)射端和接收端檢測的功率準(zhǔn)確與否?？紤]到一些不可測因素，不同負(fù)載下發(fā)射端和接收端測得的功率會有些偏差，為了防止發(fā)射端因一些不可測因素導(dǎo)致測得的功率偏差從而造成系統(tǒng)誤認(rèn)為耦合線圈內(nèi)有金屬異物的存在，通常在接收端測得的功率加上一個(gè)預(yù)設(shè)的閾值PΔ，其中PΔ作為對不可控因素誤造成系統(tǒng)認(rèn)為金屬存在的補(bǔ)償。

當(dāng)發(fā)、收端的耦合線圈內(nèi)沒有異物時(shí)，接收端的功率式要略大或等于發(fā)射端所測得的功率的。根據(jù)輸出功率大小的不同，PΔ也不同，其值一般取最大輸出功率的5%。

由此推導(dǎo)出一種方法：基于功率損耗的異物檢測：

其中，Pin等于輸入功率，PPTLOSS為發(fā)射端所有的必要傳輸損耗功率，Pout等于輸出功率，PPRLOSS為接收端所有的必要傳輸損耗功率。通過發(fā)射端和接收端的功率的變化判斷異物的存在。

3 仿真驗(yàn)證

基于上述分析，通過MATLAB/Simulink建立存在金屬異物的LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。

圖7

經(jīng)過仿真，無金屬異物回路LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)和加入金屬異物回路的LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的負(fù)載功率變化曲線如圖8、9所示，明顯可以看出有金屬異物后負(fù)載功率下降。

圖8

圖9

從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)不含金屬異物時(shí)，其輸入功率因約為5006mW，在加入金屬異物后，系統(tǒng)的等效品質(zhì)因數(shù)值有較大幅度降低，約為4414mW，功率損耗約為500mW。從仿真結(jié)果可以看出基于功率損耗的變化能夠有效實(shí)現(xiàn)金屬異物的檢測。

圖10

4 結(jié)論

對磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)金屬異物檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。以LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)為對象，提出了一種基于功率損耗的金屬異物檢測方法。通過對不存在和存在非鐵磁性金屬異物情況下LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的理論分析，建立LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)功率損耗模型，給出了判定是否存在非鐵磁性金屬異物的閾值確定方法；通過MATLAB/Simulink建立含有金屬異物的LCC型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)仿真模型，給出了仿真驗(yàn)證結(jié)果；仿真表明，功率損耗可作為非鐵磁性金屬異物檢測的依據(jù)，基于功率損耗的金屬異物檢測方法可有效檢測發(fā)射端和接收端之間或周圍的非鐵磁性金屬異物，并且實(shí)現(xiàn)比較簡單。