應(yīng)用于無線電能傳輸系統(tǒng)的金屬異物三級(jí)定位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王躍躍，夏能弘

(上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090)

無線電能傳輸技術(shù)具有方便、靈活、可靠的供電特點(diǎn)，改善了傳統(tǒng)有線輸電線路老化、場地受限等缺陷，受到越來越多的關(guān)注[1]。發(fā)展至今，該技術(shù)在功率、效率和傳輸距離等方面的研究日趨成熟，各種無線電能傳輸產(chǎn)品相繼問世，并能較好滿足用戶需求[2-4]。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)(wireless power transfer via magnetic resonance coupling,WPT/MRC)利用具有相同諧振頻率線圈經(jīng)高頻交變磁場耦合實(shí)現(xiàn)電能的無接觸式傳輸[5-8]。WPT/MRC相較于電磁感應(yīng)式和電場耦合式，不僅可以減小系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的磁場輻射，且因其在傳輸距離、傳輸功率以及傳輸效率等方面的均衡表現(xiàn)，使其特別適用于電動(dòng)汽車等較大功率、中遠(yuǎn)距離無線充電領(lǐng)域，成為無線電能傳輸技術(shù)的研究熱點(diǎn)[9]。

實(shí)際應(yīng)用中WPT/MRC仍需克服一些重要問題。侵入系統(tǒng)中的金屬異物在交變磁場作用下會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，研究表明，在不考慮散熱、厚度為15 μm的鋁箔侵入傳輸功率為6.6 kW的系統(tǒng)時(shí)，其溫度能夠在4 min內(nèi)提升到130 ℃，如不及時(shí)處理，不僅造成系統(tǒng)的功率損耗，降低系統(tǒng)傳輸效率，還對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性造成影響[10-12]。

為保證系統(tǒng)傳輸效率，提高系統(tǒng)安全性和可靠性，采用不同原理的金屬異物檢測方法成為無線電能傳輸技術(shù)研究的熱點(diǎn)。根據(jù)傳輸功率的變化對(duì)金屬異物進(jìn)行檢測是最常見的方法，但由于體積小的金屬異物造成的功耗有限，在大功率傳輸系統(tǒng)中檢測精度較低[13]。還有研究人員提出熱成像探頭檢測法，該方法和常見方法相比，檢測靈敏度有一定的提高，但熱成像探頭脆弱易損壞，檢測只能在異物造成功耗、溫度升高后進(jìn)行，存在延時(shí)性。

通過附加檢測線圈，利用金屬異物渦流和磁效應(yīng)對(duì)異物進(jìn)行檢測具有良好的實(shí)時(shí)性和靈敏性。WiTricity公司提出一種利用平衡檢測線圈對(duì)金屬異物進(jìn)行檢測的方法，具有較高靈敏性和可靠性[14]。韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)提出了一種雙用途非重疊金屬異物檢測系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了一個(gè)硬幣的定位檢測，而且可以確定接收線圈的位置，及時(shí)對(duì)偏移進(jìn)行調(diào)整保證系統(tǒng)的傳輸效率[15]。但該系統(tǒng)輸出參數(shù)多，參數(shù)提取困難，增加了后續(xù)傳感電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度和故障機(jī)率，且該方法存在檢測死區(qū)，降低了系統(tǒng)的可靠性。

本文提出一種利用三級(jí)線圈實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測及定位的方法。該檢測線圈由單匝利茲線繞成，造價(jià)低、繞制簡單。緊貼發(fā)射線圈的檢測線圈通過金屬異物引起的感應(yīng)電壓變化檢測異物，并通過三級(jí)線圈相互配合實(shí)現(xiàn)異物定位。用戶可根據(jù)自身需求調(diào)整檢測精度，具有較高的靈活性。該檢測方法參數(shù)提取簡單、檢測實(shí)時(shí)性高、無檢測死區(qū)，可為異物后續(xù)處理創(chuàng)造有利條件。

1 異物侵入磁場特性分析

為分析金屬異物對(duì)系統(tǒng)磁場特性的影響，并獲得可靠的檢測方法。本文在Maxwell中搭建磁耦合執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，如圖1所示，仿真分析金屬異物在不同情況下對(duì)系統(tǒng)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。模型參數(shù)如表1所示。

本次仿真主要從金屬異物材質(zhì)、異物面積和厚度及異物所處位置這3個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度受異物的影響機(jī)制進(jìn)行比較分析。為使仿真結(jié)果更加直觀精確，在不同情況下，通過發(fā)射線圈上表面穿過異物幾何中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度觀測線反應(yīng)金屬異物對(duì)系統(tǒng)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響程度。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)仿真模型Figure 1 Simulation model of magnetic coupling mechanism in wireless power transfer system

表1 模型仿真參數(shù)Table 1 Parameters of simulation model

在高頻交變磁場環(huán)境中，金屬異物主要通過渦流和磁效應(yīng)對(duì)磁場產(chǎn)生影響。系統(tǒng)工作時(shí)發(fā)射線圈中的交流電I1產(chǎn)生交變磁場B1, 處于B1中的非鐵磁性金屬(銅)感應(yīng)出渦電流I2，I2產(chǎn)生一個(gè)與系統(tǒng)原磁場B1方向相反的新磁場B2，金屬附近磁場變成B1-B2，如圖2(a)所示。由于鐵磁特性，鐵磁性金屬對(duì)原磁場的影響和非鐵磁性金屬大不相同。鐵磁性金屬(鐵)處于B1中被磁化，磁化后的金屬內(nèi)部磁偶極子對(duì)齊排列產(chǎn)生附加磁場B2，B2與原磁場B1方向一致，金屬附近磁場變?yōu)锽1+B2，如圖2(b)所示。

圖2 金屬異物產(chǎn)生的附加磁場與原磁場疊加示意Figure 2 Diagram of magnetic field superposition of metallic foreign body

對(duì)于不同材質(zhì)的金屬異物仿真結(jié)果如圖3(a)所示，正常情況下系統(tǒng)磁場以發(fā)射線圈中心為軸對(duì)稱分布。異物存在時(shí)銅塊和鋁塊側(cè)明顯低于無異物側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度，而鐵塊側(cè)明顯高于無異物側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度，與理論分析結(jié)果一致。值得一提的是銅和鋁的電導(dǎo)率數(shù)量級(jí)都為-8，在系統(tǒng)參數(shù)一定的情況下，2種金屬因渦流產(chǎn)生的反向磁場B2相同，仿真結(jié)果顯示銅塊和鋁塊附近磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線重合。

材質(zhì)相同、面積(mm2)和厚度(mm)不同的金屬異物對(duì)磁場造成的影響不同。如圖3(b)所示，厚度一定時(shí)鐵塊對(duì)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響隨鐵塊面積增大而增強(qiáng)；面積一定時(shí)鐵塊對(duì)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響隨鐵塊厚度的增加而增強(qiáng)。

系統(tǒng)正常工作時(shí)系統(tǒng)磁場是對(duì)稱而不均勻的，同一金屬異物處于同一分區(qū)、不同位置時(shí)異物對(duì)磁場的影響程度不同。為明確此影響機(jī)制，分別在不同大小的磁場中放置同一金屬異物進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，金屬異物對(duì)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響隨著原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)。如圖3(c)所示，發(fā)射線圈由外到內(nèi)，原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度從最小值增大到最大值又降至一個(gè)穩(wěn)定值，當(dāng)異物處于B、C、D原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)的外圍區(qū)域時(shí)，異物對(duì)原磁場的影響越大。

圖3 不同情況下發(fā)射線圈上表面特定取值線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果Figure 3 Simulation results of magnetic induction intensity under different conditions

2 三級(jí)線圈檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及檢測原理

如圖4所示，本文提出的金屬異物檢測系統(tǒng)由三級(jí)線圈組成。第1級(jí)線圈由并行放置且剛好覆蓋發(fā)射線圈的2個(gè)矩形單元檢測線圈構(gòu)成，定義該級(jí)2個(gè)單元檢測線圈為1_1、1_2。每個(gè)單元檢測線圈都是平衡線圈，即線圈兩側(cè)采用反向繞制的方式，等效電路模型如圖5所示。

圖4 三級(jí)檢測線圈結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of three-stage detection coil

圖5 單元檢測線圈等效電路模型Figure 5 Equivalent circuit model of unit detection coil

當(dāng)單元檢測線圈兩側(cè)磁通變化率相同時(shí)，兩側(cè)產(chǎn)生大小相同、方向相反的感應(yīng)電壓U1和U2。測量整個(gè)單元檢測線圈的輸出感應(yīng)電壓，兩側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相互抵消，每個(gè)單元檢測線圈的輸出感應(yīng)電壓為0 V，即ΔU=U1-U2=0 V。當(dāng)金屬異物侵入系統(tǒng)時(shí)，改變所處區(qū)域原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而打破與該區(qū)域?qū)?yīng)的單元檢測線圈原本平衡的狀態(tài)，單元檢測線圈輸出的感應(yīng)電壓不再是0 V，即ΔU=U1-U2-US≠0 V，其中US為受金屬異物影響的單元檢測線圈感應(yīng)電壓。因此，測量各單元檢測線圈的輸出感應(yīng)電壓就可以對(duì)侵入系統(tǒng)的金屬異物進(jìn)行檢測。

第2級(jí)線圈構(gòu)造同第1級(jí)線圈，但2個(gè)單元檢測線圈布置方向垂直于第1級(jí)線圈中2個(gè)單元檢測線圈布置方向，定義該級(jí)2個(gè)單元檢測線圈為2_1、2_2。當(dāng)金屬異物侵入系統(tǒng)時(shí)，1、2級(jí)線圈都有與異物侵入?yún)^(qū)域?qū)?yīng)的單元檢測線圈，其通過輸出感應(yīng)電壓做出反應(yīng)，1、2級(jí)線圈相互配合實(shí)現(xiàn)異物的簡單定位，即充電范圍四分之一區(qū)域內(nèi)的定位檢測。

第3級(jí)線圈由頂點(diǎn)相交、剛好覆蓋發(fā)射線圈的4個(gè)等腰三角形單元檢測線圈構(gòu)成，定義該級(jí)4個(gè)單元檢測線圈為3_1、3_2、3_3、3_4。等腰三角形單元檢測線圈以底邊高為軸，同樣采用兩側(cè)反向繞制的方式，等效電路模型見圖5。第3級(jí)線圈和前兩級(jí)線圈相互配合，在前兩級(jí)線圈實(shí)現(xiàn)金屬異物簡單定位的基礎(chǔ)上，將充電范圍分割成8個(gè)檢測分區(qū)a、b、c、d、e、f、g、h，實(shí)現(xiàn)充電范圍八分之一區(qū)域內(nèi)的金屬異物定位檢測，如圖6所示。該金屬異物檢測系統(tǒng)具有零檢測死區(qū)的特性，即實(shí)現(xiàn)了覆蓋范圍內(nèi)的全檢測，系統(tǒng)的檢測性能不會(huì)因異物某些特殊位置而受到影響，可靠性高。

圖6 檢測分區(qū)Figure 6 Diagram of detection partition

2.2 系統(tǒng)等效電路模型分析

圖7 系統(tǒng)等效電路模型Figure 7 Equivalent circuit model of MRC-WPT system

流過各線圈的電流分別為I1、I2、I3(圖7)，根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)得：

(1)

其中Z1=R1+jωL1+1/jωC1，Z2=R2+jωL2+1/jωC2+RL，Z3=R3+jωL3+1/jωC3。系統(tǒng)諧振時(shí)有jωLi+1/jωCi=0(i=1,2,3)，求解式(1)得到：

(2)

接收和檢測線圈之間的距離較遠(yuǎn)且檢測線圈為單匝，M23忽略不計(jì)，傳輸效率為

(3)

由式(3)可知，η與發(fā)射、接收及檢測線圈回路多個(gè)參數(shù)有關(guān)。為明確檢測線圈對(duì)η的影響，將η對(duì)R3求偏導(dǎo)，?η/?R3恒大于0，且η存在極大值，可見η隨R3增大而增大，并最終趨于不加檢測線圈時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率η0。η隨R3變化趨勢如圖8所示，檢測線圈和電壓表串聯(lián)，檢測線圈回路的電阻R3非常大，因此，三級(jí)檢測線圈對(duì)于系統(tǒng)傳輸效率幾乎沒有影響。

圖8 系統(tǒng)傳輸效率曲線Figure 8 System transmission efficiency curve

2.3 確定最佳閾值電壓

當(dāng)三級(jí)線圈工作于完全對(duì)稱的磁場中，各單元檢測線圈輸出的感應(yīng)電壓為0 V，但系統(tǒng)實(shí)際磁場難免存在一些微小誤差，導(dǎo)致單元平衡檢測線圈的輸出感應(yīng)電壓略高于0 V。為確定有效的閾值電壓，本文對(duì)Maxwell磁耦合執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和Simplorer外電路建立聯(lián)合仿真，在不同情況下，將金屬異物對(duì)系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響反映到檢測線圈的感應(yīng)電壓中。

本次仿真分別采用120 mm×120 mm×20 mm鐵、銅和鋁塊模擬金屬異物，分別置于圖6中e分區(qū)的中心區(qū)域。仿真結(jié)果如圖9(a)所示，當(dāng)放入鋁和銅塊時(shí)，單元檢測線圈1_2、2_2、3_3的輸出電壓相同且比放入鐵塊時(shí)大得多。根據(jù)處于同一分區(qū)、不同位置的異物對(duì)系統(tǒng)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度影響程度不同的結(jié)論，以檢測線圈輸出較小的鐵塊為參照異物，當(dāng)鐵塊處于同一分區(qū)、不同位置時(shí)，仿真分析檢測線圈的輸出情況。仿真結(jié)果如圖9(b)所示，當(dāng)鐵塊處于圖6中B、C、D磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)的外圍區(qū)域時(shí)，檢測線圈輸出感應(yīng)電壓明顯大于處于A區(qū)域時(shí)的輸出感應(yīng)電壓。假設(shè)發(fā)射線圈輸入的是正弦電流，則發(fā)射線圈產(chǎn)生的原磁場受鐵塊影響的變化量為

ΔB=A1cos(ωt+θ)

(4)

式中A1為鐵塊影響發(fā)射線圈原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量的幅值；ω為系統(tǒng)諧振角頻率；θ為發(fā)射線圈原磁場的初始角。

穿過檢測線圈的磁通變化量為

Δφ=ΔB·S=A1cos(ωt+θ)·S

(5)

式中S為鐵塊覆蓋面積。

匝數(shù)為單匝的檢測線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U為磁通變化量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即

(6)

根據(jù)式(6)，結(jié)合同一異物對(duì)磁場越強(qiáng)區(qū)域影響越大的結(jié)論，可知檢測線圈輸出的感應(yīng)電壓大小和發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場的幅值成正比。所以異物越靠近線圈外側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)區(qū)域，對(duì)應(yīng)的單元檢測線圈輸出的感應(yīng)電壓越大。

為得到有效的閾值電壓，需要確定對(duì)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度影響最小的金屬異物處于磁感應(yīng)強(qiáng)度最小區(qū)域時(shí)檢測線圈能夠檢測出的異物最小面積和厚度。對(duì)于異物面積和厚度的仿真，本文將不同規(guī)格鐵塊置于磁感應(yīng)強(qiáng)度最弱的A區(qū)域(圖6)，仿真結(jié)果如圖9(c)所示。當(dāng)120 mm×120 mm×20 mm鐵塊置于A區(qū)域時(shí)，對(duì)應(yīng)單元檢測線圈1_2、2_2、3_3的輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他單元檢測線圈的輸出電壓。隨著鐵塊面積和厚度減小，單元檢測線圈1_2、2_2、3_3的輸出電壓減小，其他單元檢測線圈的輸出電壓增大。當(dāng)20 mm×20 mm×10 mm鐵塊置于A區(qū)域時(shí)，單元檢測線圈1_2的輸出電壓小于沒有異物時(shí)單元檢測線圈1_2的輸出電壓，而單元檢測線圈2_1的輸出電壓超過單元檢測線圈1_2的輸出電壓，此時(shí)系統(tǒng)失去檢測功能。

綜上所述，當(dāng)本文取20 mm×20 mm×20 mm的鐵塊處于e分區(qū)A區(qū)域時(shí)，與e分區(qū)對(duì)應(yīng)的3個(gè)單元檢測線圈中輸出感應(yīng)電壓最小的單元檢測線圈輸出電壓為閾值電壓，即1.4 V。

圖9 不同情況下檢測線圈輸出電壓的仿真結(jié)果Figure 9 Simulation results of detection coil output voltage in different conditions

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于三級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擬定金屬異物位置參照，如表2所示。當(dāng)金屬異物侵入充電范圍某分區(qū)時(shí)，對(duì)應(yīng)該分區(qū)的單元檢測線圈輸出電壓升高(√表示)，達(dá)到異物定位檢測的目的。

表2 金屬異物位置參照Table 2 Reference table for location of metallic foreign body

為驗(yàn)證該檢測系統(tǒng)的實(shí)際有效性，搭建諧振式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幾何尺寸和仿真模型參數(shù)保持一致，系統(tǒng)工作頻率為500 kHz，輸入電流為2 A，檢測線圈緊附于發(fā)射線圈上表面。為保證實(shí)驗(yàn)效果，減小趨膚效應(yīng)對(duì)載流導(dǎo)線造成的損耗，實(shí)驗(yàn)所用的發(fā)射、接收及檢測線圈均用250股半徑為0.1 mm的導(dǎo)線組成的利茲線(截面積為1.962 mm2)繞制而成。系統(tǒng)工作過程中E類逆變器工作于ZVS狀態(tài)，大大降低了開關(guān)損耗，提高了工作可靠性。

圖10 實(shí)驗(yàn)原型實(shí)物Figure 10 Experimental prototype

沒有異物侵入時(shí)各單元檢測線圈輸出電壓波形如圖11所示。同一級(jí)中的單元檢測線圈輸出電壓大小相同，輸出電壓最大的單元檢測線圈1_1輸出電壓峰值為1 320 mV，小于閾值電壓1.4 V，與仿真結(jié)果一致，符合檢測要求。

圖11 無異物時(shí)檢測線圈輸出電壓波形Figure 11 Output voltage waveform of coil with no foreign body

將30 mm×30 mm×10 mm銅片置于發(fā)射線圈表面d分區(qū)(圖6)，各單元檢測線圈輸出電壓波形如圖12所示。受銅片影響各單元檢測線圈輸出電壓發(fā)生了明顯變化。銅片所處區(qū)域?qū)?yīng)的單元檢測線圈輸出電壓明顯高于無異物時(shí)各自的輸出電壓，而非異物區(qū)域?qū)?yīng)的單元檢測線圈輸出電壓比在無異物時(shí)各自的輸出電壓低，且輸出電壓升高的單元檢測線圈輸出電壓峰值均高于閾值電壓1.4 V，符合檢測要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三級(jí)線圈檢測系統(tǒng)可對(duì)侵入系統(tǒng)的金屬異物做出靈敏反應(yīng)，且輸出電壓升高的單元檢測線圈與擬定的金屬異物位置參照表一致，進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)對(duì)于金屬異物定位檢測的有效性。

圖12 30 mm×30 mm×10 mm銅片于d分區(qū)時(shí)檢測線圈輸出波形Figure 12 The output voltage waveform of the coil with 30 mm×30 mm×30 mm copper sheet in d partition

4 結(jié)語

針對(duì)磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)金屬異物侵入問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于三級(jí)線圈的新型金屬異物定位檢測系統(tǒng)；分析了金屬異物在不同情況下對(duì)系統(tǒng)原磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響機(jī)制，并基于上述分析結(jié)果，闡述了三級(jí)線圈金屬異物定位檢測系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)能夠在零檢測死區(qū)的情況下實(shí)現(xiàn)充電范圍八分之一區(qū)域內(nèi)的金屬異物定位檢測，具有良好的適用性和靈敏性，且對(duì)電能的傳輸功率和效率不會(huì)產(chǎn)生影響。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。該新型金屬異物定位檢測系統(tǒng)能夠提高現(xiàn)今飛速發(fā)展的磁諧振式無線電能傳輸技術(shù)的安全性和可靠性，具有廣闊應(yīng)用前景。