電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)基于阻抗特性的異物檢測方法
2018-7-12 13:47:00??????點(diǎn)擊：
針對(duì)蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)中金屬及生物體異物的檢測問題，本文圍繞線圈阻抗的變化特性進(jìn)行分析，利用在高頻下金屬物體對(duì)線圈磁場分布的影響以及生物體對(duì)線圈雜散參數(shù)的影響，提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。
本文詳細(xì)分析了不同類型異物引起的檢測線圈阻抗變化特性，并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了不同類型和尺寸的異物對(duì)應(yīng)的線圈阻抗變化規(guī)律。本文所提的異物檢測方法能夠區(qū)分異物的類型和尺寸，使蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)能夠采取更優(yōu)化的處理異物的措施，具有成本低、效果好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
目前，電動(dòng)汽車在高速發(fā)展[1]，其充電站幾乎都采用有線充電方式，但是有線充電的發(fā)展普遍存在著一些問題，其依靠導(dǎo)體直接接觸實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，會(huì)產(chǎn)生接觸不可靠、接觸電阻溫度升高引起損壞、充電頭笨重、插拔不方便以及環(huán)境適應(yīng)性不好等問題。
電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電技術(shù)采用高頻耦合磁場，把能量從電網(wǎng)無線傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車對(duì)電池進(jìn)行充電，充電過程可以自動(dòng)進(jìn)行，無需人為干預(yù)，具有便捷、安全、靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到電動(dòng)汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-5]。
對(duì)于蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)而言，其水平鋪置的能量發(fā)射與接收線圈之間存在一個(gè)大功率高頻磁場區(qū)域，該區(qū)域容易進(jìn)入異物，如果是金屬類異物，就可能會(huì)因?yàn)闇u流損耗發(fā)熱而導(dǎo)致危險(xiǎn)，而且較大尺寸的金屬異物還會(huì)改變耦合機(jī)構(gòu)的參數(shù)，可能會(huì)使系統(tǒng)偏離正常工作點(diǎn)，嚴(yán)重情況下會(huì)使系統(tǒng)完全無法正常工作[6]。
如果是人和動(dòng)物等生物體異物（或稱活物），就可能因?yàn)榇蠊β蚀艌銎芈秾?duì)其健康造成潛在影響。準(zhǔn)確快速的金屬類異物檢測（foreign object detect, FOD）及活物檢測（live object detect, LOD）對(duì)于蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)的運(yùn)行安全性具有至關(guān)重要的作用。
圍繞金屬異物檢測及活物檢測，近年來人們已經(jīng)做了較多的研究。麻省理工學(xué)院通過在磁場中間加入兩個(gè)檢測器實(shí)現(xiàn)了金屬異物的檢測，通過電容電信號(hào)檢測是否有活體進(jìn)入磁場范圍[7]。中興等公司也提出了一些蓄電池充電機(jī)無線充電異物檢測方法，比如通過有異物和沒有異物的兩個(gè)開關(guān)頻率不一樣進(jìn)行檢測[8]，或者是在磁場中加入線圈對(duì)，看兩個(gè)線圈的感應(yīng)電壓差值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)等等[9-10]。
其他還有比如通過重力進(jìn)行檢測或者功率檢測等方式[11-12]。但是各種辦法都有一些局限或者缺點(diǎn)，且基本不能同時(shí)檢測金屬及生物體異物。
為此，本文提出了一種基于阻抗特性的電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)異物檢測方法，該方法通過檢測異物對(duì)高頻檢測線圈的阻抗變化特性來判斷異物的存在，甚至可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)異物類型及尺寸的判斷。本文給出了該方法的基本原理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。
圖1 螺旋等間距繞制的線圈板
圖2 阻抗測量線圈位置圖
圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
圖10 生物體進(jìn)入測量線圈示意圖
圖13 檢測線圈PCB圖
阻抗變化特性實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和啟示
綜合實(shí)驗(yàn)和分析，對(duì)于異物使線圈阻抗變化的特性作出如下總結(jié)：
1）生物體、磁性材料和金屬使線圈阻抗參數(shù)（電阻部分、電抗部分、幅度、幅角）變化的方向都是不同的。
2）激勵(lì)頻率越低，線圈阻抗對(duì)異物越不敏感，尤其是對(duì)生物體。
3）金屬異物面積越大，線圈阻抗變化也會(huì)越大。
4）隨著金屬異物厚度增加，除線圈阻抗的電阻部分變化減小以外，電抗部分、幅角、幅度的變化都增大。
由于激勵(lì)頻率越低，線圈阻抗對(duì)異物越不敏感，所以應(yīng)該給線圈提供高頻的正弦激勵(lì)信號(hào)。
由于不同異物類型對(duì)于線圈阻抗參數(shù)變化方向是不同的，所以這種基于阻抗特性的異物檢測方式不僅能夠檢測到有異物，還能分辨出異物的類別。
由于金屬尺寸越大，阻抗參數(shù)變化越大，所以可以通過阻抗參數(shù)變化的大小來判斷金屬的尺寸。
因此，本文所提的阻抗檢測法具有判斷異物類型和尺寸的能力。這可以使得采用該方法進(jìn)行異物檢測的無線傳輸系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的異物類型和尺寸采取不同的控制措施。如檢測到尺寸較大容易對(duì)充電系統(tǒng)造成嚴(yán)重安全隱患的金屬時(shí)，直接停止充電并發(fā)出報(bào)警等待排除異物后再開始充電；如檢測到尺寸較小的對(duì)充電系統(tǒng)影響不大的金屬異物時(shí)，可以僅報(bào)警通知管理人員處理；對(duì)于生物體這種能自己移動(dòng)的異物則采取報(bào)警驅(qū)趕的措施。
結(jié)論
本文針對(duì)電動(dòng)車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)的異物檢測問題，研究并提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。本文詳細(xì)分析了各類異物引起檢測線圈阻抗變化的原理。采用電橋法對(duì)異物致使阻抗變化的特性進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了阻抗變化原理并分析和總結(jié)了阻抗變化的規(guī)律。
發(fā)現(xiàn)基于阻抗變化特性的異物檢測方法具備區(qū)分異物類型和辨識(shí)異物尺寸的能力。相比于其他異物檢測方法，基于阻抗特性的異物檢測方法能夠獲得更詳細(xì)的異物信息，基于這些信息可以采取更優(yōu)化的控制策略和措施，更好地提高充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。下一步將對(duì)該方法的敏感性、準(zhǔn)確性及抗干擾性進(jìn)行研究，以提高其在電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)中的實(shí)用性。
本文詳細(xì)分析了不同類型異物引起的檢測線圈阻抗變化特性，并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了不同類型和尺寸的異物對(duì)應(yīng)的線圈阻抗變化規(guī)律。本文所提的異物檢測方法能夠區(qū)分異物的類型和尺寸，使蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)能夠采取更優(yōu)化的處理異物的措施，具有成本低、效果好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
目前，電動(dòng)汽車在高速發(fā)展[1]，其充電站幾乎都采用有線充電方式，但是有線充電的發(fā)展普遍存在著一些問題，其依靠導(dǎo)體直接接觸實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，會(huì)產(chǎn)生接觸不可靠、接觸電阻溫度升高引起損壞、充電頭笨重、插拔不方便以及環(huán)境適應(yīng)性不好等問題。
電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電技術(shù)采用高頻耦合磁場，把能量從電網(wǎng)無線傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車對(duì)電池進(jìn)行充電，充電過程可以自動(dòng)進(jìn)行，無需人為干預(yù)，具有便捷、安全、靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到電動(dòng)汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-5]。
對(duì)于蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)而言，其水平鋪置的能量發(fā)射與接收線圈之間存在一個(gè)大功率高頻磁場區(qū)域，該區(qū)域容易進(jìn)入異物，如果是金屬類異物，就可能會(huì)因?yàn)闇u流損耗發(fā)熱而導(dǎo)致危險(xiǎn)，而且較大尺寸的金屬異物還會(huì)改變耦合機(jī)構(gòu)的參數(shù)，可能會(huì)使系統(tǒng)偏離正常工作點(diǎn)，嚴(yán)重情況下會(huì)使系統(tǒng)完全無法正常工作[6]。
如果是人和動(dòng)物等生物體異物（或稱活物），就可能因?yàn)榇蠊β蚀艌銎芈秾?duì)其健康造成潛在影響。準(zhǔn)確快速的金屬類異物檢測（foreign object detect, FOD）及活物檢測（live object detect, LOD）對(duì)于蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)的運(yùn)行安全性具有至關(guān)重要的作用。
圍繞金屬異物檢測及活物檢測，近年來人們已經(jīng)做了較多的研究。麻省理工學(xué)院通過在磁場中間加入兩個(gè)檢測器實(shí)現(xiàn)了金屬異物的檢測，通過電容電信號(hào)檢測是否有活體進(jìn)入磁場范圍[7]。中興等公司也提出了一些蓄電池充電機(jī)無線充電異物檢測方法，比如通過有異物和沒有異物的兩個(gè)開關(guān)頻率不一樣進(jìn)行檢測[8]，或者是在磁場中加入線圈對(duì)，看兩個(gè)線圈的感應(yīng)電壓差值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)等等[9-10]。
其他還有比如通過重力進(jìn)行檢測或者功率檢測等方式[11-12]。但是各種辦法都有一些局限或者缺點(diǎn)，且基本不能同時(shí)檢測金屬及生物體異物。
為此，本文提出了一種基于阻抗特性的電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)異物檢測方法，該方法通過檢測異物對(duì)高頻檢測線圈的阻抗變化特性來判斷異物的存在，甚至可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)異物類型及尺寸的判斷。本文給出了該方法的基本原理，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。
圖1 螺旋等間距繞制的線圈板
圖2 阻抗測量線圈位置圖
圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
圖10 生物體進(jìn)入測量線圈示意圖
圖13 檢測線圈PCB圖
阻抗變化特性實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和啟示
綜合實(shí)驗(yàn)和分析，對(duì)于異物使線圈阻抗變化的特性作出如下總結(jié)：
1）生物體、磁性材料和金屬使線圈阻抗參數(shù)（電阻部分、電抗部分、幅度、幅角）變化的方向都是不同的。
2）激勵(lì)頻率越低，線圈阻抗對(duì)異物越不敏感，尤其是對(duì)生物體。
3）金屬異物面積越大，線圈阻抗變化也會(huì)越大。
4）隨著金屬異物厚度增加，除線圈阻抗的電阻部分變化減小以外，電抗部分、幅角、幅度的變化都增大。
由于激勵(lì)頻率越低，線圈阻抗對(duì)異物越不敏感，所以應(yīng)該給線圈提供高頻的正弦激勵(lì)信號(hào)。
由于不同異物類型對(duì)于線圈阻抗參數(shù)變化方向是不同的，所以這種基于阻抗特性的異物檢測方式不僅能夠檢測到有異物，還能分辨出異物的類別。
由于金屬尺寸越大，阻抗參數(shù)變化越大，所以可以通過阻抗參數(shù)變化的大小來判斷金屬的尺寸。
因此，本文所提的阻抗檢測法具有判斷異物類型和尺寸的能力。這可以使得采用該方法進(jìn)行異物檢測的無線傳輸系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的異物類型和尺寸采取不同的控制措施。如檢測到尺寸較大容易對(duì)充電系統(tǒng)造成嚴(yán)重安全隱患的金屬時(shí)，直接停止充電并發(fā)出報(bào)警等待排除異物后再開始充電；如檢測到尺寸較小的對(duì)充電系統(tǒng)影響不大的金屬異物時(shí)，可以僅報(bào)警通知管理人員處理；對(duì)于生物體這種能自己移動(dòng)的異物則采取報(bào)警驅(qū)趕的措施。
結(jié)論
本文針對(duì)電動(dòng)車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)的異物檢測問題，研究并提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。本文詳細(xì)分析了各類異物引起檢測線圈阻抗變化的原理。采用電橋法對(duì)異物致使阻抗變化的特性進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了阻抗變化原理并分析和總結(jié)了阻抗變化的規(guī)律。
發(fā)現(xiàn)基于阻抗變化特性的異物檢測方法具備區(qū)分異物類型和辨識(shí)異物尺寸的能力。相比于其他異物檢測方法，基于阻抗特性的異物檢測方法能夠獲得更詳細(xì)的異物信息，基于這些信息可以采取更優(yōu)化的控制策略和措施，更好地提高充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。下一步將對(duì)該方法的敏感性、準(zhǔn)確性及抗干擾性進(jìn)行研究，以提高其在電動(dòng)汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)中的實(shí)用性。
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