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图 1 阿基米德螺旋电感线圈

Fig.1 Archimedes spiral inductance coil

图 2

图 2 阿基米德螺旋电感线圈的等效电路

Fig.2 Archimedes spiral inductor coil equivalent circuit

(1) $ Z_{{\rm{in}}, {\rm{w}} / {\rm{o}}}=R_{0}+{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} L_{\mathrm{D}}, $

(2) $ \begin{split} {Z_{{\rm{in,w/}}}} =& {R_{\rm{D}}} + {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{L_{\rm{D}}} + \frac{{{{({\omega _{\rm{D}}}{{M}_{{\rm{DM}}}})}^2}}}{{{R_{{\rm{MO}}}} + {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{L_{{\rm{MO}}}}}} = \\ & \left( {{R_{\rm{D}}} + \frac{{{{({\omega _{\rm{D}}}{{M}_{{\rm{DM}}}})}^2}{R_{{\rm{MO}}}}}}{{R_{{\rm{MO}}}^2 + ({\omega _{\rm{D}}}{L_{{\rm{MO}}}}){^2}}}} \right) + \\ & {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}\left( {{L_{\rm{D}}} - \frac{{{{({\omega _{\rm{D}}}{{M}_{{\rm{DM}}}})}^2}{L_{{\rm{MO}}}}}}{{R_{{\rm{MO}}}^2 + {{({\omega _{\rm{D}}}{L_{{\rm{MO}}}})}^2}}}} \right) = R_{\rm{D}}^{'} + {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}L_{\rm{D}}^{'}. \end{split}$

从式(1)、(2)可以看出，金属异物的存在会影响电感线圈的等效输入阻抗，具体而言，线圈的等效电阻增大，等效电感减小. 通过在WPT系统中加入电感检测线圈，实时检测输入阻抗的变化，判断金属异物存在与否. 此处仅示出圆形螺旋线圈及其分析，其他的诸如方形线圈、DD线圈^[29]结构适用于异物检测，因为金属异物检测的原理均基于金属异物对电感线圈等效阻抗的影响.

1.2. 检测线圈的设计

检测线圈的设计须考虑如下规则.

1) 电感检测线圈的加入应尽可能小（甚至完全），不影响WPT系统功率传输的能力，因此检测线圈必须与能量发射和接收线圈解耦.

2) 金属异物会无意中掉落到无线充电区域的任何位置，因此检测线圈须覆盖整个充电区域，且无检测盲点.

3) 金属异物有大有小，较大的金属异物比如易拉罐、烟盒锡箔纸，较小的金属异物比如硬币、回形针. 设计的检测线圈须对各种不同尺寸的金属异物均有较高的检测敏感度.

根据SAE J2954标准针对电动汽车WPT系统的规定可知，3.3 kW WPT系统中能量发射和接收线圈通常采用无极性方形线圈. 如图3（a）所示的极性DD线圈和无极性方形线圈产生的磁场相互垂直，耦合系数约为0. 本文的检测线圈选择极性DD线圈，从而达到不影响WPT系统功率传输能力的目的. WPT系统中发射和接收线圈若采用其他类型的结构，异物检测线圈在设计时须作出相应的改变，但总原则不变，即检测线圈与发射和接收线圈解耦.

图 3

图 3 金属异物检测线圈的设计规则

Fig.3 Design rules of metal foreign body detection coil

考虑检测线圈设计规则2），利用DD型检测线圈覆盖整个充电区域，存在以下2种方法：1）设计与发射线圈具有相同尺寸的单个检测线圈，如图3（b）所示；2）按表格形式纵横布局多个检测线圈. 针对方法1），较小金属异物对线圈自感的影响较小，甚至可以忽略不计. 比如当一枚硬币掉落到如图3（b）所示的DD检测线圈的中心位置时，仿真结果显示，自感仅减小0.09 %，这在实际应用中很难被检测到；利用DD型检测线圈覆盖整个充电区域在实际应用中不可取. 综合考虑检测线圈设计规则3），设计的检测线圈组（阵列）如图3（c）所示，金属异物检测线圈阵列由8个DD检测线圈按表格形式纵横布局. 在实际应用中，由4层PCB电路板设计. 发射线圈尺寸设计为25 cm×25 cm，单个DD检测线圈尺寸可用图3（a）表示，匝数为17，自感为2.82 μH，品质因数为242.

1.3. 检测线圈谐振电路的设计

如式(1)、(2)所示，金属异物会影响检测线圈的等效阻抗，但等效阻抗的变化在实际应用中难以被直接检测到. 通过加入电容与检测线圈谐振，通过感应放大了阻抗变化的信号，将阻抗的变化转变成易于检测的电压信号. 如图4所示为所设计的检测线圈谐振电路. 图中， ${V}_{{{\boldsymbol{{\rm{S}}}}}}$为驱动电压， $R_{{\rm{{\boldsymbol{S}}}}}$为电源内阻， $ C_{\mathrm{p}} $和 $C_{{{\rm{s}}}}$分别为增加的并联和串联谐振电容，谐振频率为1 MHz，谐振条件为

图 4

图 4 检测线圈谐振电路

Fig.4 Detection coil resonance circuit

(3) $ \omega_{\mathrm{D}}=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{D}} \dfrac{C_{\rm{p}} C_{\rm{s}}}{C_{\mathrm{p}}+C_{\rm{s}}}}} . $

当WPT系统充电区域无金属异物时，检测线圈谐振电路的输入阻抗为

(4) $ \begin{split} Z_{\text {in, res,w/o}} \left(\omega_{\mathrm{D}}\right)=&\dfrac{\dfrac{1}{{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} C_{\mathrm{p}}}\left(\dfrac{1}{{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} C_{\mathrm{s}}}+{\rm{j}} \omega_{\rm{D}} L_{\mathrm{D}}+R_{\mathrm{D}}\right)}{\dfrac{1}{{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} C_{\rm{p}}}+\left(\dfrac{1}{{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} C_{\mathrm{s}}}+{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} L_{\mathrm{D}}+R_{\mathrm{D}}\right)}=\\ &\dfrac{1}{\left(\omega_{\mathrm{D}} C_{\mathrm{p}}\right)^{2}} \dfrac{1}{R_{\mathrm{D}}}+\frac{1}{{\rm{j}} \omega_{\mathrm{D}} C_{\mathrm{p}}}. \end{split} $

当金属异物掉落到检测线圈上时，谐振电路输入阻抗为

(5) $ \begin{split} &{Z_{{\rm{in, res,w/}}}}\left( {{\omega _{\rm{D}}}} \right) = \dfrac{{\dfrac{1}{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{C_{\rm{p}}}}}\left( {\dfrac{1}{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{C_{\rm{s}}}}} + R_{\rm{D}}^{'} + {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}L_{\rm{D}}^{'}} \right)}}{{\dfrac{1}{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{C_{\rm{p}}}}} + \left( {\dfrac{1}{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{C_{\rm{s}}}}} + R_{\rm{D}}^{'} + {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}L_{\rm{D}}^{'}} \right)}} \approx \\ & \dfrac{1}{{{{({\omega _{\rm{D}}}{C_{\rm{p}}})}^2}}}\frac{{{R_{\rm{D}}} + {\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}\dfrac{{{{({\omega _{\rm{D}}}{M_{{\rm{DM}}}})}^2}{L_{{\rm{MO}}}}}}{{R_{{\rm{MO}}}^2 + {{({\omega _{\rm{D}}}{L_{{\rm{MO}}}})}^2}}}}}{{R_{\rm{D}}^2 + {{\left( {{\omega _{\rm{D}}}\dfrac{{{{({\omega _{\rm{D}}}{M_{{\rm{DM}}}})}^2}{L_{{\rm{MO}}}}}}{{R_{{\rm{MO}}}^2 + {{({\omega _{\rm{D}}}{L_{{\rm{MO}}}})}^2}}}} \right)}^2}}} + \frac{1}{{{\rm{j}}{\omega _{\rm{D}}}{C_{\rm{p}}}}}. \end{split} $

金属异物引起的电压变化率为

(6) $ \dfrac{{{{{V}}_{{\rm{w/}}}} - {{{V}}_{{\rm{w/o}}}}}}{{{{{V}}_{{\rm{w/o}}}}}} = \dfrac{{\dfrac{{{Z_{{\rm{in,res,w/}}}}}}{{{R_{\rm{s}}} + {Z_{{\rm{in,res,w/}}}}}} - \dfrac{{{Z_{{\rm{in,res,w/o}}}}}}{{{R_{\rm{s}}} + {Z_{{\rm{in,res,w/o}}}}}}}}{{\dfrac{{{Z_{{\rm{in,res,w/o}}}}}}{{{R_{\rm{s}}} + {Z_{{\rm{in,res,w/o}}}}}}}}. $

2. 异物检测线圈的控制

从图3（c）可知，所设计的检测线圈阵列由32个DD型线圈组成，为了消除不同检测线圈之间的相互干扰，通过继电器（relay）分时控制检测线圈. 如图5所示为检测线圈阵列控制电路的原理图，继电器 $ n\text { a } $、 $ n \mathrm{~b} $、 $n\text { c }$和 $ n {\rm{d}} $（ $ n=1,2, \cdots, 32 $）同时通断，控制第 $n$号检测线圈. 检测电路输出电压经过隔离、滤波（滤除WPT系统工作频率处的信号及高次谐波含量）、放大和整流，反馈至单片机，与事先设置好的阈值比较，判断金属异物存在与否. 如图6所示为继电器控制逻辑. 图中， $ V_{{\rm{dri}}, n} $表示第 $n$个检测线圈对应的4个继电器的控制信号电压. 从图6可知，任一时刻有且仅有1个检测线圈工作，这样不仅能够消除其他检测线圈的影响，提高检测精度，而且能够检测出异物的位置. 如图7所示为继电器控制电路. 采用单片微处理器（microcontroller unit，MCU），结合2片多路器（multiplexer, MUX）产生32路控制信号. 该控制信号经过光耦和达林顿反相驱动器后产生如图6所示的驱动信号，控制继电器的通断. 如图8所示为图7输出的时序控制逻辑. 图中， ${\overline{{\rm{EN}}1}}$和 ${\overline{{\rm{EN}}2}}$ 为多路器使能信号（低电平有效）， A₀ ~ A₃为MCU输出信号.

图 5

图 5 金属异物检测电路

Fig.5 Metal foreign body detection circuit

图 6

图 6 检测线圈控制逻辑

Fig.6 Detection coil control logic

图 7

图 7 检测线圈控制电路

Fig.7 Detection coil control circuit

图 8

图 8 金属异物检测电路时序控制逻辑

Fig.8 Timing control logic of metal foreign body detection circuit

3. 实验验证

搭建基于上述金属异物检测方法的3.3 kW电动汽车WPT系统实验样机，如图9所示，验证金属异物检测方法的有效性和实用性.

图 9

图 9 3.3 kW电动汽车WPT系统实验样机

Fig.9 3.3 kW experimental prototype of electric vehicle WPT system

如图10所示为所设计的金属异物检测电路控制信号实验波形，32个检测线圈的总工作时间为128 s. 可以看出，控制信号实验波形与图8所示的理论分析完全吻合.

图 10

图 10 异物检测电路的控制信号实验波形

Fig.10 Control signal experimental waveform of foreign body detection circuit

如图11所示为金属异物从检测线圈上移除时的检测电路输出电压实验波形. 当3.3 kW WPT系统工作时，人工放入金属异物存在潜在危险. 实验波形为横向比较实验结果，体现一致性. 用瞬时从某一检测线圈上移除金属异物代替人工放入充电区域. 从实验结果可知，从检测线圈上移除易拉罐、回形针、硬币和钥匙，检测电路输出电压均有明显的变化，各种金属异物的尺寸及材质各不相同，输出电压变化率存在差异，具体的变化量如表1所示，验证了提出的金属异物检测方法的有效性.

图 11

图 11 异物检测电路输出电压的实验结果

Fig.11 Test results of foreign body detection circuit output voltage

表 1 十余种常见金属异物对检测电路输出电压的影响

Tab.1 Impact of more than ten common metal foreign objects on output voltage of detection circuit

异物	V_g/%
25美分硬币	25.6
5美分硬币	21.4
1美分硬币	15.8
钥匙	31.3
铝片（3 cm×3 cm）	37.8
铜片（3 cm×3 cm）	41.2
螺母	4.7
螺栓	5.3
易拉罐	80.7
钢丝球	26.6
回形针	3.6
锡箔纸（2 cm×2 cm）	34.5
铁钉	4.2

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如图12所示为控制某3个检测线圈（线圈位置见图4（c））的工作状态，有（或无）金属异物时检测电路输出电压的波形. 如图12（a）所示为第1、2和3号检测线圈上均无金属异物时检测电路输出电压的波形，如图12（b）~（d）所示为1美分硬币、25美分硬币或铝片置于1~3号检测线圈上各种情况检测电路的输出电压波形. 可以看出，金属异物的存在严重影响了检测电路的输出电压. 如表1所示为不同金属异物放置在检测线圈上时检测电路的输出电压变化率V_g. 实验结果表明，十余种常见的金属异物均可以通过设计的检测电路检测到.

图 12

DOI:10.3969/j.issn.1000-6753.2016.20.003 [本文引用: 1]

图 12 检测线圈谐振电路输出电压的实验结果

Fig.12 Test results of detecting output voltage of coil resonance circuit

4. 结　语

为了确保电动汽车WPT系统充电过程的高效性和安全性，本文提出金属异物实时检测的方法. 该方法具有以下优点：1）不影响WPT系统功率的传输能力；2）无检测盲点；3）具有较高的检测敏感度. 针对检测线圈阵列，设计谐振电路和继电器分时控制电路，将检测线圈阻抗的变化放大并转换成易于检测的电压信号. 搭建3.3 kW电动汽车WPT系统异物检测电路实验样机，通过十余种金属异物，验证了异物检测方法的适用性和有效性.

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