无线充电领域金属异物检测的方法综述

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　　摘 要：无线充电技术在各个领域均有广泛的应用，但在充电过程中若有金属异物侵入充电区域范围，将使得金属异物产生高温，此时，发生危险以及令充电设备损坏的可能性很高，因此本文将从专利申请角度重点介绍如何针对该金属异物进行检测。
　　关键词：无线;充电;异物;检测
　　一、绪论
　　无线充电是通过磁耦合、磁共振等技术，在充电器和待充电设备之间的空气中传输电能，从而为电池充电的技术。这种无线充电方法有效地应用于需要大容量电池充电手持通信装置、电动汽车等。但当能量传输区域中出现金属异物时，混入无线充电电磁能量传输区的金属异物在高频电磁场的作用下会产生一系列的电磁现象，在混入金属异物后，由金属异物引起发射线圈等效阻抗增大将使得发射端电流减小，降低充电效能。因此，有必要对混入金属的无线充电系统的充电进行分析，并找到能够合理检测无线充电系统中的金属异物、保持系统能量传输的方法。[1-2]
　　二、金属异物检测方法介绍
　　本章将重点从专利申请角度介绍一下金属异物检测的各种方法以及相应的优缺点。
　　（一）Q值检测方法
　　Q因数是代表电路中能量维持和能量损失之间的关系的指标，其中电路包括电力发送侧的线圈和电力接收侧的线圈，该Q因数是代表谐振电路中的谐振强度的指标。磁谐振方法的优点在于电力接收侧线圈的轴不用必须调整成电力发送侧线圈的轴;选择电力发送侧位置和电力接收侧位置时的自由度高，并且设置电力发送侧和电力接收侧之间的距离的自由度也高。通过测量包括电磁耦合至外部的线圈的电路的Q值来确定是否有金属异物的技术被应用于一个初级侧向多个次级侧充电的情况。但基于Q值检测的方式需要设置专门的Q值检测电路，成本也将相应提高。
　　（二）温度检测方法
　　由于当存在金属异物时将导致发射、接收线圈温度升高，因而基于温度检测方式被提出用来执行异物检测。其原理主要是在发射线圈侧设置温度传感器，用来检测该线圈的温度，在温度传感器的检测温度大于某一阈值时确定存在金属异物。而基于该原理的检测方式还包括对于多个温度传感器排布方式、温度传感器的精度选择、温度传感器的检测位置以及对温度检测的方式进行改进。
　　（三）电压、电流、功率损耗
　　对无线充电装置的发射端和接收端之间是否存在金属异物的检测方法还包括通过电压、电流以及功率损耗的方式来实现。
　　对于电压、电流的方式，主要是通过在发射侧设置电压传感器或电流传感器，当存在异物时，发射线圈侧的电压或者流过发射线圈的电流将发生变化，而将感测的信号与相应的阈值比较即能够判断是否存在异物。
　　而对于通过检测发射端的功率损耗方式来实现异物检测的原理是：若检测的功率损耗超出预设阀值，则判定为有金属异物存在，无线充电装置的发射端将会终止功率传送。但由于半导体器件的损耗还受电压、开关频率、温度等影响，因此，功率损耗在发射端的电路难以计算，此外，在测试功率损耗时，需要同步测量发射端和接收端各级的功率损耗，但系统响应通常存在几百毫秒级别的时间延迟，测量过程为防止功率发生骤变，需要同步校准功率补偿系统测量误差，从而造成操作性难度和复杂度都很大。
　　（四）红外、图像或者超声
　　由于通过红外、图像或超声方式进行异物检测比较直观，因此，近几年来关于该分支的专利申请相继被提出，其原理是通过在无线充电过程中获取无线电力发射端与无线电力接收端之间的红外热成像图像，確定是否有异常物体，并在无线电力发射端与无线电力接收端之间存在异常物体时，判断异常物体的温度值或者功率损耗是否满足预设规则，然后在异常物体的温度值或功率损耗满足预设规则时，向无线电力发射端发送无线充电终止指令，终止无线充电过程，通过红外热图像可以准确的判断出异常物体以及异常物体的温度值，提高无线充电过程中异物检测的准确性，进而提高无线充电过程中的安全性。
　　（五）反馈认证
　　反馈认证主要是使得发射端和接收端通过通信的方式实现相互认证，若认证失败，则判定存在异物或者是不匹配的接收端，则停止供电，其中一个认证原理为：接收侧的通信设备响应于来自供电侧的预定数据的接收将特定的数据序列发送至供电侧，由供电侧判定该接收端是否为合法的接收端。通过反馈认证的方式可以很好的检测出是否存在异物，但该检测装置的结构也相对复杂。
　　（六）阻抗
　　由于存在异物时，线圈的阻抗参数将发生变化，因而基于阻抗原理的异物检测方法被提出，该方式是通过检测输入阻抗或者输出阻抗，将该阻抗与相应阻抗阈值进行比较，实现异物检测。
　　（七）其他
　　其他方向包括通过压力、重力检测，如通过检测充电壳体上表面的压力参数值判断是否存在异物;通过频率实现检测，如通过检测的谐振频率的偏离信息，来判断有无对非接触电能传输有影响的异物;通过电容检测，如根据电容检测电路检测的电容值判断发射线圈阵列的有效发射区域内是否存在异物。
　　三、结语
　　尽管专利申请中已经提出多种技术来检测这种金属异物，如基于品质因数、电压、电流、功率损耗、温度等方式，但由于每种方式均具有一定的优缺点，并且存在局限性，因而近年来通过多种方式相结合进行金属异物检测的方式相继被提出，利用该种方式看可以使得不同的方法之间互补叠加，从而产生更优的检测效果，并且具有良好的应用前景。
　　参考文献：
　　[1]曲晓东.基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统研究[D].山东：山东大学学位论文，2016：1-8.
　　[2]马中原，等.金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析[J].电工电能新技术，2017：14-20.
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