汽车无线充电异物检测建模及检测方法

甘凯文，赖晓阳，唐厚君

(上海交通大学电气系，上海 200240)

0 引言

近年来，随着汽车无线充电的快速发展，由此带来的安全与电磁兼容问题越来越受到关注。实验表明，一枚放置在汽车无线充电系统中的硬币由于涡流效应会被快速加热，其2 min后的温度足以点燃生活中大部分的易燃物。在国际标准和国家标准中，异物检测都是汽车无线充电中必不可少的功能之一。为了解决这一问题，国内外研究机构展开了大量的研究。

中国科学院电工研究所通过有限元仿真，分析了金属异物对无线充电系统参数及效率的影响[1]。山东大学提出基于平衡线圈的无源检测方案，给出了环形差分线圈的设计方案[2]。韩国科学院提出DQ平衡线圈，设计出更灵活的检测线圈[3]。重庆大学使用了有源激励的方法，从阻抗测量的角度实现了金属异物检测[4]。华为技术有限公司通过模拟扫频的手段去实时跟踪检测线圈的谐振频率，并根据频率的变化确定金属异物的有无[5]。

本文首先对平衡线圈法异物检测进行建模，分析了铁磁性金属和非铁磁性金属对检测电路的影响。然后，提出一种有源和无源相结合的平衡线圈检测方法，通过分时控制实现了线圈阵列扫描。在该方案的基础上，提出一种基于全局检测的静态偏置跟踪算法，使设计的检测器对功率波动具有很强的免疫能力，在保证零误报率的情况下提高了检测的精度。

1 异物检测电路模型

金属异物对于检测线圈的影响来源于其两大特性：涡流效应和磁效应[6]。涡流效应是指电导率较高的物体在高频交变磁场中为了阻止周边磁场的快速变化，从而在导体内部感生出涡旋电流。导体中流过涡流会产生相应的热损耗，该损耗完全来源于空间磁场的变化，随着磁场频率的升高，涡流损耗越明显。磁效应则指磁导率较高的物体在磁场中，其内部磁畴分布发生变化，产生与外磁场方向相同的内磁场，从而增强空间磁场。本文主要研究这两种效应对于小物体检测的影响，为了简化模型，作出如下假设。

(1) 小异物仅改变周围的局部磁场，对主功率线圈的影响很小，不考虑其与主功率线圈的耦合。可以认为，在金属异物引入后，主系统的工作状态保持不变，系统之间的耦合系数也保持不变。

(2) 小异物放置在地面端表面，仅受到发射线圈产生磁场的影响，而由于距离接收线圈较远，它们之间的耦合系数可以忽略。

1.1 涡流效应作用下的检测模型

非铁磁性物质的涡流效应来源于高频交变磁场，由于物质内部可以形成环流，所以其电路模型可以等效为一个电感与一个电阻串联。非铁磁性物质的磁导率接近1，所以在异物形状位置不发生改变的情况下，其电导率的变化与线圈和异物之间的互感没有直接联系。在平衡线圈检测法下，检测线圈与金属异物的电路模型，如图1所示。

图1 涡流效应下异物检测模型

图1中，RD1、LD1、RD2和LD2为检测线圈中2个差分线圈的电阻和电感。VD1和VD2是平衡线圈上由主磁场感应出的交流电压，在理想情况下这两个交流电压幅值和相位相等。RM和LM是金属异物的等效电感和等效电阻，受金属异物的材质和形状大小影响。ITX是主系统中原边线圈流过的激励电流，该电流频率为85 kHz，其大小与主系统功率有关。根据电路理论，可以列出如下方程组：

(1)

解方程组(1)，可以得到平衡线圈开路电压与金属异物的关系式：

(2)

假设异物掉落瞬间，主系统不主动改变其工作状态，则金属引入的开路电压变化量如下：

(3)

从式(3)可以看出，金属异物引入后同时会改变开路电压的幅值与相位，并且开路电压实部与虚部的变化相反。开路电压变化的幅值与系统工作频率、异物与检测线圈的互感、异物与发射线圈的互感、系统工作状态以及金属的阻抗特性都有关系。

1.2 磁效应下的检测模型

磁效应主要来源于异物本身特性，对静磁场和高频磁场都有增强作用，但有所区别。在高频磁场下，受异物本身磁滞曲线的影响，异物本身会产生磁滞损耗，也会散发大量热量到空气中。由于此时研究对象的电导率很低，可以忽略异物与检测线圈的耦合，但这并不意味着异物对检测线圈没有影响。异物的磁效应将增强检测线圈周围的空间磁场，从而影响到平衡线圈的开路电压。其等效模型如图2所示。

图2 磁效应下异物检测模型

图2中，a、b、c、d均为大于1的比例系数，表明在铁磁性物体的影响下，检测线圈的自感和感应电压都有所增强。由于RM很大，检测线圈开路电压表达式如下：

VMEAS=bVD2-aVD1

(4)

异物磁效应对平衡线圈的影响，主要表现在主磁场感应电压的增强。从向量的角度来看，平衡线圈开路电压将朝着原有的方向增加或减小，电压的相角变化可以忽略。利用磁效应进行检测，依赖于探测场的强弱，与线圈上的初始感应电压相关。

2 平衡线圈法异物检测系统

本文提出的平衡线圈法异物检测系统如图3所示。图中包含激励电路、激励线圈、检测线圈和检测电路。

图3 平衡线圈法异物检测系统

该系统中发射线圈的激励方式分为无源激励和有源激励。无源激励是指依靠主发射线圈产生的磁场作为异物检测的探测场。直流电源经过全桥逆变电路形成高频方波，再在LC谐振电路的作用下转化为正弦电流给主发射线圈供电，并产生高频探测场。该探测场很强，其强度可达几mT，但随功率波动变化较大。有源激励则指用一个与主功率同频的辅助高频电流源去激励辅助的发射线圈，从而产生一个磁场强度恒定的探测场。这两个激励源在工作时是互补的，分别工作在无线充电的不同阶段。当充电开始前，利用的是有源激励产生的探测场。在充电开始之后，利用的是无源激励产生的探测场。当异物引入时，会破坏原有的磁场分布。局部平衡线圈通过感知磁场分布的变化，转换为内部感应电压的变化，从而打破电压平衡，被检测电路发现。

图3中的检测线圈为示意图，其阵列线圈多少和外边界形状主要由具体的主发射线圈而定，目的是使检测区域覆盖整个地面端表面。检测线圈中字母编号相同的线圈具有相同的公共端，通过后级模拟开关的选择可以实现上下或左右差分。以线圈A为例，当车辆无上下偏移且左右偏移比较大时，此时左上角和右上角的A线圈的感应电压之间差距比较大，不利于实现电压平衡。左上角和左下角的A线圈则是更好的选择，因为这两个线圈上下对称，汽车横向的偏移对两者的影响近乎等同。当车辆存在两种方向的偏移时，线圈上可提供两种可选的差分方案用于检测，总有一种受偏移的影响较小，能够维持原有的检测精度。

检测线圈上信号经过模拟开关MUX之后，将经过有源滤波器滤除高次谐波与噪声。该有源滤波器为无限增益多路反馈低通滤波器，其特点是所用元件少，易级联，增益无限制、稳定性好。滤波器的截至频率设置为100 kHz，略高于检测信号频率85 kHz，目的是滤除主功率的高次谐波和环境中的高频噪声。实际上，该电路只能滤除传导电压中的高频噪声，难以抑制空间中辐射噪声。当功率开启后，滤波后的信号仍存在一定的开关噪声，需要在软件上做进一步处理。

对高频信号直接进行采样，不仅需要高采样率的ADC，而且对微控制器性能也有很高的要求。为了解决这一问题，在电路最后引入增益相位检波器。该芯片可以比较输入的2个正弦信号的幅值和相位，然后以输出与之相关的直流电压。微控制器解析该芯片的输出电压，可以还原出检测信号的幅值和相位信息。在工作频率保持不变的情况下，这些信息可以唯一确定一个正弦信号。

综上所述，整个系统经过分时控制的方法实现了对线圈阵列的扫描，阵列上任意线圈上电压的改变都能即时被系统检测到。该系统在充电前和充电过程中都能正常工作，最大可能地保证了系统安全。

3 异物检测算法

在理想的平衡线圈模型下，其开路电压为0。但是，实际中磁场分布不是均匀对称的，所以检测信号会存在一定的静态偏置。从式(3)和式(4)可以看出，该静态偏置主要与系统的激励电流有关。汽车无线充电给汽车电池供电过程中，其发射线圈电流会随着电池SOC的变化而变化。并且，短时间内无线充电系统也需要追寻效率最高点而改变原边发射电流。所以，如何让检测系统快速地追寻静态偏置和准确地获取动态检测阈值是消除功率波动影响的关键。

在统计学中，为了在一组数据中判别某个数据是否异常，常使用统计尾部置信度检验[7]。检验的原理是假设数据组服从正态分布，由此计算出统计标准差和均值，然后选取合适置信区间，最后代入数据去验证其是否在置信区间内。在异物检测中，分别对信号幅值和相位建立正态分布模型，可以得到如下检测器。

(5)

式中：xi为第i个通道新的检测信号；ui为第i个通道的统计均值；σi为第i个通道的统计标准差；γ为固定检测阈值。

式(5)的左侧可以看成是检测信号变化量归一化的结果，记为检测判决量Di。为了确保统计模型的准确性，需要在每个采样周期去更新模型中的均值和标准差，它们的更新公式如下：

(6)

式中：n表示第n次采样计算；α为每次更新的权重。

更新权重不能太大也不能太小，大的更新权重会导致统计量与实际值有较大的误差，小的更新权重会降低更新的速率，导致统计量无法即时追上实际值。根据实践中的多次调试，α的取值在0.02～0.05之间较适宜。

在系统短时间的正常运行过程中，可以认为功率是平稳变化的，通过式(6)去更新模型可以有效地减少功率波动带来的影响，并提高检测的稳定性。然而，从长期来看，系统为了追求最优效率点，可能存在瞬时较大的功率变化，此时并不希望检测系统因此产生任何误报。从式(3)和式(4)可以看出，当系统发射电流发生变化时，平衡线圈的开路电压必然发生变化，并且其带来的影响是全局的。当小异物进入系统时，只会影响其周边的几个的线圈，带来的影响是局部的。在算法上，通过分辨开路电压变化是全局还是局部，就可以跳过功率瞬时变化。具体而言，是在原有的阈值的基础上，再设置一个小阈值β和大阈值θ。当某个通道检测判决量超过小阈值β时，将其标记为可能存在异物的线圈。逐个扫描线圈后，统计出标记线圈的总个数Nm。若该个数超过线圈上限的1/4时，可以认为此时变化是全局的，系统进入到全局检测状态。此时，为避免系统发出误报，检测阈值相应地变化到θ。θ的设置保证功率波动时系统不会产生误报，而在大型异物的作用下，系统正常报警。当系统进入到全局检测状态时，还需要快速地跟踪上功率波动引起的静态偏置的变化。统计均值仍可依照式(6)进行更新，但是需要将α增大为原来的5～10倍，以加快动态跟踪的速度。对于统计标准差，不可直接依照公式计算。因为计算的统计均值并不准确，用不准确的统计均值算出的统计标准差与实际值的偏差可能在百倍以上。一种合理的做法是，在每次更新时将统计标准差提高10%，以小幅降低检测灵敏度为代价，去保证检测系统正常运行。当估计的静态偏置近实际值时，系统标记的检测线圈个数将开始下降，直到退出全局检测状态。

应用以上方法，可以有效跳过功率波动，增强系统的鲁棒性。然而，当系统功率波动与异物引入同时发生时，检测系统就会将异物的带来变化归于功率波动之中。为了解决这个问题，将检测判决量作为一个新的观测量，计算出它的离散系数，具体计算公式如下：

(7)

式中:c为离散系数；N为线圈总数；uD为判决量均值；σD为判决量标准差。

离散系数是归一化统计量，其大小表明数据的离散程度[8]。当离散系数越大，说明某个局部线圈受到金属异物较大的影响；当离散系数越小，说明各线圈开路电压变化比较集中，只存在功率波动的影响。当离散系数大于设定阈值λ时，同时标记线圈个数超标，则认为局部线圈可能存在异物，系统仍保持原有的状态。综上所述，系统软件总框图如图4所示。

图4 检测算法软件框图

4 实验结果

实验在6.6 kW的汽车无线充电系统中进行，实验中所用的测试线圈与电路如图5所示。

实验中，分别使用不同形状的金属异物，并以不同角度放置在每个线圈中心，并统计出能成功检测的线圈个数，实验中使用的物体如图6所示。

表1为测试结果。从结果来看，回形针能在大部分的线圈中检出，但是由于主磁场分布不均，在线圈的中心区域仍存在一部分的盲区。主要因为金属放置

(c)检测线圈与辅助发射线圈图5 测试线圈与电路

图6 实验中使用的金属物体(回形针、硬币、铝箔)

表1 检测结果

在盲区时造成的开路电压变化太小，有用信号淹没在背景噪声之中。此外，金属在一些无法检测的区域没有明显温升，不需要被系统检出。

当有较大功率波动时，记录每个线圈的归一化判决量，并以柱状图显示，如图7所示。图中统计出的标记线圈有26个，大于总线圈的1/4。系统将进入全局检测状态，提高检测阈值，系统不会发生误报。

当放置硬币进入某个检测线圈时，各线圈判决量如图8所示。可以看出与功率波动相比，异物带给单线圈的变化较大，利用离散系数就可以判断线圈上存在异物。

图7 功率波动时各线圈判决量柱形图

图8 异物引入时个线圈判决量柱形图

5 结论

本文对平行线圈法进行建模，得到了涡流效应和磁效应下检测线圈开路电压的变化。涡流效应对线圈电压的幅值和相位均有影响，铁效应则更多体现在线圈电压幅值上。检测线圈主要利用这两种效应去感知异物的信息。系统能够处理多通道的线圈阵列信号，并具有较高的灵敏度。实验表明，该检测系统对小异物有很好的检测效果，可以检测到小型异物，例如回形针、硬币和铝箔。对于这些物体的检测基本上能够满足国标对汽车无线充电系统的最高要求。系统具有较强的鲁棒性，可以检测到大功率波动的瞬间，从而避免误报。并且，在功率波动时，系统仍能检测到不少的异物。