CN108964295A - 一种无线电能传输系统的金属异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，包括：分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。本发明还通过比较金属和接收线圈的等效阻抗判断系统中是否存在金属异物，防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。

Description

一种无线电能传输系统的金属异物检测方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，更具体的，涉及一种无线电能传输系统的金属异物检测方法。

背景技术

21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。新型的电能存储和传输技术，如飞轮电池、超级电容和无线电能传输技术等是实现能源高效利用的重要途径。无线电能传输技术主要利用电磁耦合、微波、电磁共振等形式来传输电能，不存在导线连接，因此是一种安全、可靠的新型电能传输方式。

目前，随着无线电能传输技术的推广，其应用情况日趋复杂。在系统正常运行时，周围可能会在不同位置出现不同材质的障碍物，尤其是金属障碍物的出现会对整个系统的工作状态产生很大的影响，甚至会导致系统失谐而不能正常工作。

无线电能传输系统发射端和接收端通过磁场耦合，金属异物在磁场中会影响系统的耦合关系，降低系统的传输效率，甚至对系统造成损坏。

现有的无线电能传输系统的金属异物检测方法，一般是额外添加金属检测装置对无线电能传输系统的金属异物进行检测，检测过程繁琐。

发明内容

本发明为解决传统金属异物检测方法的上述缺陷，提供一种无线电能传输系统及其金属异物检测方法。

本发明提供一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，包括：

S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；

其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；

S2，测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。

其中，所述第二发射线圈连接有第二交流电源和第二谐振电容，所述第一交流电源和第二交流电源用于在发射线圈形成恒定电流，经电磁耦合后在接收线圈上感生出电动势。

其中，所述无线电能传输系统还包括初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络，所述初级拓扑的补偿网络包括第一谐振电容和第二谐振电容。所述次级拓扑的补偿网络包括第三谐振电容；所述初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络均用于降低电源的额定视在功率。

其中，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：

通过改变无线电能传输系统的电路参数，调整磁场强度的方向，使磁场强度指向接收线圈的中心。

其中，所述方法还包括：

根据基尔霍夫电压定律，建立无线电能传输系统的电路参数模型，所述电路参数模型为：

式中，U_A表示第一发射线圈的激励源，M_AC表示第一发射线圈和接收线圈之间的互感，I_A表示第一发射线圈的电流，R_A表示第一发射线圈的等效内阻，L_A为第一发射线圈的电感，C_A表示第一发射线圈的谐振电容；U_B表示第二发射线圈的激励源，M_BC表示第二发射线圈和接收线圈之间的互感，R_B表示第二发射线圈的等效内阻，L_B表示第二发射线圈的电感，I_B表示第二发射线圈的电流，I_C表示负载电流。

其中，所述步骤S1具体包括：

将所述第一发射线圈和第二发射线圈等效为一个发射线圈，建立系统的等效简化模型；

根据所述等效简化模型，获取所述接收线圈与发射线圈的互感表达式，并获取金属作为接收端时，金属与发射线圈的互感表达式。

其中，所述方法还包括：

根据无线电能传输系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗；

比较实际负载和所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗，判断系统中是否存在金属异物。

其中，所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗为：

式中，Rm表示金属作为接收端时映射到发射端的等效电阻；φ(k)是取决于金属特性和电流频率的复数参数；T(k)是几何函数；Lm为等效电抗；

其中，

σ是金属的电导率，k是空间频率的积分变量，μ₀、μ_r分别表示金属的磁导率和相对磁导率，φ_r和φ_i分别是φ(k)的实部和虚部分量；

T(k)＝[NaJ₁(ka)]²

J₁是阶数为1的第一类贝塞尔函数，N是发射线圈的匝数，k是空间频率的积分变量，a为发射线圈长度的一半。

本发明实施例提供的无线电能传输系统及其金属异物检测方法，根据系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时，金属与发射线圈之间的互感及阻抗表达式。比较实测互感及阻抗，以及金属与发射线圈之间的互感及阻抗，判断系统中是否存在金属异物。防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，检测过程简便，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的金属异物检测方法流程图；

图2为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的结构示意图；

图3为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的工作原理图；

图4为根据本发明实施例提供的发射线圈和接收线圈在XOY平面上的几何平面图；

图5为根据本发明实施例提供的高维无线电能传输系统的等效电路模型；

图6为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的等效简化模型；

图7为根据本发明实施例提供的接收线圈的等效模型；

图8为根据本发明实施例提供的简化模型中发射线圈和接收线圈的结构和位置关系图；

图9为根据本发明实施例提供的互感M_metal及M_coil随着发射线圈及接收线圈边长变化而变化的曲线图；

图10为根据本发明实施例提供的接收线圈互感M_coil与金属的互感M_metal均为1.3时，发射线圈的电路参数关系图；

图11为根据本发明实施例提供的接收线圈互感M_coil与金属的互感M_metal均为29时，发射线圈的电路参数关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一模块实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的金属异物检测方法流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取金属作为接收端时，金属与发射端之间的互感表达式；

其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；

无线电能传输又称无线电力传输，非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。在系统正常运行时，周围可能会在不同位置出现不同材质的障碍物，尤其是金属障碍物的出现会对整个系统的工作状态产生很大的影响，甚至会导致系统失谐而不能正常工作。本发明检测系统中的金属异物，目的是防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗。

图2为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的结构示意图，如图2所示，该无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，发射端传输能量到接收线圈，接收线圈用于接收能量，供给负载。

说明书附图中，线圈A表示第一发射线圈，线圈B表示第二发射线圈，线圈C表示接收线圈。U_A表示第一交流电源，U_B表示第二交流电源，C_A表示第一谐振电容，C_B表示第二谐振电容，Cc表示第三谐振电容，R_L表示负载。

发射线圈是由中心在同一点上且垂直正交的第一发射线圈和第二发射线圈组成，可以实现二维平面上的无线电能传输。

接收线圈与金属的区别在于，接收线圈作为接收端时，发射端与接收线圈之间的互感，和发射端与金属之间的互感不同。分析无线电能传输系统发射端与接收端之间的互感，获取接收端为线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式。并获取接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式。

步骤S2，测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各互感表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。

获取系统发射端和接收端之间互感的实测值，与通过各互感表达式计算获得的互感理论值比较。若发射端和接收端之间互感的实测值与通过发射端与接收线圈之间的互感表达式计算得到的互感理论值不同，并且互感的实测值与金属与发射线圈之间的互感理论值相近，则无线电能传输系统中存在金属异物。

本发明实施例提供的无线电能传输系统及其金属异物检测方法，根据系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时，金属与发射线圈之间的互感及阻抗表达式。比较实测互感，以及金属与发射线圈之间的互感，判断系统中是否存在金属异物。防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，检测过程简便，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。

如图2所示，所述第一发射线圈连接有第一交流电源和第一谐振电容，所述第二发射线圈连接有第二交流电源和第二谐振电容，所述第一交流电源和第二交流电源用于在发射线圈形成恒定电流，经电磁耦合后在接收线圈上感生出电动势。

所述无线电能传输系统还包括初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络，所述初级拓扑的补偿网络包括第一谐振电容和第二谐振电容。所述次级拓扑的补偿网络包括第三谐振电容；所述初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络均用于降低电源的额定视在功率。在交流电路中，我们将正弦交流电电路中电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率。

图3为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的工作原理图，由于无线电能传输的初、次级线圈之间有较大缝隙，磁场主要依靠空气进行耦合，耦合系数较小，漏感较大。因此，各个初、次级线圈都需要加入初、次级的补偿网络进行补偿，从而降低电源的额定视在功率。

第一发射线圈连接有第一交流电源和第一谐振电容，所述第二发射线圈连接有第二交流电源和第二谐振电容。如图3所示，第一交流电源和第二交流电源分别输入第一发射线圈和第二发射线圈，经补偿网络和线圈谐振后，在两个发射线圈上得到恒定的电流，该电流经电磁耦合部分后在接收线圈上感生出电动势，经过次级补偿网络补偿后，实现能量输出，供给负载使用。

在上述各实施例的基础上，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：

通过改变无线电能传输系统的电路参数，调整磁场强度的方向，使磁场强度指向接收线圈的中心。

图4为根据本发明实施例提供的发射端和接收端在XOY平面上的几何平面图，假设第一发射线圈在XOZ平面，第二发射线圈则在YOZ平面，第一发射线圈和第二发射线圈的中心到接收线圈的中心的距离为d，方向为 和X轴之间形成的角度为θ。当磁场强度B垂直指向线圈C的中心时，发射线圈和接收线圈之间的耦合最紧密。

为实现二维无线电能传输，需使磁场强度B垂直指向线圈C的中心。

假设磁场强度B和磁场强度的X轴分量B_x的角度为θ_B。当磁场强度B指向接收线圈的中心时，θ＝θ_B。因此，磁场强度B与其分别在X轴、Y轴的分量B_x、B_y的关系为：

由上可得：

式中，B为磁场强度，B_x为磁场强度B在X轴的分量B_x，B_y为磁场强度B在Y轴的分量。

因此，通过控制B_x和B_y指的大小和方向可以使得磁场强度B指向二维平面内的任一角度方向。

如图4所示，为了简化分析，假设O(0,0,0)为B_x和B_y的初始坐标，通过第一发射线圈和第二发射线圈的电流分别为和式中，ω是交流电源的角频率，I_A,I_B分别是第一发射线圈和第二发射线圈的电流大小，分别是电流I_A,I_B的相角，μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7N·A^-2。此时，磁场强度B在O处X轴和Y轴的分量为：

式中，B_x0表示磁场强度B在O处X轴的分量，N表示发射线圈的匝数，B_y0表示磁场强度B在O处Y轴的分量，I_A,I_B分别是第一发射线圈和第二发射线圈的电流大小，ω是交流电源的角频率，分别是电流I_A,I_B的相角，l表示发射线圈的长度的一半。

当时，

式中，θ表示和X轴之间形成的角度，I_A,I_B分别是第一发射线圈和第二发射线圈的电流大小，ω是交流电源的角频率。

由上式可知，电流I_A,I_B是由两个交流电源U_A和U_B决定的。当 时，电流I_A和I_B是同相的；当时，电流I_A和I_B则是反相的。因此，通过改变参数I_A,I_B，和即可使得θ为平面内任意角度。通过改变无线电能传输系统的电路参数，调整磁场强度的方向，使磁场强度指向接收线圈的中心，实现二维无线电能传输。

在上述各实施例的基础上，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：

根据基尔霍夫电压定律，建立无线电能传输系统的电路参数模型，所述电路参数模型为：

式中，U_A表示第一发射线圈的激励源，M_AC表示第一发射线圈和接收线圈之间的互感，I_A表示第一发射线圈的电流，R_A表示第一发射线圈的等效内阻，L_A为第一发射线圈的电感，C_A表示第一发射线圈的谐振电容；U_B表示第二发射线圈的激励源，M_BC表示第二发射线圈和接收线圈之间的互感，R_B表示第二发射线圈的等效内阻，L_B表示第二发射线圈的电感，I_B表示第二发射线圈的电流，I_C表示负载电流。

图5为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的等效电路模型，图中第一发射线圈和第二发射线圈对应的电感分别为L_A,L_B，接收线圈的电感为L_C，I_C为负载电流。由于第一发射线圈和第二发射线圈为正交放置的，因此两个发射线圈之间的互感为0。根据基尔霍夫电压定律，对系统进行建模。基尔霍夫电压定律是，在任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和，即从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于零。

根据基尔霍夫电压定律，建立无线电能传输系统的电路参数模型，所述电路参数模型为：

式中，U_A表示第一发射线圈的激励源，M_AC表示第一发射线圈和接收线圈之间的互感，I_A表示第一发射线圈的电流，R_A表示第一发射线圈的等效内阻，L_A为第一发射线圈的电感，C_A表示第一发射线圈的谐振电容；U_B表示第二发射线圈的激励源，M_BC表示第二发射线圈和接收线圈之间的互感，R_B表示第二发射线圈的等效内阻，L_B表示第二发射线圈的电感，I_B表示第二发射线圈的电流，I_C表示负载电流。

通过上式可知，能够通过互感的变化来辨别金属异物。

在上述各实施例的基础上，所述步骤S1具体包括：

将所述第一发射线圈和第二发射线圈等效为一个发射线圈，建立系统的等效简化模型；

根据所述等效简化模型，获取所述接收线圈与发射线圈的互感表达式，并获取金属作为接收端时，金属与发射线圈的互感表达式。

图6为根据本发明实施例提供的无线电能传输系统的等效简化模型。为简化分析，将两个正交的发射线圈等效成一个线圈，并且与接收线圈为同轴放置。U_i为独立输入电源，R₁、L₁和C₁分别为等效发射线圈的等效电阻、电感和电容值，R₂、L₂和C₂分别为接收线圈的电阻、电感和电容值，I₁为等效发射线圈的电流，U_P为等效发射线圈的电压，I₁产生磁场并在接收线圈感生出电压U_S，I₂为接收线圈的电流，其中：

则，

U_i+jωI₂M＝I₁(R₁+jX₁)

jωI₁M＝I₂(R₂+R_l+jX₂)

式中，M表示互感。

由上式可得：

式中，I₁表示等效发射线圈的电流，U_i表示独立输入电源，R₁表示等效发射线圈的等效电阻，ω表示角频率，M表示接收线圈与等效发射线圈之间的互感，Z₂表示接收线圈的阻抗。

图7为根据本发明实施例提供的接收线圈的等效模型。接收线圈和金属的区别在于接收线圈的Z₂和互感M，Z₂＝R₂+R_l+jX₂。当接收端为线圈时，阻抗Z_coil＝R₂+R_L+jX₂；当接收端为金属时，阻抗Z_metal＝R_m+jωL_m。同时，线圈的互感M_coil和金属的互感M_metal是不同的。

图8为根据本发明实施例提供的系统简化模型中发射线圈和接收线圈的结构和位置关系图。对无线电能传输系统的互感进行分析，当发射端和接收端的形状和相对位置一旦固定，互感则是恒定的参数。发射端和接收端为同轴放置，h为两端的距离，dl₁和dl₂分别为发射端和接收端的线性单元，D为dl₁和dl₂之间的距离，ρ为dl₁和dl₂之间的垂直距离。将线圈看做是方形线圈的四条载流导线时，每根导线的电流是连续的，因此四根导线产生的磁通量也是连续的。此时，为了计算互感，引入一个新的物理量磁向量势A，由此得到，由发射线圈在空间任意一点产生的磁向量势为：

当接收端为线圈时，总磁通量Φ_coil＝∮A·dl₂，互感可以利用总磁通量和发射端的电流计算得到，即

当接收端为金属时，发射端和接收端之间的互感可以利用微元件方法求得，此时金属的磁通量互感为：

#1＝ln(a²-2ab+b²+h²),#2＝ln(a²+2ab+b²+h²).

式中，M_metal表示发射端与金属之间的互感，μ₀表示金属的磁导率，a表示发射线圈边长，b表示接收线圈的边长，h表示发射线圈和接收线圈之间的距离。

获取系统发射端和接收端之间互感的实测值，与上式获得M_coil和M_metal相比较。若发射端和接收端之间互感的实测值与通过发射端与接收线圈之间的互感表达式计算得到的互感理论值M_coil不同，并且互感的实测值与金属与发射线圈之间的互感理论值M_metal相近，则无线电能传输系统中存在金属异物。

本发明提供的无线电能传输系统及其金属异物检测方法，获取金属作为接收端时，金属与发射线圈之间的互感表达式。将实测互感与金属与发射线圈之间的互感相比较，判断系统中是否存在金属异物。防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，检测过程简便，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。

在上述各实施例的基础上，无线电能传输系统的金属异物检测方法还包括：

根据无线电能传输系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗；

比较实际负载和所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗，判断系统中是否存在金属异物。

参照图7，线圈的阻抗大小决定于负载R_L，同时R_L的大小由无线电能传输系统的输出功率限制。金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗R_m与金属异物的涡流损耗有关，金属的电感L_m来源于金属板上的感应电流。

金属作为接收端时映射到发射端的等效电抗为：

金属作为接收端时映射到发射端的等效电阻为：

式中，Rm表示金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗；φ(k)是取决于金属特性和电流频率的复数参数；T(k)是几何函数；

其中，

σ是金属的电导率，k是空间频率的积分变量，μ₀、μ_r分别表示金属的磁导率和相对磁导率，φ_r和φ_i分别是φ(k)的实部和虚部分量；

T(k)＝[NaJ₁(ka)]²

J₁是阶数为1的第一类贝塞尔函数，N是发射线圈的匝数，k是空间频率的积分变量，a为发射线圈长度的一半。如果金属的尺寸及材料特性和传输距离已知，则可以通过数值计算得到R_m和L_m。

获取接收端负载的实测值，金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗R_m相比较，判断无线电能传输系统中是否存在金属异物。

本发明实施例根据系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗阻值。与实际负载相比较，判断系统中是否存在金属异物。防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，检测过程简便，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。

图9为根据本发明实施例提供的互感M_metal及M_coil随着发射线圈及接收线圈边长变化而变化的曲线图；首先在MATLAB/SIMULINK环境下建立仿真模型。图8(a)为b＝0.1m时，互感M_metal及M_coil随着发射线圈边长a变化而变化的曲线图。图8(b)为a＝0.164m时，互感M_metal及M_coil随着接收线圈边长b变化而变化的曲线图。图中不同曲线表示的是发射线圈和接收线圈之间的距离h分别为0.1m,0.2m,0.4m和0.8m。由图8(a)可以看出，当线圈和金属板的尺寸小于0.5m时，接收线圈的互感M_coil远远大于金属的互感M_metal。当a和b的值都接近距离h的值时，M_metal和M_coil都达到最大值。由图8(b)可以看出，接收线圈尺寸越大，互感越大。图8(a)和(b)均表明，互感与发射线圈和接收线圈之间的距离h成反比。

图10为根据本发明实施例提供的接收线圈互感M_coil与金属的互感M_metal均为1.3时，发射线圈的电路参数关系图；图11为根据本发明实施例提供的接收线圈互感M_coil与金属的互感M_metal均为29时，发射线圈的电路参数关系图。

图中，I_TX和U_TX分别是发射线圈的电流和电压，P_input是系统的输入功率。由此可以看出，初级侧金属物体的折射阻抗远小于接收线圈的折射阻抗。但根据耦合电路模型和方程(20)，金属的等效阻抗远大于带负载的线圈。当发射线圈的电流I_TX变大时，若接收端是金属时，U_TX和P_input的增量相对较小。因此，通过将吸收磁能最多的金属物体负载阻抗和输入功率特性曲线设置为阈值，从而实现金属物体检测的可靠功能。实际应用中，可以通过统计和回归算法得到该金属的负载阻抗和输入功率特性曲线。仿真也考虑了线圈和金属的阻抗完全相同的关键情况。由于金属板的感抗远大于高频时涡流损耗的等效电阻，因此与金属物体对应的输入功率曲线仍然会低于线圈对应的输入功率曲线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明根据本发明实施例提供的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离根据本发明实施例提供的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，凡在根据本发明实施例提供的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在根据本发明实施例提供的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，其特征在于，包括：

S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；

其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；

S2，测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各互感表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。

2.所述第一发射线圈连接有第一交流电源和第一谐振电容，所述第二发射线圈连接有第二交流电源和第二谐振电容，所述第一交流电源和第二交流电源用于在发射线圈形成恒定电流，经电磁耦合后在接收线圈上感生出电动势。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无线电能传输系统还包括初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络，所述初级拓扑的补偿网络包括第一谐振电容和第二谐振电容。所述次级拓扑的补偿网络包括第三谐振电容；所述初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络均用于降低电源的额定视在功率。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：

通过改变无线电能传输系统的电路参数，调整磁场强度的方向，使磁场强度指向接收线圈的中心。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：

根据基尔霍夫电压定律，建立无线电能传输系统的电路参数模型，所述电路参数模型为：

式中，U_A表示第一发射线圈的激励源，M_AC表示第一发射线圈和接收线圈之间的互感，I_A表示第一发射线圈的电流，R_A表示第一发射线圈的等效内阻，L_A为第一发射线圈的电感，C_A表示第一发射线圈的谐振电容；U_B表示第二发射线圈的激励源，M_BC表示第二发射线圈和接收线圈之间的互感，R_B表示第二发射线圈的等效内阻，L_B表示第二发射线圈的电感，I_B表示第二发射线圈的电流，I_C表示负载电流。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将所述第一发射线圈和第二发射线圈等效为一个发射线圈，建立系统的等效简化模型；

根据所述等效简化模型，获取所述接收线圈与发射线圈的互感表达式，并获取金属作为接收端时，金属与发射线圈的互感表达式。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据无线电能传输系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗；

比较实际负载和所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗，判断系统中是否存在金属异物。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗为：

式中，Rm表示金属作为接收端时映射到发射端的等效电阻；Lm表示金属作为接收端时映射到发射端的等效电抗；φ(k)是取决于金属特性和电流频率的复数参数；T(k)是几何函数；

其中，

σ是金属的电导率，k是空间频率的积分变量，μ₀、μ_r分别表示金属的磁导率和相对磁导率，φ_r和φ_i分别是φ(k)的实部和虚部分量；

T(k)＝[NaJ₁(ka)]²

J₁是阶数为1的第一类贝塞尔函数，N是发射线圈的匝数，k是空间频率的积分变量，a为发射线圈长度的一半。