CN110356262A - 一种电动汽车无线充电系统异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种电动汽车无线充电系统异物检测方法，基于电容‑接收侧串联电容补偿模式，利用四个检测线圈的实时电压来检测无线充电系统中的金属异物，通过异物检测避免大功率无线充电系统因金属异物可能造成的安全隐患，该方法适用于实际使用、造价成本较低的电动汽车无线充电系统的异物检测。

Description

一种电动汽车无线充电系统异物检测方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种电动汽车无线充电系统异物检测方法。

背景技术

目前电动汽车仍以插电式作为主要的充电方式，这带来了安全隐患并且对于大功率的充电桩需要专业人员进行充电操作，十分不便。电动汽车无线充电作为一种新兴的充电方式渐渐走进了人们的视野。虽然目前成本仍是电动汽车无线充电的主要问题，不过随着技术的改进和批量化的生产，该问题可以得到解决。

电动汽车无线充电系统的主要有：工频整流电路、高频逆变电路、补偿电路、耦合机构、高频整流电路、DC/DC变换电路及电池负载七部分。将工频的380V交流电整流后再逆变成高频的交流电，并通过补偿电路减小系统的无功损耗，基于法拉第电磁感应定律，电能经发射线圈传输至接收线圈，产生相同频率的感应电压。接收侧补偿谐振网络抵消线圈自感产生的无功功率后，高频整流电路将电能转换为直流并通过DC/DC电路实现系统的恒压/恒流输出，从而延长电池寿命。

对于各种功率等级的无线充电系统，异物检测(Foreign Object Detecting，FOD)都已经是必备的一项功能，无论在手机移动端或是用于交通领域的大功率无线充电系统，为了避免安全隐患，都已经配备了异物检测功能。根据检测因素，异物检测方法可以分为电气方法和物理方法。物理方法主要是检测无线充电系统中的物理量，包括温度，磁场强度，位置，光照强度等，电气方法则是检测无线充电系统中的电气量，包括电压，电流，效率，阻抗，频率等。

现有的一种无线电能传输系统异物检测方法，通过反绕连接的两个线圈构成平衡线圈并将其置于发射线圈平面，理想情况下当线圈平面不存在金属异物时，平衡线圈的端电压应该为0，通过检测平衡线圈的端电压并进行整流滤波采样，通过采样值与阈值的比较来判断金属异物是否存在。

由于该方法的线圈结构较为简单，且补偿拓扑为SS补偿，当负载变化或停车发生偏移时均会导致平衡线圈的端电压发生改变，因而此方法在实际应用时并不适合电动汽车无线充电系统的工况。

另一种根据隧道磁阻传感器进行实时监测的异物检测方法通过不同位置的磁阻传感器，将传感器的输出构成一个序列，当某一区域内传感器的磁阻有明显变化则判定为金属异物存在。该方法的检测效果较为明显，但隧道磁阻传感器的成本较高，并且需要人为进行判断以识别金属异物的存在，带来了人工成本上的消耗。对于大多数电动汽车用户来说，该方法都难以普及。

因此，为解决以上问题，需要改进一种电动汽车无线充电系统异物检测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种电动汽车无线充电系统异物检测方法，能够针对电动汽车无线充电系统的工况，解决因停车偏移与负载变化带来的异物检测精确性的问题，并且适用于实际使用、造价成本较低。

一种电动汽车无线充电系统异物检测方法，用于检测无线充电系统中是否有金属异物，所述系统包括带有检测线圈的检测电路、带有LCC补偿拓扑的发射线圈

发射线圈的发射电路和带有接收线圈的接收电路；

所述检测线圈包括相同且布满发射线圈平面的检测线圈Ⅰ、检测线圈Ⅱ、检测线圈Ⅲ和检测线圈Ⅳ。

所述方法包括如下步骤:

步骤1：充电开始前的金属异物检测；对发射线圈施加一个激励电压，采集检测线圈的感应电压并与设定的阈值作比较，感应电压同时超过设定的电压阈值和某一线圈的感应电压与设定的电压阈值相差较多时，存在金属异物；检测感应电压没有超过设定的电压阈值，则不存在金属异物；

步骤2：充电进行时的金属异物检测，将系统完全启动后的感应电压作为基准值，采集检测线圈的感应电压并作差值，与设定的阈值作比较，感应电压差值超过阈值，发出警告并停止充电；感应电压差值未超过设定的电压阈值，充电系统安全。

进一步，充电进行时的金属异物检测如下：

定义检测感应电压为检测线圈Ⅰ、检测线圈Ⅱ、检测线圈Ⅲ和检测线圈Ⅳ的感应电压U₁、U₂、U₃和U₄，；以及ΔU₁、ΔU₁、ΔU₁和ΔU₄，Δ为两线圈感应电压的差值；

只有U₁发生了变化时，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁与ΔU₄会产生变化，金属异物仅对线圈1参数产生影响；

U₁与U₃发生了变化时，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁～ΔU₄均会产生变化，且ΔU₁＝ΔU₄，ΔU₂＝ΔU₃，金属异物对于线圈1和线圈3参数产生影响；

U₁与U₂发生了变化，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁、ΔU₂与ΔU₄会产生变化，因此会有ΔU₂>ΔU₁，ΔU₄>ΔU₁，金属异物对于线圈1和线圈2参数产生影响；

U₁～U₄均发生了变化，通过与无线充电系统启动时记录的线圈电压初始值进行比较，当超过设定值时认为金属异物存在。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种电动汽车无线充电系统异物检测方法，通过四个检测线圈的实时电压来检测无线充电系统中的金属异物，解决因停车偏移与负载变化带来的异物检测精确性的问题，通过异物检测避免大功率无线充电系统因金属异物可能造成的安全隐患；且适用于实际使用、造价成本较低的电动汽车无线充电系统异物检测方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的LCC补偿拓扑电路原理图；

图2为本发明含检测线圈的无线充电系统电路模型；

图3为本发明的四检测线圈示意图；

图4为本发明的金属异物位置分类；

图5为本发明充电开始前的检测流程；

图6为本发明充电进行时的检测流程。

具体实施方式

图1为本发明的LCC补偿拓扑电路原理图；图2为本发明含检测线圈的无线充电系统电路模型；图3为本发明的四检测线圈示意图；图4为本发明的金属异物位置分类；图5为本发明充电开始前的检测流程；图6为本发明充电进行时的检测流程。

本发明提出基于LCC-S(发射侧电感/电容/电容-接收侧串联电容补偿)补偿模式，利用四个检测线圈的实时电压来检测无线充电系统中的金属异物。首先对LCC补偿拓扑进行分析。

LCC补偿拓扑在SS补偿拓扑前增加了一个补偿电感和补偿电容，如图1所示：U_in为输入电压，U_o为输出电压，I_in为输入电流，I_p为发射线圈电流，I_s为接收线圈电流，L_p为发射线圈自感，L_s为接收线圈自感，L_r为补偿电感，C_p为发射线圈补偿电容，C_s为接收线圈补偿电容，C_r为补偿电感配套的补偿电容，R_p为发射线圈内阻，R_s为接收线圈内阻，R_r为补偿电感内阻，M为发射线圈与接收线圈互感。

LCC补偿拓扑具有准恒压特性，通过设计合适的补偿电感L_r，可以使输出电压接近恒定并且发射线圈电流受互感影响很小。首先求出发射侧的输入阻抗Z₁和接收侧的等效阻抗Z₂：

为使Im(Z₁)和Im(Z₂)为零，补偿电容C_r、C_P和C_S应满足以下关系：

Z₁和Z₂的表达式为：

Z₂＝R_S+R_L (6)

同样根据基尔霍夫第二定律对LCC补偿电路列回路方程：

求出三个回路电流I_in、I_P和I_S及输出功率P_o及效率η：

从上式可以看出，LCC补偿拓扑的性能同样受到频率、互感和负载的影响，但由于加入了补偿电感L_r，在特殊情况下的系统性能有所不同。

对于电动汽车无线充电系统，异物检测的难点在于线圈偏移与负载变化造成的系统参数干扰较多，而根据式11，可以看到，由于R_r的值非常小，将该式化简得到：

故而，原边线圈的电流不受负载变化与互感变化的影响，因而针对原边线圈电流可以设计出一种四线圈的检测方法。

含检测线圈的无线充电系统电路模型如图2所示。

U_in为输入电压，U_out为输出电压，U_d为检测线圈感应电压，I_p为发射线圈电流，I_s为接收线圈电流，I_d为检测线圈电流，L_p为发射线圈自感，L_s为接收线圈自感，L_d为检测线圈自感，C_p为发射线圈补偿电容，C_s为接收线圈补偿电容，R_p为发射线圈内阻，R_s为接收线圈内阻，R_d为检测线圈内阻，M₁为发射线圈与接收线圈互感，M₂为发射线圈与检测线圈互感，M₃为接收线圈与检测线圈互感。

根据基尔霍夫定律，可对等效模型列回路方程：

此处，由于检测线圈电流I_d的值非常小，检测线圈感应电压的表达式可以化简为：

U_d＝jωM₂I_p+jωM₃I_s (17)

由于检测线圈紧贴发射线圈，因此M₂＞＞M₃，检测线圈的感应电压仅与发射线圈电流I_p及与发射线圈互感M₂相关。由于LCC补偿拓扑的发射线圈电流I_p只与输入电压和补偿电感L_r相关，当系统正常工作时U_in与L_r不会改变。当金属异物存在时会影响到检测线圈与发射线圈互感M₂，从而改变检测线圈的开路电压。

在发射线圈平面增加检测线圈，由前文的分析可以得知，金属异物会使检测线圈的自感发生变化，而检测线圈与发射线圈的耦合系数则不受其影响，在相同的耦合系数下，检测线圈的自感变化会造成发射线圈与检测线圈的互感产生变化，此时，通过辨识检测线圈的感应电压变化，可以判断金属异物的存在与否。但实际情况中，由于停车偏移造成的发射线圈与接收线圈的互感变化，发射线圈的电流会发生较小变化，可能会影响到检测线圈的感应电压，从而干扰异物检测的准确性。针对该情况，通过增加检测线圈的数量，如图3所示，以四个相同的检测线圈布满发射线圈平面，那么由于负载或是停车偏移带来的感应电压变化会同时反映在四个检测线圈上，而金属异物则会在四个检测线圈上产生不同程度的感应电压变化，通过比较四个检测线圈的感应电压，可以区分出金属异物存在的工况和停车偏移或是负载变化的工况，从而提高异物检测的精确性。

定义ΔU₁～ΔU₄，U₁～U₄分别为检测线圈1～4的感应电压。

考虑到实际检测过程中，由于金属异物位置的变化ΔU₁～ΔU₄的值也会有所不同，但可以通过这四者的正负关系对不同情况分类，从而准确地识别出存在金属异物的情况。根据金属异物的位置，可以将金属异物的存在分为四种情况，如图4所示。

图4(a)中为金属异物仅对线圈1参数产生影响的情况。此时，由于四个检测线圈的端电压U₁～U₄中仅有U₁发生了变化，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，只有ΔU₁与ΔU₄会产生变化，根据预先设置的电压阈值即可区分出金属异物存在的情况。

图4(b)中为金属异物同时对线圈1与线圈3的参数影响的情况。此时，U₁与U₃发生了变化，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁～ΔU₄均会产生变化，且ΔU₁＝ΔU₄，ΔU₂＝ΔU₃。同样根据预先设置的电压阈值可以区分出金属异物存在的情况。

图4(c)中为金属异物同时对线圈1与线圈2的参数影响的情况。此时，U₁与U₂发生了变化，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁、ΔU₂与ΔU₄会产生变化，由于金属异物同时影响了U₁与U₂，因此会有ΔU₂>ΔU₁，ΔU₄>ΔU₁。同样根据预先设置的电压阈值可以区分出金属异物存在的情况。

图4(d)中为金属异物同时对线圈1～4产生影响的情况。此时，由于四个检测线圈的端电压U₁～U₄均发生了变化，此时根据ΔU₁～ΔU₄的值很难区分出金属异物是否存在，但由于U₁～U₄均因金属异物有较大的幅值变化，通过与无线充电系统启动时记录的线圈电压初始值进行比较，当超过一定幅度时认为金属异物存在。

异物检测流程包括两部分：充电开始前的金属异物检测和充电进行时的金属异物检测。虽然在充电开始前系统包含金属异物并不会造成危害，但由于系统启动后需要设定一个检测线圈感应电压参考值，若此时线圈平面已经存在异物，则对于无线充电系统来说是一个极大的安全隐患。

步骤1：充电开始前的金属异物检测

检测流程如图5所示，由于充电开始前系统不存在接收线圈，仅包括发射线圈和检测线圈，此时对发射线圈施加一个激励电压，同样会在检测线圈上产生感应电压，因此之前提出的异物检测方法依然有效。通过检测四个线圈的感应电压并与阈值作比较，当四个线圈的感应电压同时超过阈值时闭锁系统，认定为不可充电状态。由于四个检测线圈结构相同并处于相同的环境，理论上在没有金属异物时四个检测线圈的感应电压应该相同。若某一线圈的感应电压与设定阈值相差较多时，则可以认定该线圈平面出现了金属异物，并认定系统处于不可充电状态。

步骤2：充电进行时的金属异物检测

检测流程如图6所示，由于无线充电充电系统有一个较短的启动过程，在已经确定充电开始前没有金属异物的情况下，在启动过程中不进行金属异物判断，并将系统完全启动后的感应电压作为基准值，由于发射端的逆变器输出电压保持不变，根据LCC补偿拓扑的特性，发射线圈的电流不会发生较大改变，电池的充电由接收端的DC/DC电路控制，从而满足其电压和电流的需求，完成电池的三段式充电(恒压-恒流-涓流)，延长电池寿命。之后的金属异物判定与充电开始前的判定较为类似，采集四个检测线圈的感应电压，并得到他们的差值，在四个感应电压差值均不超过一定阈值时，认定无金属异物存在，当某一感应电压差值超过阈值时，认定金属异物存在，系统发出警告并停止充电，同时设定一个系统保护，当四个检测线圈的感应电压同时超过阈值时，认定为系统异常状态，发出警告并停止充电。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种电动汽车无线充电系统异物检测方法，用于检测无线充电系统中是否有金属异物，所述系统包括带有检测线圈的检测电路、基于LCC-S补偿拓扑的发射线圈的发射电路和带有接收线圈的接收电路；

其特征在于：所述检测线圈包括相同且布满发射线圈平面的检测线圈Ⅰ、检测线圈Ⅱ、检测线圈Ⅲ和检测线圈Ⅳ。

所述方法包括如下步骤:

步骤1：充电开始前的金属异物检测；对发射线圈施加一个激励电压，采集检测线圈的感应电压并与设定的阈值作比较，感应电压同时超过设定的电压阈值和某一线圈的感应电压与设定的电压阈值相差较多时，存在金属异物；检测感应电压没有超过设定的电压阈值，则不存在金属异物；

步骤2：充电进行时的金属异物检测，将系统完全启动后的感应电压作为基准值，采集检测线圈的感应电压并作差值，与设定的阈值作比较，感应电压差值超过阈值，发出警告并停止充电；感应电压差值未超过设定的电压阈值，充电系统安全。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电系统异物检测方法，其特征在于：充电进行时的金属异物检测如下：

定义检测感应电压为检测线圈Ⅰ、检测线圈Ⅱ、检测线圈Ⅲ和检测线圈Ⅳ的感应电压U₁、U₂、U₃和U₄，；以及ΔU₁、ΔU₁、ΔU₁和ΔU₄，Δ为两线圈感应电压的差值；

只有U₁发生了变化时，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁与ΔU₄会产生变化，金属异物仅对线圈1参数产生影响；

U₁与U₃发生了变化时，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁～ΔU₄均会产生变化，且ΔU₁＝ΔU₄，ΔU₂＝ΔU₃，金属异物对于线圈1和线圈3参数产生影响；

U₁与U₂发生了变化，根据ΔU₁～ΔU₄的定义，ΔU₁、ΔU₂与ΔU₄会产生变化，因此会有ΔU₂>ΔU₁，ΔU₄>ΔU₁，金属异物对于线圈1和线圈2参数产生影响；

U₁～U₄均发生了变化，通过与无线充电系统启动时记录的线圈电压初始值进行比较，当超过设定值时认为金属异物存在。