CN110535253B - 应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法 - Google Patents

应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法，紧贴发射线圈安装由上下两层检测线圈组成的检测线圈系统，每层检测线圈都由两个单元检测线圈构成，每个单元检测线圈为“日”字形平衡线圈；可使每个单元检测线圈的两侧通过磁通相同时两侧产生大小相同方向相反的感应电压；上下两层的“日”字形平衡线圈成90度排列，将发射线圈的上表面分成大小相同的4个检测区；接收检测线圈系统中两个检测线圈的感应电压值，一个异物的侵入可同时影响上下各一个单元检测线圈的感应电压，被影响的上下两个单元检测线圈可确定4个检测区中的侵入区。检测线圈对于系统传输效率几乎没有影响；该检测方法具有检测灵敏，检测实时性高，无检测死区的优点。

Description

应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法
技术领域
本发明涉及一种金属异物检测技术，特别涉及一种应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法。
背景技术
处于高频交变磁场环境下的金属异物因涡流效应会对无线电能传输造成极大的安全隐患。为此，采用不同方法的异物检测系统的研究成为无线电能传输技术研究的热点。其中，根据传输功率的变化对金属异物进行检测是最常见的方法，但由于体积小的金属异物造成的功耗很小，因此检测精度较低。还有研究人员提出采用热成像探头对金属异物进行检测的方法，也就是利用金属异物因涡流效应造成的温度升高来对异物进行检测。这种方法和前面的方法相比，检测灵敏度有一定的提高，但是热成像探头脆弱易损坏，且异物的检测只能在异物产生了功耗，温度升高之后进行检测，存在严重的延时性。
随着无线电能传输技术在功率、效率和传输距离等方面的日趋成熟，该技术的研究重点开始更多的转向系统的安全性和可靠性；当有金属异物存在于线圈间隙中时，金属异物在交变磁场的作用下势必会造成涡流损耗，在降低系统传输效率的同时会释放大量的热量，使异物温度急剧升高，降低系统的安全性；目前提出的传输功率和热成像探头检测方法存在检测精度低，检测延时性高等缺陷。
发明内容
本发明是针对金属异物检测的精度和灵敏度的问题，提出了一种应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法，采用两级检测线圈，每级检测线圈由两个单元平衡检测线圈构成，当有异物存在于线圈间隙时，异物将会打破单元平衡检测线圈原本平衡的状态，输出的感应电压升高，通过两级检测线圈互相配合实现对金属异物的定位。该检测方法具有造价低，参数提取简单，检测实时性好，响应灵敏度高、无检测死区等优点。仿真和实验结果表明当取阈值电压1.7V时，该检测方法可以将侵入系统的大小为20mm*20mm*20mm的铁块检测出来。
本发明的技术方案为：一种应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法，紧贴发射线圈安装检测线圈系统，检测线圈系统由上下两层检测线圈组成，贴近发射线圈一层检测线圈为一级检测线圈，另一上面一层检测线圈为二级检测线圈；每级检测线圈都由两个单元检测线圈构成，每个单元检测线圈为“日”字形平衡线圈，平衡线圈两侧采用反向绕制的方式，反向绕制的两侧要大小相等、形状相同，可使每个单元检测线圈的两侧通过磁通相同时两侧产生大小相同方向相反的感应电压；并且构成每一级的两个单元检测线圈大小、形状也要相同，每级中两个并列紧靠的单元检测线圈正好覆盖发射线圈的上表面，上下两层的“日”字形平衡线圈成90度排列，将发射线圈的上表面分成大小相同的4个检测区；接收检测线圈系统中两个检测线圈的感应电压值，一个异物的侵入同时影响两级检测线圈中的各一个单元检测线圈的感应电压，被影响的上下两个单元检测线圈确定4个检测区中的侵入区。
所述检测线圈系统进行检测前，需确定平衡检测线圈的阈值电压，平衡检测线圈处于完全对称的发射线圈磁场中时，如无异物其平衡检测线圈输出的感应电压为零伏，为理想状态；通过对Maxwell中的磁耦合执行机构模型和Simplorer中的外电路建立联合仿真，将不同金属材料和大小的异物对于一次侧磁场磁感应强度的影响反映到检测线圈的感应电压中，检测线圈输出的感应电压大小和发射线圈产生的磁场的幅值成正比，找到磁场强度影响最小的材料处于发射线圈产生的磁场磁感应强度最小的区域时，检测线圈能够检测出的最小面积和厚度；使用磁场强度影响最小的材料根据异物最小面积和厚度进行的仿真，得到检测线圈的阈值电压。
本发明的有益效果在于：本发明应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法，检测线圈直接和电压表相连，回路电阻无限大，检测线圈对于系统传输效率几乎没有影响；该检测方法通过测量异物改变线圈间隙磁场分布造成的感应电压变化实现对异物的定位检测，具有检测灵敏，检测实时性高，无检测死区的优点；利用附加多级检测线圈对异物进行定位检测，用户可以根据实际需求调整定位精度，灵活性高；检测线圈采用单匝平衡检测线圈，绕制方式简单，造价低。
附图说明
图1为本发明带有两级检测线圈的磁耦合执行机构示意图；
图2为本发明铁块侵入时发射线圈上表面磁感应强度云图；
图3为本发明铁磁性金属附加磁场与原磁场叠加示意图；
图4a为本发明发射线圈表面特定取值线上磁感应强度大小在同一位置大小相同材质不同的异物的仿真结果图；
图4b为本发明发射线圈表面特定取值线上磁感应强度大小在同一位置大小不同的铁块的仿真结果图；
图4c为本发明发射线圈表面特定取值线上磁感应强度大小在同一分区不同位置大小相同的铁块的仿真结果图；
图5为本发明两级检测线圈结构图；
图6为本发明两级检测线圈检测分区图；
图7为本发明带有检测线圈的磁耦合执行机构模型等效电路模型图；
图8a为本发明同一位置大小相同材质不同的异物下检测线圈输出电压的仿真结果图；
图8b为本发明同一分区不同位置大小相同的铁块下检测线圈输出电压的仿真结果图；
图8c为本发明同一位置大小不同的铁块下检测线圈输出电压的仿真结果图；图9a为本发明铁块置于a分区的仿真结果图；
图9b为本发明铁块置于b分区的仿真结果图；
图9c为本发明铁块置于c分区的仿真结果图；
图9d为本发明铁块置于d分区的仿真结果图。
具体实施方式
1、金属异物对磁场的影响：为了分析金属异物对发射端磁场特性的影响并获得有效的检测原理，在Maxwell中搭建如图1所示带有两级检测线圈的磁耦合执行机构模型，在两块正对的屏蔽铝板之间，靠近铝板分别搁置发射和接收线圈，在发射接收线圈与铝板的空隙间等间距放置铁氧体，为了测试需要，在发射线圈上表面附加两级平衡检测线圈系统，用于金属异物定位检测。仿真分析金属异物在不同情况下对发射线圈原磁场的影响。模型参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002199022260000041
如图2所示铁块侵入时发射线圈上表面磁感应强度云图，金属异物由120mm*120mm*20mm的铁块模拟，仿真结果显示铁块所处区域的磁感应强度由原来的深灰渐变为浅灰，有了明显的增强。
为了研究分析不同材质金属对于磁场的影响，分别将大小、形状都想同的铁、铜、铝置于发射和接收线圈之间，观察三种不同材质金属对磁感应强度B的影响。
为了研究分析不同材质金属对于磁场的影响，分别将大小、形状都想同的铁、铜、铝置于发射和接收线圈之间，观察三种不同材质金属对磁感应强度B的影响。
图4a为当相位取0deg时，穿过三种异物的观测线上的磁感应强度仿真曲线图。如图4a所示，当系统中没有金属异物时，发射线圈产生的磁场呈对称分布。当铜块侵入系统，异物附近磁场的磁感应强度明显减小，而无异物侧磁场的磁感应强度没有发生明显的变化。这是因为当发射线圈通以交流电流I1时,在线圈周围就会产生一个交变磁场H1,非铁磁金属处于交变磁场中时金属内便感应出涡电流I2,该涡电流I2也将产生一个与H1方向相反的新磁场H2,力图削弱原磁场H1,从而削弱发射线圈的磁感应强度。铝和铜的电导率数量级都为-8，在一次侧磁场频率一定的情况下两种材质因涡流产生的磁场H2大致相同，因此仿真结果图中铜和铝的曲线是基本重合的。由于铁磁特性，铁块侵入系统对原磁场的影响和前面的金属就大不相同。铁块附近磁场的磁感应强度明显增大，且当金属异物面积越大，厚度越厚，铁磁性金属产生的附加磁场磁感应强度越大，对原磁场磁感应强度造成的影响越大。这是因为当磁性材料靠近通电的测量线圈时，会被通电线圈产生的磁场B1磁化，磁化后材料内部磁偶极子的对准排列会产生附加磁场B2，这个附加磁场与发射线圈产生的磁场方向一致，这样线圈间隙中的总磁场就变为B1+B2，如图3所示。如图4b所示，将不同面积的铁块置于发射和接收线圈之间，当铁块的厚度一定时，铁块对于原磁场磁感应强度的影响随着铁块面积增大而增强；而当铁块面积一定时，铁块对于原磁场磁感应强度的影响随着铁块厚度的增加而增强。因为发射线圈产生的磁场是对称而不均匀的，同一个金属异物处于同一分区的不同位置时，金属异物对于原磁场的影响程度也是不同的，如图4c所示，发射线圈由外到内，原磁场的磁场强度从最小值增大到最大值后又降至一个稳定值，并且当异物处于如图6中B、C、D这些原磁场磁场强度越大的外围区域时异物对原磁场的影响就越显著。
2、两级检测线圈系统的基本原理
紧贴发射线圈安装的检测线圈系统，由上下两层检测线圈组成，贴近发射线圈一层检测线圈为一级检测线圈，另一上面一层检测线圈为二级检测线圈，每级检测线圈都由两个单元检测线圈构成，如图5所示将矩形发射线圈从左上角开始逆时针分成大小、形状相同的的1、2、3、4分块，如图6所示一级检测线圈的两个单元检测线圈编号为1-1和1-2，二级检测线圈的两个单元检测线圈编号为2-1和2-2，单元检测线圈1-1在矩形发射线圈1和2分块上方；单元检测线圈1-2在矩形发射线圈3和4分块上方；单元检测线圈2-1在矩形发射线圈1和4分块上方；单元检测线圈2-2在矩形发射线圈2和3分块上方。每个单元检测线圈都是平衡线圈，即每个单元检测线圈两侧采用反向绕制的方式形成“日”字形线圈，因此每个单元检测线圈的两侧通过的磁通相同时两侧产生大小相同方向相反的感应电压。当测量整个单元检测线圈的输出电压时，两侧产生的感应电压相互抵消，每个单元检测线圈输出的感应电压为零。当异物侵入传输系统，干扰所处区域的磁场分布，进而打破该区域内的单元检测线圈原本平衡的状态，单元检测线圈输出的感应电压不再是零伏。因此检测各单元检测线圈的输出感应电压值就可以对系统中的金属异物进行检测。在该检测系统中，一个异物的侵入会同时影响两级检测线圈的感应电压，两级检测线圈相互配合对金属异物进行定位。如图6所示，发射线圈的上表面1、2、3、4分块对应两级检测线圈a、b、c、d四个检测分区，当金属异物侵入不同的分区，检测电压升高的检测线圈也就不同，进而实现了对侵入发射线圈上表面1、2、3、4分块金属异物的定位检测。要特别说明的是每个单元检测线圈反向绕制的两侧要大小相等、形状相同；且构成每一级的两个单元检测线圈大小、形状也要相同，每级中两个并列紧靠的单元检测线圈能够刚好覆盖发射线圈上表面，以确保同一级中每个单元检测线圈磁场环境相同，在无异物侵入时每个单元检测线圈输出的总感应电压为零；上下两级检测线圈间的距离应尽量小，保证检测线圈和发射线圈的良好耦合，提高检测灵敏度。
图1磁耦合执行机构模型的等效电路模型如图7所示：US为高频电源，UO为检测线圈的输出感应电压，RL为负载电阻；R1、R2、R3以及L1、L2、L3分别是发射线圈、接收线圈和检测线圈回路的等效电阻和电感；M12、M13和M23分别是发射与接收、发射与检测以及检测与接收线圈之间的互感；各谐振回路的串联补偿电容为C1、C2、C3，满足
Figure BDA0002199022260000061
ω为检测系统谐振角频率。
流过各线圈的电流分别为I1、I2和I3，方向如图所示。根据基尔霍夫电压定律(KVL)得：
Figure BDA0002199022260000071
式中，
Figure BDA0002199022260000072
检测系统谐振jωLi+1/jωCi＝0(i＝1,2,3)，电流I1、I2和I3为：
Figure BDA0002199022260000073
检测系统的传输效率η表达式为：
Figure BDA0002199022260000074
因为接收线圈和检测线圈之间的距离较远且检测线圈为单匝，所以M23忽略不计，传输效率η表达式为：
Figure BDA0002199022260000075
传输效率η对R3求偏导，
Figure BDA0002199022260000081
恒大于0，因此检测系统的传输效率η随着R3的增大而增大，而检测线圈和电压表串联，所以检测线圈回路的电阻无限大，因此可以推断该检测方案引进的检测线圈对于系统传输效率几乎没有影响。
3、阈值电压的确定
当理想的平衡检测线圈处于完全对称的磁场中时，其输出的感应电压为零伏，但发射线圈产生的实际磁场难免存在一些微小误差，导致平衡检测线圈输出的感应电压略高于零伏。因此为了确定有效的阈值电压，通过对Maxwell中的磁耦合执行机构模型和Simplorer中的外电路建立联合仿真，将上述不同情况下异物对于一次侧磁场磁感应强度的影响反映到检测线圈的感应电压中。
本次仿真分别采用大小为120mm*120mm*20mm的铁块、铜块和铝块模拟金属异物，并置于发射和接收线圈之间c分区的中心区域。仿真结果如图8a所示，放入铁块时覆盖该分区的检测线圈1_2、2_2的输出电压最小，而放入铝块和铜块时1_2、2_2的输出电压基本相同且比铁块大得多。根据图7中c处于同一分区相同位置的异物对于原磁场影响情况不同的结论，我们以检测线圈输出较小的铁块为参照异物，仿真分析当铁块处于同一分区不同位置时检测线圈的输出情况。如图8(b)所示，当铁块处于图6中B、C、D这些发射线圈的外围区域时检测线圈输出的检测电压明显大于处于内部区域A时的输出检测电压。这里，我们假设检测系统工作时发射线圈输入的是正弦电流，则发射线圈产生的原磁场受铁块影响的变化量为：
ΔB＝A1 cos(ωt+θ)                       (5)
其中A1为铁块影响发射线圈原磁场变化量的幅值；θ为发射线圈原磁场的初始角；
穿过检测线圈的磁通量变化量为：
Δφ＝ΔB*S＝A1cos(ωt+θ)*S           (6)
其中S为铁块覆盖面积；
匝数为单匝的检测线圈中产生的感应电压E为磁通量变化量对时间的导数，即：
Figure BDA0002199022260000091
由此可见，当同一个系统中存在金属异物时，检测线圈输出的感应电压大小和发射线圈产生的磁场的幅值成正比，所以异物越靠近线圈外侧磁感应强度峰值区域，对应的检测线圈输出的感应电压就越大，与仿真结果相吻合
为了得到有效的检测阈值电压，需要确定当对磁场强度影响最小的材料处于原磁场磁感应强度最小的区域时检测线圈能够检测出的最小面积和厚度。因此对于异物面积和厚度的仿真，我们将不同规格铁块置于磁场强度最弱的A区域，仿真结果如图8(c)所示，当120mm*120mm*20mm的铁块置于仿真区域时，检测线圈1_2、2_2的输出电压远远大于检测线圈1_1、2_1的输出电压。随着铁块面积的减小，检测线圈1_2、2_2的输出电压减小，而检测线圈1_1、2_1的输出电压增大。当20mm*20mm*10mm的铁块置于仿真区域时，检测线圈1_2的输出电压小于没有异物时检测线圈的输出电压，而且检测线圈2_1的输出电压也超过检测线圈1_2的输出电压，此时检测线圈失去检测功能。
综上所述，我们取20mm*20mm*20mm的铁块处于c分区的D区域时的检测线圈输出电压为阈值电压，即1.7V。
4、两级检测线圈系统的可行性分析
基于检测线圈的设计结构，拟定如下表所示的单金属异物检测参照表。当金属异物侵入a分区，检测线圈1_1和2_1同时产生高电压输出；当金属异物侵入b分区，检测线圈1_1和2_2同时产生高电压输出；当金属异物侵入c分区，检测线圈1_2和2_2同时产生高电压输出；当金属异物侵入d分区，检测线圈1_2和2_1同时产生高电压输出。为了验证该检测参照表的正确性，分别将20mm*20mm*20mm铁块置于a、b、c、d四个分区，仿真结果如图9所示。仿真结果和拟定的检测参照表2一致，进一步证明该方法是一种有效的金属异物定位检测。
表2
1_1 1_2 2_1 2_2
a √ √
b √ √
c √ √
d √ √  
。

Claims (1)

1.一种应用于无线电能传输系统的两级异物定位检测方法，其特征在于，紧贴发射线圈安装检测线圈系统，检测线圈系统由上下两层检测线圈组成，贴近发射线圈一层检测线圈为一级检测线圈，另一上面一层检测线圈为二级检测线圈；每级检测线圈都由两个单元检测线圈构成，每个单元检测线圈为“日”字形平衡线圈，平衡线圈两侧采用反向绕制的方式，反向绕制的两侧要大小相等、形状相同，可使每个单元检测线圈的两侧通过磁通相同时两侧产生大小相同方向相反的感应电压；并且构成每一级的两个单元检测线圈大小、形状也要相同，每级中两个并列紧靠的单元检测线圈正好覆盖发射线圈的上表面，上下两层的“日”字形平衡线圈成90度排列，将发射线圈的上表面分成大小相同的4个检测区；接收检测线圈系统中两个检测线圈的感应电压值，一个异物的侵入同时影响两级检测线圈中的各一个单元检测线圈的感应电压，被影响的上下两个单元检测线圈确定4个检测区中的侵入区；
所述检测线圈系统进行检测前，需确定平衡检测线圈的阈值电压，平衡检测线圈处于完全对称的发射线圈磁场中时，如无异物其平衡检测线圈输出的感应电压为零伏，为理想状态；通过对Maxwell中的磁耦合执行机构模型和Simplorer中的外电路建立联合仿真，将不同金属材料和大小的异物对于一次侧磁场磁感应强度的影响反映到检测线圈的感应电压中，检测线圈输出的感应电压大小和发射线圈产生的磁场的幅值成正比，找到磁场强度影响最小的材料处于发射线圈产生的磁场磁感应强度最小的区域时，检测线圈能够检测出的最小面积和厚度；使用磁场强度影响最小的材料根据异物最小面积和厚度进行的仿真，得到检测线圈的阈值电压。
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