CN111221042A - 基于等效品质因数的磁耦合wpt系统非铁磁性金属异物检测方法 - Google Patents

基于等效品质因数的磁耦合wpt系统非铁磁性金属异物检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，电路拓扑结构按照S/S型磁耦合无线电能传输系统拓扑结构设置，并确定系统等效品质因数阈值Qe；通过电压检测原边补偿电容前后两端的端电压，前端电压记为U1，后端电压记为U2；判断
Figure DDA0002359008520000011
是否超过阈值，如果超过阈值，则报警并执行异物处置进程。其效果是：实现比较简单，仅需发射端设置的两路电压检测即可判定是否存在非铁磁性金属异物，同时报警并执行异物处置进程，可实现电路自动保护、异物自动清除以及能量传输自动恢复的控制，能有效应用于S/S型磁耦合无线电能传输系统中。

Description

基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测 方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法。
背景技术
近年来，磁耦合无线电能传输(Magnetic coupling Wireless Power Transfer,简称MC-WPT)技术不断取得进步与突破，它是目前国内外极为热门的研究方向之一，应用面十分广泛，被应用到了生物医疗、工业、电动汽车、家用器械、航空航天和国防等诸多领域。
在MC-WPT系统的应用中，当金属异物存在于耦合机构之间或周围时，会导致系统电能传输性能降低、无法正常工作，甚至会引发安全隐患，所以金属异物检测技术十分重要。目前国内外有关MC-WPT系统的金属异物检测已取得很多成果，但主要集中在铁磁性金属异物检测方面，然而生活中常见的诸如铜、铝、不锈钢等非铁磁性金属也会对MC-WPT系统的性能产生影响。文献[1]基于电路理论研究了金属铝板等非铁磁性导电介质对MC-WPT系统的影响；文献[2]分析了含非铁磁性金属在内的不同磁导率的金属异物对MC-WPT系统的影响规律。而针对非铁磁性金属异物检测技术方面，现有文献大多仅分析和研究了其对MC-WPT系统的影响规律和影响机理，有关非铁磁性金属异物的检测方法鲜有报道。
参考文献：
[1]景无为.非铁磁性导电介质影响下无线传能系统的分析及优化[D]；东南大学,2016
[2]章鹏程.金属障碍物对无线电能传输系统扰动机理研究[D]；天津工业大学,2016.
发明内容
有鉴于此，本发明以S/S型磁耦合无线电能传输系统为对象，提出一种基于等效品质因数的非铁磁性金属异物检测方法，通过相关理论建模分析，并仿真和实验验证了其方法的有效性。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其关键在于按照以下步骤进行：
S1：电路拓扑结构按照S/S型磁耦合无线电能传输系统拓扑结构设置，并基于发射线圈Lp、发射线圈等效内阻Rp、接收线圈等效内阻Rs、负载等效电阻Req、系统的角频率ω以及互感系数M确定系统等效品质因数阈值Qe；
S2：通过电压传感器检测原边补偿电容Cp前后两端的端电压，前端电压记为U1，后端电压记为U2；
S3：判断
Figure BDA0002359008500000021
是否超过阈值，如果超过阈值，则报警并执行异物处置进程。
进一步地，步骤S1中按照
Figure BDA0002359008500000022
设置系统等效品质因数。
进一步地，步骤S3中按照5％Qe作为
Figure BDA0002359008500000023
的阈值。
可选地，在所述S/S型磁耦合无线电能传输系统的发射端和接收端之间设置有异物清除设备，步骤S3所执行的异物处置进程中包括启动所述异物清除设备自动清除异物。
可选地，所述异物清除设备为一块设置在发射端上的可旋转的隔板，当步骤S3检测出发射端与接收端之间的能量传输区域存在金属异物时，驱动所述隔板旋转使得所述金属异物离开所述能量传输区域。
可选地，步骤S3所执行的异物处置进程中包括按照预设时间T1周期性中断功率传输，直至异物被消除。
可选地，所述预设时间T1按照中断次数成线性增加。
本发明的有益效果：
本发明提出的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，实现比较简单，仅需发射端设置的两路电压检测即可判定是否存在非铁磁性金属异物，同时报警并执行异物处置进程，可实现电路自动保护、异物自动清除以及能量传输自动恢复的控制，能有效应用于S/S型磁耦合无线电能传输系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施例中的S/S型磁耦合WPT系统拓扑电路；
图2为图1中接收端移除后的系统等效电路；
图3为图1的等效电路；
图4为非铁磁性金属异物影响下的S/S型MC-WPT系统等效电路图；
图5为存在非铁磁性金属异物的S/S型磁耦合WPT系统仿真模型；
图6为无异物/含异物回路的Qe波形图；
图7为具体实施例中无金属异物时波形图；
图8为具体实施例中金属物为铜质散热片的波形图；
图9为金属物为铝质保护壳的波形图；
图10为金属物为不锈钢方形薄片的波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本实施例提供一种基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，按照以下步骤进行：
S1：电路拓扑结构按照S/S型磁耦合无线电能传输系统拓扑结构设置，如图1所示，系统主要分为能量发射端和接收端两部分。在能量发射端，直流电压源Udc提供整个系统的电能输入，MOSFET S1-S4构成高频逆变电路，发射线圈LP和补偿电容Cp串联构成了发射端串联谐振回路。在能量接收端，接收线圈LS和补偿电容Cs串联构成拾取端谐振回路，二极管D1-D4和滤波电容CL构成整流滤波电路，将拾取端接收到的交流电能转换为直流电传递给负载RL。
S/S型MC-WPT系统主要具有结构简单、鲁棒性较强、输出电压增益较高等优点，并广泛应用于电动汽车无线充/供电、煤矿井下设备无线供电等领域。因此，本实施例以S/S型MC-WPT系统为对象，围绕非铁磁性金属异物检测方法展开研究。为了提高MC-WPT系统的电能传输性能，一般会使系统的工作角频率ω等于发射端、拾取端的固有谐振频率ω0，即满足如下关系：
Figure BDA0002359008500000041
S/S磁耦合WPT系统接收端移除后的等效电路如图2所示。
Figure BDA0002359008500000042
为等效逆变输出方波电压源，Rp、Lp分别为发射线圈等效串联电阻和发射线圈自感，Cp为发射端补偿电容。根据基波近似原理进行分析，图示中的
Figure BDA0002359008500000043
和
Figure BDA0002359008500000044
可表示为：
Figure BDA0002359008500000045
Figure BDA0002359008500000046
当电路处于谐振状态时，将
Figure BDA0002359008500000047
比上
Figure BDA0002359008500000048
可得：
Figure BDA0002359008500000051
其中
Figure BDA0002359008500000052
为图2所示系统的品质因数，U2、U1分别为
Figure BDA0002359008500000053
的有效值。
由式(4)可以看出，U2/U1只与系统的品质因数Qp相关。对于磁耦合无线电能传输系统，系统的品质因数是其非常重要的参数，它反映的是电路谐振的强弱程度，它的大小直接影响了系统的性能，可以作为评判电路损耗情况的重要指标。因此，本发明将U2/U1定义为等效品质因数，用Qe表示：
Figure BDA0002359008500000054
S/S型MC-WPT系统的等效电路图如图3所示。
Figure BDA0002359008500000055
为等效逆变输出方波电压源，Rp、Lp分别为发射线圈等效串联电阻和发射线圈自感，Cp为发射端补偿电容。Rs、Ls分别为接收线圈等效串联电阻和接收线圈自感，Cs拾取端串联补偿电容，Req为整流滤波电路与负载的等效电阻，Req＝RL·8/π2。M为耦合机构的互感，流经发射端和拾取端的电流分别为
Figure BDA0002359008500000056
和
Figure BDA0002359008500000057
同理可得发射端和拾取端的KVL方程：
Figure BDA0002359008500000058
Figure BDA0002359008500000059
Figure BDA00023590085000000510
其中，Zp和Zs分别是发射端和拾取端的阻抗。
由式(6)可求得流经发射端电流
Figure BDA0002359008500000061
表达式为：
Figure BDA0002359008500000062
此时的
Figure BDA0002359008500000063
和
Figure BDA0002359008500000064
可分别表示为：
Figure BDA0002359008500000065
Figure BDA0002359008500000066
由式(10)和式(11)可得，S/S型MC-WPT系统无金属异物时等效品质因数Qe为：
Figure BDA0002359008500000067
由式(12)可以看出，当SS型MC-WPT系统不存在金属异物时，系统的等效品质因数值仅与本身系统参数相关联，当系统参数一旦确定，电路的等效品质因数Qe则是个定值。
因此，本步骤中，基于发射线圈Lp、发射线圈等效内阻Rp、接收线圈等效内阻Rs、负载等效电阻Req、系统的角频率ω以及互感系数M确定系统等效品质因数阈值Qe，即可按照
Figure BDA0002359008500000068
设置系统等效品质因数。
MC-WPT系统耦合机构之间或周围出现的非铁磁性导电介质可以被等效为一个电感Lm和电阻Rm串联的涡流计算回路，即可将含非铁磁性金属异物的S/S型MC-WPT系统等效为如图4所示的电路。在非铁磁性金属异物的等效电路中，Rm为涡流计算回路内阻，表示涡流引起的能量损耗，Lm为涡流计算回路等效电感，表示涡流磁场对谐振线圈磁场的影响，Mpm和Msm分别代表金属异物与发射线圈和接收线圈的耦合互感。当电路处于谐振状态时，原边电路、副边电路和非铁磁性金属异物等效回路方程可分别表示为：
Figure BDA0002359008500000071
其中，Zm为异物电路等效电抗。
同理，由式(13)可求得存在非铁磁性金属异物时等效品质因数Qe为：
Figure BDA0002359008500000072
从上述分析中可以看出，在存在非铁磁性金属异物的MC-WPT系统等效品质因数表达式中，除了金属异物等效回路中的参数Rm、Lm、Mpm和Msm以外，其他均为系统参数。当系统参数一旦确定，电路的等效品质因数Qe只与非铁磁性金属异物的参数相关。因此当耦合机构的之间或周围出现非铁磁性金属异物后，等效品质因数Qe会发生改变，变化程度仅与非铁磁性金属异物的尺寸和种类有关。因此可将Qe作为判断系统中是否存在非铁磁性金属异物的评判依据，即设计出后续步骤S2和S3。
S2：通过电压传感器检测原边补偿电容Cp前后两端的端电压，前端电压记为U1，后端电压记为U2；
S3：判断
Figure BDA0002359008500000073
是否超过阈值，如果超过阈值，则报警并执行异物处置进程。
鉴于实际运行中系统的检测误差，具体实施时，步骤S3中可以按照5％Qe作为
Figure BDA0002359008500000081
的阈值。
现有的各项检测手段仅仅在于异物发现并报警，报警后往往采用强制断电措施，需要人为清除并重启系统，控制不够方便，作为本发明的进一步改进，在上述异物检测的基础上，为了实现异物的自动清除，在所述S/S型磁耦合无线电能传输系统的发射端和接收端之间设置有异物清除设备，步骤S3所执行的异物处置进程中包括启动所述异物清除设备自动清除异物。
具体实施时，所述异物清除设备为一块设置在发射端上的可旋转的隔板，当步骤S3检测出发射端与接收端之间的能量传输区域存在金属异物时，驱动所述隔板旋转使得所述金属异物离开所述能量传输区域，隔板可以采用塑料隔板，可以水平旋转预设角度，也可以竖直旋转预设角度，带动异物离开即可。
为了实现电路的自动保护并确保异物清除时功率传输能够自动恢复，步骤S3所执行的异物处置进程中包括按照预设时间T1周期性中断功率传输，直至异物被消除。
具体实施时，所述预设时间T1按照中断次数成线性增加，比如T1＝nT0，n为中断次数，基于计数器可以逐渐递增，T0为固定的时间长度，这样设计，长时间异物未清除时，可以增加功率停止传输的时间，仅需短暂时间的测试能量实现异物检测即可，从而既能确保自动检测，又能减少能量的耗散，同时避免因为异物存在而长时间功能传输导致系统的损坏。
基于上述分析，为了进一步说明本发明的技术效果，下面通过系统建模进行仿真验证，本实施例在MATLAB/Simulink建立存在非铁磁性金属异物的S/S型磁耦合WPT系统仿真模型如图5所示，系统的主要参数如表1所示，通过仿真对基于等效品质因数的非铁磁性金属异物检测方法进行验证。
基于图4所建立的等效电路模型，将非铁磁性金属异物以一个新介入电路的形式体现到仿真模型中，如图5所示，涡流计算回路仿真参数见表2。在仿真验证时，只需将电阻模块“RL2”设置为开路，即可进行不存在非铁磁性金属异物的S/S型磁耦合WPT系统仿真。
表1系统仿真参数
Figure BDA0002359008500000091
表2金属异物等效回路仿真参数
Figure BDA0002359008500000092
经过仿真，无金属异物回路的MC-WPT系统和加入金属异物回路的MC-WPT系统的等效品质因数变化曲线如图6所示，其中实线表示无金属异物回路的等效品质因数Qe曲线，虚线表示含金属异物回路的等效品质因数Qe曲线。从仿真结果中可以看出，当系统不含金属异物时，其等效品质因数约为14.88，在加入金属异物后，系统的等效品质因数值有较大幅度降低，约为9.65。从仿真结果可以看出基于本文提出的基于等效品质因数的变化能够有效地实现金属异物的检测。
为进一步验证其可行性，根据图1的系统拓扑和表1的系统参数，本实施例还搭建了具有非铁磁性金属异物检测功能的S/S型MC-WPT系统样机。实验装置主要包含直流电源、逆变电路、FPGA最小系统板、STM32开发板、耦合机构、发射端/拾取端补偿电容、整流桥和负载功率电阻几部分。其中，FPGA控制频率合成模块产生高频方波信号，用以驱动逆变电路中的MOSFET IRPF460，STM32开发板用于系统中
Figure BDA0002359008500000093
和
Figure BDA0002359008500000094
数据的实时采集和等效品质因数计算，并给出显示结果。
当系统工作于无金属异物状态下，通过示波器测量出
Figure BDA0002359008500000101
和
Figure BDA0002359008500000102
波形如图7所示，A为原边补偿电容Cp后端的电压
Figure BDA0002359008500000103
其有效值为43.4V，B为逆变输出方波电压，即原边补偿电容Cp前端的电压
Figure BDA0002359008500000104
其有效值为4.91V。由此可测得本系统在无非铁磁性金属异物状态下的等效品质因数为8.8。
将铜质散热片、铝质保护壳、不锈钢方形薄片(具体尺寸见表3)3种非铁磁性金属异物分别放置于系统传能通道之间的同一位置进行检测，通过示波器测量出
Figure BDA0002359008500000105
和
Figure BDA0002359008500000106
的波形如图8-图10所示。
通过示波器测试的波形得到对应的等效品质因数和无金属异物时的等效品质因数如表3所示，其与系统样机测试的显示结果基本一致。从实验结果可以看出，相比于无非铁磁性金属异物状态下的等效品质因数都有一定程度降低。实验结果进一步证明，非铁磁性金属异物对等效品质因数Qe存在较大程度的影响，可以通过检测等效品质因数判断非铁磁性金属异物的有无。
综上所述，本发明对MC-WPT系统非铁磁性金属异物检测技术进行了研究。以S/S型磁耦合WPT系统为对象，提出了一种基于等效品质因数的非铁磁性金属异物检测方法。通过对存在非铁磁性金属异物的MC-WPT系统进行理论分析，建立了S/S型磁耦合WPT系统等效品质因数模型；通过MATLAB/Simulink建立了含有非铁磁性金属异物的S/S型MC-WPT系统仿真模型，给出了仿真验证结果；搭建了相应的实验装置，进行了实验验证。仿真和实验结果均表明，等效品质因数可以作为非铁磁性金属异物检测的依据，基于等效品质因数的金属异物检测方法可以有效检测出发射端和接收端之间或周围的非铁磁性金属异物，并且实现比较简单。
此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于按照以下步骤进行：
S1：电路拓扑结构按照S/S型磁耦合无线电能传输系统拓扑结构设置，并基于发射线圈Lp、发射线圈等效内阻Rp、接收线圈等效内阻Rs、负载等效电阻Req、系统的角频率ω以及互感系数M确定系统等效品质因数阈值Qe；
S2：通过电压传感器检测原边补偿电容Cp前后两端的端电压，前端电压记为U1，后端电压记为U2；
S3：判断
Figure FDA0002359008490000011
是否超过阈值，如果超过阈值，则报警并执行异物处置进程。
2.根据权利要求1所述的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于，步骤S1中按照
Figure FDA0002359008490000012
设置系统等效品质因数。
3.根据权利要求2所述的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于，步骤S3中按照5％Qe作为
Figure FDA0002359008490000013
的阈值。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于：在所述S/S型磁耦合无线电能传输系统的发射端和接收端之间设置有异物清除设备，步骤S3所执行的异物处置进程中包括启动所述异物清除设备自动清除异物。
5.根据权利要求4所述的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于：所述异物清除设备为一块设置在发射端上的可旋转的隔板，当步骤S3检测出发射端与接收端之间的能量传输区域存在金属异物时，驱动所述隔板旋转使得所述金属异物离开所述能量传输区域。
6.根据权利要求1-3任一所述的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于：步骤S3所执行的异物处置进程中包括按照预设时间T1周期性中断功率传输，直至异物被消除。
7.根据权利要求6所述的基于等效品质因数的磁耦合WPT系统非铁磁性金属异物检测方法，其特征在于：所述预设时间T1按照中断次数成线性增加。
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