基于检测线圈品质因数的无线充电金属异物检测方法研究

摘要

无线充电技术由于可有效解决传统接触传导式充电方式存在的拔插过程中出现接触不良、电火花，电缆老化以及维护用人成本大等问题，具有自动化程度高的特点，逐渐受到各国的重视，成为电动汽车供电的更优之选从而得到广泛研究。为了将无线电能传输技术进行应用和推广，需从可靠性和安全性等方面加以考虑。其中，无线电能传输技术能量耦合区域内金属异物的侵入，会导致系统输出功率、效率降低，甚至出现由于涡流导致的金属异物发热等问题，从而引起安全事故。同时，不同材质的金属在系统中的发热情况也不同。因此，无线充电系统的金属异物检测技术对其未来的发展具有十分重要的作用。为了提高无线充电系统的安全和自动化程度,本文针对无线充电系统磁耦合机构间的金属异物，提出一种可区分金属异物材质的无线充电金属异物检测方法。　　（1）基于有限元仿真和电路理论，提出基于检测线圈品质因数的异物检测方法，建立了金属异物与检测线圈的互感耦合模型，分析了二者的影响规律，并以此为指导设计了具有高灵敏度的检测线圈阵列。　　（2）基于电磁场和电路理论，建立了不同材质金属对所设计检测线圈电气参数影响的数学模型，分析了铁磁性和非铁磁性金属对检测线圈自感和内阻的影响规律，并以此为基础提出了可区分异物材质的基于串联谐振的检测线圈品质因数异物检测方法。　　（3）根据电动车无线充电的实际应用场景，提出可区分金属异物材质的无线充电金属异物检测方案。设计了检测线圈的高频驱动电路和切换电路，并针对能量传输磁场的影响设计了滤波方案，同时给出了检测线圈品质因数实时计算算法、异物及材质识别算法以及谐振电容切换方案。　　（4）搭建了无线充电金属异物检测实验平台，以标准中规定的6种小尺寸异物为研究对象，模拟实际应用场景设计了2kW功率传输等级下、高度变化范围为0～3mm的异物检测和材质识别实验，以验证所设计方案的可行性和可靠性，并给出了测试结果。

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