李 川，張寶強(qiáng)，王朝暉，黃 炘，孔治國(guó)，蘭 昊

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 引言

無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer，WPT）是一種綜合利用電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論并通過(guò)軟介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能從電源以非電氣接觸的方式傳遞到負(fù)載的技術(shù)，具有安全、可靠、靈活等優(yōu)點(diǎn)［1］。具體應(yīng)用到電動(dòng)汽車領(lǐng)域，磁耦合無(wú)線充電技術(shù) （Magnetic Field Wireless Power Transfer，MF-WPT）是目前的主流技術(shù)發(fā)展方向［2］。MFWPT利用發(fā)射線圈和接收線圈之間的高頻交變耦合磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能傳輸。在電動(dòng)汽車進(jìn)行無(wú)線充電的過(guò)程中，無(wú)線充電系統(tǒng)往往會(huì)受到周圍環(huán)境因素的影響，例如鐵釘、易拉罐等。當(dāng)這些物品位于電動(dòng)汽車無(wú)線充電工作區(qū)域內(nèi)，無(wú)線充電的傳輸功率和效率都會(huì)受到影響，甚至產(chǎn)生更嚴(yán)重的安全隱患。此外，無(wú)線充電過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射也可能會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生傷害。因此，電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境物品的檢測(cè)技術(shù)值得重點(diǎn)關(guān)注。

2 電動(dòng)汽車無(wú)線充電異物檢測(cè)

由于電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)屬于無(wú)線電能傳輸技術(shù)在電動(dòng)汽車方面的具體應(yīng)用，因此電動(dòng)汽車無(wú)線充電的異物檢測(cè)概念也引申自無(wú)線電能傳輸?shù)漠愇餀z測(cè)。Qi標(biāo)準(zhǔn)V1.2.3版本對(duì)異物和異物檢測(cè)的定義為：所有不屬于無(wú)線電能傳輸設(shè)備但會(huì)出現(xiàn)在發(fā)射/接收線圈表面的物體均被稱為異物，異物檢測(cè)是一個(gè)由發(fā)射裝置或接收裝置執(zhí)行的過(guò)程，用于確定發(fā)射線圈表面是否存在異物。

具體在電動(dòng)汽車無(wú)線充電領(lǐng)域，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775.1-2020《電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》對(duì)異物的定義為：異物是位于原邊設(shè)備和副邊設(shè)備的任何物體，其既不是電動(dòng)汽車的一部分，也不是電動(dòng)汽車無(wú)線充電位的一部分［3］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775.3-2020《電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng) 第3部分：特殊要求》對(duì)異物檢測(cè)的要求為：磁耦合WPT系統(tǒng)地面設(shè)備應(yīng)具備異物檢測(cè)功能，能夠識(shí)別原邊設(shè)備上方影響無(wú)線電能傳輸?shù)漠愇?。若檢測(cè)到異物，則磁耦合WPT系統(tǒng)發(fā)出警告，并停止充電或不啟動(dòng)充電［4］。SAE J2954-2019中規(guī)定異物檢測(cè)的目的：確保發(fā)射線圈和接收線圈之間的異物在車輛完成充電駛離后，不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高灼傷其他生物或者損害地面端設(shè)備的表面。

目前，異物檢測(cè)技術(shù)尚處于初步研究階段，主要圍繞金屬異物檢測(cè)（metal object detection，MOD）技術(shù)和生物體異物檢測(cè)（living object detection，LOD）技術(shù)兩方面展開(kāi)［5］。本文借鑒了文獻(xiàn)［6］中關(guān)于異物和異物檢測(cè)的定義，其統(tǒng)一將金屬異物和生物稱之為異物，定義為：不屬于無(wú)線充電系統(tǒng)的一部分，但是會(huì)影響系統(tǒng)傳輸性能和安全性的物體或可能會(huì)受到系統(tǒng)電磁輻射影響的生物體，如金屬、非金屬磁性材料、人體等。其定義異物檢測(cè)技術(shù)為通過(guò)傳感器或電氣檢測(cè)方法，探測(cè)和識(shí)別發(fā)射/接收線圈之間或周圍的異物，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警等相關(guān)技術(shù)。

3 國(guó)內(nèi)異物檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 中興無(wú)線充電異物檢測(cè)功能技術(shù)現(xiàn)狀

3.1.1 活物檢測(cè)功能

采用的是雷達(dá)檢測(cè)的技術(shù)方案。選取的測(cè)試對(duì)象包括運(yùn)動(dòng)的手掌、5cm水球、樹(shù)葉、白色塑料袋，活物入侵速率為1000mm/s。圖1為中興活物檢測(cè)技術(shù)方案示意圖。

該方案的優(yōu)點(diǎn)為有車與沒(méi)車檢測(cè)范圍一致（除輪胎遮擋區(qū)域無(wú)信號(hào)外），缺點(diǎn)包括：①由于雷達(dá)檢測(cè)角的問(wèn)題，活物在高于地面一定高度后檢測(cè)不到；②水球尺寸太小，反射面較小，若雷達(dá)檢測(cè)精度不夠，檢測(cè)區(qū)域受限；③樹(shù)葉在近距離（3～5cm）可以檢測(cè)到，因此若無(wú)線充電設(shè)備在室外停車場(chǎng)可能會(huì)造成誤檢測(cè)。

3.1.2 金屬異物檢測(cè)功能

采用的是通過(guò)檢測(cè)線圈的電信號(hào)變化檢測(cè)異物。具體實(shí)現(xiàn)為在地面線圈上方、棋盤(pán)檢測(cè)線圈下方，增加激勵(lì)線圈；給激勵(lì)線圈加激勵(lì)后產(chǎn)生磁場(chǎng)，棋盤(pán)檢測(cè)線圈在磁場(chǎng)感應(yīng)的原理下產(chǎn)生感應(yīng)電壓；金屬異物的渦流會(huì)影響磁場(chǎng)，引起檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓和阻抗的變化。圖2為中興金屬異物檢測(cè)技術(shù)方案示意圖。

圖2 中興金屬異物檢測(cè)技術(shù)方案示意圖

該方案可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)檢測(cè)異物，缺點(diǎn)包括：①空間異物及訂書(shū)針大小的異物檢測(cè)難度較大，需要提升異物檢測(cè)精度；②異物檢測(cè)精度提升容易引起誤檢，如樹(shù)葉、水瓶等非金屬異物也可能引起誤檢；③不同的使用環(huán)境會(huì)引起“檢測(cè)線圈”參數(shù)變化，進(jìn)一步影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。

3.2 中惠創(chuàng)智無(wú)線充電異物檢測(cè)功能技術(shù)現(xiàn)狀

3.2.1 活物檢測(cè)功能

采用多普勒雷達(dá)檢測(cè)，發(fā)射線圈四周安裝8只多普勒雷達(dá)傳感器，通過(guò)檢測(cè)距離和速度信息來(lái)判斷是否有活體進(jìn)入充電區(qū)域。

檢測(cè)方法為采用直徑5cm的水球作為被測(cè)試對(duì)象，測(cè)試時(shí)，水球以1m/s的速度從不同方向侵入活體保護(hù)區(qū)域。當(dāng)被測(cè)物體侵入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)能夠檢測(cè)到異物入侵，并進(jìn)行關(guān)機(jī)或降功率運(yùn)行或進(jìn)行其他保證入侵物體的安全的措施，則判定系統(tǒng)具有活體保護(hù)功能。圖3為中惠創(chuàng)智活物檢測(cè)方案示意圖。

圖3 中惠創(chuàng)智活物檢測(cè)方案示意圖

該方案技術(shù)成熟，容易實(shí)現(xiàn)；運(yùn)行穩(wěn)定，不易受磁場(chǎng)環(huán)境天氣情況等影響。但是僅能檢測(cè)快速移動(dòng)的物體，且與物體大小及材質(zhì)有關(guān)；不能區(qū)分是否活體；檢測(cè)區(qū)域不能覆蓋線圈上方；線圈安裝只能地上安裝，地埋安裝則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 金屬異物檢測(cè)功能

采用差分式線圈有源檢測(cè)方案，利用高頻信號(hào)源產(chǎn)生的磁場(chǎng)激勵(lì)，系統(tǒng)主要由高頻信號(hào)源、檢測(cè)線圈、處理電路、電源電路4個(gè)部分組成。檢測(cè)方法為：充電區(qū)域設(shè)置若干坐標(biāo)點(diǎn)，記錄各坐標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)出不同異物的反應(yīng)時(shí)間。圖4為中惠創(chuàng)智金屬異物檢測(cè)方案示意圖。

圖4 中惠創(chuàng)智金屬異物檢測(cè)方案示意圖

該方案的檢測(cè)系統(tǒng)與原無(wú)線充電系統(tǒng)信號(hào)區(qū)別不大，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)；檢測(cè)范圍可隨意設(shè)計(jì)，也解決了無(wú)源檢測(cè)方案中的缺點(diǎn)，主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)能力都有增強(qiáng)。

但是系統(tǒng)電路復(fù)雜，成本較高；異物檢測(cè)系統(tǒng)不間斷發(fā)射高頻磁場(chǎng)，功耗較高。

3.3 華為無(wú)線充電異物檢測(cè)功能技術(shù)現(xiàn)狀

3.3.1 活物檢測(cè)功能

華為活物檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)方案尚未查詢到。

3.3.2 金屬異物檢測(cè)功能

采用檢測(cè)線圈+激勵(lì)線圈+處理器的方案。

檢測(cè)線圈包括至少3組檢測(cè)線圈，每一組檢測(cè)線圈的正投影均為一個(gè)平面線圈；激勵(lì)線圈的正投影也為一個(gè)平面線圈，且檢測(cè)線圈中的每一組檢測(cè)線圈的正投影以及所述激勵(lì)線圈的正投影均位于同一平面內(nèi)，且彼此隔離；檢測(cè)線圈中每?jī)山M檢測(cè)線圈形成一個(gè)線圈對(duì)，每一個(gè)線圈對(duì)用于消除檢測(cè)盲區(qū)；處理器判斷每一個(gè)線圈對(duì)的兩組線圈在所述時(shí)變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓值是否相等，結(jié)果不相等則判定存在異物。圖5為華為金屬異物檢測(cè)技術(shù)方案示意圖。

圖5 華為金屬異物檢測(cè)技術(shù)方案示意圖

該方案檢測(cè)系統(tǒng)與原無(wú)線充電系統(tǒng)信號(hào)區(qū)別不大，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)；檢測(cè)范圍可隨意設(shè)計(jì)，也解決了無(wú)源檢測(cè)方案中的缺點(diǎn)，主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)能力都有增強(qiáng)。但是系統(tǒng)電路復(fù)雜，成本較高；異物檢測(cè)系統(tǒng)不間斷發(fā)射高頻磁場(chǎng)，功耗較高。

3.4 有感無(wú)線充電異物檢測(cè)功能技術(shù)現(xiàn)狀

3.4.1 活物檢測(cè)功能

采用微波感測(cè)雷達(dá)，并將其集成到地面發(fā)射線圈內(nèi)部。能夠判斷保護(hù)區(qū)域內(nèi)是否存在活體，當(dāng)有活體進(jìn)入到檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，并停止充電或不啟動(dòng)充電。圖6為有感活物檢測(cè)方案示意圖。

圖6 有感活物檢測(cè)方案示意圖

該方案集成到地面發(fā)射線圈內(nèi)部，體積小，但是設(shè)備復(fù)雜，成本較高。

3.4.2 金屬異物檢測(cè)功能

采用通過(guò)檢測(cè)小檢測(cè)線圈的阻抗大小發(fā)現(xiàn)金屬異物的方案。小檢測(cè)線圈由多匝線纏繞制作而成，其可以等效為電阻R和電感L；金屬異物也能夠等效為電感和電阻，并且與檢測(cè)線圈的電感之間有等效互感。當(dāng)金屬靠近小檢測(cè)線圈時(shí)，測(cè)到的小檢測(cè)線圈等效電感和電阻就會(huì)發(fā)生變化；根據(jù)阻抗值的變化大小判斷是否有金屬異物落入磁場(chǎng)中，根據(jù)變化線圈的位置可以判斷金屬異物的位置。圖7為有感金屬異物檢測(cè)方案示意圖。

圖7 有感金屬異物檢測(cè)方案示意圖

該方案檢測(cè)線圈和電路獨(dú)立于功率傳輸系統(tǒng)，與傳輸磁場(chǎng)無(wú)關(guān)；多個(gè)檢測(cè)線圈陣列可以重疊，以消除檢測(cè)盲區(qū)。但是系統(tǒng)電路較復(fù)雜；檢測(cè)精度容易受到干擾。

3.5 小結(jié)

國(guó)內(nèi)主要的異物檢測(cè)技術(shù)方案可以歸納如圖8所示。

圖8 異物檢測(cè)技術(shù)方案對(duì)比

對(duì)各類技術(shù)方案，分析總結(jié)如下。

1）綜合考慮異物檢測(cè)裝置的安裝、防護(hù)、維護(hù)等的便利性，車端的質(zhì)量、成本的限制、抗碾壓等要求，金屬異物檢測(cè)最好由發(fā)射端完成。

2）保證溫度在常見(jiàn)物體的燃點(diǎn)以下，采用感溫材料或者熱成像是最直接的方法，檢測(cè)裝置的安裝、防水、防塵和安全防護(hù)是主要問(wèn)題。

3）圖像識(shí)別、微波雷達(dá)或者超聲波等可以同時(shí)進(jìn)行異物和生命體的檢測(cè)，檢測(cè)裝置的安裝、防護(hù)、維護(hù)、遮擋等問(wèn)題是主要問(wèn)題。

4）磁場(chǎng)檢測(cè)或者電場(chǎng)檢測(cè)，不受安裝、防護(hù)等影響，檢測(cè)精度與抗碾壓材料的厚度相矛盾，干擾的消除算法是關(guān)鍵技術(shù)。

4 異物檢測(cè)功能現(xiàn)存問(wèn)題

1）異物檢測(cè)范圍窄。目前電動(dòng)汽車無(wú)線充電金屬異物檢測(cè)更多關(guān)注的是鐵磁性金屬異物的檢測(cè)，但實(shí)際生活中各類合金材料應(yīng)用更加廣泛。此外，非金屬磁性材料也可能會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)造成影響。因此，有必要拓寬異物檢測(cè)的范圍。

2）異物檢測(cè)準(zhǔn)確率低。一方面，現(xiàn)有電動(dòng)汽車無(wú)線充電異物檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于小體積的鐵磁性金屬異物很難識(shí)別出來(lái)；另一方面，容易誤檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的但對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)影響不大的物體，如滾動(dòng)的石頭、飄落的樹(shù)葉等。

3）異物檢測(cè)產(chǎn)品化成本高。例如采用雷達(dá)技術(shù)的異物檢測(cè)技術(shù)方案需要在多個(gè)方向上安裝雷達(dá)裝置，造價(jià)較高。如何將異物檢測(cè)裝置集成化、模塊化、智能化，需要加強(qiáng)研究，進(jìn)一步形成產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

異物檢測(cè)是保障電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的核心技術(shù)之一，它的研究及應(yīng)用對(duì)促進(jìn)電動(dòng)汽車無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。本文主要介紹了電動(dòng)汽車無(wú)線充電異物檢測(cè)的概念，總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)主要設(shè)備廠商異物檢測(cè)方案，分析了異物檢測(cè)功能現(xiàn)存的問(wèn)題，為后續(xù)異物檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了參考。