无线充电装置中金属异物检测技术研究
发布时间：2021-10-29 04:09
随着国家对新能源汽车的宣传推广与政策扶持,电动汽车已经成为汽车市场的主力军。电动汽车无线充电技术近年来发展迅速,具有方便、灵活等特点,实现了充电过程的智能化与自动化。然而无线充电过程易受外来金属异物的影响,导致充电效率下降,金属异物因涡流效应发热的现象会引发一系列安全性问题。因此,金属异物自动检测技术已经成为电动汽车无线充电领域的亟需解决的关键问题。本文提出了基于“金属异物会引起由检测线圈构成的谐振电路失谐”原理的有源金属异物检测方法,分析了利用线圈等效阻抗变化进行金属异物检测的工作机理,给出了电动汽车无线充电金属异物自动检测系统的总体方案。本文分析了影响检测线圈性能的各因素,使用有限元电磁场仿真工具验证了所提金属异物检测方法的原理可行性,并分析了线圈参数对检测线圈电磁特性的影响规律;给出了适用于电动汽车无线充电区域大范围内对小型金属异物进行检测的线圈设计方案。本文分析了充电磁场电压噪声的频率分布,并给出了检测磁场与充电磁场解耦的检测线圈激励频率选择方法;论述了检测线圈高频分时驱动与谐振电路的设计方法,给出了分时复用信号处理电路的设计方案,并提出了对检测线圈所感应到的噪声信号进行滤波的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单一D-Q线圈对示意图[10]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-电压值，通过感应电压值的变化判断金属异物的进入。韩国高等科学技术院的JeongSY等人于2017年提出了一种无源金属异物检测方法[9]。该方法在无线充电发射线圈上方布置两层检测线圈，每层线圈由若干组相同的长条形线圈对排列组成，上、下层线圈的排列方向呈正交关系。每个线圈对由D线圈与Q线圈互补构成，如图1-1所示。在无异物情况下，D-Q线圈对的感应电压差理论为0；当异物进入时，D-Q线圈对产生感应电压差。双层D-Q线圈正交布置的设计使得该方法不仅能判断异物进入，还可以判断出异物所在的位置。图1-1单一D-Q线圈对示意图[10]香港大学的LiuXY等人于2018年提出了一种基于磁通分布的金属异物检测方法[11]。该方法使用一种TMR（TunnelingMagnetoresistive）传感器，该传感器采用电桥结构，通过检测桥臂两端微小的压差信号来反映该位置磁通的大小[12]。在检测系统中，若干个TMR传感器以矩阵形式安装于汽车接收线圈下方，如图1-2所示；当金属异物进入时，异物因涡流效应产生的磁场会抵消原磁场，通过各传感器检测到的磁通变化情况即可判断异物进入。该检测方法还使用可视化软件绘制了磁通变化量云图，实现了异物落入位置的可视化功能。图1-2TMR传感器布置示意图[11]由于大功率无线充电装置的额定功率可达数千瓦，置于充电磁场中的检测
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-线圈感应到信号的幅值较大，不利于信号的采集与处理。美国WiTricity公司的RoyAM等人提出了一种基于差分线圈的检测方法[13]，该方法主要提出了多种差分线圈结构与线圈排布方式（如图1-3所示），能够有效地降低输出端信号的幅值。采集到的信号与基准值相比较即可判断异物是否存在及存在的位置。类似地，国内相关学者也提出了差分线圈检测方案，并给出相应的仿真与实验结果[14]。图1-3多种差分线圈结构示意图[13]中兴公司范杰等人提出了一种基于平衡线圈结构的检测方法[15]。在该方法中，一个或多个检测线圈对被置于充电磁场中的对称位置，在无异物情况下充电磁场分布对称，检测线圈对中两线圈感应电压差值理论为0；当异物进入某一线圈上方时，两线圈电压差值因充电磁场分布不再对称而不为零，通过对电压差值进行检测即可判断异物是否进入。北京交通大学的刘志远也提出了类似的检测方法，并给出了线圈设计方案与异物检测流程[16]。针对平衡检测线圈结构，其他学者也有相应的研究成果。山东大学的刘志珍等人提出了一种无线充电系统对位与异物检测研究方法[17]。该方法给出一种改进平衡线圈结构（如图1-4所示），能够有效降低安装的难度。针对因对位偏移导致的充电磁场非对称时线圈电压值远大于异物进入时电压值的情况，山东大学的周博提出一种新的异物检测方法，该方法将金属异物检测分为事前和事后检测两部分，提高了金属异物的检测准确性[18]。图1-4改进平衡线圈结构示意图[18]
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国电动汽车充电技术发展趋势探析[J]. 曾庆捷. 山西电力. 2020(02)
[2]基于阻抗检测的多路自动调谐式无线充电金属检测系统[J]. 张亚蒙,张希,张智敏. 电工电能新技术. 2020(04)
[3]浅析电动汽车无线充电技术现状及发展趋势[J]. 未倩倩,赵凌霄,黄炘,李津. 汽车电器. 2019(06)
[4]基于ADS1256和STM32的数据采集装置设计[J]. 郭玉霞,李志杰. 无线电工程. 2019(01)
[5]电动汽车无线充电系统研究综述[J]. 夏晨阳,赵书泽,杨颖,向付源. 广东电力. 2018(11)
[6]基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测方法[J]. 唐春森,钟良亮,吴新刚,苏炳柯,钟明祥. 电气技术. 2018(06)
[7]基于MAX291的无限增益多路反馈带通滤波器[J]. 于小龙. 机械工程与自动化. 2017(04)
[8]金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析[J]. 马中原,廖承林,王丽芳. 电工电能新技术. 2017(02)
[9]平衡线圈金属检测技术在无线电能传输中应用[J]. 曲晓东,杨勇,刘志珍,侯延进. 电力电子技术. 2014(10)
[10]无限增益多路反馈带通滤波器的研究[J]. 熊俊俏,戴璐平,刘海英. 电气电子教学学报. 2013(03)
硕士论文
[1]基于四线圈电压实时监测的电动汽车无线充电系统异物检测方法[D]. 刘志远.北京交通大学 2019
[2]无线充电系统对位及异物检测研究[D]. 周博.山东大学 2018
[3]基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测技术及实现[D]. 徐正伟.重庆大学 2017
[4]基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统研究[D]. 曲晓东.山东大学 2016
[5]感应式无线充电技术的研究[D]. 朱美杰.南京信息工程大学 2012
[6]电动汽车发展对能源与环境影响研究[D]. 王成.吉林大学 2007
本文编号：3463932
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单一D-Q线圈对示意图[10]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-电压值，通过感应电压值的变化判断金属异物的进入。韩国高等科学技术院的JeongSY等人于2017年提出了一种无源金属异物检测方法[9]。该方法在无线充电发射线圈上方布置两层检测线圈，每层线圈由若干组相同的长条形线圈对排列组成，上、下层线圈的排列方向呈正交关系。每个线圈对由D线圈与Q线圈互补构成，如图1-1所示。在无异物情况下，D-Q线圈对的感应电压差理论为0；当异物进入时，D-Q线圈对产生感应电压差。双层D-Q线圈正交布置的设计使得该方法不仅能判断异物进入，还可以判断出异物所在的位置。图1-1单一D-Q线圈对示意图[10]香港大学的LiuXY等人于2018年提出了一种基于磁通分布的金属异物检测方法[11]。该方法使用一种TMR（TunnelingMagnetoresistive）传感器，该传感器采用电桥结构，通过检测桥臂两端微小的压差信号来反映该位置磁通的大小[12]。在检测系统中，若干个TMR传感器以矩阵形式安装于汽车接收线圈下方，如图1-2所示；当金属异物进入时，异物因涡流效应产生的磁场会抵消原磁场，通过各传感器检测到的磁通变化情况即可判断异物进入。该检测方法还使用可视化软件绘制了磁通变化量云图，实现了异物落入位置的可视化功能。图1-2TMR传感器布置示意图[11]由于大功率无线充电装置的额定功率可达数千瓦，置于充电磁场中的检测
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-线圈感应到信号的幅值较大，不利于信号的采集与处理。美国WiTricity公司的RoyAM等人提出了一种基于差分线圈的检测方法[13]，该方法主要提出了多种差分线圈结构与线圈排布方式（如图1-3所示），能够有效地降低输出端信号的幅值。采集到的信号与基准值相比较即可判断异物是否存在及存在的位置。类似地，国内相关学者也提出了差分线圈检测方案，并给出相应的仿真与实验结果[14]。图1-3多种差分线圈结构示意图[13]中兴公司范杰等人提出了一种基于平衡线圈结构的检测方法[15]。在该方法中，一个或多个检测线圈对被置于充电磁场中的对称位置，在无异物情况下充电磁场分布对称，检测线圈对中两线圈感应电压差值理论为0；当异物进入某一线圈上方时，两线圈电压差值因充电磁场分布不再对称而不为零，通过对电压差值进行检测即可判断异物是否进入。北京交通大学的刘志远也提出了类似的检测方法，并给出了线圈设计方案与异物检测流程[16]。针对平衡检测线圈结构，其他学者也有相应的研究成果。山东大学的刘志珍等人提出了一种无线充电系统对位与异物检测研究方法[17]。该方法给出一种改进平衡线圈结构（如图1-4所示），能够有效降低安装的难度。针对因对位偏移导致的充电磁场非对称时线圈电压值远大于异物进入时电压值的情况，山东大学的周博提出一种新的异物检测方法，该方法将金属异物检测分为事前和事后检测两部分，提高了金属异物的检测准确性[18]。图1-4改进平衡线圈结构示意图[18]
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国电动汽车充电技术发展趋势探析[J]. 曾庆捷. 山西电力. 2020(02)
[2]基于阻抗检测的多路自动调谐式无线充电金属检测系统[J]. 张亚蒙,张希,张智敏. 电工电能新技术. 2020(04)
[3]浅析电动汽车无线充电技术现状及发展趋势[J]. 未倩倩,赵凌霄,黄炘,李津. 汽车电器. 2019(06)
[4]基于ADS1256和STM32的数据采集装置设计[J]. 郭玉霞,李志杰. 无线电工程. 2019(01)
[5]电动汽车无线充电系统研究综述[J]. 夏晨阳,赵书泽,杨颖,向付源. 广东电力. 2018(11)
[6]基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测方法[J]. 唐春森,钟良亮,吴新刚,苏炳柯,钟明祥. 电气技术. 2018(06)
[7]基于MAX291的无限增益多路反馈带通滤波器[J]. 于小龙. 机械工程与自动化. 2017(04)
[8]金属异物对电动汽车无线充电系统影响分析[J]. 马中原,廖承林,王丽芳. 电工电能新技术. 2017(02)
[9]平衡线圈金属检测技术在无线电能传输中应用[J]. 曲晓东,杨勇,刘志珍,侯延进. 电力电子技术. 2014(10)
[10]无限增益多路反馈带通滤波器的研究[J]. 熊俊俏,戴璐平,刘海英. 电气电子教学学报. 2013(03)
硕士论文
[1]基于四线圈电压实时监测的电动汽车无线充电系统异物检测方法[D]. 刘志远.北京交通大学 2019
[2]无线充电系统对位及异物检测研究[D]. 周博.山东大学 2018
[3]基于阻抗特性的电动汽车无线充电系统异物检测技术及实现[D]. 徐正伟.重庆大学 2017
[4]基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统研究[D]. 曲晓东.山东大学 2016
[5]感应式无线充电技术的研究[D]. 朱美杰.南京信息工程大学 2012
[6]电动汽车发展对能源与环境影响研究[D]. 王成.吉林大学 2007
本文编号：3463932
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