图1 金属异物与检测线圈互感耦合模型
Fig.1 Coupling model between metal foreign object and detection coil
摘要 针对无线充电系统中金属异物的检测需要，提出一种提升异物检测系统检测灵敏度的高阶复合谐振拓扑，解决了传统检测线圈边缘区域检测灵敏度低及存在检测盲区等问题。首先建立金属异物与检测线圈的互感耦合模型，阐释谐振拓扑对检测线圈阻抗变化的放大作用；其次在合理设计参数下分析复合谐振拓扑对检测灵敏度提升的可行性；然后根据谐振拓扑对线圈阻抗变化的放大特性设计一种高阶复合谐振拓扑，并对该拓扑结构中各器件参数进行优化；最后对所提出的高阶复合谐振拓扑的检测灵敏度及其具体实现电路进行实验验证。实验结果表明，针对检测线圈边角位置处的金属异物和曲别针等小尺寸异物，系统检测灵敏度可达62.31%和119.23%。在金属异物对检测线圈阻抗影响的微小变化下，所提出的高阶复合谐振拓扑具有足够高的检测灵敏度并可以完全消除检测盲区。
关键词：金属异物检测 无线电能传输 电动汽车 高阶复合谐振拓扑 检测灵敏度
无线电能传输技术逐渐成为近年来的研究热点。该技术在理论方面日趋完善，但实际应用时需考虑各种工况条件。由于其原、副边的非接触特性而容易引入金属异物，充电区域中的金属异物由于涡流效应而发热，不仅会降低系统的输出功率及传输效率，严重时会导致火灾等安全事故[1-11,16-19]。因此异物检测（Foreign Object Detection, FOD）是提升无线充电系统的安全性和稳定性的不可或缺的技术之一。同时随着无线充电功率等级的提升，金属异物的涡流热效应越发显著，异物检测功能的必要性也更加显现。例如在电动汽车无线充电领域，相关标准中已明确规定无线充电系统中必须包含异物检测功能[12-13]。
目前常用的异物检测方法有：原副边功率损耗法、机器视觉检测、调频波雷达检测、红外温度检测以及基于检测线圈的电磁特性检测等。其中原副边功率损耗法适用于小功率的无线充电场合中，如Qi标准手机充电、可穿戴设备等。该方法在大功率无线充电场合中难以适用，因为通过对比发射端与接收端的功率差值无法准确测量出异物的损耗。机器视觉检测、调频波雷达检测等方法需要额外的传感器，会增加异物检测系统成本，且易受到环境影响，容易产生误判。基于红外摄像的温度检测法同样会使检测系统成本增加，且异物与发射端必须有明显的温度差异才能检测，系统检测速度存在滞后性。
基于检测线圈的电磁特性异物检测法主要分为磁通量检测法[14-17]和阻抗检测法[18-19]。上述两种方法通过测量检测线圈的磁通量或阻抗值的变化以实现对金属异物准确且快速的检测，而对其他不会因涡流效应发热或对充电系统无危害的材料不会响应，如塑料等。
磁通量检测法原理是通过测量金属异物对检测线圈的磁通量变化和感应电压进行异物检测[10-11]。由于其检测原理存在固有的检测盲区，目前的解决方法是通过铺设多层检测线圈来覆盖其他层检测线圈的检测盲区。该检测方法原理较为简单但结构较为复杂，且提升检测灵敏度的方法较为有限，如缩小每个子检测线圈的尺寸等[14-17]。
阻抗检测法是通过测量高频激励下检测线圈的阻抗变化进行异物检测[18-19]，该方法不依赖发射端磁场，可独立工作。由于激励源频率与功率磁场频率不同，因此该方法中检测信号抗干扰能力强，且不易受到原、副边偏移的影响，同时可设计较高的信噪比以提升检测灵敏度[18-19]。
目前上述检测灵敏度方法存在以下问题：
（1）部分区域检测灵敏度较低。当金属异物尺寸较小或位于检测线圈边缘时，上述方法难以实现准确检测或解决方法较为繁琐，而检测盲区会导致无线充电系统存在安全隐患。
（2）检测电路中谐振拓扑对检测灵敏度的影响分析较少，且所选用的拓扑结构多为串联或并联的简单拓扑结构，高阶复合拓扑对检测效果的影响未知。
基于以上分析，本文提出一种提升异物检测系统检测灵敏度的高阶复合谐振拓扑结构，利用谐振拓扑对检测线圈阻抗变化的放大作用，并配合高阶拓扑结构进一步将金属异物对检测线圈阻抗影响的微小变化转换为整体谐振拓扑阻抗的显著变化，提升了系统整体检测灵敏度，有助于解决传统检测线圈边缘区域检测灵敏度低和存在检测盲区等问题。
根据法拉第电磁感应定律，当块状导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内产生感应电流且在导体内闭合。因此涡流效应下的金属异物可以等效为短路环电流模型，此时可以将金属异物等效为一个线圈，并利用互感模型分析金属异物对检测线圈阻抗的影响，其互感耦合模型如图1所示。
图1 金属异物与检测线圈互感耦合模型
Fig.1 Coupling model between metal foreign object and detection coil
设LD与RD分别为检测线圈自感与内阻，Lm和Rm分别为金属异物的等效电感和等效内阻，Mm为金属异物与检测线圈之间的互感。ZNONE与ZFOD分别为无金属异物时和存在金属异物时检测线圈的等效阻抗，二者表达式分别为
（1）
（2）
令α和β分别为检测线圈电感变化率和内阻变化比例系数，则
（3）
（4）
式（2）可简化为
（5）
设δ为异物引入后检测线圈阻抗变化百分比，则
（6）
为便于分析，将检测线圈品质因数QD代入式（6）得
（7）
由式（7）可知检测线圈阻抗变化百分比δ与金属异物对检测线圈的互感Mm有关，因此可通过合理设计检测线圈结构和尺寸提升Mm，进而提升检测线圈电感变化比例系数α和内阻变化比例系数β。
同时不同尺寸、材料、形状的金属异物以及金属异物位于检测线圈的不同位置都可以归结为金属异物对检测线圈自感和等效内阻影响的不同，即可以用不同的电感变化比例系数α和内阻变化比例系数β的组合来等效不同种类或不同位置处的金属异物对检测线圈阻抗的影响。
根据文献[14-15, 18, 20-23]，本文的检测线圈采用反向串联型结构，如图2所示。图2中虚线框内为检测线圈1的两个子检测线圈且由引线连接。当检测线圈外部磁场方向为“·”即垂直纸面向内的方向时，两个子检测线圈产生的感应电流均为顺时针方向。由于该线圈为反向串联型连接方式，两个子检测线圈的磁通量和感应电压可相互抵消即解耦。为完全或大部分抵消无线充电系统功率磁场在检测线圈上产生的感应电压，便于提升高频检测信号信噪比，反向串联的两个子线圈应分别置于发射端磁场的对称分布位置。检测线圈阵列的对称铺设结构示意图如图3所示。利用有限元仿真软件Maxwell对耦合机构发射端线圈表面的磁场分布进行仿真分析，考虑到印制电路板加工尺寸和加工成本的限制，检测线圈阵列的中间区域和上、下区域分别采用基于Y轴的上、下轴对称和基于X轴的左、右轴对称的铺设方式。两个子线圈均可分别置于发射端线盘表面磁场分布中的对称位置，使功率磁场在两子检测线圈上产生的感应电压接近或相同，并最大程度相互抵消。
图2 反向串联型检测线圈结构示意图
Fig.2 The reverse series structure of detection coil
图3 检测线圈阵列的对称铺设结构示意图
Fig.3 Symmetrical arrangement of detection coil array
为与后文实验参数保持一致，本文采用外尺寸为32mm×40mm、匝数为10匝的反向串联型结构检测线圈。检测线圈自感LD为10.02μH，不同频率下的内阻RD可由阻抗分析仪测量得到。（注：图3只是检测线圈阵列对称铺设的结构示意图，实际密铺发射端所需检测线圈个数要多于图3中所示）
如果检测线圈品质因数
或激励源频率足够高，使得
1，则式（7）可简化为
（8）
由式（8）可以看出，即使检测线圈品质因数足够高，检测线圈阻抗变化百分比δ变化程度仍非常有限，即仅凭检测线圈的阻抗变化很难判断是否有异物存在，因此可基于检测线圈构建谐振腔，将检测线圈的阻抗变化转换为整体谐振拓扑的阻抗变化，通过监测整体谐振拓扑的阻抗变化来判断是否存在金属异物。
基于串联和并联谐振的检测线圈阻抗变化检测电路分别如图4a和图4b所示。
图4 基于串、并联谐振的检测线圈阻抗变化检测电路
Fig.4 Circuit of detection coil impedance variation based on the series & parallel resonant topology
检测电路原理是将异物对检测线圈阻抗的影响转换为放大电路的输出信号放大比例的变化，进而通过检测放大电路幅值变化来进行异物检测。则可定义检测灵敏度S为
（9）
则串联谐振检测电路检测灵敏度Ss和并联谐振检测电路检测灵敏度Sp分别为
（10）
（11）
此时，通过对比S与δ的数值大小关系即可探究谐振拓扑对检测线圈阻抗变化的放大作用，以及影响检测效果的参量。以并联谐振为例，在1.1节中已知检测线圈自感与内阻LD和RD的情况下，根据式（11）分析不同激励源频率下并联谐振检测电路的检测灵敏度Sp与检测线圈阻抗变化百分比δ之间的关系，绘制曲线簇如图5所示。
图5 S随δ的变化关系
Fig.5 Relationship between detection sensitivity S and the percentage of detection coil impedance variationδ
由图5可以看出，就百分比数值而言，在给定δ的情况下，S的值始终大于δ，表明谐振拓扑对检测线圈的阻抗变化具有放大作用。
对比不同激励源频率的曲线簇可以看出，S随f的增加而逐渐增大，并最终趋于一致。同时在相同激励源频率下，δ越大金属异物对检测线圈阻抗的影响越显著，检测电路输出电压变化比例越大即检测灵敏度S越大，该现象也符合异物检测的电路设计需求。
但当金属异物尺寸较小或位于检测线圈边角位置时，金属异物对检测线圈阻抗的影响尤其是对检测线圈自感的影响过小，致使S也较小。在实际测试中，检测线圈边角区域的小尺寸金属异物如螺母等对检测线圈的自感影响约为1%，对内阻影响约为5%。结合式（3）和式（4）对应α=99%、β=105%，因此可以借助α和β的参数组合来等效建立小尺寸异物对检测灵敏度影响的数学关系。
根据式（10）和式（11）分析该情况下串联和并联拓扑的检测灵敏度S的曲线，如图6a和图6b所示。
由图6可知，检测灵敏度S随激励源频率提高而提升，低频情况下的检测灵敏度小于10%，高频情况下检测灵敏度有所改善但寄生参数难以控制，且高频器件成本较高，信号处理难度较高。而且在发射端强功率磁场的干扰下，较低的检测灵敏度会导致检测信号信噪比较低，检测系统难以实现准确检测，进而导致安全隐患。因此有必要进一步研究其他类型拓扑对检测线圈阻抗变化百分比δ的放大效果。
图6 基于串、并联拓扑检测电路的检测灵敏度S与激励源信号频率f的关系
Fig.6 Relationship between detection sensitivity S and excitation signal frequency f based on the series & parallel resonant topology
根据上文对传统串、并联谐振拓扑的分析可以看出，谐振拓扑的阻抗放大作用是将检测线圈阻抗变化通过配谐转换为谐振拓扑整体的阻抗变化，进而放大了金属异物对检测电路阻抗的影响，提升了检测效果。但对于传统串、并联的一阶谐振拓扑只放大一次而言，其在检测线圈阻抗变化较小时仍存在检测灵敏度较低的问题。
为此将串联和并联拓扑混联为复合拓扑以构成谐振腔的多级嵌套，进而实现检测线圈阻抗变化的多级放大。
本节从如图7所示的最基本的混联复合谐振拓扑入手，对检测线圈阻抗变化的放大程度、参数选取及检测灵敏度优化进行了研究，为后文设计多谐振腔嵌套组合以实现检测线圈阻抗变化的更多级放大和高阶复合谐振拓扑结构的提出奠定理论基础。
图7 复合谐振拓扑
Fig.7 Composite resonant topology
图7中Cs和Cp分别为检测线圈支路串联电容和整体并联电容。令Cs和Cp满足式（12）所示的关系，λ为比例系数。
（12）
当没有金属异物和金属异物存在时，整个拓扑的等效输入阻抗分别为
（13）
（14）
参照式（9）检测灵敏度为
（15）
结合式（13）～式（15）可知，S表达式中包含λ，因此可通过优化λ来优化检测灵敏度S。为探究该复合谐振拓扑中Cs和Cp的选取对检测灵敏度S的提升作用，仍取α=99%、β=105%绘制检测灵敏度S关于比例系数λ的曲线簇如图8所示。
图8a和图8b分别对不同步长λ进行参数扫描以便于在给定频率下求解使S最大时的λ最优值。
图8 不同λ取值对检测灵敏度S的影响
Fig.8 Relationship between detection sensitivity S and λ
结合图8并对比图6可知，在合理选取λ时, 相同激励频率下该复合拓扑的检测灵敏度S相较于串、并联拓扑有所提升，但提升程度有限。考虑到实际情况下的寄生参数情况，合理选择Cs和Cp可改善检测灵敏度。
结合前文的分析可将2.1节中的复合谐振拓扑作为高阶谐振拓扑的一部分，将检测线圈的阻抗变化转换为低阶复合谐振拓扑的阻抗变化，再利用高阶谐振拓扑对该谐振腔的阻抗变化进一步放大，进而实现检测灵敏度的进一步提升。所提出的高阶复合谐振拓扑如图9所示。
图9 高阶复合谐振拓扑
Fig.9 High-order composite resonant topology
图9中点画线内Z1为子谐振拓扑，其实部和虚部分别表示为Re(Z1)和Im(Z1)，该拓扑在给定激励源频率ω0下呈容性，其等效电容为C_eq，Lf、Rf分别为补偿配谐电感及其等效串联电阻；Cp1为整体并联谐振电容。类比2.1节中的电容比例关系，定义λ1和λ2分别为
（16）
（17）
式中，
；
。
令C1=C_eq, C2=Cp1, Req=Re(Z1)+Rf则该高阶复合谐振拓扑的整体导纳Y为
（18）
令Im(Y)=0，求解参考电感Lf值。
（19）
（20）
其中
为保证Δ≥0时Lf存在实数解，因此λ1和λ2的取值需合理设计，并保证检测灵敏度的提升。
为便于分析λ1和λ2的取值，本文采用固定频率进行分析，同时采用α和β进行检测线圈阻抗变化程度的调节来等效不同情况下金属异物（如不同位置或尺寸大小等）对检测线圈的阻抗影响。
检测线圈参数见表1。对λ1和λ2进行参数扫描分析其与检测灵敏度S的关系，关系曲线如图10和图11所示，图中只选择了Lf存在实数解的λ1和λ2取值区间。
表1 检测线圈参数
Tab.1 Parameters of detection coil
参 数数 值 无异物时检测线圈自感LD/μH无异物时检测线圈内阻RD/Ω10.023.507(@3MHz) 激励源频率f/MHz3.0
由图10和图11可知，在检测灵敏度S的绝对值大小方面，对比图6和图8，针对α=99%、β=105%的参数组合，合理选取λ1和λ2可使检测灵敏度S显著提升，即该拓扑显著优于传统的串联、并联拓扑以及复合谐振拓扑。同时对α=95%、β=120%的参数组合，检测灵敏度S大于100%，其原因是金属异物进入后，高阶复合谐振拓扑的整体阻抗变化幅度超过了无异物时高阶复合谐振拓扑的整体阻抗，因此检测灵敏度S会超过100%。这也印证了当金属异物对检测线圈产生足够大的阻抗变化时，所提出的高阶复合谐振拓扑具有非常高的阻抗变化即高检测灵敏度，进而保证了检测信号的高信噪比，可在发射端强磁场环境中准确检测金属异物。
图10 α=99%、β=105%时不同λ1和λ2取值对S的影响
Fig.10 Influence of different values of λ1 and λ2 on the detection sensitivity S with α=99%、β=105%
图11 α=95%、β=120%时不同λ1和λ2取值对S的影响
Fig.11 Influence of different values of λ1 and λ2 on the detection sensitivity S with α=95%、β=120%
总体上检测灵敏度S的最大值随着λ2的增大而增大，但随着λ2接近于1，检测灵敏度S最大值趋于一致。
合理选取λ1和λ2的参数组合可使检测灵敏度S取得极大值点，不同的α和β情况下的最优检测灵敏度对应的λ1和λ2参数组合差异明显。例如在α=99%、β=105%的情况中，λ1和λ2取值区间虽然受制于Lf存在实数解的条件限制，但λ1随λ2增加而增加才可使检测灵敏度S达到最大，而相同的λ1和λ2参数组合在α=95%、β=120%的情况中与最优解相差较大。因此该拓扑的参数是综合统筹考虑多种情况下的检测灵敏度进行选取的。
实际应用中考虑到高频情况下的寄生参数以及高频器件参数标称值的误差，λ1与λ2过于接近0或1时谐振电路准确配谐难度较大，同时为尽量优先保证检测线圈阻抗变化最小时即α=99%、β=105%的检测灵敏度以保证边角区域的异物可准确检测，本文选择的高阶复合谐振拓扑参数见表2。
表2 高阶复合谐振拓扑参数
Tab.2 Parameters of high-order composite resonant topology
参 数数 值 无异物时检测线圈自感LD/μH无异物时检测线圈内阻RD/Ω10.023.507(@3MHz) 激励源频率f/MHz3.0 λ10.07 λ20.9 Cs/pF302.63 Cp/nF4.0207 Cp1/pFLf/μH446.745.4858 Rf/Ω1.0
本文选择λ1为0.07而非0.08是因为λ1=0.07、λ2=0.9时，虽然在α=99%、β=105%情况下的检测灵敏度略低于λ1=0.08、λ2=0.9的取值组合，但在α=95%、β=120%的情况下显著高于后者。
所选参数构成的检测电路在α=99%、β=105%和α=95%、β=120%的情况下，理论计算的检测灵敏度S分别为64.75%和289.08%，此时金属异物引起的检测信号变化率和信噪比已足够用于检测。
本实验以电动汽车无线充电标准SAEJ2954标准中WPT3Z2耦合机构为系统实验平台，采用LCC-LCC拓扑结构，用于实验验证的输出功率为3.3kW。
由于本文提出的拓扑结构对检测线圈阻抗变化较为敏感，因此为探究耦合机构副边位置变化时对检测线圈自感和内阻的影响是否超出设定的比例系数，以耦合机构原边中心为原点，副边中心位置相对于原边线圈进行偏移，移动步长为2.5cm，实时测量检测线圈的自感和内阻变化情况，测量结果如图12所示。由图12可以看出，当原、副边间隔大于12cm时，耦合机构副边的移动对检测线圈自感和内阻影响均低于0.2%，即耦合机构副边的移动对检测不会产生影响或引起误判。
图12 耦合机构副边位置对检测线圈阻抗的影响
Fig.12 Influence of secondary coil position on coil impedance variation
为验证异物检测系统对无线充电系统本身的谐振偏移情况和输出功率效率的影响，通过阻抗分析仪对比测量了有、无异物检测系统时发射端线圈的自感和内阻变化，并分别进行包含和撤掉异物检测系统的3.3kW功率等级的无线电能传输实验，实验结果对比如图13和图14所示。结合1.1节检测线圈阵列的对称排布及其与发射端线圈的解耦特性和图13测量结果可知，检测线圈内部感应电流极低，且每次只接入一个检测线圈进行轮巡检测，因此异物检测系统总损耗极低。同时异物检测系统对发射端线圈的自感基本无影响，只是略微增加内阻，因此不会造成无线充电系统谐振频率的偏谐。
图13 有无异物检测系统对发射端线圈参数的影响
Fig.13 Effect on transmitter coil parameters with and without FOD system
图14 异物检测系统对无线充电系统功率效率的影响
Fig.14 Effect of FOD system on output power and efficiency of wireless charging system
图14中功率分析仪Urms1和Irms1及Urms2和Irms2分别为无线充电系统的逆变前直流母线电压、电流有效值和直流电子负载端电压、电流有效值，即整体无线充电系统DC至DC端参数。通过对比可以看出异物检测系统对无线充电系统本身的输出功率效率基本无影响。
高阶复合谐振拓扑检测电路和异物检测系统如图15和图16所示。
检测线圈阵列铺设在发射端线圈线盘表面如图16所示。为验证所设计的系统的检测效果，实验中选取高纯度直径20mm的铝片以及闭合曲别针作为待检测金属异物。实验分别将金属异物的几何中心放置在四个检测线圈交界位置处（检测线圈边角），并利用阻抗分析仪检测金属异物对线圈的阻抗影响比例系数以满足仿真分析的α和β的数值，并记录此时异物的位置。
图15 高阶复合谐振拓扑检测电路
Fig.15 Detection circuit based on high-order composite resonant topology
图16 基于高阶复合谐振拓扑的异物检测系统
Fig.16 Foreign object detection system based on high-order composite resonant topology
由于异物检测线圈阵列放置于发射端表面，检测线圈不可避免地会与发射线圈耦合出感应电压。尽管检测线圈已采用如文献[14-15, 18, 20-23]中的反向串联型结构消除了大部分功率磁场产生的感应电压，且该拓扑对85kHz的功率磁场具有-22.7dB的衰减抑制作用，但为精确提取用于异物检测的高频信号，检测电路中需包含带通滤波环节以滤除检测线圈上的由功率磁场产生的感应电压信号和高频毛刺等噪声信号。综合考虑感应电压幅值、增益、通频带、器件应力等因素，选用AD8066作为检测电路中所需的运算放大器。所设计的带通滤波器的通频带为2～4MHz，且在85kHz频率处的衰减约为-30dB，由此可将高频信号提取出来进行异物检测。同时，为进一步提升检测信号信噪比以及防止误判等情况，检测信号经过A-D模数转换器采集至FPGA中再进行数字滤波等数据优化处理，并设计检测阈值判断异物是否存在。
实际测量结果如图17和图18所示。实际高阶复合谐振拓扑的谐振频率为2.936MHz，调节信号源频率使检测电路保持谐振。分别将高纯度铝片置于检测线圈阻抗变化比例α=99%、β=105%和α=95%、β=120%的对应位置处，待测信号经滤波电路处理后信噪比较高，85kHz功率磁场产生的感应电压噪声滤除较好。
图17 根据检测电路输出幅值变化计算检测灵敏度S
Fig.17 Calculate the detection sensitivity S according to the change of the output amplitude of the detection circuit
图18 异物位于不同位置处对检测线圈阻抗变化的影响及其检测灵敏度S的关系
Fig.18 Influence of foreign object with different position on coil impedance variation and detection sensitivity S
检测电路输出电压有效值从无异物时的2.60V分别变化至4.22V和9.75V，对应的系统检测灵敏度分别为62.31%和275.68%。当铝片位于检测线圈中心时，检测灵敏度为187.69%，实验结果与理论分析基本吻合。对于曲别针等常见的小尺寸异物位于检测线圈中心时，系统检测灵敏度为119.23%。
虽然铝片位于检测线圈中心位置时其对检测线圈阻抗变化百分比要超过α=95%、β=120%，但检测灵敏度却有所下降，其原因如2.3节所述：不同的α和β情况下的最优检测灵敏度对应的λ1和λ2参数组合差异明显，但依然在强磁场下检测足够准确。
从图16可以看出对于直径20mm的铝片，其置于检测线圈阻抗变化比例为α=99%、β=105%位置处时，已有大部分面积覆盖周围相邻检测线圈。此时对于周围相邻检测线圈而言，铝片对其自感和内阻变化的比例系数影响应分别大于99%和105%，因此可结合多个相邻线圈的检测结果综合判断异物是否存在，进而准确检测位于检测线圈边角处的异物，完全消除检测盲区等安全隐患。
综上所述，采用该高阶复合谐振拓扑可实现足够高的检测信号变化量，并实现小尺寸或检测线圈边缘位置处的金属异物的准确检测，进而完全消除了检测盲区，保障并增强了无线充电系统的安全性。
本文提出了一种应用于无线电能传输场合的提升异物检测系统灵敏度的高阶复合谐振拓扑结构，相较于传统的串联、并联拓扑，所提出的拓扑结构对因金属异物导致的检测线圈阻抗变化较为敏感，并可通过调节拓扑参数进行检测灵敏度优化。通过电路仿真分析，根据检测线圈等效内阻和自感比例系数可模拟小尺寸的金属异物或位于检测线圈边角位置处的异物的检测灵敏度。根据3.3kW电动汽车无线充电异物检测实验结果表明：
1）异物检测系统检测灵敏度实测值与理论值基本一致，在功率传输中检测信号具有很高信噪比且对无线充电系统输出功率和效率无影响。
2）该高阶复合拓扑对异物位于检测线圈极限边角位置以及如曲别针等小尺寸异物的检测灵敏度分别为62.31%和119.23%，具有较好的检测灵敏度。
3）可结合多个相邻线圈的检测结果综合判断异物是否存在，进而准确检测位于检测线圈边角处的异物，完全消除检测盲区等安全隐患。
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Abstract Wireless power transfer (WPT) has been widely applied in various charging fields due to its non-contact and high-efficiency transmission of high-power electric energy over medium and long distances. In contrast to the traditional plug-in charging, WPT has the advantages of misalignment adaptation and easy maintenance, also can effectively avoid the plug wear, wire aging, and contact electrical sparks. However, because of its characteristics of non-contact between primary side and secondary side, foreign object could easily enter the coupling charging area. The eddy effect caused by the high power alternating magnetic field will lead to fire and ignition. As for the foreign metal objects with small size or located in the corner area relative to detection coil, the detection sensitivity of existing common detection methods is not high enough to detect them accurately. The blind detection area will cause the safety hazards. Thus, a high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper, which solves the problems of low detection sensitivity and blind area of traditional detection coil.
Firstly, the mutual inductance coupling model between metal foreign object and detection coil was established, and the amplifying effect of resonance topology on the impedance variation of detection coil was interpreted. Secondly, the feasibility of improving the detection sensitivity of composite resonant topology under reasonable designed parameters was analyzed. Then a high-order composite resonant topology was designed according to the amplification characteristics of the resonant topology. Also, the device parameter optimization of the proposed high-order composite resonant topology is analyzed in detail. Finally, the sensitivity of the proposed topology and its realization circuit were simulated and verified by experiments.
In the WPT experiment, the proposed detection coil array and FOD system did not affect the output power and efficiency due to its decoupling characteristic with magnetic coupler. Also, the parameters of detection coils were basically not affected by the offset of magnetic coupler, which can avoid the misjudgment effectively.
In the FOD experiment, the aluminum cylinder with diameter 20mm is placed at the corresponding corner positions of the detection coil, the detection sensitivity of two situations above are 62.31% and 275.68%, respectively. When the aluminum cylinder was located in the center area of the detection coil, the detection sensitivity is 187.69%. As for the foreign object with small size, such as paper clips, the detection sensitivity can reach 119.23%. The experimental results above demonstrate that the proposed topology has high enough detection sensitivity to eliminate the detection blind area completely even if the metal foreign object has a small influence on the detection coil impedance.
A high-order composite resonant topology to improve the detection sensitivity of foreign object detection system was proposed in this paper. Compared with the traditional series and parallel resonant topology of detection circuit, the proposed topology is more sensitive for the impedance changes of detection coils caused by metal foreign objects.
The following conclusions can be drawn from the analysis and experiment results:
(1) The measured detection sensitivity of the FOD system is basically consistent with the theoretical analysis. And the detection signal has a high SNR and has no influence on the output power and efficiency of the wireless charging system.
(2) The proposed high-order composite resonant topology owns the high detection sensitivity. As for the paper clips and foreign objects which located at the ultimate corner of the detection coil, the detection sensitivity can be up to 62.31% and 119.23%, respectively.
(3) The existence of foreign objects can be determined accurately by combining the detection results of multiple adjacent coils comprehensively. Thus, the blind detection areas and other safety risks can be eliminated completely.
keywords：Metal foreign object detection, wireless power transfer, electric vehicle, high-order composite resonant topology, detection sensitivity
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211758
中图分类号：TM724
国家自然科学基金（51977043）和哈尔滨工业大学电驱动与推进技术教育部重点实验室开放基金资助项目。
收稿日期 2021-10-31
改稿日期 2021-12-30
孙 瀛 男，1993年生，博士生，研究方向为电动汽车无线充电技术。E-mail：sunying_0916@163.com
宋 凯 男，1982年生，教授，博士生导师，研究方向为无线电能传输技术。E-mail：kaisong@hit.edu.cn （通信作者）
（编辑 赫 蕾）