無線電能傳輸技術(shù)是電能從電網(wǎng)到用電設(shè)備無需經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸方式。相比于傳統(tǒng)的接觸式充電方式，無線充電因具有更高的可靠性與安全性、占地空間更小、使用方式靈活、不易受外界環(huán)境因素干擾、與電網(wǎng)互動能力強、可在某些極端環(huán)境和特殊條件下應用等優(yōu)點，從而發(fā)展迅猛，且隨著理論成果研究層面向商業(yè)化發(fā)展的進程不斷加快，無線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)在電動汽車、無人機、植入醫(yī)療設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品、家用電器等領(lǐng)域得到了一定的推廣應用。

無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈與接收線圈之間存在一個高頻磁場區(qū)域，因系統(tǒng)應用在各種復雜場景下，該區(qū)域不可避免地會有異物介入。異物通常指不屬于無線電能傳輸系統(tǒng)的任何一部分，但出現(xiàn)在發(fā)射和接收線圈表面及周圍的物體。

在研究中通常將異物分為金屬異物和生物體異物，當金屬異物進入發(fā)射線圈及接收線圈之間的磁場區(qū)域時，一方面，金屬異物會因渦流損耗而迅速升溫，若此時接觸可燃性物體，極易引發(fā)火災，造成安全隱患；另一方面，金屬異物的介入會影響無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率與傳輸效率，使耦合機構(gòu)的某些參數(shù)發(fā)生改變，導致系統(tǒng)無法進行正常工作，嚴重時還會使系統(tǒng)完全停止運行。

當生物體異物進入該區(qū)域后，受到高強度磁場的影響，生物體可能會產(chǎn)生惡心、眩暈、肢體乏力及血壓升高等癥狀，同時高強度的磁場還會對人體的免疫系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的損害。因此，需要對無線電能傳輸系統(tǒng)進行相應的金屬異物以及生物體異物檢測，高效、準確的異物檢測技術(shù)對于無線電能傳輸系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性具有至關(guān)重要的保障作用。

異物檢測技術(shù)因其重要性已得到越來越多的科研機構(gòu)、高校以及企業(yè)的廣泛關(guān)注。國外如帝國理工學院、奧克蘭大學、蔚山大學、東京大學、韓國高等科學技術(shù)院、高通公司等研究團隊；國內(nèi)如哈爾濱工業(yè)大學、中科院電工研究所、香港大學、重慶大學、山東大學等研究團隊，已經(jīng)在異物對系統(tǒng)影響、檢測方法多樣性以及實際應用等多方面進行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。

本文主要研究無線電能傳輸系統(tǒng)異物檢測技術(shù)，首先闡述當前國內(nèi)外無線電能傳輸系統(tǒng)異物檢測技術(shù)的相關(guān)標準。其次重點分析了目前各項異物檢測技術(shù)基本原理、解決的技術(shù)問題以及檢測類別等內(nèi)容，并對比了各項檢測技術(shù)的特性。最后指出異物檢測技術(shù)在標準制定及技術(shù)方面亟待解決的問題，為異物檢測技術(shù)未來的研究提供方向。

1 異物檢測技術(shù)國內(nèi)外標準梳理

在無線電能傳輸技術(shù)的商業(yè)化進程中，異物檢測技術(shù)標準的制定與完善發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。關(guān)于電動汽車的無線充電技術(shù)，國外主要有三個組織進行相關(guān)標準的制定，分別為美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定的SAE J2954無線充電標準、國際電工委員會（IEC）制定的IEC 61980標準與國際標準化組織（ISO）制定的ISO 19363標準；關(guān)于手機等便攜式移動設(shè)備的無線充電技術(shù)，主要由WPC聯(lián)盟制定的Qi標準、Duracell Powermat公司發(fā)起的PMA（Power Matters Alliance）標準以及三星、高通等公司創(chuàng)立的A4WP（Alliance for Wireless Power）標準。

在SAE J2954_201904標準中，對異物檢測技術(shù)提出了相應的測試方法以及測試標準。標準中選定了如硬幣、線纜、易拉罐、回形針等13種異物作為測試樣本，根據(jù)系統(tǒng)的運行或關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)置三種不同的初始條件。

異物檢測系統(tǒng)是否合格的標準為：①異物在任何時候被檢測到，系統(tǒng)都可自動停止運行；②若發(fā)射端或系統(tǒng)中其他設(shè)備出現(xiàn)損毀導致無線電能傳輸系統(tǒng)停止運行，則判定異物檢測系統(tǒng)不符合標準；③當發(fā)射線圈的表面溫度達到80℃以上且持續(xù)10min，在無線電能傳輸系統(tǒng)停止運行后2min內(nèi)監(jiān)測表面溫度，若2min內(nèi)溫度低于80℃，則認為異物檢測系統(tǒng)符合標準。

J2954標準對于生物體異物檢測提供了一種測試方法。符合標準的生物體異物檢測系統(tǒng)應滿足：①檢測區(qū)域出現(xiàn)生物體異物時，系統(tǒng)立刻減弱磁場；②該檢測系統(tǒng)對生物體不會造成損害。

IEC 61980標準與ISO 19363標準對于異物檢測技術(shù)部分的要求保持一致，在異物檢測技術(shù)部分中進行了相應的規(guī)定：①金屬異物表面溫度不得超過80℃；②非金屬異物表面溫度不得超過90℃。標準中提出，可通過降低傳輸功率或中斷系統(tǒng)運行直到異物從系統(tǒng)中清除兩種方法來確保系統(tǒng)的安全性。

Qi標準中未對金屬異物的溫度提出具體的要求，僅提供了兩種異物檢測方法：①對發(fā)射端進行溫度監(jiān)測，當溫度超過其內(nèi)部設(shè)定的閾值時，傳輸系統(tǒng)自動停止工作；②功率損耗檢測法，即對接收端進行功率監(jiān)測，將接收端實際功率與預設(shè)功率進行比較，當該差值超過預設(shè)值時則判定存在異物。

PMA和A4WP標準于2015年合并成為AirFuel Alliance標準，與Qi標準成為手機等便攜式移動設(shè)備的無線充電技術(shù)兩大主流標準。其中，A4WP標準中并未對異物檢測技術(shù)進行明確的規(guī)定，但為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，分別對發(fā)射端及接受端設(shè)定運行狀態(tài)：

（1）對發(fā)射端設(shè)定了四種運行狀態(tài)，分別為配置狀態(tài)、省電狀態(tài)、低功耗狀態(tài)及功率傳輸狀態(tài)。在功率傳輸狀態(tài)中，系統(tǒng)實時監(jiān)視狀態(tài)轉(zhuǎn)換、充電持續(xù)時間、關(guān)閉時間及故障情況。

（2）對接收端設(shè)定了三種運行狀態(tài)，分別為零值狀態(tài)（Null）、啟動狀態(tài)（Boot）以及功率傳輸狀態(tài)（On），在功率傳輸狀態(tài)中，系統(tǒng)通過與發(fā)射端建立通信可確定剩余的充電時間，同時，當過電壓、過電流及過熱等故障狀況發(fā)生時，系統(tǒng)需立即停止充電以避免造成安全隱患。

國內(nèi)關(guān)于無線電能傳輸技術(shù)的標準主要是由中國電力企業(yè)聯(lián)合會、工業(yè)與信息化部門以及全國汽車標準化技術(shù)委員會等部門共同制定的《電動汽車無線充電系統(tǒng)》系列國家標準。該標準體系規(guī)劃標準18項，規(guī)范電動汽車無線充電系統(tǒng)在公共以及私人應用領(lǐng)域的性能要求、安全要求、測試要求及試驗方法等。

2020年4月，國家標準化管理委員會發(fā)布《電動汽車無線充電系統(tǒng)》通用要求、車載充電設(shè)備間的通信協(xié)議及特殊要求等4項國家標準。其中，在GB/T 38775.3《電動汽車無線充電系統(tǒng) 第3部分：特殊要求》中，對金屬異物及活體異物檢測技術(shù)提出了明確的要求。

針對金屬異物檢測，標準中對生活常見金屬如硬幣、易拉罐、鋼絲球及線纜等九種異物，在系統(tǒng)發(fā)射、接收線圈間以及與系統(tǒng)水平距離20cm、40cm及60cm處進行相應溫升測試及灼熱測試，金屬異物表面溫度需滿足GB/T 38775.1《電動汽車無線充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》中相關(guān)規(guī)定，同時，系統(tǒng)發(fā)射端必須具備金屬異物檢測及識別功能，當異物出現(xiàn)在檢測區(qū)域時，系統(tǒng)必須發(fā)出警告，且立刻停止充電或系統(tǒng)不啟動。針對活體異物，標準中要求系統(tǒng)必須具備活體保護功能，能夠判斷保護區(qū)域內(nèi)是否存在活體，當系統(tǒng)檢測到活體異物存在時，系統(tǒng)必須發(fā)出警告，并停止充電或系統(tǒng)不啟動。

表1詳細列出國內(nèi)外標準對異物檢測技術(shù)的相關(guān)規(guī)定以及測試方法?？傮w而言，國內(nèi)外關(guān)于金屬異物及生物體檢測技術(shù)的標準較為完整，但仍存在以下幾點問題：

表1 異物檢測技術(shù)標準

（1）由于異物材質(zhì)的多樣性導致標準缺少具體的界定，仍需進一步完善；（2）相較于金屬異物檢測，針對生物體異物檢測標準制定內(nèi)容較少；（3）未對檢測系統(tǒng)精度進行相關(guān)規(guī)定；（4）對異物介入系統(tǒng)的方式并未進行明確規(guī)定等。

2 異物檢測關(guān)鍵技術(shù)

本文將目前涌現(xiàn)的諸多異物檢測新技術(shù)劃分為輔助線圈異物檢測技術(shù)、系統(tǒng)參數(shù)異物檢測技術(shù)和傳感器異物檢測技術(shù)三大類別，逐一分析其基本原理、解決的技術(shù)問題以及檢測類別等內(nèi)容，并將三種檢測技術(shù)的特性進行了對比。

2.1 輔助線圈異物檢測技術(shù)

這種方法通常要將檢測線圈鋪設(shè)在發(fā)射線圈上方，當金屬異物靠近檢測區(qū)域時，檢測線圈的電感、阻抗等參數(shù)會發(fā)生改變，因此可以實現(xiàn)異物檢測。但當金屬異物遠小于檢測線圈的體積時，異物對檢測線圈的影響較小，此時很難實現(xiàn)異物檢測。為提高檢測精度，通常需要使用多個足夠小的線圈組成陣列式檢測線圈進行檢測，并對檢測線圈外加激勵源，陣列檢測線圈的異物檢測方法如圖1所示。當金屬異物介入時，通過分析檢測線圈的輸出電壓或輸出電流的波形、幅值、頻率等參數(shù)實現(xiàn)異物檢測。

2.1.1 消除檢測盲區(qū)

由輔助線圈結(jié)構(gòu)可知，該檢測系統(tǒng)通常由多個足夠小的線圈陣列組合而成，但在檢測小線圈之間易存在空隙，當體積較小金屬落入這些區(qū)域時，輔助線圈參數(shù)變化較小或無變化無法引起報警，形成了檢測盲區(qū)。

圖1 陣列檢測線圈的異物檢測方法

有學者通過對傳統(tǒng)多層檢測線圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化提出了一種非重疊輔助檢測線圈的方法，如圖2所示。系統(tǒng)主要由一個高頻逆變器、發(fā)射線圈、非重疊檢測線圈以及異物檢測電路構(gòu)成。

圖2 非重疊檢測線圈

系統(tǒng)中沒有金屬異物時，兩層線圈感應電壓差值接近零，金屬異物介入系統(tǒng)使線圈互感發(fā)生變化，因此感應電壓值發(fā)生波動，該差值超過設(shè)定閾值，實現(xiàn)對金屬異物的檢測。

非重疊線圈檢測盲區(qū)如圖3所示。但當金屬異物如圖3中灰色部分所示，在不同檢測線圈中覆蓋面積相同時，此時電壓變化為零。無論單層結(jié)構(gòu)或雙層結(jié)構(gòu)在該情況下均存在檢測盲區(qū)。

為消除盲區(qū)，有學者提出一種四層檢測線圈結(jié)構(gòu)，如圖4所示。通過在水平與垂直方向分別增加一層輔助線圈，此時無論金屬異物的形狀如何，或處于檢測區(qū)域的任何位置，均可以精確地檢測到電壓變化，實現(xiàn)異物檢測。同時，根據(jù)產(chǎn)生電壓變化的線圈不同，可通過上位機獲取檢測區(qū)域內(nèi)金屬異物的位置信息。

圖3 非重疊線圈檢測盲區(qū)

圖4 四層非重疊線圈結(jié)構(gòu)

有學者以該結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對線圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，通過獲取非重疊線圈組的感應電壓，同時實現(xiàn)了異物檢測及車輛位置檢測功能，并且通過實驗驗證，當硬幣介入時，感應電壓差增至無異物時的10倍以上，極大地提高了檢測精度，但該結(jié)構(gòu)同樣存在如圖5所示檢測盲區(qū)。

圖5 檢測盲區(qū)

為消除盲區(qū)，有學者將同樣的結(jié)構(gòu)進行對角定位交叉方式進行布置，一種消除檢測盲區(qū)的方法如圖6所示。此時當圖5情況發(fā)生時，以對角交叉布置的第二層輔助線圈仍可產(chǎn)生電壓變化，且不論金屬異物在檢測區(qū)域內(nèi)任何位置，線圈陣列均可以產(chǎn)生電壓差值，一定程度上消除了檢測區(qū)域內(nèi)盲區(qū)。

圖6 一種消除檢測盲區(qū)方法

此外，基于磁場在水平與垂直方向的對稱分布，有學者提出了一種雙層對稱檢測線圈，如圖7所示。在垂直方向?qū)⒍鄠€矩形檢測線圈對稱排列，為消除檢測盲區(qū)，在第二層將兩組檢測線圈以中心對稱方式進行水平方向排列，當金屬異物覆蓋相鄰線圈面積相同時，第一層檢測線圈無電壓變化差值，但通過檢測第二層水平排列的檢測線圈互感差值變化，實現(xiàn)對金屬異物的檢測，有效地消除了檢測區(qū)域盲區(qū)，提高了檢測的可靠性。

圖7 雙層對稱檢測線圈

有學者基于檢測線圈電感變化實現(xiàn)金屬異物檢測，為消除檢測盲區(qū)，提出了三層六邊形陣列檢測線圈系統(tǒng)以及四層矩形陣列檢測線圈。

上述研究均以特定結(jié)構(gòu)疊加輔助線圈來消除盲區(qū)，此類方法一定程度上增加了檢測系統(tǒng)占用空間體積以及設(shè)計制造的復雜度。為此，有學者提出了一種非重疊對稱感應線圈，如圖8所示。將感應線圈組鋪設(shè)在發(fā)射端上方，當金屬異物介入時，由于引起磁場變化的相鄰線圈并非是與其對稱相連的檢測線圈，故不同組的對稱感應線圈將產(chǎn)生不相等的電壓差，以此實現(xiàn)異物檢測，消除盲區(qū)。文中使用邊長40mm矩形鐵片進行了實驗驗證，該感應線圈結(jié)構(gòu)完全消除了檢測盲區(qū)，極大地提高了檢測可靠性，且使用單層線圈結(jié)構(gòu)，一定程度上降低了設(shè)計成本。

2.1.2 可獨立運行的輔助線圈系統(tǒng)

有學者基于差分放大原理設(shè)計了一種改進型平衡線圈，改進的探頭結(jié)構(gòu)如圖9所示，不僅提高了檢測精度，且減小了輔助線圈占用的空間。有學者將六角線圈、四D形線圈、雙環(huán)形線圈等七種不同結(jié)構(gòu)的檢測線圈與傳統(tǒng)矩形檢測線圈進行對比，通過實驗驗證，七種不同形狀的檢測線圈的電感變化值均超過傳統(tǒng)矩形檢測線圈，具有更高、更均勻的靈敏度，且不會顯著降低靈敏度的峰值。當給予檢測激勵信號時，金屬異物的出現(xiàn)使該信號發(fā)生變化，檢測激勵的脈沖數(shù)、脈沖峰值均發(fā)生改變，實現(xiàn)金屬異物檢測。

圖8 非重疊對稱檢測線圈

圖9 改進的探頭結(jié)構(gòu)

有學者基于輔助線圈的阻抗特性，當不同種類異物進入檢測區(qū)域時，檢測線圈的阻抗參數(shù)（電阻部分、電抗部分、幅值、幅位）變化方向不同，可同時檢測金屬異物及生物體異物，但檢測靈敏度有待提高。

上述輔助線圈系統(tǒng)雖已取得了良好的檢測效果，但均存在一個共同的問題，即：這些檢測系統(tǒng)均無法獨立于無線電能傳輸系統(tǒng)工作，其都是依靠異物介入后，影響磁場發(fā)生改變，進一步檢測其他參數(shù)從而實現(xiàn)異物檢測。但當電能傳輸系統(tǒng)關(guān)閉時，耦合區(qū)域不存在磁場，且若此時異物在電能傳輸系統(tǒng)開機前介入耦合區(qū)域，同樣無法實現(xiàn)檢測。

為解決上述問題，有學者提出了一種基于輔助線圈自感變化的檢測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。該系統(tǒng)中由并聯(lián)諧振電路檢測輔助線圈的自感變化，并聯(lián)諧振電路由獨立電流源單獨供電，因此可獨立于無線電能傳輸系統(tǒng)運行。多組環(huán)形線圈拼接安裝在發(fā)射線圈上方，為抵消輔助線圈的感應電壓，每組環(huán)形線圈由兩個極性相反的線圈串聯(lián)組成。

圖10 自感變化金屬異物檢測

該系統(tǒng)不再依靠磁場變化造成的參數(shù)改變實現(xiàn)異物檢測，而是通過測量金屬異物介入后，其阻抗對輔助線圈自感的影響。同時，由于接收線圈與感應線圈之間的距離遠小于金屬物體和感應線圈之間的距離，當發(fā)射線圈與接收線圈未對準時，對感應線圈的自感變化的影響可以忽略不計，從而提高了可靠性。

有學者為消除感應電壓，使同一通道中的兩個感應線圈的匝數(shù)不同。因此，同一通道的兩個感應線圈的靈敏度不相同，即在靈敏度較低的線圈中可能存在檢測盲區(qū)，且發(fā)射線圈的匝數(shù)不同，加大了設(shè)計制造難度。因此，有學者在此基礎(chǔ)上對線圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提出一種基于輔助線圈自感變化的對稱線圈結(jié)構(gòu)，如圖11所示。文中通過分析檢測線圈品質(zhì)因數(shù)以及金屬異物尺寸對檢測靈敏度的影響，減少輔助線圈組數(shù)，降低了制造成本。采用對稱結(jié)構(gòu)，極大地簡化了制造設(shè)計流程，且同組線圈

圖11 對稱檢測線圈結(jié)構(gòu)

匝數(shù)相同，感應電壓為零，每組線圈檢測靈敏度相同，從而完全消除了檢測盲區(qū)。檢測線圈與諧振電容采用并聯(lián)諧振方式以放大線圈自感變化，提高了檢測精度。

輔助線圈異物檢測技術(shù)成本較低，檢測可靠性強，與相關(guān)算法結(jié)合可提高檢測靈敏度。但缺點在于該技術(shù)不適用于便攜電子設(shè)備等小功率無線電能傳輸系統(tǒng)，因為小功率系統(tǒng)中金屬異物造成功率損耗較低，且檢測線圈輸出電壓變化相對較小，不易達到上位機電壓報警閾值，無法準確實現(xiàn)金屬異物檢測，因此在小功率系統(tǒng)中可靠性較差。

而對于電動汽車等大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，由于介入金屬異物的體積通常相對較小，雖會造成一定的功率損耗，但并不能使無線電能傳輸完全停止運行，且通過對檢測線圈陣列的合理設(shè)計，可消除檢測盲區(qū)，提高檢測系統(tǒng)可靠性。此外，檢測裝置需要占用一定的空間，且該檢測技術(shù)在發(fā)射線圈與接收線圈未對準時，檢測精度會受到一定程度的影響。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)異物檢測技術(shù)

系統(tǒng)參數(shù)異物檢測技術(shù)主要針對金屬異物，檢測系統(tǒng)某些參數(shù)如電壓、電流、諧振頻率、功率損耗、線圈品質(zhì)因數(shù)等，根據(jù)這些參數(shù)的變化判斷系統(tǒng)中是否有異物介入。根據(jù)金屬異物的去磁效應以及熱效應，將金屬異物的電感與電阻等效為L3與R3引入電路中，金屬介入等效電路如圖12所示。

Ii（i=1, 2, 3）為介入的金屬異物以及發(fā)射線圈和接收線圈的回路電流，M12為發(fā)射線圈和接收線圈間的互感，M23為金屬異物和接收線圈間的互感，M13為金屬異物和發(fā)射線圈間的互感。rs、R1、R2、R3分別為電源內(nèi)阻、發(fā)射線圈等效電阻、接收線圈等效電阻和金屬異物等效電阻。L1、L2、L3分別為發(fā)射線圈電感、接收線圈電感和金屬異物等效電感，C1、C2分別為發(fā)射端與接收端諧振電容。

圖12 金屬介入等效電路

對該檢測原理分析可知，該技術(shù)的關(guān)鍵是要檢測到異物引起的參數(shù)變化。但當金屬異物的體積較小時，其介入后造成的參數(shù)變化相對較弱，而金屬異物由于渦流損耗迅速升溫又極易引發(fā)安全事故。因此，為準確地實現(xiàn)對各類金屬異物的檢測，提高系統(tǒng)參數(shù)異物檢測技術(shù)的可靠性成為近幾年國內(nèi)外某些高校及科研機構(gòu)主要解決的技術(shù)問題。

有學者基于平面盤式螺旋線圈仿真模型，分析了不同材質(zhì)、體積的金屬異物，處于無線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸區(qū)域的不同位置時，對于系統(tǒng)的參數(shù)變化相對值及系統(tǒng)效率的影響。文中實驗表明，金屬的混入而產(chǎn)生的渦流效應、磁效應會對無線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生不同的影響。該檢測系統(tǒng)靈敏度較高，但檢測流程比較復雜。

有學者通過檢測發(fā)射線圈電壓及電流變化實現(xiàn)對金屬異物的檢測。金屬異物介入使發(fā)射線圈的電壓及電流的變化超過預設(shè)值，此時系統(tǒng)將發(fā)出故障報警，若異物未被及時清除，異物檢測系統(tǒng)則會中斷電能傳輸。但該系統(tǒng)可靠性較差，無法檢測到體積較小的金屬異物，且檢測算法較為復雜。

因此，有文獻提出基于頻率參數(shù)的異物檢測技術(shù)。有學者的研究表明，金屬異物介入與發(fā)射線圈發(fā)生耦合，導致諧振頻率發(fā)生改變，文中采用邊長20cm、厚度1mm的矩形銅片進行實驗驗證，實現(xiàn)了異物檢測。

有學者在此基礎(chǔ)上進行更進一步的研究，通過控制變量的方法對比系統(tǒng)參數(shù)的變化，經(jīng)實驗驗證，得到了金屬異物介入后諧振頻率升高約24%。此外，有學者提出一種基于頻率差值的檢測方法，首先檢測當系統(tǒng)在工作狀態(tài)時的第一開關(guān)頻率，將其與系統(tǒng)內(nèi)無異物時的第二開關(guān)頻率進行比較，得到一個差值，當所述第一開關(guān)頻率與第二開關(guān)頻率的差值在預設(shè)范圍內(nèi)時，判定有異物介入到檢測區(qū)域中。

有學者通過監(jiān)測系統(tǒng)諧振頻率變化以及一次側(cè)諧振電流差值可判斷介入耦合區(qū)域內(nèi)金屬異物處于發(fā)射線圈表面或發(fā)射線圈中心附近，且通過與設(shè)定閾值進行比較，可判斷此時發(fā)射線圈與接收線圈是否存在未對準的故障。

由于金屬在高頻耦合區(qū)域產(chǎn)生渦流效應，會造成無線電能傳輸系統(tǒng)的功率損耗。Qi標準所采用功率損耗檢測技術(shù)，通過對比預設(shè)接收端功率與實際接收端功率差值，實現(xiàn)金屬異物檢測。雖然該檢測技術(shù)可靠性較高，但由于金屬異物造成的損耗通常低于10W，因此在大功率系統(tǒng)中該檢測技術(shù)并不適用。

品質(zhì)因數(shù)作為無線電能傳輸系統(tǒng)的一種重要參數(shù)，反映了電路諧振的強弱程度，它的大小直接影響系統(tǒng)的性能，是評判電路損耗情況的一種重要指標。因此，有學者針對S/S型磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，提出一種基于等效品質(zhì)因數(shù)的非鐵磁性金屬異物檢測方法。將拾取端移除后系統(tǒng)等效電路中的電壓比值定義為等效品質(zhì)因數(shù)，通過對比有無非鐵磁性金屬異物介入時系統(tǒng)等效品質(zhì)因數(shù)模型，給出了判定是否存在非鐵磁性金屬異物的閾值確定方法，基于仿真和實驗結(jié)果，在金屬異物介入發(fā)射端和接收端之間或周圍后，等效品質(zhì)因數(shù)有較大幅度降低，實現(xiàn)了非鐵磁性金屬異物檢測。

系統(tǒng)參數(shù)異物檢測技術(shù)的優(yōu)點在于不需要占用額外的空間，可通過算法優(yōu)化提高檢測靈敏度。但對于大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，當介入的金屬異物體積相對較小時，引起的系統(tǒng)參數(shù)變化不易被檢測，因此僅適用于小功率無線電能傳輸系統(tǒng)。且在電能傳輸過程中，線圈錯位也會引起相關(guān)參數(shù)的變化，因此這類方法在使用中需要對金屬異物及線圈錯位進行區(qū)分。

2.3 傳感器異物檢測技術(shù)

在此類異物檢測技術(shù)中，需要借助傳感器設(shè)備實現(xiàn)異物檢測。如雷達傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、熱成像相機、光學傳感器等，該類技術(shù)通?？梢酝瑫r檢測生物體異物及金屬異物。由于傳感器種類繁多，如何根據(jù)實際應用需求，考慮成本、使用環(huán)境及傳感器使用壽命等多種因素，選擇不同種類的傳感器，或?qū)⒍喾N傳感器組合使用以實現(xiàn)更好的檢測效果，成為該類技術(shù)所需解決的主要問題?；诶走_、超聲波傳感器檢測技術(shù)的基本原理是發(fā)射波遇到異物發(fā)生反射，通過判斷目標點與異物之間的距離，對異物的位置和類型進行檢測。

有學者將雷達傳感器發(fā)射端安裝在發(fā)射線圈正上方，雷達異物檢測方式如圖13所示。為增加檢測的可靠性，該裝置還在檢測區(qū)域內(nèi)為一個發(fā)射端配備多個接收端進行異物檢測，用以消除檢測盲區(qū)。然而該設(shè)計使用傳感器數(shù)量較多，增加了制造成本。

圖13 雷達異物檢測方式

為此，有學者僅將單個雷達傳感器安裝在車身一側(cè)，即實現(xiàn)了對車身下方耦合區(qū)域的檢測。且采用二維信號處理技術(shù)，使系統(tǒng)可以檢測出輕微移動的物體，增加檢測靈敏度，并可以準確地區(qū)分移動或靜止的物體，減小了系統(tǒng)的誤報警次數(shù)。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)可以實現(xiàn)將人的手臂和其他靜止非生物體異物進行準確區(qū)分。

隨著近幾年機器學習技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過與相應傳感器結(jié)合，可實現(xiàn)良好的檢測效果。有學者提出了一種熱成像相機與機器視覺學習相結(jié)合的金屬異物檢測技術(shù)，熱成像檢測方法如圖14所示。

圖14 熱成像檢測方法

系統(tǒng)硬件部分僅使用單個熱成像相機作為傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、降低了成本；軟件部分為降噪卷積自動編碼器的深度學習算法，先對異物原始圖像進行噪聲添加處理，可防止圖像過擬合，并訓練神經(jīng)網(wǎng)絡忽略隨機噪聲，再對添加噪聲的圖像進行處理，原始圖像被編碼成較低維圖像供神經(jīng)網(wǎng)絡學習，神經(jīng)網(wǎng)絡在學習圖像的關(guān)鍵特征后，將該圖像解碼，最后輸出與原始異物圖像大小相同的重構(gòu)圖像。

自動編碼器經(jīng)過訓練，可識別傳入其中的圖像有無異物存在。文中針對不同的初始條件及測試對象成功完成了實驗驗證，具有較好的適用性及可靠性。

有學者基于機器視覺學習技術(shù)，通過對發(fā)射線圈表面圖像進行監(jiān)控，實現(xiàn)對異物自動化檢測與識別，如圖15a所示。該異物檢測裝置安置在停車位的兩個限位擋塊之間的區(qū)域內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)的檢測范圍為無線充電發(fā)射線圈500~1100mm的距離。通過建立機器學習模型，基于Tensorflow框架，結(jié)合采集到的各類異物圖片，如圖15b所示，訓練了基于支持向量機（Support Vector Machine, SVM）的異物識別網(wǎng)絡。經(jīng)過實驗驗證，系統(tǒng)能夠準確地辨別金屬異物、光斑與光影，識別正確率高達95%。

此外，有學者提出一種以梳狀電容傳感器為基礎(chǔ)的生物體異物檢測裝置，用于電動汽車無線充電系統(tǒng)，梳狀電容檢測方法如圖16所示。該生物體異物檢測系統(tǒng)安裝在發(fā)射線圈平臺，將電容傳感器以最優(yōu)梳狀進行安裝，實驗表明，該種結(jié)構(gòu)可使電容傳感器獲得相同的電容值。該裝置對電容傳感器的應用與大部分裝置不同，該電容傳感器抑制了生物體與大地之間的電容耦合，為了提高檢測靈敏度，檢測出生物體出現(xiàn)在系統(tǒng)中引起極小的電容變化，系統(tǒng)對電容耦合進行了相應處理。

圖15 基于機器視覺的檢測方法

圖16 梳狀電容檢測方法

金屬異物的渦流效應會使其進入到發(fā)射、接收線圈之間的耦合區(qū)域，溫度迅速上升。根據(jù)這一特點，通過使用溫度傳感器對系統(tǒng)進行溫度監(jiān)測，從而準確、迅速地實現(xiàn)金屬異物檢測。

但對于生物體異物，僅使用溫度傳感器可靠性較差，因此有學者將溫度傳感器與光學相機相結(jié)合，共同構(gòu)成生物體異物檢測系統(tǒng)，并安裝在車載線圈兩側(cè)，傳感器與光學相機結(jié)合的生物體檢測裝置如圖17所示。

兩種檢測方法組合使用，使該系統(tǒng)可以同時區(qū)分金屬異物與生物體異物。基于傳感器的異物檢測技術(shù)優(yōu)點是設(shè)備不需要占用較多的空間體積，通過對安裝位置進行合理設(shè)計可實現(xiàn)較大的檢測范圍，

圖17傳感器與光學相機結(jié)合的生物體檢測

具備同時檢測金屬異物及生物體異物的能力，不易受到溫度、噪聲等因素干擾，具有良好的可靠性；其缺點是部分種類傳感器造價較高，使用過程容易受到灰塵、泥土的遮蓋影響檢測效果，需要進行定期維護；設(shè)備受到外力作用容易損毀可能導致無法正常使用。

表2對三類異物檢測技術(shù)的優(yōu)缺點、檢測異物種類及適用功率進行了總結(jié)。不同的檢測技術(shù)的檢測種類及使用系統(tǒng)的功率要求不同。根據(jù)具體的使用需求選擇合適的檢測方法以獲得最優(yōu)的異物檢測效果。

表2 異物檢測技術(shù)特性對比

3 異物檢測技術(shù)亟待解決的問題

3.1 完善異物檢測技術(shù)標準

當前國內(nèi)外已基本完成了針對電動汽車及便攜式設(shè)備無線電能傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)標準的制定，但異物檢測技術(shù)部分的標準尚不完善。為了給無線電能傳輸技術(shù)提供更全面的安全保障，需要盡快對金屬異物檢測標準、檢測精度進行具體數(shù)值的界定，進一步完善對異物介入方式以及生物體異物檢測方面的相關(guān)檢測要求。

3.2 提高可靠性與靈敏性

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，對基于不同原理與方法的異物檢測技術(shù)的改進，歸根結(jié)底是對異物檢測技術(shù)可靠性與靈敏性的提升。異物檢測系統(tǒng)需保證在異物介入時，減少漏檢、誤檢的次數(shù)，消除檢測盲區(qū)，提升系統(tǒng)的可靠性；此外，靈敏性要求檢測系統(tǒng)應具備異物介入時及時發(fā)出報警信號或中斷電源的能力，預防危險情況發(fā)生。

為保證靈敏性，檢測系統(tǒng)的閾值無法設(shè)置得過高，但當檢測系統(tǒng)的閾值設(shè)置過低時，系統(tǒng)一旦受到輕微干擾引起的變化，都可能會導致檢測的誤報，難以保證檢測的可靠性。因此，異物檢測系統(tǒng)在設(shè)計過程中必須要根據(jù)實際的應用場景，設(shè)計出滿足相應可靠性與靈敏性的檢測系統(tǒng)。

3.3 優(yōu)化異物檢測技術(shù)的算法

當前異物檢測技術(shù)的多樣性不斷增加，但更多的研究注重對于檢測系統(tǒng)硬件的提升、更高程度的集成化以及各類傳感器的智能化。對于軟件算法的優(yōu)化研究較少。軟件算法可從對異物圖像的處理、異物的識別、檢測數(shù)據(jù)采集與處理等多方面進行優(yōu)化。結(jié)合具體傳感器異物檢測技術(shù)，針對檢測過程中可能會受到的干擾，通過改進算法，可以提高系統(tǒng)的可靠性。

4 異物檢測技術(shù)未來發(fā)展方向

4.1 異物防護方法

當前對無線電能傳輸系統(tǒng)中異物檢測技術(shù)的研究主要集中在檢測方法改進、檢測靈敏度的提升，對異物防護方法研究較少。在異物誤入系統(tǒng)之前，建立相應的防護措施，在無線電能傳輸過程中，即可將異物隔離在外，有效避免金屬異物迅速升溫造成的危險，以及對生物體造成的損害。當異物誤入系統(tǒng)后，迅速實現(xiàn)異物驅(qū)離，降低對系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)以穩(wěn)定的狀態(tài)繼續(xù)運行。

4.2 生物體異物檢測技術(shù)多樣性

當前對于異物檢測技術(shù)的研究及異物檢測標準的制定主要針對金屬異物，涉及生物體異物檢測技術(shù)的相關(guān)研究內(nèi)容較少。文中敘述的幾種生物體異物檢測技術(shù)均具有一定的局限性。隨著無線電能傳輸技術(shù)不斷發(fā)展，安全隱患問題必定會受到越來越多的關(guān)注，因此生物體異物檢測的重要性不斷增加。

對于無線電能傳輸生物體異物檢測技術(shù)，應運用更多樣化的方法，如壓力、紅外、超聲波等檢測技術(shù)，將這些檢測方法科學、高效地結(jié)合應用于異物檢測技術(shù)中，更準確、迅速地實現(xiàn)生物體異物檢測。

4.3 與新興技術(shù)相結(jié)合的異物檢測方法

隨著無線電能傳輸技術(shù)的應用范圍越來越廣，對異物檢測技術(shù)的要求不斷提高，當前如人工智能技術(shù)、視覺機器學習、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)發(fā)展迅速，應將這些技術(shù)合理運用于異物檢測技術(shù)中。如利用人工智能技術(shù)優(yōu)化異物檢測算法，提高異物檢測硬件部分的集成化，結(jié)合機器學習技術(shù)提高檢測可靠性，采用模式識別算法對檢測異物種類準確區(qū)分等。因此將新興技術(shù)與異物檢測技術(shù)相結(jié)合是重要發(fā)展方向之一。

4.4 擴大異物檢測技術(shù)的適用范圍

當前無線電能傳輸系統(tǒng)中異物檢測技術(shù)主要應用于日常生活場景，如電動汽車、體內(nèi)植入醫(yī)療設(shè)備以及便攜電子產(chǎn)品。隨著無線電能傳輸技術(shù)在如深海環(huán)境、宇宙空間、高溫高壓環(huán)境等復雜場景下的應用，必然要擴大異物檢測技術(shù)的應用范圍。這些環(huán)境對異物檢測技術(shù)必定也有更復雜的要求，因此，為保障無線電能傳輸技術(shù)更迅速的發(fā)展，需進一步擴大異物檢測技術(shù)的適用范圍。

4.5 提高無線電能傳輸系統(tǒng)對異物的抗干擾能力

通過對系統(tǒng)參數(shù)進行相應設(shè)置、優(yōu)化檢測算法、改進系統(tǒng)設(shè)備等方法，在實現(xiàn)異物檢測的同時，系統(tǒng)可及時做出相應調(diào)整，降低異物介入對系統(tǒng)的影響，在不斷電的情況下，保證系統(tǒng)繼續(xù)以正常狀態(tài)運行。提高系統(tǒng)對異物的抗干擾能力，這也是異物檢測技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

5 結(jié)論

本文詳細介紹了異物檢測技術(shù)相關(guān)標準，并指出當前標準存在的問題。針對輔助線圈、系統(tǒng)參數(shù)、傳感器三大類別的異物檢測技術(shù)，逐一闡明基本原理、所解決的技術(shù)問題以及檢測類別，對比分析了三類異物檢測技術(shù)的特性。最后指出了異物檢測技術(shù)亟待解決的問題，對其未來的研究提供方向。

可以看到，異物檢測技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決，如異物檢測標準的完善、檢測系統(tǒng)可靠性與靈敏性的提升、異物檢測技術(shù)相關(guān)算法等。為了加快異物檢測技術(shù)發(fā)展，可以從異物防護、生物體檢測方法多樣性、異物檢測與新興技術(shù)結(jié)合、異物檢測技術(shù)適用范圍、系統(tǒng)對異物的抗干擾能力等多個方向進一步對異物檢測技術(shù)進行深入的研究。

引用本文

張獻, 邢子瑤, 薛明, 楊慶新, 孫于. 無線電能傳輸系統(tǒng)異物檢測技術(shù)研究綜述[J]. 電工技術(shù)學報, 2022, 37(4): 793-807. Zhang Xian, Xing Ziyao, Xue Ming, Yang Qingxin, Sun Yu. Overview of Foreign Object Detection inWireless Power Transfer System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(4): 793-807.