一种无线电能传输系统的金属异物检测方法技术方案

本发明专利技术实施例提供一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，包括：分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。本发明专利技术还通过比较金属和接收线圈的等效阻抗判断系统中是否存在金属异物，防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。

【技术实现步骤摘要】
一种无线电能传输系统的金属异物检测方法
本专利技术涉及无线电能传输
，更具体的，涉及一种无线电能传输系统的金属异物检测方法。
技术介绍
21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。新型的电能存储和传输技术，如飞轮电池、超级电容和无线电能传输技术等是实现能源高效利用的重要途径。无线电能传输技术主要利用电磁耦合、微波、电磁共振等形式来传输电能，不存在导线连接，因此是一种安全、可靠的新型电能传输方式。目前，随着无线电能传输技术的推广，其应用情况日趋复杂。在系统正常运行时，周围可能会在不同位置出现不同材质的障碍物，尤其是金属障碍物的出现会对整个系统的工作状态产生很大的影响，甚至会导致系统失谐而不能正常工作。无线电能传输系统发射端和接收端通过磁场耦合，金属异物在磁场中会影响系统的耦合关系，降低系统的传输效率，甚至对系统造成损坏。现有的无线电能传输系统的金属异物检测方法，一般是额外添加金属检测装置对无线电能传输系统的金属异物进行检测，检测过程繁琐。
技术实现思路
本专利技术为解决传统金属异物检测方法的上述缺陷，提供一种无线电能传输系统及其金属异物检测方法。本专利技术提供一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，包括：S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；S2，测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。其中，所述第二发射线圈连接有第二交流电源和第二谐振电容，所述第一交流电源和第二交流电源用于在发射线圈形成恒定电流，经电磁耦合后在接收线圈上感生出电动势。其中，所述无线电能传输系统还包括初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络，所述初级拓扑的补偿网络包括第一谐振电容和第二谐振电容。所述次级拓扑的补偿网络包括第三谐振电容；所述初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络均用于降低电源的额定视在功率。其中，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：通过改变无线电能传输系统的电路参数，调整磁场强度的方向，使磁场强度指向接收线圈的中心。其中，所述方法还包括：根据基尔霍夫电压定律，建立无线电能传输系统的电路参数模型，所述电路参数模型为：式中，UA表示第一发射线圈的激励源，MAC表示第一发射线圈和接收线圈之间的互感，IA表示第一发射线圈的电流，RA表示第一发射线圈的等效内阻，LA为第一发射线圈的电感，CA表示第一发射线圈的谐振电容；UB表示第二发射线圈的激励源，MBC表示第二发射线圈和接收线圈之间的互感，RB表示第二发射线圈的等效内阻，LB表示第二发射线圈的电感，IB表示第二发射线圈的电流，IC表示负载电流。其中，所述步骤S1具体包括：将所述第一发射线圈和第二发射线圈等效为一个发射线圈，建立系统的等效简化模型；根据所述等效简化模型，获取所述接收线圈与发射线圈的互感表达式，并获取金属作为接收端时，金属与发射线圈的互感表达式。其中，所述方法还包括：根据无线电能传输系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗；比较实际负载和所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗，判断系统中是否存在金属异物。其中，所述金属作为接收端时映射到发射端的等效阻抗为：式中，Rm表示金属作为接收端时映射到发射端的等效电阻；φ(k)是取决于金属特性和电流频率的复数参数；T(k)是几何函数；Lm为等效电抗；其中，σ是金属的电导率，k是空间频率的积分变量，μ0、μr分别表示金属的磁导率和相对磁导率，φr和φi分别是φ(k)的实部和虚部分量；T(k)＝[NaJ1(ka)]2J1是阶数为1的第一类贝塞尔函数，N是发射线圈的匝数，k是空间频率的积分变量，a为发射线圈长度的一半。本专利技术实施例提供的无线电能传输系统及其金属异物检测方法，根据系统的负载阻抗及输入功率特性，获取金属作为接收端时，金属与发射线圈之间的互感及阻抗表达式。比较实测互感及阻抗，以及金属与发射线圈之间的互感及阻抗，判断系统中是否存在金属异物。防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗，提高了系统的安全性和可靠性。该金属异物检测方法无需额外添加金属检测装置，检测过程简便，能够实现对高维无线电能传输系统进行安全可靠的金属异物检测。附图说明图1为根据本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的金属异物检测方法流程图；图2为根据本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的结构示意图；图3为根据本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的工作原理图；图4为根据本专利技术实施例提供的发射线圈和接收线圈在XOY平面上的几何平面图；图5为根据本专利技术实施例提供的高维无线电能传输系统的等效电路模型；图6为根据本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的等效简化模型；图7为根据本专利技术实施例提供的接收线圈的等效模型；图8为根据本专利技术实施例提供的简化模型中发射线圈和接收线圈的结构和位置关系图；图9为根据本专利技术实施例提供的互感Mmetal及Mcoil随着发射线圈及接收线圈边长变化而变化的曲线图；图10为根据本专利技术实施例提供的接收线圈互感Mcoil与金属的互感Mmetal均为1.3时，发射线圈的电路参数关系图；图11为根据本专利技术实施例提供的接收线圈互感Mcoil与金属的互感Mmetal均为29时，发射线圈的电路参数关系图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一模块实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为根据本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的金属异物检测方法流程图，如图1所示，该方法包括：步骤S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取金属作为接收端时，金属与发射端之间的互感表达式；其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；无线电能传输又称无线电力传输，非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。在系统正常运行时，周围可能会在不同位置出现不同材质的障碍物，尤其是金属障碍物的出现会对整个系统的工作状态产生很大的影响，甚至会导致系统失谐而不能正常工作。本专利技术检测系统中的金属异物，目的是防止系统把金属物当初目标负载进行能量传输，减少系统受到的安全威胁和能量损耗。图2为根据本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，其特征在于，包括：S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；S2，测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各互感表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。

【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输系统的金属异物检测方法，其特征在于，包括：S1，分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感，获取接收端为接收线圈时，发射端与接收线圈之间的互感表达式，以及接收端为金属时，发射端与金属之间的互感表达式；其中，所述无线电能传输系统包括发射端和接收端，所述发射端包括正交设置的第一发射线圈和第二发射线圈，所述接收端包括接收线圈，所述发射端用于传输能量到接收线圈，所述接收线圈用于接收能量，供给负载；S2，测量系统发射端和接收端之间的互感，与通过各互感表达式计算获得的互感理论值比较，判断系统中是否存在金属异物。2.所述第一发射线圈连接有第一交流电源和第一谐振电容，所述第二发射线圈连接有第二交流电源和第二谐振电容，所述第一交流电源和第二交流电源用于在发射线圈形成恒定电流，经电磁耦合后在接收线圈上感生出电动势。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无线电能传输系统还包括初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络，所述初级拓扑的补偿网络包括第一谐振电容和第二谐振电容。所述次级拓扑的补偿网络包括第三谐振电容；所述初级拓扑的补偿网络和次级拓扑的补偿网络均用于降低电源的额定视在功率。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：通过改变无线电能传输系统的电路参数，调整磁场强度的方向，使磁场强度指向接收线圈的中心。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在分析无线电能传输系统中发射端和接收端之间的互感之前，所述方法还包括：根据基尔霍夫电压定律，建立无线电能传输系统的电路参数模型，所述电路参数模型为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：粟梅，宁思捷，孙尧，朱奇，刘梓溪，毛竹，但汉兵，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43