异物检测系统设计和实现

摘要近年来国内外电动汽车发展迅速，采用的充电方式主要是导电充电。然而，这种方式存在许多缺陷，例如接触不良，接触电阻温度升高引起的损坏，大量充电头和不舒服的插入和移除。为了解决这些问题，已经开发了用于电动车辆的无线充电技术。目前，用于电动车辆的无线充电系统通常采用水平点对点方法。在充电过程中，充电区域可能落入外来金属物体中，并且在生物体内进入异物。外来金属物体在进入后会引起涡流，从而引起火灾。它还可以改变耦合机制的参数，使系统偏离正常工作点。在严重的情况下，系统根本不起作用。充电区域中的磁场可能影响活组织并导致组织损伤。因此有必要检测外来物体和生物异物，从而确保装载过程的安全性和系统的可靠性。在此要求的基础上，本文件提出了一种用于检测异物以检测金属和生物体并确保系统装载的系统。文章指出，研究的目的是为无线电动汽车充电系统，并结合系统运行过程中的应用需求，分析检测异物的需要，总结国内外研究的现状。该分析总结了这些当前计划的局限性和弱点，并强调了本文研究的重要性。鉴于用于电动车辆的无线充电系统，提出了一种基于阻抗特性的异物检测方案。该方案的原理是金属和生物体进入磁场并改变磁场参数，这又改变了测量管的阻抗。因此，可以通过隔离该功能来检测生物和金属。在此原理的基础上，提出了系统的总体设计方案，从方案验证测试中提供数据并验证方案机制。分析了系统设计过程中的关键问题，给出了解决方案。设计了软件流程，分析了特征提取算法，建立了系统硬件实验平台，验证了不同条件下异物检测的功能。实验结果表明，所有结果都达到了预期的实验结果。该系统可以检测异物和异物，而不影响主电路的传输功率和性能，验证了系统的实际可行性。关键词：电动汽车，无线充电，阻抗特性，金属检测，活体检测Abstract:Electricvehicleshavedevelopedrapidlyinrecentyearsbothdomesticallyandabroad,andthechargingmethodsusedaremainlyconductivecharging.However,therearemanydefectsinthisway,suchasfaultycontact,damagecausedbytherisingtemperatureofthecontactresistance,amassivechargingheadanduncomfortableinsertionandremoval.Tosolvetheseproblems,wirelesschargingtechnologyhasbeendevelopedforelectricvehicles.Currentlythewirelesschargingsystemforelectricvehiclesgenerallyadoptsahorizontalpoint-to-pointmethodDuringthechargingprocessthechargingareamayfallintoforeignmetalobjects,aswellasenterforeignbodiesinthelivingbody.Alienmetalobjectscancausevortexcurrentsafterentry,whichcancausefires.Itcanalsochangetheparametersofthecouplingmechanismtocausethesystemtodeviatefromthenormalworkingpoint.Inseverecases,thesystemwillnotworkatall.Themagneticfieldinthechargingareamayaffectlivingtissueandcausetissuedamage.Itisthereforenecessarytodetectalienbodiesandbiologicalalienbodies,therebyensuringthesafetyoftheloadingprocessandthereliabilityofthesystem.Onthebasisofthisrequirement,thisdocumentproposesasystemfordetectingforeignbodiesinordertodetectmetalsandorganismsandtoensurethatthesystemisloaded.Thearticlestatesthatthepurposeoftheresearchisthechargingsystemforwirelesselectricvehicles,andanalysestheneedtodetectforeignobjectsinconjunctionwiththeapplicationrequirementsinthesystemoperationprocessandsummarisesthestateoftheresearchinthecountryandabroad.Theanalysissummarisesthelimitationsandweaknessesofthesecurrentprogrammesandhighlightstheimportanceofresearchinthisarticle.Withaviewtothewirelesschargingsystemforelectricvehicles,aschemeforthedetectionofforeignobjectsbasedonimpedancecharacteristicswasproposed.Theprincipleofthisschemeisthatthemetalandtheorganismenterthemagneticfieldandchangethemagneticfieldparameter,whichinturnchangestheimpedanceofthemeasuringtube.Therefore,organismsandmetalscanbedetectedbyisolatingthisfunction.Onthebasisofthisprinciple,ageneraldesignschemeofthesystemisproposed,providingdatafromtheschemeverificationtestandverifyingtheschememechanism.Keyproblemsinthesystemdesignprocessareanalysedandsolutionsaregiven.Thesoftwareflowisdesigned,afeatureextractionalgorithmisanalyzedandaplatformofthesystem'shardwareexperimentisbuilt,thefunctionofdetectingforeignobjectsunderdifferentconditionsisverified.ExperimentalresultsshowthatallresultsachievedtheexpectedexperimentalresultsThesystemcandetectforeignmetalbodiesandforeignbodieswithoutaffectingthetransmissionpowerandperformanceofthemaincircuitandverifythepracticalfeasibilityofthesystem.Keywords:electricvehicle,wirelesscharging,impedancecharacteristics,metaldetection,livedetection目录摘要 1第一章 绪论 31.1 研究背景 31.2 国内外研究现状 51.3 课题研究目的、意义及主要内容 71.3.1 课题目的 71.3.2 课题意义 81.3.3 主要研究内容 81.4 本章小结 9第二章基于阻抗特性的异物检测原理 92.1电磁线圈磁场分布特性 92.2金属异物检测原理 112.3阻抗检测法机理实验测试 12第三章系统软硬件设计 143.1系统硬件电路设计 143.1.1功放电路设计 143.1.2运放滤波电路设计 153.2系统的软件设计 163.2.1主程序流程设计 163.2.2数字滤波方法选取 173.2.3特征提取算法 18致谢 20参考文献 21绪论研究背景近年来，生产汽车和大型汽车公司的最大国家已经就汽车电气化和推广方向达成了更广泛的共识。荷兰和挪威等国家制定了更加激进的目标，表明到2025年和2030年将不再增加传统燃料汽车。通用汽车，梅赛德斯-奔驰，宝马，大众等大型汽车公司正在推动雷诺-日产之后的电动汽车，并宣布将在市场上推广约20种不同的电气和系列产品。中国政府还推出了几项拨款规则和激励措施，以促进电动汽车的发展。目前，几乎所有电动汽车的充电方法都采用导电充电，但导电充电的发展存在一些问题。它可以直接物理接触，直接接触电线。接触电阻温度升高，造成损坏，充电头负担，插入和移除令人不愉快，并且对环境的适应性不好。已经使用无线能量传输技术来解决与无线充电相关的各种问题。它具有环保，环保，舒适，灵活，安全等动力传输接触的优点。WPT的本质是指一种以电绝缘的形式将电力从电源转移到电极的新模式，通过存在于物理空间中的传输介质来保证人类的舒适生活。常用的传输介质包括微波，激光，机械波，磁场和电场。其中最常用的是磁场耦合，其广泛用于各种领域，例如油井钻探，医疗设备，潜艇，电动车辆，非移动设备等。电动车辆的无线充电方法使用高频磁场将能量从电网传输到电动车辆，以便对电池进行无线充电。这意味着这两个实现，其中一个是在线无线充电，这意味着汽车正在无线充电，而在2013年世界经济论坛中驾驶是最好的它被公认为技术创新之一。第二个是无线停车场。它依赖于无线充电。目前，电动汽车的无线充电标准已经在海外发布，国际标准正在深入发展。无论加载模式如何，主管道都放置在地平面上，而次级管道则以充电车底盘的一部分的形式放置，在这种情况下，主管道和次级管道​​之间的磁场有联系。因此，在两种加载模式下的异物容易掉落或进入原始管的表面并且不会单独落下。进入充电区有两种类型：首先，在停放无线充电停止之前，或者在线充电车到达某个位置之前，在主线上​​已经有异物进入同时站在主管的表面上。进入的异物包括不影响负载功能的非金属异物，以及可能影响负载的外来金属体和人和动物等生物。因此，以下异物是指可能影响装载的异物和异物。在无线在线充电的情况下，无论异物如何进入，异物与初级侧和次级侧之间的连接时间短，并且其存在几乎不影响充电。少。但是，在停车费的情况下，装载时间很长，因此异物侵入的潜在风险很大。异物的引入会影响负载性能，并可能影响系统的输出功率。除无线充电系统外，外来金属物体和外来生物物体具有某些优点。露天金属的流入可能会导致火灾和设备因涡流而损坏等事故，并且还会改变耦合机构的参数，导致系统偏离其正常工作点，在严重的情况下，系统可能无法正常运行。人类和动物等生物体具有电阻，但当它们进入磁场时会破坏活组织。今天，低功率移动电话和其他产品增加了对异物的检测，而不是提到无线充电。在电动汽车领域，电力线通常是几千瓦，甚至磁场中的小金属也是非常危险的。它们都限制了无线能量传输技术的推广。此时，显示了异物检测的重要性。这里，异物的检测是指检测能够在磁场中产生热量的金属部件和金属装置，以及体内检测诸如人和动物的生物体。通过检测异物来警告进入充电环境的异物，并及时停止充电以防止火灾和对身体的损害。国内外研究现状近年来，电动汽车的无线充电发展非常迅速。重庆大学，南京航空航天大学，哈尔滨工业大学，东南大学，中兴通讯等等一下！在中国，目前没有统一的无线充电标准，2016年8月在深圳制定统一标准。举办了电动汽车无线充电技术研究与标准化研讨会。电动汽车无线充电的一个重要因素是外来物体的发现是显而易见的。下面描述中国提出的特定外来检测方法的分类。有三个主要类别需要讨论：如何添加电子线圈，如何测量环境参数以及如何添加外部电路或设备。分析了每种方法的代表性结果。添加线圈的方法主要是添加线圈。通过将两个线圈放置在无线电力传输系统的主传输线圈的表面上以检测左右金属平衡来执行异物的检测，并且是否存在两个金属线圈和定位的金属检测电路？当你形成一个循环来检测是否。缺点是当停车场发生转移时，该方法可能产生错误警报。在主线圈和辅助线圈之间添加一些线圈，如下所示。线圈子是第一根线圈子，第二根线圈子依次排列，两根线圈子串联连接，占据主线圈表面的相同区域，主线圈子被驱动当由两个线圈产生的磁场由第二个线圈和预设的校准电压差引起时，使用根据第一个线圈引起的电压的控制在方向上相反五个用于计算异物检测的差异。并且是否与异物检测的差异大于预定差值有关，是否在原始线圈中存在异物。该方法的局限性不是停车量大，异物量少，检测不充分的情况。电压检测法通过测试由于性能变化引起的性能变化。识别外部材料的存在的方法主要是改变电极的参数。当在没有实时收集的具有开关频率的外来物体的情况下比较开关频率时，确定异物是否在电荷的磁场中。缺点是当异物的体积小时检测到的开关频率基本上没有变化，并且功率的变化也会引起误报警。通过由无线充电器的发送端接收的功率与发送器的端部之间的差来计算发送功率，确定外金属体是否处于磁场中。缺点是异物量太小而无法检测到损失，因此不可能检测到具有高功率的小型外国人。在无线充电过程中，搜索在检测信号功率和管位移速率之间的相关表中的次级侧信号的功率或次级侧和初级侧之间的通信信号的功率或次级通信信号的功率。第二步是找出电力和损失对比表系统的固有损失。第三步是电传输和电损失最终是根据管的位移系数和自然系统的损失来计算电传导损失的值;有。通过检测发射无线能量的效率来检测外国人的身体。但是，如果异物体积很小，性能不会发生显着变化而且不会被检测到。通过检测谐振电路的Q值来检测异物。已经提出了一种异物检测系统，通过监视天线的特征参数来检测异物。但是，这种方法还可以检测不会引起磁场变化的外来物体的报警，如果导致天线参数发生变化，也可以发出警报信号。为了。充电装置主要配置分别连接到控制器和发射天线的信号转换模块，以用作发射信号。状态，电压和相位差信息用于确定金属物体是否已进入充电磁场。缺点是在高功率下不能检测到小的异物。通过检测负载平面的重力值并确定重力值是否与参考值相比是不精确的，确定是否存在异物。但是，这种方法不易实现且不易安装。同时，电路放置在主管中，电子元件也被阻挡。尽管在上述文献中描述了大量文献，但实际上存在不同的缺点，在实际使用中出现不同的问题，并且实用价值低。在不影响主电路的负载功率和性能的情况下进行有效检测是不好的。课题研究目的、意义及主要内容课题目的针对电动汽车无线充电系统的异物检测问题，通过对进入磁场区域的金属异物和生物体异物进行分析研究，找出金属异物和生物体异物进入磁场引起的对检测装置某些参数的变化特性。寻找一种能够在基本不影响电能传输效率的基础上，实现对进入磁场范围的生物体和金属进行有效检测的方法，促进电动汽车无线充电的推广。课题意义本文研究的电动汽车无线充电系统异物检测技术能够使电动汽车在非常安全的条件下进行无线充电，减少意外的发生，极大地保证了充电系统的安全性，推动电动汽车无线充电技术的进步，进一步推进系统产业化的应用。主要研究内容本说明书的目的是设计一种用于通过基于电动车辆的无线充电系统以及进入充电场而不影响系统的功率和性能的金属和生物来检测异物的方法。金属检测，可以检测化学异物，然后测试生物体。本研究在系统配置，滤波方法，特征提取算法，系统强化滤波等方面，研究了异物进入管道引起的阻抗变化特征，即幅度和相位变化。研究的主要内容分析了无线电动汽车充电系统中现有的几种异物检测方法，总结了它们的特点和不足。在电动汽车的无线充电系统中，提出了一种新的异物检测方法来传输传输功率和主电路的效率。分析了该方案提出的检测方法的原理，包括电磁场产生原理，异物检测原理，测量距离与灵敏度的关系，以及生物检测原理。该方案的可行性是通过在不同的实际环境中进行测试来确定的，并且该检测方法的机制确认了在不同环境中是否可以检测到金属或生物异物。提出了系统和分析系统体系结构的重要问题，并对高频和干扰问题等一些重要问题进行了深入的研究和分析。设计了系统的硬件实验平台，提出了系统结构和关键问题，并根据初始电路输入参数设计了整个电路的具体参数。描述并设计了系统的软件算法，分析了系统提取的特征。最后，通过实验验证了该方案的实际功能。本章小结本章阐述了无线电能传输技术的本质、意义以及发展前景，提出充电过程中会遇到的异物检测问题。介绍了电动汽车无线充电系统异物检测国内外的研究现状，分析总结了目前无线电能传输异物检测方法的缺陷和不足。最终，引出金属异物和生物体异物检测的重要性、价值及意义。第二章基于阻抗特性的异物检测原理为了更好地理解无线电动车辆充电系统对异物的检测，本发明基于以下理论：变化的电场产生可变磁场，改变磁场和改变电场是相互依赖的。在本说明书中，基于阻抗特性，电磁管的磁场分布，异物检测原理，异物类型和异物检测原理的异物检测方法，提出了基于阻抗特性的异物检测。我们解释了铁磁金属等支持技术。幅度和相位特性：为了验证阻抗检测机制的精度，测量管的阻抗变化由桥测量。我们为本文提出的系统提供理论支持。2.1电磁线圈磁场分布特性根据麦克斯韦的位移电流假说和漩涡电场假说，通电的线圈必然会在线圈周围激发一个磁场，在这个磁场中如果进入了金属异物或者生物体异物，将会引起线圈磁场的变化。所以，在给一个矩形线圈输入一个交变电流以后，会在矩形线圈周围的空间内产生一个交变的磁场。假设有一段载流直导线在空间点的磁场分布如图所示坐标为（x,q,0）的电流单元Idx在点Q产生磁场dHy，dHz。同理可得dHy,dHz的表达式如下：这些方程是微分方程，在正常过程中解决起来比较复杂，因此您可以使用适当的计算机支持软件来解决它们。对于矩形像素的一个计算点，首先，将矩形像素分成若干段，并且使用通过计算计算点处的分段电流来计算每个磁场的计算的磁场力的方法。计算三个x，y，z轴上计算的总磁场浓度，收集z和z坐标轴上的等效x分量，最后计算所有计算的磁场分量，计算出的磁场和点的方向获得力量所有计算点都按照固定的规则排列，并且可以按排列顺序移动，以获得矩形管的磁场分布的所有图。麦克斯韦方形线圈的磁场模拟如下所示。矩形线圈磁力线分布图矩形线圈磁场分布图2.2金属异物检测原理在交变的磁场中，金属进入磁场会引起磁效应或者涡流效应，磁效应或者涡流效应将会产生一个附加磁场，而这个附加磁场会破坏交变磁场的磁力线分布，所以也可以把这个产生的附加磁场称为二次场。其中涡流效应原理如图所示。涡流效应原理图测量管相位的矢量表示和感应电位的大小等于测量管，反映了上述金属导体和测量管之间的关系。当可变正弦电流I1被引入测量管时，在测量管周围产生可变磁场H1。感应I2在内部产生并且电流在导体处闭合并且具有称为涡电流的螺旋形状。该旋转电流在与测量管的磁场H1的方向相反的方向上产生可变磁场H2，并且可变磁场H2的反应改变有效测量管的阻抗。测量线圈阻抗的变化不仅和电涡流效应有关系，还和进入磁场的金属导体的几何形状、磁导率μ、电导率ρ、测量线圈的几何参数、激励电流、金属导体和线圈之间的距离等参数有关系。假定金属导体内部是均匀的，它的性能是线性的、各向同性的，那么金属导体和测量线圈的物理性质基本就能够由下边几个参数来进行描述：尺寸因子r、电导率ρ、距离d、磁导率μ、频率f、激励电流强度I。那么测量线圈的阻抗Z就可以使用下边的函数来进行表示：如果在某些特定条件下，控制式中的某些参数为一个不变的定值，只去改变所有参数中间的某个参数，那么测量线圈的阻抗就成为了这个变化参数的单值函数。2.3阻抗检测法机理实验测试根据前文的分析，设计一个阻抗特性的检测方案，对前文提出的阻抗特性检测机理进行实验论证。检测方案如图所示。根据如上所述构造的矩形线圈的磁场布置和模拟，可以观察到圆线圈和方线圈在相同参数下的磁场分布和强度差异很小。在该图中，实验平台的侧线圈的主要形状是方形的。为了更好地检测原始线圈的所有角，选择方形线圈作为该方法的测量线圈的设计。在下面的图中，并联的一部分是检测线圈。不同的情况会增加线圈的数量和足迹的密度，线圈迹密度越高，检测小异物的灵敏度越高。在本设计中仔细考虑后，测量线圈为20cm×20cm方线圈，迹线密度为6mm。通过桥测量测量线圈的阻抗变化。桥的原理如下图所示。电桥测量示意图图中，R1、R2、R3、R4为四个电阻，即四个桥臂，b、c端输入一个不同频率的激励信号源，a、d端接外部要测试的电路。正常情况下，四个桥臂处于平衡状态，a、d两端的电压为0。进行测量时，Uad发生变化，为了使电路重新达到平衡，就会调节电阻参数，通过公式R1R4=R2R3就能得到未知参数量，再通过内部计算就能得到电感、电容、阻抗等的参数值。本节通过电桥的此种特性对测量线圈的电感、电容和阻抗进行测量。因为对测量线圈施加了一个激励信号，所以测量线圈表面产生了交变磁场，异物进入以后能够引起线圈阻抗的变化。在实际测试中发现，不论是金属异物还是生物体异物在进入测量线圈的测量范围后，都能够引起线圈相位和幅值的变化，即阻抗的变化。由前面对阻抗测量原理的描述，异物进入感应线圈板时对线圈阻抗的影响主要是其虚部感抗X1=2πfL和容抗Xc=1/2πfC。第三章系统软硬件设计在本章中，根据前一章的分析，为了及时，有效地检测外来金属物体和异物进入磁耦合区域，而不影响主电路的功率和效率设计硬件电路和软件算法。根据前一章的重要研究问题和第二章的结构，提出了一种适用于设计高频感应电路，运算滤波电路等参数的方法，并提出了具体的检测电路。提出了一种设计软件流程和值提取算法，在到达磁场耦合区域后提取自身值。3.1系统硬件电路设计在设计该系统时，阻抗检测方法用于检测系统中的异物，如上所述，但阻抗的变化在高频时更明显，10MHz信号是高频唤醒它被选为信号。我们设计了一个高频唤醒电路，可以产生10,7MHz的正弦波信号。由于阻抗测量管放置在磁场中并与无线充电系统的发射管紧密连接，因此高感应电压和频繁切换的主电路开关会干扰高频探测器系统的小信号对存在的陌生人。为了获得更清洁的检测信号，过滤传感器信号并设计上路径放大电路。最后，阻抗检测电路设计用于获得阻抗相关参数。选择这些电路中的一些用于项目分析。3.1.1功放电路设计本文的第三章涉及过去信号负载的能力。传统的功率放大电路对输出信号有影响，因为它们具有交叉失真。选择消除交叉失真的OLC电路。为了消除功率放大器电路的交叉失真，必须设置适当的静态工作点，以使两个放大器工作在临界导通状态或小导通状态。电路图如下。如图电路中，在静态时，电流从+Vcc流出，经过电阻R1和R2、二极管D1和D2、电阻R3流入到-Vcc，它在晶体管Q1和Q2两个管的基极之间产生的电压为，让B1B2U比Q1管和Q2管两个管的发射结开启电压之和稍微大一点，从而让两个管子都处在一个微导通的状态，也即都有一个微小的基极电流。因为信号传输的功率很低，即流过电路的电流不大。所以在具体应用中，只需要选择小功率的晶体管就能够满足要求。在本系统的设计中选择了2N5551晶体管（Q1，NPN）与2N5401晶体管（Q2，PNP）组成了功率放大电路。3.1.2运放滤波电路设计即使检测电路用于去除信号，从功率谐振器收集的信号仍然是由两个频率组成的信号。所以你需要稍后过滤掉额外的信号。为此，设计了二次上通滤波器电路。由于提取的高频信号较小，周围环境特别受到干扰，设计了多级滤波，并采用滤波晶体进行滤波，尽可能消除干扰，保证系统检测的准确性。3.2系统的软件设计软件必须执行整个异物检测系统的功能是将模拟信号分离为由阻抗测量模块执行的相位差和振幅比，并提取特征以提取活体的金属物体或它是为了区分异物进入管子和测量时的特征，最后是它发射物体。与信号客人做正确的事情。其中，程序的主要功能是初始化各个功能模块并连续调用子程序以便根据需要执行功能。根据功能的不同，系统软件分为以下子模块：初始化模块，相位差数据采集模块，数字滤波模块，特征分离模块。3.2.1主程序流程设计根据前面对系统功能的总体规划，系统的主要的功能是主程序通过调用模块的子程序来实现的。主程序流图如图所示，在上电之后，系统自动进入main函数。首先是对各个模块进行初始化，然后进行相位差信号和幅值比信号的数据采集和数字滤波，最后进行特征提取，从波形数据中判断异物的存在同时判断异物的种类和属性，并进行相应的开关控制。3.2.2数字滤波方法选取下边给出了示波器采集到的幅值比和相位差波形图，如图1所示，图2为CPU采集到的未经数字滤波的波形图图1阻抗测量模块输出波形图2CPU采集波形图由图1的阻抗测量模块收集的数据流的原始模式略微波动。图2显示CPU实现的进度也是上下变化，没有变化。最终阻抗测量模块通过平均输出信号电压测量进入测量区域的异物的存在或不存在，以便可以对收集的原始数据进行数字滤波以稍微改变它们。在结合前面提出的不同滤波算法的优点和缺点之后，选择对系统的数据信号进行滤波的方法来过滤算术平均值。由于阻抗信号获取模块产生具有幅度和相位差的比率的平均电压信号，因此确定在平均电压信号入射之后是否存在相位差的幅度比和幅度的平均电压信号。到。在输入异物后，两个信号的平均电压整体上升或降低以达到新的平衡，因此平均是最合适的方法。另外，可以通过改变数量N的值来调整滤波器的灵敏度和平滑度来调整算术平均值的滤波。3.2.3特征提取算法为了能够使用特征提取算法对进入磁场耦合区域异物的种类和大小进行辨别，首先需要判别是否进入了异物。先需要采集到异物进入测量线圈以后引起的波形变化。下图分别是提取到的不同异物进入测量线圈表面时采集的数据经过数字滤波后的变化图（a）手距离感应板5cm；（b）手距离感应板2cm（a）钢尺距离感应版3cm；（b）钢尺距离感应版1cm一毛硬币作为异物异物测量管的输入是增加或减小阻抗测量模块的相位差或振幅比输出电压以确定是否包含异物的特性，这意味着异物已进入。在实验过程中，管的位置或导线的振动会影响其输出功率，这是很难的，以至于每个电源开关后阻抗模块的稳定输出值不固定好的，系统无法正常运行。您可以随时更改阈值的大小，因此评估外来条目的能力不是“更改”，而是它是否超过某个限制。写入过去的样本值并将它们与当前值进行比较，以查看是否要输入外来对象。特征提取流程图当检测到波形有变化，延时一段时间，再次确认波形是否变化，判断到进入稳定状态后，看历史平均值与当前的差值是否超过阈值，如果超过阈值，表明有异物。判断到有异物以后，使用BP神经网络特征提取算法对异物进行辨识。通过采集到的幅值信号对异物的大小和远近进行辨识，通过采集到的相位信号对异物的属性进行辨识。因为训练参数采集难度很大，本文只做了理论上的分析，没有辨识出金属异物和生物体异物的种类和大小，留待后续研究。第四章实验结果分析为了验证设计方案的可操作性和可实现性，搭建如下图所示的硬件实验平台。为了测量的准确性，使用绘制的PCB测量线圈板，以免手工缠绕线圈引起测量偏差。系统硬件电路平台实验平台主要由供电部分、高频激励部分、原边线圈耦合部分、谐振部分、功放电路部分、运放滤波部分、阻抗测量等部分组成，如图所示。原边线圈耦合部分使用的是两块相同的线圈板叠在一起，在下边线圈板输入频率为60KHz的信号，这样测量线圈板就能够感应到这个对阻抗测量来说是干扰的信号。主电路是把测量信号处理部分和信号的产生、滤波等部分分开的硬件电路示意图根据第二章的分析，在实际应用中，很多电动汽车无线充电系统原边线圈都是加有磁芯的，磁芯会很大程度的影响到测量线圈的阻抗变化。所以实验也分别对测量线圈加磁芯的情况和不加磁芯的情况进行验证。4.1测量线圈不加电芯下边的实验记录是在原边线圈没有加磁芯的情况下得出的。将直接分析讨论异物进入以后引起的波形参数的变化。由于阻抗测量模块芯片的测量范围是-60dbm至0dbm，也即有效值0-225mv，所以在输入测量模块之前需要对测量信号进行分压处理，避免信号幅值过大损坏测量芯片。分压后的两路信号波形如图所示。阻抗测量模块的输入波形两路信号的有效值分别为104mv和163mv，都是在测量范围内。可以输入到测量模块。将两路信号同时输入到阻抗测量模块后，就可以直接输出该模块的两个信号：幅值比信号和相位差信号。在没有任何异物进入阻抗测量线圈的时候，阻抗测量模块输出的幅值比和相位差波形如图所示。无异物时系统输出波形因为阻抗测量模块输出的是直流信号，所以是看它的平均值。从图中可以看出，在没有任何异物进入测量线圈的时候，相位差信号即CH1的电压平均值为915mV，幅值比信号即CH2的电压平均值为995mV。当有生物体（手）伸入到测量线圈测量区域时，系统输出波形如图所示金属进入磁场时系统的输出波形从图可以看出，当有金属异物（8.5cmx1.5cm铜片）进入测量线圈测量范围时，相位差信号的电压平均值增大到938mV，而幅值比信号的电压平均值减小为876mV。相位差信号电压平均值变化了23mv，幅值比信号电压平均值变化了119mv。因此，可以看出系统也能检测到金属异物带来的变化，也能对金属异物起到检测的作用。证明了系统的可操作性和可实现性。综上可以看出，本文所提出的基于阻抗特性的异物检测法在测量线圈下方没有磁芯影响的情况下能够实现电动汽车无线充电系统中的异物检测，检测效果好，能及时有效地检测出进入磁场的金属异物和生物体异物，提高了无线充电安全性。最后对模块输出的两路信号进行特征提取，通过上文的程序流程，最终判断出系统到底有没有异物进入测量线圈范围。4.2测量线圈加磁芯很多情况下，为了增加系统的效率和减少辐射，会在原边线圈下方放置磁芯，为了验证这种情况下异物检测方案的可行性和实用性。对加了磁芯的测量线圈进行了异物检测的测试验证。加入磁芯以后测量线圈平面图如图所示加入磁芯线圈图下文为加入磁芯以后对实验进行重新测试分析得到的波形图。当两路信号经过滤波放大后，输入阻抗测量芯片，就可以得到幅值比Vm和相位差Vp信号，这次只采集一路变化比较大的信号作为结果进行对比。选取的是幅值比Vm信号。在正常情况下即没有异物进入测量线圈测量范围的时候Vm信号的幅值电压平均值如图所示。无异物幅值比波形从图可以看出，在没有异物进入的时候，幅值比的电压平均值为711mv。当把长宽为13cm×8.5cm的铜片放入到测量线圈表面，得到的幅值比信号电压平均值波形变为如图所示。放入铜片幅值比波形根据上述两图的平均值可以看出，幅值比信号电压平均值从711mv变化为了660mv，变化了51mv，证明系统在这种条件下也可以检测金属异物，验证了在线圈下方加磁芯情况下，系统对金属异物的检测性能。当把手伸入到检测区域，也即生物体（手）进入到测量线圈测量区域的时候幅值比信号电压平均值波形变化为如下图所示。放入生物体幅值比波形检测到生物体的进入，验证了系统方案在测量线圈加磁芯的情况下对生物体异物检测的可操作性和可实现性。而且这种情况下的变化比不加磁芯情况下的变化明显很多，能够更加准确的检测到生物体的进入。综上可以看出，本文设计的方案不管是在测量线圈加磁芯的情况下还是不加磁芯的情况下都能够检测出金属异物和生物体异物，并且都能达到很好的检测效果。该方式不仅结构简单，而且成本低。同时因为测量线圈是封装在盒子中，和原边线圈安装在一起，所以也能够很好的实现室外电动汽车无线充电系统中的异物检测，增加了室外电动汽车无线充电系统的可靠性。第五章总结和展望5.1全文工作总结本文从电动汽车无线电能传输技术的工程背景出发，结合工程应用的需求，在现在已经有的电动汽车无线充电系统异物检测技术的基础上，提出了一种基于阻抗特性的异物检测方法。通过检测放入磁场线圈的阻抗变化，主要是通过检测幅值和相位角的变化对异物进行检测。同时根据实际中可能遇到的情况对特征提取算法进行优化，避免系统的误报。并搭建了系统的硬件试验平台，在理论和工程上都实现和验证了方法的可行性，从而为电动汽车无线充电系统异物检测提供了一种新的方法。本文提出的方法可以在一个检测线圈下，同时实现金属异物检测和生物体异物检测，成本低，效果好，而且对主电路效率基本没有影响，能够很好的适应各种磁场中的异物检测。本文围绕实现电动汽车无线充电系统异物检测问题，主要进行了以下的工作：①从电动汽车无线充电系统技术出发，分析了异物检测技术的目的和意义，并且对国内外的无线充电系统异物检测方法和技术进行了整理和总结，介绍了它们的原理以及国内外的研究现状。②对本文提出的基于阻抗特性的异物检测方法的原理和结构进行了分析，包括线圈电磁场分布、金属异物的检测原理、生物体异物的检测原理。其中金属异物包含了非铁磁性金属和铁磁性金属。给出了测量灵敏度同测量距离之间的关系。给出了异物包括金属和生物体在不同的频率下和不同的环境下阻抗变化的测试结果，对本文提出的的基于阻抗特性的异物检测方法进行了机理的验证。③根据系统的初步方案提出基于阻抗特性的异物检测系统的系统架构和关键问题，同时对系统架构和其中的一些关键问题进行了具体的分析，提出了针对关键问题的解决办法。④分析了电路的组成，对参数进行具体设计，设计出系统实验的硬件电路。提出了系统的软件设计流程，提出了对输出的信号的具体处理方式，根据特征提取算法对输出的信号进行特征提取，提取出变化的特征值，判断是否有异物进入。⑤搭建了系统的硬件实验平台，针对线圈下不加磁芯和线圈下加磁芯的两种不同情况，分别进行实验验证，都能够很好的检测到金属异物和生物体异物，验证了方案的实际可操作性，同时系统能够适应不同环境下的异物检测，验证了系统的可靠性。5.2后续工作展望本文以校企合作项目作为背景，在其应用对象——电动汽车无线充电系统异物检测上，实现了在不影响主电路传输效率的情况下，对金属异物和生物体异物的检测。根据实验结果可以看出，设计的系统的性能达到了预期的效果，但是，仍然还存在着一些可以更加完善的地方。①本文只是实现了金属和生物体的检测，提出了一种基于BP神经网络的特征值提取算法，但是因为参数不好提取等原因，没有能够最终区分出进入测量线圈的到底是金属还是生物体。下一步可以根据不同的幅值比和相位差特性区分判断出进入的到底是金属异物还是生物体异物。更进一步根据幅值比和相位差的变化大小判断出金属和生物体的大小，还可以尝试进一步判断出金属的不同材质。②电路还有一些可以优化的地方，可以把高频激励信号的幅值变得更大，让后续的测量更加准确，可以减少放大电路增加滤波电路。找到更好的滤除干扰信号的办法，使信号更加纯正。③寻找测量线圈的自然谐振点，也即阻抗的最大值点，这样能够把阻抗的反应最大化，使检测更加准确。致谢时光荏苒，岁月如梭，我马上就毕业了，就要离开我亲爱的学校以及我敬爱的老师们和情爱的同学们。当我停止这篇论文的时候，我知道我的校园生活在此刻就要画上句号，这是我不得不承认的。回顾这三年的时间，我认识了很多人，也得到了很多人的关心与帮助。首先诚挚的感谢我的论文指导老师。感谢老师在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的