在无线大功率传输系统中，发射机和接收机线圈之间的距离为几十厘米，最具有挑战性的问题之一是检测发射机和接收机线圈之间的金属异物。 由于金属异物会降低传输效率，并导致发射机和接收机发热，因此必须对金属异物进行检测和清除。本文提出了两层对称平衡线圈阵列，如果有金属异物，可以通过平衡线圈的电感变化来检测。由于平衡线圈是由在位置上处于对称关系的线圈组成的，所以不需要参考线圈，而且通过将线圈分为两层，减少了线圈之间的干扰。此外，本文还提出了一种新颖的串联谐振麦克斯韦桥电路，以提高电感变化检测性能。所提出的金属异物检测系统采用两层平衡线圈阵列与串联谐振麦克斯韦电桥实现，  实验结果表明，当金属异物插入时，会出现数百mV到数V的电压变化，因此即使是夹子等小金属也能被检测出来。

 相关论文以题为“     A Novel Metal Foreign Object Detection for Wireless High-Power Transfer Using a Two-Layer Balanced Coil Array with a Serial-Resonance Maxwell Bridge    ”于2020年12月4日发表在《     Electronics    》上。

 近年来，除了手机、智能手表和可穿戴设备等无线小设备外，无线功率传输（WPT）的研究主要集中在电动汽车、自动导引车和机器人等大型移动设备的无线充电上。 由于需要的功率是传统小设备的数千倍，大功率WPT对充电过程中的安全性以及对充电效率的要求都有额外的要求。因此，降低无用发射电磁场、热控制、异物检测(FOD)、位置检测(PD)、人体安全等技术受到了更多的关注[。特别是检测硬币、钥匙、铝箔等金属异物(MO)的技术，不仅降低了传输效率，而且如果猫、狗等生物进入其间，还可能造成电路损坏或火灾，甚至危及生命。  因此，包括金属物体检测(MOD)和活物检测(LOD)在内的FOD等技术被定义为产品应用中非常重要的技术，也被定义为无线电源联盟(WPC)和国际汽车工程师协会(SAE)等行业标准化组织必须遵守的基本要素。

Qi无线功率传输系统功率等级0规范1.2.3版提出了两种FOD方法。第一种方法监测发射器接口表面的温度变化。另一种方法是监测发射接口和接收接口之间的功率损耗。但是，在大功率WPT的情况下，不宜应用齐WPT提出的方法。这是因为在大功率WPT系统中，金属异物(MO)造成的功率损耗与输出功率相比非常小，难以检测。另外，如果发射线圈和接收线圈之间有一个分离距离，不像小功率WPC系统那样，线圈之间的距离不是恒定的，功率传输效率因错位而变化很大。

 能检测到的MO的大小取决于平衡线圈的大小，所以平衡线圈必须足够小，才能检测到一般的金属物体。 此外，根据平衡线圈的形状或排列方式，可能会出现难以检测MO的区域。换句话说，当插入相对较小的MO或在难以检测的区域插入MO时，平衡线圈的电感变化非常小，难以检测。因此，有人提出了用放大器放大电感变化产生的电压或电流的研究，但它们存在着放大功率传输信号产生的噪声的问题。因此，本文提出了一种平衡线圈结构的串联谐振麦克斯韦电桥电路，可以检测无线功率传输系统中发射线圈和接收线圈之间的距离。

 金属异物对无线充电的影响

图1为利用磁场耦合在空气中传输电能的无线功率传输的基本原理。一般情况下，发射系统通过逆变式功率转换电路产生交流电，并通过功率接收线圈在空气中形成磁场进行功率传输。接收系统通过包括整流器在内的接收电路将从功率接收线圈接收到的功率转换为直流电，并传送给负载。随着线圈之间距离的增加，感应磁通量急剧下降，功率传输效率迅速下降。因此，当有10cm以上的分离距离时，为了克服根据距离降低效率的问题，在磁场耦合方法中一般采用磁共振法。

 图1.在空气中传递电能的基本原理。

图2是在发射线圈上放置MO时的电流和磁场产生以及等效电路。当电流Itx流过发射器线圈时，就会产生磁场Htx。当磁场Htx通过有MO的区域时，金属物体内部就会产生一个电动势，从而产生一个电流Imo。这种电流Imo在垂直于磁场Htx的平面上以环形的形式产生，称为涡流。然后，它产生一个新的磁场Hmo。磁场Hmo的产生方向与原磁场Htx的变化方向相反，从而干扰发射机的功率传输。此外，通过流经金属物体的电阻分量的涡流，在金属物体中产生热量。

 图2.当金属异物(MO)放置在线圈顶部时，电流和磁场的产生。(a)电流和磁场的产生，以及(b)当金属异物(MO)放在线圈顶部时的等效电路。

在图2b所示的等效电路中，Ltx和Rtx分别是发射器线圈的电感和电阻，Lmo和Rmo分别是MO的电感和电阻。M为发射机线圈与金属物体之间的互感，Utx为发射机系统的交流电源。

 双层平衡线圈阵列结构

如图3所示，平衡线圈阵列放置在发射机和接收机线圈之间。即放置在发射机线圈上，并设计成覆盖发射机线圈的整个截面。如图1和图2所示，由于发射机线圈是一种对称形式，所以产生的磁场不仅相对于发射机线圈的x-y平面是对称的，而且相对于z轴也是对称的。换句话说，虽然场的强度在x-y平面上并不均匀，但相对于中心点是对称形成的。因此，平衡线圈的构造是两个线圈在位置上呈对称关系。因此，由于两个线圈相互之间起参考线圈的作用，所以不需要增加单独的参考线圈。

 图3. 系统的截面图。

图4显示了所提出的两层平衡线圈阵列结构。每个平衡线圈阵列由（N×M）/2个矩形环形线圈组成。在第一层中，沿Y轴排列的N/2个线圈被连接起来，共形成M个线圈组。然后，在与Y轴对称的线圈组之间形成M/2个平衡线圈阵列B{Xm:XM-m+1}。在第二个阵列中，沿X轴排列的M/2个线圈被连接起来，形成总共N个线圈组。同样，在与X轴对称的线圈组之间形成N/2个平衡线圈阵列B{Yn:YN-nm+1}。但是，如图4所示，在本文中，线圈并不是完全对称排列的。这是因为如果用完全对称位置的线圈构成平衡的线圈组，当MO跨过XM/2和XM/2+1(或YN/2和YN/2+1)时，两个线圈之间的不平衡程度是微不足道的。

 图4.一个两层平衡线圈阵列架构。一个两层平衡线圈阵列架构。(a)第一层的平衡线圈阵列；(b)第二层的平衡线圈阵列；(c)重叠层覆盖整个平面。

 结论

 本文提出了一种新型的基于两层平衡线圈阵列与串联谐振麦克斯韦桥电路的MOD方法，通过高压变化传感，即使是小的MO也能检测出来。 将平衡线圈阵列分为两层，并在每层逐一放置，以减少除待检测MO以外的周围线圈的干扰。当插入一个MO时，检测到两个线圈中感应的电流平衡被打破。MO的尺寸越小，感应电流差越小。为了解决这个问题，研究人员还提出了麦克斯韦桥电路和串联谐振电容，从而大大提高了检测灵敏度。在所提出的系统中，第一层和第二层的平衡线圈阵列的电感分别约为60 uH和40 uH，串联谐振麦克斯韦桥每层分别有约100 Ω电阻和1000 pF和680 pF电容。通过对800 kHz交流发电机的测试，所提出的系统甚至可以检测到电压差为几百mV的硬币和夹子。可以看出，与传统电路检测相差几uV~mV的MO相比，检测性能有所提高。另外，电压的大小因MO放置的位置不同而不同，但显示出比不放置MO时大3～5倍左右。  因此，本文提出的方法有望作为一种MOD技术，在机器人或电动汽车等发射线圈和接收线圈之间相隔几十厘米的距离的大功率无线充电中发挥作用。