天津工业大学张献教授团队：无线电能传输系统异物检测技术研究综述

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近几年，无线电能传输技术发展迅猛，使用过程中安全性要求越来越高。由于其结构上存在耦合气隙，在工作时不可避免地会介入异物。金属异物及生物体异物的介入使系统偏离正常工作点甚至引发安全事故，因此异物检测（FOD）技术受到广泛关注。

天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室、中国电工技术学会的研究人员张献、邢子瑶、薛明、杨庆新、孙于，在2022年第4期《电工技术学报》上撰文，系统地阐述当前国内外无线电能传输系统异物检测技术的相关标准，并进一步指出当前检测标准存在的问题；其次将目前涌现的异物检测技术划分为辅助线圈异物检测技术、系统参数异物检测技术和传感器异物检测技术三大类别，针对每一类技术，分别分析其基本原理、解决的技术问题及检测类别，并对比三类检测技术的特性；最后进一步指出异物检测技术亟待解决的问题，为异物检测技术未来的研究提供方向。

无线电能传输技术是电能从电网到用电设备无需经过电气直接接触的能量传输方式。相比于传统的接触式充电方式，无线充电因具有更高的可靠性与安全性、占地空间更小、使用方式灵活、不易受外界环境因素干扰、与电网互动能力强、可在某些极端环境和特殊条件下应用等优点，从而发展迅猛，且随着理论成果研究层面向商业化发展的进程不断加快，无线电能传输技术已经在电动汽车、无人机、植入医疗设备、消费类电子产品、家用电器等领域得到了一定的推广应用。

无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈之间存在一个高频磁场区域，因系统应用在各种复杂场景下，该区域不可避免地会有异物介入。异物通常指不属于无线电能传输系统的任何一部分，但出现在发射和接收线圈表面及周围的物体。

在研究中通常将异物分为金属异物和生物体异物，当金属异物进入发射线圈及接收线圈之间的磁场区域时，一方面，金属异物会因涡流损耗而迅速升温，若此时接触可燃性物体，极易引发火灾，造成安全隐患；另一方面，金属异物的介入会影响无线电能传输系统的传输功率与传输效率，使耦合机构的某些参数发生改变，导致系统无法进行正常工作，严重时还会使系统完全停止运行。

当生物体异物进入该区域后，受到高强度磁场的影响，生物体可能会产生恶心、眩晕、肢体乏力及血压升高等症状，同时高强度的磁场还会对人体的免疫系统及神经系统造成一定的损害。因此，需要对无线电能传输系统进行相应的金属异物以及生物体异物检测，高效、准确的异物检测技术对于无线电能传输系统运行的稳定性与安全性具有至关重要的保障作用。

异物检测技术因其重要性已得到越来越多的科研机构、高校以及企业的广泛关注。国外如帝国理工学院、奥克兰大学、蔚山大学、东京大学、韩国高等科学技术院、高通公司等研究团队；国内如哈尔滨工业大学、中科院电工研究所、香港大学、重庆大学、山东大学等研究团队，已经在异物对系统影响、检测方法多样性以及实际应用等多方面进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。

本文主要研究无线电能传输系统异物检测技术，首先阐述当前国内外无线电能传输系统异物检测技术的相关标准。其次重点分析了目前各项异物检测技术基本原理、解决的技术问题以及检测类别等内容，并对比了各项检测技术的特性。最后指出异物检测技术在标准制定及技术方面亟待解决的问题，为异物检测技术未来的研究提供方向。

1  异物检测技术国内外标准梳理

在无线电能传输技术的商业化进程中，异物检测技术标准的制定与完善发挥着至关重要的作用。关于电动汽车的无线充电技术，国外主要有三个组织进行相关标准的制定，分别为美国汽车工程师协会（SAE）制定的SAE J2954无线充电标准、国际电工委员会（IEC）制定的IEC 61980标准与国际标准化组织（ISO）制定的ISO 19363标准；关于手机等便携式移动设备的无线充电技术，主要由WPC联盟制定的Qi标准、Duracell Powermat公司发起的PMA（Power Matters Alliance）标准以及三星、高通等公司创立的A4WP（Alliance for Wireless Power）标准。

在SAE J2954_201904标准中，对异物检测技术提出了相应的测试方法以及测试标准。标准中选定了如硬币、线缆、易拉罐、回形针等13种异物作为测试样本，根据系统的运行或关闭状态，设置三种不同的初始条件。

异物检测系统是否合格的标准为：①异物在任何时候被检测到，系统都可自动停止运行；②若发射端或系统中其他设备出现损毁导致无线电能传输系统停止运行，则判定异物检测系统不符合标准；③当发射线圈的表面温度达到80℃以上且持续10min，在无线电能传输系统停止运行后2min内监测表面温度，若2min内温度低于80℃，则认为异物检测系统符合标准。

J2954标准对于生物体异物检测提供了一种测试方法。符合标准的生物体异物检测系统应满足：①检测区域出现生物体异物时，系统立刻减弱磁场；②该检测系统对生物体不会造成损害。

IEC 61980标准与ISO 19363标准对于异物检测技术部分的要求保持一致，在异物检测技术部分中进行了相应的规定：①金属异物表面温度不得超过80℃；②非金属异物表面温度不得超过90℃。标准中提出，可通过降低传输功率或中断系统运行直到异物从系统中清除两种方法来确保系统的安全性。

Qi标准中未对金属异物的温度提出具体的要求，仅提供了两种异物检测方法：①对发射端进行温度监测，当温度超过其内部设定的阈值时，传输系统自动停止工作；②功率损耗检测法，即对接收端进行功率监测，将接收端实际功率与预设功率进行比较，当该差值超过预设值时则判定存在异物。

PMA和A4WP标准于2015年合并成为AirFuel Alliance标准，与Qi标准成为手机等便携式移动设备的无线充电技术两大主流标准。其中，A4WP标准中并未对异物检测技术进行明确的规定，但为保证系统安全、稳定运行，分别对发射端及接受端设定运行状态：

（1）对发射端设定了四种运行状态，分别为配置状态、省电状态、低功耗状态及功率传输状态。在功率传输状态中，系统实时监视状态转换、充电持续时间、关闭时间及故障情况。

（2）对接收端设定了三种运行状态，分别为零值状态（Null）、启动状态（Boot）以及功率传输状态（On），在功率传输状态中，系统通过与发射端建立通信可确定剩余的充电时间，同时，当过电压、过电流及过热等故障状况发生时，系统需立即停止充电以避免造成安全隐患。

国内关于无线电能传输技术的标准主要是由中国电力企业联合会、工业与信息化部门以及全国汽车标准化技术委员会等部门共同制定的《电动汽车无线充电系统》系列国家标准。该标准体系规划标准18项，规范电动汽车无线充电系统在公共以及私人应用领域的性能要求、安全要求、测试要求及试验方法等。

2020年4月，国家标准化管理委员会发布《电动汽车无线充电系统》通用要求、车载充电设备间的通信协议及特殊要求等4项国家标准。其中，在GB/T 38775.3《电动汽车无线充电系统  第3部分：特殊要求》中，对金属异物及活体异物检测技术提出了明确的要求。

针对金属异物检测，标准中对生活常见金属如硬币、易拉罐、钢丝球及线缆等九种异物，在系统发射、接收线圈间以及与系统水平距离20cm、40cm及60cm处进行相应温升测试及灼热测试，金属异物表面温度需满足GB/T 38775.1《电动汽车无线充电系统 第1部分：通用要求》中相关规定，同时，系统发射端必须具备金属异物检测及识别功能，当异物出现在检测区域时，系统必须发出警告，且立刻停止充电或系统不启动。针对活体异物，标准中要求系统必须具备活体保护功能，能够判断保护区域内是否存在活体，当系统检测到活体异物存在时，系统必须发出警告，并停止充电或系统不启动。

表1详细列出国内外标准对异物检测技术的相关规定以及测试方法。总体而言，国内外关于金属异物及生物体检测技术的标准较为完整，但仍存在以下几点问题：

表1  异物检测技术标准

（1）由于异物材质的多样性导致标准缺少具体的界定，仍需进一步完善；（2）相较于金属异物检测，针对生物体异物检测标准制定内容较少；（3）未对检测系统精度进行相关规定；（4）对异物介入系统的方式并未进行明确规定等。

2  异物检测关键技术

本文将目前涌现的诸多异物检测新技术划分为辅助线圈异物检测技术、系统参数异物检测技术和传感器异物检测技术三大类别，逐一分析其基本原理、解决的技术问题以及检测类别等内容，并将三种检测技术的特性进行了对比。

2.1  辅助线圈异物检测技术

这种方法通常要将检测线圈铺设在发射线圈上方，当金属异物靠近检测区域时，检测线圈的电感、阻抗等参数会发生改变，因此可以实现异物检测。但当金属异物远小于检测线圈的体积时，异物对检测线圈的影响较小，此时很难实现异物检测。为提高检测精度，通常需要使用多个足够小的线圈组成阵列式检测线圈进行检测，并对检测线圈外加激励源，阵列检测线圈的异物检测方法如图1所示。当金属异物介入时，通过分析检测线圈的输出电压或输出电流的波形、幅值、频率等参数实现异物检测。

2.1.1  消除检测盲区

由辅助线圈结构可知，该检测系统通常由多个足够小的线圈阵列组合而成，但在检测小线圈之间易存在空隙，当体积较小金属落入这些区域时，辅助线圈参数变化较小或无变化无法引起报警，形成了检测盲区。

图1  阵列检测线圈的异物检测方法

有学者通过对传统多层检测线圈结构进行优化提出了一种非重叠辅助检测线圈方法，如图2所示。系统主要由一个高频逆变器、发射线圈、非重叠检测线圈以及异物检测电路构成。

图2  非重叠检测线圈

系统中没有金属异物时，两层线圈感应电压差值接近零，金属异物介入系统使线圈互感发生变化，因此感应电压值发生波动，该差值超过设定阈值，实现对金属异物的检测。

非重叠线圈检测盲区如图3所示。但当金属异物如图3中灰色部分所示，在不同检测线圈中覆盖面积相同时，此时电压变化为零。无论单层结构或双层结构在该情况下均存在检测盲区。

为消除盲区，有学者提出一种四层检测线圈结构，如图4所示。通过在水平与垂直方向分别增加一层辅助线圈，此时无论金属异物的形状如何，或处于检测区域的任何位置，均可以精确地检测到电压变化，实现异物检测。同时，根据产生电压变化的线圈不同，可通过上位机获取检测区域内金属异物的位置信息。

图3  非重叠线圈检测盲区

图4  四层非重叠线圈结构

有学者以该结构为基础，对线圈结构进行优化，通过获取非重叠线圈组的感应电压，同时实现了异物检测及车辆位置检测功能，并且通过实验验证，当硬币介入时，感应电压差增至无异物时的10倍以上，极大地提高了检测精度，但该结构同样存在如图5所示检测盲区。

图5  检测盲区

为消除盲区，有学者将同样的结构进行对角定位交叉方式进行布置，一种消除检测盲区的方法如图6所示。此时当图5情况发生时，以对角交叉布置的第二层辅助线圈仍可产生电压变化，且不论金属异物在检测区域内任何位置，线圈阵列均可以产生电压差值，一定程度上消除了检测区域内盲区。

图6  一种消除检测盲区方法

此外，基于磁场在水平与垂直方向的对称分布，有学者提出了一种双层对称检测线圈，如图7所示。在垂直方向将多个矩形检测线圈对称排列，为消除检测盲区，在第二层将两组检测线圈以中心对称方式进行水平方向排列，当金属异物覆盖相邻线圈面积相同时，第一层检测线圈无电压变化差值，但通过检测第二层水平排列的检测线圈互感差值变化，实现对金属异物的检测，有效地消除了检测区域盲区，提高了检测的可靠性。

图7  双层对称检测线圈

有学者基于检测线圈电感变化实现金属异物检测，为消除检测盲区，提出了三层六边形阵列检测线圈系统以及四层矩形阵列检测线圈。

上述研究均以特定结构叠加辅助线圈来消除盲区，此类方法一定程度上增加了检测系统占用空间体积以及设计制造的复杂度。为此，有学者提出了一种非重叠对称感应线圈，如图8所示。将感应线圈组铺设在发射端上方，当金属异物介入时，由于引起磁场变化的相邻线圈并非是与其对称相连的检测线圈，故不同组的对称感应线圈将产生不相等的电压差，以此实现异物检测，消除盲区。文中使用边长40mm矩形铁片进行了实验验证，该感应线圈结构完全消除了检测盲区，极大地提高了检测可靠性，且使用单层线圈结构，一定程度上降低了设计成本。

2.1.2  可独立运行的辅助线圈系统

有学者基于差分放大原理设计了一种改进型平衡线圈，改进的探头结构如图9所示，不仅提高了检测精度，且减小了辅助线圈占用的空间。有学者将六角线圈、四D形线圈、双环形线圈等七种不同结构的检测线圈与传统矩形检测线圈进行对比，通过实验验证，七种不同形状的检测线圈的电感变化值均超过传统矩形检测线圈，具有更高、更均匀的灵敏度，且不会显著降低灵敏度的峰值。当给予检测激励信号时，金属异物的出现使该信号发生变化，检测激励的脉冲数、脉冲峰值均发生改变，实现金属异物检测。

图8  非重叠对称检测线圈

图9  改进的探头结构

有学者基于辅助线圈的阻抗特性，当不同种类异物进入检测区域时，检测线圈的阻抗参数（电阻部分、电抗部分、幅值、幅位）变化方向不同，可同时检测金属异物及生物体异物，但检测灵敏度有待提高。

上述辅助线圈系统虽已取得了良好的检测效果，但均存在一个共同的问题，即：这些检测系统均无法独立于无线电能传输系统工作，其都是依靠异物介入后，影响磁场发生改变，进一步检测其他参数从而实现异物检测。但当电能传输系统关闭时，耦合区域不存在磁场，且若此时异物在电能传输系统开机前介入耦合区域，同样无法实现检测。

为解决上述问题，有学者提出了一种基于辅助线圈自感变化的检测系统，其结构如图10所示。该系统中由并联谐振电路检测辅助线圈的自感变化，并联谐振电路由独立电流源单独供电，因此可独立于无线电能传输系统运行。多组环形线圈拼接安装在发射线圈上方，为抵消辅助线圈的感应电压，每组环形线圈由两个极性相反的线圈串联组成。

图10  自感变化金属异物检测

该系统不再依靠磁场变化造成的参数改变实现异物检测，而是通过测量金属异物介入后，其阻抗对辅助线圈自感的影响。同时，由于接收线圈与感应线圈之间的距离远小于金属物体和感应线圈之间的距离，当发射线圈与接收线圈未对准时，对感应线圈的自感变化的影响可以忽略不计，从而提高了可靠性。

有学者为消除感应电压，使同一通道中的两个感应线圈的匝数不同。因此，同一通道的两个感应线圈的灵敏度不相同，即在灵敏度较低的线圈中可能存在检测盲区，且发射线圈的匝数不同，加大了设计制造难度。因此，有学者在此基础上对线圈结构进行优化，提出一种基于辅助线圈自感变化的对称线圈结构，如图11所示。

文中通过分析检测线圈品质因数以及金属异物尺寸对检测灵敏度的影响，减少辅助线圈组数，降低了制造成本。采用对称结构，极大地简化了制造设计流程，且同组线圈匝数相同，感应电压为零，每组线圈检测灵敏度相同，从而完全消除了检测盲区。检测线圈与谐振电容采用并联谐振方式以放大线圈自感变化，提高了检测精度。

图11  对称检测线圈结构

辅助线圈异物检测技术成本较低，检测可靠性强，与相关算法结合可提高检测灵敏度。但缺点在于该技术不适用于便携电子设备等小功率无线电能传输系统，因为小功率系统中金属异物造成功率损耗较低，且检测线圈输出电压变化相对较小，不易达到上位机电压报警阈值，无法准确实现金属异物检测，因此在小功率系统中可靠性较差。

而对于电动汽车等大功率无线电能传输系统，由于介入金属异物的体积通常相对较小，虽会造成一定的功率损耗，但并不能使无线电能传输完全停止运行，且通过对检测线圈阵列的合理设计，可消除检测盲区，提高检测系统可靠性。此外，检测装置需要占用一定的空间，且该检测技术在发射线圈与接收线圈未对准时，检测精度会受到一定程度的影响。

2.2  系统参数异物检测技术

系统参数异物检测技术主要针对金属异物，检测系统某些参数如电压、电流、谐振频率、功率损耗、线圈品质因数等，根据这些参数的变化判断系统中是否有异物介入。根据金属异物的去磁效应以及热效应，将金属异物的电感与电阻等效为L3与R3引入电路中，金属介入等效电路如图12所示。

Ii（i=1, 2, 3）为介入的金属异物以及发射线圈和接收线圈的回路电流，M12为发射线圈和接收线圈间的互感，M23为金属异物和接收线圈间的互感，M13为金属异物和发射线圈间的互感。rs、R1、R2、R3分别为电源内阻、发射线圈等效电阻、接收线圈等效电阻和金属异物等效电阻。L1、L2、L3分别为发射线圈电感、接收线圈电感和金属异物等效电感，C1、C2分别为发射端与接收端谐振电容。

图12  金属介入等效电路

对该检测原理分析可知，该技术的关键是要检测到异物引起的参数变化。但当金属异物的体积较小时，其介入后造成的参数变化相对较弱，而金属异物由于涡流损耗迅速升温又极易引发安全事故。因此，为准确地实现对各类金属异物的检测，提高系统参数异物检测技术的可靠性成为近几年国内外某些高校及科研机构主要解决的技术问题。

有学者基于平面盘式螺旋线圈仿真模型，分析了不同材质、体积的金属异物，处于无线电能传输系统能量传输区域的不同位置时，对于系统的参数变化相对值及系统效率的影响。文中实验表明，金属的混入而产生的涡流效应、磁效应会对无线电能传输系统参数产生不同的影响。该检测系统灵敏度较高，但检测流程比较复杂。

有学者通过检测发射线圈电压及电流变化实现对金属异物的检测。金属异物介入使发射线圈的电压及电流的变化超过预设值，此时系统将发出故障报警，若异物未被及时清除，异物检测系统则会中断电能传输。但该系统可靠性较差，无法检测到体积较小的金属异物，且检测算法较为复杂。

因此，有文献提出基于频率参数的异物检测技术。有学者的研究表明，金属异物介入与发射线圈发生耦合，导致谐振频率发生改变，文中采用边长20cm、厚度1mm的矩形铜片进行实验验证，实现了异物检测。

有学者在此基础上进行更进一步的研究，通过控制变量的方法对比系统参数的变化，经实验验证，得到了金属异物介入后谐振频率升高约24%。此外，有学者提出一种基于频率差值的检测方法，首先检测当系统在工作状态时的第一开关频率，将其与系统内无异物时的第二开关频率进行比较，得到一个差值，当所述第一开关频率与第二开关频率的差值在预设范围内时，判定有异物介入到检测区域中。

有学者通过监测系统谐振频率变化以及一次侧谐振电流差值可判断介入耦合区域内金属异物处于发射线圈表面或发射线圈中心附近，且通过与设定阈值进行比较，可判断此时发射线圈与接收线圈是否存在未对准的故障。

由于金属在高频耦合区域产生涡流效应，会造成无线电能传输系统的功率损耗。Qi标准所采用功率损耗检测技术，通过对比预设接收端功率与实际接收端功率差值，实现金属异物检测。虽然该检测技术可靠性较高，但由于金属异物造成的损耗通常低于10W，因此在大功率系统中该检测技术并不适用。

品质因数作为无线电能传输系统的一种重要参数，反映了电路谐振的强弱程度，它的大小直接影响系统的性能，是评判电路损耗情况的一种重要指标。因此，有学者针对S/S型磁耦合无线电能传输系统，提出一种基于等效品质因数的非铁磁性金属异物检测方法。将拾取端移除后系统等效电路中的电压比值定义为等效品质因数，通过对比有无非铁磁性金属异物介入时系统等效品质因数模型，给出了判定是否存在非铁磁性金属异物的阈值确定方法，基于仿真和实验结果，在金属异物介入发射端和接收端之间或周围后，等效品质因数有较大幅度降低，实现了非铁磁性金属异物检测。

系统参数异物检测技术的优点在于不需要占用额外的空间，可通过算法优化提高检测灵敏度。但对于大功率无线电能传输系统，当介入的金属异物体积相对较小时，引起的系统参数变化不易被检测，因此仅适用于小功率无线电能传输系统。且在电能传输过程中，线圈错位也会引起相关参数的变化，因此这类方法在使用中需要对金属异物及线圈错位进行区分。

2.3  传感器异物检测技术

在此类异物检测技术中，需要借助传感器设备实现异物检测。如雷达传感器、超声波传感器、温度传感器、热成像相机、光学传感器等，该类技术通常可以同时检测生物体异物及金属异物。由于传感器种类繁多，如何根据实际应用需求，考虑成本、使用环境及传感器使用寿命等多种因素，选择不同种类的传感器，或将多种传感器组合使用以实现更好的检测效果，成为该类技术所需解决的主要问题。基于雷达、超声波传感器检测技术的基本原理是发射波遇到异物发生反射，通过判断目标点与异物之间的距离，对异物的位置和类型进行检测。

有学者将雷达传感器发射端安装在发射线圈正上方，雷达异物检测方式如图13所示。为增加检测的可靠性，该装置还在检测区域内为一个发射端配备多个接收端进行异物检测，用以消除检测盲区。然而该设计使用传感器数量较多，增加了制造成本。

图13  雷达异物检测方式

为此，有学者仅将单个雷达传感器安装在车身一侧，即实现了对车身下方耦合区域的检测。且采用二维信号处理技术，使系统可以检测出轻微移动的物体，增加检测灵敏度，并可以准确地区分移动或静止的物体，减小了系统的误报警次数。经实验验证，系统可以实现将人的手臂和其他静止非生物体异物进行准确区分。

随着近几年机器学习技术的迅猛发展，通过与相应传感器结合，可实现良好的检测效果。有学者提出了一种热成像相机与机器视觉学习相结合的金属异物检测技术，热成像检测方法如图14所示。

图14  热成像检测方法

系统硬件部分仅使用单个热成像相机作为传感器，结构简单、降低了成本；软件部分为降噪卷积自动编码器的深度学习算法，先对异物原始图像进行噪声添加处理，可防止图像过拟合，并训练神经网络忽略随机噪声，再对添加噪声的图像进行处理，原始图像被编码成较低维图像供神经网络学习，神经网络在学习图像的关键特征后，将该图像解码，最后输出与原始异物图像大小相同的重构图像。

自动编码器经过训练，可识别传入其中的图像有无异物存在。文中针对不同的初始条件及测试对象成功完成了实验验证，具有较好的适用性及可靠性。

有学者基于机器视觉学习技术，通过对发射线圈表面图像进行监控，实现对异物自动化检测与识别，如图15a所示。该异物检测装置安置在停车位的两个限位挡块之间的区域内，能够实现的检测范围为无线充电发射线圈500~1 100mm的距离。通过建立机器学习模型，基于Tensorflow框架，结合采集到的各类异物图片，如图15b所示，训练了基于支持向量机（Support Vector Machine, SVM）的异物识别网络。经过实验验证，系统能够准确地辨别金属异物、光斑与光影，识别正确率高达95%。

此外，有学者提出一种以梳状电容传感器为基础的生物体异物检测装置，用于电动汽车无线充电系统，梳状电容检测方法如图16所示。该生物体异物检测系统安装在发射线圈平台，将电容传感器以最优梳状进行安装，实验表明，该种结构可使电容传感器获得相同的电容值。该装置对电容传感器的应用与大部分装置不同，该电容传感器抑制了生物体与大地之间的电容耦合，为了提高检测灵敏度，检测出生物体出现在系统中引起极小的电容变化，系统对电容耦合进行了相应处理。

图15  基于机器视觉的检测方法

图16  梳状电容检测方法

金属异物的涡流效应会使其进入到发射、接收线圈之间的耦合区域，温度迅速上升。根据这一特点，通过使用温度传感器对系统进行温度监测，从而准确、迅速地实现金属异物检测。

但对于生物体异物，仅使用温度传感器可靠性较差，因此有学者将温度传感器与光学相机相结合，共同构成生物体异物检测系统，并安装在车载线圈两侧，传感器与光学相机结合的生物体检测装置如图17所示。

两种检测方法组合使用，使该系统可以同时区分金属异物与生物体异物。基于传感器的异物检测技术优点是设备不需要占用较多的空间体积，通过对安装位置进行合理设计可实现较大的检测范围，

图17  传感器与光学相机结合的生物体检测装置

具备同时检测金属异物及生物体异物的能力，不易受到温度、噪声等因素干扰，具有良好的可靠性；其缺点是部分种类传感器造价较高，使用过程容易受到灰尘、泥土的遮盖影响检测效果，需要进行定期维护；设备受到外力作用容易损毁可能导致无法正常使用。

表2对三类异物检测技术的优缺点、检测异物种类及适用功率进行了总结。不同的检测技术的检测种类及使用系统的功率要求不同。根据具体的使用需求选择合适的检测方法以获得最优的异物检测效果。

表2  异物检测技术特性对比

3  异物检测技术亟待解决的问题

3.1  完善异物检测技术标准

当前国内外已基本完成了针对电动汽车及便携式设备无线电能传输系统基础标准的制定，但异物检测技术部分的标准尚不完善。为了给无线电能传输技术提供更全面的安全保障，需要尽快对金属异物检测标准、检测精度进行具体数值的界定，进一步完善对异物介入方式以及生物体异物检测方面的相关检测要求。

3.2  提高可靠性与灵敏性

在无线电能传输系统中，对基于不同原理与方法的异物检测技术的改进，归根结底是对异物检测技术可靠性与灵敏性的提升。异物检测系统需保证在异物介入时，减少漏检、误检的次数，消除检测盲区，提升系统的可靠性；此外，灵敏性要求检测系统应具备异物介入时及时发出报警信号或中断电源的能力，预防危险情况发生。

为保证灵敏性，检测系统的阈值无法设置得过高，但当检测系统的阈值设置过低时，系统一旦受到轻微干扰引起的变化，都可能会导致检测的误报，难以保证检测的可靠性。因此，异物检测系统在设计过程中必须要根据实际的应用场景，设计出满足相应可靠性与灵敏性的检测系统。

3.3  优化异物检测技术的算法

当前异物检测技术的多样性不断增加，但更多的研究注重对于检测系统硬件的提升、更高程度的集成化以及各类传感器的智能化。对于软件算法的优化研究较少。软件算法可从对异物图像的处理、异物的识别、检测数据采集与处理等多方面进行优化。结合具体传感器异物检测技术，针对检测过程中可能会受到的干扰，通过改进算法，可以提高系统的可靠性。

4  异物检测技术未来发展方向

4.1  异物防护方法

当前对无线电能传输系统中异物检测技术的研究主要集中在检测方法改进、检测灵敏度的提升，对异物防护方法研究较少。在异物误入系统之前，建立相应的防护措施，在无线电能传输过程中，即可将异物隔离在外，有效避免金属异物迅速升温造成的危险，以及对生物体造成的损害。当异物误入系统后，迅速实现异物驱离，降低对系统的影响，保证系统以稳定的状态继续运行。

4.2  生物体异物检测技术多样性

当前对于异物检测技术的研究及异物检测标准的制定主要针对金属异物，涉及生物体异物检测技术的相关研究内容较少。文中叙述的几种生物体异物检测技术均具有一定的局限性。随着无线电能传输技术不断发展，安全隐患问题必定会受到越来越多的关注，因此生物体异物检测的重要性不断增加。对于无线电能传输生物体异物检测技术，应运用更多样化的方法，如压力、红外、超声波等检测技术，将这些检测方法科学、高效地结合应用于异物检测技术中，更准确、迅速地实现生物体异物检测。

4.3  与新兴技术相结合的异物检测方法

随着无线电能传输技术的应用范围越来越广，对异物检测技术的要求不断提高，当前如人工智能技术、视觉机器学习、大数据等新兴技术发展迅速，应将这些技术合理运用于异物检测技术中。如利用人工智能技术优化异物检测算法，提高异物检测硬件部分的集成化，结合机器学习技术提高检测可靠性，采用模式识别算法对检测异物种类准确区分等。因此将新兴技术与异物检测技术相结合是重要发展方向之一。

4.4  扩大异物检测技术的适用范围

当前无线电能传输系统中异物检测技术主要应用于日常生活场景，如电动汽车、体内植入医疗设备以及便携电子产品。随着无线电能传输技术在如深海环境、宇宙空间、高温高压环境等复杂场景下的应用，必然要扩大异物检测技术的应用范围。这些环境对异物检测技术必定也有更复杂的要求，因此，为保障无线电能传输技术更迅速的发展，需进一步扩大异物检测技术的适用范围。

4.5  提高无线电能传输系统对异物的抗干扰能力

通过对系统参数进行相应设置、优化检测算法、改进系统设备等方法，在实现异物检测的同时，系统可及时做出相应调整，降低异物介入对系统的影响，在不断电的情况下，保证系统继续以正常状态运行。提高系统对异物的抗干扰能力，这也是异物检测技术发展的重要方向之一。

5  结论

本文详细介绍了异物检测技术相关标准，并指出当前标准存在的问题。针对辅助线圈、系统参数、传感器三大类别的异物检测技术，逐一阐明基本原理、所解决的技术问题以及检测类别，对比分析了三类异物检测技术的特性。最后指出了异物检测技术亟待解决的问题，对其未来的研究提供方向。

可以看到，异物检测技术已经取得了一定的进展，但仍有许多关键技术问题有待解决，如异物检测标准的完善、检测系统可靠性与灵敏性的提升、异物检测技术相关算法等。为了加快异物检测技术发展，可以从异物防护、生物体检测方法多样性、异物检测与新兴技术结合、异物检测技术适用范围、系统对异物的抗干扰能力等多个方向进一步对异物检测技术进行深入的研究。

引用本文:张献, 邢子瑶, 薛明, 杨庆新, 孙于. 无线电能传输系统异物检测技术研究综述[J]. 电工技术学报, 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.

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