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無線充電金屬異物偵測
  • 發布年度:2021
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 研究發展處 江亞倫

    無線充電以電磁線圈來達到非接觸式能量傳遞,於傳送端(TX)將能量由磁能方式傳送至接收端(RX),相較於接線式的接觸充電,無線充電可避免接頭外露而造成氧化或水氣影響,及人員接觸之電氣危害;應用於電動車輛上,駕駛僅須將車輛停放於適當位置後即可充電,免去笨重的充電電纜,使用上非常便利。

    無線充電金屬異物偵測(Foreign Object Detection, FOD)概述
    然而無線充電必須對於金屬異物入侵慎重防護,尤其共振式系統設計提供TX及RX擁有較大之傳送距離,更容易出現金屬異物入侵危害,當金屬異物落入於無線充電作用區域時,金屬會因磁場作用而快速溫升至危險程度,可能導致起火甚至損毀系統及車輛,由此可見金屬異物入侵的偵測與防護策略,對於無線充電系統的重要性。

    以下為常見的無線充電金屬異物偵測方式:
    ►影像偵測法image detect method
    ►監視器 Video Camera
    ►紅外線 Infrared Camera
    ►熱電傳導 Pyro electric sensor
    ►紅外線熱顯像 Infrared Thermography Camera
    ►溫度感測器 Temperature sensor
    ►單線圈偵測法(系統參數偵測法)
    ►多線圈偵測法

    車輛中心(ARTC)金屬異物偵測技術發展
    採用影像辨識偵測最大的困擾為無法判斷出金屬與非金屬的材質,有可能產生誤判之情形發生,而溫度感測器較常見於低功率的無線充電系統。

    ARTC針對金屬異物偵測技術先後投入單線圈(系統參數)偵測法與多線圈偵測法的研究,其中系統參數偵測法係以無線充電系統參數(包括電壓、電流、相位、功率、效率…等)作為金屬異物入侵前後之變化比較,缺點是體積較小的金屬異物較難偵測到。因此為改善此缺點,近年致力研發多線圈偵測法,於TX線圈上方設計及佈置偵測線圈,由偵測線圈之感應響應來判斷金屬入侵與否。其中偵測線圈為本項設計之特點,偵測線圈設計須於金屬偵測率及對無線充電系統交互影響間取得最佳平衡,既不可對於無線充電系統傳電效率造成太大影響,同時又具備靈敏的金屬異物偵測能力,故其偵測線圈維度大小與構型設計為主要技術。ARTC偵測線圈之構型為3n型特殊設計,其磁場為平坦型,以達到最佳與最廣泛的偵測率,避免產生偵測死角;無線充電與金屬異物偵測系統整合通訊模組架構請參考下圖。

    目前已研發出可應用於符合車用無線充電規範(SAE J2954)之3.7 kW無線充電金屬異物偵測系統,其中偵測線圈對於無線充電系統的影響力極低,於全功率輸出時,無線充電系統效率僅下降約0.4%,偵測單元可於2秒內偵測到3 cm x 3 cm面積的鐵材金屬異物,發布異物入侵警報並啟動防護機制,已達到與國際大廠Witricity相同水準。

    結論
    無線充電金屬異物偵測具備高偵測能力與系統低影響性之優點,ARTC已建立偵測線圈設計與影響性評估之技術能量,持續進行偵測調校與系統優化,目前本技術能搭配符合SAE J2954規範之3.7 kW車用無線充電系統,發展出無線充電系統相對應之安全防護,逐步朝向商品化和普及化的目標邁進。

    無線充電與金屬異物偵測系統整合通訊模組架構圖(來源:車輛中心)
     

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