知識庫

無線充電之整合式異物偵測技術
  • 發布年度:2019
  • 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 林明志

    電動車採用接觸式有線充電存在著安全與維護的問題,因有線充電受環境限制,在天候不佳時有電氣接點潮濕恐引發觸電之疑慮;另充電接頭容易殘留汙漬及累積損耗,將影響充電效能。且有線充電的操作過程,使用者需承載笨重之充電纜線,顯現出有線充電的不便。相較之下,非接觸式的無線充電不僅減少電氣接點損耗、屏除天候條件之限制,提高安全保障,更免去充電纜線之操作,大幅改善使用上的便利性。

    無線充電技術是由傳送端線圈產生磁場傳遞能量至接收端線圈,將磁能轉換成電能以提供充電能量。無線傳電線圈之間存在間隙,傳送端線圈裝設在地面,接收端線圈則是裝設在車輛底盤,當有金屬物體介於傳電線圈之間,此金屬物體亦會受到電磁場感應而快速加熱。表1實驗數據指出,50x50mm的鐵質物體放置在1kW無線傳電線圈時,1分鐘內的升溫將高達160度;因此,金屬異物偵測技術對於無線充電系統具有相當必要性,可用以防止金屬物體意外入侵系統而造成危害。

    表1. 1kW無線電力傳輸條件下的金屬異物溫升實驗結果

    無線充電系統的傳送與接收線圈間,可產生超過人體一天能承受累積之電磁場能量,以及危害人體植入式醫療設備(如心臟節律器、體內心臟去顫器等)之風險。依國際非游離輻射防護委員會(ICNIRP)所制訂的國際標準,建議無線電波暴露限制,目的在確保人體的健康安全,暴露標準是以電磁波能量吸收比(SAR)為基準,用來表示裝置傳輸時身體累積的無線射頻(RF)能量。ICNIRP針對行動裝置所規範的SAR限制為平均10克的人體組織不超過2.0W/kg。

    車輛中心(ARTC)所進行之異物偵測線圈設計,係基於金屬異物及生物偵測之需求,圖1為單線圈構型是集中型磁場,中心磁場強度高而外圍弱,以此構型進行組合應用於異物偵測時,會存在偵測死角,為了降低偵測死角須使用多層線圈疊加,使線圈數遽增。為改善此問題,ARTC提出3n型線圈設計為平坦型磁場,如圖2所示,在偵測線圈組合使用時無偵測死角,並可降低偵測線圈的使用數量。

    圖1. 單線圈結構異物偵測線圈設計與磁場分析

     
    圖2. 3n型結構異物偵測線圈設計與磁場分析

    圖3為整合型異物偵測概念與架構,當系統進行金屬異物偵測時,控制電路將偵測線圈兩端切換成閉迴路,此時偵測線圈為電感特性,用以感測金屬異物特徵值;當系統進行生物感測時,控制電路將偵測線圈切換成單邊開路狀態,此時偵測線圈與生物形成一電容特性,可量取生物電容之特徵值。

    圖3. 整合型異物偵測概念與架構

    此整合型異物偵測設計可提供無線充電系統具備金屬異物及人體生物檢知功能,提升無線充電系統之安全性,且不影響電力傳輸效率,對於電動車無線充電技術具有相當大的應用價值。

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