无线功率传输(WPT)通过磁场耦合发射(Tx)线圈和接收(Rx)线圈，使电能的传输更加方便、高效和安全。但磁场中的金属物体会产生涡流，会造成系统功率损失。此外，涡流产生的热量可能会烧毁充电设备。因此，金属物体检测在无线功率传输中具有重要的意义。研究者们在金属物体检测中进行了大量的研究，提供了许多检测方法，如光学检测(被动和主动)、温度检测[1]、热电被动红外、红外相机、声学检测(超声雷达和被动声学检测)、电路参数检测[2]、电感检测[3–5]等。 这些方法各有利弊，光学检测、温度检测、热电被动红外、红外相机和声检测可以检测金属物体和活体物体，但这类方法需要额外的空间，并且这些传感器的成本较高。在使用电路参数检测时，可以通过电路参数的变化来检测金属物体，包括品质因数、电流、频率和功率损耗等。这类方法不需要额外的设备和空间，所以成本很低。但是，接收线圈的偏移、充电气隙的变化均会影响电路的参数，因此很难断定参数的变化是否为异物引起的。电感检测方法又称基于场的检测方法，是利用检测线圈来测量金属物体涡流引起的磁场变化。这类方法便于安装，不需要额外的空间，检测灵敏度高，成为最常用的金属物体检测方法。 电感检测方法大多采用平面线圈，而很少采用垂直线圈。垂直线圈在检测金属物体方面具有独特的优势。本文提出了一种新型的垂直线圈结构，可以检测小物体，无盲区，即使接收线圈处于最差偏移位置时也能实现金属物体检测。 当WPT系统工作时，发射线圈和接收线圈之间产生一个磁场，放置在发射板侧的检测线圈通过磁场与电源线圈耦合。根据法拉第定律，落在发射板上的金属物体在磁场中会产生涡流，涡流会改变磁场，而磁场的变化会影响检测线圈与电源线圈的耦合。因此，检测线圈的自感LD1以及检测线圈与功率线圈之间的互感MTD1、MRD1可以用来判断金属物体是否存在，如图1所示。因此，有两种检测方法：有源检测和无源检测[6]。 有源检测需要提供一个额外的与功率线圈不同频率的激励源。激励源给检测线圈施加激励后，通过响应反映检测线圈阻抗的变化。在文献[7]中，给检测线圈一个激励后，测量响应波形脉冲的数量或振幅来检测金属物体。一般来说，阻抗的变化很小，只有几个百分比。为了放大阻抗变化，需要采用谐振电路[8]。谐振电路包括串联谐振与并联谐振。与串联谐振相比，并联谐振的输入阻抗更大，对噪声的敏感度更低。基于同样的考虑，专利[9]提出了更多的耦合电路来提高检测灵敏度，如图2所示。采用谐振电路后，阻抗变化提高了几十个百分点。 无源检测不需要额外的激励源。检测线圈的电压变化可以直接反映出功率线圈与检测线圈之间的耦合变化。文献[10]对比了不同形状的检测线圈发现，改变检测线圈的形状可以提高检测灵敏度，如矩形双环线圈、六角形线圈、双D线圈、四D线圈以及一些叶形线圈。 为了提高检测线圈的灵敏度，在没有金属物体时，检测线圈的电压需要尽可能小。因此，文献[11–12]提出了不同的线圈结构来实现检测线圈与电源线圈解耦，如图3所示。 根据磁场的对称性，解耦线圈的感应电压为零。然而，当金属物体落在线圈中间时，电压仍然为零。为了消除检测盲区，文献[13]在原解耦线圈组上增加一层解耦线圈，两层解耦线圈按照一定偏移布置，如图4所示。文献[14]提出了一种对称线圈结构，对称线圈结构包括覆盖发射板整个区域的偶数个矩形传感线圈。充电区域被划分为数个通道，每个通道由两个传感线圈组成，它们关于y轴对称地排列在发射板的两侧。为消除y轴处的检测盲区，将位于区域中心的通道n和(n–1)的传感线圈进行交叉布置，如图5所示。 以上这些检测线圈都是平面放置的，与发射板平面平行。由于磁场的主要分量是Z分量(Bz)，平面线圈对其变化非常敏感。但金属物体和接收线圈的偏移均会改变Bz，如图6所示。而充电时，考虑到接收线圈可能存在一定偏移，因此，有必要区分这个变化是否是由金属物体引起的。 本文提出了一种新型的解耦线圈组来解决这一问题。根据功率线圈产生磁场的特性，磁场的Y分量(By)在区域中心接近于零，左右两侧不为零，如图7(a)所示，故当检测线圈垂直于功率线圈时，并位于By为零区域时，其与功率线圈是解耦的。此外，接收线圈的位置对By的影响很小，如图7(b)所示，因此垂直检测线圈受接收线圈偏移影响小。 当金属物体在发射板上时，金属物体的涡流会改变By，即改变发射线圈与检测线圈的耦合，如图7(c)(d)所示。