朱慶偉 陳德清 王麗芳*,2 廖承林,2 郭彥杰,2

（1.中國科學(xué)院電工研究所 中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 100081）

1 引言

自2007年MIT 提出磁耦合諧振無線能量傳輸技術(shù)以來，無線能量傳輸技術(shù)[1]備受國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注。華盛頓大學(xué)的Sample[2]通過電路模型研究了諧振無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率分叉特性；東南大學(xué)黃學(xué)良等進(jìn)一步對比了磁耦合諧振系統(tǒng)中的耦合模理論模型和電路理論模型[3]，深入研究了諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)在傳輸過程中的能量變化及傳輸機(jī)理。無線能量傳輸技術(shù)具有傳統(tǒng)電纜線供電方式所不及的獨(dú)特優(yōu)勢，開發(fā)電動汽車（EV）無線充電系統(tǒng)[4]，可以極大地提高充電的可靠性、便捷性和安全性。近年來，各種千瓦級的電動汽車用無線充電系統(tǒng)已經(jīng)相繼開發(fā)出來。

國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[5]、中國科學(xué)院電工研究所[6]分別開發(fā)了1.85kW，3.3kW 的無線充電系統(tǒng)。國外方面，埼玉大學(xué)的學(xué)者采用H 型線圈設(shè)計了結(jié)構(gòu)緊湊、抗偏移的3kW 的電動汽車感應(yīng)能量傳輸（IPT）系統(tǒng)[7]；猶他州立大學(xué)開發(fā)了5kW 的電動汽車無線充電系統(tǒng)[8]；奧克蘭大學(xué)的Budhia 等人優(yōu)化了盤式線圈結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套2kW 的IPT 系統(tǒng)[9]。

對于電動汽車無線充電系統(tǒng)，除了系統(tǒng)效率之外，民眾最關(guān)心的就是充電系統(tǒng)的電磁輻射。為此，法國瑪麗居里大學(xué)的學(xué)者建立了人體三維模型，對感應(yīng)式電動汽車無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行了評估[10]；韓國科學(xué)技術(shù)院的Kim 等則提出了一種有效的主動感應(yīng)屏蔽方案[11]，通過引入一個串聯(lián)連接了補(bǔ)償電容的諧振線圈來實(shí)現(xiàn)磁場屏蔽。

本文以典型3kW 諧振式電動汽車無線充電系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合電路仿真與有限元仿真分析了充電系統(tǒng)工作過程中在附近產(chǎn)生的電磁輻射，并在此基礎(chǔ)上對比研究了傳統(tǒng)的收發(fā)裝置整體屏蔽，以及本文提出的只在發(fā)射端外沿施加水平或豎直屏蔽這三種屏蔽方式的屏蔽效果。

2 研究思路

電路仿真便于對無線充電系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，而有限元工具適合求解空間分布的電磁場，本文結(jié)合了這兩種研究手段的優(yōu)勢，一方面根據(jù)已知的電路參數(shù)建立完整的電路仿真模型，另一方面根據(jù)線圈的結(jié)構(gòu)、尺寸建立起充電系統(tǒng)的有限元仿真模型。通過電路仿真求得系統(tǒng)各個線圈的電流，然后將其作為有限元仿真模型的輸入，進(jìn)而求解出充電系統(tǒng)周圍磁場的空間分布。進(jìn)而在仿真模型中加入各種屏蔽措施，通過對比加入屏蔽前后的磁場分布情況來研究其屏蔽效果。

2.1 電動汽車無線充電系統(tǒng)電路模型

典型四線圈諧振式無線充電系統(tǒng)等效電路如圖1 所示。圖中，將實(shí)際系統(tǒng)中工頻整流后的直流母線電壓簡化為一個輸出電壓為UDC的直流電源，作為該仿真模型的輸入；高頻逆變器采用全橋拓?fù)洌唤邮斩烁哳l整流單元采用基本的全橋不空整流拓?fù)?；C1～C4分別為激勵線圈L1、發(fā)射線圈L2、接收線圈L3及負(fù)載線圈L4的補(bǔ)償電容。

圖1 磁諧振式無線充電系統(tǒng)電路仿真模型Fig.1 Circuit model of the magnetically resonant EV-oriented wireless charging system

設(shè)Mij表示，線圈i 與線圈j 之間的互感；rL1～rL4分別為激勵線圈L1、發(fā)射線圈L2、接收線圈L3及負(fù)載線圈L4的交流內(nèi)阻；rC1～rC4分別為四個補(bǔ)償電容的內(nèi)阻；Req表示電池負(fù)載等效至后端整流橋輸入端的等效阻抗。另外，根據(jù)傅里葉級數(shù)，全橋逆變器輸出電壓基波分量U 與直流母線電壓UDC之間的關(guān)系為：U=πUDC/4，根據(jù)電路理論可以列出以下基爾霍夫電壓電流方程組：

其中，I1～I(xiàn)4表示四個線圈電流，ω 代表工作角頻率，Z1～Z4分別表示四個諧振線圈自身的總阻抗，表達(dá)式如公式（2）所示：

將（2）式代入（1）式，通過求解方程組（1）可以求解出各個線圈中的瞬時電流，進(jìn)而可以推導(dǎo)出無線充電系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率等關(guān)鍵參量。該電路模型對于從電路角度研究無線能量傳輸?shù)脑硪约案鱾€參數(shù)對系統(tǒng)的影響非常方便。

2.2 電動汽車無線充電系統(tǒng)的有限元仿真

實(shí)際的電動汽車無線充電系統(tǒng)往往會使用各種形狀的鐵氧體材料來提高線圈間的耦合系數(shù)，同時用于降低充電系統(tǒng)周圍的電磁場輻射，有些系統(tǒng)還用一層鋁板覆蓋整個發(fā)射裝置以及接收裝置來進(jìn)一步限制磁場輻射。這些都可按照充電系統(tǒng)的實(shí)際幾何參數(shù)來建模。另一方面，電動汽車無線充電系統(tǒng)的接收裝置往往安裝在底盤上，而鋼鐵的相對磁導(dǎo)率比較大，因此研究電動汽車無線充電系統(tǒng)周圍電磁輻射時不得不考慮汽車底盤的影響。為了節(jié)省計算量，可采用一塊厚鋼板來模擬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車底盤的影響。在有限元仿真模型里空間任意一點(diǎn)，相關(guān)矢量滿足如下麥克斯韋方程：

式中，b 表示空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；h 表示磁場強(qiáng)度；j 表示電流密度，在空氣中j=0，在線圈中j=I/A（I、A 分別代表線圈電流和導(dǎo)線截面積），在屏蔽板、鐵氧體或鋼板內(nèi)，j 代表渦流電流體密度；e 代表感生電動勢。通過有限元仿真工具即可解得空間任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3 無線充電系統(tǒng)磁場分析

3.1 典型諧振式電動汽車無線充電系統(tǒng)參數(shù)

本文以一典型3kW 慢充電動汽車用無線充電系統(tǒng)為研究對象，其基本設(shè)計需求為：額定充電功率3kW，傳輸距離21cm，系統(tǒng)效率不低于85%，充電電流 10A，發(fā)射裝置、接收裝置尺寸不超過60cm*60cm*5cm，輸入電壓220V 市電。

圖2 典型無線充電系統(tǒng)的收發(fā)裝置幾何結(jié)構(gòu)Fig.2 Geometry of the transmitter and receiver for a typical magnetically resonant wireless charging system

首先根據(jù)以上設(shè)計需求確定收發(fā)裝置的幾何結(jié)構(gòu)，四分之一模型如圖2 所示。四個諧振線圈均采用方形螺旋繞線方式，最外圈邊長為 50cm，線徑5mm，線圈匝間距為1.8cm；激勵線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈圈數(shù)依次為3、9、9、3 圈；激勵線圈、負(fù)載線圈分別跟發(fā)射線圈、接收線圈的外3 圈并排間繞；發(fā)射裝置、接收裝置均鋪有一層厚度為3mm 的片狀鐵氧體磁性材料，距離線圈中心5mm。接收端采用一塊邊長為1m 厚1cm 的正方形鋼板模擬電動汽車鋼架底盤，考慮一定的安裝間隙，鋼板距離接收端鐵氧體頂部1cm。按以上幾何參數(shù)設(shè)計好的無線充電系統(tǒng)線圈電感、互感，電阻，電容，頻率，功率等電路參數(shù)見表1：

表1 典型電動汽車無線充電系統(tǒng)電路仿真參數(shù)Tab.1 Circuit parameters of the typical magnetically resonant wireless charging system for EV

經(jīng)過電路仿真，得到該無線充電系統(tǒng)工作在額定功率3kW 時各個線圈的電流值，見表2：

表2 典型電動汽車無線充電系統(tǒng)線圈電流仿真值Tab.2 Simulated coil currents of the typical EV-oriented magnetically resonant wireless charging system

3.2 典型電動汽車無線充電系統(tǒng)的空間磁場分布

按圖2 建立該典型無線充電系統(tǒng)的3D 四分之一有限元仿真模型后，將表2 的電流數(shù)據(jù)代入，解得該系統(tǒng)周圍的電磁場分布情況，如圖3 所示：

圖3 典型無線充電系統(tǒng)的空間磁場分布切面圖Fig.3 Cut plane view of the spatial magnetic field built by the typical magnetically resonant wireless charger

圖3 所示切面為經(jīng)過無線充電系統(tǒng)線圈中心的前視圖切面，圖中縮小的車輪示意了電動汽車車輪的實(shí)際位置。依據(jù)國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)發(fā)布的對于電磁輻射的規(guī)范，對于無線充電多采用的3-150kHz 頻段的電磁波，一般暴露的平均輻射場強(qiáng)不應(yīng)該超過 6.25uT，職業(yè)暴露不超過2.0/f uT（f為工作頻率，以MHz為單位）[12]。圖3中的等高線表示的場強(qiáng)值分別為 6.25uT、20uT、50uT、100uT，從圖中可以看出：

充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場主要限制在兩收發(fā)裝置之間的區(qū)域；在車載接收端由于有鋼板的存在，磁場衰減較快，鋼板上面即電動汽車車體內(nèi)部場強(qiáng)很小，能夠滿足ICNIRP 要求；而發(fā)射端磁場衰比較慢，發(fā)射裝置底下仍有較強(qiáng)磁場，但是不會對用戶造成影響；水平方向上，距離線圈中心870mm 以外區(qū)域才能夠滿足ICNIRP 要求，車門附近部分區(qū)域沒有達(dá)標(biāo)，在地面發(fā)射端需要加強(qiáng)磁場屏蔽。

4 無線充電系統(tǒng)屏蔽技術(shù)研究

4.1 鋁板整體屏蔽

大多數(shù)電動汽車無線充電系統(tǒng)采用在整個發(fā)射裝置及接收裝置加鋪一層鋁板[7-9,11]的方式來屏蔽磁場。為研究這種整體覆蓋的屏蔽方式的屏蔽效果，在圖2 所示模型中的發(fā)射端、接收端緊貼著磁性材料加入一層2mm 厚的鋁板，仍然用表2 的電流進(jìn)行激勵，得到如圖4 所示的磁場分布。

圖4 采用鋁板屏蔽時系統(tǒng)的空間磁場分布Fig.4 Cut plane view of the spatial magnetic field when the wireless charging system is shielded by aluminum plate

對比圖3、圖4 可知，鋼板以上區(qū)域的磁場分布與圖3 基本相當(dāng)；由于在發(fā)射端加了大面積鋁板，磁場在豎直方向上衰減更快，特別是靠近發(fā)射裝置中心位置處的磁場，從100uT 下降到6.25uT 以下；水平方向上磁場衰減速率大大增加，地面6.25uT 臨界位置是713mm，相比圖3 得到了很大的改善。

總的來說，采用全面鋪裝鋁板的屏蔽方式后，充電系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場得到了很好的限制，特別是發(fā)送端附近的磁場被大大減弱，不過意義不大，該方法的主要優(yōu)勢在于加劇了磁場在水平方向上衰減速率。為達(dá)到同樣的目的，本文提出只在收發(fā)裝置外沿安裝屏蔽帶以代替整塊鋁板的屏蔽手段，不僅可大大減少用鋁，也能夠降低充電系統(tǒng)在屏蔽材料里的渦流損耗。另外，考慮到接收端鋼板的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收裝置所加鋁板起到的屏蔽作用，本文提出只在地面發(fā)射端加裝外側(cè)屏蔽帶，而接收端不安裝。外側(cè)屏蔽帶可采用水平和豎直兩種安裝方式。

4.2 外側(cè)水平屏蔽帶

采用水平安放方式時，水平屏蔽帶平行于汽車行駛方向，在地面發(fā)射裝置左右兩側(cè)各安裝一條，緊貼于鐵氧體底面。仿真分析時水平屏蔽帶的尺寸為800*30*2mm，屏蔽效果如圖5 所示：

圖5 采用水平屏蔽帶時系統(tǒng)的空間磁場分布Fig.5 Cut plane view of the spatial magnetic field when the transmitter is shielded by horizontal shielding ribbons

由圖5 可知，3cm 寬的外側(cè)水平屏蔽帶的加入不僅改變了發(fā)射裝置周圍的磁場分布，而且加劇了磁場在水平方向上的衰減速率，地表6.25uT 臨界線改善至722mm，取得了與全面覆蓋鋁板屏蔽時基本相當(dāng)?shù)钠帘涡Ч?/p>

4.3 外側(cè)豎直屏蔽帶

采用豎直安放方式時，豎直屏蔽帶也平行于汽車行駛方向，發(fā)射裝置左右兩側(cè)各一條，緊貼于發(fā)射裝置外沿，豎直插入地底。仿真分析時采用同4.2節(jié)水平屏蔽帶同樣的尺寸：800×2×30mm，外側(cè)豎直屏蔽方式的屏蔽效果如圖6 所示。

圖6 采用垂直屏蔽帶時系統(tǒng)的空間磁場分布Fig.6 Cut plane view of the spatial magnetic field when the transmitter is shielded by vertical shielding ribbons

從磁場分布的角度來看，該方式的屏蔽效果與水平屏蔽帶的效果相當(dāng)，地表6.25uT 臨界位置為727mm。但是同樣大小的屏蔽帶里的渦流損耗比水平安放方式時的大，而且需要將其豎直插入地底，從安裝實(shí)施難度上來看不如外側(cè)水平屏蔽方式。

5 結(jié)論

針對典型的千瓦級諧振式電動汽車無線充電系統(tǒng)，研究了無線充電系統(tǒng)在車體內(nèi)部及充電裝置周圍產(chǎn)生的電磁輻射，分析比較了收發(fā)裝置整體加裝屏蔽層，以及本文提出的外側(cè)水平屏蔽和外側(cè)豎直屏蔽這三種方式的屏蔽效果，可得出以下結(jié)論：

1）鋼板即汽車底盤本身具有很強(qiáng)的屏蔽能力，因此電動汽車車體內(nèi)部場強(qiáng)很弱，車載接收裝置沒有必要再額外增加屏蔽層；

2）在水平方向上，本文提出的只在地面發(fā)射端外側(cè)施加屏蔽的屏蔽方式，取得了與整體鋁板屏蔽相當(dāng)?shù)钠帘涡Ч?，說明采用整體屏蔽方式時起作用的主要是屏蔽層的外沿部分；

3）外側(cè)水平屏蔽方式在安裝難度、渦流損耗上具有優(yōu)勢，更加適用于電動汽車無線充電系統(tǒng)。

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