電動汽車無線充電系統磁場仿真與屏蔽技術研究

朱慶偉 陳德清 王麗芳*,2 廖承林,2 郭彥杰,2

（1.中國科學院電工研究所 中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室 北京 100190 2.北京電動車輛協同創新中心 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以來，無線能量傳輸技術[1]備受國內外研究學者關注。華盛頓大學的Sample[2]通過電路模型研究了諧振無線能量傳輸系統的頻率分叉特性；東南大學黃學良等進一步對比了磁耦合諧振系統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在傳輸過程中的能量變化及傳輸機理。無線能量傳輸技術具有傳統電纜線供電方式所不及的獨特優勢，開發電動汽車（EV）無線充電系統[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已經相繼開發出來。

國內，哈爾濱工業大學[5]、中國科學院電工研究所[6]分別開發了1.85kW，3.3kW 的無線充電系統。國外方面，埼玉大學的學者采用H 型線圈設計了結構緊湊、抗偏移的3kW 的電動汽車感應能量傳輸（IPT）系統[7]；猶他州立大學開發了5kW 的電動汽車無線充電系統[8]；奧克蘭大學的Budhia 等人優化了盤式線圈結構，設計了一套2kW 的IPT 系統[9]。

對于電動汽車無線充電系統，除了系統效率之外，民眾最關心的就是充電系統的電磁輻射。為此，法國瑪麗居里大學的學者建立了人體三維模型，對感應式電動汽車無線充電系統產生的電磁輻射進行了評估[10]；韓國科學技術院的Kim 等則提出了一種有效的主動感應屏蔽方案[11]，通過引入一個串聯連接了補償電容的諧振線圈來實現磁場屏蔽。

本文以典型3kW 諧振式電動汽車無線充電系統為研究對象，結合電路仿真與有限元仿真分析了充電系統工作過程中在附近產生的電磁輻射，并在此基礎上對比研究了傳統的收發裝置整體屏蔽，以及本文提出的只在發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進行理論分析和進行參數的優化設計，而有限元工具適合求解空間分布的電磁場，本文結合了這兩種研究手段的優勢，一方面根據已知的電路參數建立完整的電路仿真模型，另一方面根據線圈的結構、尺寸建立起充電系統的有限元仿真模型。通過電路仿真求得系統各個線圈的電流，然后將其作為有限元仿真模型的輸入，進而求解出充電系統周圍磁場的空間分布。進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電路模型

典型四線圈諧振式無線充電系統等效電路如圖1 所示。圖中，將實際系統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撲；接收端高頻整流單元采用基本的全橋不空整流拓撲；C1～C4分別為激勵線圈L1、發射線圈L2、接收線圈L3及負載線圈L4的補償電容。

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

設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、發射線圈L2、接收線圈L3及負載線圈L4的交流內阻；rC1～rC4分別為四個補償電容的內阻；Req表示電池負載等效至后端整流橋輸入端的等效阻抗。另外，根據傅里葉級數，全橋逆變器輸出電壓基波分量U 與直流母線電壓UDC之間的關系為：U=πUDC/4，根據電路理論可以列出以下基爾霍夫電壓電流方程組：

其中，I1～I4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，進而可以推導出無線充電系統的輸出功率、傳輸效率等關鍵參量。該電路模型對于從電路角度研究無線能量傳輸的原理以及各個參數對系統的影響非常方便。

2.2 電動汽車無線充電系統的有限元仿真

實際的電動汽車無線充電系統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，同時用于降低充電系統周圍的電磁場輻射，有些系統還用一層鋁板覆蓋整個發射裝置以及接收裝置來進一步限制磁場輻射。這些都可按照充電系統的實際幾何參數來建模。另一方面，電動汽車無線充電系統的接收裝置往往安裝在底盤上，而鋼鐵的相對磁導率比較大，因此研究電動汽車無線充電系統周圍電磁輻射時不得不考慮汽車底盤的影響。為了節省計算量，可采用一塊厚鋼板來模擬結構復雜的汽車底盤的影響。在有限元仿真模型里空間任意一點，相關矢量滿足如下麥克斯韋方程：

式中，b 表示空間任意一點的磁感應強度；h 表示磁場強度；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線截面積），在屏蔽板、鐵氧體或鋼板內，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的磁感應強度。

3 無線充電系統磁場分析

3.1 典型諧振式電動汽車無線充電系統參數

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

圖2 典型無線充電系統的收發裝置幾何結構Fig.2 Geometry of the transmitter and receiver for a typical magnetically resonant wireless charging system

首先根據以上設計需求確定收發裝置的幾何結構，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、發射線圈、接收線圈、負載線圈圈數依次為3、9、9、3 圈；激勵線圈、負載線圈分別跟發射線圈、接收線圈的外3 圈并排間繞；發射裝置、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。按以上幾何參數設計好的無線充電系統線圈電感、互感，電阻，電容，頻率，功率等電路參數見表1：

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

經過電路仿真，得到該無線充電系統工作在額定功率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的空間磁場分布

按圖2 建立該典型無線充電系統的3D 四分之一有限元仿真模型后，將表2 的電流數據代入，解得該系統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 所示切面為經過無線充電系統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際位置。依據國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)發布的對于電磁輻射的規范，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不應該超過 6.25uT，職業暴露不超過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值分別為 6.25uT、20uT、50uT、100uT，從圖中可以看出：

充電系統產生的電磁場主要限制在兩收發裝置之間的區域；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部場強很小，能夠滿足ICNIRP 要求；而發射端磁場衰比較慢，發射裝置底下仍有較強磁場，但是不會對用戶造成影響；水平方向上，距離線圈中心870mm 以外區域才能夠滿足ICNIRP 要求，車門附近部分區域沒有達標，在地面發射端需要加強磁場屏蔽。

4 無線充電系統屏蔽技術研究

4.1 鋁板整體屏蔽

大多數電動汽車無線充電系統采用在整個發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，鋼板以上區域的磁場分布與圖3 基本相當；由于在發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，充電系統產生的磁場得到了很好的限制，特別是發送端附近的磁場被大大減弱，不過意義不大，該方法的主要優勢在于加劇了磁場在水平方向上衰減速率。為達到同樣的目的，本文提出只在收發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遠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射端加裝外側屏蔽帶，而接收端不安裝。外側屏蔽帶可采用水平和豎直兩種安裝方式。

4.2 外側水平屏蔽帶

采用水平安放方式時，水平屏蔽帶平行于汽車行駛方向，在地面發射裝置左右兩側各安裝一條，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 寬的外側水平屏蔽帶的加入不僅改變了發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的屏蔽效果。

4.3 外側豎直屏蔽帶

采用豎直安放方式時，豎直屏蔽帶也平行于汽車行駛方向，發射裝置左右兩側各一條，緊貼于發射裝置外沿，豎直插入地底。仿真分析時采用同4.2節水平屏蔽帶同樣的尺寸：800×2×30mm，外側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，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，從安裝實施難度上來看不如外側水平屏蔽方式。

5 結論

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

1）鋼板即汽車底盤本身具有很強的屏蔽能力，因此電動汽車車體內部場強很弱，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射端外側施加屏蔽的屏蔽方式，取得了與整體鋁板屏蔽相當的屏蔽效果，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）外側水平屏蔽方式在安裝難度、渦流損耗上具有優勢，更加適用于電動汽車無線充電系統。

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