電動汽車無線充電系統的有源磁屏蔽研究

蒙金雪， 張玉旺， 郭彥杰， 王麗芳

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室， 北京 100190； 3. 中國科學院大學， 北京 100049)

1 引言

近年來，隨著無線充電(Wireless Power Transfer, WPT)技術的快速發展[1,2]，WPT系統廣泛應用于電動汽車、醫學設備和電子設備。WPT系統通過磁場耦合將能量從一個線圈傳輸到另一個線圈，以給電動汽車充電[3,4]。WPT系統可以有效減少系統內部的電氣接觸，便于在潮濕的地方使用。此外，移動式無線充電技術可以實現電動汽車在行駛過程中充電，增加駕駛里程[5,6]。然而，在無線充電過程中，由WPT系統泄露到空氣中的磁場在一定程度上會對生物體產生生理影響、干擾電子設備的正常運行[7,8]。美國汽車工程師協會(SAE)將電動汽車無線充電的頻帶確立在85 kHz，我國也出臺了與電磁安全相關的法規和標準。我國在電磁安全限制上的要求嚴于國際標準，并且將逐步加強對電磁環境安全的監管和要求。因此，WPT系統在充電過程中的磁場安全性研究是一項十分關鍵的課題。

為解決磁場泄露問題，國內外研究團隊主要提出了四種類型方案：①磁屏蔽法。文獻[9-12]在無線充電系統周圍放置了鐵氧體，使得系統的主要磁路沿著鐵氧體方向，有效降低了外圍空間的磁場強度。然而，隨著鐵氧體材料的增加，整個系統的重量和成本大幅升高。②導電屏蔽法。文獻[13,14]通過在無線充電系統周圍放置水平或垂直接地金屬屏蔽板，可以有效屏蔽系統周圍的磁通量泄露。然而，在一些應用中，金屬材料安裝在車體內部，充電過程中需要向下移動金屬材料至地面以阻礙氣隙中的磁場向外擴散[15]，上下移動過程中增加了與周圍設備的摩擦。③諧振式無功屏蔽法。文獻[16,17]設計了諧振式無功屏蔽線圈，利用漏磁在屏蔽線圈中激發感應電流，從而抵消原磁場。④有源磁屏蔽法。有源磁屏蔽法可以通過主動調節屏蔽線圈產生的磁場，從而完全抵消原磁場。文獻[18]提出了一種有效的有源屏蔽方法，可以降低屏蔽線圈內部特定點或屏蔽線圈周圍環路區域的磁場。文獻[19]通過改變有源線圈的幾何形狀和電流，可以有效屏蔽原磁場。然而，以上文獻都沒有考慮車體對WPT系統的影響。

在以上研究成果的基礎上，本研究將針對電動汽車無線充電系統有源磁屏蔽展開研究。本文以3.3 kW電動汽車無線充電系統為研究對象，基于有限元磁場仿真，設計了一套針對該無線充電系統的有源磁屏蔽系統，最后設計了臺架進行了磁屏蔽效果實驗驗證。

2 有源磁屏蔽系統和無線充電系統聯合模型

有源磁屏蔽系統和無線充電系統聯合模型如圖1所示。其中充電系統原邊線圈和副邊線圈組成了無線能量傳輸結構；鋁板模擬電動汽車的底盤結構，主要用于屏蔽電動汽車內部的磁場，從而保護車內乘客、金屬結構和電子設備等。當電動汽車進行無線充電時，充電系統會向車體周圍輻射磁場，會對車體周圍的乘客產生影響。為解決這一問題，本研究采用有源磁屏蔽線圈降低目標區域的磁場強度。

圖1 有源磁屏蔽系統和無線充電系統聯合模型

2.1 無線充電系統的電路分析

有源磁屏蔽系統和無線充電系統聯合電路模型如圖2所示，其中上半部分為原無線充電系統：Ud1是無線充電系統的直流母線電壓源；逆變器的頻率表示為fWPT；發射端補償電路由Lp，Cp1和Cp2組成；L1，L2和M1,2分別為無線充電系統發射端線圈自感，接收端線圈自感和兩個線圈之間互感；接收端補償電路由Cs1，Cs2和Ls組成，RL為充電系統的負載，Re表示整流橋輸入端的等效負載。圖2的下半部分為有源磁屏蔽系統，其中Ud2是有源磁屏蔽系統的直流母線電壓；逆變器的頻率表示為fsh；諧振電路由Lsh3和Csh組成；L3為屏蔽線圈的自感；M1,3和M2,3分別為屏蔽線圈與發射端線圈以及接收端線圈之間的互感。

圖2 有源磁屏蔽系統和無線充電系統聯合電路模型

為了在達到較好的有源磁屏蔽效果的同時不影響系統的傳輸效率，需要將屏蔽線圈放置于距離發射端線圈和接收端線圈較遠處，從而降低系統的M1,3和M2,3。對于本研究中電動汽車無線充電系統來說，則將屏蔽線圈放置于靠近車身邊緣的鋁板下面，此時的M1,3和M2,3接近于0，即實現了原無線充電系統和屏蔽系統的解耦，這一結論將在第三節仿真實驗中說明。

在實現原無線充電系統和屏蔽系統的解耦之后，則可以分別用戴維寧定理分別對以上無線充電和有源磁屏蔽系統的等效電路模型進行簡化，其中無線充電系統電路的簡化結果如圖3所示。

圖3 無線充電系統的簡化電路模型

其中，Ui為發射端線圈的等效交流電壓源；其表達式如式(1)所示；I1和I2分別表示發射端線圈和接收端線圈的電流；Ze1和Ze2分別如式(2)和式(3)所示。另外，Uin為無線充電系統逆變器輸出電壓的基波，其幅值為：|Uin|=4Ud1/π。

(1)

(2)

(3)

式中，ω=2πfWPT；Re=8RL/π2；Ze1為Cp1輸出等效阻抗；Ze2為Cs2輸入等效阻抗；Ls為接收端補償電感。

無線充電系統的磁場分布和線圈中的電流有關，因此為獲得無線充電系統周圍的磁場分布，需首先求得發射端線圈和接收端線圈的電流(I1和I2)。根據圖3，可得基爾霍夫電壓方程組：

(4)

式中，Z1和Z2分別表示發射端和接收端線圈回路的自阻抗。表達式如式(5)所示。

(5)

式中，rL1和rL2分別為發射端和接收端線圈的內阻。將式(5)代入式(4)中，可以求得兩個線圈中的電流如式(6)所示。

(6)

對于有源磁屏蔽系統，Lsh3和Csh諧振，則其電路模型可等效為圖4，其中Ush為有源磁屏蔽系統逆變器輸出電壓的基波，其幅值為4Ud2/π，頻率為逆變器頻率(fsh)。圖4中，Ush，I3和Ish的關系可表示為：

(7)

圖4 有源磁屏蔽系統的簡化電路模型

所以Ish的相位比Ush滯后90°，且其幅值與Ush成正比，而與屏蔽線圈本身的參數無關。

2.2 帶有源磁屏蔽的電動汽車無線充電系統的磁場分析

電動汽車無線充電系統中的鋁板具有屏蔽磁通作用。在鋁板屏蔽作用下，原無線充電系統和有源磁屏蔽線圈產生的磁場方向均會發生變化。沿著圖1所示的無線充電系統和屏蔽線圈的中軸線所在的x-z平面，發射端和接收端線圈產生的磁感應強度方向如圖5(a)所示，有源磁屏蔽線圈產生的磁感應強度方向如圖5(b)所示?？梢园l現，在目標磁場屏蔽區域(即電動汽車車身附近區域)內，二者產生的磁感應強度方向基本相反，因此可通過控制有源磁屏蔽線圈的電流，實現目標區域內的磁場屏蔽。

圖5 無線充電線圈和有源磁屏蔽線圈分別產生的磁感應強度方向

2.3 有源磁屏蔽原理分析

磁感應強度B滿足磁場疊加原理，即某一時刻的總磁感應強度為各個磁場源所產生的磁感應強度的疊加。為了實現目標區域內的磁場屏蔽，需要在目標區域內產生與原磁感應強度BWPT大小相等、方向相反的屏蔽磁感應強度Bsh。

對于圖1所示的無線充電系統，其發射端線圈和接收端線圈的電流(I1和I2)頻率均為fWPT，所以該系統產生的磁感應強度BWPT也是頻率為fWPT的簡諧波，其表達式如式(8)所示。表達式的第一部分為磁感應強度BWPT的幅值和空間方向，第二部分為BWPT的簡弦波隨時間的變化規律。當無線充電系統穩定運行時，I1和I2是一定的，系統周圍磁場的空間方向rB,WPT、幅值|BWPT|、角頻率ωWPT和相位φB,WPT確定的。

(8)

式中，|BWPT,x|、|BWPT,y|和|BWPT,z|分別為無線充電系統在x方向、y方向和z方向上的磁感應強度幅值。

對于圖1所示的有源磁屏蔽系統，其屏蔽線圈的電流頻率為fsh，所以該線圈產生的磁感應強度Bsh也是頻率為fsh的簡諧波，其表達式如式(9)所示。

(9)

為了實現目標空間區域內的磁場屏蔽，BWPT和Bsh的合磁感應強度Bfinal的幅值應低于BWPT的幅值，即：

|Bfinal|=|BWPT+Bsh|<|BWPT|

(10)

所以首先需要保證fWPT=fsh。其次需要滿足：當rB,WPT和rB,sh參考方向相同時，φB,WPT=φB,sh+180°；否則當rB,WPT和rB,sh參考方向相反時，φB,WPT=φB,sh。如圖5所示，本文中rB,WPT和rB,sh參考方向相反，所以Bfinal可以表示為：

(11)

記空間方向rB,WPT和rB,sh的夾角為θ(θ>90°)?？梢宰C明，當|Bsh|=|BWPT|cos(π-θ)時，|Bfinal|達到最小，且|Bfinal|=|BWPT|sin(π-θ)。其矢量和如圖6所示。

圖6 當無線充電系統和有源磁屏蔽系統磁場相位相同時的磁感應強度的疊加原理

綜上所述，為達到最優屏蔽效果，需要首先確保無線充電系統和屏蔽系統的頻率完全相等；然后調節屏蔽線圈的電流相位，在rB,WPT和rB,sh參考方向相反的基礎上，使屏蔽線圈和原充電系統的磁感應強度相位相等(φB,WPT=φB,sh)，此時目標磁場屏蔽區域的磁感應強度達到最低；最后調節屏蔽線圈的電流幅值Ish，達到|Bfinal|最小，即為該有源磁屏蔽系統的最佳屏蔽效果。

3 電動汽車無線充電系統的有源磁屏蔽系統仿真設計

根據以上理論，本文將為3.3 kW電動汽車無線充電系統設計有源磁屏蔽系統，系統結構如圖1所示。接收線圈和發射線圈的尺寸分別為320 mm×320 mm和580 mm×420 mm，對應的線圈匝數分別為15和20，匝間距均為6.24 mm，線徑均為5 mm；發射線圈和接收線圈間距為210 mm，兩個線圈上方均鋪有一層厚度為3 mm的鐵氧體材料；接收線圈鐵氧體上方8 mm處放置一塊1200 mm×1700 mm鋁板。在距離發射線圈中心750 mm處(距鋁板邊緣100 mm處)垂直放置屏蔽線圈，其尺寸為320 mm×100 mm，線圈匝數為4匝，匝間距為6.24 mm，線徑為5 mm。

該帶屏蔽線圈的3.3 kW電動汽車無線充電系統的電路模型如圖2所示，圖2中各電路參數的實測值如下所示：系統輸入與負載參數分別為fWPT=85 kHz，Ud1=470 V和RL=46 Ω；發射端補償網絡參數分別為Lp=80.1 μH，Cp1=18.84 nF和Cp2=83.01 nF；發射端/接收端線圈自感和互感分別為L1=229.3 μH，L2=219 μH和M1,2=21.45 μH；接收端補償網絡參數分別為Cs1=22.2 nF，Cs2=76.71 nF和Ls=84 μH；屏蔽線圈自感及其與發射端/接收端線圈的互感分別為L3=6.7 μH，M1,3=0.115 μH和M2,3=0.023 μH；發射端線圈/接收端線圈/屏蔽線圈內阻分別為rL1=226.4 mΩ，rL2=210 mΩ和rL3=20 mΩ。

可以發現，屏蔽線圈與原發射端/接收端線圈的互感M1,3和M2,3非常小，所以屏蔽線圈和原無線充電系統之間的耦合關系可以忽略，即將系統簡化為M1,3=0，M2,3=0。此時便可以根據式(6)求解發射端/接收端線圈的電流I1和I2，如表1所示。

表1 無線充電系統發射端/接收端線圈電流值

將求解出的無線充電系統線圈電流I1和I2代入有限元仿真模型作為線圈電流激勵。通過調節屏蔽線圈Ish的相位和幅值，從而調節屏蔽線圈所產生的磁感應強度的相位φB,sh和幅值|Bsh|，最終實現磁屏蔽效果。圖7所示為有屏蔽線圈時和無屏蔽線圈時的磁感應強度對比圖。圖7中虛線區域為目標磁場屏蔽區域，對應于電動汽車車身周圍的區域。該無線充電仿真系統的左側沒有安裝有源磁屏蔽系統，代表該無線充電系統本身的磁場輻射程度；系統右側安裝了有源磁屏蔽系統。結果顯示，在有源磁屏蔽系統的作用下，目標區域內的磁感應強度大幅降低，證明了該有源磁屏蔽系統的有效性。

圖7 有磁屏蔽線圈側和無磁屏蔽線圈側的磁感應強度對比

4 有源磁屏蔽系統實驗驗證

4.1 實驗臺架設計

為驗證以上有源屏蔽系統設計方法的有效性，本文搭建了帶有源屏蔽系統3.3 kW電動汽車無線充電系統實驗臺架。臺架的電路實物圖如圖8所示。無線充電系統和有源屏蔽系統均工作在85 kHz頻率下，WPT系統由直流電壓源、逆變器、驅動、產生驅動信號的DSP、發射端LCC補償網絡、發射端/接收端線圈、接收端LCC補償網絡、整流器和負載組成。有源屏蔽系統由直流電壓源、逆變器、驅動、產生驅動信號的FPGA驅動信號延時系統、LC諧振電路和磁屏蔽線圈組成。臺架的結構參數以及電路參數見第三章仿真參數。最終采用Narda EHP200測試設備測試目標磁場屏蔽區域內的磁感應強度，通過調節Ish的相位和幅值實現最優屏蔽效果。

圖8 3.3 kW電動汽車無線充電系統的磁屏蔽系統臺架

4.2 有源磁屏蔽線圈的相位和幅值調節

如第2.3節所討論的結果，為達到有源磁屏蔽線圈的最優屏蔽效果，需要確保無線充電系統的頻率fWPT完全等于屏蔽線圈的頻率fsh，同時需要屏蔽線圈電流Ish的相位和幅值可調。

首先，對于有源磁屏蔽線圈的頻率和相位，本研究設計了FPGA驅動信號延時系統，通過將WPT系統逆變器的驅動信號可控延時輸出，則可以保證fsh完全等于fWPT，且形成有源屏蔽系統逆變器輸出電壓和WPT系統之間的可控相位差。然后根據式(7)，便可以求得并調節Ish的相位。本系統采用的FPGA芯片為EPEC3T144C8N，其時鐘為48 MHz，所以本相位調節系統的角度精度為(85 kHz/48 MHz)×360 °=0.6735 °。

然后，對于有源磁屏蔽線圈中的電流幅值，本文則通過調節該系統的直流輸入電壓來調節該幅值。根據式(7)，Ish的相位不會隨直流電壓Ud2的變化而變化。從而可以實現獨立調節Ish的相位和幅值。

4.3 有源磁屏蔽線圈的電流相位和幅值調優

按照第2.3節的Ish相位和幅值調優方法，本文首先以(910,0,220)點處(距鋁板外邊緣60 mm，高度220 mm點處)作為測試點，通過調節Ish的相位和幅值，使該測試點處磁感應強度值達到最低。首先，當3.3 kW無線充電系統運行時，該測試點處的實測85 kHz磁感應強度值為12.76 μT。然后，設置Ish的幅值為3.57 A，調節Ish的相位，可測得該點的磁感應強度變化如圖9所示?？傻卯擨sh的相位為55.7 °時，該點的磁感應強度達到最低，即Ish的最優相位為55.7 °。之后，設置Ish的相位為55.7 °，調節Ish的幅值，可測得該點的磁感應強度變化如圖10所示?？傻卯擨sh的幅值為3.57 A時，該點的磁感應強度達到最低，即Ish的最優幅值為3.57 A。最后，在Ish的最優相位和幅值點處，該測試點處的磁感應強度減小到0.78 μT，減小量達到94%，證明了該有源磁屏蔽系統的有效性。

在Ish相位為55.7 °、幅值為3.57 A時，本研究另外測試了除該測試點之外其他區域的磁感應強度減小情況。圖11為x分別為910 mm，930 mm，972.5 mm，990 mm(即距鋁板外側邊緣60 mm，80 mm，112.5 mm，130 mm)且高度為220 mm處的磁屏蔽效果，圖12為x為930 mm(即距鋁板外側邊緣距離80 mm)且不同高度(202 mm，210 mm，243 mm，264 mm，287 mm)處的磁屏蔽效果，結果顯示該區域內的磁感應強度均下降到了1.5 μT以下，進一步證明了該有源磁屏蔽系統的實用性和有效性。

圖9 測試點處磁感應強度隨電流相位的變化曲線(φI,sh=55.7 °)

圖10 測試點處磁感應強度隨電流幅值的變化曲線(|Ish|=3.57 A)

圖11 目標磁屏蔽區域內不同x點處的磁屏蔽效果曲線(z=220 mm)

圖12 目標磁屏蔽區域內不同z點處的磁屏蔽效果曲線(x=930 mm)

5 結論

本文提出并設計了一種有源磁屏蔽系統以降低無線充電過程中電動汽車車身周圍的磁場。首先，本文建立了有源磁屏蔽系統和無線充電系統聯合電路模型，在此基礎上推導了有源磁屏蔽的理論并設計了有源屏蔽磁系統的優化方法。最終，仿真和實驗結果均顯示該有源屏蔽磁系統可以有效降低目標磁屏蔽區域內的磁感應強度，目標磁屏蔽區域內的磁感應強度均下降到了1.5 μT以下，具有很好的應用前景。此有源屏蔽方法及系統設計方法對無線充電系統磁場屏蔽有一定的指導意義。