電動汽車無線充電系統電磁屏蔽結構設計理論與試驗研究

【摘要】為研究屏蔽結構對電動汽車無線充電系統的影響，基于屏蔽效能理論建立屏蔽體厚度與屏蔽體材料參數的關系模型。根據不同厚度、不同屏蔽材料的單層屏蔽體對磁場的屏蔽效果，對比數值解與解析解，初步驗證了所建立的屏蔽體厚度模型的適用性，在此基礎上，提出安全電磁環境下厚度最小的復合無線充電屏蔽體結構，并通過電磁試驗進行了驗證。結果表明，以0.05 mm的超薄硅鋼和2.52 mm的鐵氧體作為雙層屏蔽結構時，磁場強度達到安全限值，且傳輸效率達到90.92%，相較于傳統鐵氧體和鋁板復合屏蔽結構，該結構厚度減小了1.95 mm。

主題詞：電動汽車 無線充電 電磁屏蔽 屏蔽體厚度 設計理論

中圖分類號：TM724 " 文獻標志碼：A " DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230854

Theoretical and Experimental Study on Electromagnetic Shielding Structure Design of Electric Vehicle Wireless Charging System

Tian Zhongying1， Zhu Lihua2， Li Yuan1

（1. Tiangong University， Tianjin 300387; 2. Tianjin Key Laboratory of New Energy Power Conversion， Transmission and Intelligent Control， Tianjin 300384）

【Abstract】In order to study the influence of shielding structure on electvical vehicles wireless charging system， based on the theory of shielding effectiveness， this paper establishes a relationship model between the thickness of the shielding material and its parameters. Firstly， the shielding effectiveness of single-layer shielding materials with different thicknesses and different shielding materials on the magnetic field is analyzed， and the numerical solutions are compared with the analytical solutions to preliminarily validate the accuracy of the established shielding material thickness model. Based on this， a composite wireless charging shielding structure with the minimum thickness is proposed under the premise of ensuring electromagnetic safety and verified by electromagnetic tests. The results show that when a combination of 0.05 mm ultra-thin silicon steel and 2.52 mm ferrite is used as a dual-layer shielding， the magnetic field intensity reaches the safety limit， and the transmission efficiency reaches 90.92%. Compared with the traditional ferrite and aluminum composite shielding structure， the thickness of the shielding structure is reduced by 1.95 mm.

Key words： Electric vehicles， Wireless charging， Electromagnetic shielding， Shield thickness， Theory on design

【引用格式】 田忠瑩， 祝麗花， 李元. 電動汽車無線充電系統電磁屏蔽結構設計理論與試驗研究[J]. 汽車技術， 2024（9）： 51-56.

TIAN Z Y， ZHU L H， LI Y. Theoretical and Experimental Study on Electromagnetic Shielding Structure Design of Electric Vehicle Wireless Charging System[J]. Automobile Technology， 2024（9）： 51-56.

1 前言

電動汽車無線充電系統的電磁屏蔽結構是實現高效率無線充電的重要模塊，相關研究有助于提高充電系統的傳輸效率，降低環境漏磁，減少對人體的危害[1]。隨著無線充電技術向高功率方向發展，在確保電磁環境安全的前提下，精確設計無線充電系統的電磁屏蔽結構厚度尤為重要。

2 電磁屏蔽結構

在選材方面，目前使用最多的屏蔽材料為鐵氧體[2]，該材料具有較高的磁導率和較低的電導率，能夠有效增強線圈間耦合，對磁場進行約束。但僅以鐵氧體作為屏蔽材料，不僅成本過高，且屏蔽效能欠佳。納米晶合金[3-4]因較高的磁飽和限值和磁導率備受關注，但需專用設備進行制造和使用，成本較高，提高了其應用難度。傳統復合屏蔽結構采用的材料為鐵氧體和鋁板[5]，但鋁板的電導率較高，渦流損耗較大。因此，本文引入了超薄硅鋼材料，在20 kHz時，其具有較高的飽和磁通密度和較低的損耗密度[6]，滿足電磁屏蔽要求。

屏蔽結構的形狀一般為板狀[5，7]、條狀、輻射狀[8-9]、網格型[10]和邊緣加厚型[11]等，如圖1所示，但均存在磁通密度分布不均、部分體積浪費等問題。

雖然有限元仿真計算可根據已知的屏蔽結構材料參數獲得材料的屏蔽效能，但仍無法計算出滿足電磁安全限制條件下所需屏蔽材料的最小厚度。因此，本文通過分析屏蔽體厚度對無線充電系統磁場分布的影響，根據屏蔽效能理論，推導出滿足電磁安全的屏蔽體厚度公式。在此基礎上，構建以屏蔽效能為約束條件、以屏蔽體厚度最小為目標的復合屏蔽結構，通過有限元方法計算及試驗驗證該結構的有效性。

3 屏蔽體厚度設計理論

3.1 屏蔽效能理論計算

屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）常用于評估電動汽車無線充電系統，表示未加屏蔽時，空間中某點的磁場強度H0（電場強度E0）與增加屏蔽后該點的磁場強度HS（電場強度ES）的比值[12]：

[nSE=20lgH0HS=20lgE0ES] （1）

通過傳輸線理論[13]計算屏蔽效能，當無線充電系統產生的電磁場到達鐵氧體表面時，部分電磁場發生反射，其余則在鐵氧體內部發生多次反射與折射，且電磁場強度不斷衰減：

[nSER=20lg（Zd+Zm）24ZdZmnSEA=20lgektnSEM=20lg1-Zd-ZmZd+Zm2e-2kt] （2）

其中，

[Zm=jωμjωε+σk=jωμε+σjω]

式中：nSER、nSEA、nSEM分別為電磁場的反射損耗、吸收損耗和多次反射損耗，Zm、Zd分別為屏蔽體波阻抗和空氣波阻抗，k為屏蔽材料的傳播系數，t為屏蔽材料的厚度，d為發射源到屏蔽體的距離，μ=μr μ0為磁導率，ε=εrε0為介電常數，σ為電導率，ω為電磁場角頻率，μr為相對磁導率，μ0為真空中磁導率，εr為相對介電常數，ε0為真空介電常數。

以待測屏蔽體中心為原點建立坐標系，如圖2所示，假定平面電磁波沿z軸方向傳播，若只考慮x軸方向的電場Ex和y軸方向的磁場Hy，電場波阻抗ZEd與磁場波阻抗ZHd分別為：

[ZHd=ExHy=-jωμd=2πfμ0dZEd=ExHy=1-j（σ+jωε）d≈12πfε0d] （3）

式中：f為電磁場頻率。

根據屏蔽效能的定義可知：

[nSE=nSER+nSEA+nSEM] （4）

將式（1）與式（4）聯立，可得：

[H0HS=ZHd+Zm2ekt-ZHd-Zm2e-kt4ZHdZmE0ES=ZEd+Zm2ekt-ZEd-Zm2e-kt4ZEdZm] （5）

3.2 屏蔽結構厚度與材料參數

根據國際自動機工程師學會（SAE International）發布的規范SAE J2954[14]，以車為對象將無線充電系統的安全性管理劃分為3個區域，如圖3所示。區域1為汽車底盤下兩個線圈之間及周圍區域，為危險區域，人員一旦接觸，需立刻斷電；區域2為汽車外部區域；區域3為汽車內部區域。其中，區域2和區域3的電場、磁場應符合安全限值。

按照國際非電離輻射防護委員會（International Commission on Non-Ionizing Radiative Protection，ICNIRP）發布的時變電場和磁場（1 Hz～100 kHz）暴露指南[15]，安全限值為：HS≤21.5 A/m，ES≤83 V/m。

將安全限值HS≤21.5 A/m代入式（5），電磁屏蔽厚度t1應滿足：

[t1≥1kln2×H0×Zm×ZHd+a2+21.52×（ZHd2-Zm2）221.5×ZHd+Zm2]

（6）

將安全限值ES≤83 V/m代入式（5），可推導出電磁屏蔽厚度t2應滿足：

[t2≥1kln2×E0×Zm×ZEd+b2+21.52×（ZEd2-Zm2）283×ZEd+Zm2]

（7）

確定屏蔽體材料的參數（電導率、磁導率已知），取t1和t2的較大值，得到符合人體安全限值的屏蔽體最小厚度。材料特性影響電磁屏蔽效果，在滿足磁場安全的情況下，系統所需材料的厚度t1變化情況如圖4所示：當磁導率一定時，隨著電導率的增大，屏蔽體的厚度t1減小；電導率一定時，隨著磁導率增大，屏蔽體的厚度t1也同樣減小；兩種情況均為單調函數。

4 電動汽車無線充電系統電磁場數值分析

4.1 無線充電系統模型建立

為驗證屏蔽體厚度推導結果的正確性，采用有限元法對電動汽車無線充電系統的電磁場進行分析。本試驗中使用的發射線圈和接收線圈均采用方形線圈，如圖5所示，使用COMSOL軟件搭建模型，參數如表1所示。系統的頻率為20 kHz，原邊線圈電流為90 A，負載阻值為12 Ω，傳輸距離為100 mm，根據串聯諧振得到補償電容為1 039 nF。將磁場與外部電路模塊進行多物理場耦合，計算無線充電系統模型的電磁場。

在屏蔽情況下，計算接收線圈上方d=100 mm的腳掌中心P處磁場強度，測量位置如圖6所示，屏蔽體材料分別使用鐵氧體和超薄硅鋼。為簡化有限元計算，將塊狀拼接的鐵氧體設置成方形板狀，邊長為550 mm，鐵氧體與原邊線圈的間距為2 mm，超薄硅鋼與鐵氧體板的間距也為2 mm（發射線圈與接收線圈的屏蔽結構相同）。同時，設鐵氧體板相對磁導率為3 300 H/m、相對電導率為1 S/m，設超薄硅鋼相對磁導率為7 000 H/m、相對電導率為106 S/m。

4.2 屏蔽結構厚度驗證

鑒于屏蔽體越厚，屏蔽后測試點P的磁場強度越小，單層屏蔽時，不同材料在不同厚度條件下，屏蔽后磁場強度理論計算的解析解與有限元計算的數值解如圖7所示。

當屏蔽結構為單層時，根據式（6），在額定功率22 kW的無線充電系統中，5.663 mm鐵氧體與0.098 mm超薄硅鋼均可將磁場強度降低至安全限值。圖7中，鐵氧體屏蔽層、超薄硅鋼屏蔽層的有限元與公式計算值最大誤差分別為4.7%、9.23%，由此可驗證式（6）推導的正確性，且屏蔽層越薄，準確性越高。

在電動汽車無線充電系統中同時使用5.663 mm鐵氧體屏蔽層和0.098 mm超薄硅鋼屏蔽層，線圈的磁感應強度分布如圖8所示。5.663 mm鐵氧體的屏蔽效果和0.098 mm超薄硅鋼在P點的屏蔽效果相同，單層鐵氧體屏蔽層與超薄硅鋼屏蔽層的傳輸效率分別達到98.7%、60.5%，由于超薄硅鋼的電導率高、渦流效應強，使鐵氧體屏蔽層的耦合結構傳輸效率優于加入超薄硅鋼屏蔽層的耦合結構。0.098 mm超薄硅鋼屏蔽層的系統傳輸效率較低，而5.663 mm鐵氧體屏蔽層厚度較大且成本較高，單層屏蔽厚度最小時，無法同時保證屏蔽效能和傳輸效率，因此，本文試驗需考慮雙層屏蔽。

目前，超薄硅鋼主要有4種厚度規格，即0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm和0.10 mm，如屏蔽結構為雙層耦合，由式（6）計算超薄硅鋼厚度固定時，鐵氧體的最小厚度，如表2所示，雙層屏蔽結構在遠離線圈100 mm的P點處獲得的屏蔽效能相同，即屏蔽后P點磁場強度相同；薄硅鋼為0.03 mm且鐵氧體厚度為4.35 mm時，鐵氧體厚度大；當超薄硅鋼為0.10 mm時，不使用鐵氧體即可在遠離線圈100 mm處達到相同的屏蔽效能，但該情況下，耦合結構的傳輸效率低。

屏蔽層為鐵氧體和超薄硅鋼時，耦合結構的磁感應強度分布如圖9所示。0.05 mm超薄硅鋼和2.52 mm鐵氧體作為耦合屏蔽層時，系統的傳輸效率為90.92%，其傳輸效率高于0.08 mm超薄硅鋼和1.43 mm鐵氧體作為屏蔽層。

5 電磁屏蔽試驗驗證

為了驗證本文模型的有效性，搭建試驗平臺，包括高頻電源、線圈、電子負載等，如圖10所示。測量磁場強度時，磁場分析儀的探頭需在距線圈上方100 mm處水平移動，步長為10 cm，以點測量。其中，以待測屏蔽體中心為原點，測量位置的x軸、y軸坐標均為-100～100 cm，z軸坐標為100 mm，見圖6。

線圈使用利茲線繞制，相關參數與有限元分析參數值一致。為了使收發線圈的諧振頻率與電源頻率相等，采用高頻電容進行調諧，收發線圈的電感為61 μH，諧振頻率為20 kHz，補償電容為40 μF。

本文試驗包含2組不同屏蔽層結構，第1組采用0.08 mm超薄硅鋼和1.43 mm鐵氧體作為屏蔽層，第2組采用0.05 mm超薄硅鋼和2.52 mm鐵氧體作為屏蔽層，排列順序如圖11所示。使用磁場分析儀測量遠離接收線位置的磁場強度，結果如圖12所示，增加屏蔽后，線圈正上方中心處磁場強度小于27 μT，符合ICNIRP發布的暴露指南的要求。

試驗結果表明：在線圈正上方（-50 cmlt;xlt;50 cm），實際值與計算值基本吻合；當遠離線圈正上方（xgt;50 cm或xlt;-50 cm）時，受環境中電磁影響，試驗值與計算值存在差距，最大誤差為5.92%。當線圈處于正對位置時，兩組屏蔽結構在線圈上方P點的磁感應強度相較于同等厚度的單層鐵氧體降低了9.85%和8.73%，結果表明，鐵氧體上方加裝超薄硅鋼條的方式可有效抑制空間磁場，驗證了復合屏蔽結構的性能，表明復合屏蔽結構可有效提升磁場屏蔽能力。實際中，磁性材料的B-H曲線受溫度、生產過程等屏蔽條件影響，導致屏蔽效應降低。線圈正上方中心的2種結構屏蔽效能相同，但第1組屏蔽結構中1.43 mm鐵氧體的機械強度較小，因此，以0.05 mm超薄硅鋼和2.52 mm鐵氧體作為屏蔽層是系統最佳屏蔽結構。

對比本文所提出的屏蔽結構與傳統的鐵氧體和鋁板雙層屏蔽結構，結果如表3所示，0.05 mm的超薄硅鋼和2.52 mm的鐵氧體作為雙層耦合屏蔽時，相較于傳統鐵氧體和鋁板復合屏蔽結構，該結構厚度減少了1.95 mm，屏蔽結構質量減輕66%，可見超薄硅鋼作為屏蔽結構輕量化材料優勢顯著。

6 結束語

本文基于屏蔽效能理論，考慮電磁屏蔽材料電導率、磁導率對屏蔽體波阻抗的影響，從理論上確定了符合人體安全限值的屏蔽體厚度與屏蔽體材料參數的關系，并在確定材料參數的情況下，計算出電磁安全屏蔽的最小厚度，在空間受限的環境下，進一步推導出所需材料的電導率和磁導率，試驗結果與仿真結果具有較好的一致性，驗證了所提出計算方法的正確性和所提出結構的可行性，可為無線充電系統中屏蔽結構設計提供參考。

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（責任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年3月13日。