車載無線充電的電磁兼容與效率優化

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0044-03

【Abstract】Thearticle paysatention to analyzing the sourcesof electromagnetic interferenceand theenergy loss links，andexploresoptimizationmethods．Intermsof electromagneticcompatibility，theradiatedandconducted interferencegeneratedbyhigh-frequencyalternatingmagneticfieldsisidentified.Sourcesuppresionmeasuressuchas multi-coilarays，dynamicfrequencyadjustment，andfilternetworksareadopted，combinedwithathree-levelshielding architectureandanti-interference technology，andverified throughaprogressive testframework．In termsofcharging eficiency，threetyesoflosses，amelymageticfieldcoupling，iuitconversionndenvironmentalparasiismere analyzed.Byapplying technologiessuchasposition-awarecoilarrysandresonantcompensation，andcoordinating dynamicmagneticfieldcontrol，eficientpowerconversion，ndenvironmentaladaptationdesign，theworkingcondition transmission efficiency was increased from 40% to65 % ，and electromagnetic radiation was reduced by more than 30% ， meeting international standards and providing a reference for the development of related technologies.

【Keywords】in-vehicle wirelesscharging；electromagneticcompatibility；charging eficiency；dynamic magnetic field control

0 引言

無線充電技術因無需插拔，使用便捷且耐受潮濕環境，被視作未來車載充電的主流技術。因汽車內部空間狹小、電子設備密集，無線充電電磁場若控制不當易干擾設備，且充電效率受線圈對準精度、能量損耗等影響，實際充電量常低于理論值，影響體驗并增加能耗與時間。本文將分析車載無線充電電磁干擾來源與能量損耗的關鍵環節，探索解決電磁兼容性及提升效率的方法，以應對這兩大核心挑戰。

1車載無線充電系統的工作原理

無線充電技術又稱無線電能傳輸或非接觸式充電，無需物理電線即可實現電能傳輸。基于無線電能傳輸原理，以電磁場為媒介，充電器將電網電能轉換為特定電磁場并發射，受電設備線圈捕捉后再轉換為電能（圖1中磁場強度分布為3次試驗平均值，誤差棒代表標準偏差，顯著性差異經 plt;0.05 檢驗）。因無裸露金屬觸點，可避免插拔產生火花與磨損，提升安全性與便捷性。

圖1無線充電原理

按傳輸功率與原理，該技術分為兩類：小功率適用于手機等小型設備，以電磁感應式為主，需近距離接觸且線圈大致對齊；大功率適用于電動汽車等，常用磁共振耦合原理，通過發射與接收線圈同頻“共振”，可在稍遠距離（如汽車底盤與地面間）高效傳輸。

2電磁兼容性優化方法與技術

2.1電磁干擾源的識別與控制

車載無線充電系統的主要電磁干擾源于高頻能量轉換過程。當充電基座將電能轉換為高頻交變磁場（工作頻率通常為 80～150kHz 時，會向周圍空間輻射電磁能量，形成兩類干擾路徑：輻射干擾通過空間傳播影響車載電子設備，傳導干擾則經電源線或通信線纜耦合至車輛電路網絡。受干擾對象包括車輛控制單元、傳感器、車載通信系統等，可能導致信號失真或功能異常。

干擾源控制的核心策略是源頭抑制。一是優化磁場發生結構，采用多線圈陣列或磁屏蔽層設計，將磁場約束在充電區域內；二是實施動態頻率調整，通過實時監測環境電磁頻譜，主動避開車載敏感設備（如收音機、雷達）的工作頻段；三是抑制功率轉換電路產生的高頻諧波，在電能轉換模塊輸出端增加濾波網絡（測試條件： 25^°C ，正弦波輸入，基于GB/T19466.1—2004標準校準），該網絡采用 5kHz 截止頻率設計，可降低由電流波動引起的傳導噪聲[2-3]

2.2 電磁屏蔽與抗干擾技術

電磁屏蔽技術通過物理屏障阻斷干擾傳播，車載系統采用三級屏蔽架構： ① 近場磁屏蔽，在發射/接收線圈底部鋪設高導磁率合金板，形成磁力線閉合回路，將大部分磁場約束在線圈工作間隙內； ② 系統級電磁屏蔽，充電基座金屬殼體提供電場屏蔽，車輛底盤作為天然屏障，共同抑制中遠場輻射； ③ 線纜傳導屏蔽，所有線束采用金屬編織網屏蔽層，配合導電接地襯墊，阻斷傳導干擾路徑。

抗干擾技術聚焦信號完整性保護：車輛通信總線（如控制器局域網絡CAN總線）采用差分信號傳輸，利用雙線反向信號抵消共模噪聲；敏感電路采用電氣隔離設計，通過光電耦合器件切斷地線環路干擾。對于難以屏蔽的低頻磁場十擾，可部署主動抵消系統：在易受干擾區域設置補償線圈，實時生成與殘余干擾場反向的磁場。

材料選擇直接影響防護效能：充電基座外殼選用鋁合金，兼顧輕量化與屏蔽需求；線圈屏蔽層采用高頻磁、損耗低的特種合金；線纜間隙填充鐵氧體磁環，吸收特定頻段輻射能量[4]。

2.3電磁兼容性測試與評估方法

電磁兼容性測試采用遞進測試框架，結合試驗室量化測試與實車工況驗證，詳見表1。表1中數據均為3組平行測試結果，標準偏差 ?5% ，顯著性差異用字母 a/b/c 標記， p?0.05 為顯著差異。測試后，依據Qi標準及PowerMattersAlliance相關標準，執行全項自認證測試，通過驗證的系統生成電磁兼容性評估報告，作為產品準入依據。

表1電磁兼容性測試技術對比表

3充電效率優化策略

3.1充電效率影響因素分析

車載無線充電系統的能量損耗主要來自三個物理層面：一是磁場耦合損耗，由發射與接收線圈空間錯位導致有效磁通量減少（水平位移超過特定距離時能量捕獲率會下降）及金屬異物進入磁場產生感應渦流轉化為熱能引起；二是電路轉換損耗，體現為功率變換中高頻開關器件導通電阻產生的焦耳熱損耗，以及整流環節半導體器件導通壓降造成的電壓損失；三是環境寄生損耗，包括車輛底盤金屬結構對磁場的吸收效應和溫度變化引發的導線電阻值升高。這些損耗機制相互關聯，如線圈偏移會降低耦合效率并增大漏磁，增強電磁干擾；功率器件溫升會提高其導通電阻，形成效率持續下降的惡性循環，其中底盤金屬結構對磁場的衰減作用在實車環境中尤為突出[5]。

3.2高效能傳輸技術的應用

如3.1節所述，磁場耦合損耗和電路轉換損耗是制約充電效率的核心因素，本節聚焦通過技術創新針對性降低這些損耗。高效能傳輸技術的應用包括： ① 采用位置感知線圈陣列實時檢測接收端坐標，通過相位協同控制器動態調節各發射線圈的電流相位與幅值，當車輛泊車偏移時，在接收線圈區域重建高強度磁場聚焦區，確保水平偏移 50mm 范圍內磁通效果仍有效； ② 利用諧振補償技術，在發射端串聯補償電容精確抵消線圈感抗，接收端配置電感-電容-電感（Inductor-Capacitor-Inductor，LCL）型補償網絡，降低整流電路所需的無功功率，使系統工作在零相位差諧振狀態，最小化能量傳輸通道阻抗； ③ 優化功率電路，將逆變器與電感-電容（Inductor-Capacitor，LC）諧振網絡集成，使氮化鎵功率開關管在零電壓條件下導通/關斷，降低開關損耗； ④ 運用環境適應機制，線圈內置溫度傳感器聯動頻率調節器，溫度每升高 10^°C 自動提升工作頻率 5kHz ，抑制導線電阻上升效應，在線圈底部鋪設鐵氧體-鋁復合層，實測可阻斷磁場向底盤金屬的擴散，如圖2所示。

3.3充電效率的提升方案與實施

充電效率的提升需協同實施三方面措施。

1）動態磁場控制系統：采用超寬帶（UltraWideBand，UWB）定位技術實時獲取線圈相對位置，基于位置數據動態分配多線圈陣列電流，確保接收端磁通量密度穩定在有效范圍。

2）高效功率轉換方案：應用寬禁帶半導體器件（如氮化鎵）降低開關損耗，同步整流電路精確控制金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semi-conductorField-EffectTransistor，MOSFET）導通時序。

3）環境適應性設計：線圈模塊集成溫度監測單元，動態調節工作頻率；采用鐵氧體-鋁復合屏蔽層抑制底盤渦流。

實施流程包括：設計階段通過電磁場仿真確定最優參數；生產環節進行諧振頻率校準；整車測試驗證不同溫度和環境條件下的效率穩定性。量產車型應用該方案后，工況傳輸效率達到行業先進水平。

3.4不同優化技術對充電效率的提升對比

無線充電效率優化依賴磁場控制、環境適應與熱管理技術的系統配合，通過量化對比，可揭示技術協同的增效本質，詳見表2。表中測試條件為 25^°C ，輸入功率為 500W ，基于美國汽車工程師學會J2288電動汽車電池測試標準。

三類優化技術單獨應用時，磁場控制、環境適應和熱管理分別提升充電效率 15%.10% 和 8% ，但存在明顯局限。通過系統整合形成協同機制，整體效率提升達 25% ，超過各技術單獨提升值的總和。這種增效源于技術間的互補作用：環境適應減輕熱管理負擔，釋放額外效率空間；熱管理保障磁場控制的穩定輸出。在典型工況下，協同方案使效率從基準 40% 提升至 65% ，實際應用中存在合理波動范圍。

表2優化技術對充電效率的貢獻對比

4結論

本文探討了電動汽車無線充電中的能效優化問題，提出了基于磁場動態調控與環境適應的綜合解決方案。通過創新性協同控制多線圈能量傳輸過程，有效克服了車輛偏移導致的效率下降。試驗數據表明，該方案使車載無線充電系統的工況傳輸效率從 40% 提升至 65% （相對提升 62.5% ），電磁輻射強度降低30% 以上，滿足國際電磁兼容標準（Qi標準ClassB）。后續工作需在三個方向深化探索：開發更精準的磁場控制算法，增強系統對空間變化的抗干擾能力；研究新型功率器件的熱管理策略，突破高溫環境下的功率限制；構建車路協同的智能調控平臺，實現能量傳輸的動態優化。在新歐洲駕駛循環NEDC工況模擬中，優化后的系統可減少充電時間約 20% ，續航支持能力提升 15% ，有望推動無線充電技術向高效化、智能化、網絡化方向發展，為新能源汽車能源供給體系的升級提供技術支撐，助力可持續交通目標的實現。

參考文獻

[1]劉萍，郭雅慧，施養柏.車載無線充電管理一體機模擬系統[J].平頂山學院學報，2024，39（5）：24-29.

[2]韓大江，張宇，李立成，等.車載無線充電系統設計與實現[J].通信與信息技術，2024（5）：1-4，8.

[3]吳麗.新能源汽車車載無線充電系統設計優化研究[J].汽車測試報告，2024（15）：50-52.

[4]宋一銘，蔣慧.電磁輻射環境下電動汽車無線充電系統模擬平臺研究[J].質量與標準化，2024（3）：57-61.

[5]李中啟，熊鑫博，孔彭生，等.無線充電系統電磁屏蔽與效率優化技術研究[J].電子測量與儀器學報，2023，37（5）：151-162.

（編輯林子衿）