电动汽车无线充电系统磁场仿真与屏蔽技术研究

朱庆伟 陈德清 王丽芳*,2 廖承林,2 郭彦杰,2

（1.中国科学院电工研究所 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室 北京 100190 2.北京电动车辆协同创新中心 北京 100081）

1 引言

自2007年MIT 提出磁耦合谐振无线能量传输技术以来，无线能量传输技术[1]备受国内外研究学者关注。华盛顿大学的Sample[2]通过电路模型研究了谐振无线能量传输系统的频率分叉特性；东南大学黄学良等进一步对比了磁耦合谐振系统中的耦合模理论模型和电路理论模型[3]，深入研究了谐振式无线能量传输系统在传输过程中的能量变化及传输机理。无线能量传输技术具有传统电缆线供电方式所不及的独特优势，开发电动汽车（EV）无线充电系统[4]，可以极大地提高充电的可靠性、便捷性和安全性。近年来，各种千瓦级的电动汽车用无线充电系统已经相继开发出来。

国内，哈尔滨工业大学[5]、中国科学院电工研究所[6]分别开发了1.85kW，3.3kW 的无线充电系统。国外方面，埼玉大学的学者采用H 型线圈设计了结构紧凑、抗偏移的3kW 的电动汽车感应能量传输（IPT）系统[7]；犹他州立大学开发了5kW 的电动汽车无线充电系统[8]；奥克兰大学的Budhia 等人优化了盘式线圈结构，设计了一套2kW 的IPT 系统[9]。

对于电动汽车无线充电系统，除了系统效率之外，民众最关心的就是充电系统的电磁辐射。为此，法国玛丽居里大学的学者建立了人体三维模型，对感应式电动汽车无线充电系统产生的电磁辐射进行了评估[10]；韩国科学技术院的Kim 等则提出了一种有效的主动感应屏蔽方案[11]，通过引入一个串联连接了补偿电容的谐振线圈来实现磁场屏蔽。

本文以典型3kW 谐振式电动汽车无线充电系统为研究对象，结合电路仿真与有限元仿真分析了充电系统工作过程中在附近产生的电磁辐射，并在此基础上对比研究了传统的收发装置整体屏蔽，以及本文提出的只在发射端外沿施加水平或竖直屏蔽这三种屏蔽方式的屏蔽效果。

2 研究思路

电路仿真便于对无线充电系统进行理论分析和进行参数的优化设计，而有限元工具适合求解空间分布的电磁场，本文结合了这两种研究手段的优势，一方面根据已知的电路参数建立完整的电路仿真模型，另一方面根据线圈的结构、尺寸建立起充电系统的有限元仿真模型。通过电路仿真求得系统各个线圈的电流，然后将其作为有限元仿真模型的输入，进而求解出充电系统周围磁场的空间分布。进而在仿真模型中加入各种屏蔽措施，通过对比加入屏蔽前后的磁场分布情况来研究其屏蔽效果。

2.1 电动汽车无线充电系统电路模型

典型四线圈谐振式无线充电系统等效电路如图1 所示。图中，将实际系统中工频整流后的直流母线电压简化为一个输出电压为UDC的直流电源，作为该仿真模型的输入；高频逆变器采用全桥拓扑；接收端高频整流单元采用基本的全桥不空整流拓扑；C1～C4分别为激励线圈L1、发射线圈L2、接收线圈L3及负载线圈L4的补偿电容。

图1 磁谐振式无线充电系统电路仿真模型Fig.1 Circuit model of the magnetically resonant EV-oriented wireless charging system

设Mij表示，线圈i 与线圈j 之间的互感；rL1～rL4分别为激励线圈L1、发射线圈L2、接收线圈L3及负载线圈L4的交流内阻；rC1～rC4分别为四个补偿电容的内阻；Req表示电池负载等效至后端整流桥输入端的等效阻抗。另外，根据傅里叶级数，全桥逆变器输出电压基波分量U 与直流母线电压UDC之间的关系为：U=πUDC/4，根据电路理论可以列出以下基尔霍夫电压电流方程组：

其中，I1～I4表示四个线圈电流，ω 代表工作角频率，Z1～Z4分别表示四个谐振线圈自身的总阻抗，表达式如公式（2）所示：

将（2）式代入（1）式，通过求解方程组（1）可以求解出各个线圈中的瞬时电流，进而可以推导出无线充电系统的输出功率、传输效率等关键参量。该电路模型对于从电路角度研究无线能量传输的原理以及各个参数对系统的影响非常方便。

2.2 电动汽车无线充电系统的有限元仿真

实际的电动汽车无线充电系统往往会使用各种形状的铁氧体材料来提高线圈间的耦合系数，同时用于降低充电系统周围的电磁场辐射，有些系统还用一层铝板覆盖整个发射装置以及接收装置来进一步限制磁场辐射。这些都可按照充电系统的实际几何参数来建模。另一方面，电动汽车无线充电系统的接收装置往往安装在底盘上，而钢铁的相对磁导率比较大，因此研究电动汽车无线充电系统周围电磁辐射时不得不考虑汽车底盘的影响。为了节省计算量，可采用一块厚钢板来模拟结构复杂的汽车底盘的影响。在有限元仿真模型里空间任意一点，相关矢量满足如下麦克斯韦方程：

式中，b 表示空间任意一点的磁感应强度；h 表示磁场强度；j 表示电流密度，在空气中j=0，在线圈中j=I/A（I、A 分别代表线圈电流和导线截面积），在屏蔽板、铁氧体或钢板内，j 代表涡流电流体密度；e 代表感生电动势。通过有限元仿真工具即可解得空间任意一点的磁感应强度。

3 无线充电系统磁场分析

3.1 典型谐振式电动汽车无线充电系统参数

本文以一典型3kW 慢充电动汽车用无线充电系统为研究对象，其基本设计需求为：额定充电功率3kW，传输距离21cm，系统效率不低于85%，充电电流 10A，发射装置、接收装置尺寸不超过60cm*60cm*5cm，输入电压220V 市电。

图2 典型无线充电系统的收发装置几何结构Fig.2 Geometry of the transmitter and receiver for a typical magnetically resonant wireless charging system

首先根据以上设计需求确定收发装置的几何结构，四分之一模型如图2 所示。四个谐振线圈均采用方形螺旋绕线方式，最外圈边长为 50cm，线径5mm，线圈匝间距为1.8cm；激励线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈圈数依次为3、9、9、3 圈；激励线圈、负载线圈分别跟发射线圈、接收线圈的外3 圈并排间绕；发射装置、接收装置均铺有一层厚度为3mm 的片状铁氧体磁性材料，距离线圈中心5mm。接收端采用一块边长为1m 厚1cm 的正方形钢板模拟电动汽车钢架底盘，考虑一定的安装间隙，钢板距离接收端铁氧体顶部1cm。按以上几何参数设计好的无线充电系统线圈电感、互感，电阻，电容，频率，功率等电路参数见表1：

表1 典型电动汽车无线充电系统电路仿真参数Tab.1 Circuit parameters of the typical magnetically resonant wireless charging system for EV

经过电路仿真，得到该无线充电系统工作在额定功率3kW 时各个线圈的电流值，见表2：

表2 典型电动汽车无线充电系统线圈电流仿真值Tab.2 Simulated coil currents of the typical EV-oriented magnetically resonant wireless charging system

3.2 典型电动汽车无线充电系统的空间磁场分布

按图2 建立该典型无线充电系统的3D 四分之一有限元仿真模型后，将表2 的电流数据代入，解得该系统周围的电磁场分布情况，如图3 所示：

图3 典型无线充电系统的空间磁场分布切面图Fig.3 Cut plane view of the spatial magnetic field built by the typical magnetically resonant wireless charger

图3 所示切面为经过无线充电系统线圈中心的前视图切面，图中缩小的车轮示意了电动汽车车轮的实际位置。依据国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)发布的对于电磁辐射的规范，对于无线充电多采用的3-150kHz 频段的电磁波，一般暴露的平均辐射场强不应该超过 6.25uT，职业暴露不超过2.0/f uT（f为工作频率，以MHz为单位）[12]。图3中的等高线表示的场强值分别为 6.25uT、20uT、50uT、100uT，从图中可以看出：

充电系统产生的电磁场主要限制在两收发装置之间的区域；在车载接收端由于有钢板的存在，磁场衰减较快，钢板上面即电动汽车车体内部场强很小，能够满足ICNIRP 要求；而发射端磁场衰比较慢，发射装置底下仍有较强磁场，但是不会对用户造成影响；水平方向上，距离线圈中心870mm 以外区域才能够满足ICNIRP 要求，车门附近部分区域没有达标，在地面发射端需要加强磁场屏蔽。

4 无线充电系统屏蔽技术研究

4.1 铝板整体屏蔽

大多数电动汽车无线充电系统采用在整个发射装置及接收装置加铺一层铝板[7-9,11]的方式来屏蔽磁场。为研究这种整体覆盖的屏蔽方式的屏蔽效果，在图2 所示模型中的发射端、接收端紧贴着磁性材料加入一层2mm 厚的铝板，仍然用表2 的电流进行激励，得到如图4 所示的磁场分布。

图4 采用铝板屏蔽时系统的空间磁场分布Fig.4 Cut plane view of the spatial magnetic field when the wireless charging system is shielded by aluminum plate

对比图3、图4 可知，钢板以上区域的磁场分布与图3 基本相当；由于在发射端加了大面积铝板，磁场在竖直方向上衰减更快，特别是靠近发射装置中心位置处的磁场，从100uT 下降到6.25uT 以下；水平方向上磁场衰减速率大大增加，地面6.25uT 临界位置是713mm，相比图3 得到了很大的改善。

总的来说，采用全面铺装铝板的屏蔽方式后，充电系统产生的磁场得到了很好的限制，特别是发送端附近的磁场被大大减弱，不过意义不大，该方法的主要优势在于加剧了磁场在水平方向上衰减速率。为达到同样的目的，本文提出只在收发装置外沿安装屏蔽带以代替整块铝板的屏蔽手段，不仅可大大减少用铝，也能够降低充电系统在屏蔽材料里的涡流损耗。另外，考虑到接收端钢板的作用远远大于接收装置所加铝板起到的屏蔽作用，本文提出只在地面发射端加装外侧屏蔽带，而接收端不安装。外侧屏蔽带可采用水平和竖直两种安装方式。

4.2 外侧水平屏蔽带

采用水平安放方式时，水平屏蔽带平行于汽车行驶方向，在地面发射装置左右两侧各安装一条，紧贴于铁氧体底面。仿真分析时水平屏蔽带的尺寸为800*30*2mm，屏蔽效果如图5 所示：

图5 采用水平屏蔽带时系统的空间磁场分布Fig.5 Cut plane view of the spatial magnetic field when the transmitter is shielded by horizontal shielding ribbons

由图5 可知，3cm 宽的外侧水平屏蔽带的加入不仅改变了发射装置周围的磁场分布，而且加剧了磁场在水平方向上的衰减速率，地表6.25uT 临界线改善至722mm，取得了与全面覆盖铝板屏蔽时基本相当的屏蔽效果。

4.3 外侧竖直屏蔽带

采用竖直安放方式时，竖直屏蔽带也平行于汽车行驶方向，发射装置左右两侧各一条，紧贴于发射装置外沿，竖直插入地底。仿真分析时采用同4.2节水平屏蔽带同样的尺寸：800×2×30mm，外侧竖直屏蔽方式的屏蔽效果如图6 所示。

图6 采用垂直屏蔽带时系统的空间磁场分布Fig.6 Cut plane view of the spatial magnetic field when the transmitter is shielded by vertical shielding ribbons

从磁场分布的角度来看，该方式的屏蔽效果与水平屏蔽带的效果相当，地表6.25uT 临界位置为727mm。但是同样大小的屏蔽带里的涡流损耗比水平安放方式时的大，而且需要将其竖直插入地底，从安装实施难度上来看不如外侧水平屏蔽方式。

5 结论

针对典型的千瓦级谐振式电动汽车无线充电系统，研究了无线充电系统在车体内部及充电装置周围产生的电磁辐射，分析比较了收发装置整体加装屏蔽层，以及本文提出的外侧水平屏蔽和外侧竖直屏蔽这三种方式的屏蔽效果，可得出以下结论：

1）钢板即汽车底盘本身具有很强的屏蔽能力，因此电动汽车车体内部场强很弱，车载接收装置没有必要再额外增加屏蔽层；

2）在水平方向上，本文提出的只在地面发射端外侧施加屏蔽的屏蔽方式，取得了与整体铝板屏蔽相当的屏蔽效果，说明采用整体屏蔽方式时起作用的主要是屏蔽层的外沿部分；

3）外侧水平屏蔽方式在安装难度、涡流损耗上具有优势，更加适用于电动汽车无线充电系统。

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