电动汽车无线充电系统的有源磁屏蔽研究

蒙金雪， 张玉旺， 郭彦杰， 王丽芳

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190； 3. 中国科学院大学， 北京 100049)

1 引言

近年来，随着无线充电(Wireless Power Transfer, WPT)技术的快速发展[1,2]，WPT系统广泛应用于电动汽车、医学设备和电子设备。WPT系统通过磁场耦合将能量从一个线圈传输到另一个线圈，以给电动汽车充电[3,4]。WPT系统可以有效减少系统内部的电气接触，便于在潮湿的地方使用。此外，移动式无线充电技术可以实现电动汽车在行驶过程中充电，增加驾驶里程[5,6]。然而，在无线充电过程中，由WPT系统泄露到空气中的磁场在一定程度上会对生物体产生生理影响、干扰电子设备的正常运行[7,8]。美国汽车工程师协会(SAE)将电动汽车无线充电的频带确立在85 kHz，我国也出台了与电磁安全相关的法规和标准。我国在电磁安全限制上的要求严于国际标准，并且将逐步加强对电磁环境安全的监管和要求。因此，WPT系统在充电过程中的磁场安全性研究是一项十分关键的课题。

为解决磁场泄露问题，国内外研究团队主要提出了四种类型方案：①磁屏蔽法。文献[9-12]在无线充电系统周围放置了铁氧体，使得系统的主要磁路沿着铁氧体方向，有效降低了外围空间的磁场强度。然而，随着铁氧体材料的增加，整个系统的重量和成本大幅升高。②导电屏蔽法。文献[13,14]通过在无线充电系统周围放置水平或垂直接地金属屏蔽板，可以有效屏蔽系统周围的磁通量泄露。然而，在一些应用中，金属材料安装在车体内部，充电过程中需要向下移动金属材料至地面以阻碍气隙中的磁场向外扩散[15]，上下移动过程中增加了与周围设备的摩擦。③谐振式无功屏蔽法。文献[16,17]设计了谐振式无功屏蔽线圈，利用漏磁在屏蔽线圈中激发感应电流，从而抵消原磁场。④有源磁屏蔽法。有源磁屏蔽法可以通过主动调节屏蔽线圈产生的磁场，从而完全抵消原磁场。文献[18]提出了一种有效的有源屏蔽方法，可以降低屏蔽线圈内部特定点或屏蔽线圈周围环路区域的磁场。文献[19]通过改变有源线圈的几何形状和电流，可以有效屏蔽原磁场。然而，以上文献都没有考虑车体对WPT系统的影响。

在以上研究成果的基础上，本研究将针对电动汽车无线充电系统有源磁屏蔽展开研究。本文以3.3 kW电动汽车无线充电系统为研究对象，基于有限元磁场仿真，设计了一套针对该无线充电系统的有源磁屏蔽系统，最后设计了台架进行了磁屏蔽效果实验验证。

2 有源磁屏蔽系统和无线充电系统联合模型

有源磁屏蔽系统和无线充电系统联合模型如图1所示。其中充电系统原边线圈和副边线圈组成了无线能量传输结构；铝板模拟电动汽车的底盘结构，主要用于屏蔽电动汽车内部的磁场，从而保护车内乘客、金属结构和电子设备等。当电动汽车进行无线充电时，充电系统会向车体周围辐射磁场，会对车体周围的乘客产生影响。为解决这一问题，本研究采用有源磁屏蔽线圈降低目标区域的磁场强度。

图1 有源磁屏蔽系统和无线充电系统联合模型

2.1 无线充电系统的电路分析

有源磁屏蔽系统和无线充电系统联合电路模型如图2所示，其中上半部分为原无线充电系统：Ud1是无线充电系统的直流母线电压源；逆变器的频率表示为fWPT；发射端补偿电路由Lp，Cp1和Cp2组成；L1，L2和M1,2分别为无线充电系统发射端线圈自感，接收端线圈自感和两个线圈之间互感；接收端补偿电路由Cs1，Cs2和Ls组成，RL为充电系统的负载，Re表示整流桥输入端的等效负载。图2的下半部分为有源磁屏蔽系统，其中Ud2是有源磁屏蔽系统的直流母线电压；逆变器的频率表示为fsh；谐振电路由Lsh3和Csh组成；L3为屏蔽线圈的自感；M1,3和M2,3分别为屏蔽线圈与发射端线圈以及接收端线圈之间的互感。

图2 有源磁屏蔽系统和无线充电系统联合电路模型

为了在达到较好的有源磁屏蔽效果的同时不影响系统的传输效率，需要将屏蔽线圈放置于距离发射端线圈和接收端线圈较远处，从而降低系统的M1,3和M2,3。对于本研究中电动汽车无线充电系统来说，则将屏蔽线圈放置于靠近车身边缘的铝板下面，此时的M1,3和M2,3接近于0，即实现了原无线充电系统和屏蔽系统的解耦，这一结论将在第三节仿真实验中说明。

在实现原无线充电系统和屏蔽系统的解耦之后，则可以分别用戴维宁定理分别对以上无线充电和有源磁屏蔽系统的等效电路模型进行简化，其中无线充电系统电路的简化结果如图3所示。

图3 无线充电系统的简化电路模型

其中，Ui为发射端线圈的等效交流电压源；其表达式如式(1)所示；I1和I2分别表示发射端线圈和接收端线圈的电流；Ze1和Ze2分别如式(2)和式(3)所示。另外，Uin为无线充电系统逆变器输出电压的基波，其幅值为：|Uin|=4Ud1/π。

(1)

(2)

(3)

式中，ω=2πfWPT；Re=8RL/π2；Ze1为Cp1输出等效阻抗；Ze2为Cs2输入等效阻抗；Ls为接收端补偿电感。

无线充电系统的磁场分布和线圈中的电流有关，因此为获得无线充电系统周围的磁场分布，需首先求得发射端线圈和接收端线圈的电流(I1和I2)。根据图3，可得基尔霍夫电压方程组：

(4)

式中，Z1和Z2分别表示发射端和接收端线圈回路的自阻抗。表达式如式(5)所示。

(5)

式中，rL1和rL2分别为发射端和接收端线圈的内阻。将式(5)代入式(4)中，可以求得两个线圈中的电流如式(6)所示。

(6)

对于有源磁屏蔽系统，Lsh3和Csh谐振，则其电路模型可等效为图4，其中Ush为有源磁屏蔽系统逆变器输出电压的基波，其幅值为4Ud2/π，频率为逆变器频率(fsh)。图4中，Ush，I3和Ish的关系可表示为：

(7)

图4 有源磁屏蔽系统的简化电路模型

所以Ish的相位比Ush滞后90°，且其幅值与Ush成正比，而与屏蔽线圈本身的参数无关。

2.2 带有源磁屏蔽的电动汽车无线充电系统的磁场分析

电动汽车无线充电系统中的铝板具有屏蔽磁通作用。在铝板屏蔽作用下，原无线充电系统和有源磁屏蔽线圈产生的磁场方向均会发生变化。沿着图1所示的无线充电系统和屏蔽线圈的中轴线所在的x-z平面，发射端和接收端线圈产生的磁感应强度方向如图5(a)所示，有源磁屏蔽线圈产生的磁感应强度方向如图5(b)所示。可以发现，在目标磁场屏蔽区域(即电动汽车车身附近区域)内，二者产生的磁感应强度方向基本相反，因此可通过控制有源磁屏蔽线圈的电流，实现目标区域内的磁场屏蔽。

图5 无线充电线圈和有源磁屏蔽线圈分别产生的磁感应强度方向

2.3 有源磁屏蔽原理分析

磁感应强度B满足磁场叠加原理，即某一时刻的总磁感应强度为各个磁场源所产生的磁感应强度的叠加。为了实现目标区域内的磁场屏蔽，需要在目标区域内产生与原磁感应强度BWPT大小相等、方向相反的屏蔽磁感应强度Bsh。

对于图1所示的无线充电系统，其发射端线圈和接收端线圈的电流(I1和I2)频率均为fWPT，所以该系统产生的磁感应强度BWPT也是频率为fWPT的简谐波，其表达式如式(8)所示。表达式的第一部分为磁感应强度BWPT的幅值和空间方向，第二部分为BWPT的简弦波随时间的变化规律。当无线充电系统稳定运行时，I1和I2是一定的，系统周围磁场的空间方向rB,WPT、幅值|BWPT|、角频率ωWPT和相位φB,WPT确定的。

(8)

式中，|BWPT,x|、|BWPT,y|和|BWPT,z|分别为无线充电系统在x方向、y方向和z方向上的磁感应强度幅值。

对于图1所示的有源磁屏蔽系统，其屏蔽线圈的电流频率为fsh，所以该线圈产生的磁感应强度Bsh也是频率为fsh的简谐波，其表达式如式(9)所示。

(9)

为了实现目标空间区域内的磁场屏蔽，BWPT和Bsh的合磁感应强度Bfinal的幅值应低于BWPT的幅值，即：

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

(10)

所以首先需要保证fWPT=fsh。其次需要满足：当rB,WPT和rB,sh参考方向相同时，φB,WPT=φB,sh+180°；否则当rB,WPT和rB,sh参考方向相反时，φB,WPT=φB,sh。如图5所示，本文中rB,WPT和rB,sh参考方向相反，所以Bfinal可以表示为：

(11)

记空间方向rB,WPT和rB,sh的夹角为θ(θ>90°)。可以证明，当|Bsh|=|BWPT|cos(π-θ)时，|Bfinal|达到最小，且|Bfinal|=|BWPT|sin(π-θ)。其矢量和如图6所示。

图6 当无线充电系统和有源磁屏蔽系统磁场相位相同时的磁感应强度的叠加原理

综上所述，为达到最优屏蔽效果，需要首先确保无线充电系统和屏蔽系统的频率完全相等；然后调节屏蔽线圈的电流相位，在rB,WPT和rB,sh参考方向相反的基础上，使屏蔽线圈和原充电系统的磁感应强度相位相等(φB,WPT=φB,sh)，此时目标磁场屏蔽区域的磁感应强度达到最低；最后调节屏蔽线圈的电流幅值Ish，达到|Bfinal|最小，即为该有源磁屏蔽系统的最佳屏蔽效果。

3 电动汽车无线充电系统的有源磁屏蔽系统仿真设计

根据以上理论，本文将为3.3 kW电动汽车无线充电系统设计有源磁屏蔽系统，系统结构如图1所示。接收线圈和发射线圈的尺寸分别为320 mm×320 mm和580 mm×420 mm，对应的线圈匝数分别为15和20，匝间距均为6.24 mm，线径均为5 mm；发射线圈和接收线圈间距为210 mm，两个线圈上方均铺有一层厚度为3 mm的铁氧体材料；接收线圈铁氧体上方8 mm处放置一块1200 mm×1700 mm铝板。在距离发射线圈中心750 mm处(距铝板边缘100 mm处)垂直放置屏蔽线圈，其尺寸为320 mm×100 mm，线圈匝数为4匝，匝间距为6.24 mm，线径为5 mm。

该带屏蔽线圈的3.3 kW电动汽车无线充电系统的电路模型如图2所示，图2中各电路参数的实测值如下所示：系统输入与负载参数分别为fWPT=85 kHz，Ud1=470 V和RL=46 Ω；发射端补偿网络参数分别为Lp=80.1 μH，Cp1=18.84 nF和Cp2=83.01 nF；发射端/接收端线圈自感和互感分别为L1=229.3 μH，L2=219 μH和M1,2=21.45 μH；接收端补偿网络参数分别为Cs1=22.2 nF，Cs2=76.71 nF和Ls=84 μH；屏蔽线圈自感及其与发射端/接收端线圈的互感分别为L3=6.7 μH，M1,3=0.115 μH和M2,3=0.023 μH；发射端线圈/接收端线圈/屏蔽线圈内阻分别为rL1=226.4 mΩ，rL2=210 mΩ和rL3=20 mΩ。

可以发现，屏蔽线圈与原发射端/接收端线圈的互感M1,3和M2,3非常小，所以屏蔽线圈和原无线充电系统之间的耦合关系可以忽略，即将系统简化为M1,3=0，M2,3=0。此时便可以根据式(6)求解发射端/接收端线圈的电流I1和I2，如表1所示。

表1 无线充电系统发射端/接收端线圈电流值

将求解出的无线充电系统线圈电流I1和I2代入有限元仿真模型作为线圈电流激励。通过调节屏蔽线圈Ish的相位和幅值，从而调节屏蔽线圈所产生的磁感应强度的相位φB,sh和幅值|Bsh|，最终实现磁屏蔽效果。图7所示为有屏蔽线圈时和无屏蔽线圈时的磁感应强度对比图。图7中虚线区域为目标磁场屏蔽区域，对应于电动汽车车身周围的区域。该无线充电仿真系统的左侧没有安装有源磁屏蔽系统，代表该无线充电系统本身的磁场辐射程度；系统右侧安装了有源磁屏蔽系统。结果显示，在有源磁屏蔽系统的作用下，目标区域内的磁感应强度大幅降低，证明了该有源磁屏蔽系统的有效性。

图7 有磁屏蔽线圈侧和无磁屏蔽线圈侧的磁感应强度对比

4 有源磁屏蔽系统实验验证

4.1 实验台架设计

为验证以上有源屏蔽系统设计方法的有效性，本文搭建了带有源屏蔽系统3.3 kW电动汽车无线充电系统实验台架。台架的电路实物图如图8所示。无线充电系统和有源屏蔽系统均工作在85 kHz频率下，WPT系统由直流电压源、逆变器、驱动、产生驱动信号的DSP、发射端LCC补偿网络、发射端/接收端线圈、接收端LCC补偿网络、整流器和负载组成。有源屏蔽系统由直流电压源、逆变器、驱动、产生驱动信号的FPGA驱动信号延时系统、LC谐振电路和磁屏蔽线圈组成。台架的结构参数以及电路参数见第三章仿真参数。最终采用Narda EHP200测试设备测试目标磁场屏蔽区域内的磁感应强度，通过调节Ish的相位和幅值实现最优屏蔽效果。

图8 3.3 kW电动汽车无线充电系统的磁屏蔽系统台架

4.2 有源磁屏蔽线圈的相位和幅值调节

如第2.3节所讨论的结果，为达到有源磁屏蔽线圈的最优屏蔽效果，需要确保无线充电系统的频率fWPT完全等于屏蔽线圈的频率fsh，同时需要屏蔽线圈电流Ish的相位和幅值可调。

首先，对于有源磁屏蔽线圈的频率和相位，本研究设计了FPGA驱动信号延时系统，通过将WPT系统逆变器的驱动信号可控延时输出，则可以保证fsh完全等于fWPT，且形成有源屏蔽系统逆变器输出电压和WPT系统之间的可控相位差。然后根据式(7)，便可以求得并调节Ish的相位。本系统采用的FPGA芯片为EPEC3T144C8N，其时钟为48 MHz，所以本相位调节系统的角度精度为(85 kHz/48 MHz)×360 °=0.6735 °。

然后，对于有源磁屏蔽线圈中的电流幅值，本文则通过调节该系统的直流输入电压来调节该幅值。根据式(7)，Ish的相位不会随直流电压Ud2的变化而变化。从而可以实现独立调节Ish的相位和幅值。

4.3 有源磁屏蔽线圈的电流相位和幅值调优

按照第2.3节的Ish相位和幅值调优方法，本文首先以(910,0,220)点处(距铝板外边缘60 mm，高度220 mm点处)作为测试点，通过调节Ish的相位和幅值，使该测试点处磁感应强度值达到最低。首先，当3.3 kW无线充电系统运行时，该测试点处的实测85 kHz磁感应强度值为12.76 μT。然后，设置Ish的幅值为3.57 A，调节Ish的相位，可测得该点的磁感应强度变化如图9所示。可得当Ish的相位为55.7 °时，该点的磁感应强度达到最低，即Ish的最优相位为55.7 °。之后，设置Ish的相位为55.7 °，调节Ish的幅值，可测得该点的磁感应强度变化如图10所示。可得当Ish的幅值为3.57 A时，该点的磁感应强度达到最低，即Ish的最优幅值为3.57 A。最后，在Ish的最优相位和幅值点处，该测试点处的磁感应强度减小到0.78 μT，减小量达到94%，证明了该有源磁屏蔽系统的有效性。

在Ish相位为55.7 °、幅值为3.57 A时，本研究另外测试了除该测试点之外其他区域的磁感应强度减小情况。图11为x分别为910 mm，930 mm，972.5 mm，990 mm(即距铝板外侧边缘60 mm，80 mm，112.5 mm，130 mm)且高度为220 mm处的磁屏蔽效果，图12为x为930 mm(即距铝板外侧边缘距离80 mm)且不同高度(202 mm，210 mm，243 mm，264 mm，287 mm)处的磁屏蔽效果，结果显示该区域内的磁感应强度均下降到了1.5 μT以下，进一步证明了该有源磁屏蔽系统的实用性和有效性。

图9 测试点处磁感应强度随电流相位的变化曲线(φI,sh=55.7 °)

图10 测试点处磁感应强度随电流幅值的变化曲线(|Ish|=3.57 A)

图11 目标磁屏蔽区域内不同x点处的磁屏蔽效果曲线(z=220 mm)

图12 目标磁屏蔽区域内不同z点处的磁屏蔽效果曲线(x=930 mm)

5 结论

本文提出并设计了一种有源磁屏蔽系统以降低无线充电过程中电动汽车车身周围的磁场。首先，本文建立了有源磁屏蔽系统和无线充电系统联合电路模型，在此基础上推导了有源磁屏蔽的理论并设计了有源屏蔽磁系统的优化方法。最终，仿真和实验结果均显示该有源屏蔽磁系统可以有效降低目标磁屏蔽区域内的磁感应强度，目标磁屏蔽区域内的磁感应强度均下降到了1.5 μT以下，具有很好的应用前景。此有源屏蔽方法及系统设计方法对无线充电系统磁场屏蔽有一定的指导意义。