基于遗传算法的电动汽车无线充电桩信号控制器外壳的屏蔽效能预测方法研究

鲁燕 ，陈泽南，张驰，赵旭东

（1.国网江苏省电力有限公司 南通供电分公司，江苏南通，226001；2. 江苏省电气装备与电磁兼容工程实验室（南京师范大学），江苏南京，226001)

0 引言

目前随着我国能源产业逐渐向绿色新能源转型，电动汽车产业的发展越来越迅速，与此同时电动汽车的无线充电桩也越来越受到行业重视。基于电磁辐射线圈的无线充电桩通常工作在复杂的电磁环境中，而无线充电桩的信号控制电路容易受外界辐射干扰，为了保证无线充电桩能够正常工作，加装电磁屏蔽外壳是简单有效的手段之一。

屏蔽效能一般通过实验或数值计算得到，实验往往需要在暗室中进行且耗费巨大，而数值计算通常也需要不小的计算资源。所以设计合适的计算算法，快速准确的预测屏蔽外壳的屏蔽效能对屏蔽外壳的设计具有重要的意义。对于壳体屏蔽效能的分析方法主要有数值方法和解析方法两种。通过数值计算方法可以预测复杂腔体的屏蔽效能，但往往需要较大的计算量。解析计算法通常对结构外壳有较多限制且存在一定程度的近似处理，但在简单的开孔外壳情况下一般能快速得到比较准备的结果。本文基于传输线方法建立屏蔽腔体等效电路并通过多层自适应算法求解BLT方程获得等效电路阻抗参数[5]，然后结合电压与电场关系预测屏蔽外壳屏蔽效能，该方法比传统的数值方法计算量更小。而与传统的传输线方法相比，该方法适用于更加复杂的多层屏蔽外壳结构[1-4]。

文献[1-3]主要对无线充电桩的电磁辐射及电磁辐射抗干扰作了一定的研究与分析，但目前对于无线充电桩信号控制电路的电磁屏蔽的研究还是比较少的。本文通过电磁仿真软件和理论算法在100MHz~1000MHz内预测无线充电桩信号控制电路的外壳屏蔽效能，相比于传统仿真方法和计算方法更加快速准确[1-4]。

1 电动汽车的无线充电系统

■1.1 无线充电系统

无线充电系统结构如图1所示，其中容易受到外界电磁干扰的主要有发射端整流逆变部分及发射端补偿控制设备、车载端整流滤波装置以及信号控制系统，尤其是信号控制系统，当外界电磁辐射较强时容易引起较高的误码率。因此设计有一定屏蔽能力的电磁屏蔽外壳是必要的。

图1 无线充电系统示意图

■1.2 信号控制器外壳

无线充电桩的信号控制电路多由电力电子器件组成的变换电路及信号电路，当其工作在复杂电磁环境下时容易受到干扰影响，因此需要预测评估外壳的屏蔽效果是否满足设备正常工作需求，如图2是某型号无线充电桩的控制电路机箱外壳。

图2 某型号无线充电桩控制器图

控制机箱外壳上各类开孔结构如电源接口，信号线缆开口及控制屏窗口等。各类开孔结构都会对外壳的屏蔽效果造成影响，本文通过仿真分析和算法模型结合来预测该型号控制器外壳的屏蔽效能[5-7]。

2 控制电路机箱外壳仿真建模与分析

■2.1 基于CST软件的仿真建模

根据控制机箱外壳物理结构，通过solidworks软件构造外壳物理模型，将其导入电磁仿真软件CST中进行电磁仿真分析，外壳模型示意图如图3所示。

图3 外壳模型示意图图

图中外壳的参数如下；a=60cm，b=180cm，c=30cm，e=40cm，f=100cm，外壳厚度h为3mm。本文为了简化分析过程只考虑外壳正面较大开口（控制屏的开口）而忽略其余较小开孔（如散热孔,电源线缆开孔）。

本文的所有仿真实验均在CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)工作室进行，将如图3所示的外壳模型导入仿真软件CST中，之后设置对应的仿真参数如下：材料选定为合金铝，电导率设置为36000000S/m，同时磁导率设定为11H/m。本文设定电场矢量垂直传播方向，由于屏蔽效能为比值定义式，因此可以选取电场模大小为1V/m的平面波，探针分别设置为壳体几何中心A点及壳体中轴线线上距离壳体正面25cm的B点。

■2.2 仿真结果分析

本文引入屏蔽效能来度量外壳的屏蔽效果，电场和磁场屏蔽效能定义分别为[7-9]，

其中H0和E0分别是不加屏蔽时空间内某点的电场强度和磁场强度，Hs和Es分别为加屏蔽后同一点的电场强度和磁场强度，屏蔽效能的单位为dB。在本文中以电场屏蔽效能为度量结果。

壳体几何中心A点的屏蔽效能仿真结果如图4所示。从图中可以发现在频率小于670MHz时屏蔽效能随着频率增加而减小并在670MHz时达到最小值，在670MHz到820MHz时屏蔽效能随频率增加而急剧上升，820MHz到1000MHz时屏蔽效能随频率增加而缓慢下降。需要注意的是670MHz的频率点，此时由于入射波及反射波叠加引起的谐振效果导致该频率点的屏蔽效能急剧减小，即该外壳对该频率的电磁波屏蔽效果最差[7]。

图4 A点屏蔽效能仿真结果

3 基于传输线理论的遗传算法预测

■3.1 机箱外壳的传输线等效电路

本文将矩形外壳等效为传输线电路如图5所示。

图5 等效传输线电路

根据传输线理论及戴维南定理可以得到，本文引入屏蔽效能来度量外壳的屏蔽效果，电场和磁场屏蔽效能定义分别为[8-11]：

其中kg，Zg为矩形波导的相位阻抗和特征阻抗，yp，d为观测点位置坐标与屏蔽外壳几何尺寸，1k，k2，C为开孔阻抗参数，开孔形状参数及位置参数，SEp为观测点位置屏蔽效能的预测值[10-12]。

■3.2 基于遗算法的参数提取

根据的壳体中央位置的屏蔽效能信息，本文通过遗传算法来获取公式（3）中的参数1k，k2，C，具体过程如下[13-16]：

(1)编码：

采用实数编码，构造线性变换：

把约束区间为[aj，bj]的第j个变量fj 映射到区间[0，1]上的实数xj，j=1,2…N；

(2)初始化种群：

在[0，1]区间上的均匀生成随机数，其中，w为子种群数，z为每个子种群数包含的个体数，c为优化参数个数，以系统模型残差平方和Q最小构造优化准则函数：

式中，ϕ(f)为实测阻抗幅值，ϕ(fi)为理论计算值；

经式（4）得到优化变量值，再经式（5）得到相应的目标函数值Q(xi)；

(3)适应度评价：

目标函数值Q(xi)越小，则越容易被遗传下去，即进入下一轮迭代中，设适应度评价函数为：

式中，τ=0.001；

（4）选择操作：

对每个子种群从父代个体中按照轮盘赌方法其被选中的概率为：

（5）交叉操作：

对种群中随机线性重组后的新个体为：

式中，u1，u2都为[0，1]之间均匀分布随机数；

（6）变异操作：

以小概率pm=1-pi进行扰动，防止早熟，即避免过早收敛：

式中，u(j)和um为随机数，j=1,2…n；

（7）判别收敛：

当算法运行达到预定进化次数或目标函数值Q(xi)小于设定值，结束算法的运行，并把当前群体中最优个体作为参数最优估计值的结果，即我们所求的等效参数，记为K1、K2、C，分别代表等效开孔阻抗参数、等效开孔形状参数和等效位置参数的初始值；否则，转入步骤S23，重新进行评价、选择、交叉和变异操作[13-16]。

根据算法参数结果代入公式（3）计算B点屏蔽效能与仿真对比结果如图6所示。

图6 B点屏蔽效能仿真结果与算法结果对比

■3.3 箱内屏蔽效能分布

通过遗传算法提取参数结果并将壳体中轴线上各点屏蔽效能关于频率的平均值作为参考值，根据公式（3）可以得到屏蔽效能与中轴线上点距离壳体正面距离的关系如图7所示。结果表明，在距离开孔面25cm和45cm处屏蔽效能较小，电磁屏蔽效果相对较差，在37cm处屏蔽效能较大，电磁屏蔽效果较好。因此在设计内部电路时，应将敏感电路放置在距离开孔面37cm处取得更好的屏蔽效果。

图7 距离开孔面不同距离的屏蔽效能

4 实验验证暗室实验

■4.1 实验设计

在10米法全波暗室中进行验证实验，分别在模拟无线充电环境下测试外壳内部中轴线上距壳体正面25cm处的X点及37m处的Y点的电场辐射噪声强度。实验场地布置及测试用外壳模型分别如图8所示。

图8 实验场地布置

■4.2 实验结果分析

建立了电动汽车无线充电桩的控制电路机箱外壳的简化物理模型，并利用CST软件进行了电磁场仿真，得出外壳内部两点的屏蔽效能。测试显示X点和Y点辐射噪声结果分别如图9、图10所示，结果表明在中低频段两处电场辐射噪声基本接近，在高频段X点处电场辐射噪声远大于Y点处，即Y点处的电磁屏蔽效果要优于X点处，此实验结论与前文中算法预测结果相一致。

图9 X点电场辐射噪声

图10 Y点电场辐射噪声

5 结论

建立了电动汽车无线充电桩的控制电路机箱外壳的简化物理模型，并利用CST软件进行了电磁场仿真，得出外壳内部两点的屏蔽效能。

通过遗传算法处理仿真获取的外壳几何中心处的屏蔽效能信息，得到外壳等效传输线电路模型的相关参数。利用等效传输线电路模型得到外壳内部中轴线上不同点的屏蔽效能信息，并与仿真结果进行了对比验证，结果表明该方法能有效的预测100MHz~1000MHz范围内的外壳内部中轴线上各点的屏蔽效能。根据算法提取参数结果对箱体中轴线上的屏蔽效能分布情况进行了预测，并通过暗室实验验证了算法预测结果的有效性。该屏蔽效能预测方法对于充电桩控制器外壳及内部电路分布设计有一定的参考价值。