/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

一直以來(lái)，電能傳輸主要采用導(dǎo)線直接連接的傳輸方式，滿足了絕大多數(shù)的生產(chǎn)生活需要。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的變化，傳統(tǒng)電能傳輸方式在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)帶來(lái)極大的不便。尤其近年來(lái)智能可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、新能源汽車、植入式醫(yī)療電子設(shè)備等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，電能傳輸技術(shù)正在經(jīng)歷一次前所未有的大變革。由此，科學(xué)家們提出無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transmission-WPT）的概念，并成為了研究熱點(diǎn)。研究?jī)?nèi)容主要集中在如何提高電能傳輸功率和傳輸效率，以及改善電磁環(huán)境和優(yōu)化電磁兼容安全性等方面[1]。

電磁感應(yīng)作為最早應(yīng)用的WPT技術(shù)，目前主要應(yīng)用于便攜式小功率WPT設(shè)備（以下稱電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備），傳輸功率一般在10W左右，傳輸效率約為50%。較大功率無(wú)線電能傳輸主要采用磁諧振式，主要用于電動(dòng)汽車的無(wú)線充電系統(tǒng)[2]。隨著WPT設(shè)備的廣泛使用，針對(duì)WPT的國(guó)際化行業(yè)組織和標(biāo)準(zhǔn)正在形成。目前國(guó)際主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)主要有Qi標(biāo)準(zhǔn)、PMA標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)等。GB/T 37132-2018規(guī)定了無(wú)線充電設(shè)備的電磁兼容性通用要求和測(cè)試方法，適用于除電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)以外的所有無(wú)線充電設(shè)備。同時(shí)，GB/T34439-2017也對(duì)電子信息產(chǎn)品用低功率無(wú)線充電器的電磁兼容檢測(cè)提出了要求。近日，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)公告發(fā)布了針對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的系列標(biāo)準(zhǔn)GB/T38775，其中包含了電磁兼容要求。在不久的將來(lái)，WPT設(shè)備在多個(gè)領(lǐng)域的電磁兼容要求也將逐漸規(guī)范化，尤其是醫(yī)療、交通、人工智能等領(lǐng)域。

當(dāng)前，WPT 設(shè)備的主流工作頻率在 10kHz～10MHz，很多研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾十兆赫茲頻率的強(qiáng)磁諧振耦合。對(duì)于WPT設(shè)備的電磁兼容磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的研究提出了更高的要求。對(duì)于WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射的檢測(cè)方法需要結(jié)合產(chǎn)品的輻射特性，實(shí)現(xiàn)典型工作模式下的檢測(cè)，這是完善WPT設(shè)備電磁兼容檢測(cè)方法的重要內(nèi)容。WPT設(shè)備的典型工作狀態(tài)為待機(jī)模式和充電模式。待機(jī)模式為WPT設(shè)備通電但無(wú)能量傳輸；而充電模式為WPT設(shè)備正常工作并處于典型的能量傳輸狀態(tài)。本文主要研究電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備在不同工作模式下的磁場(chǎng)輻射特性。

1 磁場(chǎng)輻射原理分析及方法

電磁感應(yīng)式WPT的原理是在初級(jí)線圈輸入一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在負(fù)載次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而將能量從發(fā)射端傳輸至接收端[3]。這種方式完全依靠近場(chǎng)磁場(chǎng)的能量交換。因此，理論上電磁感應(yīng)式WPT輻射源是電流源主導(dǎo)的磁場(chǎng)輻射[4]。電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備工作電路如圖1所示，由控制電路和充電線圈組成?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)將其他電源輸入并轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流電，這個(gè)過(guò)程是輻射產(chǎn)生的主要原因，而充電線圈則是將輸出能量傳輸至接收負(fù)載，同時(shí)也會(huì)將騷擾能量通過(guò)線圈對(duì)外輻射。通常情況下，電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的兩種典型工作模式對(duì)外的磁場(chǎng)輻射具有差異。因此，需要研究電磁感應(yīng)式WPT在不同工作模式下磁場(chǎng)輻射特性，研究中的電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備額定傳輸功率10W，傳輸效率50%，充電距離2mm。

圖1 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電器模塊

研究中采用近場(chǎng)測(cè)量和天線測(cè)量的方法來(lái)確定磁場(chǎng)輻射的特性[5]。近場(chǎng)分析采用由近場(chǎng)探頭、示波器和頻譜分析儀對(duì)電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的控制電路板和充電線圈分別進(jìn)行時(shí)域和頻域掃描。天線測(cè)量場(chǎng)在半波暗室內(nèi)采用環(huán)形磁場(chǎng)天線和接收機(jī)測(cè)量磁場(chǎng)發(fā)射。研究中接收負(fù)載采用電阻模型負(fù)載系統(tǒng)，以減少非線性負(fù)載引起的不確定因素。

2 近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果分析

2.1 待機(jī)模式

圖2所示為電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備待機(jī)模式的近場(chǎng)頻域掃描結(jié)果，其中圖2（a）（b）所示為電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備待機(jī)模式的控制電路和發(fā)射線圈的近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。從結(jié)果可知，待機(jī)模式下控制電路和發(fā)射線圈在9kHz～30MHz頻率范圍內(nèi)對(duì)外均有輻射。由于近場(chǎng)測(cè)量的局限性和不確定度較大，只進(jìn)行定性分析，不進(jìn)行定量分析。

圖2 電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備待機(jī)模式的近場(chǎng)輻射頻域掃描結(jié)果

圖3所示電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備為待機(jī)模式的近場(chǎng)時(shí)域掃描結(jié)果，其中圖3（a）、3（b）分別為200ms/div和 2μs/div的時(shí)域波形圖。從結(jié)果可知，在待機(jī)模式下電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的控制電路和發(fā)射線圈的輻射均呈周期性正負(fù)交替的震蕩波，整個(gè)波形的周期約為500ms，輻射周期約為50ms，震蕩波的周期約為5.44μs。先前的研究表明高頻率的震蕩波會(huì)導(dǎo)致較寬頻率的輻射，可能達(dá)到上百兆赫茲，而且隨著頻率的增高幅值逐漸減小[6,7]。

2.2 充電模式

圖4所示為電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備充電模式的頻域掃描結(jié)果，其中圖4（a）、4（b）所示為控制電路和發(fā)射線圈的近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。從結(jié)果中可知，在充電模式下控制電路和發(fā)射線圈對(duì)外也均有輻射，輻射頻率覆蓋了9kHz～30MHz，與待機(jī)模式一致。因此，兩種工作模式差異不會(huì)影響輻射頻率范圍。

圖3 電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備待機(jī)模式的近場(chǎng)輻射時(shí)域掃描結(jié)果

圖4 電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備充電模式的近場(chǎng)輻射頻域掃描結(jié)果

圖5所示為電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備充電模式控制電路和發(fā)射線圈的近場(chǎng)輻射時(shí)域掃描結(jié)果，其中圖 5（a）、5（b）分別為 200ms/div 和 2μs/div 的時(shí)域波形圖。從結(jié)果可知，在充電模式下電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的控制電路和發(fā)射線圈的輻射始終保持全周期正負(fù)交替的震蕩波，震蕩波的周期約為5.44μs，波形參數(shù)和待機(jī)模式一致。

圖5 電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備充電模式的近場(chǎng)輻射時(shí)域掃描結(jié)果

通過(guò)以上結(jié)果可知，小功率電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的待機(jī)模式和充電模式的近場(chǎng)輻射頻率范圍一致，而輻射的周期性具有差異。待機(jī)模式近場(chǎng)輻射是周期性的，而充電模式的近場(chǎng)輻射是連續(xù)性的，輻射能量更大。因此，進(jìn)行電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射檢測(cè)時(shí)需要考慮到待機(jī)模式輻射的周期性，按照GB6113的要求，掃描時(shí)間要包含幾個(gè)工作周期，確?？梢宰x取騷擾電平的最大值。本研究中電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的工作周期為500ms，在一個(gè)工作周期內(nèi)，輻射時(shí)間僅為50ms。為了能夠測(cè)量輻射的最大值還需要增加掃描次數(shù)。而工作模式是典型的連續(xù)性輻射狀態(tài)，按照GB6113標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的掃描時(shí)間和次數(shù)即可。

3 天線測(cè)量結(jié)果

根據(jù)對(duì)電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備樣品的三個(gè)軸向進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果表明控制電路和發(fā)射線圈處同一個(gè)平面，且次平面平行于磁場(chǎng)環(huán)天線平面時(shí)，磁場(chǎng)輻射最大。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，其中灰色曲線和黑色曲線分別為充電模式和待機(jī)模式的磁場(chǎng)掃描結(jié)果。從結(jié)果可知，充電模式和待機(jī)模式的磁場(chǎng)輻射在 150kHz～30MHz頻率范圍內(nèi)差別較大，充電模式在一些頻率點(diǎn)的磁場(chǎng)輻射較待機(jī)模式高，并隨著頻率的增高差異逐漸減小。

圖6 電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備磁場(chǎng)輻射測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小功率電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：本研究中的電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射是典型的近場(chǎng)輻射，主要是周期為5.44μs的正負(fù)交替震蕩波，這是高頻磁場(chǎng)輻射的源頭。在充電模式和待機(jī)模式下的磁場(chǎng)輻射頻率范圍相同，輻射的時(shí)域特性具有差異，主要表現(xiàn)在輻射的周期性。待機(jī)模式下，電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的輻射具有周期性，整個(gè)波形的周期約為500ms，輻射周期約為50ms；而在充電模式下，電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的輻射是連續(xù)的，不具有周期性。兩種工作模式下的磁場(chǎng)輻射均是正負(fù)交替的震蕩波。而磁場(chǎng)天線測(cè)量結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明充電模式和待機(jī)模式的輻射頻率是一致的，但是充電模式的輻射場(chǎng)強(qiáng)幅值更高，能量更大。因此，在進(jìn)行電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射檢測(cè)時(shí)需要關(guān)注其輻射的周期性，實(shí)現(xiàn)在典型工作模式下的測(cè)試是完善電磁感應(yīng)式WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射的重要內(nèi)容。在不久的未來(lái)，隨著傳輸功率的不斷增大，以及磁諧振式WPT設(shè)備的廣泛應(yīng)用，尤其是電動(dòng)汽車無(wú)線充電模塊的廣泛應(yīng)用，WPT設(shè)備的磁場(chǎng)輻射檢測(cè)方法將會(huì)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展[8]。