安韻竹, 劉樂, 胡元潮, 黃濤, 楊明浩
(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院,山東 淄博 255000; 2.國網江蘇省電力工程咨詢有限公司,江蘇 南京 210000)
無線電能傳輸技術操作方便,能夠有效解決有線充電技術頻繁人工插拔、布線混亂、安全隱患等問題。隨著無線充電技術的推廣應用,由無線充電系統(tǒng)產生的高幅值高頻空間電磁輻射問題愈發(fā)嚴峻,因此無線充電系統(tǒng)電磁屏蔽設計成為無線電能傳輸技術推廣應用的關鍵技術之一。
自無線電能傳輸技術概念提出以來,大量學者對無線充電技術進行革新,傳輸功率和傳輸距離不斷提高,磁耦合諧振式無線充電技術成為目前應用最為廣泛的無線充電技術[1]。諧振式無線充電技術將工頻電流轉換為高頻電流,通過電容與線圈電感諧振補償,并以磁場松耦合方式傳輸[2]。因此,傳輸空間中會存在大量漏磁場,對周邊人和設備造成影響[3-4]?;诖?學者通過準靜態(tài)法等方案對無線充電外輻射對人體及周邊電磁場的影響進行了系統(tǒng)的研究,并制定了人體安全限值[5-6]。為了降低無線充電系統(tǒng)輻射,通常采用金屬板結構作為無線充電系統(tǒng)的屏蔽方案,金屬板結構可有效將漏磁限制在屏蔽范圍內[7]。為了進一步提升屏蔽效能,可采用優(yōu)化金屬板結構的方案,但金屬板影響無線充電系統(tǒng)正常運行,金屬板渦流造成損耗增加[8-9]。韓國Kim注意到屏蔽結構對無線充電系統(tǒng)磁場分布的影響,并發(fā)現(xiàn)屏蔽結構會降低周圍的磁場[10]。日本Yoshiki發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只用電屏蔽而忽略磁屏蔽時,系統(tǒng)效率明顯下降[11]。為了減小金屬板對無線充電系統(tǒng)的影響,有學者提出采用鐵氧體材料作為輔助屏蔽結構,采用高導磁率材料收束磁場,降低漏磁[12]。隨后,優(yōu)化鐵氧體結構,進一步提升了屏蔽結構的性能[13-14]?,F(xiàn)階段的研究對于無線充電屏蔽系統(tǒng)的設計已經有了顯著的成果,但是金屬板對無線充電系統(tǒng)參數的影響原理及影響規(guī)律研究仍需進一步完善,鐵氧體緩解金屬屏蔽結構對系統(tǒng)影響研究不足,鐵氧體的幾何結構優(yōu)化問題仍有待進一步研究。
為了研究屏蔽結構對磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)電氣參數的影響,本文首先理論分析鋁板及鐵氧體對無線充電系統(tǒng)電磁特性的影響機理;然后,建立磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)場路耦合模型,計算分析不同屏蔽結構對無線充電系統(tǒng)電氣參數和磁場屏蔽的影響規(guī)律;基于此提出并優(yōu)化鋁板-鐵氧體復合屏蔽結構,對比分析鐵氧體結構對無線充電系統(tǒng)屏蔽效果和電氣參數的影響;最后,通過模擬實驗驗證鋁板及鐵氧體對于無線充電系統(tǒng)電氣參數的影響規(guī)律。
磁耦合諧振式無線充電原理如圖1所示。磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)首先通過逆變整流等模塊,將工頻電轉換為符合設計電壓幅值和頻率的高頻交流電,高頻電流通過電容線圈補償電路,將電能轉化為高頻磁場,通過發(fā)射端線圈釋放;然后接收端線圈將磁場能轉化為電能,并通過電容線圈電感補償裝置,通過穩(wěn)壓整流模塊,將高頻電流轉化為直流電,為負載供電[15]。
圖1 磁耦合諧振式無線充電原理圖
無線充電系統(tǒng)在運行過程中會存在來自阻抗虛部的能量消耗,為了提升傳輸效率,引入補償電路來抵消能量損耗[16]。通常情況下,補償電路選擇串聯(lián)-串聯(lián)的形式,如圖2所示。
圖2 串聯(lián)-串聯(lián)補償電路
圖2中:LF和LS分別為發(fā)射線圈電感及接收線圈電感;CF和CS分別為發(fā)射端補償電容和接收端補償電容;RL為負載電阻;M為互感。根據基爾霍夫定律可得,串聯(lián)-串聯(lián)諧振電路的電壓電流關系表示如下:
(1)
式中:IF和IS為發(fā)射端和接收端的電流;Rm1是發(fā)射端的內阻;Rm2是接收端的內阻;RL為負載。當電路達到諧振時,式中阻抗的虛部互相抵消,式(1)可以化簡為:
(2)
可得接收線圈電流表達式為
(3)
采用歐姆定律可得輸出功率為
(4)
將電源輸出功率與負載接收功率對比,得到系統(tǒng)的傳輸效率為
(5)
由式(5)可知,無線充電系統(tǒng)的運行效率與系統(tǒng)內阻、所帶負載RL、工作頻率ω以及耦合系數M均具有密切關系,工作頻率和耦合程度的提升,會有利于系統(tǒng)傳輸效率的提高。
與電路中電流更易流過電導率大的支路相似,磁通更易流過磁導率高的支路?;诖嗽?本文提出了磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的被動屏蔽方案,磁場中歐姆定律如下:
(6)
式中:Φ為磁通;F為磁動勢;R為磁阻;S為磁路截面積;i為電流;l為磁路平均長度。磁通與電流類似,選擇低磁阻的路徑進行流通。相較于空氣,金屬屏蔽材料的磁阻較低,因此,無線充電系統(tǒng)中泄露出的大部分漏磁被鋁板吸收,使周圍空氣中的漏磁減小,從而達到屏蔽效果。無線充電系統(tǒng)在運行時所產生的高頻交變磁場,泄漏至非工作區(qū)域的漏磁會在導體中產生感應電動勢,形成眾多小渦流,而渦流產生的磁場方向與原磁場的方向相反,可以用于抵消一部分原磁場,屏蔽材料中的渦流最終將能量以熱損耗的形式消耗掉。
無線充電系統(tǒng)采用鋁板屏蔽后,鋁板內部存在渦流,可近似等效為無數個小電感。因此,采用鋁板屏蔽后磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的基爾霍夫定律的推導公式變換為:
(7)
將式(7)進行化簡和解析,可得系統(tǒng)的接收端電流、發(fā)射端電流、負載功率分別如下:
(8)
(9)
(10)
式中
(11)
由于存在與鋁板間的耦合,出現(xiàn)X分量,使得接收端電流分母出現(xiàn)上升,I2降低。并且I1是X的單增函數,X越大,則I1增加越多。發(fā)射端電流增加,即輸入功率增加,但是接收端電流減小,從而負載的接收功率下降,將電源功率與負載接收功率對比,可得系統(tǒng)傳輸效率表達式為
(12)
由于存在鋁板中的眾多小電感,傳輸效率表達式(12)中分母部分相較之前出現(xiàn)了來自鋁板結構的增量X,從而使分母增加,進而導致表達式數值降低,即傳輸效率降低。由于鐵氧體具有收束磁場的能力,可在鋁板屏蔽結構中增加鐵氧體,通過鐵氧體將更多的磁場限制在工作區(qū)域,降低鋁板附近的磁場強度,使線圈系統(tǒng)與鋁板間互感減小,從而減小損耗,提升無線充電系統(tǒng)傳輸效率。
綜上所述,無線充電系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以通過觀測發(fā)射端和接收端的電壓及電流變化判斷。當發(fā)射端電流上升且接收端電流減小時,即表明系統(tǒng)傳輸效率出現(xiàn)了下降,并且伴隨著電感電壓上升和負載電壓的下降,因此,后續(xù)本文通過電壓及電流參數研究系統(tǒng)的工作狀態(tài)及評估屏蔽結構對系統(tǒng)的影響程度。
基于磁耦合諧振式無線充電技術的基本原理,本文建立場路耦合無線充電系統(tǒng)有限元計算模型。線圈的內徑為100 mm,外徑167 mm,匝數17匝,導線直徑3 mm;采用的電源為72 V,頻率100 kHz。根據串聯(lián)諧振公式計算,補償電容采用28 nF,負載設置為50 Ω,傳輸間距為50 mm。
無線充電系統(tǒng)線圈的模型如圖3(a)所示。為了簡化計算并提升計算速度,在仿真軟件中可以采用簡化模型如圖3(b)所示。
圖3 無線充電線圈幾何模型
由圖3(b)的簡化幾何模型,設置多匝線圈,將磁場與電路外部耦合模塊進行多物理場耦合計算,基于此計算無線充電系統(tǒng)模型。
由于環(huán)境中的電磁場對其周圍人身、設備等均會產生影響,為此國際ICNIRP-2010規(guī)定了不同頻率下電磁場暴露提供標準限值[17-18]。在標準中規(guī)定了100 kHz頻率下磁感應強度最高6.25 μT。對無線充電模型進行頻域計算,得到無線充電系統(tǒng)切面的磁場分布如圖4所示。
圖4 線圈空間磁場分布云圖
由圖4可知,無線充電系統(tǒng)正常工作時,磁場呈現(xiàn)軸對稱分布,線圈間距之間磁場分布最強,達到了1 131.7 μT,由中心向四周呈現(xiàn)放射性衰減分布,靠近線圈的位置磁場有明顯的提升趨勢。無線充電系統(tǒng)發(fā)射功率和負載接收功率分別為276.29 W和271.76 W,發(fā)射線圈和接收線圈中的電流分別是3.84 A和2.33 A;發(fā)射線圈、接收線圈和負載電壓分別是254.84、176.49、116.57 V。
為了對比線圈軸線方向磁感應強度分布特性,選取三維截線觀測點如圖5所示。垂直的截線與線圈中軸線之間的間距為L;水平截線與線圈底部的距離為H,取磁通密度數據。
圖5 數據三維截線位置示意圖
通過磁場計算得到軸線方向磁通密度的分布數據,如圖6所示。
圖6 L不同位置處磁通密度分布
由圖6可知,垂直方向上,線圈位置處的磁場比系統(tǒng)中心位置的磁場要高,磁場幅值最高位置超過1 100 μT。逐漸遠離線圈時,空間磁通密度呈下降趨勢,距離線圈中心300 mm處的磁通密度比最高處下降一個數量級。水平方向上,磁場分布在線圈附近,仍是中心位置略低于線圈位置處的磁場,線圈外部磁場出現(xiàn)下降。距離中心421.5 mm處的磁通密度已經降至6 μT以下。逐漸遠離線圈時,空間磁通密度明顯下降。
為了研究屏蔽結構對無線充電系統(tǒng)正常運行產生的影響及屏蔽效果,本節(jié)計算分析了不同結構鋁板、鐵氧體結構對無線充電系統(tǒng)周圍空間磁場分布特性及系統(tǒng)參數的影響,通過觀測電壓及電流的變化,分析系統(tǒng)運行情況。
為了研究鋁板結構對于無線充電系統(tǒng)磁屏蔽效能及系統(tǒng)參數的影響,構建4種不同結構的鋁板屏蔽模型,如圖7所示。
圖7 不同幾何形狀鋁板屏蔽結構示意圖
圖7中,結構1采用上側和下側兩部分的鋁板作為屏蔽裝置,厚度為2 mm,邊長為400 mm。頂部距接收線圈50 mm,底部距發(fā)射線圈100 mm。結構2考慮到側面水平方向磁場輻射,增加側面金屬板結構,厚1 mm,邊長450 mm,高200 mm。結構3考慮到無線充電系統(tǒng)的機動性,將結構2的基礎上,優(yōu)化金屬板結構,形成盒式結構金屬板作為屏蔽結構。結構4在結構3的基礎上,縮小鋁板與線圈間距,減小系統(tǒng)所占體積,上側間距為30 mm,下部間距50 mm。4種鋁板屏蔽結構作用下,無線充電系統(tǒng)水平方向及垂直方向磁場分布如圖8所示。
圖8 采用不同鋁板結構時無線充電系統(tǒng)的磁場分布
圖8中,增加上側和下側金屬屏蔽板可有效將磁場屏蔽在工作區(qū)域內,但側面仍存在大量漏磁。增加側面屏蔽板后,水平方向的磁場有一部分被屏蔽,但在側面和上下屏蔽板交接的部位磁場強度比較大,并且此處磁場泄露十分嚴重。當結構優(yōu)化為盒式結構后,屏蔽結構有效的將側面磁場強度較高的位置進行屏蔽處理,并有利于無線充電系統(tǒng)的機動性。然而當縮小金屬板與線圈間距時,系統(tǒng)中磁場大大降低,整體傳輸功率下降,傳輸間距內磁場明顯降低,對無線充電系統(tǒng)影響較嚴重。頂部鋁板上方10 mm處水平方向由位置-200 mm至200 mm位置處磁通密度分布曲線如圖9所示。
圖9 屏蔽板外側磁場分布
根據4種鋁板屏蔽結構下無線充電系統(tǒng)外側磁通密度分布,當只增加上下兩側鋁板結構時,系統(tǒng)側面的磁場泄露十分嚴重,導致觀測線位置的磁場強度出現(xiàn)兩端較高、中間低的分布情況,并且截線磁通密度最高的位置達到了105 μT以上。當增加側面屏蔽時,側面泄露出現(xiàn)明顯的下降,但是磁通密度仍高達60 μT。采用盒式屏蔽鋁板結構時,觀測線位置的磁場數值降低到10 μT,但是仍有部分位置的磁通密度高于標準限值6.25 μT。縮小金屬板尺寸時,鋁板附近磁場強度增加,從而渦流增加,導致鋁板對無線充電系統(tǒng)的影響加劇,使得系統(tǒng)功率和外界磁場出現(xiàn)降低。增加鋁板結構前后,4種無線充電系統(tǒng)的電氣參數出現(xiàn)如下變化,如表1所示。
表1 增設鋁板后無線充電系統(tǒng)電氣參數
由表1可知,當增加鋁板后,發(fā)射線圈中的電流出現(xiàn)明顯上升趨勢,并且電壓均出現(xiàn)明顯的上升,與系統(tǒng)正常工作時對比發(fā)現(xiàn)電壓上升了1.9倍。當縮小鋁板尺寸時,系統(tǒng)電流與電壓均出現(xiàn)明顯降低,負載電壓降低比較明顯,由124.28 V驟降至59.34 V,功率和效率受到的影響比較大。結構3發(fā)射功率和接收功率分別為528.33 W和308.92 W,效率下降至58.47%。增加鋁板改變了原磁場的分布,鋁板等效的小電感與原系統(tǒng)形成耦合機制,使系統(tǒng)的耦合系數出現(xiàn)了變化;另一方面,漏磁在鋁板中感應出渦流造成損耗,提升了電源端的電壓及電流。
僅采用鋁板作為屏蔽時,系統(tǒng)發(fā)射端電壓及電流均會增加,電源輸出的功率增加,接收端電流增加較小,甚至出現(xiàn)下降趨勢,使得系統(tǒng)傳輸效率下降。鋁板屏蔽模型計算結果表明:金屬屏蔽結構嚴重干擾系統(tǒng)的正常工作,并降低傳輸效率。
由于金屬板中渦流大小與磁場大小有關,為了緩解金屬屏蔽板對無線充電系統(tǒng)的影響,采用鐵氧體作為無線充電屏蔽結構內側材料。鐵氧體具有高磁導率、低電阻率的特點,通過將磁場收束,減小鋁板中磁通量,從而降低渦流。選取4種鋁板結構如圖10所示,研究鐵氧體對鋁板損耗的緩解作用。
圖10 金屬-鐵氧體復合結構屏蔽板模型
圖10中模型分別為:結構1只采用鋁板作為屏蔽結構;結構2只采用圓盤結構鐵氧體,厚度10 mm,半徑與線圈一致,距線圈10 mm;結構3在金屬板結構基礎上增加圓盤式鐵氧體結構,鐵氧體幾何結構與結構2一致,如圖11所示;結構4在結構3的基礎上,改變鐵氧體結構,將厚圓盤結構的鐵氧體降低厚度,并削減兩端,形成“凸透鏡”形狀的幾何結構,減少鐵氧體使用量,降低成本及系統(tǒng)的重量。計算磁場分布云圖如圖12所示。
圖11 優(yōu)化前后鐵氧體結構截面示意圖
圖12 增設復合結構后無線充電軸向磁場分布
圖12中,只使用鋁板結構,雖然具有明顯的磁場屏蔽效果,但損耗大且使得無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端電壓升高,負載電壓下降,并且發(fā)射線圈電流增加。只采用鐵氧體結構時,由于其磁場收束能力,將磁場收束在工作區(qū)域內,但漏磁比較多。當二者結合時,鐵氧體將大部分磁場限制在線圈附近,剩余的少量漏磁被金屬板吸收及屏蔽掉,磁場輻射明顯減小。增設4種屏蔽結構時,無線充電系統(tǒng)電氣參數變化如表2所示。
表2 增設鐵氧體后無線充電系統(tǒng)電氣參數
由表2可知,當增加鐵氧體后,無線充電發(fā)射線圈的電壓明顯降低,由7.34 A降低至3.26 A,并且接收線圈的電流降低了0.39 A。發(fā)射線圈的電壓也恢復至240.63 V,但是由于鐵氧體改變了系統(tǒng)附近的磁場分布,負載電壓降低,功率下降。改變鐵氧體結構后,線圈發(fā)射功率和接收功率由235 W和221.16 W變?yōu)?10.4 W和299.79 W,效率由94.11%變?yōu)?6.58%。鐵氧體結構優(yōu)化后,有利于成本降低,并且系統(tǒng)功率有了提升,系統(tǒng)的電壓和電流更貼近正常工作的參數。對比不同結構中,鋁板內部電流密度的分布云圖如圖13所示。
圖13 增設復合結構后金屬板內的電流密度分布
由圖13可知,為加鐵氧體時,金屬板中存在大量的渦流,尤其是靠近線圈的部分以及兩側邊緣位置,電流密度比較高,金屬板上平均電流密度為1.97×105A/m2。增加鐵氧體后,頂部和底部靠近線圈位置的電流密度銳減,在金屬板四周邊緣處存在少部分渦流,金屬板平均電流密度為7.05×104A/m2。
無線充電系統(tǒng)添加復合屏蔽結構后,對外界輻射基本被限制在屏蔽結構內部空間,外界輻射降低,金屬板內部電流密度下降了64.21%。系統(tǒng)正常工作時,系統(tǒng)電氣參數發(fā)射端電壓為254.84 V,電流為3.84 A,采用鋁板結構時,電壓和電流分別上升至411.5 V和7.34 A,效率降低至58.47%,采用復合結構時,電壓和電流分別降低至298.62和4.31 A,效率提升至96.58%。鐵氧體計算結果表明:鐵氧體結構在保證系統(tǒng)屏蔽能力的基礎上,系統(tǒng)電參數的波動變化被明顯改善。
為了驗證鋁板對于無線充電系統(tǒng)電氣參數的影響,及增設鐵氧體后系統(tǒng)參數穩(wěn)定性得到改善的相關結論,本文搭建了模擬仿真實驗進行定性研究,分別測試了無屏蔽、添加鋁板屏蔽和添加復合結構屏蔽結構時無線充電系統(tǒng)電壓電流參數,實驗線圈及磁場觀測位置示意圖如圖14所示。
圖14 模擬實驗線圈及觀測點位置示意圖
線圈采用直徑3 mm的漆包線繞制匝數為17匝,內徑100 mm的圓盤線圈。受實驗條件所限,僅開展了定性實驗分析,本模擬實驗采用信號發(fā)生器作為電源,搭建實驗平臺如圖15所示。
圖15 無線充電模擬實驗平臺
實驗采用的負載為50 Ω,電容值為25 nF,經RCL測試儀測得電感數值為92.2 μH和94.2 μH。信號發(fā)生器設置峰-峰值為20 V,頻率為100 kHz的正弦信號。由于信號發(fā)生器的輸出能力有限,故采用電流源作為仿真的電源,由發(fā)射端電容電壓計算可得發(fā)射端電流為0.155 A,將模型的電路中電壓源替換為電流源計算測量正常工作時,無線充電系統(tǒng)電氣參數如表3所示。
表3 正常工作時系統(tǒng)電氣參數測量值
表3中,UL1與UL2為接收線圈電壓;UC1為發(fā)射端電容電壓;URL為負載電壓,單位均為V。發(fā)射線圈電壓的測量值與計算值存在誤差為11.8%,接收線圈及負載電壓誤差為2.9%和7.1%。
為了研究屏蔽結構對無線充電系統(tǒng)的影響,在無線充電系統(tǒng)上方增加一個鋁板,對比鋁板增加前后系統(tǒng)參數的變化,然后在鋁板下面增加鐵氧體結構,對比結構變化前后無線充電系統(tǒng)電氣參數變化。選擇如圖14圖(c)所示觀測點1和觀測點2,采用頻譜分析儀測量輻射數值如圖16所示。
圖16 觀測點頻譜分析
如圖16所示,采用金屬板和鐵氧體后,線圈內部的磁場會加強,這是由于大量的漏磁被金屬屏蔽板限制在傳輸范圍內,從而造成內部磁場加強。施加金屬屏蔽板后,外部觀測點磁場強度明顯下降,添加鐵氧體后,在100 kHz處,磁場進一步出現(xiàn)降低。對比上述模型所測電氣參數變化如表4所示。
表4 設置不同屏蔽結構時系統(tǒng)電氣參數測量值
當采用鋁作為屏蔽結構時,無線充電系統(tǒng)的電氣參數中,發(fā)射線圈及發(fā)射電容的電壓出現(xiàn)上升趨勢,分別由18.6 V和19.8 V上升至19.2 V和21.6 V。但是接收線圈電壓及負載電壓出現(xiàn)下降趨勢,由13.2 V和7.8 V下降至11V和6.64 V。當增設鐵氧體結構時,無線充電系統(tǒng)發(fā)射線圈及發(fā)射電容電壓下降至18.6 V和20.6 V,逐漸恢復正常工作狀態(tài),并且接收線圈電壓及負載電壓提升至12.3 V和7.36 V,傳輸效率相較于單一鋁板結構有明顯提升。
對比實驗數據可知,僅采用鋁作為屏蔽結構,系統(tǒng)電氣參數變化顯著,增加鐵氧體結構后,無線充電的電氣參數基本恢復至正常工作狀態(tài),表明鐵氧體具有明顯緩解鋁板對系統(tǒng)影響的作用。
本文理論分析了金屬板及鐵氧體對磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的影響原理,建立磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)場路耦合模型,提出并優(yōu)化鋁板-鐵氧體復合屏蔽結構,分析鋁板-鐵氧體復合屏蔽結構對無線充電系統(tǒng)的影響并通過實驗驗證。
1)鋁板結構影響無線充電系統(tǒng)的磁場屏蔽效果,可有效降低無線充電系統(tǒng)外部磁場強度,但漏磁場在不同鋁板結構感應產生渦流不同,增加系統(tǒng)損耗不同,對無線充電系統(tǒng)的電氣參數影響程度不同。采用“盒式”鋁板結構3,發(fā)射線圈電壓、電流由254.84 V、3.84 A上升至486.1 V、8.1 A,電源輸出功率增大,無線充電系統(tǒng)傳輸效率降低。
2)采用“凸透鏡”式鐵氧體-鋁板復合結構可減小鐵氧體厚度,且對無線充電系統(tǒng)的電氣參數影響最小。相較于鋁板屏蔽系統(tǒng),該復合結構將發(fā)射線圈電壓、電流降至298.82 V、4.31 A,系統(tǒng)的傳輸效率有效提高。
3)鋁板-鐵氧體屏蔽無線充電系統(tǒng)的空間磁場分布、電氣參數實驗測量結果與仿真結果具有一致性,驗證了鋁板-鐵氧體復合屏蔽能有效屏蔽無線充電系統(tǒng)的磁場輻射且改善鋁板對無線充電系統(tǒng)的電氣參數的影響。