【摘要】為研究屏蔽結(jié)構(gòu)對電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的影響，基于屏蔽效能理論建立屏蔽體厚度與屏蔽體材料參數(shù)的關(guān)系模型。根據(jù)不同厚度、不同屏蔽材料的單層屏蔽體對磁場的屏蔽效果，對比數(shù)值解與解析解，初步驗(yàn)證了所建立的屏蔽體厚度模型的適用性，在此基礎(chǔ)上，提出安全電磁環(huán)境下厚度最小的復(fù)合無線充電屏蔽體結(jié)構(gòu)，并通過電磁試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，以0.05 mm的超薄硅鋼和2.52 mm的鐵氧體作為雙層屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，磁場強(qiáng)度達(dá)到安全限值，且傳輸效率達(dá)到90.92%，相較于傳統(tǒng)鐵氧體和鋁板復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)厚度減小了1.95 mm。

主題詞：電動(dòng)汽車 無線充電 電磁屏蔽 屏蔽體厚度 設(shè)計(jì)理論

中圖分類號：TM724 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230854

Theoretical and Experimental Study on Electromagnetic Shielding Structure Design of Electric Vehicle Wireless Charging System

Tian Zhongying1， Zhu Lihua2， Li Yuan1

（1. Tiangong University， Tianjin 300387; 2. Tianjin Key Laboratory of New Energy Power Conversion， Transmission and Intelligent Control， Tianjin 300384）

【Abstract】In order to study the influence of shielding structure on electvical vehicles wireless charging system， based on the theory of shielding effectiveness， this paper establishes a relationship model between the thickness of the shielding material and its parameters. Firstly， the shielding effectiveness of single-layer shielding materials with different thicknesses and different shielding materials on the magnetic field is analyzed， and the numerical solutions are compared with the analytical solutions to preliminarily validate the accuracy of the established shielding material thickness model. Based on this， a composite wireless charging shielding structure with the minimum thickness is proposed under the premise of ensuring electromagnetic safety and verified by electromagnetic tests. The results show that when a combination of 0.05 mm ultra-thin silicon steel and 2.52 mm ferrite is used as a dual-layer shielding， the magnetic field intensity reaches the safety limit， and the transmission efficiency reaches 90.92%. Compared with the traditional ferrite and aluminum composite shielding structure， the thickness of the shielding structure is reduced by 1.95 mm.

Key words： Electric vehicles， Wireless charging， Electromagnetic shielding， Shield thickness， Theory on design

【引用格式】 田忠瑩， 祝麗花， 李元. 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)研究[J]. 汽車技術(shù)， 2024（9）： 51-56.

TIAN Z Y， ZHU L H， LI Y. Theoretical and Experimental Study on Electromagnetic Shielding Structure Design of Electric Vehicle Wireless Charging System[J]. Automobile Technology， 2024（9）： 51-56.

1 前言

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高效率無線充電的重要模塊，相關(guān)研究有助于提高充電系統(tǒng)的傳輸效率，降低環(huán)境漏磁，減少對人體的危害[1]。隨著無線充電技術(shù)向高功率方向發(fā)展，在確保電磁環(huán)境安全的前提下，精確設(shè)計(jì)無線充電系統(tǒng)的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)厚度尤為重要。

2 電磁屏蔽結(jié)構(gòu)

在選材方面，目前使用最多的屏蔽材料為鐵氧體[2]，該材料具有較高的磁導(dǎo)率和較低的電導(dǎo)率，能夠有效增強(qiáng)線圈間耦合，對磁場進(jìn)行約束。但僅以鐵氧體作為屏蔽材料，不僅成本過高，且屏蔽效能欠佳。納米晶合金[3-4]因較高的磁飽和限值和磁導(dǎo)率備受關(guān)注，但需專用設(shè)備進(jìn)行制造和使用，成本較高，提高了其應(yīng)用難度。傳統(tǒng)復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)采用的材料為鐵氧體和鋁板[5]，但鋁板的電導(dǎo)率較高，渦流損耗較大。因此，本文引入了超薄硅鋼材料，在20 kHz時(shí)，其具有較高的飽和磁通密度和較低的損耗密度[6]，滿足電磁屏蔽要求。

屏蔽結(jié)構(gòu)的形狀一般為板狀[5，7]、條狀、輻射狀[8-9]、網(wǎng)格型[10]和邊緣加厚型[11]等，如圖1所示，但均存在磁通密度分布不均、部分體積浪費(fèi)等問題。

雖然有限元仿真計(jì)算可根據(jù)已知的屏蔽結(jié)構(gòu)材料參數(shù)獲得材料的屏蔽效能，但仍無法計(jì)算出滿足電磁安全限制條件下所需屏蔽材料的最小厚度。因此，本文通過分析屏蔽體厚度對無線充電系統(tǒng)磁場分布的影響，根據(jù)屏蔽效能理論，推導(dǎo)出滿足電磁安全的屏蔽體厚度公式。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建以屏蔽效能為約束條件、以屏蔽體厚度最小為目標(biāo)的復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)，通過有限元方法計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的有效性。

3 屏蔽體厚度設(shè)計(jì)理論

3.1 屏蔽效能理論計(jì)算

屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）常用于評估電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，表示未加屏蔽時(shí)，空間中某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度H0（電場強(qiáng)度E0）與增加屏蔽后該點(diǎn)的磁場強(qiáng)度HS（電場強(qiáng)度ES）的比值[12]：

[nSE=20lgH0HS=20lgE0ES] （1）

通過傳輸線理論[13]計(jì)算屏蔽效能，當(dāng)無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場到達(dá)鐵氧體表面時(shí)，部分電磁場發(fā)生反射，其余則在鐵氧體內(nèi)部發(fā)生多次反射與折射，且電磁場強(qiáng)度不斷衰減：

[nSER=20lg（Zd+Zm）24ZdZmnSEA=20lgektnSEM=20lg1-Zd-ZmZd+Zm2e-2kt] （2）

其中，

[Zm=jωμjωε+σk=jωμε+σjω]

式中：nSER、nSEA、nSEM分別為電磁場的反射損耗、吸收損耗和多次反射損耗，Zm、Zd分別為屏蔽體波阻抗和空氣波阻抗，k為屏蔽材料的傳播系數(shù)，t為屏蔽材料的厚度，d為發(fā)射源到屏蔽體的距離，μ=μr μ0為磁導(dǎo)率，ε=εrε0為介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，ω為電磁場角頻率，μr為相對磁導(dǎo)率，μ0為真空中磁導(dǎo)率，εr為相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)。

以待測屏蔽體中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖2所示，假定平面電磁波沿z軸方向傳播，若只考慮x軸方向的電場Ex和y軸方向的磁場Hy，電場波阻抗ZEd與磁場波阻抗ZHd分別為：

[ZHd=ExHy=-jωμd=2πfμ0dZEd=ExHy=1-j（σ+jωε）d≈12πfε0d] （3）

式中：f為電磁場頻率。

根據(jù)屏蔽效能的定義可知：

[nSE=nSER+nSEA+nSEM] （4）

將式（1）與式（4）聯(lián)立，可得：

[H0HS=ZHd+Zm2ekt-ZHd-Zm2e-kt4ZHdZmE0ES=ZEd+Zm2ekt-ZEd-Zm2e-kt4ZEdZm] （5）

3.2 屏蔽結(jié)構(gòu)厚度與材料參數(shù)

根據(jù)國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）發(fā)布的規(guī)范SAE J2954[14]，以車為對象將無線充電系統(tǒng)的安全性管理劃分為3個(gè)區(qū)域，如圖3所示。區(qū)域1為汽車底盤下兩個(gè)線圈之間及周圍區(qū)域，為危險(xiǎn)區(qū)域，人員一旦接觸，需立刻斷電；區(qū)域2為汽車外部區(qū)域；區(qū)域3為汽車內(nèi)部區(qū)域。其中，區(qū)域2和區(qū)域3的電場、磁場應(yīng)符合安全限值。

按照國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（International Commission on Non-Ionizing Radiative Protection，ICNIRP）發(fā)布的時(shí)變電場和磁場（1 Hz～100 kHz）暴露指南[15]，安全限值為：HS≤21.5 A/m，ES≤83 V/m。

將安全限值HS≤21.5 A/m代入式（5），電磁屏蔽厚度t1應(yīng)滿足：

[t1≥1kln2×H0×Zm×ZHd+a2+21.52×（ZHd2-Zm2）221.5×ZHd+Zm2]

（6）

將安全限值ES≤83 V/m代入式（5），可推導(dǎo)出電磁屏蔽厚度t2應(yīng)滿足：

[t2≥1kln2×E0×Zm×ZEd+b2+21.52×（ZEd2-Zm2）283×ZEd+Zm2]

（7）

確定屏蔽體材料的參數(shù)（電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率已知），取t1和t2的較大值，得到符合人體安全限值的屏蔽體最小厚度。材料特性影響電磁屏蔽效果，在滿足磁場安全的情況下，系統(tǒng)所需材料的厚度t1變化情況如圖4所示：當(dāng)磁導(dǎo)率一定時(shí)，隨著電導(dǎo)率的增大，屏蔽體的厚度t1減??；電導(dǎo)率一定時(shí)，隨著磁導(dǎo)率增大，屏蔽體的厚度t1也同樣減??；兩種情況均為單調(diào)函數(shù)。

4 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電磁場數(shù)值分析

4.1 無線充電系統(tǒng)模型建立

為驗(yàn)證屏蔽體厚度推導(dǎo)結(jié)果的正確性，采用有限元法對電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的電磁場進(jìn)行分析。本試驗(yàn)中使用的發(fā)射線圈和接收線圈均采用方形線圈，如圖5所示，使用COMSOL軟件搭建模型，參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)的頻率為20 kHz，原邊線圈電流為90 A，負(fù)載阻值為12 Ω，傳輸距離為100 mm，根據(jù)串聯(lián)諧振得到補(bǔ)償電容為1 039 nF。將磁場與外部電路模塊進(jìn)行多物理場耦合，計(jì)算無線充電系統(tǒng)模型的電磁場。

在屏蔽情況下，計(jì)算接收線圈上方d=100 mm的腳掌中心P處磁場強(qiáng)度，測量位置如圖6所示，屏蔽體材料分別使用鐵氧體和超薄硅鋼。為簡化有限元計(jì)算，將塊狀拼接的鐵氧體設(shè)置成方形板狀，邊長為550 mm，鐵氧體與原邊線圈的間距為2 mm，超薄硅鋼與鐵氧體板的間距也為2 mm（發(fā)射線圈與接收線圈的屏蔽結(jié)構(gòu)相同）。同時(shí)，設(shè)鐵氧體板相對磁導(dǎo)率為3 300 H/m、相對電導(dǎo)率為1 S/m，設(shè)超薄硅鋼相對磁導(dǎo)率為7 000 H/m、相對電導(dǎo)率為106 S/m。

4.2 屏蔽結(jié)構(gòu)厚度驗(yàn)證

鑒于屏蔽體越厚，屏蔽后測試點(diǎn)P的磁場強(qiáng)度越小，單層屏蔽時(shí)，不同材料在不同厚度條件下，屏蔽后磁場強(qiáng)度理論計(jì)算的解析解與有限元計(jì)算的數(shù)值解如圖7所示。

當(dāng)屏蔽結(jié)構(gòu)為單層時(shí)，根據(jù)式（6），在額定功率22 kW的無線充電系統(tǒng)中，5.663 mm鐵氧體與0.098 mm超薄硅鋼均可將磁場強(qiáng)度降低至安全限值。圖7中，鐵氧體屏蔽層、超薄硅鋼屏蔽層的有限元與公式計(jì)算值最大誤差分別為4.7%、9.23%，由此可驗(yàn)證式（6）推導(dǎo)的正確性，且屏蔽層越薄，準(zhǔn)確性越高。

在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中同時(shí)使用5.663 mm鐵氧體屏蔽層和0.098 mm超薄硅鋼屏蔽層，線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖8所示。5.663 mm鐵氧體的屏蔽效果和0.098 mm超薄硅鋼在P點(diǎn)的屏蔽效果相同，單層鐵氧體屏蔽層與超薄硅鋼屏蔽層的傳輸效率分別達(dá)到98.7%、60.5%，由于超薄硅鋼的電導(dǎo)率高、渦流效應(yīng)強(qiáng)，使鐵氧體屏蔽層的耦合結(jié)構(gòu)傳輸效率優(yōu)于加入超薄硅鋼屏蔽層的耦合結(jié)構(gòu)。0.098 mm超薄硅鋼屏蔽層的系統(tǒng)傳輸效率較低，而5.663 mm鐵氧體屏蔽層厚度較大且成本較高，單層屏蔽厚度最小時(shí)，無法同時(shí)保證屏蔽效能和傳輸效率，因此，本文試驗(yàn)需考慮雙層屏蔽。

目前，超薄硅鋼主要有4種厚度規(guī)格，即0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm和0.10 mm，如屏蔽結(jié)構(gòu)為雙層耦合，由式（6）計(jì)算超薄硅鋼厚度固定時(shí)，鐵氧體的最小厚度，如表2所示，雙層屏蔽結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)離線圈100 mm的P點(diǎn)處獲得的屏蔽效能相同，即屏蔽后P點(diǎn)磁場強(qiáng)度相同；薄硅鋼為0.03 mm且鐵氧體厚度為4.35 mm時(shí)，鐵氧體厚度大；當(dāng)超薄硅鋼為0.10 mm時(shí)，不使用鐵氧體即可在遠(yuǎn)離線圈100 mm處達(dá)到相同的屏蔽效能，但該情況下，耦合結(jié)構(gòu)的傳輸效率低。

屏蔽層為鐵氧體和超薄硅鋼時(shí)，耦合結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖9所示。0.05 mm超薄硅鋼和2.52 mm鐵氧體作為耦合屏蔽層時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率為90.92%，其傳輸效率高于0.08 mm超薄硅鋼和1.43 mm鐵氧體作為屏蔽層。

5 電磁屏蔽試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文模型的有效性，搭建試驗(yàn)平臺，包括高頻電源、線圈、電子負(fù)載等，如圖10所示。測量磁場強(qiáng)度時(shí)，磁場分析儀的探頭需在距線圈上方100 mm處水平移動(dòng)，步長為10 cm，以點(diǎn)測量。其中，以待測屏蔽體中心為原點(diǎn)，測量位置的x軸、y軸坐標(biāo)均為-100～100 cm，z軸坐標(biāo)為100 mm，見圖6。

線圈使用利茲線繞制，相關(guān)參數(shù)與有限元分析參數(shù)值一致。為了使收發(fā)線圈的諧振頻率與電源頻率相等，采用高頻電容進(jìn)行調(diào)諧，收發(fā)線圈的電感為61 μH，諧振頻率為20 kHz，補(bǔ)償電容為40 μF。

本文試驗(yàn)包含2組不同屏蔽層結(jié)構(gòu)，第1組采用0.08 mm超薄硅鋼和1.43 mm鐵氧體作為屏蔽層，第2組采用0.05 mm超薄硅鋼和2.52 mm鐵氧體作為屏蔽層，排列順序如圖11所示。使用磁場分析儀測量遠(yuǎn)離接收線位置的磁場強(qiáng)度，結(jié)果如圖12所示，增加屏蔽后，線圈正上方中心處磁場強(qiáng)度小于27 μT，符合ICNIRP發(fā)布的暴露指南的要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在線圈正上方（-50 cmlt;xlt;50 cm），實(shí)際值與計(jì)算值基本吻合；當(dāng)遠(yuǎn)離線圈正上方（xgt;50 cm或xlt;-50 cm）時(shí)，受環(huán)境中電磁影響，試驗(yàn)值與計(jì)算值存在差距，最大誤差為5.92%。當(dāng)線圈處于正對位置時(shí)，兩組屏蔽結(jié)構(gòu)在線圈上方P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相較于同等厚度的單層鐵氧體降低了9.85%和8.73%，結(jié)果表明，鐵氧體上方加裝超薄硅鋼條的方式可有效抑制空間磁場，驗(yàn)證了復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)的性能，表明復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)可有效提升磁場屏蔽能力。實(shí)際中，磁性材料的B-H曲線受溫度、生產(chǎn)過程等屏蔽條件影響，導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)降低。線圈正上方中心的2種結(jié)構(gòu)屏蔽效能相同，但第1組屏蔽結(jié)構(gòu)中1.43 mm鐵氧體的機(jī)械強(qiáng)度較小，因此，以0.05 mm超薄硅鋼和2.52 mm鐵氧體作為屏蔽層是系統(tǒng)最佳屏蔽結(jié)構(gòu)。

對比本文所提出的屏蔽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鐵氧體和鋁板雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表3所示，0.05 mm的超薄硅鋼和2.52 mm的鐵氧體作為雙層耦合屏蔽時(shí)，相較于傳統(tǒng)鐵氧體和鋁板復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)厚度減少了1.95 mm，屏蔽結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕66%，可見超薄硅鋼作為屏蔽結(jié)構(gòu)輕量化材料優(yōu)勢顯著。

6 結(jié)束語

本文基于屏蔽效能理論，考慮電磁屏蔽材料電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率對屏蔽體波阻抗的影響，從理論上確定了符合人體安全限值的屏蔽體厚度與屏蔽體材料參數(shù)的關(guān)系，并在確定材料參數(shù)的情況下，計(jì)算出電磁安全屏蔽的最小厚度，在空間受限的環(huán)境下，進(jìn)一步推導(dǎo)出所需材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的正確性和所提出結(jié)構(gòu)的可行性，可為無線充電系統(tǒng)中屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2024年3月13日。