無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Trans- mission, WPT）指一種利用電磁場(chǎng)、電磁波在物理空間中的分布或傳播特性，采取非導(dǎo)線直接接觸的方式，實(shí)現(xiàn)電能由電源側(cè)傳遞至負(fù)載側(cè)的技術(shù)。該技術(shù)解決了不宜拖帶導(dǎo)線場(chǎng)合的供電問題，極大增加了供電方式的便捷性，是目前電氣工程研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

隨著對(duì)無線電能傳輸技術(shù)的不斷研究，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展?；诖篷詈现C振原理的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，其發(fā)射裝置與接收裝置之間不存在導(dǎo)線連接，具有運(yùn)行安全、維護(hù)成本低、防水防塵、便于維護(hù)和用戶體驗(yàn)好等優(yōu)點(diǎn)，提高了電動(dòng)汽車充電的靈活性，受到了越來越多的關(guān)注。

對(duì)于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)，除了系統(tǒng)傳輸效率以及穩(wěn)定性之外，工作狀態(tài)下的電磁環(huán)境的安全性同樣是研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。目前，無線電能傳輸系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)中都會(huì)加入電屏蔽來減少磁場(chǎng)的泄漏。作為耦合機(jī)構(gòu)中的重要一環(huán)，電屏蔽主要是用來遏止高頻電磁場(chǎng)的影響，使干擾場(chǎng)在屏蔽體內(nèi)形成渦流并在屏蔽體與被保護(hù)空間的分界面上產(chǎn)生反射，從而大大削弱干擾場(chǎng)在被保護(hù)空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，達(dá)到屏蔽效果。

為了增強(qiáng)屏蔽效果，一般采用電導(dǎo)率高的材料，以加大渦流效應(yīng)。2013年，韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KAIST）的Jiseong Kim等研究了電屏蔽對(duì)耦合機(jī)構(gòu)周圍的磁場(chǎng)大小的影響，耦合機(jī)構(gòu)采用的是圓環(huán)形，他們測(cè)量了距離耦合機(jī)構(gòu)不同距離的點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入電屏蔽后，耦合機(jī)構(gòu)周圍的磁場(chǎng)減小了5 T。

2015年，日本大阪工學(xué)院電氣與電子系統(tǒng)工程系的Yoshiki Yashima團(tuán)隊(duì)研究了電屏蔽對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入電屏蔽后系統(tǒng)傳輸效率提高了1%，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度減小了20 T；但系統(tǒng)中若不加磁屏蔽，只加入電屏蔽，系統(tǒng)效率降低了4%。2016年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Katharina Knaisch團(tuán)隊(duì)研究了加入電屏蔽后對(duì)無線充電系統(tǒng)主要參數(shù)的影響，其中加入電屏蔽后自感與互感減小，耦合系數(shù)增加，電動(dòng)汽車內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度減小了9 T。

上述文獻(xiàn)中雖然分析了電屏蔽對(duì)無線電能傳輸系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)周圍空間磁場(chǎng)的影響，但大多只是進(jìn)行了仿真的分析，在實(shí)驗(yàn)中也僅僅測(cè)量了某些點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并沒有完整地呈現(xiàn)出整個(gè)面磁場(chǎng)的分布和大小。由于仿真模型的簡(jiǎn)化，仿真結(jié)果與實(shí)際的磁場(chǎng)分布也可能存在差異。因此準(zhǔn)確測(cè)量出耦合機(jī)構(gòu)周圍空間磁場(chǎng)大小及分布對(duì)于無線電能傳輸?shù)难芯烤哂兄匾饬x。

本文通過仿真軟件對(duì)空間磁場(chǎng)的分布進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算電屏蔽對(duì)耦合結(jié)構(gòu)周圍的磁場(chǎng)分布與大小的影響，同時(shí)對(duì)比分析兩種不同電屏蔽材料鋁和銅對(duì)原邊設(shè)備和副邊設(shè)備背部空間磁場(chǎng)的影響。在實(shí)驗(yàn)中，搭建了無線電能傳輸三維磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量并且得到了無電屏蔽、電屏蔽材料為鋁板和銅板三種情況下原邊設(shè)備和副邊設(shè)備背部空間磁場(chǎng)的分布圖，驗(yàn)證了電屏蔽抑制耦合機(jī)構(gòu)之間磁場(chǎng)擴(kuò)散的作用。通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)得的空間磁場(chǎng)與仿真結(jié)果分布形狀一致，但是幅值有偏差，仿真中的磁場(chǎng)值小于實(shí)際測(cè)得結(jié)果。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)場(chǎng)路結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 三維磁場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)

圖9 帶電屏蔽的耦合結(jié)構(gòu)

結(jié)論

電屏蔽對(duì)于電動(dòng)汽車無線充電過程中原邊設(shè)備與副邊設(shè)備之間空間磁場(chǎng)分布有重要的影響，本文首先利用有限元仿真軟件對(duì)三種情況下電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)原邊耦合機(jī)構(gòu)背部與副邊耦合機(jī)構(gòu)背部磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，加入電屏蔽銅和鋁后，線圈自感和互感降低，耦合系數(shù)也隨之降低，同時(shí)原邊側(cè)磁通密度分別減小了0.04mT和0.05mT，副邊側(cè)減小了0.04mT。從系統(tǒng)工作時(shí)耦合機(jī)構(gòu)周圍磁場(chǎng)分布情況可以看出，電磁屏蔽對(duì)磁場(chǎng)起到了很好的束縛作用，傳能機(jī)構(gòu)工作區(qū)域的主磁通基本被束縛在兩耦合機(jī)構(gòu)之間。

本文搭建了無線充電專用的三維空間磁場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)，實(shí)際測(cè)量了空間磁場(chǎng)分布，并繪制了原邊設(shè)備與副邊設(shè)備x-z面和x-y面三維磁場(chǎng)分布圖。磁場(chǎng)分布的實(shí)際情況與仿真結(jié)果一致，從實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果可以看出，鋁板對(duì)于磁場(chǎng)的屏蔽效果優(yōu)于銅板。

本文中的三維磁場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)對(duì)于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，在一些要求準(zhǔn)確測(cè)量磁場(chǎng)分布的場(chǎng)合，可以根據(jù)本文的測(cè)試方法搭建系統(tǒng)完成測(cè)試。