無線電能充電系統(tǒng)中納米晶復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽性能

張 獻(xiàn)，王禹潮，楊慶新，沙 琳，劉立東

（1.天津工業(yè)大學(xué) 天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.橫店集團(tuán)東磁股份有限公司，浙江 東陽 322118）

隨著無線充電技術(shù)的推廣，電磁場安全問題也受到越來越多人的關(guān)注[1-3]。在電動汽車無線充電系統(tǒng)中，為了降低磁場對充電設(shè)備的干擾，需要對電動汽車進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)[4-5]。電磁屏蔽一般采用高磁導(dǎo)率材料結(jié)合良導(dǎo)體的渦流效應(yīng)削弱磁場[6-7]，減少電動汽車無線充電系統(tǒng)的電磁泄露[8-10]。目前，在國內(nèi)外制定的電磁標(biāo)準(zhǔn)中，具有代表性的是國際非電離輻射防護(hù)委員會的ICNIRP—2010標(biāo)準(zhǔn)和中國《電磁環(huán)境控制限值》GB8702—2014標(biāo)準(zhǔn)[11-13]。

2013年，韓國科學(xué)技術(shù)研究院的Kim等[14]研究了屏蔽對耦合機(jī)構(gòu)周圍磁場大小的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入屏蔽后，耦合機(jī)構(gòu)周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小了5μT。2019年，日本東京國家信息與通信研究中心Shimoyama等[15]搭建了具有2種不同屏蔽結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)，然后通過磁場探測器測量出電磁場的泄露程度對比。2018年，日本東京國家信息與通信研究中心的團(tuán)隊(duì)搭建了不同的2種屏蔽結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)，然后通過磁場探測器測量出電磁場的泄露程度對比[16]。上述文獻(xiàn)雖然分析了屏蔽對無線充電系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)的影響，但大多只是進(jìn)行了常規(guī)屏蔽分析，并沒有考慮到實(shí)際工作情況下屏蔽背部空間的漏磁問題。

本文針對電動汽車無線充電系統(tǒng)屏蔽背部空間的漏磁問題，提出一種新型納米晶復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)；建立多層復(fù)合屏蔽數(shù)學(xué)模型，仿真計(jì)算分析不同屏蔽結(jié)構(gòu)背部空間磁通密度；搭建無線充電空間磁測量平臺，測量并且得到了鐵氧體+鋁板、單層納米晶復(fù)合屏蔽、邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽幾種情況下屏蔽背部空間磁通密度的分布圖，證明了邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)對于屏蔽背后空間漏磁場具有較好的抑制效果。

1 復(fù)合式屏蔽效能計(jì)算

工程上常用屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）來評估電磁屏蔽性能的好壞[17-19]，即屏蔽體對電磁場的衰減程度和其屏蔽性能。用某點(diǎn)沒有施加屏蔽時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bwithout與施加屏蔽后該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bwith的比值來定義表示：

式中：Es為屏蔽效能。

1.1 復(fù)合式屏蔽效能數(shù)學(xué)模型建立

受到制造工藝約束，鐵氧體屏蔽由方形小塊拼接而成，這樣導(dǎo)致了鐵氧體屏蔽間不可避免的存在縫隙。這種屏蔽結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致漏磁較大，尤其是屏蔽背部空間邊緣漏磁過高的問題。為了解決這個(gè)問題，本文將實(shí)際工作情況和多層屏蔽的無線充電系統(tǒng)屏蔽進(jìn)行結(jié)合，如圖1所示。

圖1中，圓環(huán)在的面與金屬板所在面平行，以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立圓柱坐標(biāo)系，z軸指向板。其中，圓環(huán)線圈的半徑為a，到多層金屬板最右側(cè)距離為c，通有頻率為f的電流I。第1層板為帶有間隙的屏蔽板，第2層到n層為多層屏蔽板，μ、σ、ε分別表示它們的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和介電常數(shù)。

圖1 圓環(huán)線圈及其復(fù)合屏蔽示意圖Fig.1 Schematic diagram of toroidal coil and itscomposite shielding

圓環(huán)線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

設(shè)圖1區(qū)域2中經(jīng)過n層屏蔽的最后一層屏蔽上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為BN，經(jīng)過縫隙后n-1層屏蔽的最后一層屏蔽上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為BM，根據(jù)公式（2）：

在屏蔽外區(qū)域3磁感應(yīng)強(qiáng)度BN+1為：

式中：Di為入射波參數(shù)量；Ci為反射波的參數(shù)量（i=0，1，2，…，n）。它們與每一層屏蔽的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等都有關(guān)系，由文獻(xiàn)[20]可推得DM、DN關(guān)系式的矩陣關(guān)系表達(dá)式AN、AM。

因?yàn)樵谄帘瓮鈠分量起主要作用，根據(jù)公式（2）選取公式（2）、（4）中B的z分量。觀測點(diǎn)的磁場強(qiáng)度中無屏蔽時(shí)C0=0，可得表達(dá)式（13）、（14）。

帶入屏蔽效能計(jì)算公式可得

1.2 復(fù)合式磁屏蔽效能公式仿真驗(yàn)證

為了合理設(shè)計(jì)復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)，根據(jù)上文提出的公式進(jìn)行簡化的仿真計(jì)算，本文通過仿真對2層至5層電磁屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行屏蔽效能計(jì)算。屏蔽效能計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 多層屏蔽的屏蔽效能對比Fig.2 Comparison of SEof multilayer shielding

由圖2可見，在15~100 kHz的情況下，電磁屏蔽的屏蔽效能隨著頻率增加而增加，而3層的屏蔽效能比2層屏蔽在100 kHz情況下高10 dB左右，屏蔽效果提升較為明顯。

本文還仿真了改變屏蔽厚度計(jì)算觀測點(diǎn)磁通密度變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同厚度的蔽體對于屏蔽后磁通密度對比Fig.3 Comparison of shielding with different thickness on magnetic flux density after shielding

由圖3可見，在頻率相同時(shí)，隨著屏蔽厚度的增加觀測點(diǎn)磁通密度減小的趨勢。經(jīng)過分析認(rèn)為，屏蔽厚度對于觀測點(diǎn)的磁通密度有一定的影響，但是考慮到實(shí)際應(yīng)用中體積、重量、渦流損耗等因素，屏蔽厚度應(yīng)符合實(shí)際需求。

2 復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文對電動汽車無線充電常用的鐵氧體+鋁板屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，如圖4所示。

圖4 常用鐵氧體+鋁屏蔽建模示意圖Fig.4 Schematic diagram of commonly used ferrite+aluminum shielding modeling

本文傳能機(jī)構(gòu)有2個(gè)帶屏蔽的單D型耦合機(jī)構(gòu)線圈。耦合線圈由直徑為4 mm利茲線繞制而成，其中發(fā)射、接收端線圈外徑為260 mm，內(nèi)徑為130 mm。整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率為85 kHz，原邊電流為2 A。其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of simulation model

磁屏蔽材料選擇的型號是JF95方形平板鐵氧體，電屏蔽材料鋁貼在鐵氧體后部。磁屏蔽采用50 mm×50 mm×2 mm的鐵氧體間隔1 mm模擬實(shí)際工況鋪設(shè)，電屏蔽采用300 mm×300 mm×1 mm的鋁板。

對鋁板表面和耦合機(jī)構(gòu)間的磁通密度進(jìn)行仿真，如圖5所示。

圖5 仿真模型中鋁板屏蔽和耦合機(jī)構(gòu)磁通密度分布Fig.5 Magnetic flux density distribution diagram of aluminum plate shielding and coupling mechanism in simulation model

由圖5（a）可見，由于鐵氧體屏蔽之間存在著縫隙，這些縫隙會成為磁力線的泄漏通道，鋁屏蔽表面上磁通密度分布不均勻，在實(shí)際應(yīng)用中會導(dǎo)致額外的渦流損耗。由圖5（b）可見，因?yàn)榇帕€在屏蔽邊緣處收束，導(dǎo)致屏蔽邊緣漏磁較高，無法達(dá)到理想的電磁安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，在設(shè)計(jì)復(fù)合屏蔽時(shí)考慮加入屏蔽中間層降低漏磁提高屏蔽效果。

本文以典型電動汽車無線充電系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)上文公式與仿真結(jié)果提出了鐵氧體加邊緣加厚納米晶加鋁板的復(fù)合式屏蔽結(jié)構(gòu)：在傳統(tǒng)的鐵氧體磁屏蔽與鋁板電屏蔽間加入條狀納米晶屏蔽層，在屏蔽邊緣增加一層納米晶的厚度用來降低邊緣磁泄露，如圖6所示。

圖6 納米晶材料-鐵氧體復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of nanocrystalline material-ferrite compositeshielding structure

該結(jié)構(gòu)中每一層納米晶屏蔽材料都由4片20μm的納米晶薄片和膠粘劑組成疊層結(jié)構(gòu)。納米晶材料主要有3個(gè)功能：①為磁通量提供低阻抗通路，降低鐵氧體磁屏蔽因?yàn)榭p隙而產(chǎn)生的漏磁；②多層屏蔽結(jié)構(gòu)可對磁場進(jìn)行多次分流衰減而具有較高的屏蔽效果；③納米晶材料相對于鐵氧體更輕更薄，用于彌補(bǔ)鐵氧體間隙間漏磁可以減少復(fù)合屏蔽的厚度與重量并且具有較好的屏蔽效果。

這種納米晶復(fù)合式屏蔽結(jié)構(gòu)的好處是在保留鐵氧體屏蔽優(yōu)點(diǎn)的情況下，采用高磁導(dǎo)率的超薄疊層納米晶材料作為中間層，漏磁場經(jīng)過多層磁屏蔽被分流衰減多次，結(jié)合鋁板電屏蔽的渦流效應(yīng)也降低了屏蔽背后空間的磁場泄漏。

3 復(fù)合屏蔽模型與仿真

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的復(fù)合屏蔽材料結(jié)構(gòu)，在鐵氧體與鋁屏蔽間屏蔽鋪設(shè)磁導(dǎo)率為8 000 H/m、長300 mm寬60 mm的納米晶疊層材料，鋪設(shè)厚度為0.5 mm加邊緣額外0.5 mm厚的2層中間層屏蔽結(jié)構(gòu)。

納米晶屏蔽材料為超薄疊層結(jié)構(gòu)，所以使用多層材料建模方法對納米晶材料進(jìn)行建模，將線圈簡化為同心圓形并視為等效模型，這樣的屏蔽模型在電路中既可以保留納米晶材料特性，在電磁場計(jì)算中又能夠高效地剖分和計(jì)算，且計(jì)算時(shí)所占電腦內(nèi)存相對較少，加快計(jì)算速度與計(jì)算精度。綜上所述，選用系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 納米晶復(fù)合屏蔽建模示意圖Fig.7 Schematic diagram of nanocrystalline compositeshielding modeling

圖8為仿真計(jì)算的納米晶復(fù)合屏蔽的鋁板上磁通密度分布圖。

圖8 復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)下鋁板上的磁通密度分布圖Fig.8 Distribution of magnetic flux density on aluminum plate under composite shielding structure

由圖8可見，在加入納米晶屏蔽層后，鋁板表面磁通密度分布更均勻，改善了磁通密度分布，高磁導(dǎo)率的納米晶材料也使屏蔽邊緣的磁通密度有所降低。

為了更細(xì)致地觀察，取接收端屏蔽上方50 mm中心線為觀察線，如圖9所示。觀察線的線長取0.5 m，為更好地觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的變化，取1/4接收線圈屏蔽背后空間，測量屏蔽外的空間磁通密度。分別對鐵氧體+鋁板屏蔽、鐵氧體+單層納米晶+鋁板屏蔽的對照組、鐵氧體+邊緣加厚納米晶+鋁板屏蔽3種情況進(jìn)行了屏蔽外磁通密度和屏蔽效能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。

圖9 觀察線在仿真中的位置Fig.9 Position of observation line in simulation

圖10 帶屏蔽外側(cè)觀察線磁通密度變化曲線Fig.10 Curve of magnetic flux density of outer observation line with shielding

由圖10可知，在0.1m和0.4m的屏蔽結(jié)構(gòu)邊緣處，因?yàn)榇牌帘蔚拇嬖?，磁力線在屏蔽周圍收束，屏蔽背部空間的邊緣磁通密度較大。在加入納米晶復(fù)合屏蔽后，整個(gè)觀察線的磁通密度有了進(jìn)一步的降低。鐵氧體+鋁板屏蔽、單層納米晶復(fù)合屏蔽、邊緣加厚的納米晶背后空間的磁通密度分別為6~14μT、4.2~8.4μT、3.2~6.5μT。仿真表明邊緣加厚的納米晶復(fù)合屏蔽對于屏蔽背后整體的空間磁場抑制效果較好，屏蔽背后空間的邊緣磁通密度值最大，相比于鐵氧體+鋁板和單層納米晶復(fù)合屏蔽分別降低了53.5%、22.61%，屏蔽背后空間中心點(diǎn)值最小，分別降低了46.7%、23.8%。

圖11為仿真中不同納米晶屏蔽結(jié)構(gòu)下的屏蔽效能圖。

由圖11可以看出，邊緣加厚的納米晶復(fù)合屏蔽的屏蔽效能最好；在屏蔽背后的中心點(diǎn)處，邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽比單層納米晶復(fù)合屏蔽大3 dB，提高了8.3%。邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽比鐵氧體+鋁板屏蔽大8 dB左右，提高了22.2%。

圖11 不同屏蔽結(jié)構(gòu)下的屏蔽效能Fig.11 Shielding effectivenessof different shielding structures

由此可知，采用邊緣加厚的納米晶復(fù)合屏蔽的屏蔽背部空間漏磁更少，尤其是改善了鐵氧體＋鋁板屏蔽背部空間的邊緣漏磁過高的問題，提高了屏蔽效能，為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑻峁┝藚⒖肌?/p>

4 復(fù)合屏蔽的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確測量出空間各點(diǎn)的磁通密度，本文提出了一種空間磁測量方法對屏蔽背后的空間磁場進(jìn)行測量。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了磁測量平臺，如圖12所示。測量平臺采用光纖連接的高精度電磁場傳感器來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，測量誤差小、精度高。通過系統(tǒng)控制操作臺進(jìn)行掃描平面、掃描尺寸、電磁場數(shù)值等的記錄與測量。

圖12 空間磁測量系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)裝置Fig.12 Spacemagnetic measurement system and experimental device

圖12中，外徑260 mm內(nèi)徑130 mm的發(fā)射、接收線圈組成系統(tǒng)的原邊與副邊機(jī)構(gòu)，屏蔽放置在耦合機(jī)構(gòu)的后部，負(fù)載為12Ω電阻，整個(gè)系統(tǒng)的諧振頻率為85 kHz，接收端線圈的電流保持為3.4 A。

本文以仿真中結(jié)構(gòu)為例，制作了與仿真模型參數(shù)一致帶有納米晶復(fù)合屏蔽的耦合機(jī)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 復(fù)合屏蔽中不同的屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.13 Different shielding structuresin composite shielding

為了充分體現(xiàn)屏蔽結(jié)構(gòu)的x-y面磁場分布，測量了接收線圈屏蔽x-y面上50 mm的空間磁通密度。實(shí)驗(yàn)使用磁測量平臺測量了不同屏蔽的1/4屏蔽外空間的磁通密度分布圖。結(jié)果如圖14—圖17所示。

圖14 無屏蔽外磁通密度分布Fig.14 Distribution of unshielded external flux density

由圖14可見，無屏蔽的情況下線圈周圍存在著大量漏磁；而圖15—圖17為采用屏蔽結(jié)構(gòu)后磁通密度分布圖，在屏蔽結(jié)構(gòu)的限制下屏蔽外側(cè)磁場得到了極大的抑制，屏蔽背后空間的工作區(qū)磁通密度相比無屏蔽情況降低了90%。

圖15 鐵氧體+鋁板屏蔽外磁通密度分布Fig.15 Magnetic flux density distribution of ferrite+aluminum shielding

圖17 邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽外磁通密度分布Fig.17 Magnetic flux density distribution of edge-thickened nanocrystalline compositeshielding

圖16 單層納米晶復(fù)合屏蔽外磁通密度分布Fig.16 Magnetic flux density distribution of singlelayer nanocrystalline compositeshielding

圖15—圖17中鐵氧體+鋁板屏蔽、單層納米晶復(fù)合屏蔽、邊緣加厚的納米晶復(fù)合屏蔽背部空間的邊緣磁通密度最大值分別為14、8.2和6.2μT；屏蔽背部中心磁通密度最小值分別為6.2、4.1和3.1μT?？梢钥闯觯吘壖雍竦募{米晶復(fù)合屏蔽比單層納米晶復(fù)合屏蔽背后空間的邊緣磁通密度降低了26.1%；比鐵氧體+鋁板屏蔽背后空間的邊緣磁通密度降低了55.7%，整個(gè)邊緣加厚的納米晶復(fù)合屏蔽背后空間的最小磁通密度相比于單層納米晶復(fù)合屏蔽背后空間的磁通密度降低了25%，比于鐵氧體+鋁板屏蔽背后空間的最小磁通密度降低了50%。

選擇了屏蔽效果更好的邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽與鐵氧體+鋁板屏蔽的觀察線磁通密度與屏蔽效能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖18所示。

圖18 屏蔽外觀察線的磁通密度與屏蔽效能Fig.18 Magnetic flux density and SE of shielding observation line

由圖18可以看出磁通密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真差別不大。結(jié)合圖13無屏蔽的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出屏蔽效能曲線，邊緣加厚的納米晶復(fù)合屏蔽的屏蔽效能要好于鐵氧體+鋁板屏蔽，在屏蔽邊緣處兩者屏蔽效能相差了4 dB，約26.7%；在屏蔽背后的中心點(diǎn)兩者的屏蔽效能相差了8.2 dB，約22.9%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，納米晶復(fù)合屏蔽的高磁導(dǎo)率多層結(jié)構(gòu)可以很好地束縛耦合機(jī)構(gòu)間磁場，降低屏蔽背部空間的漏磁場。

5 結(jié)論

本文首先結(jié)合電動汽車無線充電實(shí)際工況提出了針對復(fù)合屏蔽的屏蔽效能計(jì)算公式。根據(jù)公式進(jìn)行簡化的仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了新型納米晶復(fù)合屏蔽。利用無線充電專用的空間磁測量平臺，實(shí)驗(yàn)測量了空間磁通密度分布，并繪制了屏蔽背后空間磁通密度分布圖。本文設(shè)計(jì)的邊緣加厚納米晶復(fù)合屏蔽相比于單層納米晶復(fù)合屏蔽磁通密度下降了25%~26.1%，相比于鐵氧體+鋁板結(jié)構(gòu)磁通密度下降了50%~55.7%，屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能高22.9%~26.7%。