1.2.3 無線充電系統(tǒng)EMC問題

無線充電原理是涉及無線能量傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）的技術(shù)。電動汽車的無線充電技術(shù)發(fā)展至今，已有多種功能和用途。按照充電功率等級分類，見表1-1。按照充電時車輛的運動狀態(tài)，可以劃分為靜態(tài)充電和動態(tài)充電，如圖1-4所示。按照充電車輛的用途可以劃分為長途充電、中途充電和短途充電，如圖1-5所示。

WPT除了效率和功率需要滿足需求外，電磁安全性和電磁兼容性也是需要關(guān)注的重要問題。長時間暴露在強磁場內(nèi)嚴重危害人類的健康，也會影響附近的電子設備。此外，電磁噪聲通過電源線會干擾車載其他設備，還會污染電網(wǎng)，影響辦公場所、家庭等電網(wǎng)用電設備。因此，為提高電動汽車安全性和可靠性，必須重點關(guān)注電動汽車無線充電系統(tǒng)的兩個方面：影響人體安全的電磁場（EMF）問題和影響電氣設備安全的電磁干擾（EMI）問題，具體包括：

1）地面?zhèn)龋褐C波和傳導電壓對公用電網(wǎng)的影響。

2）地面和車身間：耦合器場泄漏對生物體的影響。

3）車載側(cè)：系統(tǒng)電磁發(fā)射對車載部件的危害。

4）整車電磁輻射。

（1）無線充電系統(tǒng)國內(nèi)外標準

國內(nèi)外電動汽車WPT技術(shù)標準和法規(guī)定義了電磁場和電磁發(fā)射的相關(guān)測量方法和限值，對具備WPT功能的EV提出了更高的技術(shù)和安全要求，見表1-2。

（2）電磁場（EMF）安全

電動汽車無線充電系統(tǒng)涉及的EMF關(guān)注的問題是耦合線圈的低頻電磁場發(fā)射（1Hz～400kHz）。盡管線圈間的場強隨著與線圈距離的增加而減弱，但車身周圍仍然可能出現(xiàn)不利于生物體健康的電磁場。隨著無線傳輸功率的提高，人和動物處于暴露區(qū)域的電磁場也會隨之增加，特別是在耦合線圈偏移等特殊情況下會產(chǎn)生高強度電磁場，而長時間暴露在高強度電磁場中會對人體敏感器官產(chǎn)生一定危害。

對于磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)，電磁場的研究主要集中在兩個方面。

一方面是耦合線圈對齊工作時的磁場分布。當耦合線圈對齊時，Wang Q等人研究了耦合線圈周圍的電磁場分布特性，比較了不同充電模式下磁場的分布情況，如恒流充電模式和恒壓充電模式；對不同輪廓、不同空間布置結(jié)構(gòu)的線圈和不同拓撲結(jié)構(gòu)的補償電路進行了研究，比較了傳輸效率和EMF的變化。Chen W等人提出了一種基于成本-效能等效方程的方法，比較了長方形、六角形和圓形三種不同線圈結(jié)構(gòu)的傳輸效率和有效磁場面積。Cho Y提出了線圈水平繞線和垂直繞線對效率和電磁場分布的影響。有文獻63、64對補償電路的拓撲結(jié)構(gòu)進行研究，討論了不同結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)傳輸效率和抑制電磁場泄漏的優(yōu)化問題。許多學者研究分析了耦合線圈的磁場分布特性，例如，Hikage仿真預測了耦合器產(chǎn)生的磁場分布，尤其對人體醫(yī)療植入物的影響和EMF抑制措施進行了研究。為了減少泄漏的磁場，提出了增加屏蔽殼、優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)和鐵氧體布置方式、阻抗匹配以及磁場反向消除等方法。

另一方面是耦合線圈偏移時的磁場分布。在配備有無線充電系統(tǒng)的電動汽車充電過程中，由于不正確的停車位置會導致線圈橫向偏移，由振動引起線圈側(cè)傾。前期許多文獻研究了不同偏移距離下的無線充電系統(tǒng)耦合線圈磁場分布和人體電磁場安全問題。有文獻研究了18kW矩形線圈在75mm縱向偏移和120mm橫向偏移下的電磁場分布，還描述了偏移下耦合線圈附近的人體模型的磁場分布。Tommaso Campi等人研究了7.7kW圓形耦合線圈在對齊和最大偏移量下的磁場分布。有文獻分析了偏移量為100mm和200mm的22kW圓形線圈的磁場安全區(qū)域。Lei Zhao等人考慮了耦合線圈在三個方向上的偏移情況。文獻68、69分析了耦合線圈對齊與偏移情況下的磁場分布。Santis V還分析了不同位置的電場和磁場分布以及對駕駛?cè)说挠绊憽Ｓ形墨I提出了基于新型緊耦合諧振方法的無線充電器，減小了一次線圈和二次線圈電流的諧波含量和線圈對間的磁場泄漏，從而提高了傳輸效率。還有一些研究者研究了雙向無線能量傳輸，采用有源開關(guān)管代替不可控的二極管，通過PWM移相的控制方法驅(qū)動開關(guān)管，減小了諧波含量和振鈴現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)傳輸效率。基于人體高分辨率模型和車體模型，研究無線充電車輛周圍磁場分布和人體電磁安全的評估。

大多數(shù)學者只關(guān)注偏移時耦合線圈互感和耦合系數(shù)的變化，并沒有關(guān)注耦合線圈電流幅度和相位對磁場分布的影響。前期研究只關(guān)心偏移時功率或電磁場的變化，沒有描述偏移時的功率變化與電磁場分布之間的關(guān)系。另外，在前期磁場分布研究中，缺乏詳盡的測量方法，沒有根據(jù)標準要求對車輛不同區(qū)域的磁場進行全面測量。

（3）無線充電系統(tǒng)電磁干擾（EMI）

無線充電系統(tǒng)工作時需要較高的諧振頻率，功率開關(guān)器件的高速通斷產(chǎn)生很高的電壓變化率（du/dt）和電流變化率（di/dt），導致傳導電磁干擾和輻射電磁干擾問題。電磁干擾不僅會影響車載有線敏感設備和車內(nèi)外無線接收設備，還會通過連接公共電網(wǎng)的電源線，影響電網(wǎng)的供電品質(zhì)。

無線充電系統(tǒng)傳導電磁干擾研究主要包括建立傳導電磁干擾預測模型和抑制方法。Hongseok Kim等韓國學者通過理論和實驗獲得了無線充電系統(tǒng)低次電流諧波和電壓諧波的頻譜分布。Heyuan Qi等人通過構(gòu)建串聯(lián)補償結(jié)構(gòu)系統(tǒng)電路模型，研究串聯(lián)諧振無線充電系統(tǒng)傳導電磁干擾。北京理工大學林立文針對3.7kW電動汽車無線充電系統(tǒng)，建立了傳導高頻等效電路，分析了共模干擾和差模干擾形成機理，分別設計了共模濾波器和差模濾波器，這種過渡設計方法盡管可以較好地抑制EMI，但是濾波元件較多，不僅增加了濾波器的體積、重量和成本，還會引起不期望的諧振。曹玉等人提出了一種基于傳感函數(shù)方法的無線充電系統(tǒng)優(yōu)先共模干擾抑制濾波器設計方法，這種濾波方法通常采用50Ω代替源阻抗和負載阻抗，沒有考慮實際源阻抗和負載阻抗隨著頻率變化的情況，導致EMI抑制作用不理想或有新的諧振點產(chǎn)生。

無線充電系統(tǒng)輻射干擾源的抑制方法包括優(yōu)化逆變器PCB布置規(guī)則、增加阻尼電路和優(yōu)化PWM驅(qū)動脈沖等方法。Nguyen等人通過優(yōu)化控制器PCB布置規(guī)則減小振鈴環(huán)路，使寄生電感減小，以減小振鈴幅度。有文獻在PCB上采用RC阻尼電路，減小輻射電磁干擾噪聲。這些方法僅適用于PCB小功率DC-DC變換器。在功率較大和電流較大時，會有產(chǎn)生一定的能量損耗。此外，加入阻尼元件會影響電路高頻參數(shù)，引起額外的傳導騷擾和輻射發(fā)射。H Kim等人提出一種可選擇性諧波削減方法來減小WPT系統(tǒng)輻射發(fā)射，但未考慮系統(tǒng)總體效率和電池充電模式。韓國Sunkyu等人研究了WPT系統(tǒng)輻射發(fā)射通過傳輸線纜對輸入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的影響。鄭州大學余亞等人采用頻率抖動法、混沌調(diào)制法和周期調(diào)制法，并將這三種擴頻技術(shù)應用在無線充電系統(tǒng)上以抑制輻射EMI。湖北工業(yè)大學鄭偉等人采用濾波器降低傳導騷擾，從而抑制輻射騷擾。

本書通過建立雙邊LCC拓撲圓形耦合線圈無線充電系統(tǒng)模型，分析耦合裝置功率和效率，以及抗偏移特性；然后，通過建模仿真和測量方法，描述耦合線圈對齊和偏移時的電磁場分布；最后，描述無線充電系統(tǒng)直流電源線傳導電磁干擾建模與抑制、公共電網(wǎng)電源線諧波及抑制方法、無線充電系統(tǒng)車載二次側(cè)電路電磁輻射。