南京师范大学 江苏南京 210042
摘要：配备无线充电装置的电动汽车的高压电气元件会对周围环境产生很强的电磁骚扰。文章研究了无线充电过程中的强磁场对车身其他电气元件的影响，同时分析了无线充电桩收发装置和电驱动系统、低压电气元件的电磁兼容问题，为整车设计和解决无线充电桩的电磁干扰提供参考。
关键词：电磁兼容；无线充电桩；WPT；电驱动系统；整车设计；屏蔽效能
因电动汽车无线充电时传输功率较大，工作频率极高，其产生的强磁场会对车内电子电气元件和周围环境产生干扰。随着智能互联的发展，整车装有更多的低压电气元件，对EMI的承受能力较弱，整车稳定性会降低。因此，采用无线充电(Wireless Power Transfer-WPT)的电动汽车的电磁兼容问题亟待研究。
1 技术背景
随着WPT应用于电动汽车，EMI主要来源除工作中的无线充电桩外，还包括车内电磁干扰。WPT充电过程中产生的EMI是指大功率无线充电桩的交变强磁场对整车的控制、通信系统的影响，同时其逆变整流器件也是较强骚扰源。车内EMI是指汽车内部的电子电气设备在正常工作时产生的电磁干扰。无论何种干扰都将严重地影响电动汽车使用的可靠性与安全性。
理论及实验研究发现，任何电气电子元件，电磁骚扰的出现必须具备三个条件：1.有骚扰源；2.有噪声耦合途径；3.有易受骚扰对象[1]。
2 无线充电桩EMC国内外研究现状
2.1 电磁干扰机理研究
中汽研汽车检验中心（天津）有限公司指出，电动汽车用高压连接系统，必须要有相应符合电气性能、物理性能及有环境适应性的大电流充电装置，此外，其电磁屏蔽效能须达到要求。该中心利用电流探头法测量150kHz-108MHz频率范围内高压连接系统的电磁屏蔽效能。文章指出5个测量位置：电缆两端、电缆中间位置、连接器的连接处、发射盘和接收盘的表面、车底盘的边缘。按照不同标准分别测量两个测试值：测试值1：带屏蔽层测试值；测试值2：去除屏蔽层测试值。单位以分贝微安（dBuA）来计算，屏蔽效能按照测试值2减去测试值1的方法来进行求解（取最差结果）。
纯电动汽车的行驶主要靠电驱动系统完成。车内电气电子器件常见的有逆变器、直流变换器等。EMI产生的根本原因为电压或电流的快速变化，因此，电动汽车的EMI主要是由于逆变器、直流变换器等电能变换器产生。电驱动系统内部存在高电压和大电流，而且系统内部的半导体元器件工作在高频率的开通关断状态，所以电驱动系统产生的电磁干扰最大，其是电动汽车里的最主要的电磁干扰源。电驱动系统主要由蓄电池、逆变器、传输线缆、电机构成。逆变器中存在高频开通关断的功率半导体器件，它是电驱动系统里的主要干扰源。在发射线圈前端和接收线圈后端也存在逆变器。逆变器产生的传导EMI会沿着与其相连的电源线干扰到蓄电池和电机等电气设备，其产生的辐射EMI则会向外部空间发散，对电动汽车中的敏感设备造成影响。
在电驱动系统中，电机控制器PWM形成的驱动电压波形和三相逆变桥中IGBT发射集和集电极之间的电压波形总会存在短暂的上升和下降过程。电机控制器驱动IGBT开通的电压仅在10V左右，而蓄电池电压会大于100V，并且，电机控制器输出电压和IGBT发射集与集电极之间的电压会同时上升和下降，此过程必产生相互干扰。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于无线充电桩和电机驱动系统而言，逆变器中的IGBT频繁导通和关断时的电压快速变化、交流线缆中电压夹杂的谐波信号是主要的电磁干扰源，电机和蓄电池组是主要的敏感设备。另外，WPT工作过程中在发射、接收线圈周围会有频率极高的交流电磁场，在有效半径内产生较强的电磁污染，会对充电器控制设备、充电桩通信设备、车内电气电子元件甚至人体的安全造成严重影响。
2.2 电磁干扰抑制研究
从整车设计角度出发，好的线缆布置可提高整车EMC性能。线束线缆在交流电作用下可看作辐射天线。线缆平行传输中也存在互感，导致信号的串扰。动力线缆高电压、大电流以及其较大的波动特性也有很强的EMI，部分箱体会留有用于散热或线缆进出的孔洞，汽车壳体拼接处也会留有缝隙，这些都是电磁辐射泄露的隐患。在留有缝隙或空洞的地方加装导电泡棉垫或金属丝网，可有效隔离泄露。在不方便加装导电泡棉垫或金属丝网的地方，可应用衍射原理，进行结构性加深缝隙深度。
对于高压回路的屏蔽，可以在机箱与连接器之间加装导电衬垫，减小屏蔽导体的接地阻抗，在芯线外面包裹屏蔽层，接线时屏蔽层要全角度接地。编织屏蔽密度越高，屏蔽效果越好，但成本会更高，编织网的柔韧性也会下降。对于某些电磁要求更为严格或者有其他限制的地方，可以在线缆外侧套加金属屏蔽管以充分隔离。
2.3 WPT屏蔽技术研究
充电桩的电磁场主要限制在两收发装置之间的区域，在接收端由于有钢板（汽车底盘）的存在，磁场衰减较快，钢板上面即电动汽车内部场强很小，能够满足ICNIRP要求[3]。发射端磁场衰减较慢，发射装置底下仍有较强磁场，但是不会对用户造成影响；水平方向上，距离线圈中心870mm以外区域才能够满足ICNIRP要求，车门附近部分区域没有达标。因此地面发射线圈需要加强磁场屏蔽。
可在发射线圈下及接收线圈上加装一层铝板。磁场在竖直方向上衰减很快，在靠近发射线圈圆心处的磁场，从100uT下降到6.2uT以下；水平方向磁场衰减也加快，地面6.25uT临界位置是713mm，相比870mm的原临界位置改善很多。
全面铺装铝板的屏蔽方式使WPT磁场得到了很好的限制，特别是发送端附近的磁场大大减弱，该方法的优势在于加快了磁场在水平方向上的衰减速率。为达到同样目的，本文提出只在收发装置外沿安装屏蔽带的手段，不仅可以大大减少用铝，也能降低屏蔽材料里的涡流损耗。另外，汽车底盘钢板的作用远远大于接收线圈所加铝板的屏蔽作用，因此可以只在地面发射端加装外侧屏蔽带，而接收端不安装。外侧屏蔽带可采用水平和竖直两种安装方式。由实验数据分析可知，当3cm宽的外侧屏蔽带采用水平安装方式时，不仅改变发射装置周围的磁场分布，而且加剧了磁场在水平方向的衰减速率，地表6.25uT临界线改善至722mm,取得了与全面覆盖铝板时基本相当的屏蔽效果。竖直安装方式与水平屏蔽带屏蔽效果相当，但是涡流损耗比水平安放时要大，而且需要将其插入地底，在节能和安装实施难度上来看不如外侧水平屏蔽方式。因此，选择外侧水平屏蔽方式为佳。
3 结论
综上所述，对车内的供电和通信线缆合理排布，高压大电流的线缆包裹编织金属丝，WPT的发射端采用外侧水平安装屏蔽铝带等方式可以大大降低电磁骚扰，提高整车的电磁兼容性，从而促进电动汽车行业的健康稳定发展。
参考文献
[1] 陈琛. 谐振式无线电能传输系统的若干电磁问题研究及优化设计 [D].南京：东南大学,2016
[2] 朱庆伟，陈德清.电动汽车无线充电系统磁场仿真与屏蔽技术研究[J].电工技术学报，2015(9): 71-79
[3] 陈希有，伍红霞, 牟宪民，等. 电流型电场耦合无线电能传输技术[J]. 中国电机工程学报，2015(9): 33-37
论文作者:侯士亮
论文发表刊物:《中国电业》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/31
标签：屏蔽论文; 磁场论文; 线圈论文; 电压论文; 电动汽车论文; 电磁论文; 系统论文; 《中国电业》2019年第07期论文;