無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Trans- mission, WPT）指一種利用電磁場、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，實現(xiàn)電能由電源側(cè)傳遞至負載側(cè)的技術(shù)。該技術(shù)解決了不宜拖帶導(dǎo)線場合的供電問題，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之一。

隨著對無線電能傳輸技術(shù)的不斷研究，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展。基于磁耦合諧振原理的電動汽車無線充電系統(tǒng)，其發(fā)射裝置與接收裝置之間不存在導(dǎo)線連接，具有運行安全、維護成本低、防水防塵、便于維護和用戶體驗好等優(yōu)點，提高了電動汽車充電的靈活性，受到了越來越多的關(guān)注。

對于電動汽車無線充電系統(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關(guān)注的問題之一。目前，無線電能傳輸系統(tǒng)耦合機構(gòu)中都會加入電屏蔽來減少磁場的泄漏。作為耦合機構(gòu)中的重要一環(huán)，電屏蔽主要是用來遏止高頻電磁場的影響，使干擾場在屏蔽體內(nèi)形成渦流并在屏蔽體與被保護空間的分界面上產(chǎn)生反射，從而大大削弱干擾場在被保護空間的磁感應(yīng)強度值，達到屏蔽效果。

為了增強屏蔽效果，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等研究了電屏蔽對耦合機構(gòu)周圍的磁場大小的影響，耦合機構(gòu)采用的是圓環(huán)形，他們測量了距離耦合機構(gòu)不同距離的點的磁場強度，通過測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入電屏蔽后，耦合機構(gòu)周圍的磁場減小了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團隊研究了電屏蔽對系統(tǒng)傳輸效率的影響，實驗結(jié)果表明，加入電屏蔽后系統(tǒng)傳輸效率提高了1%，同時磁感應(yīng)強度減小了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團隊研究了加入電屏蔽后對無線充電系統(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，電動汽車內(nèi)部磁感應(yīng)強度減小了9 T。

上述文獻中雖然分析了電屏蔽對無線電能傳輸系統(tǒng)耦合機構(gòu)周圍空間磁場的影響，但大多只是進行了仿真的分析，在實驗中也僅僅測量了某些點的磁場強度，并沒有完整地呈現(xiàn)出整個面磁場的分布和大小。由于仿真模型的簡化，仿真結(jié)果與實際的磁場分布也可能存在差異。因此準確測量出耦合機構(gòu)周圍空間磁場大小及分布對于無線電能傳輸?shù)难芯烤哂兄匾饬x。

本文通過仿真軟件對空間磁場的分布進行有限元仿真分析，計算電屏蔽對耦合結(jié)構(gòu)周圍的磁場分布與大小的影響，同時對比分析兩種不同電屏蔽材料鋁和銅對原邊設(shè)備和副邊設(shè)備背部空間磁場的影響。在實驗中，搭建了無線電能傳輸三維磁場測量系統(tǒng)，測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)備背部空間磁場的分布圖，驗證了電屏蔽抑制耦合機構(gòu)之間磁場擴散的作用。通過仿真與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，實際測得的空間磁場與仿真結(jié)果分布形狀一致，但是幅值有偏差，仿真中的磁場值小于實際測得結(jié)果。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)場路結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 三維磁場測量平臺

圖9 帶電屏蔽的耦合結(jié)構(gòu)

結(jié)論

電屏蔽對于電動汽車無線充電過程中原邊設(shè)備與副邊設(shè)備之間空間磁場分布有重要的影響，本文首先利用有限元仿真軟件對三種情況下電動汽車無線充電系統(tǒng)原邊耦合機構(gòu)背部與副邊耦合機構(gòu)背部磁場進行了分析，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)工作時耦合機構(gòu)周圍磁場分布情況可以看出，電磁屏蔽對磁場起到了很好的束縛作用，傳能機構(gòu)工作區(qū)域的主磁通基本被束縛在兩耦合機構(gòu)之間。

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

本文中的三維磁場測量平臺對于電動汽車無線充電系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計具有指導(dǎo)意義，在一些要求準確測量磁場分布的場合，可以根據(jù)本文的測試方法搭建系統(tǒng)完成測試。