傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)仍然是目前電力傳輸?shù)闹饕绞?，通過插頭和插座的物理性連接實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。然而，它也存在各種各樣的問題，如摩擦與老化引起的安全問題，便攜式電子設(shè)備和植入式醫(yī)療設(shè)備充電的不便，以及在礦井和水下工作環(huán)境下電力傳輸?shù)奈ｋU(xiǎn)性。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)作為一項(xiàng)新型的電能傳輸方式，可有效地實(shí)現(xiàn)非接觸式電能傳輸，減少觸電危險(xiǎn)的同時(shí)大大地提高了充電系統(tǒng)的安全性。隨著無線電能傳輸技術(shù)研究的不斷加深和推廣，無線充電產(chǎn)品將成為未來最有潛力的市場(chǎng)之一。

由于無線電能傳輸系統(tǒng)在傳播過程中需要借助磁耦合機(jī)構(gòu)將發(fā)射側(cè)的電能轉(zhuǎn)化成高頻磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)是WPT系統(tǒng)傳輸電能的介質(zhì)，其帶來的電磁輻射問題將給公眾的人身安全帶來嚴(yán)重的威脅。

為了有效地抑制無線電能傳輸系統(tǒng)的電磁干擾，使其滿足ICNIRP等電磁兼容導(dǎo)則，合理的電磁干擾抑制措施逐漸成為國內(nèi)外研究工作者的研究重點(diǎn)。作者詳細(xì)介紹了電磁屏蔽技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)這兩類抑制技術(shù)，同時(shí)對(duì)其他電磁抑制措施進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1 電磁屏蔽技術(shù)

電磁屏蔽技術(shù)作為目前WPT系統(tǒng)電磁輻射抑制的主流措施，在無源屏蔽技術(shù)、有源屏蔽技術(shù)以及諧振無功電流環(huán)等抑制措施上已經(jīng)擁有許多進(jìn)展性的研究成果。有學(xué)者以消費(fèi)電器和在線供電電動(dòng)汽車（On-Line Electric Vehicle, OLEV）的WPT系統(tǒng)為研究對(duì)象，探究了無源屏蔽技術(shù)和諧振無功電流環(huán)法在WPT系統(tǒng)電磁輻射抑制的應(yīng)用效果，并通過實(shí)物電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的可靠性。

1.1 無源屏蔽技術(shù)

無源屏蔽技術(shù)是指使用金屬屏蔽材料對(duì)耦合線圈產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽的一種電磁輻射抑制技術(shù)，該技術(shù)目前已經(jīng)成為WPT系統(tǒng)電磁輻射最常用的抑制手段。無源屏蔽技術(shù)使用的金屬屏蔽材料主要包括鐵磁性金屬材料和非鐵磁性金屬材料。

鐵磁性屏蔽材料可以為耦合線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供一條高磁導(dǎo)率的通道，這有利于減小線圈產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)；而非鐵磁性屏蔽材料通過導(dǎo)電材料產(chǎn)生反向的渦流磁場(chǎng)，從而對(duì)原磁場(chǎng)進(jìn)行一定程度的抵消。

由于兩種金屬屏蔽材料都會(huì)顯著改變WPT系統(tǒng)的電氣參數(shù)，故需要考慮屏蔽體對(duì)原有WPT系統(tǒng)的傳輸性能影響。同時(shí)，兩種金屬屏蔽材料對(duì)線圈自感和互感數(shù)值的影響方向相反，且屏蔽效果各有不同，實(shí)際過程中往往采用兩種屏蔽材料相結(jié)合的方式來對(duì)WPT系統(tǒng)的電磁輻射進(jìn)行有效的抑制。

有學(xué)者對(duì)無屏蔽、鐵磁性材料屏蔽以及鐵磁性與非鐵磁性材料屏蔽相結(jié)合這三種情況下的線圈磁場(chǎng)進(jìn)行了電磁仿真分析，不同屏蔽條件下線圈電場(chǎng)分布如圖1所示。從仿真結(jié)果可知，鐵磁性材料對(duì)線圈電磁場(chǎng)能夠起到一定的屏蔽作用，同時(shí)結(jié)合非鐵磁性屏蔽材料后，屏蔽體豎直方向上的漏磁場(chǎng)得到了很好的抑制。

但需要說明的是，該屏蔽方法并沒有減弱水平方向上的漏磁場(chǎng)。同時(shí)鐵磁性屏蔽體會(huì)顯著增大線圈的自感和耦合系數(shù)，但其對(duì)線圈產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)屏蔽效果有限；而非鐵磁性屏蔽體的引入會(huì)造成線圈自感和耦合系數(shù)的減小，其對(duì)屏蔽體豎直方向的漏磁場(chǎng)有著顯著的屏蔽抑制效果。實(shí)際過程中常常通過鐵磁性屏蔽體和非鐵磁性屏蔽體相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)WPT系統(tǒng)的電磁輻射屏蔽。

圖1 不同屏蔽條件下線圈電場(chǎng)分布

除此之外，大量學(xué)者也對(duì)WPT系統(tǒng)的無源屏蔽技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究。

• 有學(xué)者通過添加鐵氧體和鋁板屏蔽的方式，探究了電動(dòng)汽車WPT系統(tǒng)無源屏蔽技術(shù)的屏蔽效果。
• 有學(xué)者對(duì)鐵氧體磁心與鋁板的綜合屏蔽效果進(jìn)行了評(píng)估，通過引入不同數(shù)量的磁心來測(cè)試不同屏蔽配置下系統(tǒng)的傳輸性能與頻率特性，表明在合理的屏蔽組合方式下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有效的電磁輻射屏蔽并保持較高的傳輸效率。
• 有學(xué)者對(duì)整體屏蔽、在發(fā)射端設(shè)置水平屏蔽體和設(shè)置豎直屏蔽體三種屏蔽方式進(jìn)行了電磁仿真，并從屏蔽效果和渦流損耗等方面對(duì)三種屏蔽方式進(jìn)行了對(duì)比，得出了水平屏蔽方式最適用于電動(dòng)汽車WPT系統(tǒng)的結(jié)論。

1.2 有源屏蔽技術(shù)

無源屏蔽技術(shù)對(duì)水平方向上的漏磁場(chǎng)并沒有明顯的抑制作用，當(dāng)將該方案應(yīng)用于電動(dòng)汽車或在線供電電動(dòng)汽車（OLEV）時(shí)，電動(dòng)汽車WPT系統(tǒng)產(chǎn)生的水平方向上的漏磁場(chǎng)會(huì)對(duì)路人產(chǎn)生一定的電磁輻射危害；對(duì)于高功率或者非常大的氣隙，其產(chǎn)生的電磁干擾十分嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了ICNIRP限制。

有源屏蔽技術(shù)作為一種有效消除水平電磁干擾的方法，主要是利用帶有激勵(lì)源的抑制線圈產(chǎn)生與原磁場(chǎng)方向相反的抵消磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)原漏磁場(chǎng)的消除或削弱，有源屏蔽的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有源屏蔽的結(jié)構(gòu)

為了減小電路的設(shè)計(jì)難度，實(shí)際設(shè)計(jì)中可將抑制線圈直接引入到WPT系統(tǒng)的主電路中，此時(shí)抑制線圈和耦合線圈共用同一激勵(lì)源，引入到主電路的抑制線圈，如圖3所示。

根據(jù)抑制線圈磁路是否被引入到主磁路的情況，可分為圖3a和圖3b兩種情況。圖3a中，抑制線圈磁路不出現(xiàn)在主磁路中，其對(duì)于WPT系統(tǒng)的正常能量傳輸影響較小，是較為理想的情況；而圖3b所示的抑制線圈磁路與主磁路直接產(chǎn)生耦合，這將導(dǎo)致發(fā)射線圈和接收線圈之間的有效耦合磁場(chǎng)變小，從而不利于能量的傳輸。

有研究在圓形線圈的基礎(chǔ)上引入了一個(gè)同心的抑制線圈，通過電磁仿真和測(cè)量結(jié)果表明這一結(jié)構(gòu)可以有效地抑制耦合線圈的輻射磁場(chǎng)，但引入的抑制線圈削弱了主磁場(chǎng)，導(dǎo)致傳輸效率顯著下降。

圖3 引入到主電路的抑制線圈

有學(xué)者針對(duì)感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)，提出了獨(dú)立電動(dòng)勢(shì)自消去法（Independent Self EMF Cancel method, ISEC）、3dB主電動(dòng)勢(shì)消去法（3-dB Dominant EMF Cancel method, 3DEC）和無耦合電動(dòng)勢(shì)消去法（Linkage-Free EMF Cancel method, LFEC）三種通用的有源電動(dòng)勢(shì)消除法，并在I型IPT系統(tǒng)中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于這三種方法中抵消線圈磁路不進(jìn)入主磁路，故不會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生明顯的功率下降，同時(shí)該研究還對(duì)主線圈與抑制線圈的最佳間距和最佳匝數(shù)進(jìn)行了初步探究。

總體來說，有源屏蔽技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定位置漏磁場(chǎng)的有效削弱，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可與無源屏蔽技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全方位的電磁輻射屏蔽，但也存在設(shè)計(jì)復(fù)雜和影響主磁場(chǎng)能量傳輸效果等問題。

1.3 無功電流諧振環(huán)屏蔽技術(shù)

無功電流諧振環(huán)法集成了無源屏蔽和有源屏蔽的優(yōu)點(diǎn)，在不增加激勵(lì)源的情況下，借助原磁場(chǎng)在屏蔽線圈感應(yīng)出的反向抵消磁場(chǎng)對(duì)入射磁場(chǎng)進(jìn)行有效地削弱。該方法利用線圈產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)作為無功諧振回路的激勵(lì)源，克服了有源屏蔽中存在的功率下降問題，同時(shí)屏蔽線圈的布置更為靈活，因此具有更廣泛的應(yīng)用前景，能夠適用于不同工況下的WPT系統(tǒng)。

KAIST利用帶有開關(guān)陣列和調(diào)諧電容的無功電流回路控制屏蔽線圈回路的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了一定頻率下的漏磁場(chǎng)抵消，并將其應(yīng)用到OLEV的WPT系統(tǒng)中。在該研究中，為了使合成磁場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)最小，采用磁場(chǎng)傳感回路反饋系統(tǒng)測(cè)定測(cè)量點(diǎn)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過控制器找到使總電動(dòng)勢(shì)最小的電容組合。

在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者對(duì)該方法的屏蔽效果和傳輸效率的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的探究，其中耦合線圈和屏蔽線圈的位置分布如圖4a所示，屏蔽線圈可以有效抵消水平方向的漏磁場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)中該屏蔽方法最大限度地降低了64%的入射漏磁場(chǎng)，明顯優(yōu)于僅有無源屏蔽體時(shí)15%的屏蔽效果。除此之外，為了保證屏蔽線圈的屏蔽效果，應(yīng)使其具有90°相位的低阻抗。

實(shí)際應(yīng)用中，該研究提及的無功諧振電流環(huán)屏蔽技術(shù)往往很難使漏磁場(chǎng)和抵消磁場(chǎng)保持180°的相位偏移。有學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種由雙屏蔽線圈和四電容移相器組成的新型無功諧振屏蔽方法，該方法在原有一次屏蔽線圈的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加了一個(gè)新的二次屏蔽線圈，其中耦合線圈和兩個(gè)屏蔽線圈的位置分布如圖4b所示，二次屏蔽線圈的存在進(jìn)一步降低了觀測(cè)點(diǎn)的泄露磁場(chǎng)。

與有源屏蔽技術(shù)相似，無功電流諧振環(huán)屏蔽法在實(shí)際過程中往往和無源屏蔽法相結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)泄露磁場(chǎng)的全方位電磁屏蔽，但也存在控制方法復(fù)雜、參數(shù)難以設(shè)計(jì)的問題。

圖4 耦合線圈和屏蔽線圈的位置

2 擴(kuò)頻技術(shù)

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)WPT系統(tǒng)電磁輻射抑制的研究大多集中在對(duì)輻射磁場(chǎng)的電磁屏蔽上，而擴(kuò)頻技術(shù)的運(yùn)用則可以有效地從輻射源源頭抑制諧波噪聲。通過改變載波頻率的方式，使得諧波噪聲和基波的功率譜密度分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，改善空間電磁場(chǎng)的頻率譜，進(jìn)而有效抑制了低次諧波分量。由于擴(kuò)頻技術(shù)是通過軟件算法實(shí)現(xiàn)的，相比其他屏蔽技術(shù)，其不需要增加新的硬件結(jié)構(gòu)。

KAIST基于擴(kuò)頻技術(shù)采用三角形調(diào)制曲線對(duì)逆變器的開關(guān)頻率進(jìn)行了抖動(dòng)擴(kuò)頻調(diào)制，并在工作頻率20kHz下對(duì)1kW的WPT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明該調(diào)制方法可將磁場(chǎng)輻射降低到8.7dB，并且在各諧波下對(duì)電流頻譜的抑制能力最高達(dá)到了20dB。

長(zhǎng)崗技術(shù)科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了均分分布擴(kuò)頻（Spread Spectrum with a Uniform Distribution, SSUD）調(diào)制和帶偏置分布擴(kuò)頻（Spread Spectrum with a Biased Distribution, SSBD）調(diào)制這兩種降低IPT系統(tǒng)輻射噪聲的方法。

其中SSUD的輸出頻率是從均勻概率分布中選出的，而SSBD則是從偏置概率分布中選出的，與正常諧振工況相比，擴(kuò)頻調(diào)制增加了無功電流，但擴(kuò)頻降噪的效果要比無功電流引起的噪聲更為明顯。

在輸出功率為3.0kW的樣機(jī)中，SSUD和SSBD對(duì)一次電流的抑制率分別為42.6%和72.1%，其對(duì)應(yīng)的效率分別降低為0.8%和1.1%，同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明SSUD和SSBD分別適用于輕載區(qū)和重載區(qū)。

除此之外，有學(xué)者將混沌載波調(diào)制應(yīng)用于WPT系統(tǒng)中，該方法通過分散電磁場(chǎng)頻率譜的方式同樣實(shí)現(xiàn)了WPT系統(tǒng)的電磁輻射的降低。擴(kuò)頻技術(shù)可以在不增加新的硬件結(jié)構(gòu)的前提下，有效地從源頭降低WPT系統(tǒng)的電磁輻射，在未來具有一定的應(yīng)用前景。

3 其他抑制措施

近幾年大量研究工作者也對(duì)WPT系統(tǒng)的電磁干擾抑制提出了許多新的方法。

• 有學(xué)者提出了一種基于緊耦合三相諧振磁場(chǎng)的WPT系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于無人機(jī)無線充電中，該方法可以完全消除3次諧波及其輸出相電壓的整數(shù)倍分量。
• 為了進(jìn)一步降低低次諧波的電磁干擾，有學(xué)者還提出了一種導(dǎo)通角控制方法，該方法使得發(fā)射線圈電流中7次和11次諧波分量分別減小了6.08dB和11.84dB。
• 有學(xué)者提出了一種新型的WPT系統(tǒng)三相電力線，通過磁場(chǎng)對(duì)稱抵消的方式大幅度降低了觀測(cè)點(diǎn)的漏磁場(chǎng)，同時(shí)保持了較小的接收功率波動(dòng)，并將其應(yīng)用于OLEV中。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的三相電力線漏磁場(chǎng)比常規(guī)方案降低了96%，但該方案的輸入總功率要高于單根電力線，且總輸入電流明顯高于單相電力線，這不利于其進(jìn)行更深入的推廣。
• 有學(xué)者通過控制繞組電流的大小和相位來抑制IPT系統(tǒng)的雜散磁場(chǎng)，借助逆變器和整流器電壓的PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組電流大小和相位的控制，在發(fā)射電流與接收電流相位差為50°時(shí)，相比傳統(tǒng)相位差為90°的工況下，雜散磁場(chǎng)降低了30%。
• 有學(xué)者通過引入一個(gè)中間線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)3次諧波電磁干擾的抑制，在中線線圈諧振頻率為150kHz時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)約8dB的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）抑制；同時(shí)隨著中間線圈諧振頻率的增加，其對(duì)電磁干擾的抑制作用將更為明顯，但也存在系統(tǒng)效率降低的問題。
• 有學(xué)者提出了一種基于零耦合抵消線圈的WPT電磁干擾抑制方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)比鋁板更有效的屏蔽，同時(shí)對(duì)WPT系統(tǒng)效率的降低程度也明顯低于鋁板屏蔽。
• 有學(xué)者研制了一種基于廣義哈爾巴赫陣列組裝的三維結(jié)構(gòu)功率發(fā)射線圈，并將其應(yīng)用于醫(yī)療微型機(jī)器人上，其可以在不添加其他屏蔽材料的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射磁場(chǎng)的自動(dòng)抵消。
• 有學(xué)者將屏蔽線圈和放大線圈相結(jié)合，提出了一種低泄露電磁場(chǎng)和高效率的混合環(huán)路陣列，其中屏蔽線圈可以實(shí)現(xiàn)泄露電動(dòng)勢(shì)的降低，而放大線圈可以顯著增強(qiáng)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)，研究表明在泄露電動(dòng)勢(shì)降低了3dBm的前提下，WPT系統(tǒng)的效率同時(shí)提高了9.36%。
• 有學(xué)者提出了一種12線圈的WPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)射側(cè)和接收側(cè)各分布有6個(gè)相鄰60°的耦合線圈，通過對(duì)稱消除的方式降低了電磁線圈的輻射噪聲。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“無線電能傳輸系統(tǒng)電磁兼容研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢(shì)”，作者為沈棟、杜貴平、丘東元、張波。