余成波，伍雪冰，龍 曦

（重慶理工大學(xué) a.電氣與電子工程學(xué)院；b.遠(yuǎn)程測(cè)試與控制研究所，重慶 400054）

無(wú)線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）是指在電源與用電設(shè)備非直接電氣接觸情況下，將電能傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的技術(shù)。WPT技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)使得這種技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，如醫(yī)療、便攜電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域［1-3］。在各種WPT技術(shù)中，由麻省理工學(xué)院提出的利用磁場(chǎng)耦合諧振技術(shù)具有效率高、傳輸功率大、適用于中距離輸電，且對(duì)發(fā)射端和接收端的不對(duì)準(zhǔn)具有很高的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，而受到廣泛關(guān)注［4］。磁共振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)（magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCRWPT）利用電磁場(chǎng)作為無(wú)線傳輸?shù)拿浇?，?dāng)發(fā)射端和接收端諧振時(shí)，磁場(chǎng)耦合達(dá)到最大，并在諧振頻率處功率傳輸能力最高［5］。然而在該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)工作時(shí)的電磁環(huán)境安全能否達(dá)到國(guó)際/國(guó)內(nèi)安全標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)周圍電子設(shè)備可能造成許多關(guān)鍵性的電磁干擾和系統(tǒng)本身的抗干擾能力等問(wèn)題都必須解決［6］。在這些問(wèn)題中，通常比較關(guān)心的是電磁環(huán)境安全問(wèn)題，國(guó)際/國(guó)內(nèi)出臺(tái)了一系列法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)控制電磁環(huán)境安全限值。標(biāo)準(zhǔn)的制定主要是根據(jù)輻射頻段、功率設(shè)定電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的接觸限值［7］。而關(guān)于一般公眾暴露的控制限值，國(guó)際上大多采用的是國(guó)際非電離輻射委員會(huì)ICNIRP制定的導(dǎo)則（ICNIRP導(dǎo)則）［8］，國(guó)內(nèi)主要參考2014年公布的《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［9］。因此在 MCRWPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須減少系統(tǒng)的漏磁場(chǎng)，保證系統(tǒng)的電磁環(huán)境安全符合相關(guān)的國(guó)際/國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)MCRWPT技術(shù)的安全應(yīng)用。

在基于磁場(chǎng)耦合的WPT系統(tǒng)應(yīng)用中，通常采用金屬屏蔽的方法來(lái)屏蔽系統(tǒng)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，但金屬介質(zhì)的引入會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化。而且當(dāng)金屬介質(zhì)置于時(shí)變電磁場(chǎng)中，時(shí)變電磁場(chǎng)會(huì)在線圈附近的金屬介質(zhì)中產(chǎn)生渦流效應(yīng)和熱效應(yīng)，增加系統(tǒng)損耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低［10］。因此，有必要設(shè)計(jì)一種屏蔽線圈結(jié)構(gòu)，在有效減少系統(tǒng)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)的同時(shí)，又不降低系統(tǒng)性能。

1 磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的基本原理

MCRWPT系統(tǒng)主要由電源、高頻逆變電路、補(bǔ)償電容、線圈結(jié)構(gòu)（即發(fā)射線圈和接收線圈）和負(fù)載組成，如圖1（a）所示。高頻逆變電路將直流電壓源逆變?yōu)楦哳l交流源，驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，接收線圈與發(fā)射線圈諧振頻率一致產(chǎn)生磁諧振，并將得到的電能供給負(fù)載［5］。其中，發(fā)射線圈和接收線圈是實(shí)現(xiàn)電能發(fā)送和接收的核心，其設(shè)計(jì)直接決定系統(tǒng)的功率傳輸大小和功率傳輸效率。而補(bǔ)償電容可以使每個(gè)線圈的電感電抗最小，從而最大限度地提高線圈之間的功率傳輸能力。根據(jù)補(bǔ)償電容與線圈的連接方式，最基本的有4種諧振拓?fù)?，即串?lián)-串聯(lián)（SS）、串聯(lián)-并聯(lián)（SP）、并聯(lián) -串聯(lián)（PS）、并聯(lián) -并聯(lián)（PP）［11-13］。其中，采用SS諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SS-WPT系統(tǒng)）的諧振頻率與負(fù)載電阻和線圈互感無(wú)關(guān)，因此得到了廣泛應(yīng)用［14］。本文采用的便是串聯(lián)-串聯(lián)（SS）諧振拓?fù)洹?/p>

SS-WPT系統(tǒng)的等效電路如圖1（b）所示，其中U1為高頻交流源以替代直流電源和高頻逆變電路，L1、L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電感，C1、C2分別為與發(fā)射線圈和接收線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容，R1、R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻，M為互感，d為傳輸距離。

由等效電路可得發(fā)射端的回路阻抗Z1和接收端的回路阻抗Z2分別為：

因此發(fā)射線圈和接收線圈中的電流為：

則發(fā)射端輸入功率P1和接收端輸出功率P2分別為：

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，Z1=R1，Z2=R2+RL，于是SS-WPT系統(tǒng)的傳輸效率為：

由式（4）可知，MCRWPT系統(tǒng)的傳輸效率與諧振頻率、線圈內(nèi)阻、負(fù)載電阻和互感都有關(guān)系。在給定諧振頻率和負(fù)載電阻時(shí)，減小線圈內(nèi)阻或增加線圈互感都可以有效提高傳輸效率。線圈內(nèi)阻和互感都與線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而互感還與傳輸距離有關(guān)。

諧振狀態(tài)時(shí)線圈互感的計(jì)算公式為：

由式（5））可知，線圈互感與傳輸距離的三次方成反比關(guān)系，傳輸距離越遠(yuǎn)，線圈互感越小，傳輸效率也就越小。

2 屏蔽線圈結(jié)構(gòu)

2.1 屏蔽材料特性

當(dāng)WPT系統(tǒng)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)國(guó)際/國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須采取措施屏蔽漏磁場(chǎng)。漏磁場(chǎng)屏蔽方法主要有無(wú)源屏蔽和有源屏蔽。有源屏蔽雖然屏蔽能力較強(qiáng)，但能量消耗較大；而無(wú)源屏蔽是利用材料對(duì)磁場(chǎng)的損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽，常用的材料有鐵磁性材料和金屬材料［15］。鐵磁性材料具有較高的相對(duì)磁導(dǎo)率和低導(dǎo)電率，可以將磁通沿磁場(chǎng)源附近的路徑引導(dǎo)，提高線圈互感和自感，最終減小磁場(chǎng)源周圍的漏磁場(chǎng)。然而鐵磁性材料也有其缺點(diǎn)，系統(tǒng)工作在高頻（MHz或更高）時(shí)將產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗［16］。但如果用較少損耗的材料，如鐵氧體，渦流損耗可以忽略。而磁滯損耗的大小取決于系統(tǒng)的工作頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度，如果工作頻率低于兆赫茲并且控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值遠(yuǎn)低于鐵氧體B-H曲線的飽和區(qū)，磁滯損耗將最小［17］。

金屬屏蔽作為一種實(shí)用的屏蔽手段，其有效性已在多項(xiàng)研究中得到證實(shí)［18-20］。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電材料在時(shí)變電磁場(chǎng)中將感應(yīng)電流。這些渦流在空間產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)與漏磁場(chǎng)抵消，從而達(dá)到屏蔽的目的［17］。采用金屬材料屏蔽WPT系統(tǒng)的漏磁場(chǎng)時(shí)，必須考慮其對(duì)系統(tǒng)電氣性能的影響。Geselowitz等［21］的研究結(jié)果表明，線圈附近的金屬會(huì)使線圈的電感和互感降低，有效串聯(lián)電阻增大，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。但如果金屬不放置在離線圈很近的地方，并且金屬屏蔽層的厚度大于金屬的集膚深度，在保持屏蔽效果的同時(shí)，可以使系統(tǒng)的電路參數(shù)變化最小。

2.2 屏蔽線圈結(jié)構(gòu)

圖2（a）為本文設(shè)計(jì)的屏蔽線圈結(jié)構(gòu)三維有限元仿真模型。為了削弱線圈的集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，降低線圈電阻，發(fā)射和接收線圈均選用了利茲線模型。2個(gè)線圈均用塑料薄膜封裝，其參數(shù)一致，具體參數(shù)為：線圈形狀圓形螺旋、線徑3 mm、匝間距3 mm、匝數(shù)11匝。為了減少系統(tǒng)的漏磁場(chǎng)，同時(shí)減少系統(tǒng)重量和成本，引入了米字型的磁芯結(jié)構(gòu)，并增加了高度為20 mm的中心圓柱，以減小磁阻。磁芯材料采用的是TDK公司的PC47鐵氧體，其初始磁導(dǎo)率為2 500。為了實(shí)現(xiàn)更好的屏蔽效果，減小漏磁場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境和人體的影響，在鐵芯周圍增加了鋁板。而頻率為85 kHz（這是本文建立的MCRWPT系統(tǒng)的諧振頻率）時(shí)，鋁的集膚深度是0.28 mm，因此鋁板的厚度設(shè)為1 mm；鐵芯與上下鋁板之間間隔10 mm可以減小鋁板對(duì)線圈互感和電感的影響［22］。另外，將鋁板的一側(cè)壁做成開環(huán)，并與上下鋁板分開，以減小由于鋁板的存在而增加的線圈有效串聯(lián)電阻。屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸如圖2（b）所示。

利用ANSYS MAXWELL有限元法（FEM）求解器提取了線圈結(jié)構(gòu)的電特性參數(shù)，如表1所示。求解器采用的頻率是85 kHz，與系統(tǒng)諧振頻率一致。由表1可見，屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的電阻比無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的電阻增加了20.43 mΩ和20.45 mΩ，但由于鐵氧體的磁導(dǎo)率相對(duì)空氣而言較高，起到減小路徑磁阻、增強(qiáng)磁通的作用，使得屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的電感和互感變大，發(fā)射線圈和接收線圈的電感分別增加了46.14μH和47.44μH，互感增加了27.98μH，其意味著提高了單個(gè)線圈的質(zhì)量因數(shù)，從而傳輸效率也得到提高。

表1 線圈結(jié)構(gòu)電特性參數(shù)

3 磁場(chǎng)分布比較

圖3（a）、圖3（b）分別為無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)、本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)在YZ平面上的磁通密度分布，磁通密度下限均為5μT，上限均為50μT。為了證明本文所提屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽漏磁場(chǎng)的優(yōu)異性，改變本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的金屬材料鋁為銅，并增加了無(wú)線電能傳輸應(yīng)用中常用的金屬屏蔽（鋁板屏蔽），得到2種屏蔽線圈結(jié)構(gòu)在YZ平面上的磁通密度分布，見圖3（c）、圖3（d）。由圖3（a）～（d）可以看出，4種線圈結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布存在明顯的差異。Z軸方向，由于鐵芯、鋁板和銅板對(duì)磁場(chǎng)的引導(dǎo)和屏蔽作用，屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的磁通密度明顯低于無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)和金屬屏蔽線圈結(jié)構(gòu)。然而，Y軸方向，磁通密度的差異是比較細(xì)微的。為了數(shù)值比較磁通密度的差異，以線圈中心為起點(diǎn)沿Z軸和Y軸測(cè)量磁通密度，這2個(gè)軸通常是在WPT應(yīng)用中所處的位置（例如家用電器的電源、電動(dòng)汽車或移動(dòng)電子產(chǎn)品的電池充電器）［23］。沿Y軸和Z軸的磁通密度分別為水平磁通密度和垂直磁通密度，用Bh和Bv表示。根據(jù)ICNIRP導(dǎo)則和GB 8702—2014公布的一般公眾暴露接觸限值（見表2），測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

表2 ICNIRP與國(guó)內(nèi)電磁環(huán)境控制限值

圖4 所示的曲線圖清晰地說(shuō)明了4種線圈結(jié)構(gòu)在不同方向上的磁通密度分布差異。由圖4可知，在1.4μT的接觸限值下，與無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的安全范圍相比，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)、改變金屬材料為銅的所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)以及常用的金屬屏蔽線圈結(jié)構(gòu)在水平方向上的安全范圍分別增加了88、81、28 mm，而在垂直方向上的安全范圍分別增加了444、443、325 mm。因此，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)屏蔽漏磁場(chǎng)的能力最強(qiáng)，但在不同方向其上屏蔽能力不一致，對(duì)垂直方向的漏磁場(chǎng)能較好地屏蔽，對(duì)水平方向的漏磁場(chǎng)屏蔽能力相對(duì)較弱。

4 傳輸效率比較

為了比較本文中所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)和無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的性能差異，基于有限元分析提取的線圈結(jié)構(gòu)電特性，利用MULTISIM仿真軟件搭建了SS-WPT系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)采用24 V的直流電源，經(jīng)E類雙管逆變器逆變?yōu)?5 kHz的高頻交流電源，負(fù)載為50Ω。當(dāng)E類雙管逆變器工作在諧振頻率，并且開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS，基于屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的SS-WPT系統(tǒng)的負(fù)載電壓和電流波形如圖6所示。由圖6可知，負(fù)載上的電壓和電流波形相位一致，也就是說(shuō)接收端處于諧振狀態(tài)，電路參數(shù)設(shè)計(jì)正確。

改變傳輸距離分別為 60、70、80、90、100 mm，然后依次提取在不同傳輸距離下線圈結(jié)構(gòu)的電特性，再反復(fù)進(jìn)行電路仿真，得到線圈互感和傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，線圈互感隨傳輸距離的增加而減小，傳輸效率也隨傳輸距離的增加而減小，與理論分析一致。但相同傳輸距離時(shí)，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的互感和系統(tǒng)傳輸效率始終大于無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)，在傳輸距離分別為 50、60、70、80、90、100 mm時(shí)，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳輸效率與無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳輸效率相比，分別提高了18.25%、19.12%、17.14%、12.42%、10.56%、14.36%。因此，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能更加優(yōu)異。

5 結(jié)論

為了保證磁共振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)工作過(guò)程中的電磁環(huán)境安全達(dá)到國(guó)際/國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，本文中提出一種利用鐵芯和鋁板的屏蔽線圈結(jié)構(gòu)。通過(guò)有限元仿真分析和磁場(chǎng)分布比較，證明了所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性，與改變金屬材料為銅的屏蔽線圈結(jié)構(gòu)以及金屬屏蔽線圈結(jié)構(gòu)相比，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的屏蔽磁場(chǎng)能力最強(qiáng)，水平方向的磁場(chǎng)安全距離比無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)增加了88 mm，垂直方向的磁場(chǎng)安全距離增加了444 mm。同時(shí)通過(guò)電路仿真得到，在50～100 mm的傳輸距離內(nèi)，基于無(wú)屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳輸效率最低為47.13%，最高為73.15%；而基于本文中所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳輸效率最低為53.9%，最高可達(dá)86.5%。因此，本文所提屏蔽線圈結(jié)構(gòu)具有效率高、漏磁少的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的磁屏蔽設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。