無線電能充電系統中納米晶復合屏蔽結構的屏蔽性能

張 獻，王禹潮，楊慶新，沙 琳，劉立東

（1.天津工業大學 天津市電工電能新技術重點實驗室，天津 300387；2.橫店集團東磁股份有限公司，浙江 東陽 322118）

隨著無線充電技術的推廣，電磁場安全問題也受到越來越多人的關注[1-3]。在電動汽車無線充電系統中，為了降低磁場對充電設備的干擾，需要對電動汽車進行屏蔽設計[4-5]。電磁屏蔽一般采用高磁導率材料結合良導體的渦流效應削弱磁場[6-7]，減少電動汽車無線充電系統的電磁泄露[8-10]。目前，在國內外制定的電磁標準中，具有代表性的是國際非電離輻射防護委員會的ICNIRP—2010標準和中國《電磁環境控制限值》GB8702—2014標準[11-13]。

2013年，韓國科學技術研究院的Kim等[14]研究了屏蔽對耦合機構周圍磁場大小的影響，結果發現加入屏蔽后，耦合機構周圍的磁感應強度減小了5μT。2019年，日本東京國家信息與通信研究中心Shimoyama等[15]搭建了具有2種不同屏蔽結構的無線充電系統，然后通過磁場探測器測量出電磁場的泄露程度對比。2018年，日本東京國家信息與通信研究中心的團隊搭建了不同的2種屏蔽結構的無線電能傳輸系統，然后通過磁場探測器測量出電磁場的泄露程度對比[16]。上述文獻雖然分析了屏蔽對無線充電系統耦合機構的影響，但大多只是進行了常規屏蔽分析，并沒有考慮到實際工作情況下屏蔽背部空間的漏磁問題。

本文針對電動汽車無線充電系統屏蔽背部空間的漏磁問題，提出一種新型納米晶復合屏蔽結構；建立多層復合屏蔽數學模型，仿真計算分析不同屏蔽結構背部空間磁通密度；搭建無線充電空間磁測量平臺，測量并且得到了鐵氧體+鋁板、單層納米晶復合屏蔽、邊緣加厚納米晶復合屏蔽幾種情況下屏蔽背部空間磁通密度的分布圖，證明了邊緣加厚納米晶復合屏蔽結構對于屏蔽背后空間漏磁場具有較好的抑制效果。

1 復合式屏蔽效能計算

工程上常用屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）來評估電磁屏蔽性能的好壞[17-19]，即屏蔽體對電磁場的衰減程度和其屏蔽性能。用某點沒有施加屏蔽時的磁感應強度Bwithout與施加屏蔽后該點磁感應強度Bwith的比值來定義表示：

式中：Es為屏蔽效能。

1.1 復合式屏蔽效能數學模型建立

受到制造工藝約束，鐵氧體屏蔽由方形小塊拼接而成，這樣導致了鐵氧體屏蔽間不可避免的存在縫隙。這種屏蔽結構會導致漏磁較大，尤其是屏蔽背部空間邊緣漏磁過高的問題。為了解決這個問題，本文將實際工作情況和多層屏蔽的無線充電系統屏蔽進行結合，如圖1所示。

圖1中，圓環在的面與金屬板所在面平行，以圓心為坐標原點建立圓柱坐標系，z軸指向板。其中，圓環線圈的半徑為a，到多層金屬板最右側距離為c，通有頻率為f的電流I。第1層板為帶有間隙的屏蔽板，第2層到n層為多層屏蔽板，μ、σ、ε分別表示它們的磁導率、電導率和介電常數。

圖1 圓環線圈及其復合屏蔽示意圖Fig.1 Schematic diagram of toroidal coil and itscomposite shielding

圓環線圈產生磁感應強度為：

設圖1區域2中經過n層屏蔽的最后一層屏蔽上的磁感應強度為BN，經過縫隙后n-1層屏蔽的最后一層屏蔽上的磁感應強度為BM，根據公式（2）：

在屏蔽外區域3磁感應強度BN+1為：

式中：Di為入射波參數量；Ci為反射波的參數量（i=0，1，2，…，n）。它們與每一層屏蔽的磁導率、電導率等都有關系，由文獻[20]可推得DM、DN關系式的矩陣關系表達式AN、AM。

因為在屏蔽外z分量起主要作用，根據公式（2）選取公式（2）、（4）中B的z分量。觀測點的磁場強度中無屏蔽時C0=0，可得表達式（13）、（14）。

帶入屏蔽效能計算公式可得

1.2 復合式磁屏蔽效能公式仿真驗證

為了合理設計復合屏蔽結構，根據上文提出的公式進行簡化的仿真計算，本文通過仿真對2層至5層電磁屏蔽結構進行屏蔽效能計算。屏蔽效能計算結果如圖2所示。

圖2 多層屏蔽的屏蔽效能對比Fig.2 Comparison of SEof multilayer shielding

由圖2可見，在15~100 kHz的情況下，電磁屏蔽的屏蔽效能隨著頻率增加而增加，而3層的屏蔽效能比2層屏蔽在100 kHz情況下高10 dB左右，屏蔽效果提升較為明顯。

本文還仿真了改變屏蔽厚度計算觀測點磁通密度變化曲線，結果如圖3所示。

圖3 不同厚度的蔽體對于屏蔽后磁通密度對比Fig.3 Comparison of shielding with different thickness on magnetic flux density after shielding

由圖3可見，在頻率相同時，隨著屏蔽厚度的增加觀測點磁通密度減小的趨勢。經過分析認為，屏蔽厚度對于觀測點的磁通密度有一定的影響，但是考慮到實際應用中體積、重量、渦流損耗等因素，屏蔽厚度應符合實際需求。

2 復合屏蔽結構的設計

本文對電動汽車無線充電常用的鐵氧體+鋁板屏蔽結構進行建模仿真，如圖4所示。

圖4 常用鐵氧體+鋁屏蔽建模示意圖Fig.4 Schematic diagram of commonly used ferrite+aluminum shielding modeling

本文傳能機構有2個帶屏蔽的單D型耦合機構線圈。耦合線圈由直徑為4 mm利茲線繞制而成，其中發射、接收端線圈外徑為260 mm，內徑為130 mm。整個系統的諧振頻率為85 kHz，原邊電流為2 A。其他仿真參數如表1所示。

表1 仿真模型結構參數Tab.1 Structure parameters of simulation model

磁屏蔽材料選擇的型號是JF95方形平板鐵氧體，電屏蔽材料鋁貼在鐵氧體后部。磁屏蔽采用50 mm×50 mm×2 mm的鐵氧體間隔1 mm模擬實際工況鋪設，電屏蔽采用300 mm×300 mm×1 mm的鋁板。

對鋁板表面和耦合機構間的磁通密度進行仿真，如圖5所示。

圖5 仿真模型中鋁板屏蔽和耦合機構磁通密度分布Fig.5 Magnetic flux density distribution diagram of aluminum plate shielding and coupling mechanism in simulation model

由圖5（a）可見，由于鐵氧體屏蔽之間存在著縫隙，這些縫隙會成為磁力線的泄漏通道，鋁屏蔽表面上磁通密度分布不均勻，在實際應用中會導致額外的渦流損耗。由圖5（b）可見，因為磁力線在屏蔽邊緣處收束，導致屏蔽邊緣漏磁較高，無法達到理想的電磁安全標準。因此，在設計復合屏蔽時考慮加入屏蔽中間層降低漏磁提高屏蔽效果。

本文以典型電動汽車無線充電系統為研究對象，根據上文公式與仿真結果提出了鐵氧體加邊緣加厚納米晶加鋁板的復合式屏蔽結構：在傳統的鐵氧體磁屏蔽與鋁板電屏蔽間加入條狀納米晶屏蔽層，在屏蔽邊緣增加一層納米晶的厚度用來降低邊緣磁泄露，如圖6所示。

圖6 納米晶材料-鐵氧體復合屏蔽結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of nanocrystalline material-ferrite compositeshielding structure

該結構中每一層納米晶屏蔽材料都由4片20μm的納米晶薄片和膠粘劑組成疊層結構。納米晶材料主要有3個功能：①為磁通量提供低阻抗通路，降低鐵氧體磁屏蔽因為縫隙而產生的漏磁；②多層屏蔽結構可對磁場進行多次分流衰減而具有較高的屏蔽效果；③納米晶材料相對于鐵氧體更輕更薄，用于彌補鐵氧體間隙間漏磁可以減少復合屏蔽的厚度與重量并且具有較好的屏蔽效果。

這種納米晶復合式屏蔽結構的好處是在保留鐵氧體屏蔽優點的情況下，采用高磁導率的超薄疊層納米晶材料作為中間層，漏磁場經過多層磁屏蔽被分流衰減多次，結合鋁板電屏蔽的渦流效應也降低了屏蔽背后空間的磁場泄漏。

3 復合屏蔽模型與仿真

根據上文設計的復合屏蔽材料結構，在鐵氧體與鋁屏蔽間屏蔽鋪設磁導率為8 000 H/m、長300 mm寬60 mm的納米晶疊層材料，鋪設厚度為0.5 mm加邊緣額外0.5 mm厚的2層中間層屏蔽結構。

納米晶屏蔽材料為超薄疊層結構，所以使用多層材料建模方法對納米晶材料進行建模，將線圈簡化為同心圓形并視為等效模型，這樣的屏蔽模型在電路中既可以保留納米晶材料特性，在電磁場計算中又能夠高效地剖分和計算，且計算時所占電腦內存相對較少，加快計算速度與計算精度。綜上所述，選用系統的耦合機構模型如圖7所示。

圖7 納米晶復合屏蔽建模示意圖Fig.7 Schematic diagram of nanocrystalline compositeshielding modeling

圖8為仿真計算的納米晶復合屏蔽的鋁板上磁通密度分布圖。

圖8 復合屏蔽結構下鋁板上的磁通密度分布圖Fig.8 Distribution of magnetic flux density on aluminum plate under composite shielding structure

由圖8可見，在加入納米晶屏蔽層后，鋁板表面磁通密度分布更均勻，改善了磁通密度分布，高磁導率的納米晶材料也使屏蔽邊緣的磁通密度有所降低。

為了更細致地觀察，取接收端屏蔽上方50 mm中心線為觀察線，如圖9所示。觀察線的線長取0.5 m，為更好地觀察實驗數據曲線的變化，取1/4接收線圈屏蔽背后空間，測量屏蔽外的空間磁通密度。分別對鐵氧體+鋁板屏蔽、鐵氧體+單層納米晶+鋁板屏蔽的對照組、鐵氧體+邊緣加厚納米晶+鋁板屏蔽3種情況進行了屏蔽外磁通密度和屏蔽效能進行計算，結果如圖10所示。

圖9 觀察線在仿真中的位置Fig.9 Position of observation line in simulation

圖10 帶屏蔽外側觀察線磁通密度變化曲線Fig.10 Curve of magnetic flux density of outer observation line with shielding

由圖10可知，在0.1m和0.4m的屏蔽結構邊緣處，因為磁屏蔽的存在，磁力線在屏蔽周圍收束，屏蔽背部空間的邊緣磁通密度較大。在加入納米晶復合屏蔽后，整個觀察線的磁通密度有了進一步的降低。鐵氧體+鋁板屏蔽、單層納米晶復合屏蔽、邊緣加厚的納米晶背后空間的磁通密度分別為6~14μT、4.2~8.4μT、3.2~6.5μT。仿真表明邊緣加厚的納米晶復合屏蔽對于屏蔽背后整體的空間磁場抑制效果較好，屏蔽背后空間的邊緣磁通密度值最大，相比于鐵氧體+鋁板和單層納米晶復合屏蔽分別降低了53.5%、22.61%，屏蔽背后空間中心點值最小，分別降低了46.7%、23.8%。

圖11為仿真中不同納米晶屏蔽結構下的屏蔽效能圖。

由圖11可以看出，邊緣加厚的納米晶復合屏蔽的屏蔽效能最好；在屏蔽背后的中心點處，邊緣加厚納米晶復合屏蔽比單層納米晶復合屏蔽大3 dB，提高了8.3%。邊緣加厚納米晶復合屏蔽比鐵氧體+鋁板屏蔽大8 dB左右，提高了22.2%。

圖11 不同屏蔽結構下的屏蔽效能Fig.11 Shielding effectivenessof different shielding structures

由此可知，采用邊緣加厚的納米晶復合屏蔽的屏蔽背部空間漏磁更少，尤其是改善了鐵氧體＋鋁板屏蔽背部空間的邊緣漏磁過高的問題，提高了屏蔽效能，為實驗模型的建立提供了參考。

4 復合屏蔽的實驗驗證

為了準確測量出空間各點的磁通密度，本文提出了一種空間磁測量方法對屏蔽背后的空間磁場進行測量。在實驗室內搭建了磁測量平臺，如圖12所示。測量平臺采用光纖連接的高精度電磁場傳感器來保證數據傳輸的穩定性，測量誤差小、精度高。通過系統控制操作臺進行掃描平面、掃描尺寸、電磁場數值等的記錄與測量。

圖12 空間磁測量系統與實驗裝置Fig.12 Spacemagnetic measurement system and experimental device

圖12中，外徑260 mm內徑130 mm的發射、接收線圈組成系統的原邊與副邊機構，屏蔽放置在耦合機構的后部，負載為12Ω電阻，整個系統的諧振頻率為85 kHz，接收端線圈的電流保持為3.4 A。

本文以仿真中結構為例，制作了與仿真模型參數一致帶有納米晶復合屏蔽的耦合機構，如圖13所示。

圖13 復合屏蔽中不同的屏蔽結構Fig.13 Different shielding structuresin composite shielding

為了充分體現屏蔽結構的x-y面磁場分布，測量了接收線圈屏蔽x-y面上50 mm的空間磁通密度。實驗使用磁測量平臺測量了不同屏蔽的1/4屏蔽外空間的磁通密度分布圖。結果如圖14—圖17所示。

圖14 無屏蔽外磁通密度分布Fig.14 Distribution of unshielded external flux density

由圖14可見，無屏蔽的情況下線圈周圍存在著大量漏磁；而圖15—圖17為采用屏蔽結構后磁通密度分布圖，在屏蔽結構的限制下屏蔽外側磁場得到了極大的抑制，屏蔽背后空間的工作區磁通密度相比無屏蔽情況降低了90%。

圖15 鐵氧體+鋁板屏蔽外磁通密度分布Fig.15 Magnetic flux density distribution of ferrite+aluminum shielding

圖17 邊緣加厚納米晶復合屏蔽外磁通密度分布Fig.17 Magnetic flux density distribution of edge-thickened nanocrystalline compositeshielding

圖16 單層納米晶復合屏蔽外磁通密度分布Fig.16 Magnetic flux density distribution of singlelayer nanocrystalline compositeshielding

圖15—圖17中鐵氧體+鋁板屏蔽、單層納米晶復合屏蔽、邊緣加厚的納米晶復合屏蔽背部空間的邊緣磁通密度最大值分別為14、8.2和6.2μT；屏蔽背部中心磁通密度最小值分別為6.2、4.1和3.1μT。可以看出，邊緣加厚的納米晶復合屏蔽比單層納米晶復合屏蔽背后空間的邊緣磁通密度降低了26.1%；比鐵氧體+鋁板屏蔽背后空間的邊緣磁通密度降低了55.7%，整個邊緣加厚的納米晶復合屏蔽背后空間的最小磁通密度相比于單層納米晶復合屏蔽背后空間的磁通密度降低了25%，比于鐵氧體+鋁板屏蔽背后空間的最小磁通密度降低了50%。

選擇了屏蔽效果更好的邊緣加厚納米晶復合屏蔽與鐵氧體+鋁板屏蔽的觀察線磁通密度與屏蔽效能的實驗數據進行對比，如圖18所示。

圖18 屏蔽外觀察線的磁通密度與屏蔽效能Fig.18 Magnetic flux density and SE of shielding observation line

由圖18可以看出磁通密度的實驗數據與仿真差別不大。結合圖13無屏蔽的實驗數據做出屏蔽效能曲線，邊緣加厚的納米晶復合屏蔽的屏蔽效能要好于鐵氧體+鋁板屏蔽，在屏蔽邊緣處兩者屏蔽效能相差了4 dB，約26.7%；在屏蔽背后的中心點兩者的屏蔽效能相差了8.2 dB，約22.9%。根據實驗結果可知，納米晶復合屏蔽的高磁導率多層結構可以很好地束縛耦合機構間磁場，降低屏蔽背部空間的漏磁場。

5 結論

本文首先結合電動汽車無線充電實際工況提出了針對復合屏蔽的屏蔽效能計算公式。根據公式進行簡化的仿真計算，設計了新型納米晶復合屏蔽。利用無線充電專用的空間磁測量平臺，實驗測量了空間磁通密度分布，并繪制了屏蔽背后空間磁通密度分布圖。本文設計的邊緣加厚納米晶復合屏蔽相比于單層納米晶復合屏蔽磁通密度下降了25%~26.1%，相比于鐵氧體+鋁板結構磁通密度下降了50%~55.7%，屏蔽結構的屏蔽效能高22.9%~26.7%。