基于遺傳算法的電動汽車無線充電樁信號控制器外殼的屏蔽效能預(yù)測方法研究

魯燕 ，陳澤南，張馳，趙旭東

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南通供電分公司，江蘇南通，226001；2. 江蘇省電氣裝備與電磁兼容工程實驗室（南京師范大學(xué)），江蘇南京，226001)

0 引言

目前隨著我國能源產(chǎn)業(yè)逐漸向綠色新能源轉(zhuǎn)型，電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越迅速，與此同時電動汽車的無線充電樁也越來越受到行業(yè)重視。基于電磁輻射線圈的無線充電樁通常工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，而無線充電樁的信號控制電路容易受外界輻射干擾，為了保證無線充電樁能夠正常工作，加裝電磁屏蔽外殼是簡單有效的手段之一。

屏蔽效能一般通過實驗或數(shù)值計算得到，實驗往往需要在暗室中進行且耗費巨大，而數(shù)值計算通常也需要不小的計算資源。所以設(shè)計合適的計算算法，快速準確的預(yù)測屏蔽外殼的屏蔽效能對屏蔽外殼的設(shè)計具有重要的意義。對于殼體屏蔽效能的分析方法主要有數(shù)值方法和解析方法兩種。通過數(shù)值計算方法可以預(yù)測復(fù)雜腔體的屏蔽效能，但往往需要較大的計算量。解析計算法通常對結(jié)構(gòu)外殼有較多限制且存在一定程度的近似處理，但在簡單的開孔外殼情況下一般能快速得到比較準備的結(jié)果。本文基于傳輸線方法建立屏蔽腔體等效電路并通過多層自適應(yīng)算法求解BLT方程獲得等效電路阻抗參數(shù)[5]，然后結(jié)合電壓與電場關(guān)系預(yù)測屏蔽外殼屏蔽效能，該方法比傳統(tǒng)的數(shù)值方法計算量更小。而與傳統(tǒng)的傳輸線方法相比，該方法適用于更加復(fù)雜的多層屏蔽外殼結(jié)構(gòu)[1-4]。

文獻[1-3]主要對無線充電樁的電磁輻射及電磁輻射抗干擾作了一定的研究與分析，但目前對于無線充電樁信號控制電路的電磁屏蔽的研究還是比較少的。本文通過電磁仿真軟件和理論算法在100MHz~1000MHz內(nèi)預(yù)測無線充電樁信號控制電路的外殼屏蔽效能，相比于傳統(tǒng)仿真方法和計算方法更加快速準確[1-4]。

1 電動汽車的無線充電系統(tǒng)

■1.1 無線充電系統(tǒng)

無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中容易受到外界電磁干擾的主要有發(fā)射端整流逆變部分及發(fā)射端補償控制設(shè)備、車載端整流濾波裝置以及信號控制系統(tǒng)，尤其是信號控制系統(tǒng)，當外界電磁輻射較強時容易引起較高的誤碼率。因此設(shè)計有一定屏蔽能力的電磁屏蔽外殼是必要的。

圖1 無線充電系統(tǒng)示意圖

■1.2 信號控制器外殼

無線充電樁的信號控制電路多由電力電子器件組成的變換電路及信號電路，當其工作在復(fù)雜電磁環(huán)境下時容易受到干擾影響，因此需要預(yù)測評估外殼的屏蔽效果是否滿足設(shè)備正常工作需求，如圖2是某型號無線充電樁的控制電路機箱外殼。

圖2 某型號無線充電樁控制器圖

控制機箱外殼上各類開孔結(jié)構(gòu)如電源接口，信號線纜開口及控制屏窗口等。各類開孔結(jié)構(gòu)都會對外殼的屏蔽效果造成影響，本文通過仿真分析和算法模型結(jié)合來預(yù)測該型號控制器外殼的屏蔽效能[5-7]。

2 控制電路機箱外殼仿真建模與分析

■2.1 基于CST軟件的仿真建模

根據(jù)控制機箱外殼物理結(jié)構(gòu)，通過solidworks軟件構(gòu)造外殼物理模型，將其導(dǎo)入電磁仿真軟件CST中進行電磁仿真分析，外殼模型示意圖如圖3所示。

圖3 外殼模型示意圖圖

圖中外殼的參數(shù)如下；a=60cm，b=180cm，c=30cm，e=40cm，f=100cm，外殼厚度h為3mm。本文為了簡化分析過程只考慮外殼正面較大開口（控制屏的開口）而忽略其余較小開孔（如散熱孔,電源線纜開孔）。

本文的所有仿真實驗均在CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)工作室進行，將如圖3所示的外殼模型導(dǎo)入仿真軟件CST中，之后設(shè)置對應(yīng)的仿真參數(shù)如下：材料選定為合金鋁，電導(dǎo)率設(shè)置為36000000S/m，同時磁導(dǎo)率設(shè)定為11H/m。本文設(shè)定電場矢量垂直傳播方向，由于屏蔽效能為比值定義式，因此可以選取電場模大小為1V/m的平面波，探針分別設(shè)置為殼體幾何中心A點及殼體中軸線線上距離殼體正面25cm的B點。

■2.2 仿真結(jié)果分析

本文引入屏蔽效能來度量外殼的屏蔽效果，電場和磁場屏蔽效能定義分別為[7-9]，

其中H0和E0分別是不加屏蔽時空間內(nèi)某點的電場強度和磁場強度，Hs和Es分別為加屏蔽后同一點的電場強度和磁場強度，屏蔽效能的單位為dB。在本文中以電場屏蔽效能為度量結(jié)果。

殼體幾何中心A點的屏蔽效能仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在頻率小于670MHz時屏蔽效能隨著頻率增加而減小并在670MHz時達到最小值，在670MHz到820MHz時屏蔽效能隨頻率增加而急劇上升，820MHz到1000MHz時屏蔽效能隨頻率增加而緩慢下降。需要注意的是670MHz的頻率點，此時由于入射波及反射波疊加引起的諧振效果導(dǎo)致該頻率點的屏蔽效能急劇減小，即該外殼對該頻率的電磁波屏蔽效果最差[7]。

圖4 A點屏蔽效能仿真結(jié)果

3 基于傳輸線理論的遺傳算法預(yù)測

■3.1 機箱外殼的傳輸線等效電路

本文將矩形外殼等效為傳輸線電路如圖5所示。

圖5 等效傳輸線電路

根據(jù)傳輸線理論及戴維南定理可以得到，本文引入屏蔽效能來度量外殼的屏蔽效果，電場和磁場屏蔽效能定義分別為[8-11]：

其中kg，Zg為矩形波導(dǎo)的相位阻抗和特征阻抗，yp，d為觀測點位置坐標與屏蔽外殼幾何尺寸，1k，k2，C為開孔阻抗參數(shù)，開孔形狀參數(shù)及位置參數(shù)，SEp為觀測點位置屏蔽效能的預(yù)測值[10-12]。

■3.2 基于遺算法的參數(shù)提取

根據(jù)的殼體中央位置的屏蔽效能信息，本文通過遺傳算法來獲取公式（3）中的參數(shù)1k，k2，C，具體過程如下[13-16]：

(1)編碼：

采用實數(shù)編碼，構(gòu)造線性變換：

把約束區(qū)間為[aj，bj]的第j個變量fj 映射到區(qū)間[0，1]上的實數(shù)xj，j=1,2…N；

(2)初始化種群：

在[0，1]區(qū)間上的均勻生成隨機數(shù)，其中，w為子種群數(shù)，z為每個子種群數(shù)包含的個體數(shù)，c為優(yōu)化參數(shù)個數(shù)，以系統(tǒng)模型殘差平方和Q最小構(gòu)造優(yōu)化準則函數(shù)：

式中，?(f)為實測阻抗幅值，?(fi)為理論計算值；

經(jīng)式（4）得到優(yōu)化變量值，再經(jīng)式（5）得到相應(yīng)的目標函數(shù)值Q(xi)；

(3)適應(yīng)度評價：

目標函數(shù)值Q(xi)越小，則越容易被遺傳下去，即進入下一輪迭代中，設(shè)適應(yīng)度評價函數(shù)為：

式中，τ=0.001；

（4）選擇操作：

對每個子種群從父代個體中按照輪盤賭方法其被選中的概率為：

（5）交叉操作：

對種群中隨機線性重組后的新個體為：

式中，u1，u2都為[0，1]之間均勻分布隨機數(shù)；

（6）變異操作：

以小概率pm=1-pi進行擾動，防止早熟，即避免過早收斂：

式中，u(j)和um為隨機數(shù)，j=1,2…n；

（7）判別收斂：

當算法運行達到預(yù)定進化次數(shù)或目標函數(shù)值Q(xi)小于設(shè)定值，結(jié)束算法的運行，并把當前群體中最優(yōu)個體作為參數(shù)最優(yōu)估計值的結(jié)果，即我們所求的等效參數(shù)，記為K1、K2、C，分別代表等效開孔阻抗參數(shù)、等效開孔形狀參數(shù)和等效位置參數(shù)的初始值；否則，轉(zhuǎn)入步驟S23，重新進行評價、選擇、交叉和變異操作[13-16]。

根據(jù)算法參數(shù)結(jié)果代入公式（3）計算B點屏蔽效能與仿真對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 B點屏蔽效能仿真結(jié)果與算法結(jié)果對比

■3.3 箱內(nèi)屏蔽效能分布

通過遺傳算法提取參數(shù)結(jié)果并將殼體中軸線上各點屏蔽效能關(guān)于頻率的平均值作為參考值，根據(jù)公式（3）可以得到屏蔽效能與中軸線上點距離殼體正面距離的關(guān)系如圖7所示。結(jié)果表明，在距離開孔面25cm和45cm處屏蔽效能較小，電磁屏蔽效果相對較差，在37cm處屏蔽效能較大，電磁屏蔽效果較好。因此在設(shè)計內(nèi)部電路時，應(yīng)將敏感電路放置在距離開孔面37cm處取得更好的屏蔽效果。

圖7 距離開孔面不同距離的屏蔽效能

4 實驗驗證暗室實驗

■4.1 實驗設(shè)計

在10米法全波暗室中進行驗證實驗，分別在模擬無線充電環(huán)境下測試外殼內(nèi)部中軸線上距殼體正面25cm處的X點及37m處的Y點的電場輻射噪聲強度。實驗場地布置及測試用外殼模型分別如圖8所示。

圖8 實驗場地布置

■4.2 實驗結(jié)果分析

建立了電動汽車無線充電樁的控制電路機箱外殼的簡化物理模型，并利用CST軟件進行了電磁場仿真，得出外殼內(nèi)部兩點的屏蔽效能。測試顯示X點和Y點輻射噪聲結(jié)果分別如圖9、圖10所示，結(jié)果表明在中低頻段兩處電場輻射噪聲基本接近，在高頻段X點處電場輻射噪聲遠大于Y點處，即Y點處的電磁屏蔽效果要優(yōu)于X點處，此實驗結(jié)論與前文中算法預(yù)測結(jié)果相一致。

圖9 X點電場輻射噪聲

圖10 Y點電場輻射噪聲

5 結(jié)論

建立了電動汽車無線充電樁的控制電路機箱外殼的簡化物理模型，并利用CST軟件進行了電磁場仿真，得出外殼內(nèi)部兩點的屏蔽效能。

通過遺傳算法處理仿真獲取的外殼幾何中心處的屏蔽效能信息，得到外殼等效傳輸線電路模型的相關(guān)參數(shù)。利用等效傳輸線電路模型得到外殼內(nèi)部中軸線上不同點的屏蔽效能信息，并與仿真結(jié)果進行了對比驗證，結(jié)果表明該方法能有效的預(yù)測100MHz~1000MHz范圍內(nèi)的外殼內(nèi)部中軸線上各點的屏蔽效能。根據(jù)算法提取參數(shù)結(jié)果對箱體中軸線上的屏蔽效能分布情況進行了預(yù)測，并通過暗室實驗驗證了算法預(yù)測結(jié)果的有效性。該屏蔽效能預(yù)測方法對于充電樁控制器外殼及內(nèi)部電路分布設(shè)計有一定的參考價值。