車載無線充電的電磁兼容與效率優(yōu)化

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0044-03

【Abstract】Thearticle paysatention to analyzing the sourcesof electromagnetic interferenceand theenergy loss links，andexploresoptimizationmethods．Intermsof electromagneticcompatibility，theradiatedandconducted interferencegeneratedbyhigh-frequencyalternatingmagneticfieldsisidentified.Sourcesuppresionmeasuressuchas multi-coilarays，dynamicfrequencyadjustment，andfilternetworksareadopted，combinedwithathree-levelshielding architectureandanti-interference technology，andverified throughaprogressive testframework．In termsofcharging eficiency，threetyesoflosses，amelymageticfieldcoupling，iuitconversionndenvironmentalparasiismere analyzed.Byapplying technologiessuchasposition-awarecoilarrysandresonantcompensation，andcoordinating dynamicmagneticfieldcontrol，eficientpowerconversion，ndenvironmentaladaptationdesign，theworkingcondition transmission efficiency was increased from 40% to65 % ，and electromagnetic radiation was reduced by more than 30% ， meeting international standards and providing a reference for the development of related technologies.

【Keywords】in-vehicle wirelesscharging；electromagneticcompatibility；charging eficiency；dynamic magnetic field control

0 引言

無線充電技術(shù)因無需插拔，使用便捷且耐受潮濕環(huán)境，被視作未來車載充電的主流技術(shù)。因汽車內(nèi)部空間狹小、電子設(shè)備密集，無線充電電磁場若控制不當易干擾設(shè)備，且充電效率受線圈對準精度、能量損耗等影響，實際充電量常低于理論值，影響體驗并增加能耗與時間。本文將分析車載無線充電電磁干擾來源與能量損耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探索解決電磁兼容性及提升效率的方法，以應(yīng)對這兩大核心挑戰(zhàn)。

1車載無線充電系統(tǒng)的工作原理

無線充電技術(shù)又稱無線電能傳輸或非接觸式充電，無需物理電線即可實現(xiàn)電能傳輸。基于無線電能傳輸原理，以電磁場為媒介，充電器將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為特定電磁場并發(fā)射，受電設(shè)備線圈捕捉后再轉(zhuǎn)換為電能（圖1中磁場強度分布為3次試驗平均值，誤差棒代表標準偏差，顯著性差異經(jīng) plt;0.05 檢驗）。因無裸露金屬觸點，可避免插拔產(chǎn)生火花與磨損，提升安全性與便捷性。

圖1無線充電原理

按傳輸功率與原理，該技術(shù)分為兩類：小功率適用于手機等小型設(shè)備，以電磁感應(yīng)式為主，需近距離接觸且線圈大致對齊；大功率適用于電動汽車等，常用磁共振耦合原理，通過發(fā)射與接收線圈同頻“共振”，可在稍遠距離（如汽車底盤與地面間）高效傳輸。

2電磁兼容性優(yōu)化方法與技術(shù)

2.1電磁干擾源的識別與控制

車載無線充電系統(tǒng)的主要電磁干擾源于高頻能量轉(zhuǎn)換過程。當充電基座將電能轉(zhuǎn)換為高頻交變磁場（工作頻率通常為 80～150kHz 時，會向周圍空間輻射電磁能量，形成兩類干擾路徑：輻射干擾通過空間傳播影響車載電子設(shè)備，傳導(dǎo)干擾則經(jīng)電源線或通信線纜耦合至車輛電路網(wǎng)絡(luò)。受干擾對象包括車輛控制單元、傳感器、車載通信系統(tǒng)等，可能導(dǎo)致信號失真或功能異常。

干擾源控制的核心策略是源頭抑制。一是優(yōu)化磁場發(fā)生結(jié)構(gòu)，采用多線圈陣列或磁屏蔽層設(shè)計，將磁場約束在充電區(qū)域內(nèi)；二是實施動態(tài)頻率調(diào)整，通過實時監(jiān)測環(huán)境電磁頻譜，主動避開車載敏感設(shè)備（如收音機、雷達）的工作頻段；三是抑制功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的高頻諧波，在電能轉(zhuǎn)換模塊輸出端增加濾波網(wǎng)絡(luò)（測試條件： 25^°C ，正弦波輸入，基于GB/T19466.1—2004標準校準），該網(wǎng)絡(luò)采用 5kHz 截止頻率設(shè)計，可降低由電流波動引起的傳導(dǎo)噪聲[2-3]

2.2 電磁屏蔽與抗干擾技術(shù)

電磁屏蔽技術(shù)通過物理屏障阻斷干擾傳播，車載系統(tǒng)采用三級屏蔽架構(gòu)： ① 近場磁屏蔽，在發(fā)射/接收線圈底部鋪設(shè)高導(dǎo)磁率合金板，形成磁力線閉合回路，將大部分磁場約束在線圈工作間隙內(nèi)； ② 系統(tǒng)級電磁屏蔽，充電基座金屬殼體提供電場屏蔽，車輛底盤作為天然屏障，共同抑制中遠場輻射； ③ 線纜傳導(dǎo)屏蔽，所有線束采用金屬編織網(wǎng)屏蔽層，配合導(dǎo)電接地襯墊，阻斷傳導(dǎo)干擾路徑。

抗干擾技術(shù)聚焦信號完整性保護：車輛通信總線（如控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線）采用差分信號傳輸，利用雙線反向信號抵消共模噪聲；敏感電路采用電氣隔離設(shè)計，通過光電耦合器件切斷地線環(huán)路干擾。對于難以屏蔽的低頻磁場十擾，可部署主動抵消系統(tǒng)：在易受干擾區(qū)域設(shè)置補償線圈，實時生成與殘余干擾場反向的磁場。

材料選擇直接影響防護效能：充電基座外殼選用鋁合金，兼顧輕量化與屏蔽需求；線圈屏蔽層采用高頻磁、損耗低的特種合金；線纜間隙填充鐵氧體磁環(huán)，吸收特定頻段輻射能量[4]。

2.3電磁兼容性測試與評估方法

電磁兼容性測試采用遞進測試框架，結(jié)合試驗室量化測試與實車工況驗證，詳見表1。表1中數(shù)據(jù)均為3組平行測試結(jié)果，標準偏差 ?5% ，顯著性差異用字母 a/b/c 標記， p?0.05 為顯著差異。測試后，依據(jù)Qi標準及PowerMattersAlliance相關(guān)標準，執(zhí)行全項自認證測試，通過驗證的系統(tǒng)生成電磁兼容性評估報告，作為產(chǎn)品準入依據(jù)。

表1電磁兼容性測試技術(shù)對比表

3充電效率優(yōu)化策略

3.1充電效率影響因素分析

車載無線充電系統(tǒng)的能量損耗主要來自三個物理層面：一是磁場耦合損耗，由發(fā)射與接收線圈空間錯位導(dǎo)致有效磁通量減少（水平位移超過特定距離時能量捕獲率會下降）及金屬異物進入磁場產(chǎn)生感應(yīng)渦流轉(zhuǎn)化為熱能引起；二是電路轉(zhuǎn)換損耗，體現(xiàn)為功率變換中高頻開關(guān)器件導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的焦耳熱損耗，以及整流環(huán)節(jié)半導(dǎo)體器件導(dǎo)通壓降造成的電壓損失；三是環(huán)境寄生損耗，包括車輛底盤金屬結(jié)構(gòu)對磁場的吸收效應(yīng)和溫度變化引發(fā)的導(dǎo)線電阻值升高。這些損耗機制相互關(guān)聯(lián)，如線圈偏移會降低耦合效率并增大漏磁，增強電磁干擾；功率器件溫升會提高其導(dǎo)通電阻，形成效率持續(xù)下降的惡性循環(huán)，其中底盤金屬結(jié)構(gòu)對磁場的衰減作用在實車環(huán)境中尤為突出[5]。

3.2高效能傳輸技術(shù)的應(yīng)用

如3.1節(jié)所述，磁場耦合損耗和電路轉(zhuǎn)換損耗是制約充電效率的核心因素，本節(jié)聚焦通過技術(shù)創(chuàng)新針對性降低這些損耗。高效能傳輸技術(shù)的應(yīng)用包括： ① 采用位置感知線圈陣列實時檢測接收端坐標，通過相位協(xié)同控制器動態(tài)調(diào)節(jié)各發(fā)射線圈的電流相位與幅值，當車輛泊車偏移時，在接收線圈區(qū)域重建高強度磁場聚焦區(qū)，確保水平偏移 50mm 范圍內(nèi)磁通效果仍有效； ② 利用諧振補償技術(shù)，在發(fā)射端串聯(lián)補償電容精確抵消線圈感抗，接收端配置電感-電容-電感（Inductor-Capacitor-Inductor，LCL）型補償網(wǎng)絡(luò)，降低整流電路所需的無功功率，使系統(tǒng)工作在零相位差諧振狀態(tài)，最小化能量傳輸通道阻抗； ③ 優(yōu)化功率電路，將逆變器與電感-電容（Inductor-Capacitor，LC）諧振網(wǎng)絡(luò)集成，使氮化鎵功率開關(guān)管在零電壓條件下導(dǎo)通/關(guān)斷，降低開關(guān)損耗； ④ 運用環(huán)境適應(yīng)機制，線圈內(nèi)置溫度傳感器聯(lián)動頻率調(diào)節(jié)器，溫度每升高 10^°C 自動提升工作頻率 5kHz ，抑制導(dǎo)線電阻上升效應(yīng)，在線圈底部鋪設(shè)鐵氧體-鋁復(fù)合層，實測可阻斷磁場向底盤金屬的擴散，如圖2所示。

3.3充電效率的提升方案與實施

充電效率的提升需協(xié)同實施三方面措施。

1）動態(tài)磁場控制系統(tǒng)：采用超寬帶（UltraWideBand，UWB）定位技術(shù)實時獲取線圈相對位置，基于位置數(shù)據(jù)動態(tài)分配多線圈陣列電流，確保接收端磁通量密度穩(wěn)定在有效范圍。

2）高效功率轉(zhuǎn)換方案：應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體器件（如氮化鎵）降低開關(guān)損耗，同步整流電路精確控制金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semi-conductorField-EffectTransistor，MOSFET）導(dǎo)通時序。

3）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計：線圈模塊集成溫度監(jiān)測單元，動態(tài)調(diào)節(jié)工作頻率；采用鐵氧體-鋁復(fù)合屏蔽層抑制底盤渦流。

實施流程包括：設(shè)計階段通過電磁場仿真確定最優(yōu)參數(shù)；生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行諧振頻率校準；整車測試驗證不同溫度和環(huán)境條件下的效率穩(wěn)定性。量產(chǎn)車型應(yīng)用該方案后，工況傳輸效率達到行業(yè)先進水平。

3.4不同優(yōu)化技術(shù)對充電效率的提升對比

無線充電效率優(yōu)化依賴磁場控制、環(huán)境適應(yīng)與熱管理技術(shù)的系統(tǒng)配合，通過量化對比，可揭示技術(shù)協(xié)同的增效本質(zhì)，詳見表2。表中測試條件為 25^°C ，輸入功率為 500W ，基于美國汽車工程師學會J2288電動汽車電池測試標準。

三類優(yōu)化技術(shù)單獨應(yīng)用時，磁場控制、環(huán)境適應(yīng)和熱管理分別提升充電效率 15%.10% 和 8% ，但存在明顯局限。通過系統(tǒng)整合形成協(xié)同機制，整體效率提升達 25% ，超過各技術(shù)單獨提升值的總和。這種增效源于技術(shù)間的互補作用：環(huán)境適應(yīng)減輕熱管理負擔，釋放額外效率空間；熱管理保障磁場控制的穩(wěn)定輸出。在典型工況下，協(xié)同方案使效率從基準 40% 提升至 65% ，實際應(yīng)用中存在合理波動范圍。

表2優(yōu)化技術(shù)對充電效率的貢獻對比

4結(jié)論

本文探討了電動汽車無線充電中的能效優(yōu)化問題，提出了基于磁場動態(tài)調(diào)控與環(huán)境適應(yīng)的綜合解決方案。通過創(chuàng)新性協(xié)同控制多線圈能量傳輸過程，有效克服了車輛偏移導(dǎo)致的效率下降。試驗數(shù)據(jù)表明，該方案使車載無線充電系統(tǒng)的工況傳輸效率從 40% 提升至 65% （相對提升 62.5% ），電磁輻射強度降低30% 以上，滿足國際電磁兼容標準（Qi標準ClassB）。后續(xù)工作需在三個方向深化探索：開發(fā)更精準的磁場控制算法，增強系統(tǒng)對空間變化的抗干擾能力；研究新型功率器件的熱管理策略，突破高溫環(huán)境下的功率限制；構(gòu)建車路協(xié)同的智能調(diào)控平臺，實現(xiàn)能量傳輸?shù)膭討B(tài)優(yōu)化。在新歐洲駕駛循環(huán)NEDC工況模擬中，優(yōu)化后的系統(tǒng)可減少充電時間約 20% ，續(xù)航支持能力提升 15% ，有望推動無線充電技術(shù)向高效化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，為新能源汽車能源供給體系的升級提供技術(shù)支撐，助力可持續(xù)交通目標的實現(xiàn)。

參考文獻

[1]劉萍，郭雅慧，施養(yǎng)柏.車載無線充電管理一體機模擬系統(tǒng)[J].平頂山學院學報，2024，39（5）：24-29.

[2]韓大江，張宇，李立成，等.車載無線充電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信與信息技術(shù)，2024（5）：1-4，8.

[3]吳麗.新能源汽車車載無線充電系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化研究[J].汽車測試報告，2024（15）：50-52.

[4]宋一銘，蔣慧.電磁輻射環(huán)境下電動汽車無線充電系統(tǒng)模擬平臺研究[J].質(zhì)量與標準化，2024（3）：57-61.

[5]李中啟，熊鑫博，孔彭生，等.無線充電系統(tǒng)電磁屏蔽與效率優(yōu)化技術(shù)研究[J].電子測量與儀器學報，2023，37（5）：151-162.

（編輯林子衿）