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无线电能传输系统的电磁干扰，会威胁人身安全，如何有效抑制？

传统的有线充电技术仍然是目前电力传输的主要方式 ， 通过插头和插座的物理性连接实现电能的传输 。 然而 ， 它也存在各种各样的问题 ， 如摩擦与老化引起的安全问题 ， 便携式电子设备和植入式医疗设备充电的不便 ， 以及在矿井和水下工作环境下电力传输的危险性 。
无线电能传输（WirelessPowerTransfer,WPT）技术作为一项新型的电能传输方式 ， 可有效地实现非接触式电能传输 ， 减少触电危险的同时大大地提高了充电系统的安全性 。 随着无线电能传输技术研究的不断加深和推广 ， 无线充电产品将成为未来最有潜力的市场之一 。
由于无线电能传输系统在传播过程中需要借助磁耦合机构将发射侧的电能转化成高频磁场 ， 电磁场是WPT系统传输电能的介质 ， 其带来的电磁辐射问题将给公众的人身安全带来严重的威胁 。
为了有效地抑制无线电能传输系统的电磁干扰 ， 使其满足ICNIRP等电磁兼容导则 ， 合理的电磁干扰抑制措施逐渐成为国内外研究工作者的研究重点 。 作者详细介绍了电磁屏蔽技术和扩频技术这两类抑制技术 ， 同时对其他电磁抑制措施进行简单的介绍 。
无线电能传输系统的电磁干扰，会威胁人身安全，如何有效抑制？
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1电磁屏蔽技术
电磁屏蔽技术作为目前WPT系统电磁辐射抑制的主流措施 ， 在无源屏蔽技术、有源屏蔽技术以及谐振无功电流环等抑制措施上已经拥有许多进展性的研究成果 。 有学者以消费电器和在线供电电动汽车（On-LineElectricVehicle,OLEV）的WPT系统为研究对象 ， 探究了无源屏蔽技术和谐振无功电流环法在WPT系统电磁辐射抑制的应用效果 ， 并通过实物电路实验验证所提方法的可靠性 。
1.1无源屏蔽技术
无源屏蔽技术是指使用金属屏蔽材料对耦合线圈产生的高频交变磁场进行屏蔽的一种电磁辐射抑制技术 ， 该技术目前已经成为WPT系统电磁辐射最常用的抑制手段 。 无源屏蔽技术使用的金属屏蔽材料主要包括铁磁性金属材料和非铁磁性金属材料 。
铁磁性屏蔽材料可以为耦合线圈产生的磁场提供一条高磁导率的通道 ， 这有利于减小线圈产生的漏磁场；而非铁磁性屏蔽材料通过导电材料产生反向的涡流磁场 ， 从而对原磁场进行一定程度的抵消 。
由于两种金属屏蔽材料都会显著改变WPT系统的电气参数 ， 故需要考虑屏蔽体对原有WPT系统的传输性能影响 。 同时 ， 两种金属屏蔽材料对线圈自感和互感数值的影响方向相反 ， 且屏蔽效果各有不同 ， 实际过程中往往采用两种屏蔽材料相结合的方式来对WPT系统的电磁辐射进行有效的抑制 。
有学者对无屏蔽、铁磁性材料屏蔽以及铁磁性与非铁磁性材料屏蔽相结合这三种情况下的线圈磁场进行了电磁仿真分析 ， 不同屏蔽条件下线圈电场分布如图1所示 。 从仿真结果可知 ， 铁磁性材料对线圈电磁场能够起到一定的屏蔽作用 ， 同时结合非铁磁性屏蔽材料后 ， 屏蔽体竖直方向上的漏磁场得到了很好的抑制 。
但需要说明的是 ， 该屏蔽方法并没有减弱水平方向上的漏磁场 。 同时铁磁性屏蔽体会显著增大线圈的自感和耦合系数 ， 但其对线圈产生的高频磁场屏蔽效果有限；而非铁磁性屏蔽体的引入会造成线圈自感和耦合系数的减小 ， 其对屏蔽体竖直方向的漏磁场有着显著的屏蔽抑制效果 。 实际过程中常常通过铁磁性屏蔽体和非铁磁性屏蔽体相结合来实现对WPT系统的电磁辐射屏蔽 。
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图1不同屏蔽条件下线圈电场分布
除此之外 ， 大量学者也对WPT系统的无源屏蔽技术进行了应用研究 。
有学者通过添加铁氧体和铝板屏蔽的方式 ， 探究了电动汽车WPT系统无源屏蔽技术的屏蔽效果 。
有学者对铁氧体磁心与铝板的综合屏蔽效果进行了评估 ， 通过引入不同数量的磁心来测试不同屏蔽配置下系统的传输性能与频率特性 ， 表明在合理的屏蔽组合方式下 ， 系统可以实现有效的电磁辐射屏蔽并保持较高的传输效率 。
有学者对整体屏蔽、在发射端设置水平屏蔽体和设置竖直屏蔽体三种屏蔽方式进行了电磁仿真 ， 并从屏蔽效果和涡流损耗等方面对三种屏蔽方式进行了对比 ， 得出了水平屏蔽方式最适用于电动汽车WPT系统的结论 。
1.2有源屏蔽技术
无源屏蔽技术对水平方向上的漏磁场并没有明显的抑制作用 ， 当将该方案应用于电动汽车或在线供电电动汽车（OLEV）时 ， 电动汽车WPT系统产生的水平方向上的漏磁场会对路人产生一定的电磁辐射危害；对于高功率或者非常大的气隙 ， 其产生的电磁干扰十分严重 ， 远远超过了ICNIRP限制 。
有源屏蔽技术作为一种有效消除水平电磁干扰的方法 ， 主要是利用带有激励源的抑制线圈产生与原磁场方向相反的抵消磁场 ， 进而实现对原漏磁场的消除或削弱 ， 有源屏蔽的结构如图2所示 。
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图2有源屏蔽的结构
为了减小电路的设计难度 ， 实际设计中可将抑制线圈直接引入到WPT系统的主电路中 ， 此时抑制线圈和耦合线圈共用同一激励源 ， 引入到主电路的抑制线圈 ， 如图3所示 。
根据抑制线圈磁路是否被引入到主磁路的情况 ， 可分为图3a和图3b两种情况 。 图3a中 ， 抑制线圈磁路不出现在主磁路中 ， 其对于WPT系统的正常能量传输影响较小 ， 是较为理想的情况；而图3b所示的抑制线圈磁路与主磁路直接产生耦合 ， 这将导致发射线圈和接收线圈之间的有效耦合磁场变小 ， 从而不利于能量的传输 。
有研究在圆形线圈的基础上引入了一个同心的抑制线圈 ， 通过电磁仿真和测量结果表明这一结构可以有效地抑制耦合线圈的辐射磁场 ， 但引入的抑制线圈削弱了主磁场 ， 导致传输效率显著下降 。
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图3引入到主电路的抑制线圈
有学者针对感应式无线电能传输系统 ， 提出了独立电动势自消去法（IndependentSelfEMFCancelmethod,ISEC）、3dB主电动势消去法（3-dBDominantEMFCancelmethod,3DEC）和无耦合电动势消去法（Linkage-FreeEMFCancelmethod,LFEC）三种通用的有源电动势消除法 ， 并在I型IPT系统中得到了实验验证 。
由于这三种方法中抵消线圈磁路不进入主磁路 ， 故不会使系统发生明显的功率下降 ， 同时该研究还对主线圈与抑制线圈的最佳间距和最佳匝数进行了初步探究 。
总体来说 ， 有源屏蔽技术可以实现对特定位置漏磁场的有效削弱 ， 实际设计过程中可与无源屏蔽技术相结合 ， 进而实现全方位的电磁辐射屏蔽 ， 但也存在设计复杂和影响主磁场能量传输效果等问题 。
1.3无功电流谐振环屏蔽技术
无功电流谐振环法集成了无源屏蔽和有源屏蔽的优点 ， 在不增加激励源的情况下 ， 借助原磁场在屏蔽线圈感应出的反向抵消磁场对入射磁场进行有效地削弱 。 该方法利用线圈产生的漏磁场作为无功谐振回路的激励源 ， 克服了有源屏蔽中存在的功率下降问题 ， 同时屏蔽线圈的布置更为灵活 ， 因此具有更广泛的应用前景 ， 能够适用于不同工况下的WPT系统 。
KAIST利用带有开关阵列和调谐电容的无功电流回路控制屏蔽线圈回路的谐振频率 ， 实现了一定频率下的漏磁场抵消 ， 并将其应用到OLEV的WPT系统中 。 在该研究中 ， 为了使合成磁场的电动势最小 ， 采用磁场传感回路反馈系统测定测量点位置的磁场强度 ， 通过控制器找到使总电动势最小的电容组合 。
在此基础上 ， 有学者对该方法的屏蔽效果和传输效率的影响进行了进一步的探究 ， 其中耦合线圈和屏蔽线圈的位置分布如图4a所示 ， 屏蔽线圈可以有效抵消水平方向的漏磁场 ， 在实验中该屏蔽方法最大限度地降低了64%的入射漏磁场 ， 明显优于仅有无源屏蔽体时15%的屏蔽效果 。 除此之外 ， 为了保证屏蔽线圈的屏蔽效果 ， 应使其具有90°相位的低阻抗 。
实际应用中 ， 该研究提及的无功谐振电流环屏蔽技术往往很难使漏磁场和抵消磁场保持180°的相位偏移 。 有学者在此基础上进一步提出了一种由双屏蔽线圈和四电容移相器组成的新型无功谐振屏蔽方法 ， 该方法在原有一次屏蔽线圈的基础上继续增加了一个新的二次屏蔽线圈 ， 其中耦合线圈和两个屏蔽线圈的位置分布如图4b所示 ， 二次屏蔽线圈的存在进一步降低了观测点的泄露磁场 。
与有源屏蔽技术相似 ， 无功电流谐振环屏蔽法在实际过程中往往和无源屏蔽法相结合 ， 共同实现对泄露磁场的全方位电磁屏蔽 ， 但也存在控制方法复杂、参数难以设计的问题 。
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图4耦合线圈和屏蔽线圈的位置2扩频技术
目前国内外学者对WPT系统电磁辐射抑制的研究大多集中在对辐射磁场的电磁屏蔽上 ， 而扩频技术的运用则可以有效地从辐射源源头抑制谐波噪声 。 通过改变载波频率的方式 ， 使得谐波噪声和基波的功率谱密度分布在更宽的频率范围内 ， 改善空间电磁场的频率谱 ， 进而有效抑制了低次谐波分量 。 由于扩频技术是通过软件算法实现的 ， 相比其他屏蔽技术 ， 其不需要增加新的硬件结构 。
KAIST基于扩频技术采用三角形调制曲线对逆变器的开关频率进行了抖动扩频调制 ， 并在工作频率20kHz下对1kW的WPT系统进行了仿真研究 ， 仿真结果表明该调制方法可将磁场辐射降低到8.7dB ， 并且在各谐波下对电流频谱的抑制能力最高达到了20dB 。
长岗技术科学大学的研究团队提出了均分分布扩频（SpreadSpectrumwithaUniformDistribution,SSUD）调制和带偏置分布扩频（SpreadSpectrumwithaBiasedDistribution,SSBD）调制这两种降低IPT系统辐射噪声的方法 。
其中SSUD的输出频率是从均匀概率分布中选出的 ， 而SSBD则是从偏置概率分布中选出的 ， 与正常谐振工况相比 ， 扩频调制增加了无功电流 ， 但扩频降噪的效果要比无功电流引起的噪声更为明显 。
在输出功率为3.0kW的样机中 ， SSUD和SSBD对一次电流的抑制率分别为42.6%和72.1% ， 其对应的效率分别降低为0.8%和1.1% ， 同时实验数据也表明SSUD和SSBD分别适用于轻载区和重载区 。
除此之外 ， 有学者将混沌载波调制应用于WPT系统中 ， 该方法通过分散电磁场频率谱的方式同样实现了WPT系统的电磁辐射的降低 。 扩频技术可以在不增加新的硬件结构的前提下 ， 有效地从源头降低WPT系统的电磁辐射 ， 在未来具有一定的应用前景 。 3其他抑制措施
近几年大量研究工作者也对WPT系统的电磁干扰抑制提出了许多新的方法 。
有学者提出了一种基于紧耦合三相谐振磁场的WPT系统 ， 并将其应用于无人机无线充电中 ， 该方法可以完全消除3次谐波及其输出相电压的整数倍分量 。
为了进一步降低低次谐波的电磁干扰 ， 有学者还提出了一种导通角控制方法 ， 该方法使得发射线圈电流中7次和11次谐波分量分别减小了6.08dB和11.84dB 。
有学者提出了一种新型的WPT系统三相电力线 ， 通过磁场对称抵消的方式大幅度降低了观测点的漏磁场 ， 同时保持了较小的接收功率波动 ， 并将其应用于OLEV中 。 通过仿真和实验结果表明所提出的三相电力线漏磁场比常规方案降低了96% ， 但该方案的输入总功率要高于单根电力线 ， 且总输入电流明显高于单相电力线 ， 这不利于其进行更深入的推广 。
有学者通过控制绕组电流的大小和相位来抑制IPT系统的杂散磁场 ， 借助逆变器和整流器电压的PWM实现对绕组电流大小和相位的控制 ， 在发射电流与接收电流相位差为50°时 ， 相比传统相位差为90°的工况下 ， 杂散磁场降低了30% 。
有学者通过引入一个中间线圈实现对3次谐波电磁干扰的抑制 ， 在中线线圈谐振频率为150kHz时能够实现约8dB的电磁干扰（ElectromagneticInterference,EMI）抑制；同时随着中间线圈谐振频率的增加 ， 其对电磁干扰的抑制作用将更为明显 ， 但也存在系统效率降低的问题 。
有学者提出了一种基于零耦合抵消线圈的WPT电磁干扰抑制方法 ， 该方法可以实现比铝板更有效的屏蔽 ， 同时对WPT系统效率的降低程度也明显低于铝板屏蔽 。
有学者研制了一种基于广义哈尔巴赫阵列组装的三维结构功率发射线圈 ， 并将其应用于医疗微型机器人上 ， 其可以在不添加其他屏蔽材料的情况下实现对辐射磁场的自动抵消 。
有学者将屏蔽线圈和放大线圈相结合 ， 提出了一种低泄露电磁场和高效率的混合环路阵列 ， 其中屏蔽线圈可以实现泄露电动势的降低 ， 而放大线圈可以显著增强发射线圈的磁场 ， 研究表明在泄露电动势降低了3dBm的前提下 ， WPT系统的效率同时提高了9.36% 。
【无线电能传输系统的电磁干扰，会威胁人身安全，如何有效抑制？】有学者提出了一种12线圈的WPT系统 ， 该系统的发射侧和接收侧各分布有6个相邻60°的耦合线圈 ， 通过对称消除的方式降低了电磁线圈的辐射噪声 。 本文编自《电工技术学报》 ， 原文标题为“无线电能传输系统电磁兼容研究现况及发展趋势” ， 作者为沈栋、杜贵平、丘东元、张波 。


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