如何抑制無線電能傳輸系統的電磁干擾

傳統的有線充電技術仍然是目前電力傳輸的主要方式，通過插頭和插座的物理性連接實現電能的傳輸。然而，它也存在各種各樣的問題，如摩擦與老化引起的安全問題，便攜式電子設備和植入式醫療設備充電的不便，以及在礦井和水下工作環境下電力傳輸的危險性。

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer， WPT）技術作為一項新型的電能傳輸方式，可有效地實現非接觸式電能傳輸，減少觸電危險的同時大大地提高了充電系統的安全性。隨著無線電能傳輸技術研究的不斷加深和推廣，無線充電產品將成為未來最有潛力的市場之一。

由于無線電能傳輸系統在傳播過程中需要借助磁耦合機構將發射側的電能轉化成高頻磁場，電磁場是WPT系統傳輸電能的介質，其帶來的電磁輻射問題將給公眾的人身安全帶來嚴重的威脅。

為了有效地抑制無線電能傳輸系統的電磁干擾，使其滿足ICNIRP等電磁兼容導則，合理的電磁干擾抑制措施逐漸成為國內外研究工作者的研究重點。作者詳細介紹了電磁屏蔽技術和擴頻技術這兩類抑制技術，同時對其他電磁抑制措施進行簡單的介紹。

1 電磁屏蔽技術

電磁屏蔽技術作為目前WPT系統電磁輻射抑制的主流措施，在無源屏蔽技術、有源屏蔽技術以及諧振無功電流環等抑制措施上已經擁有許多進展性的研究成果。有學者以消費電器和在線供電電動汽車（On-Line Electric Vehicle， OLEV）的WPT系統為研究對象，探究了無源屏蔽技術和諧振無功電流環法在WPT系統電磁輻射抑制的應用效果，并通過實物電路實驗驗證所提方法的可靠性。

1.1 無源屏蔽技術

無源屏蔽技術是指使用金屬屏蔽材料對耦合線圈產生的高頻交變磁場進行屏蔽的一種電磁輻射抑制技術，該技術目前已經成為WPT系統電磁輻射最常用的抑制手段。無源屏蔽技術使用的金屬屏蔽材料主要包括鐵磁性金屬材料和非鐵磁性金屬材料。

鐵磁性屏蔽材料可以為耦合線圈產生的磁場提供一條高磁導率的通道，這有利于減小線圈產生的漏磁場；而非鐵磁性屏蔽材料通過導電材料產生反向的渦流磁場，從而對原磁場進行一定程度的抵消。

由于兩種金屬屏蔽材料都會顯著改變WPT系統的電氣參數，故需要考慮屏蔽體對原有WPT系統的傳輸性能影響。同時，兩種金屬屏蔽材料對線圈自感和互感數值的影響方向相反，且屏蔽效果各有不同，實際過程中往往采用兩種屏蔽材料相結合的方式來對WPT系統的電磁輻射進行有效的抑制。

有學者對無屏蔽、鐵磁性材料屏蔽以及鐵磁性與非鐵磁性材料屏蔽相結合這三種情況下的線圈磁場進行了電磁仿真分析，不同屏蔽條件下線圈電場分布如圖1所示。從仿真結果可知，鐵磁性材料對線圈電磁場能夠起到一定的屏蔽作用，同時結合非鐵磁性屏蔽材料后，屏蔽體豎直方向上的漏磁場得到了很好的抑制。

但需要說明的是，該屏蔽方法并沒有減弱水平方向上的漏磁場。同時鐵磁性屏蔽體會顯著增大線圈的自感和耦合系數，但其對線圈產生的高頻磁場屏蔽效果有限；而非鐵磁性屏蔽體的引入會造成線圈自感和耦合系數的減小，其對屏蔽體豎直方向的漏磁場有著顯著的屏蔽抑制效果。實際過程中常常通過鐵磁性屏蔽體和非鐵磁性屏蔽體相結合來實現對WPT系統的電磁輻射屏蔽。

圖1 不同屏蔽條件下線圈電場分布

除此之外，大量學者也對WPT系統的無源屏蔽技術進行了應用研究。

有學者通過添加鐵氧體和鋁板屏蔽的方式，探究了電動汽車WPT系統無源屏蔽技術的屏蔽效果。

有學者對鐵氧體磁心與鋁板的綜合屏蔽效果進行了評估，通過引入不同數量的磁心來測試不同屏蔽配置下系統的傳輸性能與頻率特性，表明在合理的屏蔽組合方式下，系統可以實現有效的電磁輻射屏蔽并保持較高的傳輸效率。

有學者對整體屏蔽、在發射端設置水平屏蔽體和設置豎直屏蔽體三種屏蔽方式進行了電磁仿真，并從屏蔽效果和渦流損耗等方面對三種屏蔽方式進行了對比，得出了水平屏蔽方式最適用于電動汽車WPT系統的結論。

1.2 有源屏蔽技術

無源屏蔽技術對水平方向上的漏磁場并沒有明顯的抑制作用，當將該方案應用于電動汽車或在線供電電動汽車（OLEV）時，電動汽車WPT系統產生的水平方向上的漏磁場會對路人產生一定的電磁輻射危害；對于高功率或者非常大的氣隙，其產生的電磁干擾十分嚴重，遠遠超過了ICNIRP限制。

有源屏蔽技術作為一種有效消除水平電磁干擾的方法，主要是利用帶有激勵源的抑制線圈產生與原磁場方向相反的抵消磁場，進而實現對原漏磁場的消除或削弱，有源屏蔽的結構如圖2所示。

圖2 有源屏蔽的結構

為了減小電路的設計難度，實際設計中可將抑制線圈直接引入到WPT系統的主電路中，此時抑制線圈和耦合線圈共用同一激勵源，引入到主電路的抑制線圈，如圖3所示。

根據抑制線圈磁路是否被引入到主磁路的情況，可分為圖3a和圖3b兩種情況。圖3a中，抑制線圈磁路不出現在主磁路中，其對于WPT系統的正常能量傳輸影響較小，是較為理想的情況；而圖3b所示的抑制線圈磁路與主磁路直接產生耦合，這將導致發射線圈和接收線圈之間的有效耦合磁場變小，從而不利于能量的傳輸。

有研究在圓形線圈的基礎上引入了一個同心的抑制線圈，通過電磁仿真和測量結果表明這一結構可以有效地抑制耦合線圈的輻射磁場，但引入的抑制線圈削弱了主磁場，導致傳輸效率顯著下降。

圖3 引入到主電路的抑制線圈

有學者針對感應式無線電能傳輸系統，提出了獨立電動勢自消去法（Independent Self EMF Cancel method， ISEC）、3dB主電動勢消去法（3-dB Dominant EMF Cancel method， 3DEC）和無耦合電動勢消去法（Linkage-Free EMF Cancel method， LFEC）三種通用的有源電動勢消除法，并在I型IPT系統中得到了實驗驗證。

由于這三種方法中抵消線圈磁路不進入主磁路，故不會使系統發生明顯的功率下降，同時該研究還對主線圈與抑制線圈的最佳間距和最佳匝數進行了初步探究。

總體來說，有源屏蔽技術可以實現對特定位置漏磁場的有效削弱，實際設計過程中可與無源屏蔽技術相結合，進而實現全方位的電磁輻射屏蔽，但也存在設計復雜和影響主磁場能量傳輸效果等問題。

1.3 無功電流諧振環屏蔽技術

無功電流諧振環法集成了無源屏蔽和有源屏蔽的優點，在不增加激勵源的情況下，借助原磁場在屏蔽線圈感應出的反向抵消磁場對入射磁場進行有效地削弱。該方法利用線圈產生的漏磁場作為無功諧振回路的激勵源，克服了有源屏蔽中存在的功率下降問題，同時屏蔽線圈的布置更為靈活，因此具有更廣泛的應用前景，能夠適用于不同工況下的WPT系統。

KAIST利用帶有開關陣列和調諧電容的無功電流回路控制屏蔽線圈回路的諧振頻率，實現了一定頻率下的漏磁場抵消，并將其應用到OLEV的WPT系統中。在該研究中，為了使合成磁場的電動勢最小，采用磁場傳感回路反饋系統測定測量點位置的磁場強度，通過控制器找到使總電動勢最小的電容組合。

在此基礎上，有學者對該方法的屏蔽效果和傳輸效率的影響進行了進一步的探究，其中耦合線圈和屏蔽線圈的位置分布如圖4a所示，屏蔽線圈可以有效抵消水平方向的漏磁場，在實驗中該屏蔽方法最大限度地降低了64%的入射漏磁場，明顯優于僅有無源屏蔽體時15%的屏蔽效果。除此之外，為了保證屏蔽線圈的屏蔽效果，應使其具有90°相位的低阻抗。

實際應用中，該研究提及的無功諧振電流環屏蔽技術往往很難使漏磁場和抵消磁場保持180°的相位偏移。有學者在此基礎上進一步提出了一種由雙屏蔽線圈和四電容移相器組成的新型無功諧振屏蔽方法，該方法在原有一次屏蔽線圈的基礎上繼續增加了一個新的二次屏蔽線圈，其中耦合線圈和兩個屏蔽線圈的位置分布如圖4b所示，二次屏蔽線圈的存在進一步降低了觀測點的泄露磁場。

與有源屏蔽技術相似，無功電流諧振環屏蔽法在實際過程中往往和無源屏蔽法相結合，共同實現對泄露磁場的全方位電磁屏蔽，但也存在控制方法復雜、參數難以設計的問題。

圖4 耦合線圈和屏蔽線圈的位置

2 擴頻技術

目前國內外學者對WPT系統電磁輻射抑制的研究大多集中在對輻射磁場的電磁屏蔽上，而擴頻技術的運用則可以有效地從輻射源源頭抑制諧波噪聲。通過改變載波頻率的方式，使得諧波噪聲和基波的功率譜密度分布在更寬的頻率范圍內，改善空間電磁場的頻率譜，進而有效抑制了低次諧波分量。由于擴頻技術是通過軟件算法實現的，相比其他屏蔽技術，其不需要增加新的硬件結構。

KAIST基于擴頻技術采用三角形調制曲線對逆變器的開關頻率進行了抖動擴頻調制，并在工作頻率20kHz下對1kW的WPT系統進行了仿真研究，仿真結果表明該調制方法可將磁場輻射降低到8.7dB，并且在各諧波下對電流頻譜的抑制能力最高達到了20dB。

長崗技術科學大學的研究團隊提出了均分分布擴頻（Spread Spectrum with a Uniform Distribution， SSUD）調制和帶偏置分布擴頻（Spread Spectrum with a Biased Distribution， SSBD）調制這兩種降低IPT系統輻射噪聲的方法。

其中SSUD的輸出頻率是從均勻概率分布中選出的，而SSBD則是從偏置概率分布中選出的，與正常諧振工況相比，擴頻調制增加了無功電流，但擴頻降噪的效果要比無功電流引起的噪聲更為明顯。

在輸出功率為3.0kW的樣機中，SSUD和SSBD對一次電流的抑制率分別為42.6%和72.1%，其對應的效率分別降低為0.8%和1.1%，同時實驗數據也表明SSUD和SSBD分別適用于輕載區和重載區。

除此之外，有學者將混沌載波調制應用于WPT系統中，該方法通過分散電磁場頻率譜的方式同樣實現了WPT系統的電磁輻射的降低。擴頻技術可以在不增加新的硬件結構的前提下，有效地從源頭降低WPT系統的電磁輻射，在未來具有一定的應用前景。

3 其他抑制措施

近幾年大量研究工作者也對WPT系統的電磁干擾抑制提出了許多新的方法。

有學者提出了一種基于緊耦合三相諧振磁場的WPT系統，并將其應用于無人機無線充電中，該方法可以完全消除3次諧波及其輸出相電壓的整數倍分量。

為了進一步降低低次諧波的電磁干擾，有學者還提出了一種導通角控制方法，該方法使得發射線圈電流中7次和11次諧波分量分別減小了6.08dB和11.84dB。

有學者提出了一種新型的WPT系統三相電力線，通過磁場對稱抵消的方式大幅度降低了觀測點的漏磁場，同時保持了較小的接收功率波動，并將其應用于OLEV中。通過仿真和實驗結果表明所提出的三相電力線漏磁場比常規方案降低了96%，但該方案的輸入總功率要高于單根電力線，且總輸入電流明顯高于單相電力線，這不利于其進行更深入的推廣。

有學者通過控制繞組電流的大小和相位來抑制IPT系統的雜散磁場，借助逆變器和整流器電壓的PWM實現對繞組電流大小和相位的控制，在發射電流與接收電流相位差為50°時，相比傳統相位差為90°的工況下，雜散磁場降低了30%。

有學者通過引入一個中間線圈實現對3次諧波電磁干擾的抑制，在中線線圈諧振頻率為150kHz時能夠實現約8dB的電磁干擾（Electromagnetic Interference， EMI）抑制；同時隨著中間線圈諧振頻率的增加，其對電磁干擾的抑制作用將更為明顯，但也存在系統效率降低的問題。

有學者提出了一種基于零耦合抵消線圈的WPT電磁干擾抑制方法，該方法可以實現比鋁板更有效的屏蔽，同時對WPT系統效率的降低程度也明顯低于鋁板屏蔽。

有學者研制了一種基于廣義哈爾巴赫陣列組裝的三維結構功率發射線圈，并將其應用于醫療微型機器人上，其可以在不添加其他屏蔽材料的情況下實現對輻射磁場的自動抵消。

有學者將屏蔽線圈和放大線圈相結合，提出了一種低泄露電磁場和高效率的混合環路陣列，其中屏蔽線圈可以實現泄露電動勢的降低，而放大線圈可以顯著增強發射線圈的磁場，研究表明在泄露電動勢降低了3dBm的前提下，WPT系統的效率同時提高了9.36%。

有學者提出了一種12線圈的WPT系統，該系統的發射側和接收側各分布有6個相鄰60°的耦合線圈，通過對稱消除的方式降低了電磁線圈的輻射噪聲。