1.2.3 无线充电系统EMC问题

无线充电原理是涉及无线能量传输（Wireless Power Transfer，WPT）的技术。电动汽车的无线充电技术发展至今，已有多种功能和用途。按照充电功率等级分类，见表1-1。按照充电时车辆的运动状态，可以划分为静态充电和动态充电，如图1-4所示。按照充电车辆的用途可以划分为长途充电、中途充电和短途充电，如图1-5所示。

WPT除了效率和功率需要满足需求外，电磁安全性和电磁兼容性也是需要关注的重要问题。长时间暴露在强磁场内严重危害人类的健康，也会影响附近的电子设备。此外，电磁噪声通过电源线会干扰车载其他设备，还会污染电网，影响办公场所、家庭等电网用电设备。因此，为提高电动汽车安全性和可靠性，必须重点关注电动汽车无线充电系统的两个方面：影响人体安全的电磁场（EMF）问题和影响电气设备安全的电磁干扰（EMI）问题，具体包括：

1）地面侧：谐波和传导电压对公用电网的影响。

2）地面和车身间：耦合器场泄漏对生物体的影响。

3）车载侧：系统电磁发射对车载部件的危害。

4）整车电磁辐射。

（1）无线充电系统国内外标准

国内外电动汽车WPT技术标准和法规定义了电磁场和电磁发射的相关测量方法和限值，对具备WPT功能的EV提出了更高的技术和安全要求，见表1-2。

（2）电磁场（EMF）安全

电动汽车无线充电系统涉及的EMF关注的问题是耦合线圈的低频电磁场发射（1Hz～400kHz）。尽管线圈间的场强随着与线圈距离的增加而减弱，但车身周围仍然可能出现不利于生物体健康的电磁场。随着无线传输功率的提高，人和动物处于暴露区域的电磁场也会随之增加，特别是在耦合线圈偏移等特殊情况下会产生高强度电磁场，而长时间暴露在高强度电磁场中会对人体敏感器官产生一定危害。

对于磁耦合谐振式无线充电系统，电磁场的研究主要集中在两个方面。

一方面是耦合线圈对齐工作时的磁场分布。当耦合线圈对齐时，Wang Q等人研究了耦合线圈周围的电磁场分布特性，比较了不同充电模式下磁场的分布情况，如恒流充电模式和恒压充电模式；对不同轮廓、不同空间布置结构的线圈和不同拓扑结构的补偿电路进行了研究，比较了传输效率和EMF的变化。Chen W等人提出了一种基于成本-效能等效方程的方法，比较了长方形、六角形和圆形三种不同线圈结构的传输效率和有效磁场面积。Cho Y提出了线圈水平绕线和垂直绕线对效率和电磁场分布的影响。有文献63、64对补偿电路的拓扑结构进行研究，讨论了不同结构下系统传输效率和抑制电磁场泄漏的优化问题。许多学者研究分析了耦合线圈的磁场分布特性，例如，Hikage仿真预测了耦合器产生的磁场分布，尤其对人体医疗植入物的影响和EMF抑制措施进行了研究。为了减少泄漏的磁场，提出了增加屏蔽壳、优化线圈结构和铁氧体布置方式、阻抗匹配以及磁场反向消除等方法。

另一方面是耦合线圈偏移时的磁场分布。在配备有无线充电系统的电动汽车充电过程中，由于不正确的停车位置会导致线圈横向偏移，由振动引起线圈侧倾。前期许多文献研究了不同偏移距离下的无线充电系统耦合线圈磁场分布和人体电磁场安全问题。有文献研究了18kW矩形线圈在75mm纵向偏移和120mm横向偏移下的电磁场分布，还描述了偏移下耦合线圈附近的人体模型的磁场分布。Tommaso Campi等人研究了7.7kW圆形耦合线圈在对齐和最大偏移量下的磁场分布。有文献分析了偏移量为100mm和200mm的22kW圆形线圈的磁场安全区域。Lei Zhao等人考虑了耦合线圈在三个方向上的偏移情况。文献68、69分析了耦合线圈对齐与偏移情况下的磁场分布。Santis V还分析了不同位置的电场和磁场分布以及对驾驶人的影响。有文献提出了基于新型紧耦合谐振方法的无线充电器，减小了一次线圈和二次线圈电流的谐波含量和线圈对间的磁场泄漏，从而提高了传输效率。还有一些研究者研究了双向无线能量传输，采用有源开关管代替不可控的二极管，通过PWM移相的控制方法驱动开关管，减小了谐波含量和振铃现象，提高了系统传输效率。基于人体高分辨率模型和车体模型，研究无线充电车辆周围磁场分布和人体电磁安全的评估。

大多数学者只关注偏移时耦合线圈互感和耦合系数的变化，并没有关注耦合线圈电流幅度和相位对磁场分布的影响。前期研究只关心偏移时功率或电磁场的变化，没有描述偏移时的功率变化与电磁场分布之间的关系。另外，在前期磁场分布研究中，缺乏详尽的测量方法，没有根据标准要求对车辆不同区域的磁场进行全面测量。

（3）无线充电系统电磁干扰（EMI）

无线充电系统工作时需要较高的谐振频率，功率开关器件的高速通断产生很高的电压变化率（du/dt）和电流变化率（di/dt），导致传导电磁干扰和辐射电磁干扰问题。电磁干扰不仅会影响车载有线敏感设备和车内外无线接收设备，还会通过连接公共电网的电源线，影响电网的供电品质。

无线充电系统传导电磁干扰研究主要包括建立传导电磁干扰预测模型和抑制方法。Hongseok Kim等韩国学者通过理论和实验获得了无线充电系统低次电流谐波和电压谐波的频谱分布。Heyuan Qi等人通过构建串联补偿结构系统电路模型，研究串联谐振无线充电系统传导电磁干扰。北京理工大学林立文针对3.7kW电动汽车无线充电系统，建立了传导高频等效电路，分析了共模干扰和差模干扰形成机理，分别设计了共模滤波器和差模滤波器，这种过渡设计方法尽管可以较好地抑制EMI，但是滤波元件较多，不仅增加了滤波器的体积、重量和成本，还会引起不期望的谐振。曹玉等人提出了一种基于传感函数方法的无线充电系统优先共模干扰抑制滤波器设计方法，这种滤波方法通常采用50Ω代替源阻抗和负载阻抗，没有考虑实际源阻抗和负载阻抗随着频率变化的情况，导致EMI抑制作用不理想或有新的谐振点产生。

无线充电系统辐射干扰源的抑制方法包括优化逆变器PCB布置规则、增加阻尼电路和优化PWM驱动脉冲等方法。Nguyen等人通过优化控制器PCB布置规则减小振铃环路，使寄生电感减小，以减小振铃幅度。有文献在PCB上采用RC阻尼电路，减小辐射电磁干扰噪声。这些方法仅适用于PCB小功率DC-DC变换器。在功率较大和电流较大时，会有产生一定的能量损耗。此外，加入阻尼元件会影响电路高频参数，引起额外的传导骚扰和辐射发射。H Kim等人提出一种可选择性谐波削减方法来减小WPT系统辐射发射，但未考虑系统总体效率和电池充电模式。韩国Sunkyu等人研究了WPT系统辐射发射通过传输线缆对输入A/D转换器（ADC）的影响。郑州大学余亚等人采用频率抖动法、混沌调制法和周期调制法，并将这三种扩频技术应用在无线充电系统上以抑制辐射EMI。湖北工业大学郑伟等人采用滤波器降低传导骚扰，从而抑制辐射骚扰。

本书通过建立双边LCC拓扑圆形耦合线圈无线充电系统模型，分析耦合装置功率和效率，以及抗偏移特性；然后，通过建模仿真和测量方法，描述耦合线圈对齐和偏移时的电磁场分布；最后，描述无线充电系统直流电源线传导电磁干扰建模与抑制、公共电网电源线谐波及抑制方法、无线充电系统车载二次侧电路电磁辐射。