无线充电系统电磁屏蔽与效率优化方案

研究背景

磁耦合谐振式无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）因其独特的能量传输方式受到广泛关注。该技术消除了移动设备对充电线的依赖，实现了真正意义上的无接触式充电，在手机、医疗设备、电动汽车等移动设备上得到广泛应用。然而，当应用于电动汽车时，需要产生强磁场来传输大量功率，泄漏到空气中的磁场可能对人体造成危害。因此，研究磁屏蔽方法与结构对电动汽车WPT系统的应用具有重大意义。

成果简介

在电动汽车无线电能传输系统中，磁屏蔽效果与传输效率难以兼顾。为此，提出了一种强耦合磁屏蔽结构，旨在减少磁泄漏并提高传输效率。通过分析屏蔽线圈阻抗特性对系统漏磁和传输效率的影响，提出一种漏磁优化方法。应用该流方法，获得满足设计要求的各线圈参数。据此，研制了一套电动汽车无线充电系统，并通过仿真和实验验证了该结构和方法的有效性。此项研究为电动汽车无线电能传输系统的发展提供了重要的理论和实践支持。

亮点提炼

1. 提出了一种强耦合屏蔽线圈结构来降低WPT系统的泄漏磁场[1]。当屏蔽线圈加入到WPT系统时，控制屏蔽阻抗为容性状态，使发射与接收线圈间的等效互感得到增强。相比传统的无源感性屏蔽，该方法在提高传输效率的同时，也削弱了系统整体的泄漏磁场。                                

图1  强耦合磁屏蔽结构图

图2  三线圈等效电路模型

2. 提出一整套关于无线电能传输系统漏磁优化方法。通过优化发射线圈、接收线圈和屏蔽线圈的参数，达到降低系统漏磁和提高传输效率的目的。开拓性的提出了在优化过程中增加优化最佳屏蔽电容和最优负载环节，提高了优化的可调区间。最终得到满足要求的最优参数，实现电动汽车无线充电低漏磁和高传输效率的效果。

图3 不带屏蔽的三维磁场分布

图4 带屏蔽的三维磁场分布

[1]李中启,熊鑫博,孔彭生,任立权.无线充电系统电磁屏蔽与效率优化技术研究[J].电子测量与仪器学报,2023,37(05):151-162.

前景与应用 

所提出的漏磁优化结构和方法简单易行，能在线圈偏移一定范围内保持较高的传输效率和安全的泄漏磁场强度。并且本研究并未使用铁氧体磁芯等屏蔽方式，在提高能源利用率的同时进一步降低了WPT系统的生产成本和运行成本，对电动汽车的静态充电系统有重要意义。目前，该结构已成功应用于电动汽车的静态充电系统，未来将进一步研究电动汽车动态无线充电下的电磁屏蔽方法，推动WPT技术在电动汽车领域的更广泛应用和发展。

完成人介绍

李中启，博士（后），湖南工业大学轨道交通学院副教授，硕导，长期从事株洲智轨列车和新能源汽车无线电能传输系统的线圈参数计算、电磁屏蔽、自抗偏移能力研究。主持国家重点研发计划子课题等国家级和省部级项目6项；以第一作者或通讯作者在IEEETTE (IF:7.0)、IEEE TVT(IF:6.8)、IEEE TITS(IF:8.5)和电工技术学报等国内外重要期刊上发表论文40多篇，其中IEEETransactions 和IEEE长文10多篇，其它SCI和EI 收录论文30多篇；已授权国家专利20多项；研究成果于2020年获得了获湖南省科学技术进步奖三等奖一项。

低成本高性能无线电能传输系统科研团队依托于湖南工业大学电气工程ESI前1%学科、湖南省重点学科、“轨道交通自动化技术与装备”2011协同创新中心，长期致力于低成本高性能无线电能传输系统的研究与教学工作。团队在龙永红教授领导下，现有副教授3名、博/硕士生研究生30余人。团队近5年来承担国家级项目4项，省部级项目20余项。与中车株洲所密切合作，建立了完善的智轨列车和新能源汽车无线充供电方向的科研平台和测试设备。

团队主要研究方向：带灵活配置性磁介质任意互感线圈间互感与自感计算、高性能线圈结构及参数的设计与优化。

编辑：黄飞