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无线电能传输是什么?电动汽车的无线充电系统

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  对于电动汽车无线充电系统,除了系统传输效率以及稳定性之外,工作状态下的电磁环境的安全性同样是研究人员重点关注的问题之一。目前,无线电能传输系统耦合机构中都会加入电屏蔽来减少磁场的泄漏。作为耦合机构中的重要一环,电屏蔽主要是用来遏止高频电磁场的影响,使干扰场在屏蔽体内形成涡流并在屏蔽体与被保护空间的分界面上产生反射,从而大大削弱干扰场在被保护空间的磁感应强度值,达到屏蔽效果。

  无线电能传输技术(Wireless Power Trans- mission, WPT)指一种利用电磁场、电磁波在物理空间中的分布或传播特性,采取非导线直接接触的方式,实现电能由电源侧传递至负载侧的技术。该技术解决了不宜拖带导线场合的供电问题,极大增加了供电方式的便捷性,是目前电气工程研究的前沿热点之一。

  随着对无线电能传输技术的不断研究,其应用领域也不断扩展。基于磁耦合谐振原理的电动汽车无线充电系统,其发射装置与接收装置之间不存在导线连接,具有运行安全、维护成本低、防水防尘、便于维护和用户体验好等优点,提高了电动汽车充电的灵活性,受到了越来越多的关注。

  对于电动汽车无线充电系统,除了系统传输效率以及稳定性之外,工作状态下的电磁环境的安全性同样是研究人员重点关注的问题之一。目前,无线电能传输系统耦合机构中都会加入电屏蔽来减少磁场的泄漏。作为耦合机构中的重要一环,电屏蔽主要是用来遏止高频电磁场的影响,使干扰场在屏蔽体内形成涡流并在屏蔽体与被保护空间的分界面上产生反射,从而大大削弱干扰场在被保护空间的磁感应强度值,达到屏蔽效果。

  为了增强屏蔽效果,一般采用电导率高的材料,以加大涡流效应。2013年,韩国科学技术研究院(KAIST)的Jiseong Kim等研究了电屏蔽对耦合机构周围的磁场大小的影响,耦合机构采用的是圆环形,他们测量了距离耦合机构不同距离的点的磁场强度,通过测量结果发现加入电屏蔽后,耦合机构周围的磁场减小了5 T。

  2015年,日本大阪工学院电气与电子系统工程系的Yoshiki Yashima团队研究了电屏蔽对系统传输效率的影响,实验结果表明,加入电屏蔽后系统传输效率提高了1%,同时磁感应强度减小了20 T;但系统中若不加磁屏蔽,只加入电屏蔽,系统效率降低了4%。2016年,德国卡尔斯鲁厄理工学院的Katharina Knaisch团队研究了加入电屏蔽后对无线充电系统主要参数的影响,其中加入电屏蔽后自感与互感减小,耦合系数增加,电动汽车内部磁感应强度减小了9 T。

  上述文献中虽然分析了电屏蔽对无线电能传输系统耦合机构周围空间磁场的影响,但大多只是进行了仿真的分析,在实验中也仅仅测量了某些点的磁场强度,并没有完整地呈现出整个面磁场的分布和大小。由于仿真模型的简化,仿真结果与实际的磁场分布也可能存在差异。因此准确测量出耦合机构周围空间磁场大小及分布对于无线电能传输的研究具有重要意义。

  本文通过仿真软件对空间磁场的分布进行有限元仿真分析,计算电屏蔽对耦合结构周围的磁场分布与大小的影响,同时对比分析两种不同电屏蔽材料铝和铜对原边设备和副边设备背部空间磁场的影响。在实验中,搭建了无线电能传输三维磁场测量系统,测量并且得到了无电屏蔽、电屏蔽材料为铝板和铜板三种情况下原边设备和副边设备背部空间磁场的分布图,验证了电屏蔽抑制耦合机构之间磁场扩散的作用。

  通过仿真与实验结果对比发现,实际测得的空间磁场与仿真结果分布形状一致,但是幅值有偏差,仿真中的磁场值小于实际测得结果。

  电屏蔽对于电动汽车无线充电过程中原边设备与副边设备之间空间磁场分布有重要的影响,本文首先利用有限元仿真软件对三种情况下电动汽车无线充电系统原边耦合机构背部与副边耦合机构背部磁场进行了分析,结果表明,加入电屏蔽铜和铝后,线圈自感和互感降低,耦合系数也随之降低,同时原边侧磁通密度分别减小了0.04mT和0.05mT,副边侧减小了0.04mT。

  起到了很好的束缚作用,传能机构工作区域的主磁通基本被束缚在两耦合机构之间。

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