/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

一直以来，电能传输主要采用导线直接连接的传输方式，满足了绝大多数的生产生活需要。随着经济技术的发展和社会需求的变化，传统电能传输方式在某些特定的应用场合会带来极大的不便。尤其近年来智能可穿戴设备、物联网、智能传感器、新能源汽车、植入式医疗电子设备等领域的飞速发展，电能传输技术正在经历一次前所未有的大变革。由此，科学家们提出无线电能传输技术（Wireless Power Transmission-WPT）的概念，并成为了研究热点。研究内容主要集中在如何提高电能传输功率和传输效率，以及改善电磁环境和优化电磁兼容安全性等方面[1]。

电磁感应作为最早应用的WPT技术，目前主要应用于便携式小功率WPT设备（以下称电磁感应式WPT设备），传输功率一般在10W左右，传输效率约为50%。较大功率无线电能传输主要采用磁谐振式，主要用于电动汽车的无线充电系统[2]。随着WPT设备的广泛使用，针对WPT的国际化行业组织和标准正在形成。目前国际主流的无线充电标准主要有Qi标准、PMA标准、A4WP标准等。GB/T 37132-2018规定了无线充电设备的电磁兼容性通用要求和测试方法，适用于除电动汽车无线充电系统以外的所有无线充电设备。同时，GB/T34439-2017也对电子信息产品用低功率无线充电器的电磁兼容检测提出了要求。近日，中国国家标准化管理委员会公告发布了针对电动汽车无线充电系统的系列标准GB/T38775，其中包含了电磁兼容要求。在不久的将来，WPT设备在多个领域的电磁兼容要求也将逐渐规范化，尤其是医疗、交通、人工智能等领域。

当前，WPT 设备的主流工作频率在 10kHz～10MHz，很多研究已经实现了几十兆赫兹频率的强磁谐振耦合。对于WPT设备的电磁兼容磁场检测技术的研究提出了更高的要求。对于WPT设备的磁场辐射的检测方法需要结合产品的辐射特性，实现典型工作模式下的检测，这是完善WPT设备电磁兼容检测方法的重要内容。WPT设备的典型工作状态为待机模式和充电模式。待机模式为WPT设备通电但无能量传输；而充电模式为WPT设备正常工作并处于典型的能量传输状态。本文主要研究电磁感应式WPT设备在不同工作模式下的磁场辐射特性。

1 磁场辐射原理分析及方法

电磁感应式WPT的原理是在初级线圈输入一定频率的交流电，通过电磁感应在负载次级线圈中产生感应电流，从而将能量从发射端传输至接收端[3]。这种方式完全依靠近场磁场的能量交换。因此，理论上电磁感应式WPT辐射源是电流源主导的磁场辐射[4]。电磁感应式WPT设备工作电路如图1所示，由控制电路和充电线圈组成。控制电路通过将其他电源输入并转换成一定频率的交流电，这个过程是辐射产生的主要原因，而充电线圈则是将输出能量传输至接收负载，同时也会将骚扰能量通过线圈对外辐射。通常情况下，电磁感应式WPT设备的两种典型工作模式对外的磁场辐射具有差异。因此，需要研究电磁感应式WPT在不同工作模式下磁场辐射特性，研究中的电磁感应式WPT设备额定传输功率10W，传输效率50%，充电距离2mm。

图1 电磁感应式无线充电器模块

研究中采用近场测量和天线测量的方法来确定磁场辐射的特性[5]。近场分析采用由近场探头、示波器和频谱分析仪对电磁感应式WPT设备的控制电路板和充电线圈分别进行时域和频域扫描。天线测量场在半波暗室内采用环形磁场天线和接收机测量磁场发射。研究中接收负载采用电阻模型负载系统，以减少非线性负载引起的不确定因素。

2 近场测量结果分析

2.1 待机模式

图2所示为电磁感应式WPT设备待机模式的近场频域扫描结果，其中图2（a）（b）所示为电磁感应式WPT设备待机模式的控制电路和发射线圈的近场测量结果。从结果可知，待机模式下控制电路和发射线圈在9kHz～30MHz频率范围内对外均有辐射。由于近场测量的局限性和不确定度较大，只进行定性分析，不进行定量分析。

图2 电磁感应式WPT设备待机模式的近场辐射频域扫描结果

图3所示电磁感应式WPT设备为待机模式的近场时域扫描结果，其中图3（a）、3（b）分别为200ms/div和 2μs/div的时域波形图。从结果可知，在待机模式下电磁感应式WPT设备的控制电路和发射线圈的辐射均呈周期性正负交替的震荡波，整个波形的周期约为500ms，辐射周期约为50ms，震荡波的周期约为5.44μs。先前的研究表明高频率的震荡波会导致较宽频率的辐射，可能达到上百兆赫兹，而且随着频率的增高幅值逐渐减小[6,7]。

2.2 充电模式

图4所示为电磁感应式WPT设备充电模式的频域扫描结果，其中图4（a）、4（b）所示为控制电路和发射线圈的近场测量结果。从结果中可知，在充电模式下控制电路和发射线圈对外也均有辐射，辐射频率覆盖了9kHz～30MHz，与待机模式一致。因此，两种工作模式差异不会影响辐射频率范围。

图3 电磁感应式WPT设备待机模式的近场辐射时域扫描结果

图4 电磁感应式WPT设备充电模式的近场辐射频域扫描结果

图5所示为电磁感应式WPT设备充电模式控制电路和发射线圈的近场辐射时域扫描结果，其中图 5（a）、5（b）分别为 200ms/div 和 2μs/div 的时域波形图。从结果可知，在充电模式下电磁感应式WPT设备的控制电路和发射线圈的辐射始终保持全周期正负交替的震荡波，震荡波的周期约为5.44μs，波形参数和待机模式一致。

图5 电磁感应式WPT设备充电模式的近场辐射时域扫描结果

通过以上结果可知，小功率电磁感应式WPT设备的待机模式和充电模式的近场辐射频率范围一致，而辐射的周期性具有差异。待机模式近场辐射是周期性的，而充电模式的近场辐射是连续性的，辐射能量更大。因此，进行电磁感应式WPT设备的磁场辐射检测时需要考虑到待机模式辐射的周期性，按照GB6113的要求，扫描时间要包含几个工作周期，确保可以读取骚扰电平的最大值。本研究中电磁感应式WPT设备的工作周期为500ms，在一个工作周期内，辐射时间仅为50ms。为了能够测量辐射的最大值还需要增加扫描次数。而工作模式是典型的连续性辐射状态，按照GB6113标准规定的扫描时间和次数即可。

3 天线测量结果

根据对电磁感应式WPT设备样品的三个轴向进行检测分析，结果表明控制电路和发射线圈处同一个平面，且次平面平行于磁场环天线平面时，磁场辐射最大。测量结果如图6所示，其中灰色曲线和黑色曲线分别为充电模式和待机模式的磁场扫描结果。从结果可知，充电模式和待机模式的磁场辐射在 150kHz～30MHz频率范围内差别较大，充电模式在一些频率点的磁场辐射较待机模式高，并随着频率的增高差异逐渐减小。

图6 电磁感应式WPT设备磁场辐射测量结果

4 结语

通过对小功率电磁感应式WPT设备的磁场辐射特性进行研究，结果表明：本研究中的电磁感应式WPT设备的磁场辐射是典型的近场辐射，主要是周期为5.44μs的正负交替震荡波，这是高频磁场辐射的源头。在充电模式和待机模式下的磁场辐射频率范围相同，辐射的时域特性具有差异，主要表现在辐射的周期性。待机模式下，电磁感应式WPT设备的辐射具有周期性，整个波形的周期约为500ms，辐射周期约为50ms；而在充电模式下，电磁感应式WPT设备的辐射是连续的，不具有周期性。两种工作模式下的磁场辐射均是正负交替的震荡波。而磁场天线测量结果也进一步说明充电模式和待机模式的辐射频率是一致的，但是充电模式的辐射场强幅值更高，能量更大。因此，在进行电磁感应式WPT设备的磁场辐射检测时需要关注其辐射的周期性，实现在典型工作模式下的测试是完善电磁感应式WPT设备的磁场辐射的重要内容。在不久的未来，随着传输功率的不断增大，以及磁谐振式WPT设备的广泛应用，尤其是电动汽车无线充电模块的广泛应用，WPT设备的磁场辐射检测方法将会得到长远的发展[8]。