基于遺傳算法的電動(dòng)汽車無線充電樁信號(hào)控制器外殼的屏蔽效能預(yù)測(cè)方法研究

魯燕 ，陳澤南，張馳，趙旭東

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南通供電分公司，江蘇南通，226001；2. 江蘇省電氣裝備與電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室（南京師范大學(xué)），江蘇南京，226001)

0 引言

目前隨著我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)逐漸向綠色新能源轉(zhuǎn)型，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越迅速，與此同時(shí)電動(dòng)汽車的無線充電樁也越來越受到行業(yè)重視?；陔姶泡椛渚€圈的無線充電樁通常工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，而無線充電樁的信號(hào)控制電路容易受外界輻射干擾，為了保證無線充電樁能夠正常工作，加裝電磁屏蔽外殼是簡(jiǎn)單有效的手段之一。

屏蔽效能一般通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算得到，實(shí)驗(yàn)往往需要在暗室中進(jìn)行且耗費(fèi)巨大，而數(shù)值計(jì)算通常也需要不小的計(jì)算資源。所以設(shè)計(jì)合適的計(jì)算算法，快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)屏蔽外殼的屏蔽效能對(duì)屏蔽外殼的設(shè)計(jì)具有重要的意義。對(duì)于殼體屏蔽效能的分析方法主要有數(shù)值方法和解析方法兩種。通過數(shù)值計(jì)算方法可以預(yù)測(cè)復(fù)雜腔體的屏蔽效能，但往往需要較大的計(jì)算量。解析計(jì)算法通常對(duì)結(jié)構(gòu)外殼有較多限制且存在一定程度的近似處理，但在簡(jiǎn)單的開孔外殼情況下一般能快速得到比較準(zhǔn)備的結(jié)果。本文基于傳輸線方法建立屏蔽腔體等效電路并通過多層自適應(yīng)算法求解BLT方程獲得等效電路阻抗參數(shù)[5]，然后結(jié)合電壓與電場(chǎng)關(guān)系預(yù)測(cè)屏蔽外殼屏蔽效能，該方法比傳統(tǒng)的數(shù)值方法計(jì)算量更小。而與傳統(tǒng)的傳輸線方法相比，該方法適用于更加復(fù)雜的多層屏蔽外殼結(jié)構(gòu)[1-4]。

文獻(xiàn)[1-3]主要對(duì)無線充電樁的電磁輻射及電磁輻射抗干擾作了一定的研究與分析，但目前對(duì)于無線充電樁信號(hào)控制電路的電磁屏蔽的研究還是比較少的。本文通過電磁仿真軟件和理論算法在100MHz~1000MHz內(nèi)預(yù)測(cè)無線充電樁信號(hào)控制電路的外殼屏蔽效能，相比于傳統(tǒng)仿真方法和計(jì)算方法更加快速準(zhǔn)確[1-4]。

1 電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)

■1.1 無線充電系統(tǒng)

無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中容易受到外界電磁干擾的主要有發(fā)射端整流逆變部分及發(fā)射端補(bǔ)償控制設(shè)備、車載端整流濾波裝置以及信號(hào)控制系統(tǒng)，尤其是信號(hào)控制系統(tǒng)，當(dāng)外界電磁輻射較強(qiáng)時(shí)容易引起較高的誤碼率。因此設(shè)計(jì)有一定屏蔽能力的電磁屏蔽外殼是必要的。

圖1 無線充電系統(tǒng)示意圖

■1.2 信號(hào)控制器外殼

無線充電樁的信號(hào)控制電路多由電力電子器件組成的變換電路及信號(hào)電路，當(dāng)其工作在復(fù)雜電磁環(huán)境下時(shí)容易受到干擾影響，因此需要預(yù)測(cè)評(píng)估外殼的屏蔽效果是否滿足設(shè)備正常工作需求，如圖2是某型號(hào)無線充電樁的控制電路機(jī)箱外殼。

圖2 某型號(hào)無線充電樁控制器圖

控制機(jī)箱外殼上各類開孔結(jié)構(gòu)如電源接口，信號(hào)線纜開口及控制屏窗口等。各類開孔結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)外殼的屏蔽效果造成影響，本文通過仿真分析和算法模型結(jié)合來預(yù)測(cè)該型號(hào)控制器外殼的屏蔽效能[5-7]。

2 控制電路機(jī)箱外殼仿真建模與分析

■2.1 基于CST軟件的仿真建模

根據(jù)控制機(jī)箱外殼物理結(jié)構(gòu)，通過solidworks軟件構(gòu)造外殼物理模型，將其導(dǎo)入電磁仿真軟件CST中進(jìn)行電磁仿真分析，外殼模型示意圖如圖3所示。

圖3 外殼模型示意圖圖

圖中外殼的參數(shù)如下；a=60cm，b=180cm，c=30cm，e=40cm，f=100cm，外殼厚度h為3mm。本文為了簡(jiǎn)化分析過程只考慮外殼正面較大開口（控制屏的開口）而忽略其余較小開孔（如散熱孔,電源線纜開孔）。

本文的所有仿真實(shí)驗(yàn)均在CST Studio Suite中的EMC/EMI(Radiated Emission)工作室進(jìn)行，將如圖3所示的外殼模型導(dǎo)入仿真軟件CST中，之后設(shè)置對(duì)應(yīng)的仿真參數(shù)如下：材料選定為合金鋁，電導(dǎo)率設(shè)置為36000000S/m，同時(shí)磁導(dǎo)率設(shè)定為11H/m。本文設(shè)定電場(chǎng)矢量垂直傳播方向，由于屏蔽效能為比值定義式，因此可以選取電場(chǎng)模大小為1V/m的平面波，探針分別設(shè)置為殼體幾何中心A點(diǎn)及殼體中軸線線上距離殼體正面25cm的B點(diǎn)。

■2.2 仿真結(jié)果分析

本文引入屏蔽效能來度量外殼的屏蔽效果，電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效能定義分別為[7-9]，

其中H0和E0分別是不加屏蔽時(shí)空間內(nèi)某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，Hs和Es分別為加屏蔽后同一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，屏蔽效能的單位為dB。在本文中以電場(chǎng)屏蔽效能為度量結(jié)果。

殼體幾何中心A點(diǎn)的屏蔽效能仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在頻率小于670MHz時(shí)屏蔽效能隨著頻率增加而減小并在670MHz時(shí)達(dá)到最小值，在670MHz到820MHz時(shí)屏蔽效能隨頻率增加而急劇上升，820MHz到1000MHz時(shí)屏蔽效能隨頻率增加而緩慢下降。需要注意的是670MHz的頻率點(diǎn)，此時(shí)由于入射波及反射波疊加引起的諧振效果導(dǎo)致該頻率點(diǎn)的屏蔽效能急劇減小，即該外殼對(duì)該頻率的電磁波屏蔽效果最差[7]。

圖4 A點(diǎn)屏蔽效能仿真結(jié)果

3 基于傳輸線理論的遺傳算法預(yù)測(cè)

■3.1 機(jī)箱外殼的傳輸線等效電路

本文將矩形外殼等效為傳輸線電路如圖5所示。

圖5 等效傳輸線電路

根據(jù)傳輸線理論及戴維南定理可以得到，本文引入屏蔽效能來度量外殼的屏蔽效果，電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效能定義分別為[8-11]：

其中kg，Zg為矩形波導(dǎo)的相位阻抗和特征阻抗，yp，d為觀測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)與屏蔽外殼幾何尺寸，1k，k2，C為開孔阻抗參數(shù)，開孔形狀參數(shù)及位置參數(shù)，SEp為觀測(cè)點(diǎn)位置屏蔽效能的預(yù)測(cè)值[10-12]。

■3.2 基于遺算法的參數(shù)提取

根據(jù)的殼體中央位置的屏蔽效能信息，本文通過遺傳算法來獲取公式（3）中的參數(shù)1k，k2，C，具體過程如下[13-16]：

(1)編碼：

采用實(shí)數(shù)編碼，構(gòu)造線性變換：

把約束區(qū)間為[aj，bj]的第j個(gè)變量fj 映射到區(qū)間[0，1]上的實(shí)數(shù)xj，j=1,2…N；

(2)初始化種群：

在[0，1]區(qū)間上的均勻生成隨機(jī)數(shù)，其中，w為子種群數(shù)，z為每個(gè)子種群數(shù)包含的個(gè)體數(shù)，c為優(yōu)化參數(shù)個(gè)數(shù)，以系統(tǒng)模型殘差平方和Q最小構(gòu)造優(yōu)化準(zhǔn)則函數(shù)：

式中，?(f)為實(shí)測(cè)阻抗幅值，?(fi)為理論計(jì)算值；

經(jīng)式（4）得到優(yōu)化變量值，再經(jīng)式（5）得到相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值Q(xi)；

(3)適應(yīng)度評(píng)價(jià)：

目標(biāo)函數(shù)值Q(xi)越小，則越容易被遺傳下去，即進(jìn)入下一輪迭代中，設(shè)適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)為：

式中，τ=0.001；

（4）選擇操作：

對(duì)每個(gè)子種群從父代個(gè)體中按照輪盤賭方法其被選中的概率為：

（5）交叉操作：

對(duì)種群中隨機(jī)線性重組后的新個(gè)體為：

式中，u1，u2都為[0，1]之間均勻分布隨機(jī)數(shù)；

（6）變異操作：

以小概率pm=1-pi進(jìn)行擾動(dòng)，防止早熟，即避免過早收斂：

式中，u(j)和um為隨機(jī)數(shù)，j=1,2…n；

（7）判別收斂：

當(dāng)算法運(yùn)行達(dá)到預(yù)定進(jìn)化次數(shù)或目標(biāo)函數(shù)值Q(xi)小于設(shè)定值，結(jié)束算法的運(yùn)行，并把當(dāng)前群體中最優(yōu)個(gè)體作為參數(shù)最優(yōu)估計(jì)值的結(jié)果，即我們所求的等效參數(shù)，記為K1、K2、C，分別代表等效開孔阻抗參數(shù)、等效開孔形狀參數(shù)和等效位置參數(shù)的初始值；否則，轉(zhuǎn)入步驟S23，重新進(jìn)行評(píng)價(jià)、選擇、交叉和變異操作[13-16]。

根據(jù)算法參數(shù)結(jié)果代入公式（3）計(jì)算B點(diǎn)屏蔽效能與仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 B點(diǎn)屏蔽效能仿真結(jié)果與算法結(jié)果對(duì)比

■3.3 箱內(nèi)屏蔽效能分布

通過遺傳算法提取參數(shù)結(jié)果并將殼體中軸線上各點(diǎn)屏蔽效能關(guān)于頻率的平均值作為參考值，根據(jù)公式（3）可以得到屏蔽效能與中軸線上點(diǎn)距離殼體正面距離的關(guān)系如圖7所示。結(jié)果表明，在距離開孔面25cm和45cm處屏蔽效能較小，電磁屏蔽效果相對(duì)較差，在37cm處屏蔽效能較大，電磁屏蔽效果較好。因此在設(shè)計(jì)內(nèi)部電路時(shí)，應(yīng)將敏感電路放置在距離開孔面37cm處取得更好的屏蔽效果。

圖7 距離開孔面不同距離的屏蔽效能

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證暗室實(shí)驗(yàn)

■4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在10米法全波暗室中進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別在模擬無線充電環(huán)境下測(cè)試外殼內(nèi)部中軸線上距殼體正面25cm處的X點(diǎn)及37m處的Y點(diǎn)的電場(chǎng)輻射噪聲強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置及測(cè)試用外殼模型分別如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置

■4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

建立了電動(dòng)汽車無線充電樁的控制電路機(jī)箱外殼的簡(jiǎn)化物理模型，并利用CST軟件進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真，得出外殼內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)的屏蔽效能。測(cè)試顯示X點(diǎn)和Y點(diǎn)輻射噪聲結(jié)果分別如圖9、圖10所示，結(jié)果表明在中低頻段兩處電場(chǎng)輻射噪聲基本接近，在高頻段X點(diǎn)處電場(chǎng)輻射噪聲遠(yuǎn)大于Y點(diǎn)處，即Y點(diǎn)處的電磁屏蔽效果要優(yōu)于X點(diǎn)處，此實(shí)驗(yàn)結(jié)論與前文中算法預(yù)測(cè)結(jié)果相一致。

圖9 X點(diǎn)電場(chǎng)輻射噪聲

圖10 Y點(diǎn)電場(chǎng)輻射噪聲

5 結(jié)論

建立了電動(dòng)汽車無線充電樁的控制電路機(jī)箱外殼的簡(jiǎn)化物理模型，并利用CST軟件進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真，得出外殼內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)的屏蔽效能。

通過遺傳算法處理仿真獲取的外殼幾何中心處的屏蔽效能信息，得到外殼等效傳輸線電路模型的相關(guān)參數(shù)。利用等效傳輸線電路模型得到外殼內(nèi)部中軸線上不同點(diǎn)的屏蔽效能信息，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能有效的預(yù)測(cè)100MHz~1000MHz范圍內(nèi)的外殼內(nèi)部中軸線上各點(diǎn)的屏蔽效能。根據(jù)算法提取參數(shù)結(jié)果對(duì)箱體中軸線上的屏蔽效能分布情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過暗室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性。該屏蔽效能預(yù)測(cè)方法對(duì)于充電樁控制器外殼及內(nèi)部電路分布設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。