電動汽車無線充電電磁安全性的最新研究進展

電動汽車（EV）以其清潔節能、低噪聲、起步平穩等特點受到了廣泛關注，而無線充電技術具有安全、便捷等優點，是電動汽車供電技術未來發展的趨勢之一。但是，隨著電動汽車無線充電的推廣，其安全問題也勢必會成為公眾關注的焦點之一，在安全性問題中，電磁洩漏是亟待研究和解決的問題。

電磁洩漏與能量的有效利用、人體健康等都直接相關。對空間電磁場進行合理約束，減少電磁洩漏，加強新材料的研究與應用，在最小限度影響系統性能的情況下，高效、可靠地實現系統的電磁屏蔽是今後電磁兼容的主要研究內容之一。此外，由於電動汽車無線充電系統使用場合比較特殊，進一步加強高頻磁場對人體健康影響的研究，以及如何規避對人體可能的危害，也將具有重要意義。

1 電磁輻射安全限值標準

電磁暴露的環境可劃分為公眾暴露和職業暴露兩種，公眾暴露是指在公共環境中生活的大眾群體受到的電磁輻射，一般情況下是很難發現或不知道自己已經受到暴露，並且沒有保護措施；職業暴露是針對工作在特殊電磁環境中的工作的職業人群，一般會有保護措施並受過一定的安全訓練，根據暴露環境的不同，電磁暴露安全限值也不同。

目前國際上具有代表性的電磁標準是國際非電離暴露防護委員會（ICNIRP）制定的《限制時變電場、磁場和電磁場曝露導則》和美國電子電氣工程師協會（IEEE）制定的《關於人體曝露到電磁場安全水平的IEEE標準》。

ICNIRP先後頒布了兩個版本，第1版是1998年頒布的，此版本中對0.8～150kHz頻段磁感應強度的公眾暴露限值為6.25mT，職業暴露限值0.82～65kHz時規定為30.7mT，0.065～1MHz時規定為2.0/f（頻率f單位為MHz）。

隨著研究的深入，在2010年ICNIRP修訂了之前的版本，提高了安全限制，公眾暴露限值由6.25mT提高到27mT，職業暴露限值提高到了100mT。相比於ICNIRP頒布的標準IEEE對於電磁暴露的則較為寬鬆，對於公眾暴露頭部和軀幹的允許的最大磁感應強度達205mT，職業暴露達615mT。

對於電動汽車無線充電系統，國際上目前更多是參考ICNIRP發布的標準。國內在1988年首次發布了《電磁輻射防護規定》（GB 8702—1988）和《環境電磁波衛生標準》，此後為更加合理地管理電磁環境，在參考國際標準以及綜合考慮我國電磁環境保護工作實踐的基礎上，我國在2014年也對標準進行了修訂並頒布了《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014），規定了1Hz～300GHz頻段的電場、磁場和電磁場的公眾暴露控制限值、評價方法和相關設施（設備）的豁免範圍，此次修訂的主要改動是增加了1Hz～100kHz頻段電場和磁場的公眾曝露控制限值並刪除了職業暴露的限值。

考慮到電動汽車無線充電實際使用的頻段通常都在100kHz以下，表1僅列出了ICNIRP—2010與GB 8702—2014在這一頻段內的電磁安全限值。通過比較可知GB 8702—2014的要求更為嚴格，以85kHz為例，ICNIRP的規定是電場強度不高於83V/m，磁場強度不高於21A/m，磁感應強度不高於27mT是對人體沒有危害的。

GB 8702—2014的規定是電場強度不高於47V/m，磁場強度不高於0.117A/m，磁感應強度不高於0.14mT。ICNIRP公眾暴露限值標準的磁感應強度、磁場強度和電場強度分別約是GB 8702—2014限制的180、193、1.8倍。通常來說對於電動汽車無線充電系統國標比較難達到，國內目前參考較多的也是ICNIRP—2010。

表1

2 人體健康研究

在研究電動汽車無線充電對人體健康的影響時，電磁仿真是應用最廣泛的方法之一，該方法只需通過建立電動汽車和人體的仿真模型，再根據系統的實際參數，如電流、電壓等，確定激勵和邊界條件，即可直接通過Maxwell、HFSS等電磁場仿真軟體對系統的電磁環境進行仿真分析，從而避免了繁瑣的公式推導。

為分析無線充電系統對於不同人體特徵人群的影響，有學者總結了不同性別、年齡的人體解剖模型的人體特徵參數，包括身高、體重以及身體質量指數（Body Mass Index, BMI）等，人體解剖模型參數見表2。

表2 人體解剖模型參數

建立好人體三維模型後，再根據人體各個器官和組織在相應頻段下的電磁參數[70]，為各個器官和組織模型設置好介電常數、電導率等材料特性，便可進行電磁安全性研究的數值仿真分析與估算，表3是85kHz和100kHz左右時人體重要器官的電磁參數。

表3 人體電磁參數

目前，關於電動汽車無線充電對人體健康的影響，國內外已有不少學者進行了研究。美國密西根大學Chris Mi教授團隊對8kW電動汽車無線充電系統的充電安全區域進行了研究，根據ICNIRP— 2010標出了職業暴露和公眾暴露的電磁輻射安全邊界，研究結果如圖1所示。

圖1 磁感應強度分布

有學者基於COMSOL有限元仿真軟體，以34歲男性人體模型為對象，研究了在頻率為30kHz的3kW電動汽車無線充電系統工作時，不同位置下人體電磁暴露的情況，如圖2所示，並分別給出了人體的磁感應強度和電場強度分布圖，結果顯示人體磁感應強度和電場強度均小於27mT和83V/m，符合電磁安全標準。

圖2 不同位置的仿真模型

國內東南大學黃學良教授團隊根據人體不同組織在100kHz左右時相應的電磁參數建立了真實人體三維電磁模型作為負載，研究了輸出功率為3.5kW時車內外人體各器官電流密度、比吸收率（Specific energy Absorption Rate, SAR）值及功率密度的最大值，結果表明各器官電磁安全指標均滿足ICNIRP—2010標準限制。

天津工業大學楊慶新教授團隊基於三維電磁仿真軟體，構建了100kHz下電動汽車無線充電電磁輻射下的人體電磁環境模型，對人體主要器官的電磁暴露問題也進行了研究，結果同樣表明在2.5kW系統下各器官電磁物理量均低於ICNIRP要求的安全限值。

重慶大學孫躍教授團隊針對工作頻率為85kHz功率為10kW的電動汽車無線充電系統，建立了三維人體和整車的有限元模型，對人體位於車內和車外的電磁吸收情況進行了仿真，實驗結果表明系統工作時車內和車外人體器官磁感應強度均在ICNIRP限值以內，且車內人體器官磁感應強度值要比暴露在車外時小。

除電磁仿真分析之外，時域有限差分法、磁矢量計算法、磁準靜態法等理論方法在電磁安全性的分析上也具有重要的地位。

3 電磁屏蔽技術

為了進一步減小電動汽車無線充電系統電磁輻射的影響，在實際應用中通常需要屏蔽措施。電動汽車無線充電系統電磁輻射的屏蔽可分為主動屏蔽與被動屏蔽兩類。被動屏蔽主要是利用鐵磁材料為磁通提供一個新的導通路徑或者利用低磁導率金屬導體材料（鋁板、銅板等）產生一個與漏磁相反的磁場。有學者對這種兩屏蔽方式進行了對比，研究表明利用鐵磁材料一方面可以減小磁場洩漏；另一方面也可以增加線圈自感和互感，增強耦合性能，提高系統效率，但屏蔽效果有限。

利用金屬屏蔽能有效屏蔽磁場洩漏，但會導致系統效率大幅下降。為此有學者將鐵磁材料與金屬片結合作為一種新型屏蔽結構，實現了良好的效果。主動屏蔽則主要是通過在耦合機構附近放置一個有源或無源主動屏蔽線圈，用以產生抵消磁場，KAIST在2013年提出了一種加入諧振線圈的主動磁場抵消方法，此種方式諧振線圈位置放置靈活，屏蔽效果良好，但引入的屏蔽線圈降低了系統效率。

在此基礎上，KAIST在2014年又提出了一種基於雙線圈和相位調節的諧振式無源主動屏蔽方案，將屏蔽線圈放置在耦合機構的一側，通過生成一個與原磁場方向相反的磁場，以抵消漏磁，實現磁屏蔽功能，但此種方式設計困難，電容與結構設計複雜。

本文編自《電工技術學報》，原文標題為「電動汽車靜態無線充電技術研究綜述」，作者為吳理豪、張波。