電動汽車無線充電時的電磁環境及安全評估

陳 琛 黃學良 譚林林 聞 楓 王 維

(1.東南大學電氣工程學院 南京 210096 2.江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室 鎮江 212000)

?

電動汽車無線充電時的電磁環境及安全評估

陳 琛1，2黃學良1，2譚林林1，2聞 楓1，2王 維1，2

(1.東南大學電氣工程學院 南京 210096 2.江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室 鎮江 212000)

近來，無線電能傳輸技術受到了越來越廣泛的關注，同時，該技術也被嘗試應用于電動汽車以實現電動汽車的無線充電。與能量在自由空間傳播相比，電動汽車無線充電時的電磁環境有很大不同，而電磁安全問題也變得日益突出。基于上述問題，首先分析了該領域的安全限制與標準問題；其次通過仿真分析了電動汽車充電時的參數變化、電磁環境以及對人體的影響；最后通過電動汽車試驗來驗證仿真結果，系統實現了約為3.5 kW的能量傳輸。該研究可為無線充電電動汽車的優化設計提供理論依據。

電磁場 電動汽車 無線電能傳輸 諧振

0 引言

隨著能源危機和環境污染問題的日益加深，發展電動汽車(EV)被世界公認為解決方法之一[1]。隨著電動汽車的快速增長，必然會對電動汽車的充電方式多樣化和方便性提出更高要求。目前各國電動汽車的充電主要以充電站、充電樁或換電池的模式為主，而電池充電站的建設成為制約電動汽車發展的最大瓶頸。無線電能傳輸技術(WPT)作為一項新興技術，目前已經商業化運作，主要應用于手機、計算機、隨身聽等小功率設備的充電上，而基于無線電能傳輸技術的電動汽車也成為各大汽車廠商及科研機構的關注焦點[2]。與充電站等接觸式充電方式相比，電動汽車的無線充電可以解決火花、積塵、接觸損耗及機械磨損等一系列有線充電帶來的問題，同時可以實現停車位自動充電和移動供電，由此可降低對電池容量的要求，降低電動汽車購買成本，增強電動汽車的續航能力。隨著WPT技術的成熟，電動汽車將是無線充電設備領域中最具潛力的市場。

隨著無線充電電動汽車的推廣，其電磁環境及安全問題也勢必會暴露于公眾的視野中。無線電能傳輸技術應用于電動汽車時的工作狀態，將區別于能量在自由空間中傳播的情況[3-10]，除WPT系統自身的耦合外，還存在與外部環境的耦合，車身、底盤等因素將對系統周圍的電磁環境產生影響，從而使系統的參數發生變化，而該耦合將嚴重影響到系統的工作狀態與穩定性。另一方面，若要進一步推進無線充電電動汽車的發展應用，對其充電時電磁安全性研究十分關鍵。美國汽車工程師協會(SAE)將輕型電動汽車無線充電的標準頻帶確立在85kHz，頻帶范圍為81.38～90.00 kHz，這一頻段的安全標準，大部分發達國家以國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)制定的《Guidelines for Limiting Exposure to Time Varying Electric，Magnetic and Electromagnetic Fields(up to 300 GHz)》、美國國家標準協會(ANSI)和美國電子電氣工程師協會(IEEE)共同制定的《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields 3 kHz to 300 GHz》兩個準則為基礎制定本國的法律規范，我國也出臺了一系列與電磁安全相關的法規和標準[11，12]，如表1所示。

表1 ICNIRP導則與征求意見稿電磁安全導出限值的對照

表1中中國的數據為我國最新的征求意見稿，由表1可見，我國在電磁安全限制上的要求嚴于國際標準，并將逐步加強對電磁環境安全的監管與要求，因此開展相關工作十分必要。

1 系統建模

1.1 電動汽車無線充電系統模型

電動汽車無線充電系統主要借助于交變磁場將能量從發射線圈傳遞到接收線圈，實現對電動汽車電池的供電。圖1是一個典型的基于磁耦合諧振無線電能傳輸技術的充電裝置，它由獨立的兩個部分組成，分別連接到電源和負載，圖2為其等效電路。

圖1 基于WPT的電動汽車充電模型

圖2 電動汽車充電模型等效電路

圖1中，充電系統由發射功率源、發射器、接收器及負載電池組成。圖2中，U為高頻逆變源；ZS為電源內阻；L1為發射線圈的等效電感；L2為接收線圈的等效電感；R1為發射線圈在高頻下的等效電阻；R2為接收線圈在高頻下的等效電阻；M為兩線圈之間的互感；C1為發射線圈在高頻下的寄生電容；C2為外接可調電容；ZL為負載電阻。根據等效電路可列出系統的KVL方程

(1)

式中

系統的輸出功率為

(2)

在仿真環境中，將電動汽車作為獨立研究對象，諧振器線圈半徑為30 cm，自感為50.72 μH，匝數為11匝。將一個3.2×1.5 m的金屬板作為電動汽車底盤置于距離接收線圈下方1 cm的位置。仿真參數如表2所示，仿真模型如圖3所示。

表2 系統參數配置

圖3 電動汽車仿真模型

1.2 人體模型

為了探究電動汽車無線充電時對人體的影響，結合不同組織在100 kHz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。人體高度為1.7 m，體重為65 kg，并通過查閱相關文獻獲得人體各器官存在的電磁參數[13-15]，如表3所示，仿真模型如圖4所示。

表3 人體電磁參數

圖4 人體仿真模型

2 磁場仿真

2.1 電動汽車金屬底盤對系統參數的影響

當充電系統中引入電動汽車的金屬底盤后，系統周圍的電磁場受到金屬底盤的屏蔽作用。金屬板的屏蔽性能一般以屏蔽效能SE(dB)表示，定義為

SE=20lgE0/E1(dB)

SE=20lgH0/H1(dB)

(3)

式中：E0、H0分別為未屏蔽時測得的場強；E1、H1分別為屏蔽后測得的場強。磁場和電場的屏蔽效率為

SE=A+R+B(dB)

(4)

式中：A為電磁波在障礙中傳輸時的衰減損耗，即吸收損耗；B為電磁波在障礙中的多次反射效應；R為電磁波在兩個界面處的反射效應，即反射損耗。

由于金屬底盤的引入帶來屏蔽作用，使得磁力線在空間的分布發生變化，因此二次線圈的耦合也隨之發生變化，并且在交變磁場中，障礙中感應出渦流，渦流產生的新磁場與原磁場相反。受以上因素的影響，無線充電系統的電感和互感均發生變化。

在系統中引入金屬底盤后，上述作用同時影響諧振器的磁場，這些作用使得自感、互感的數值計算相當困難，因此，本文通過有限元仿真的方法對金屬底盤引入后的系統參數變化進行分析。

2.1.1 金屬底盤對線圈自感和互感的影響

分別將金屬底盤設置為銅和鐵。其中，鐵的電導率為1.12×107S/m，相對磁導率為4 000，銅的電導率為6×107S/m，相對磁導率為1。可得到不同頻率下線圈自感的變化曲線如圖5所示。

圖5 金屬底盤對線圈自感的影響

通過仿真結果可以看出，由于金屬底盤的存在，線圈自感隨著工作頻率的增加而減小。銅板對線圈自感的影響較微弱，而當鐵板存在時，線圈自感會隨著頻率的增大而急劇下降，當頻率高于1 kHz時，自感下降的速度將會減慢。此時，在高頻情況下，銅板與鐵板對線圈的自感產生的影響近似相等。

同樣，在相同參數下對兩線圈的互感進行分析，兩線圈之間的距離為25 cm。由于金屬障礙物的阻礙，且金屬介質的尺寸遠大于諧振器的尺寸，此時的互感接近于0，因此可以忽略。

2.1.2 改裝后的底盤對線圈自感和互感的影響

為了降低金屬底盤對系統的影響，將金屬底盤放置傳輸線圈位置切割一個圓形缺口，切割圓與諧振器同軸，從而保證發射線圈與接收線圈的緊密耦合。通過改變切割圓半徑，可以改善底盤對系統自感和互感的影響。結果如圖6、圖7所示。

圖6 改裝后的底盤對線圈自感的影響

圖7 改裝后的底盤對線圈互感的影響

圖8為輸出功率隨切割圓半徑變化曲線。由圖8可看出，隨著切割圓半徑的增大，線圈的自感和互感均逐步增大，逐漸抵消底盤對系統參數的影響。在高頻時，這種抵消作用更為明顯。當系統工作在高頻時，如果切割圓半徑小于諧振器半徑，電感和自感將會隨切割圓半徑的增大緩慢增長，而當切割圓半徑大于諧振器半徑時，電感和自感將會迅速增大后趨于平穩。

圖8 輸出功率隨切割圓半徑變化曲線

2.1.3 改裝后的底盤對系統頻率和輸出功率的影響

當諧振器的自感發生變化時，系統的諧振頻率發生變化，與工作頻率產生偏移，導致系統失諧，功率與效率下降，通過可調電容的自動補償，將會使系統重新達到諧振狀態，并恢復至初始的工作頻率。

而當諧振器的互感發生變化時，根據式(2)可知，系統的輸出功率也將隨之變化。由圖8可看出，當切割圓的半徑小于諧振器半徑時，幾乎沒有功率輸出，而當切割圓的半徑大于諧振器半徑時，輸出功率將迅速增大直至平穩。結合曲線可知，切割圓的半徑應當盡量增大，以降低金屬底盤對輸出功率的影響。

2.2 電動汽車無線充電時的電磁環境

將電動汽車作為研究對象，對電動汽車無線充電系統進行建模。發射線圈與接收線圈為盤式圓形線圈，諧振器設置在電動汽車尾部，周圍10 m半徑的空氣作為仿真區域。

仿真結果如圖9和圖10所示。由圖可看出，當系統引入金屬底盤后，磁場分布將會發生改變，磁力線受到阻礙。在底盤的邊緣部分磁力線受到的影響更為嚴重。

圖9 電動汽車充電時的磁場分布

圖10 電動汽車充電時的磁力線分布

在引入電動汽車的金屬底盤后，底盤將會起到對磁場的屏蔽作用。在距離車尾10 cm處分別對有無底盤時的電磁環境進行仿真，結果如圖11所示。金屬底盤將對磁場產生屏蔽作用，可很好地對人體進行保護。

圖11 改裝后的底盤對電磁的屏蔽作用

2.3 電動汽車無線充電時對人體的影響

由表1可知，在電動汽車無線充電頻段內，ICNIRP規定電流密度公眾暴露限值為2 000 mA/m2，SAR限值為2 W/kg，功率密度限值為10 W/m2。圖12為電動汽車在輸出功率為3.5 kW時車內外人體各器官電流密度、SAR及功率密度的最大值。從圖12中可看出，無論車內車外，其電磁安全指標均滿足ICNIRP的限值要求，在車內，心臟的電流密度最大，為610 mA/m2，約達到標準的30.5%，而對于SAR值和功率密度，在車內時肺臟均是受影響最嚴重的器官，SAR值為1.2×10-3W/kg，功率密度為3.16 W/m2，分別達到標準的0.06%和31.6%。由此可知，在各器官中，系統對心肺的影響較其他器官更為顯著，需作為重點防護的對象。而由于車身的屏蔽作用以及電磁參數隨距離的急劇衰減，車外的電磁安全指標明顯優于車內。

圖12 電動汽車無線充電時身體器官電磁物理量最大值

3 實驗驗證

通過以上分析，課題組研制了磁耦合諧振式無線充電電動汽車，圖13和圖14為實驗裝置。結合理論分析與電動汽車實際情況，對汽車底盤進行改裝，切割一個半徑為45 cm的圓形缺口，工作頻率為100 kHz。發射線圈置于路面，接收線圈裝于屏蔽盒緊挨汽車底盤。實驗裝置實現了約為3.5 kW的功率傳輸，與仿真結果大致相同，并且可以證明，在電動汽車無線充電的真實環境中，可基本滿足美國汽車工程師協會(SAE)J295TM工作組制定的“輸出功率最低的WPT1為3.7 kW”的標準要求。

圖13 能量自由傳輸時的實驗裝置

圖14 電動汽車充電時的實驗裝置

4 結論

電動汽車在無線充電時的電磁環境具有與其他設備工作時不同的性質，無線充電電動汽車的各項參數(自感、互感)與其在能量自由傳播時相比將會發生很大變化，從而對工作頻率、功率以及效率等產生影響，因此，本文通過仿真分析電動汽車無線充電時的電磁環境問題，可對無線充電系統的參數設置、系統在電動汽車上的位置和底盤的改裝起到指導作用。同時通過分析電動汽車無線充電時的電磁環境變化以及對人體的影響可以看出，無線充電電動汽車滿足國內外關于電磁安全的相關標準，由此可以減少公眾對該技術的顧慮，有利于無線電能傳輸技術在電動汽車領域的推廣與發展。

[1] 陳清泉，孫立清.電動汽車的現狀和發展趨勢[J].科技導報，2005，23(4)：24-28. Chen Qingquan，Sun Liqing.Present status and future trends of electric vehicles[J].Science & Technology Review，2005，23(4)：24-28.

[2] 曹玲玲，陳乾宏，任小勇，等.電動汽車高效率無線充電技術的研究進展[J].電工技術學報，2012，27(8)：1-13. Cao Lingling，Chen Qianhong，Ren Xiaoyong，et al.Review of the efficient wireless power transmission technique for electric vehicles[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(8)：1-13.

[3] Bhuyan S，Panda S K，Sivanand K，et al.A compact resonace-based wireless energy transfer system for implanted electronic devices[C].International Conference on Energy，Automation，and Signal，Bhubaneswar，India，2011：1-3.

[4] Qiang H，Huang X L，Tan L L，et al.Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control[J].Science China Technological Sciences，2012，55(7)：1886-1893.

[5] Tan L L，Huang X L，Huang H，et al.Transfer efficiency optimal control of magnetic resonance coupled system of wireless power transfer based on frequency control[J].Science China Technological Sciences，2011，54(6)：1428-1434.

[6] 翟淵，孫躍，戴欣，等.磁共振模式無線電能傳輸系統建模與分析[J].中國電機工程學報，2012，32(12)：155-160. Zhai Yuan，Sun Yue，Dai Xin，et al.Modeling and analysis of magnetic resonance wireless power transmission systems[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(12)：155-160.

[7] 黃學良，吉青晶，譚林林，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統串并式模型研究[J].電工技術學報，2013，28(3)：171-176. Huang Xueliang，Ji Qingjing，Tan Linlin，et al.Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(3)：171-176.

[8] 黃學良，吉青晶，曹偉杰，等.磁諧振式無線電能傳輸系統諧振器的磁場分析[J].電工技術學報，2012，28(增1)：105-109. Huang Xueliang，Ji Qingjing，Cao Weijie，et al.The magnetic field simulation and measurement of resonator in wireless power transmission based on magnetic resonant coupling[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，28(sup.1)：105-109.

[9] 羅楊茜玥.影響共振磁耦合無線輸電效率的關鍵技術研究與分析[J].電氣應用，2014(16)：47-51. Luo Yangqianyao.Study and research for key technology affecting transmission efficiency of magnetic resonance coupling wireless transmission[J].Electrotechnical Application，2014(16)：47-51.

[10]盧秋鴻，李明，吳東升，等.室內太陽能無線供電系統[J].電氣應用，2012(8)：105-109. Lu Qiuhong，Li Ming，Wu Dongsheng，et al.Wireless power supply system of solar air conditioning indoor[J].Electrotechnical Application，2012(8)：105-109.

[11]ICNIRP Safety Guideline.Guidelines for limiting exposure to time-varying electric，magnetic，and electromagnetic fields(up to 300 GHz)[J].Health Physics，1998，74(4)：494-522.

[12]王建，彭曉武.國內外電磁場管理相關法律法規及標準[J].環境與健康雜志，2013，30(2)：162-166. Wang Jian，Peng Xiaowu.Electromagnetic field management related laws and regulations and standards at home and abroad[J].Journal of Environment and Health，2013，30(2)：162-166.

[13]Schwan H P，Kay C F.The conductivity of living tissues[J].Annals of the New York Academy of Sciences，1957，65(6)：1007-1013.

[14]Gabriel C，Gabriel S，Corthout E.The dielectric properties of biological tissues：I.Literature survey[J].Physics in Medicine and Biology，1996，41(11)：2231-2249.

[15]Hurt W D.Multiterm Debye dispersion relations for permittivity of muscle[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1985(1)：60-64.

Electromagnetic Environment and Security Evaluation for Wireless Charging of Electric Vehicles

ChenChen1,2HuangXueliang1,2TanLinlin1,2WenFeng1,2WangWei1,2

(1.School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2.Key Laboratory of Jiangsu Province Smart Grid Technology with Equipment Zhenjiang 212000 China)

Nowadays，wireless power transfer increasingly catches a wide range of eyes and thus has been introduced into the area of electric vehicle(EV) so as to realize the wireless charging of EV batteries.Compared to the power transmission in free space，there are several differences in the electromagnetic environment when EV is charging and the electromagnetic security problem is becoming prominent.In this work，the margin of safety and the related standards are discussed first.In addition，the simulation is carried out to analyze the parametric variation，electromagnetic environment and their corresponding influences on human bodies.Finally，an experimental platform is built to verify the simulation results.The system realizes a wireless charging of EV with 3.5 kW power.The research can provide the theoretical basis for the optimization design of wireless charging electric cars.

Electromagnetic field，electric vehicle，wireless power transmission，resonance

國家高技術研究發展(863)計劃(2012AA050210)、國家自然科學基金(51177011)、教育部博士點基金(20120092110061)和江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(CXLX13_088)資助項目。

2015-05-30 改稿日期2015-06-12

TM154；TM46

陳 琛 男，1989年生，博士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術。(通信作者)

黃學良 男，1969年生，教授，博士生導師，研究方向為無線電能傳輸技術、新型能源轉換裝置研究、智能用電技術等。