電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境測試標(biāo)準(zhǔn)及方法分析

車 凱,郁金星,李德管,陳傳敏,劉松濤

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,河北 保定 071003)

0 引言

車輛電動(dòng)化、電網(wǎng)智能化是21世紀(jì)汽車和電網(wǎng)發(fā)展的趨勢,雄安新區(qū)圍繞構(gòu)建快捷高效交通網(wǎng),打造綠色交通體系的重點(diǎn)任務(wù),建立了電動(dòng)汽車智能充放電優(yōu)化管理平臺,在充電樁雙向充電、大功率充電、無線充電等新型充電技術(shù)方面均開展了示范應(yīng)用[1]。其中,用于電動(dòng)車輛充電的無線電力傳輸(WPT)技術(shù)被認(rèn)為是緩解電池容量限制引起的續(xù)航里程問題的可行方法[23]。

目前,電動(dòng)汽車無線充電的應(yīng)用仍處于試驗(yàn)推廣期,該技術(shù)還面臨著高效率、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等多項(xiàng)挑戰(zhàn)[4]。國際上致力于電動(dòng)汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)化工作的組織包括美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)(SAE)、國際電工委員會(huì)(IEC)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、日本汽車工程師協(xié)會(huì)(JSAE)以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)(SAC),主要涉及電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的通用要求、通信要求、安全性要求以及互操作性要求等,以推動(dòng)電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化進(jìn)展[5]。

無線充電技術(shù)形成終端系統(tǒng)后,必須要確保設(shè)備能夠安全運(yùn)行。由于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)工作過程是借助大功率電磁能量轉(zhuǎn)換傳輸電能,產(chǎn)生的電磁輻射難免引起公眾的疑慮。文獻(xiàn)[6-9]通過試驗(yàn)和仿真手段評估了電動(dòng)汽車無線充電運(yùn)行過程中的電磁輻射水平,具有一定的參考意義,但文獻(xiàn)所涉及到系統(tǒng)運(yùn)行工況、測試環(huán)境存在較大差異。因此,仍需要更加統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化測試方法,來驗(yàn)證電動(dòng)汽車無線充電電磁輻射是否滿足相關(guān)電磁環(huán)境安全限值要求。本文基于國際上涉及電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境測試的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),比較分析各標(biāo)準(zhǔn)在電磁環(huán)境測試方法及安全限值制定上的相同與不同,預(yù)測測試標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢,以期進(jìn)一步摸清行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)國際化水平差異,為電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境安全性分析工作提供方法指導(dǎo)。

1 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國際上涉及電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境測試方法的標(biāo)準(zhǔn)主要有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的ISO 19363-2020,國際電工委員會(huì)發(fā)布的IEC 61980-1-2015,美國汽車工程師學(xué)會(huì)發(fā)布的SAE J 2954-2020,日本汽車工程師協(xié)會(huì)發(fā)布的JASO TP 13002-2013[10-13]。其中JASO TP 13002-2013是將電動(dòng)汽車歸為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車一類,無線充電被視為車輛工作狀態(tài)之一,對多種狀態(tài)下汽車中人體暴露電磁場測試方法進(jìn)行了規(guī)定。其余標(biāo)準(zhǔn)則將電動(dòng)汽車無線電能傳輸獨(dú)立出來,并專門制定標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)相關(guān)測試方法標(biāo)準(zhǔn)化。SAE J 2954-2020、IEC 61980-1-2015發(fā)布較早,為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用提供了框架,在安全、性能和互操作性等方面做出規(guī)定。我國2015年開始建立電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電磁安全標(biāo)準(zhǔn)工作,并于2020年4月發(fā)布了GB/T 38775.4-2020[14]。

2 電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境測試方法

2.1 測試方法比較分析

從測試項(xiàng)目、儀器、場地、工況、測試位置、程序及電磁環(huán)境限值等各方面對IEC 61980-1-2015、SAE J2954-2020及GB/T 38775.4-2020具體規(guī)定進(jìn)行比較分析。

2.1.1 測試項(xiàng)目與儀器

各標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的測試項(xiàng)目與測試儀器見表1。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對電磁場測試儀器的規(guī)定較為一致,電磁場測試儀器推薦采用三軸同性低頻場強(qiáng)探頭,其圓形傳感器面積不宜大于100 cm2,且使用范圍應(yīng)能覆蓋4倍無線充電系統(tǒng)工作頻率。

_____標(biāo)準(zhǔn)號_______________________________________________________測試項(xiàng)目_____________________________________測試儀器電磁場(1 Hz～400 k Hz)SAE J 2954-2020采用三軸各向同性探頭,最大外徑為125 mm,繞阻面積為100 cm2接觸電流(2.5 Hz～100 k Hz)采用IEC 60990 中加權(quán)的感知或感應(yīng)電流測試阻抗網(wǎng)絡(luò)電磁場(1 Hz～400 k Hz)IEC 61980-需使用符合IEC 62233的100 cm2 磁場探頭進(jìn)行測量1-2015接觸電流采用符合IEC 60990中有關(guān)接觸電流測試要求的阻抗網(wǎng)絡(luò)電磁場(20 Hz～400 k Hz)GB/T 38775.4-2020采用三軸各向同性低頻場強(qiáng)探頭,圓形傳感器面積應(yīng)不大于100 cm2接觸電流(0～400 k Hz)采用GB/T 12113-2003 中加權(quán)的感知或感應(yīng)電流測試阻_______________________________________抗網(wǎng)絡(luò)

各標(biāo)準(zhǔn)中接觸電流的測試,均直接或間接引用國際電工委員會(huì)制定的IEC 60990-2003《接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測量方法》[15]。IEC 61980-1-2015 僅考慮了防觸電保護(hù)測試,而SAE J 2954-2020與GB/T 38775.4-2020明確將接觸電流作為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)電磁環(huán)境的一部分,接觸電流測試儀器由測試阻抗網(wǎng)絡(luò)和測試電極組成,并選用如圖1所示的加權(quán)接觸電流(感知或感應(yīng)電流)測試網(wǎng)絡(luò)。

圖1 加權(quán)接觸電流(感知或感應(yīng)電流)的測試網(wǎng)絡(luò)

2.1.2 測試場地與工況從各標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定來看,對是否需在電波暗室中開展測試并無明確要求,實(shí)驗(yàn)室或室外均可進(jìn)行電磁環(huán)境測試。除IEC 61980-1-2015外,其余標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定無線充電電磁場的測試需在非金屬的、非鐵磁性的地面上進(jìn)行,且周圍不應(yīng)存在影響測試的物體。GB/T 38775.4-2020 與ISO 19363-2020還分別規(guī)定接觸電流和電磁兼容性測試應(yīng)在金屬接地平面上進(jìn)行。

在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)測試狀態(tài)的規(guī)定上,IEC 61980-1-2015考慮到無線充電系統(tǒng)工作電流對電磁場測試的影響,規(guī)定電流水平應(yīng)在額定電流的50%～100%;SAE J 2954-2020 考慮了電磁輻射最大的運(yùn)行工況,即原邊(地面)設(shè)備與副邊(車載)設(shè)備處于最大偏移或最大離地間隙工作狀況下(圖2為偏移示意,X方向?yàn)檐囕v前進(jìn)方向);GB/T 38775.4-2020 額外要求測量過程中,即使最大偏移量和最大離地間隙組合工況下,靜態(tài)無線充電系統(tǒng)仍能在額定功率下正常工作,其他車輛電器應(yīng)正常關(guān)閉。

圖2 地面設(shè)備和車載設(shè)備偏移示意

2.1.3 保護(hù)區(qū)域與測試位置

測試區(qū)域的確定是在定義保護(hù)區(qū)域的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。如圖3(a)所示,SAE J 2954-2020將保護(hù)區(qū)域劃分為3個(gè)部分。第1部分是車輛下方整個(gè)區(qū)域,包含無線充電系統(tǒng)組件,但不超出車身下部結(jié)構(gòu)邊緣;第2部分是車輛外圍區(qū)域,即汽車停靠位置的前后左右以及上方;第3部分是車輛內(nèi)部(車艙)。如圖3(b)所示,IEC 61980-1-2015及GB/T 38775.4-2020基于圖3(a)分區(qū)基礎(chǔ)上對車輛下方整個(gè)區(qū)域又做了更細(xì)致的劃分,將電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)操作運(yùn)行區(qū)域,即地面設(shè)備與車載設(shè)備外形輪廓構(gòu)成的空間單獨(dú)分區(qū),其余部分被稱為過渡區(qū)域。

汽車外圍區(qū)域和車輛內(nèi)部是無線充電系統(tǒng)電磁環(huán)境主要測試區(qū)域。車輛外圍區(qū)域測試位置,如圖4(a)所示,各標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了測試點(diǎn)虛擬面,該平面與車體表面的水平距離為20 cm(以車體邊緣最突出的部分為起點(diǎn),后視鏡除外),高度范圍從地面至車體頂部。測試時(shí)場強(qiáng)探頭的中心應(yīng)處于測試點(diǎn)虛擬面上,測試點(diǎn)位置為該區(qū)域內(nèi)掃描測得最大讀數(shù)處。車輛內(nèi)部測試主要針對靠近車載設(shè)備的座椅進(jìn)行,車內(nèi)座椅的測試點(diǎn)如圖4(b)所示,分別對應(yīng)頭部(A)、胸部(B)、坐墊處(C)和足部(D),測試點(diǎn)為座椅表面上方10 cm 處的平面中、掃描測得的最大讀數(shù)處。

此外,GB/T 38775.4-2020還將非車載功率組件(將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換成地面設(shè)備所需電能的功率變換單元)納入測試,應(yīng)測量人可能觸及的組件表面。

2.1.4 測試程序

2.1.4.1 電磁場測試

首先,設(shè)置無線充電系統(tǒng)的偏移和間隙條件。然后,按照標(biāo)準(zhǔn)布置車輛外圍及車輛內(nèi)部的測試點(diǎn),場強(qiáng)探頭保持足夠慢的運(yùn)動(dòng)速度,測量各測試點(diǎn)處的電場強(qiáng)度和磁場(或磁感應(yīng))強(qiáng)度,記錄測試值并標(biāo)記出測得的最大值;重復(fù)上述步驟,設(shè)置新的偏移量或離地間隙組合,再次測量。GB/T 38775.4-2020中推薦初始偏移量及機(jī)械氣隙均為最大值,再逐步縮小偏移量或機(jī)械氣隙重復(fù)測試程序。

2.1.4.2 接觸電流測試

接觸電流的測試方法是以流經(jīng)人體的電流可能引起的效應(yīng)為基礎(chǔ)的,對流經(jīng)測試網(wǎng)絡(luò)(代表人體阻抗)電流的測量指接觸電流的測量[16]。SAE J 2954-2020與GB/T 38775.4-2020對電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境中接觸電流測試的相關(guān)規(guī)定較為一致。測試前需根據(jù)實(shí)際的電源選擇接線形式與接觸電流測試系統(tǒng),接線形式為單相接線形式或三相星形帶中點(diǎn)接線形式時(shí),應(yīng)使用感知或反應(yīng)接觸電流的測試阻抗網(wǎng)絡(luò)。接觸電流的測試應(yīng)包含所有在電動(dòng)汽車充電過程中人可能同時(shí)觸及部位,如車體(門閂)、接地平面、無線充電系統(tǒng)金屬部件等,應(yīng)全部納入測試組合。

2.2 電磁環(huán)境安全限值比較

對于電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境安全要求,GB/T 38775.4-2020中明確規(guī)定了人體暴露的電磁場基本限值和參考水平,IEC 61980-1-2015、SAE J 2954-2020及ISO 19363-2020中也建議測試結(jié)果需符合國際非電離輻射委員會(huì)制定的ICNIRP導(dǎo)則或其他地區(qū)限值標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)。

在電磁輻射防護(hù)領(lǐng)域有兩大主流標(biāo)準(zhǔn),一是國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)于2010年發(fā)布的導(dǎo)則[16],二是電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)發(fā)布的IEEE Std C 95.1-2019(0 ～300 GHz)[17]。我國在2014年對GB 8702-1988《電磁暴露防護(hù)規(guī)定》進(jìn)行修訂,在參考國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,并結(jié)合我國電磁環(huán)境保護(hù)工作實(shí)踐,制定了GB 8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》[18]。

ICNIRP導(dǎo)則建立的目的是限制電磁場暴露,以防止已知的急性不良健康影響,將電磁暴露限值區(qū)分為體內(nèi)的基本限值和體外空間的導(dǎo)出限值。基本限值是根據(jù)人體在電磁場環(huán)境中產(chǎn)生的電刺激和熱效應(yīng)制定。導(dǎo)出限值(參考水平)通常用于實(shí)際暴露評估目的,它們是通過數(shù)學(xué)建模從基本限值中獲得的,并且是從特定頻率下的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果中推斷,根據(jù)電磁輻射與受照射個(gè)體的最大耦合條件計(jì)算得出,為生物體提供最大的保護(hù)。一般認(rèn)為符合導(dǎo)出限值要求將確保滿足相應(yīng)的基本限值,因此本文主要比較分析公眾暴露電磁場參考水平限值的差異。

表2為2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接觸電流限值,GB/T 38775.4-2020與ICNIRP:2010除在頻段劃分中有區(qū)別外,公眾暴露接觸電流限值基本一致。

_____GB/T 38775.4___________________-2020 ICNIRP:2010________頻段/k Hz接觸電流限值/m A__頻段/k Hz接觸電流限值/m A__f＜2.5 0.5 f＜2.5 0.5 2.5≤f＜100 0.2f 2.5≤f＜100 0.2f 100≤f＜400_______20_____1___________________________00≤f＜10 000 20

圖5和圖6分別為國際電磁場暴露限值標(biāo)準(zhǔn)中公眾暴露電場及磁場強(qiáng)度參考水平對比,在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)工作頻段85.5 k Hz下,GB 8702-2014電磁場暴露限值最為嚴(yán)苛,而IEEE Std C 95.1-2019則相對寬松,后者磁場強(qiáng)度安全限值較前者寬松約180倍。此外,可以看出GB/T 38775.4-2020中電動(dòng)汽車無線充電公眾暴露電磁場限值依據(jù)ICNIRP:2010制定,而不是選擇引用GB 8702-2014。主要原因在于GB 8702-2014電磁場安全限值的制定,未考慮無線充電這一特殊應(yīng)用場景,且標(biāo)準(zhǔn)不適用于作為產(chǎn)生電場、磁場、電磁場設(shè)施(設(shè)備)的產(chǎn)品質(zhì)量要求,而ICNIRP 2010則是考慮了無線充電過程的電磁場暴露模型的結(jié)果。因此,針對電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電磁安全防護(hù),依據(jù)GB/T 38775.4-2020要求進(jìn)行評估更為合理有效。

圖6 公眾暴露磁場參考水平限值對比

3 結(jié)束語

國際上現(xiàn)行電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境安全測試標(biāo)準(zhǔn)存有差異,從測試方法,電磁環(huán)境限值等方面對比發(fā)現(xiàn),各標(biāo)準(zhǔn)在測量儀器、測量場地及電磁安全限值的規(guī)定上較為一致,不同之處在于測試項(xiàng)目、無線充電系統(tǒng)工況和測試位置等方面。國內(nèi)外在電磁輻射防護(hù)領(lǐng)域通用標(biāo)準(zhǔn)方面限值規(guī)定較為寬松,而國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775.4-2020依據(jù)的導(dǎo)則ICNIRP:2010 考慮了無線充電過程的電磁場暴露模型,具有較高的可靠性,此外在測試方法的規(guī)定上也較為完整。因此,電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境測試以及充電設(shè)施的生產(chǎn)制造可參照GB/T 38775.4-2020測試方法和相應(yīng)的電磁環(huán)境限值。