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電動(dòng)汽車（EV）以其清潔節(jié)能、低噪聲、起步平穩(wěn)等特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，而無(wú)線充電技術(shù)具有安全、便捷等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車供電技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。但是，隨著電動(dòng)汽車無(wú)線充電的推廣，其安全問(wèn)題也勢(shì)必會(huì)成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)之一，在安全性問(wèn)題中，電磁泄漏是亟待研究和解決的問(wèn)題。

電磁泄漏與能量的有效利用、人體健康等都直接相關(guān)。對(duì)空間電磁場(chǎng)進(jìn)行合理約束，減少電磁泄漏，加強(qiáng)新材料的研究與應(yīng)用，在最小限度影響系統(tǒng)性能的情況下，高效、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電磁屏蔽是今后電磁兼容的主要研究?jī)?nèi)容之一。此外，由于電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)使用場(chǎng)合比較特殊，進(jìn)一步加強(qiáng)高頻磁場(chǎng)對(duì)人體健康影響的研究，以及如何規(guī)避對(duì)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(biāo)準(zhǔn)

電磁暴露的環(huán)境可劃分為公眾暴露和職業(yè)暴露兩種，公眾暴露是指在公共環(huán)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(fā)現(xiàn)或不知道自己已經(jīng)受到暴露，并且沒(méi)有保護(hù)措施；職業(yè)暴露是針對(duì)工作在特殊電磁環(huán)境中的工作的職業(yè)人群，一般會(huì)有保護(hù)措施并受過(guò)一定的安全訓(xùn)練，根據(jù)暴露環(huán)境的不同，電磁暴露安全限值也不同。

目前國(guó)際上具有代表性的電磁標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際非電離暴露防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)曝露導(dǎo)則》和美國(guó)電子電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定的《關(guān)于人體曝露到電磁場(chǎng)安全水平的IEEE標(biāo)準(zhǔn)》。

ICNIRP先后頒布了兩個(gè)版本，第1版是1998年頒布的，此版本中對(duì)0.8～150kHz頻段磁感應(yīng)強(qiáng)度的公眾暴露限值為6.25mT，職業(yè)暴露限值0.82～65kHz時(shí)規(guī)定為30.7mT，0.065～1MHz時(shí)規(guī)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(yè)暴露限值提高到了100mT。相比于ICNIRP頒布的標(biāo)準(zhǔn)IEEE對(duì)于電磁暴露的限值則較為寬松，對(duì)于公眾暴露頭部和軀干的允許的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)205mT，職業(yè)暴露達(dá)615mT。

對(duì)于電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，國(guó)際上目前更多是參考ICNIRP發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)在1988年首次發(fā)布了《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》（GB 8702—1988）和《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，此后為更加合理地管理電磁環(huán)境，在參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及綜合考慮我國(guó)電磁環(huán)境保護(hù)工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，我國(guó)在2014年也對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂并頒布了《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014），規(guī)定了1Hz～300GHz頻段的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的公眾暴露控制限值、評(píng)價(jià)方法和相關(guān)設(shè)施（設(shè)備）的豁免范圍，此次修訂的主要改動(dòng)是增加了1Hz～100kHz頻段電場(chǎng)和磁場(chǎng)的公眾曝露控制限值并刪除了職業(yè)暴露的限值。

考慮到電動(dòng)汽車無(wú)線充電實(shí)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(nèi)的電磁安全限值。通過(guò)比較可知GB 8702—2014的要求更為嚴(yán)格，以85kHz為例，ICNIRP的規(guī)定是電場(chǎng)強(qiáng)度不高于83V/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度不高于21A/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度不高于27mT是對(duì)人體沒(méi)有危害的。

GB 8702—2014的規(guī)定是電場(chǎng)強(qiáng)度不高于47V/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度不高于0.117A/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度不高于0.14mT。ICNIRP公眾暴露限值標(biāo)準(zhǔn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度分別約是GB 8702—2014限制的180、193、1.8倍。通常來(lái)說(shuō)對(duì)于電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)國(guó)標(biāo)比較難達(dá)到，國(guó)內(nèi)目前參考較多的也是ICNIRP—2010。

表1 ICNIR—2010與GB 8702—2014公眾暴露控制限制

2 人體健康研究

在研究電動(dòng)汽車無(wú)線充電對(duì)人體健康的影響時(shí)，電磁仿真是應(yīng)用最廣泛的方法之一，該方法只需通過(guò)建立電動(dòng)汽車和人體的仿真模型，再根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，如電流、電壓等，確定激勵(lì)和邊界條件，即可直接通過(guò)Maxwell、HFSS等電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)系統(tǒng)的電磁環(huán)境進(jìn)行仿真分析，從而避免了繁瑣的公式推導(dǎo)。

為分析無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)于不同人體特征人群的影響，有學(xué)者總結(jié)了不同性別、年齡的人體解剖模型的人體特征參數(shù)，包括身高、體重以及身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index, BMI）等，人體解剖模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 人體解剖模型參數(shù)

建立好人體三維模型后，再根據(jù)人體各個(gè)器官和組織在相應(yīng)頻段下的電磁參數(shù)[70]，為各個(gè)器官和組織模型設(shè)置好介電常數(shù)、電導(dǎo)率等材料特性，便可進(jìn)行電磁安全性研究的數(shù)值仿真分析與估算，表3是85kHz和100kHz左右時(shí)人體重要器官的電磁參數(shù)。

表3 人體電磁參數(shù)

目前，關(guān)于電動(dòng)汽車無(wú)線充電對(duì)人體健康的影響，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究。美國(guó)密歇根大學(xué)Chris Mi教授團(tuán)隊(duì)對(duì)8kW電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的充電安全區(qū)域進(jìn)行了研究，根據(jù)ICNIRP— 2010標(biāo)出了職業(yè)暴露和公眾暴露的電磁輻射安全邊界，研究結(jié)果如圖1所示。

圖1 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

有學(xué)者基于COMSOL有限元仿真軟件，以34歲男性人體模型為對(duì)象，研究了在頻率為30kHz的3kW電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)工作時(shí)，不同位置下人體電磁暴露的情況，如圖2所示，并分別給出了人體的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，結(jié)果顯示人體磁感應(yīng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度均小于27mT和83V/m，符合電磁安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同位置的仿真模型

國(guó)內(nèi)東南大學(xué)黃學(xué)良教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)人體不同組織在100kHz左右時(shí)相應(yīng)的電磁參數(shù)建立了真實(shí)人體三維電磁模型作為負(fù)載，研究了輸出功率為3.5kW時(shí)車內(nèi)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(jié)果表明各器官電磁安全指標(biāo)均滿足ICNIRP—2010標(biāo)準(zhǔn)限制。

天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授團(tuán)隊(duì)基于三維電磁仿真軟件，構(gòu)建了100kHz下電動(dòng)汽車無(wú)線充電電磁輻射下的人體電磁環(huán)境模型，對(duì)人體主要器官的電磁暴露問(wèn)題也進(jìn)行了研究，結(jié)果同樣表明在2.5kW系統(tǒng)下各器官電磁物理量均低于ICNIRP要求的安全限值。

重慶大學(xué)孫躍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)工作頻率為85kHz功率為10kW的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，建立了三維人體和整車的有限元模型，對(duì)人體位于車內(nèi)和車外的電磁吸收情況進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)工作時(shí)車內(nèi)和車外人體器官磁感應(yīng)強(qiáng)度均在ICNIRP限值以內(nèi)，且車內(nèi)人體器官磁感應(yīng)強(qiáng)度值要比暴露在車外時(shí)小。

除電磁仿真分析之外，時(shí)域有限差分法、磁矢量計(jì)算法、磁準(zhǔn)靜態(tài)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(shù)

為了進(jìn)一步減小電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)電磁輻射的影響，在實(shí)際應(yīng)用中通常需要屏蔽措施。電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)電磁輻射的屏蔽可分為主動(dòng)屏蔽與被動(dòng)屏蔽兩類。被動(dòng)屏蔽主要是利用鐵磁材料為磁通提供一個(gè)新的導(dǎo)通路徑或者利用低磁導(dǎo)率金屬導(dǎo)體材料（鋁板、銅板等）產(chǎn)生一個(gè)與漏磁相反的磁場(chǎng)。有學(xué)者對(duì)這種兩屏蔽方式進(jìn)行了對(duì)比，研究表明利用鐵磁材料一方面可以減小磁場(chǎng)泄漏；另一方面也可以增加線圈自感和互感，增強(qiáng)耦合性能，提高系統(tǒng)效率，但屏蔽效果有限。

利用金屬屏蔽能有效屏蔽磁場(chǎng)泄漏，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率大幅下降。為此有學(xué)者將鐵磁材料與金屬片結(jié)合作為一種新型屏蔽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了良好的效果。主動(dòng)屏蔽則主要是通過(guò)在耦合機(jī)構(gòu)附近放置一個(gè)有源或無(wú)源主動(dòng)屏蔽線圈，用以產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)，KAIST在2013年提出了一種加入諧振線圈的主動(dòng)磁場(chǎng)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(tǒng)效率。

在此基礎(chǔ)上，KAIST在2014年又提出了一種基于雙線圈和相位調(diào)節(jié)的諧振式無(wú)源主動(dòng)屏蔽方案，將屏蔽線圈放置在耦合機(jī)構(gòu)的一側(cè)，通過(guò)生成一個(gè)與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，以抵消漏磁，實(shí)現(xiàn)磁屏蔽功能，但此種方式設(shè)計(jì)困難，電容與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“電動(dòng)汽車靜態(tài)無(wú)線充電技術(shù)研究綜述”，作者為吳理豪、張波。