学术︱电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估

“2015第二届轨道交通供电系统技术大会”11月在京开幕

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东南大学电气工程学院、江苏省智能电网技术与装备重点实验室的研究人员陈琛、黄学良等，在2015年第19期《电工技术学报》上撰文指出，近来，无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注，同时，该技术也被尝试应用于电动汽车以实现电动汽车的无线充电。与能量在自由空间传播相比，电动汽车无线充电时的电磁环境有很大不同，而电磁安全问题也变得日益突出。

基于上述问题，首先分析了该领域的安全限制与标准问题，其次通过仿真分析了电动汽车充电时的参数变化、电磁环境以及对人体的影响，最后通过电动汽车试验来验证仿真结果，系统实现了约为3.5kW的能量传输。该研究可以为无线充电电动汽车的优化设计提供理论依据。

随着能源危机和环境污染问题的日益加深，发展电动汽车（EV）被世界公认为解决方法之一[1]。随着电动汽车的快速增长，必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高的要求。目前各国电动汽车的充电主要以充电站、充电桩或换电池的模式为主，而电池充电站的建设成为制约电动汽车发展的最大瓶颈。

无线电能传输技术（WPT）作为一项新兴技术，目前已经商业化运作主要应用于手机、电脑、随身听等小功率设备的充电上，而基于无线电能传输技术的电动汽车也成为各大汽车厂商以及科研机构的关注焦点[2]。

与充电站等接触式充电方式相比，电动汽车的无线充电可以解决火花、积尘、接触损耗、机械磨损等一系列有线充电带来的问题，同时可以实现停车位自动充电和移动供电，由此可以降低对电池容量的要求，降低电动汽车购买成本，增强电动汽车的续航能力。随着WPT技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备领域中最具潜力的市场。

随着无线充电电动汽车的推广，其电磁环境及安全问题也势必会暴露于公众的视野中。无线电能传输技术应用于电动汽车时的工作状态，将区别于能量在自由空间中传播的情况[3-10]，除WPT系统自身的耦合外，还存在与外部环境的耦合，车身、底盘等因素将对系统周围的电磁环境产生影响，从而使系统的参数发生变化，而该耦合将严重影响到系统的工作状态与稳定性。另一方面，若要进一步推进无线充电电动汽车的发展应用，对其充电时电磁安全性研究十分关键。

美国汽车工程师协会(SAE)将轻型电动汽车无线充电的标准频带确立在85kHz，频带范围为81.38kHz~90.00kHz，这一频段的安全标准，大部分发达国家依据国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）制定的《Guidelinesfor Limiting Exposure to Time Varying Electric, Magnetic and ElectromagneticFields （up to 300 GHz）》、美国国家标准协会（ANSI）和美国电子电气工程师协会（IEEE）共同制定的《IEEE Standard for Safety Levels withRespect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields 3 kHz to300 GHz》这两个准则为基础制定本国的法律规范，我国也出台了一系列与电磁安全相关的法规和标准[11-12]，如表1所示。

表1 ICNIRP 导则与征求意见稿电磁安全导出限值的对照

表1中中国的数据为我国最新的征求意见稿，由表1可见，我国在电磁安全限制上的要求要严于国际标准，国家将会越来越加强对电磁环境安全的监管与要求，因此开展相关工作十分必要。

本文首先对电动汽车无线充电系统与人体建模，并通过仿真分析电动汽车周围电磁环境以及金属底盘对系统参数和性能的影响，同时分析了电动汽车充电时对人体各个器官的作用。最后通过实验验证了仿真结果。

图1 基于WPT的电动汽车充电模型

结论

电动汽车在无线充电时的电磁环境具有与其它设备工作时不同的性质，无线充电电动汽车的各项参数（自感、互感）与其在能量自由传播时相比将会发生很大变化，从而对工作频率、功率、效率等产生影响。

因此，本文通过仿真分析电动汽车无线充电时的电磁环境问题，可以对无线充电系统的参数设置、系统在电动汽车上的位置、底盘的改装起到指导作用。

同时通过分析电动汽车无线充电时的电磁环境变化以及对人体的影响可以看出，无线充电电动汽车满足国内外关于电磁安全的相关标准，由此可以减少公众对该技术的顾虑，有利于无线电能传输技术在电动汽车领域的推广与发展。