電動汽車無線充電線圈對人體電磁暴露水平評估

牟文婷，逯邁

(蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

發展電動汽車有助于大氣污染防治和節能減排.近年來我國新能源汽車保有量持續保持世界第一的市場地位.國務院印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃》中指出，截至2020年，國內新能源汽車累計出貨量將超過500萬輛；到2025年，新能源汽車的年銷量將達到300萬輛.

隨著電動汽車無線充電技術的推廣和應用，其電磁環境安全問題也受到了廣泛關注.文獻[1]研究了純電動汽車直流動力電纜對兒童的電磁暴露問題，結果表明兒童乘客在該電磁環境下是安全的.文獻[2]在2.5 kW的低功率下，研究了頻率為100 kHz的無線充電線圈對人體主要器官的電磁暴露問題，結果表明人體器官在該電磁環境下是安全的.文獻[3]在發射功率為3.7 kW、諧振頻率為100 kHz的情況下，研究了電動汽車無線充電系統對人體植入器件的電磁安全問題，結果表明植入器件由于電磁熱效應所產生的溫升處于正常范圍.文獻[4]在85 kHz的充電頻率下，研究了充電線圈有屏蔽、無屏蔽、充電線圈對準和非對準的不同情況下，所產生的電磁輻射問題，并分析了在不同發射功率下，人體相對線圈的最小可接近距離.目前國內外已有無線充電電動汽車產品銷售[5]，為滿足和其他無線電通信業務的電磁兼容問題，在國際電聯建議書中，明確提出了電動汽車無線充電使用的2個高功率候選頻段分別為22 kHz頻段(19 kHz～25 kHz)和60 kHz頻段(55 kHz～57 kHz、63 kHz～65 kHz)，以及1個中功率候選頻段80 kHz(79 kHz～90 kHz)[6].目前對電磁暴露的研究多集中在中功率候選頻段85 kHz，而對高功率頻段22 kHz和60 kHz鮮有報道，本文以這2個高功率頻段為背景，比較分析其對車內人體的電磁暴露水平.

本文分別建立了諧振頻率為22 kHz和60 kHz、功率為22.5 kW，傳輸效率為98.22%的磁耦合諧振電動汽車無線充電線圈模型，基于電磁計量學思想，利用有限元仿真軟件，以電動汽車磁耦合諧振無線充電線圈為電磁暴露源，評估人體暴露于無線充電電動汽車內部的電磁輻射情況，并將計算結果與國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)制定的《限制時變電場、磁場和電磁暴露的導則》中在頻率為3 kHz～10 MHz的公眾暴露限值做對比，分析人體在該電磁環境下的安全性.

2 無線充電及場路耦合原理

2.1 電動汽車無線充電原理

電動汽車無線充電原理如圖1所示,220 V、50 Hz市電經整流濾波得到直流電壓，再經全橋逆變電路將高頻交流電供給發射線圈，通過對發射和接收線圈的物理參數和諧振電容的調節，使發射和接收線圈的固有頻率與系統的工作頻率相等，系統處于諧振狀態.諧振時兩線圈通過磁場產生強耦合，實現電能高效率傳輸.傳輸到接收線圈的電流經過整流濾波和調節給負載電池供電[7-9].

圖1 電動汽車無線充電原理Figure 1 Wireless charging principle of electric vehicle

2.2 場路耦合原理

兩線圈發生諧振時，能量通過空間電磁場傳遞.由于兩線圈間的磁場變化會影響電路阻抗，線圈外部的磁屏蔽材料、電動汽車車體和底盤材料等，都會對兩線圈的耦合產生影響，本文采用基于電路理論與三維有限元準確模型的場路耦合方法進行研究.場路耦合傳輸模型如圖2所示.由于磁耦合諧振無線充電線圈的電磁波長遠大于傳輸距離，為減少計算量，采用磁準靜態方法分析無線充電線圈的電磁環境問題.

圖2 場路耦合傳輸模型Figure 2 Field circuit coupled transmission model

通過電路理論在COMSOL Multiphysics仿真軟件中輔助計算無線充電線圈的基本參數，所依賴的磁耦合諧振無線充電線圈的等效電路原理如圖3所示.

圖3 等效電路圖Figure 3 Equivalent circuit diagram

系統的發射和接收線圈電感分別為L1和L2，發射和接收線圈的內阻分別為R1和R2，發射端和接收端的補償電容為C1和C2，d為兩線圈間的距離，M為兩線圈互感，RL為負載，UAC為理想交流電壓源.

(1)

(2)

計算得出磁耦合諧振無線充電線圈的發射和接收線圈電感L1、L2、互感M、負載RL等參數，代入COMSOL Multiphysics仿真模型對系統的電磁環境進行仿真分析.

3 仿真模型建立

由于難以通過試驗直接測量人體組織中的電、磁場強度，目前較理想的方法是采用數值仿真計算來獲取人體組織的電磁場分布[10-11].COMSOL Multiphysics軟件對于磁準靜態的數值求解，需滿足以下計算式：

(3)

本構關系式為：

(4)

式中：H(A/m)為磁場強度；J(A/m2)為電流密度；D(C/m2)為電通量密度；E(V/m)為電場強度；B(T)為磁感應強度；ρ(C/m3)為電荷體密度；μ(H/m)為磁導率；ε0(F/m)為真空的介電常數，值為8.85×10-12；εr(無量綱)為相對介電常數；σ(單位：S/m)為電導率.

3.1 車體模型和磁耦合諧振無線充電線圈模型的建立

電動汽車車體模型如圖4所示，其使用的材料主要是鋁合金和玻璃，車體尺寸為4 318 mm×1 783 mm×1 730 mm.

圖4 電動汽車模型Figure 4 Electric vehicle model

本研究設計的磁耦合諧振無線充電線圈的配置如圖5所示，圖5中發射和接收線圈均由10匝銅材料導線組成，置于具有2 300相對磁導率的20 mm厚的鐵氧體板上.發射線圈安裝在地面、接收線圈安裝在汽車底盤下方，兩線圈之間的傳輸距離為220 mm.該結構帶有平面磁屏蔽板，能降低非工作區域漏磁，比不帶磁屏蔽的傳能機構具有更高的傳輸效率[12].磁耦合諧振無線充電線圈的模型參數見表1.

圖5 磁耦合諧振無線充電線圈Figure 5 Magnetic coupling resonance wireless charging coil

表1 無線充電線圈模型參數

3.2 人體模型的建立

車內人體坐姿模型如圖6所示.坐姿高為1 302 mm，人體頭部模型采用國際標準的3層人頭模型，由外到內依次為頭皮、顱骨、大腦，半徑依次為92、85、80 mm.根據4階Cole-Cole模型求得工作頻率為22 kHz和60 kHz人體各組織的介電常數和電導率，其中大腦采用腦白質、腦灰質和腦脊液的平均值，軀干組織取皮膚、血液、肌肉和骨骼四種組織的平均值[13-15].人體模型在22 kHz和60 kHz下各組織的介電常數和電導率見表2～3.

圖6 人體坐姿模型Figure 6 Human sitting position model

表2 22 kHz人體各組織介電常數和電導率

表3 60 kHz人體各組織介電常數和電導率

人體在電動汽車內部的相對位置如圖7所示.接收線圈位于汽車底盤中間，駕駛員的頭頂距離諧振線圈中心的x方向距離為380 mm,y方向的距離為90 mm,z方向的距離為1 502.52 mm，駕駛員的腳底距離諧振線圈中心的垂直距離為200.52 mm.電動汽車車體等材料賦值后，將調整好的電路參數代入，在整體模型外建立空氣域及無限元域，設置吸收邊界條件，得到有限元網格模型如圖8所示.

因磁耦合諧振無線充電線圈工作于22.5 kW時滿足高功率電能傳輸需求，所以選取磁耦合諧振無線充電線圈的工作頻率分別為22 kHz和60 kHz，發射功率在22.5 kW時，研究人體的電磁能量吸收，以評估人體在此電磁環境下的安全性.

圖7 人體在電動汽車內部的相對位置Figure 7 Relative position of human body inside electric vehicle

圖8 有限元網格模型Figure 8 Finite element mesh model

4 仿真結果分析

4.1 無線充電線圈工作于22 kHz頻率

磁耦合諧振無線充電線圈工作于22 kHz時，空間截面和車內人體的磁感應強度和感應電場值分布分別如圖9～10所示.由圖9-A可知，22 kHz時空間截面磁感應強度最大值為3.51×104μT，最小值為2.1×10-8μT，最大值約為最小值的1.67×1012倍，說明22 kHz時磁感應強度在空間內迅速衰減.由圖9-B可知，22 kHz時空間截面感應電場強度最大值為100 V/m，最小值為0 V/m.磁感應強度與電場強度最大值均出現在諧振線圈周圍，沿諧振線圈四周衰減.

由圖10-A可知，22 kHz時人體組織的磁感應強度最大值為0.65 μT，最小值為5.33×10-3μT，最大值約為最小值的122倍.由圖10-B可知，22 kHz時人體感應電場強度最大值為0.02 V/m，最小值為4.13×10-5V/m，最大值是最小值的484倍左右，磁感應強度和電場強度的最大值均出現在距離諧振線圈最近的腳踝部位，磁感應強度在人體組織中的衰減速度小于電場強度的衰減速度.由圖9～10比較可知，電動汽車的車體對電場和磁場均有很好的屏蔽作用.

圖9 22 kHz時空間磁感應強度和電場強度分布Figure 9 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution at 22 kHz

圖10 22 kHz時人體磁感應強度和電場強度分布Figure 10 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution of human body at 22 kHz

重點分析人體頭部中樞神經系統的磁感應強度分布，22 kHz時人體頭皮、顱骨、大腦的磁感應強度值分布如圖11所示.由圖11可知，頭皮、顱骨、大腦的磁感應強度最大值依次為9.77×10-3μT、9.33×10-3、9.51×10-3μT，頭皮的磁感應強度最大值略大于大腦和顱骨.

圖11 22 kHz時人體頭部磁感應強度分布Figure 11 Magnetic induction strength of human head at 22 kHz

以46 mm為間隔選取人體頭部模型中的A，B，C 3個坐標點，如圖12-A所示，通過A，B，C 3點分別做平行于yoz平面的切面，得到22 kHz時人體頭部磁感應強度切面圖如圖12-B所示.

圖12 22 kHz時磁感應強度切面圖Figure 12 Section diagram of magnetic induction strength at 22 kHz

由圖12-B可以看出：人體頭部磁感應強度的最大值出現于距離無線充電線圈最近的頭皮處，頭皮暴露在頭部最外側，有較多的電磁能量吸收；顱骨層磁感應強度值最小，電磁能量吸收最少；大腦的磁感應強度值介于頭皮和顱骨之間.

4.2 無線充電線圈工作于60 kHz

磁耦合諧振無線充電線圈工作于60 kHz時，空間截面和車內人體的的磁感應強度和感應電場值分布仿真結果分別如圖13～14所示.由圖13-A可知，頻率為60 kHz時空間截面磁感應強度最大值為2.11×104μT，最小值為1.34×10-8μT，最大值約為最小值的1.57×1012倍，說明頻率為60 kHz時磁感應強度在空間迅速衰減.由圖13-B可知，頻率為60 kHz時空間截面的感應電場強度最大值為165 V/m，最小值為0 V/m，磁感應強度與電場強度最大值均出現在諧振線圈周圍.頻率為60 kHz時空間截面的磁感應強度最大值小于頻率為22 kHz時的磁感應強度最大值，是22 kHz時的0.6倍左右；空間截面的感應電場強度最大值要大于頻率為22 kHz時的感應電場強度最大值，是22 kHz時的1.65倍.

由圖14-A可知，頻率為60 kHz時人體組織的磁感應強度最大值為0.24 μT，最小值為1.74×10-3μT，最大值約為最小值的138倍，并小于頻率為22 kHz時的磁感應強度值，是22 kHz時的0.37倍左右.由圖14-B可知，60 kHz時人體感應電場強度最大值為0.015 7 V/m，最小值為6.42×10-5V/m，最大值是最小值的244倍左右，并小于22 kHz 時的電場強度值，是22 kHz時的0.785倍左右.磁感應強度和電場強度的最大值均出現在距離諧振線圈最近的腳踝部位，磁感應強度在人體組織中的衰減速度小于感應電場強度的衰減速度.

頻率為60 kHz時人體頭皮、顱骨、大腦的磁感應強度值分布如圖15所示.由圖15可知，頭皮、顱骨、大腦的磁感應強度最大值依次為3.59×10-3、3.41×10-3、3.48×10-3μT，可知頭皮的磁感應強度值略大于大腦和顱骨.頻率為60 kHz時人體頭皮、顱骨、大腦的磁感應強度最大值均小于頻率為22 kHz時的最大值，是頻率為22 kHz時的0.37倍左右.

圖13 60 kHz時空間磁感應強度和電場強度分布Figure 13 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution at 60 kHz

圖14 60 kHz時人體磁感應強度和電場強度分布Figure 14 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution of human body at 60 kHz

以46 mm為間隔對人頭模型做3個切片，得到60 kHz時人頭磁感應強度切面圖如圖16所示，選取人體頭部模型中的A，B，C 3個坐標點，如圖16-A所示，通過這3個點做平行于yoz平面的切面圖，結果如圖16-B所示.

圖15 60 kHz時人體頭部磁感應強度分布Figure 15 Magnetic induction strength of human head at 60 kHz

圖16 60 kHz時磁感應強度切面圖Figure 16 Distribution of magnetic induction strength in the slices of human head

由圖16-B可以看出：60 kHz時人體頭部磁感應強度的最大值出現于距離車門最近的頭皮處，與頻率為22 kHz時最大值出現的位置不同.頭皮暴露在頭部最外側，有較多的電磁能量吸收；顱骨層磁感應強度值最小，電磁能量吸收較少；大腦的磁感應強度值介于頭皮和顱骨之間.

國際非電離防護協會ICNIRP導則是目前最被認可的非電離輻射電磁兼容準則，在電動汽車磁耦合諧振無線充電線圈的電磁兼容性設計方面有很好的指導作用[16].ICNIRP導則制定的公眾電磁暴露限值分別為：頻率為22 kHz時，磁感應強度限值為27 μT，電場強度限值為2.97 V/m；頻率為60 kHz時，磁感應強度限值為27 μT，電場強度限值為8.1 V/m.將仿真數據與國際非電離防護協會(ICNIRP)中公眾磁場暴露限值進行比較，相關限值如表4所示.

從表4可見，磁耦合諧振無線充電線圈分別工作于22 kHz和60 kHz時，電動汽車內部駕駛員人體磁感應強度的仿真值均小于ICNIRP規定的公眾暴露參考限值27 μT，分別為ICNIRP限值的2.4%和0.9%；電場強度仿真值均小于ICNIRP規定的公眾暴露基本限值2.97 V/m和8.10 V/m，分別為ICNIRP限值的0.67%和0.19%.

5 結論

本文以電動汽車磁耦合諧振無線充電線圈作為電磁暴露源，仿真計算了高功率不同頻段的無線充電過程中，車內駕駛員人體軀干組織和中樞神經系統的磁感應強度值和感應電場值大小.通過仿真數據得出以下結論：

表4 人體磁感應強度、感應電場仿真最大值與ICNIRP公眾暴露參考限值的對比

1) 磁耦合諧振無線充電線圈分別工作在22 kHz和60 kHz時，感應電場強度衰減更快，大于磁感應強度的衰減速度.

2) 駕駛員軀干在60 kHz諧振頻率下的磁感應強度和電場強度最大值均小于在22 kHz下的最大值.駕駛員頭部頭皮、顱骨、大腦不同部位在頻率為22 kHz電磁場中的磁感應強度值依次為9.77×10-3、9.33×10-3、9.51×10-3μT，頭皮的磁感應強度最大值略大于大腦和顱骨，頭皮是大腦的1.027倍.60 kHz時頭皮、顱骨、大腦磁感應強度最大值依次為3.59×10-3、3.41×10-3、3.48×10-3μT，頭皮中的磁感應強度最大值是大腦的1.032倍，頻率為60 kHz時人體頭部的磁感應強度最大值較小，是22 kHz時的0.37倍左右.無線充電線圈工作在60 kHz的諧振頻率下人體所受到的輻射更小.駕駛員人體生物組織內的磁感應強度最大值和感應電場強度最大值均小于ICNIRP國際電磁輻射標準，駕駛員在此電磁環境下是安全的.