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(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

發(fā)展電動汽車有助于大氣污染防治和節(jié)能減排.近年來我國新能源汽車保有量持續(xù)保持世界第一的市場地位.國務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出，截至2020年，國內(nèi)新能源汽車?yán)塾?jì)出貨量將超過500萬輛；到2025年，新能源汽車的年銷量將達(dá)到300萬輛.

隨著電動汽車無線充電技術(shù)的推廣和應(yīng)用，其電磁環(huán)境安全問題也受到了廣泛關(guān)注.文獻(xiàn)[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(jié)果表明兒童乘客在該電磁環(huán)境下是安全的.文獻(xiàn)[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(jié)果表明人體器官在該電磁環(huán)境下是安全的.文獻(xiàn)[3]在發(fā)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(tǒng)對人體植入器件的電磁安全問題，結(jié)果表明植入器件由于電磁熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫升處于正常范圍.文獻(xiàn)[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(zhǔn)和非對準(zhǔn)的不同情況下，所產(chǎn)生的電磁輻射問題，并分析了在不同發(fā)射功率下，人體相對線圈的最小可接近距離.目前國內(nèi)外已有無線充電電動汽車產(chǎn)品銷售[5]，為滿足和其他無線電通信業(yè)務(wù)的電磁兼容問題，在國際電聯(lián)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(nèi)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(jì)量學(xué)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(nèi)部的電磁輻射情況，并將計(jì)算結(jié)果與國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)制定的《限制時變電場、磁場和電磁暴露的導(dǎo)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(huán)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(jīng)整流濾波得到直流電壓，再經(jīng)全橋逆變電路將高頻交流電供給發(fā)射線圈，通過對發(fā)射和接收線圈的物理參數(shù)和諧振電容的調(diào)節(jié)，使發(fā)射和接收線圈的固有頻率與系統(tǒng)的工作頻率相等，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài).諧振時兩線圈通過磁場產(chǎn)生強(qiáng)耦合，實(shí)現(xiàn)電能高效率傳輸.傳輸?shù)浇邮站€圈的電流經(jīng)過整流濾波和調(diào)節(jié)給負(fù)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(fā)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(chǎn)生影響，本文采用基于電路理論與三維有限元準(zhǔn)確模型的場路耦合方法進(jìn)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(yuǎn)大于傳輸距離，為減少計(jì)算量，采用磁準(zhǔn)靜態(tài)方法分析無線充電線圈的電磁環(huán)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(jì)算無線充電線圈的基本參數(shù)，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(tǒng)的發(fā)射和接收線圈電感分別為L1和L2，發(fā)射和接收線圈的內(nèi)阻分別為R1和R2，發(fā)射端和接收端的補(bǔ)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(fù)載，UAC為理想交流電壓源.

(1)

(2)

計(jì)算得出磁耦合諧振無線充電線圈的發(fā)射和接收線圈電感L1、L2、互感M、負(fù)載RL等參數(shù)，代入COMSOL Multiphysics仿真模型對系統(tǒng)的電磁環(huán)境進(jìn)行仿真分析.

3 仿真模型建立

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

(3)

本構(gòu)關(guān)系式為：

(4)

式中：H(A/m)為磁場強(qiáng)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(qiáng)度；B(T)為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ(C/m3)為電荷體密度；μ(H/m)為磁導(dǎo)率；ε0(F/m)為真空的介電常數(shù)，值為8.85×10-12；εr(無量綱)為相對介電常數(shù)；σ(單位：S/m)為電導(dǎo)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(shè)計(jì)的磁耦合諧振無線充電線圈的配置如圖5所示，圖5中發(fā)射和接收線圈均由10匝銅材料導(dǎo)線組成，置于具有2 300相對磁導(dǎo)率的20 mm厚的鐵氧體板上.發(fā)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(jié)構(gòu)帶有平面磁屏蔽板，能降低非工作區(qū)域漏磁，比不帶磁屏蔽的傳能機(jī)構(gòu)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(shù)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(shù)

3.2 人體模型的建立

車內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的3層人頭模型，由外到內(nèi)依次為頭皮、顱骨、大腦，半徑依次為92、85、80 mm.根據(jù)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(shù)和電導(dǎo)率，其中大腦采用腦白質(zhì)、腦灰質(zhì)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(shù)和電導(dǎo)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(shù)和電導(dǎo)率

表3 60 kHz人體各組織介電常數(shù)和電導(dǎo)率

人體在電動汽車內(nèi)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(diào)整好的電路參數(shù)代入，在整體模型外建立空氣域及無限元域，設(shè)置吸收邊界條件，得到有限元網(wǎng)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(fā)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(huán)境下的安全性.

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

圖8 有限元網(wǎng)格模型Figure 8 Finite element mesh model

4 仿真結(jié)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(nèi)人體的磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度在空間內(nèi)迅速衰減.由圖9-B可知，22 kHz時空間截面感應(yīng)電場強(qiáng)度最大值為100 V/m，最小值為0 V/m.磁感應(yīng)強(qiáng)度與電場強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)度的最大值均出現(xiàn)在距離諧振線圈最近的腳踝部位，磁感應(yīng)強(qiáng)度在人體組織中的衰減速度小于電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)度分布Figure 10 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution of human body at 22 kHz

重點(diǎn)分析人體頭部中樞神經(jīng)系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，22 kHz時人體頭皮、顱骨、大腦的磁感應(yīng)強(qiáng)度值分布如圖11所示.由圖11可知，頭皮、顱骨、大腦的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度最大值略大于大腦和顱骨.

圖11 22 kHz時人體頭部磁感應(yīng)強(qiáng)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(biāo)點(diǎn)，如圖12-A所示，通過A，B，C 3點(diǎn)分別做平行于yoz平面的切面，得到22 kHz時人體頭部磁感應(yīng)強(qiáng)度切面圖如圖12-B所示.

圖12 22 kHz時磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)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(cè)，有較多的電磁能量吸收；顱骨層磁感應(yīng)強(qiáng)度值最小，電磁能量吸收最少；大腦的磁感應(yīng)強(qiáng)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(nèi)人體的的磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電場值分布仿真結(jié)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)電場強(qiáng)度最大值為165 V/m，最小值為0 V/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度與電場強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在諧振線圈周圍.頻率為60 kHz時空間截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值小于頻率為22 kHz時的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值，是22 kHz時的0.6倍左右；空間截面的感應(yīng)電場強(qiáng)度最大值要大于頻率為22 kHz時的感應(yīng)電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)電場強(qiáng)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(qiáng)度值，是22 kHz時的0.785倍左右.磁感應(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)度的最大值均出現(xiàn)在距離諧振線圈最近的腳踝部位，磁感應(yīng)強(qiáng)度在人體組織中的衰減速度小于感應(yīng)電場強(qiáng)度的衰減速度.

頻率為60 kHz時人體頭皮、顱骨、大腦的磁感應(yīng)強(qiáng)度值分布如圖15所示.由圖15可知，頭皮、顱骨、大腦的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(biāo)點(diǎn)，如圖16-A所示，通過這3個點(diǎn)做平行于yoz平面的切面圖，結(jié)果如圖16-B所示.

圖15 60 kHz時人體頭部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Figure 15 Magnetic induction strength of human head at 60 kHz

圖16 60 kHz時磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)于距離車門最近的頭皮處，與頻率為22 kHz時最大值出現(xiàn)的位置不同.頭皮暴露在頭部最外側(cè)，有較多的電磁能量吸收；顱骨層磁感應(yīng)強(qiáng)度值最小，電磁能量吸收較少；大腦的磁感應(yīng)強(qiáng)度值介于頭皮和顱骨之間.

國際非電離防護(hù)協(xié)會ICNIRP導(dǎo)則是目前最被認(rèn)可的非電離輻射電磁兼容準(zhǔn)則，在電動汽車磁耦合諧振無線充電線圈的電磁兼容性設(shè)計(jì)方面有很好的指導(dǎo)作用[16].ICNIRP導(dǎo)則制定的公眾電磁暴露限值分別為：頻率為22 kHz時，磁感應(yīng)強(qiáng)度限值為27 μT，電場強(qiáng)度限值為2.97 V/m；頻率為60 kHz時，磁感應(yīng)強(qiáng)度限值為27 μT，電場強(qiáng)度限值為8.1 V/m.將仿真數(shù)據(jù)與國際非電離防護(hù)協(xié)會(ICNIRP)中公眾磁場暴露限值進(jìn)行比較，相關(guān)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(nèi)部駕駛員人體磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真值均小于ICNIRP規(guī)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(qiáng)度仿真值均小于ICNIRP規(guī)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(jié)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(jì)算了高功率不同頻段的無線充電過程中，車內(nèi)駕駛員人體軀干組織和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值和感應(yīng)電場值大小.通過仿真數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

表4 人體磁感應(yīng)強(qiáng)度、感應(yīng)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(yīng)電場強(qiáng)度衰減更快，大于磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減速度.

2) 駕駛員軀干在60 kHz諧振頻率下的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度值依次為9.77×10-3、9.33×10-3、9.51×10-3μT，頭皮的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值和感應(yīng)電場強(qiáng)度最大值均小于ICNIRP國際電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，駕駛員在此電磁環(huán)境下是安全的.