电动汽车无线充电桩电磁辐射安全性测试
2021-02-28江苏省医疗器械检验所刘寒春
江苏省医疗器械检验所 刘寒春
目前随着我国新能源行业的发展，电动汽车发展迅速，电动汽车的无线充电桩也越来越受到行业重视。电动汽车（Electric Vehicle,EV）凭借环保、节能、无尾气污染的优点，近年来得到国家政策的大力支持。磁耦合谐振式无线电能传输（Wireless Power Transmission,WPT）技术，不受电缆线的束缚，且传输功率大、效率高，传输距离适中，日益成为电动汽车的新型有效充电方式。磁耦合机构工作时将电能转化成高频电磁场(Electromagnetic Fields,EMF)，EMF不可避免地泄漏到耦合机构周围的非工作区域，对人体的安全产生潜在威胁。本文基于对耦合机构的建模，研究WPT系统的电磁场分布特性设计EV无线充电人体暴露EMF测试系统，且搭建无线充电平台进行了电磁场的实测。
1 电动汽车的无线充电系统
1.1 无线充电系统
无线充电系统包括电源、发射端整流逆变部分及发射端补偿控制设备、用于电磁能转换的耦合机构（含原、副边线圈和屏蔽机构）、车载端整流滤波装置、负载即车载蓄电池以及信号控制系统，如图1所示。
图1 无线充电系统示意图
1.2 电磁能传输
基于电磁能的WPT系统主要依靠电磁辐射来传输能量。包括电场耦合式、磁耦合谐振式、微波式、射频式和激光式。其中，磁耦合式和电场耦合式属于近距离无线充电，利用近场电磁能互转的原理进行中短距离的无线能量传输；射频式、微波式和激光式属于远距离无线充电，远距离无线充电实现技术普遍处于理论研究和技术验证阶段，距离商业应用还有较远的距离，是在对能量传送效率和安全性方面还面临较大的挑战。
磁耦合谐振式WPT通过谐振补偿电路实现强耦合，在几种无线电能传输方式中距离适中，效率更高，传输功率更大。所以，电动汽车无线充电广泛采用的是磁耦合谐振式WPT技术。
2 电动汽车无线充电系统EMF测试
2.1 电动汽车无线充电桩电磁场测试平台
测试平台由无发射非金属搭载台架和电动汽车无线充电EMF三维测试系统联合组成。非金属无发射台架即电动汽车无线充电桩搭载台架如图2，电动汽车无线充电EMF三维测试系统如图3包括电磁场探测模块、碳纤维棒搭载模块、伺服升降模块、自动定位模块、电磁场暴露限值评价模块共同组成。
图2 无发射非金属搭载台架实物图
图3 电动汽车无线充电EMF测试系统实物图
2.2 WPT平台搭建
将一次侧的整流逆变器、功率因数校正电路和WPT发射端电路连接，二次侧接收电路和整流器以及可编程负载连接好，硬件实物图如图4所示，本次实验所用的WPT样机功率为5kW。由于可编程负载的电磁辐射会对WPT空间EMF的测试有干扰，因此可编程负载放置在暗室以外，通过连接线将室内的WPT系统与室外负载联系起来，因此图4(b)中并未体现负载。
图4 谐振式整流控制电路及WPT充电平台
2.3 EMF分布测试
在实验中用钢板来模拟汽车底盘。将电动汽车WPT充电桩的收发线盘分别固定在无发射台架上。结合电动汽车无线充电电磁环境测试的相关标准要求，将电动汽车无线充电EMF三维测试系统放置在无发射台架周围，按照图6的测试路径要求改变探头的位置，所有实验均在10m法电波暗室进行，以防止外界电磁辐射的干扰。电动汽车无线充电EMF三维测试系统在使用时，要求探头所在测试点周围1.5m的范围内无金属，探头中心最低离地高度为10cm，使用环境要求常温恒温，相对湿度不超过80%，无强烈震动、无灰尘。
如图6所示，将功率为5kW的WPT充电平台按照四个对角线和四条边的中垂线方向划分为8个角度，每个角度上按照距WPT原边侧线圈（上方）的垂直距离为0cm、6cm、12cm和18cm划分四条线，WPT标准气隙为15cm。具体的测试路径如图5.8所示，角度1、2、已在图中标注，分别沿两个角度所在的直线，以WPT发射线圈外侧的四条边缘线的中点和四个角作为测试距离d的起点，从d=5cm处开始测起，每隔10cm进行一次定点测量，从而获得0-80cm时的磁感应强度分布曲线。
图5 EMF分布联合测试系统
图6 EMF分布联合测试系统
下面给出标准气隙15cm正对情况下对WPT线圈周围空间实测的EMF分布曲线。
从图7结果可以看出，在15cm标准气隙正对时WPT的磁场分布来看，角度1、2磁场分布规律大致相同，不同高度的磁场分布均随着距离变化呈现类指数的衰减，垂直WPT原边线圈的距离为0cm或6cm时磁场最强，说明发射线圈侧磁场较强。当距发射线圈外侧的径向安全距离设为20cm时，可满足限值27μT的标准要求。
图7 WPT周围的EMF分布
3 总结
本文通过无发射非金属搭载台架和EV无线充电EMF三维测试系统设计了一套WPT空间EMF分布联合测试系统，利用无发射台架、WPT样机及等效负载搭建起无线充电实验平台。实测了15cm标准气隙正对情况下WPT周围距离发射线圈外侧0-80cm的不同高度的EMF分布，确定WPT工作时的安全距离，对电动汽车无线充电桩的设计及应该有一定指导意义。
