电动汽车无线充电线圈对人体电磁暴露水平评估

牟文婷，逯迈

(兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

发展电动汽车有助于大气污染防治和节能减排.近年来我国新能源汽车保有量持续保持世界第一的市场地位.国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划》中指出，截至2020年，国内新能源汽车累计出货量将超过500万辆；到2025年，新能源汽车的年销量将达到300万辆.

随着电动汽车无线充电技术的推广和应用，其电磁环境安全问题也受到了广泛关注.文献[1]研究了纯电动汽车直流动力电缆对儿童的电磁暴露问题，结果表明儿童乘客在该电磁环境下是安全的.文献[2]在2.5 kW的低功率下，研究了频率为100 kHz的无线充电线圈对人体主要器官的电磁暴露问题，结果表明人体器官在该电磁环境下是安全的.文献[3]在发射功率为3.7 kW、谐振频率为100 kHz的情况下，研究了电动汽车无线充电系统对人体植入器件的电磁安全问题，结果表明植入器件由于电磁热效应所产生的温升处于正常范围.文献[4]在85 kHz的充电频率下，研究了充电线圈有屏蔽、无屏蔽、充电线圈对准和非对准的不同情况下，所产生的电磁辐射问题，并分析了在不同发射功率下，人体相对线圈的最小可接近距离.目前国内外已有无线充电电动汽车产品销售[5]，为满足和其他无线电通信业务的电磁兼容问题，在国际电联建议书中，明确提出了电动汽车无线充电使用的2个高功率候选频段分别为22 kHz频段(19 kHz～25 kHz)和60 kHz频段(55 kHz～57 kHz、63 kHz～65 kHz)，以及1个中功率候选频段80 kHz(79 kHz～90 kHz)[6].目前对电磁暴露的研究多集中在中功率候选频段85 kHz，而对高功率频段22 kHz和60 kHz鲜有报道，本文以这2个高功率频段为背景，比较分析其对车内人体的电磁暴露水平.

本文分别建立了谐振频率为22 kHz和60 kHz、功率为22.5 kW，传输效率为98.22%的磁耦合谐振电动汽车无线充电线圈模型，基于电磁计量学思想，利用有限元仿真软件，以电动汽车磁耦合谐振无线充电线圈为电磁暴露源，评估人体暴露于无线充电电动汽车内部的电磁辐射情况，并将计算结果与国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的《限制时变电场、磁场和电磁暴露的导则》中在频率为3 kHz～10 MHz的公众暴露限值做对比，分析人体在该电磁环境下的安全性.

2 无线充电及场路耦合原理

2.1 电动汽车无线充电原理

电动汽车无线充电原理如图1所示,220 V、50 Hz市电经整流滤波得到直流电压，再经全桥逆变电路将高频交流电供给发射线圈，通过对发射和接收线圈的物理参数和谐振电容的调节，使发射和接收线圈的固有频率与系统的工作频率相等，系统处于谐振状态.谐振时两线圈通过磁场产生强耦合，实现电能高效率传输.传输到接收线圈的电流经过整流滤波和调节给负载电池供电[7-9].

图1 电动汽车无线充电原理Figure 1 Wireless charging principle of electric vehicle

2.2 场路耦合原理

两线圈发生谐振时，能量通过空间电磁场传递.由于两线圈间的磁场变化会影响电路阻抗，线圈外部的磁屏蔽材料、电动汽车车体和底盘材料等，都会对两线圈的耦合产生影响，本文采用基于电路理论与三维有限元准确模型的场路耦合方法进行研究.场路耦合传输模型如图2所示.由于磁耦合谐振无线充电线圈的电磁波长远大于传输距离，为减少计算量，采用磁准静态方法分析无线充电线圈的电磁环境问题.

图2 场路耦合传输模型Figure 2 Field circuit coupled transmission model

通过电路理论在COMSOL Multiphysics仿真软件中辅助计算无线充电线圈的基本参数，所依赖的磁耦合谐振无线充电线圈的等效电路原理如图3所示.

图3 等效电路图Figure 3 Equivalent circuit diagram

系统的发射和接收线圈电感分别为L1和L2，发射和接收线圈的内阻分别为R1和R2，发射端和接收端的补偿电容为C1和C2，d为两线圈间的距离，M为两线圈互感，RL为负载，UAC为理想交流电压源.

(1)

(2)

计算得出磁耦合谐振无线充电线圈的发射和接收线圈电感L1、L2、互感M、负载RL等参数，代入COMSOL Multiphysics仿真模型对系统的电磁环境进行仿真分析.

3 仿真模型建立

由于难以通过试验直接测量人体组织中的电、磁场强度，目前较理想的方法是采用数值仿真计算来获取人体组织的电磁场分布[10-11].COMSOL Multiphysics软件对于磁准静态的数值求解，需满足以下计算式：

(3)

本构关系式为：

(4)

式中：H(A/m)为磁场强度；J(A/m2)为电流密度；D(C/m2)为电通量密度；E(V/m)为电场强度；B(T)为磁感应强度；ρ(C/m3)为电荷体密度；μ(H/m)为磁导率；ε0(F/m)为真空的介电常数，值为8.85×10-12；εr(无量纲)为相对介电常数；σ(单位：S/m)为电导率.

3.1 车体模型和磁耦合谐振无线充电线圈模型的建立

电动汽车车体模型如图4所示，其使用的材料主要是铝合金和玻璃，车体尺寸为4 318 mm×1 783 mm×1 730 mm.

图4 电动汽车模型Figure 4 Electric vehicle model

本研究设计的磁耦合谐振无线充电线圈的配置如图5所示，图5中发射和接收线圈均由10匝铜材料导线组成，置于具有2 300相对磁导率的20 mm厚的铁氧体板上.发射线圈安装在地面、接收线圈安装在汽车底盘下方，两线圈之间的传输距离为220 mm.该结构带有平面磁屏蔽板，能降低非工作区域漏磁，比不带磁屏蔽的传能机构具有更高的传输效率[12].磁耦合谐振无线充电线圈的模型参数见表1.

图5 磁耦合谐振无线充电线圈Figure 5 Magnetic coupling resonance wireless charging coil

表1 无线充电线圈模型参数

3.2 人体模型的建立

车内人体坐姿模型如图6所示.坐姿高为1 302 mm，人体头部模型采用国际标准的3层人头模型，由外到内依次为头皮、颅骨、大脑，半径依次为92、85、80 mm.根据4阶Cole-Cole模型求得工作频率为22 kHz和60 kHz人体各组织的介电常数和电导率，其中大脑采用脑白质、脑灰质和脑脊液的平均值，躯干组织取皮肤、血液、肌肉和骨骼四种组织的平均值[13-15].人体模型在22 kHz和60 kHz下各组织的介电常数和电导率见表2～3.

图6 人体坐姿模型Figure 6 Human sitting position model

表2 22 kHz人体各组织介电常数和电导率

表3 60 kHz人体各组织介电常数和电导率

人体在电动汽车内部的相对位置如图7所示.接收线圈位于汽车底盘中间，驾驶员的头顶距离谐振线圈中心的x方向距离为380 mm,y方向的距离为90 mm,z方向的距离为1 502.52 mm，驾驶员的脚底距离谐振线圈中心的垂直距离为200.52 mm.电动汽车车体等材料赋值后，将调整好的电路参数代入，在整体模型外建立空气域及无限元域，设置吸收边界条件，得到有限元网格模型如图8所示.

因磁耦合谐振无线充电线圈工作于22.5 kW时满足高功率电能传输需求，所以选取磁耦合谐振无线充电线圈的工作频率分别为22 kHz和60 kHz，发射功率在22.5 kW时，研究人体的电磁能量吸收，以评估人体在此电磁环境下的安全性.

图7 人体在电动汽车内部的相对位置Figure 7 Relative position of human body inside electric vehicle

图8 有限元网格模型Figure 8 Finite element mesh model

4 仿真结果分析

4.1 无线充电线圈工作于22 kHz频率

磁耦合谐振无线充电线圈工作于22 kHz时，空间截面和车内人体的磁感应强度和感应电场值分布分别如图9～10所示.由图9-A可知，22 kHz时空间截面磁感应强度最大值为3.51×104μT，最小值为2.1×10-8μT，最大值约为最小值的1.67×1012倍，说明22 kHz时磁感应强度在空间内迅速衰减.由图9-B可知，22 kHz时空间截面感应电场强度最大值为100 V/m，最小值为0 V/m.磁感应强度与电场强度最大值均出现在谐振线圈周围，沿谐振线圈四周衰减.

由图10-A可知，22 kHz时人体组织的磁感应强度最大值为0.65 μT，最小值为5.33×10-3μT，最大值约为最小值的122倍.由图10-B可知，22 kHz时人体感应电场强度最大值为0.02 V/m，最小值为4.13×10-5V/m，最大值是最小值的484倍左右，磁感应强度和电场强度的最大值均出现在距离谐振线圈最近的脚踝部位，磁感应强度在人体组织中的衰减速度小于电场强度的衰减速度.由图9～10比较可知，电动汽车的车体对电场和磁场均有很好的屏蔽作用.

图9 22 kHz时空间磁感应强度和电场强度分布Figure 9 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution at 22 kHz

图10 22 kHz时人体磁感应强度和电场强度分布Figure 10 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution of human body at 22 kHz

重点分析人体头部中枢神经系统的磁感应强度分布，22 kHz时人体头皮、颅骨、大脑的磁感应强度值分布如图11所示.由图11可知，头皮、颅骨、大脑的磁感应强度最大值依次为9.77×10-3μT、9.33×10-3、9.51×10-3μT，头皮的磁感应强度最大值略大于大脑和颅骨.

图11 22 kHz时人体头部磁感应强度分布Figure 11 Magnetic induction strength of human head at 22 kHz

以46 mm为间隔选取人体头部模型中的A，B，C 3个坐标点，如图12-A所示，通过A，B，C 3点分别做平行于yoz平面的切面，得到22 kHz时人体头部磁感应强度切面图如图12-B所示.

图12 22 kHz时磁感应强度切面图Figure 12 Section diagram of magnetic induction strength at 22 kHz

由图12-B可以看出：人体头部磁感应强度的最大值出现于距离无线充电线圈最近的头皮处，头皮暴露在头部最外侧，有较多的电磁能量吸收；颅骨层磁感应强度值最小，电磁能量吸收最少；大脑的磁感应强度值介于头皮和颅骨之间.

4.2 无线充电线圈工作于60 kHz

磁耦合谐振无线充电线圈工作于60 kHz时，空间截面和车内人体的的磁感应强度和感应电场值分布仿真结果分别如图13～14所示.由图13-A可知，频率为60 kHz时空间截面磁感应强度最大值为2.11×104μT，最小值为1.34×10-8μT，最大值约为最小值的1.57×1012倍，说明频率为60 kHz时磁感应强度在空间迅速衰减.由图13-B可知，频率为60 kHz时空间截面的感应电场强度最大值为165 V/m，最小值为0 V/m，磁感应强度与电场强度最大值均出现在谐振线圈周围.频率为60 kHz时空间截面的磁感应强度最大值小于频率为22 kHz时的磁感应强度最大值，是22 kHz时的0.6倍左右；空间截面的感应电场强度最大值要大于频率为22 kHz时的感应电场强度最大值，是22 kHz时的1.65倍.

由图14-A可知，频率为60 kHz时人体组织的磁感应强度最大值为0.24 μT，最小值为1.74×10-3μT，最大值约为最小值的138倍，并小于频率为22 kHz时的磁感应强度值，是22 kHz时的0.37倍左右.由图14-B可知，60 kHz时人体感应电场强度最大值为0.015 7 V/m，最小值为6.42×10-5V/m，最大值是最小值的244倍左右，并小于22 kHz 时的电场强度值，是22 kHz时的0.785倍左右.磁感应强度和电场强度的最大值均出现在距离谐振线圈最近的脚踝部位，磁感应强度在人体组织中的衰减速度小于感应电场强度的衰减速度.

频率为60 kHz时人体头皮、颅骨、大脑的磁感应强度值分布如图15所示.由图15可知，头皮、颅骨、大脑的磁感应强度最大值依次为3.59×10-3、3.41×10-3、3.48×10-3μT，可知头皮的磁感应强度值略大于大脑和颅骨.频率为60 kHz时人体头皮、颅骨、大脑的磁感应强度最大值均小于频率为22 kHz时的最大值，是频率为22 kHz时的0.37倍左右.

图13 60 kHz时空间磁感应强度和电场强度分布Figure 13 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution at 60 kHz

图14 60 kHz时人体磁感应强度和电场强度分布Figure 14 Space magnetic induction strength and electric field strength distribution of human body at 60 kHz

以46 mm为间隔对人头模型做3个切片，得到60 kHz时人头磁感应强度切面图如图16所示，选取人体头部模型中的A，B，C 3个坐标点，如图16-A所示，通过这3个点做平行于yoz平面的切面图，结果如图16-B所示.

图15 60 kHz时人体头部磁感应强度分布Figure 15 Magnetic induction strength of human head at 60 kHz

图16 60 kHz时磁感应强度切面图Figure 16 Distribution of magnetic induction strength in the slices of human head

由图16-B可以看出：60 kHz时人体头部磁感应强度的最大值出现于距离车门最近的头皮处，与频率为22 kHz时最大值出现的位置不同.头皮暴露在头部最外侧，有较多的电磁能量吸收；颅骨层磁感应强度值最小，电磁能量吸收较少；大脑的磁感应强度值介于头皮和颅骨之间.

国际非电离防护协会ICNIRP导则是目前最被认可的非电离辐射电磁兼容准则，在电动汽车磁耦合谐振无线充电线圈的电磁兼容性设计方面有很好的指导作用[16].ICNIRP导则制定的公众电磁暴露限值分别为：频率为22 kHz时，磁感应强度限值为27 μT，电场强度限值为2.97 V/m；频率为60 kHz时，磁感应强度限值为27 μT，电场强度限值为8.1 V/m.将仿真数据与国际非电离防护协会(ICNIRP)中公众磁场暴露限值进行比较，相关限值如表4所示.

从表4可见，磁耦合谐振无线充电线圈分别工作于22 kHz和60 kHz时，电动汽车内部驾驶员人体磁感应强度的仿真值均小于ICNIRP规定的公众暴露参考限值27 μT，分别为ICNIRP限值的2.4%和0.9%；电场强度仿真值均小于ICNIRP规定的公众暴露基本限值2.97 V/m和8.10 V/m，分别为ICNIRP限值的0.67%和0.19%.

5 结论

本文以电动汽车磁耦合谐振无线充电线圈作为电磁暴露源，仿真计算了高功率不同频段的无线充电过程中，车内驾驶员人体躯干组织和中枢神经系统的磁感应强度值和感应电场值大小.通过仿真数据得出以下结论：

表4 人体磁感应强度、感应电场仿真最大值与ICNIRP公众暴露参考限值的对比

1) 磁耦合谐振无线充电线圈分别工作在22 kHz和60 kHz时，感应电场强度衰减更快，大于磁感应强度的衰减速度.

2) 驾驶员躯干在60 kHz谐振频率下的磁感应强度和电场强度最大值均小于在22 kHz下的最大值.驾驶员头部头皮、颅骨、大脑不同部位在频率为22 kHz电磁场中的磁感应强度值依次为9.77×10-3、9.33×10-3、9.51×10-3μT，头皮的磁感应强度最大值略大于大脑和颅骨，头皮是大脑的1.027倍.60 kHz时头皮、颅骨、大脑磁感应强度最大值依次为3.59×10-3、3.41×10-3、3.48×10-3μT，头皮中的磁感应强度最大值是大脑的1.032倍，频率为60 kHz时人体头部的磁感应强度最大值较小，是22 kHz时的0.37倍左右.无线充电线圈工作在60 kHz的谐振频率下人体所受到的辐射更小.驾驶员人体生物组织内的磁感应强度最大值和感应电场强度最大值均小于ICNIRP国际电磁辐射标准，驾驶员在此电磁环境下是安全的.