电动汽车无线充电电磁环境测试标准及方法分析

车 凯,郁金星,李德管,陈传敏,刘松涛

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.华北电力大学环境科学与工程系,河北 保定 071003)

0 引言

车辆电动化、电网智能化是21世纪汽车和电网发展的趋势,雄安新区围绕构建快捷高效交通网,打造绿色交通体系的重点任务,建立了电动汽车智能充放电优化管理平台,在充电桩双向充电、大功率充电、无线充电等新型充电技术方面均开展了示范应用[1]。其中,用于电动车辆充电的无线电力传输(WPT)技术被认为是缓解电池容量限制引起的续航里程问题的可行方法[23]。

目前,电动汽车无线充电的应用仍处于试验推广期,该技术还面临着高效率、安全性、标准化等多项挑战[4]。国际上致力于电动汽车无线充电标准化工作的组织包括美国机动车工程师学会(SAE)、国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO)、日本汽车工程师协会(JSAE)以及中国国家标准化管理委员会(SAC),主要涉及电动汽车无线充电系统的通用要求、通信要求、安全性要求以及互操作性要求等,以推动电动汽车无线充电技术实际应用和商业化进展[5]。

无线充电技术形成终端系统后,必须要确保设备能够安全运行。由于电动汽车无线充电系统工作过程是借助大功率电磁能量转换传输电能,产生的电磁辐射难免引起公众的疑虑。文献[6-9]通过试验和仿真手段评估了电动汽车无线充电运行过程中的电磁辐射水平,具有一定的参考意义,但文献所涉及到系统运行工况、测试环境存在较大差异。因此,仍需要更加统一的标准化测试方法,来验证电动汽车无线充电电磁辐射是否满足相关电磁环境安全限值要求。本文基于国际上涉及电动汽车无线充电电磁环境测试的现行标准,比较分析各标准在电磁环境测试方法及安全限值制定上的相同与不同,预测测试标准发展趋势,以期进一步摸清行业相关领域的标准国际化水平差异,为电动汽车无线充电电磁环境安全性分析工作提供方法指导。

1 国内外相关标准现状

国际上涉及电动汽车无线充电电磁环境测试方法的标准主要有国际标准化组织发布的ISO 19363-2020,国际电工委员会发布的IEC 61980-1-2015,美国汽车工程师学会发布的SAE J 2954-2020,日本汽车工程师协会发布的JASO TP 13002-2013[10-13]。其中JASO TP 13002-2013是将电动汽车归为传统内燃机车一类,无线充电被视为车辆工作状态之一,对多种状态下汽车中人体暴露电磁场测试方法进行了规定。其余标准则将电动汽车无线电能传输独立出来,并专门制定标准推动相关测试方法标准化。SAE J 2954-2020、IEC 61980-1-2015发布较早,为电动汽车无线充电系统开发和应用提供了框架,在安全、性能和互操作性等方面做出规定。我国2015年开始建立电动汽车无线充电系统电磁安全标准工作,并于2020年4月发布了GB/T 38775.4-2020[14]。

2 电动汽车无线充电电磁环境测试方法

2.1 测试方法比较分析

从测试项目、仪器、场地、工况、测试位置、程序及电磁环境限值等各方面对IEC 61980-1-2015、SAE J2954-2020及GB/T 38775.4-2020具体规定进行比较分析。

2.1.1 测试项目与仪器

各标准中所规定的测试项目与测试仪器见表1。现有标准对电磁场测试仪器的规定较为一致,电磁场测试仪器推荐采用三轴同性低频场强探头,其圆形传感器面积不宜大于100 cm2,且使用范围应能覆盖4倍无线充电系统工作频率。

_____标准号_______________________________________________________测试项目_____________________________________测试仪器电磁场(1 Hz～400 k Hz)SAE J 2954-2020采用三轴各向同性探头,最大外径为125 mm,绕阻面积为100 cm2接触电流(2.5 Hz～100 k Hz)采用IEC 60990 中加权的感知或感应电流测试阻抗网络电磁场(1 Hz～400 k Hz)IEC 61980-需使用符合IEC 62233的100 cm2 磁场探头进行测量1-2015接触电流采用符合IEC 60990中有关接触电流测试要求的阻抗网络电磁场(20 Hz～400 k Hz)GB/T 38775.4-2020采用三轴各向同性低频场强探头,圆形传感器面积应不大于100 cm2接触电流(0～400 k Hz)采用GB/T 12113-2003 中加权的感知或感应电流测试阻_______________________________________抗网络

各标准中接触电流的测试,均直接或间接引用国际电工委员会制定的IEC 60990-2003《接触电流和保护导体电流的测量方法》[15]。IEC 61980-1-2015 仅考虑了防触电保护测试,而SAE J 2954-2020与GB/T 38775.4-2020明确将接触电流作为电动汽车无线充电系统电磁环境的一部分,接触电流测试仪器由测试阻抗网络和测试电极组成,并选用如图1所示的加权接触电流(感知或感应电流)测试网络。

图1 加权接触电流(感知或感应电流)的测试网络

2.1.2 测试场地与工况从各标准的相关规定来看,对是否需在电波暗室中开展测试并无明确要求,实验室或室外均可进行电磁环境测试。除IEC 61980-1-2015外,其余标准明确规定无线充电电磁场的测试需在非金属的、非铁磁性的地面上进行,且周围不应存在影响测试的物体。GB/T 38775.4-2020 与ISO 19363-2020还分别规定接触电流和电磁兼容性测试应在金属接地平面上进行。

在电动汽车无线充电系统测试状态的规定上,IEC 61980-1-2015考虑到无线充电系统工作电流对电磁场测试的影响,规定电流水平应在额定电流的50%～100%;SAE J 2954-2020 考虑了电磁辐射最大的运行工况,即原边(地面)设备与副边(车载)设备处于最大偏移或最大离地间隙工作状况下(图2为偏移示意,X方向为车辆前进方向);GB/T 38775.4-2020 额外要求测量过程中,即使最大偏移量和最大离地间隙组合工况下,静态无线充电系统仍能在额定功率下正常工作,其他车辆电器应正常关闭。

图2 地面设备和车载设备偏移示意

2.1.3 保护区域与测试位置

测试区域的确定是在定义保护区域的基础上进行的。如图3(a)所示,SAE J 2954-2020将保护区域划分为3个部分。第1部分是车辆下方整个区域,包含无线充电系统组件,但不超出车身下部结构边缘;第2部分是车辆外围区域,即汽车停靠位置的前后左右以及上方;第3部分是车辆内部(车舱)。如图3(b)所示,IEC 61980-1-2015及GB/T 38775.4-2020基于图3(a)分区基础上对车辆下方整个区域又做了更细致的划分,将电动汽车无线充电系统操作运行区域,即地面设备与车载设备外形轮廓构成的空间单独分区,其余部分被称为过渡区域。

汽车外围区域和车辆内部是无线充电系统电磁环境主要测试区域。车辆外围区域测试位置,如图4(a)所示,各标准中均规定了测试点虚拟面,该平面与车体表面的水平距离为20 cm(以车体边缘最突出的部分为起点,后视镜除外),高度范围从地面至车体顶部。测试时场强探头的中心应处于测试点虚拟面上,测试点位置为该区域内扫描测得最大读数处。车辆内部测试主要针对靠近车载设备的座椅进行,车内座椅的测试点如图4(b)所示,分别对应头部(A)、胸部(B)、坐垫处(C)和足部(D),测试点为座椅表面上方10 cm 处的平面中、扫描测得的最大读数处。

此外,GB/T 38775.4-2020还将非车载功率组件(将电网的电能转换成地面设备所需电能的功率变换单元)纳入测试,应测量人可能触及的组件表面。

2.1.4 测试程序

2.1.4.1 电磁场测试

首先,设置无线充电系统的偏移和间隙条件。然后,按照标准布置车辆外围及车辆内部的测试点,场强探头保持足够慢的运动速度,测量各测试点处的电场强度和磁场(或磁感应)强度,记录测试值并标记出测得的最大值;重复上述步骤,设置新的偏移量或离地间隙组合,再次测量。GB/T 38775.4-2020中推荐初始偏移量及机械气隙均为最大值,再逐步缩小偏移量或机械气隙重复测试程序。

2.1.4.2 接触电流测试

接触电流的测试方法是以流经人体的电流可能引起的效应为基础的,对流经测试网络(代表人体阻抗)电流的测量指接触电流的测量[16]。SAE J 2954-2020与GB/T 38775.4-2020对电动汽车无线充电电磁环境中接触电流测试的相关规定较为一致。测试前需根据实际的电源选择接线形式与接触电流测试系统,接线形式为单相接线形式或三相星形带中点接线形式时,应使用感知或反应接触电流的测试阻抗网络。接触电流的测试应包含所有在电动汽车充电过程中人可能同时触及部位,如车体(门闩)、接地平面、无线充电系统金属部件等,应全部纳入测试组合。

2.2 电磁环境安全限值比较

对于电动汽车无线充电电磁环境安全要求,GB/T 38775.4-2020中明确规定了人体暴露的电磁场基本限值和参考水平,IEC 61980-1-2015、SAE J 2954-2020及ISO 19363-2020中也建议测试结果需符合国际非电离辐射委员会制定的ICNIRP导则或其他地区限值标准及法规。

在电磁辐射防护领域有两大主流标准,一是国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)于2010年发布的导则[16],二是电气电子工程师学会(IEEE)发布的IEEE Std C 95.1-2019(0 ～300 GHz)[17]。我国在2014年对GB 8702-1988《电磁暴露防护规定》进行修订,在参考国际标准的基础上,并结合我国电磁环境保护工作实践,制定了GB 8702-2014《电磁环境控制限值》[18]。

ICNIRP导则建立的目的是限制电磁场暴露,以防止已知的急性不良健康影响,将电磁暴露限值区分为体内的基本限值和体外空间的导出限值。基本限值是根据人体在电磁场环境中产生的电刺激和热效应制定。导出限值(参考水平)通常用于实际暴露评估目的,它们是通过数学建模从基本限值中获得的,并且是从特定频率下的实验室研究结果中推断,根据电磁辐射与受照射个体的最大耦合条件计算得出,为生物体提供最大的保护。一般认为符合导出限值要求将确保满足相应的基本限值,因此本文主要比较分析公众暴露电磁场参考水平限值的差异。

表2为2个标准规定的接触电流限值,GB/T 38775.4-2020与ICNIRP:2010除在频段划分中有区别外,公众暴露接触电流限值基本一致。

_____GB/T 38775.4___________________-2020 ICNIRP:2010________频段/k Hz接触电流限值/m A__频段/k Hz接触电流限值/m A__f＜2.5 0.5 f＜2.5 0.5 2.5≤f＜100 0.2f 2.5≤f＜100 0.2f 100≤f＜400_______20_____1___________________________00≤f＜10 000 20

图5和图6分别为国际电磁场暴露限值标准中公众暴露电场及磁场强度参考水平对比,在电动汽车无线充电系统工作频段85.5 k Hz下,GB 8702-2014电磁场暴露限值最为严苛,而IEEE Std C 95.1-2019则相对宽松,后者磁场强度安全限值较前者宽松约180倍。此外,可以看出GB/T 38775.4-2020中电动汽车无线充电公众暴露电磁场限值依据ICNIRP:2010制定,而不是选择引用GB 8702-2014。主要原因在于GB 8702-2014电磁场安全限值的制定,未考虑无线充电这一特殊应用场景,且标准不适用于作为产生电场、磁场、电磁场设施(设备)的产品质量要求,而ICNIRP 2010则是考虑了无线充电过程的电磁场暴露模型的结果。因此,针对电动汽车无线充电系统运行过程中的电磁安全防护,依据GB/T 38775.4-2020要求进行评估更为合理有效。

图6 公众暴露磁场参考水平限值对比

3 结束语

国际上现行电动汽车无线充电电磁环境安全测试标准存有差异,从测试方法,电磁环境限值等方面对比发现,各标准在测量仪器、测量场地及电磁安全限值的规定上较为一致,不同之处在于测试项目、无线充电系统工况和测试位置等方面。国内外在电磁辐射防护领域通用标准方面限值规定较为宽松,而国家标准GB/T 38775.4-2020依据的导则ICNIRP:2010 考虑了无线充电过程的电磁场暴露模型,具有较高的可靠性,此外在测试方法的规定上也较为完整。因此,电动汽车无线充电电磁环境测试以及充电设施的生产制造可参照GB/T 38775.4-2020测试方法和相应的电磁环境限值。