電動(dòng)汽車無線充電時(shí)的電磁環(huán)境及安全評(píng)估

陳 琛 黃學(xué)良 譚林林 聞 楓 王 維

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096 2.江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鎮(zhèn)江 212000)

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電動(dòng)汽車無線充電時(shí)的電磁環(huán)境及安全評(píng)估

陳 琛1，2黃學(xué)良1，2譚林林1，2聞 楓1，2王 維1，2

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096 2.江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鎮(zhèn)江 212000)

近來，無線電能傳輸技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注，同時(shí)，該技術(shù)也被嘗試應(yīng)用于電動(dòng)汽車以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的無線充電。與能量在自由空間傳播相比，電動(dòng)汽車無線充電時(shí)的電磁環(huán)境有很大不同，而電磁安全問題也變得日益突出。基于上述問題，首先分析了該領(lǐng)域的安全限制與標(biāo)準(zhǔn)問題；其次通過仿真分析了電動(dòng)汽車充電時(shí)的參數(shù)變化、電磁環(huán)境以及對(duì)人體的影響；最后通過電動(dòng)汽車試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了約為3.5 kW的能量傳輸。該研究可為無線充電電動(dòng)汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

電磁場 電動(dòng)汽車 無線電能傳輸 諧振

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益加深，發(fā)展電動(dòng)汽車(EV)被世界公認(rèn)為解決方法之一[1]。隨著電動(dòng)汽車的快速增長，必然會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的充電方式多樣化和方便性提出更高要求。目前各國電動(dòng)汽車的充電主要以充電站、充電樁或換電池的模式為主，而電池充電站的建設(shè)成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的最大瓶頸。無線電能傳輸技術(shù)(WPT)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，目前已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)作，主要應(yīng)用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)、隨身聽等小功率設(shè)備的充電上，而基于無線電能傳輸技術(shù)的電動(dòng)汽車也成為各大汽車廠商及科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注焦點(diǎn)[2]。與充電站等接觸式充電方式相比，電動(dòng)汽車的無線充電可以解決火花、積塵、接觸損耗及機(jī)械磨損等一系列有線充電帶來的問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)停車位自動(dòng)充電和移動(dòng)供電，由此可降低對(duì)電池容量的要求，降低電動(dòng)汽車購買成本，增強(qiáng)電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。隨著WPT技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車將是無線充電設(shè)備領(lǐng)域中最具潛力的市場。

隨著無線充電電動(dòng)汽車的推廣，其電磁環(huán)境及安全問題也勢必會(huì)暴露于公眾的視野中。無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車時(shí)的工作狀態(tài)，將區(qū)別于能量在自由空間中傳播的情況[3-10]，除WPT系統(tǒng)自身的耦合外，還存在與外部環(huán)境的耦合，車身、底盤等因素將對(duì)系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境產(chǎn)生影響，從而使系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，而該耦合將嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的工作狀態(tài)與穩(wěn)定性。另一方面，若要進(jìn)一步推進(jìn)無線充電電動(dòng)汽車的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)其充電時(shí)電磁安全性研究十分關(guān)鍵。美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)將輕型電動(dòng)汽車無線充電的標(biāo)準(zhǔn)頻帶確立在85kHz，頻帶范圍為81.38～90.00 kHz，這一頻段的安全標(biāo)準(zhǔn)，大部分發(fā)達(dá)國家以國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)制定的《Guidelines for Limiting Exposure to Time Varying Electric，Magnetic and Electromagnetic Fields(up to 300 GHz)》、美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)和美國電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)共同制定的《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields 3 kHz to 300 GHz》兩個(gè)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)制定本國的法律規(guī)范，我國也出臺(tái)了一系列與電磁安全相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)[11，12]，如表1所示。

表1 ICNIRP導(dǎo)則與征求意見稿電磁安全導(dǎo)出限值的對(duì)照

表1中中國的數(shù)據(jù)為我國最新的征求意見稿，由表1可見，我國在電磁安全限制上的要求嚴(yán)于國際標(biāo)準(zhǔn)，并將逐步加強(qiáng)對(duì)電磁環(huán)境安全的監(jiān)管與要求，因此開展相關(guān)工作十分必要。

1 系統(tǒng)建模

1.1 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)模型

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)主要借助于交變磁場將能量從發(fā)射線圈傳遞到接收線圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電池的供電。圖1是一個(gè)典型的基于磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)的充電裝置，它由獨(dú)立的兩個(gè)部分組成，分別連接到電源和負(fù)載，圖2為其等效電路。

圖1 基于WPT的電動(dòng)汽車充電模型

圖2 電動(dòng)汽車充電模型等效電路

圖1中，充電系統(tǒng)由發(fā)射功率源、發(fā)射器、接收器及負(fù)載電池組成。圖2中，U為高頻逆變?cè)?；ZS為電源內(nèi)阻；L1為發(fā)射線圈的等效電感；L2為接收線圈的等效電感；R1為發(fā)射線圈在高頻下的等效電阻；R2為接收線圈在高頻下的等效電阻；M為兩線圈之間的互感；C1為發(fā)射線圈在高頻下的寄生電容；C2為外接可調(diào)電容；ZL為負(fù)載電阻。根據(jù)等效電路可列出系統(tǒng)的KVL方程

(1)

式中

系統(tǒng)的輸出功率為

(2)

在仿真環(huán)境中，將電動(dòng)汽車作為獨(dú)立研究對(duì)象，諧振器線圈半徑為30 cm，自感為50.72 μH，匝數(shù)為11匝。將一個(gè)3.2×1.5 m的金屬板作為電動(dòng)汽車底盤置于距離接收線圈下方1 cm的位置。仿真參數(shù)如表2所示，仿真模型如圖3所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)配置

圖3 電動(dòng)汽車仿真模型

1.2 人體模型

為了探究電動(dòng)汽車無線充電時(shí)對(duì)人體的影響，結(jié)合不同組織在100 kHz左右時(shí)相應(yīng)的電磁參數(shù)建立了真實(shí)人體三維電磁模型作為負(fù)載。人體高度為1.7 m，體重為65 kg，并通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得人體各器官存在的電磁參數(shù)[13-15]，如表3所示，仿真模型如圖4所示。

表3 人體電磁參數(shù)

圖4 人體仿真模型

2 磁場仿真

2.1 電動(dòng)汽車金屬底盤對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響

當(dāng)充電系統(tǒng)中引入電動(dòng)汽車的金屬底盤后，系統(tǒng)周圍的電磁場受到金屬底盤的屏蔽作用。金屬板的屏蔽性能一般以屏蔽效能SE(dB)表示，定義為

SE=20lgE0/E1(dB)

SE=20lgH0/H1(dB)

(3)

式中：E0、H0分別為未屏蔽時(shí)測得的場強(qiáng)；E1、H1分別為屏蔽后測得的場強(qiáng)。磁場和電場的屏蔽效率為

SE=A+R+B(dB)

(4)

式中：A為電磁波在障礙中傳輸時(shí)的衰減損耗，即吸收損耗；B為電磁波在障礙中的多次反射效應(yīng)；R為電磁波在兩個(gè)界面處的反射效應(yīng)，即反射損耗。

由于金屬底盤的引入帶來屏蔽作用，使得磁力線在空間的分布發(fā)生變化，因此二次線圈的耦合也隨之發(fā)生變化，并且在交變磁場中，障礙中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生的新磁場與原磁場相反。受以上因素的影響，無線充電系統(tǒng)的電感和互感均發(fā)生變化。

在系統(tǒng)中引入金屬底盤后，上述作用同時(shí)影響諧振器的磁場，這些作用使得自感、互感的數(shù)值計(jì)算相當(dāng)困難，因此，本文通過有限元仿真的方法對(duì)金屬底盤引入后的系統(tǒng)參數(shù)變化進(jìn)行分析。

2.1.1 金屬底盤對(duì)線圈自感和互感的影響

分別將金屬底盤設(shè)置為銅和鐵。其中，鐵的電導(dǎo)率為1.12×107S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為4 000，銅的電導(dǎo)率為6×107S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1?？傻玫讲煌l率下線圈自感的變化曲線如圖5所示。

圖5 金屬底盤對(duì)線圈自感的影響

通過仿真結(jié)果可以看出，由于金屬底盤的存在，線圈自感隨著工作頻率的增加而減小。銅板對(duì)線圈自感的影響較微弱，而當(dāng)鐵板存在時(shí)，線圈自感會(huì)隨著頻率的增大而急劇下降，當(dāng)頻率高于1 kHz時(shí)，自感下降的速度將會(huì)減慢。此時(shí)，在高頻情況下，銅板與鐵板對(duì)線圈的自感產(chǎn)生的影響近似相等。

同樣，在相同參數(shù)下對(duì)兩線圈的互感進(jìn)行分析，兩線圈之間的距離為25 cm。由于金屬障礙物的阻礙，且金屬介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)大于諧振器的尺寸，此時(shí)的互感接近于0，因此可以忽略。

2.1.2 改裝后的底盤對(duì)線圈自感和互感的影響

為了降低金屬底盤對(duì)系統(tǒng)的影響，將金屬底盤放置傳輸線圈位置切割一個(gè)圓形缺口，切割圓與諧振器同軸，從而保證發(fā)射線圈與接收線圈的緊密耦合。通過改變切割圓半徑，可以改善底盤對(duì)系統(tǒng)自感和互感的影響。結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 改裝后的底盤對(duì)線圈自感的影響

圖7 改裝后的底盤對(duì)線圈互感的影響

圖8為輸出功率隨切割圓半徑變化曲線。由圖8可看出，隨著切割圓半徑的增大，線圈的自感和互感均逐步增大，逐漸抵消底盤對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響。在高頻時(shí)，這種抵消作用更為明顯。當(dāng)系統(tǒng)工作在高頻時(shí)，如果切割圓半徑小于諧振器半徑，電感和自感將會(huì)隨切割圓半徑的增大緩慢增長，而當(dāng)切割圓半徑大于諧振器半徑時(shí)，電感和自感將會(huì)迅速增大后趨于平穩(wěn)。

圖8 輸出功率隨切割圓半徑變化曲線

2.1.3 改裝后的底盤對(duì)系統(tǒng)頻率和輸出功率的影響

當(dāng)諧振器的自感發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)生變化，與工作頻率產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致系統(tǒng)失諧，功率與效率下降，通過可調(diào)電容的自動(dòng)補(bǔ)償，將會(huì)使系統(tǒng)重新達(dá)到諧振狀態(tài)，并恢復(fù)至初始的工作頻率。

而當(dāng)諧振器的互感發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)式(2)可知，系統(tǒng)的輸出功率也將隨之變化。由圖8可看出，當(dāng)切割圓的半徑小于諧振器半徑時(shí)，幾乎沒有功率輸出，而當(dāng)切割圓的半徑大于諧振器半徑時(shí)，輸出功率將迅速增大直至平穩(wěn)。結(jié)合曲線可知，切割圓的半徑應(yīng)當(dāng)盡量增大，以降低金屬底盤對(duì)輸出功率的影響。

2.2 電動(dòng)汽車無線充電時(shí)的電磁環(huán)境

將電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象，對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行建模。發(fā)射線圈與接收線圈為盤式圓形線圈，諧振器設(shè)置在電動(dòng)汽車尾部，周圍10 m半徑的空氣作為仿真區(qū)域。

仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖可看出，當(dāng)系統(tǒng)引入金屬底盤后，磁場分布將會(huì)發(fā)生改變，磁力線受到阻礙。在底盤的邊緣部分磁力線受到的影響更為嚴(yán)重。

圖9 電動(dòng)汽車充電時(shí)的磁場分布

圖10 電動(dòng)汽車充電時(shí)的磁力線分布

在引入電動(dòng)汽車的金屬底盤后，底盤將會(huì)起到對(duì)磁場的屏蔽作用。在距離車尾10 cm處分別對(duì)有無底盤時(shí)的電磁環(huán)境進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11所示。金屬底盤將對(duì)磁場產(chǎn)生屏蔽作用，可很好地對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)。

圖11 改裝后的底盤對(duì)電磁的屏蔽作用

2.3 電動(dòng)汽車無線充電時(shí)對(duì)人體的影響

由表1可知，在電動(dòng)汽車無線充電頻段內(nèi)，ICNIRP規(guī)定電流密度公眾暴露限值為2 000 mA/m2，SAR限值為2 W/kg，功率密度限值為10 W/m2。圖12為電動(dòng)汽車在輸出功率為3.5 kW時(shí)車內(nèi)外人體各器官電流密度、SAR及功率密度的最大值。從圖12中可看出，無論車內(nèi)車外，其電磁安全指標(biāo)均滿足ICNIRP的限值要求，在車內(nèi)，心臟的電流密度最大，為610 mA/m2，約達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的30.5%，而對(duì)于SAR值和功率密度，在車內(nèi)時(shí)肺臟均是受影響最嚴(yán)重的器官，SAR值為1.2×10-3W/kg，功率密度為3.16 W/m2，分別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的0.06%和31.6%。由此可知，在各器官中，系統(tǒng)對(duì)心肺的影響較其他器官更為顯著，需作為重點(diǎn)防護(hù)的對(duì)象。而由于車身的屏蔽作用以及電磁參數(shù)隨距離的急劇衰減，車外的電磁安全指標(biāo)明顯優(yōu)于車內(nèi)。

圖12 電動(dòng)汽車無線充電時(shí)身體器官電磁物理量最大值

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過以上分析，課題組研制了磁耦合諧振式無線充電電動(dòng)汽車，圖13和圖14為實(shí)驗(yàn)裝置。結(jié)合理論分析與電動(dòng)汽車實(shí)際情況，對(duì)汽車底盤進(jìn)行改裝，切割一個(gè)半徑為45 cm的圓形缺口，工作頻率為100 kHz。發(fā)射線圈置于路面，接收線圈裝于屏蔽盒緊挨汽車底盤。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了約為3.5 kW的功率傳輸，與仿真結(jié)果大致相同，并且可以證明，在電動(dòng)汽車無線充電的真實(shí)環(huán)境中，可基本滿足美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)J295TM工作組制定的“輸出功率最低的WPT1為3.7 kW”的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 能量自由傳輸時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖14 電動(dòng)汽車充電時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置

4 結(jié)論

電動(dòng)汽車在無線充電時(shí)的電磁環(huán)境具有與其他設(shè)備工作時(shí)不同的性質(zhì)，無線充電電動(dòng)汽車的各項(xiàng)參數(shù)(自感、互感)與其在能量自由傳播時(shí)相比將會(huì)發(fā)生很大變化，從而對(duì)工作頻率、功率以及效率等產(chǎn)生影響，因此，本文通過仿真分析電動(dòng)汽車無線充電時(shí)的電磁環(huán)境問題，可對(duì)無線充電系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的位置和底盤的改裝起到指導(dǎo)作用。同時(shí)通過分析電動(dòng)汽車無線充電時(shí)的電磁環(huán)境變化以及對(duì)人體的影響可以看出，無線充電電動(dòng)汽車滿足國內(nèi)外關(guān)于電磁安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由此可以減少公眾對(duì)該技術(shù)的顧慮，有利于無線電能傳輸技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的推廣與發(fā)展。

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Electromagnetic Environment and Security Evaluation for Wireless Charging of Electric Vehicles

ChenChen1,2HuangXueliang1,2TanLinlin1,2WenFeng1,2WangWei1,2

(1.School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2.Key Laboratory of Jiangsu Province Smart Grid Technology with Equipment Zhenjiang 212000 China)

Nowadays，wireless power transfer increasingly catches a wide range of eyes and thus has been introduced into the area of electric vehicle(EV) so as to realize the wireless charging of EV batteries.Compared to the power transmission in free space，there are several differences in the electromagnetic environment when EV is charging and the electromagnetic security problem is becoming prominent.In this work，the margin of safety and the related standards are discussed first.In addition，the simulation is carried out to analyze the parametric variation，electromagnetic environment and their corresponding influences on human bodies.Finally，an experimental platform is built to verify the simulation results.The system realizes a wireless charging of EV with 3.5 kW power.The research can provide the theoretical basis for the optimization design of wireless charging electric cars.

Electromagnetic field，electric vehicle，wireless power transmission，resonance

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃(2012AA050210)、國家自然科學(xué)基金(51177011)、教育部博士點(diǎn)基金(20120092110061)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXLX13_088)資助項(xiàng)目。

2015-05-30 改稿日期2015-06-12

TM154；TM46

陳 琛 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)。(通信作者)

黃學(xué)良 男，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)、新型能源轉(zhuǎn)換裝置研究、智能用電技術(shù)等。