電動(dòng)汽車無線充電樁電磁輻射安全性測(cè)試

江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 劉寒春

目前隨著我國(guó)新能源行業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，電動(dòng)汽車的無線充電樁也越來越受到行業(yè)重視。電動(dòng)汽車（Electric Vehicle,EV）憑借環(huán)保、節(jié)能、無尾氣污染的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到國(guó)家政策的大力支持。磁耦合諧振式無線電能傳輸（Wireless Power Transmission,WPT）技術(shù)，不受電纜線的束縛，且傳輸功率大、效率高，傳輸距離適中，日益成為電動(dòng)汽車的新型有效充電方式。磁耦合機(jī)構(gòu)工作時(shí)將電能轉(zhuǎn)化成高頻電磁場(chǎng)(Electromagnetic Fields,EMF)，EMF不可避免地泄漏到耦合機(jī)構(gòu)周圍的非工作區(qū)域，對(duì)人體的安全產(chǎn)生潛在威脅。本文基于對(duì)耦合機(jī)構(gòu)的建模，研究WPT系統(tǒng)的電磁場(chǎng)分布特性設(shè)計(jì)EV無線充電人體暴露EMF測(cè)試系統(tǒng)，且搭建無線充電平臺(tái)進(jìn)行了電磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)。

1 電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)

1.1 無線充電系統(tǒng)

無線充電系統(tǒng)包括電源、發(fā)射端整流逆變部分及發(fā)射端補(bǔ)償控制設(shè)備、用于電磁能轉(zhuǎn)換的耦合機(jī)構(gòu)（含原、副邊線圈和屏蔽機(jī)構(gòu)）、車載端整流濾波裝置、負(fù)載即車載蓄電池以及信號(hào)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 無線充電系統(tǒng)示意圖

1.2 電磁能傳輸

基于電磁能的WPT系統(tǒng)主要依靠電磁輻射來傳輸能量。包括電場(chǎng)耦合式、磁耦合諧振式、微波式、射頻式和激光式。其中，磁耦合式和電場(chǎng)耦合式屬于近距離無線充電，利用近場(chǎng)電磁能互轉(zhuǎn)的原理進(jìn)行中短距離的無線能量傳輸；射頻式、微波式和激光式屬于遠(yuǎn)距離無線充電，遠(yuǎn)距離無線充電實(shí)現(xiàn)技術(shù)普遍處于理論研究和技術(shù)驗(yàn)證階段，距離商業(yè)應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離，是在對(duì)能量傳送效率和安全性方面還面臨較大的挑戰(zhàn)。

磁耦合諧振式WPT通過諧振補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，在幾種無線電能傳輸方式中距離適中，效率更高，傳輸功率更大。所以，電動(dòng)汽車無線充電廣泛采用的是磁耦合諧振式WPT技術(shù)。

2 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)EMF測(cè)試

2.1 電動(dòng)汽車無線充電樁電磁場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)由無發(fā)射非金屬搭載臺(tái)架和電動(dòng)汽車無線充電EMF三維測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)合組成。非金屬無發(fā)射臺(tái)架即電動(dòng)汽車無線充電樁搭載臺(tái)架如圖2，電動(dòng)汽車無線充電EMF三維測(cè)試系統(tǒng)如圖3包括電磁場(chǎng)探測(cè)模塊、碳纖維棒搭載模塊、伺服升降模塊、自動(dòng)定位模塊、電磁場(chǎng)暴露限值評(píng)價(jià)模塊共同組成。

圖2 無發(fā)射非金屬搭載臺(tái)架實(shí)物圖

圖3 電動(dòng)汽車無線充電EMF測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 WPT平臺(tái)搭建

將一次側(cè)的整流逆變器、功率因數(shù)校正電路和WPT發(fā)射端電路連接，二次側(cè)接收電路和整流器以及可編程負(fù)載連接好，硬件實(shí)物圖如圖4所示，本次實(shí)驗(yàn)所用的WPT樣機(jī)功率為5kW。由于可編程負(fù)載的電磁輻射會(huì)對(duì)WPT空間EMF的測(cè)試有干擾，因此可編程負(fù)載放置在暗室以外，通過連接線將室內(nèi)的WPT系統(tǒng)與室外負(fù)載聯(lián)系起來，因此圖4(b)中并未體現(xiàn)負(fù)載。

圖4 諧振式整流控制電路及WPT充電平臺(tái)

2.3 EMF分布測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中用鋼板來模擬汽車底盤。將電動(dòng)汽車WPT充電樁的收發(fā)線盤分別固定在無發(fā)射臺(tái)架上。結(jié)合電動(dòng)汽車無線充電電磁環(huán)境測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，將電動(dòng)汽車無線充電EMF三維測(cè)試系統(tǒng)放置在無發(fā)射臺(tái)架周圍，按照?qǐng)D6的測(cè)試路徑要求改變探頭的位置，所有實(shí)驗(yàn)均在10m法電波暗室進(jìn)行，以防止外界電磁輻射的干擾。電動(dòng)汽車無線充電EMF三維測(cè)試系統(tǒng)在使用時(shí)，要求探頭所在測(cè)試點(diǎn)周圍1.5m的范圍內(nèi)無金屬，探頭中心最低離地高度為10cm，使用環(huán)境要求常溫恒溫，相對(duì)濕度不超過80%，無強(qiáng)烈震動(dòng)、無灰塵。

如圖6所示，將功率為5kW的WPT充電平臺(tái)按照四個(gè)對(duì)角線和四條邊的中垂線方向劃分為8個(gè)角度，每個(gè)角度上按照距WPT原邊側(cè)線圈（上方）的垂直距離為0cm、6cm、12cm和18cm劃分四條線，WPT標(biāo)準(zhǔn)氣隙為15cm。具體的測(cè)試路徑如圖5.8所示，角度1、2、已在圖中標(biāo)注，分別沿兩個(gè)角度所在的直線，以WPT發(fā)射線圈外側(cè)的四條邊緣線的中點(diǎn)和四個(gè)角作為測(cè)試距離d的起點(diǎn)，從d=5cm處開始測(cè)起，每隔10cm進(jìn)行一次定點(diǎn)測(cè)量，從而獲得0-80cm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線。

圖5 EMF分布聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)

圖6 EMF分布聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)

下面給出標(biāo)準(zhǔn)氣隙15cm正對(duì)情況下對(duì)WPT線圈周圍空間實(shí)測(cè)的EMF分布曲線。

從圖7結(jié)果可以看出，在15cm標(biāo)準(zhǔn)氣隙正對(duì)時(shí)WPT的磁場(chǎng)分布來看，角度1、2磁場(chǎng)分布規(guī)律大致相同，不同高度的磁場(chǎng)分布均隨著距離變化呈現(xiàn)類指數(shù)的衰減，垂直WPT原邊線圈的距離為0cm或6cm時(shí)磁場(chǎng)最強(qiáng)，說明發(fā)射線圈側(cè)磁場(chǎng)較強(qiáng)。當(dāng)距發(fā)射線圈外側(cè)的徑向安全距離設(shè)為20cm時(shí)，可滿足限值27μT的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 WPT周圍的EMF分布

3 總結(jié)

本文通過無發(fā)射非金屬搭載臺(tái)架和EV無線充電EMF三維測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套WPT空間EMF分布聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)，利用無發(fā)射臺(tái)架、WPT樣機(jī)及等效負(fù)載搭建起無線充電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)測(cè)了15cm標(biāo)準(zhǔn)氣隙正對(duì)情況下WPT周圍距離發(fā)射線圈外側(cè)0-80cm的不同高度的EMF分布，確定WPT工作時(shí)的安全距離，對(duì)電動(dòng)汽車無線充電樁的設(shè)計(jì)及應(yīng)該有一定指導(dǎo)意義。