電磁感應(yīng)式無線充電發(fā)熱與電磁輻射仿真研究

魏岳銳 董亮 楊威 唐銀池 鄒曉偉

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756；2.中車大連機車車輛有限公司技術(shù)開發(fā)部，大連 116022）

引 言

無線充電方式主要包括4種：電磁感應(yīng)式、磁共振式、電場耦合方式和電波接收方式[1-3].其中電磁感應(yīng)式已經(jīng)投入量產(chǎn)[4]，在生活中常見的有手機無線充電、平板電腦無線充電、電動牙刷無線充電以及吸塵器無線充電等.這種無線充電的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率較高，缺點是只適合短距離充電[5]，且需要線圈精確對齊才能高效率充電，另外導(dǎo)體異物感應(yīng)會發(fā)熱[6].

麻省理工學(xué)院在2007年最早發(fā)現(xiàn)了中距離共振式無線電能傳輸幾乎對人體不產(chǎn)生危害[7-8].文獻(xiàn)[9]在2018年對磁共振式無線充電電動汽車的電磁安全進行了評估.文獻(xiàn)[10]在2019年同樣是研究電動汽車無線充電環(huán)境，并搭建簡化的實驗臺，用小白鼠進行了實驗.以上研究多是針對磁共振式無線充電電動汽車的電磁環(huán)境展開，卻沒有考慮到相比于電動汽車，各類家用式無線充電裝置更接近人體，且使用時間相對更長，隨著該類產(chǎn)品的充電功率越來越大，其電磁輻射與發(fā)熱問題亟待研究[11-13]，因此本文將仿真研究這種無線充電方式在各種情況下對人體電磁輻射影響[14-15]以及導(dǎo)體異物發(fā)熱問題.

Qi標(biāo)準(zhǔn)是全球首個推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織?無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)推出的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，目前市面上的絕大數(shù)電磁感應(yīng)式無線充電產(chǎn)品都是參考該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計而成.文獻(xiàn)[16]利用Maxwell和Simplorer仿真軟件對Qi標(biāo)準(zhǔn)電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真研究，驗證了Qi標(biāo)準(zhǔn)電磁感應(yīng)無線充電的有效性.本文將從該標(biāo)準(zhǔn)中挑選發(fā)射和接收裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)作為參考進行仿真研究.

1 電磁感應(yīng)式無線充電仿真

Qi標(biāo)準(zhǔn)中有基準(zhǔn)傳能設(shè)計(功率≤5 W)和擴展傳能設(shè)計(功率≤15 W)兩大類，本文發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)參考擴展傳能設(shè)計中的MP-A4結(jié)構(gòu)，接收裝置參考Example 5，仿真得到的自感值與Qi標(biāo)準(zhǔn)值對比見表1，仿真值均在標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差內(nèi).

表1 仿真得到的自感值與Qi標(biāo)準(zhǔn)值的對比Tab.1 Comparison between simulated self-inductance value and the Qi standard value

將接收裝置和發(fā)射線圈放在一起，磁場分布云圖如圖1所示，可以看出，經(jīng)過屏蔽組件的作用，磁場都聚集在線圈附近，線圈外的漏磁較少.

圖1 組合磁場分布云圖Fig.1 Cloud diagram of combined magnetic field distribution

Qi標(biāo)準(zhǔn)中Example 5的外接電路如圖2所示，接收線圈感應(yīng)出電流后，還需要經(jīng)過濾波、整流、降壓轉(zhuǎn)換等處理后才供給電池充電，此外還有通信和控制單元電路.然而與線圈產(chǎn)生的電磁場相比，印制電路板的電磁場要小得多，因此從本文關(guān)注的重點與仿真效率方面考慮，仿真時，將諧振電路之后的電路(圖2紅框范圍內(nèi)電路)等效為一個負(fù)載電阻Rload.

圖2 Qi標(biāo)準(zhǔn)中Example 5外接電路Fig.2 External circuit in Qi standard of example 5

Qi標(biāo)準(zhǔn)中，MP-A4發(fā)射線圈和Example接收線圈的距離應(yīng)為3±1 mm.實際上，影響整個裝置傳輸效率和輸出功率的主要因素除了線圈間距D，還有等效負(fù)載電阻Rload以及兩線圈中心偏移距離S.目前市場上大多數(shù)的無線充電裝置功率為10～15 W，傳輸效率約為80%.下面將仿真研究這三個因素帶來的影響，以便選取合適的參數(shù)來貼近實際，并使用這些參數(shù)來進行后續(xù)的電磁輻射與發(fā)熱仿真研究.

1.1 負(fù)載電阻

取線圈間距D=3.5 mm，偏移距離S=0 mm，對負(fù)載電阻Rload進行參數(shù)掃描，求出其不同值時相對應(yīng)的傳輸效率及輸出功率，參數(shù)掃描結(jié)果如圖3所示.

從圖3可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻Rload=1 Ω，諧振頻率約為70 kHz時，輸出功率最高，但此時傳輸效率較低；當(dāng)負(fù)載電阻Rload=10 Ω時，在100～150 kHz頻率范圍內(nèi)傳輸效率最高，但此時輸出功率較低；當(dāng)負(fù)載電阻Rload=5 Ω時，在約70 kHz時，傳輸效率與輸出功率均取得較高值.

圖3 Rload取不同值時的傳輸效率和輸出功率Fig.3 Transmission efficiency and output power when Rload takes different values

1.2 線圈間距

接下來仿真當(dāng)負(fù)載電阻Rload=5 Ω，線圈偏移距離S=0 mm時，改變線圈間距對傳輸效率和輸出功率的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 D取不同值時的傳輸效率和輸出功率Fig.4 Transmission efficiency and output power when the D takes different values

從圖4可以看出：線圈間距既影響輸出功率、傳輸效率，也影響線圈之間的諧振頻率；在大約80～100 kHz頻率范圍內(nèi)，傳輸效率及輸出功率較高.

1.3 偏移距離

發(fā)射裝置內(nèi)一般安裝定位模塊，以確保發(fā)射線圈與接收線圈的耦合效果達(dá)到最佳.我們仿真查看當(dāng)負(fù)載電阻Rload=5 Ω，線圈距離D=3.5 mm時，改變發(fā)射線圈與接收線圈偏移距離對傳輸效率和輸出功率的影響，結(jié)果如圖5所示.

圖5 S取不同值時的傳輸效率和輸出功率Fig.5 Transmission efficiency and output power when the S takes different values

從圖5可以看出：當(dāng)偏移距離過大時，傳輸效率以及輸出功率急劇下降；在60～100 kHz頻率范圍內(nèi)，傳輸效率及輸出功率相對較高.因此，定位模塊的安裝和正常運行很有必要.

綜上，當(dāng)負(fù)載電阻Rload=5 Ω，線圈距離D=3.5 mm，線圈偏移距離S=0 mm時，諧振頻率取69.4 kHz，此時輸出功率為13 W，傳輸效率為82.99%，符合目前市場上大部分手機無線充電器的參數(shù)要求，因此后續(xù)的仿真將在這些參數(shù)下進行.

2 導(dǎo)體異物發(fā)熱研究

導(dǎo)體處在變化的磁場中時，內(nèi)部會感應(yīng)出呈旋渦狀流動的電流，簡稱渦流.渦流在導(dǎo)體中流動時，會產(chǎn)生損耗從而引起導(dǎo)體發(fā)熱.而電磁感應(yīng)式無線充電線圈的原理正是變化的磁場以傳遞能量，因此導(dǎo)體異物易發(fā)熱一直是設(shè)計人員需要考慮的問題.目前市面的無線充電裝置應(yīng)該配有異物檢測模塊，在檢測到導(dǎo)體異物后，對線圈進行斷電處理并發(fā)出警告.在本節(jié)中，將仿真研究在沒有異物檢測模塊或異物檢測模塊失效的情況下，各因素對導(dǎo)體異物發(fā)熱的影響.

一般情況下，導(dǎo)體中的渦流損耗可由下式得到：

式中：V為導(dǎo)體的體積；γ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率；Jy為導(dǎo)體的渦流密度.

2.1 不同導(dǎo)體材料發(fā)熱影響

假設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃，一個一元硬幣大小(直徑25 mm，厚度1.85 mm)的導(dǎo)體異物置于發(fā)射裝置正上方2 mm處，改變導(dǎo)體異物的材料，模擬沒有異物檢測模塊或異物檢測模塊失效的情況下，導(dǎo)體異物發(fā)熱的問題.

從圖6可以看出，渦流在硬幣內(nèi)成旋渦狀流動，硬幣外圍的渦流密度更高.由式(1)可知，導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、體積、渦流密度有關(guān)，但渦流密度又和磁導(dǎo)率相關(guān)，渦流發(fā)熱跟導(dǎo)體的熱性能有關(guān).仿真生活中常見的金屬，比如鐵、銅、金、銀等材料的渦流發(fā)熱情況，結(jié)果如圖7所示.仿真的導(dǎo)體異物的電磁熱參數(shù)見表2.

圖6 0.1 ms時渦流密度分布示意圖(鋁材質(zhì))Fig.6 Schematic diagram of eddy current density distribution at 0.1 ms (aluminum material)

表2 導(dǎo)體異物電磁熱參數(shù)Tab.2 Conductor electromagnetic thermal parameters

從圖7可知：15 min之內(nèi)，石墨材質(zhì)的異物溫升更快；15 min之后，鐵材質(zhì)的異物溫升已經(jīng)超過了石墨.同時，常見的金屬如金、銀、銅、鋁，在短時間內(nèi)溫度就能上升到人體難以忍受的水平，因此電磁感應(yīng)式無線充電裝置的異物檢測模塊正常運行很有必要.

圖7 不同材質(zhì)的導(dǎo)體異物半小時內(nèi)溫升比較Fig.7 Comparison of temperature rise of conductor foreign materials of different materials within half an hour

2.2 不同位移影響

由2.1節(jié)可知，石墨材質(zhì)的異物短時間內(nèi)溫升最快，本節(jié)將探究如果石墨材質(zhì)異物放置在無線充電裝置附近，并不正對線圈，發(fā)熱現(xiàn)象是否明顯.取極限情況，將石墨材質(zhì)的異物，放置在與發(fā)射裝置的屏蔽體同一高度水平面上，并與屏蔽體接觸，模擬發(fā)射裝置與接收裝置正常傳能的情況下，該導(dǎo)體異物的發(fā)熱問題，如圖8所示.

圖8 溫度分布示意圖Fig.8 Schematic diagram of temperature distribution

從圖8可以看出，在屏蔽體的作用下，發(fā)射線圈與接收線圈的磁場大部分都被集中在裝置內(nèi)部范圍內(nèi)，漏磁很少，感應(yīng)出的渦流密度較低，因此附近的導(dǎo)體異物并無明顯發(fā)熱現(xiàn)象，在正常使用時，不用擔(dān)心無線充電裝置附近的異物發(fā)熱.

3 對人體電磁輻射仿真研究

人體不同的器官有不同的電磁參數(shù)，絕大多數(shù)都是非線性的，隨著頻率改變.本文人體模型主要包括皮膚、血液、脂肪、大腦、心臟、腎臟等器官，采用70 kHz下的電磁參數(shù)仿真中人體主要器官的電磁熱參數(shù)見表3.

表3 人體主要器官電磁熱參數(shù)Tab.3 Electromagnetic thermal parameters of the main organs of the human body

本文主要模擬研究人在坐姿情況下，一邊低頭玩手機一邊無線充電的情形，為了節(jié)省計算機資源與仿真時間，人體下半部分模型沒有畫出.發(fā)射源中心距離人體前側(cè)表面的水平距離大約為250 mm，與鼻尖的距離約為168 mm，與右手的距離約為160 mm，與左手的距離約為220 mm，相對位置示意圖見圖9.電磁場的生物效應(yīng)主要表現(xiàn)為非熱效應(yīng)和熱效應(yīng).

圖9 人體與發(fā)射源相對位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the relative position of the human body and the emission source

3.1 非熱效應(yīng)

非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)之外的電效應(yīng)、磁效應(yīng)等.非熱效應(yīng)主要發(fā)生在電磁場作用下由于構(gòu)成生物組織的分子產(chǎn)生移動、分子細(xì)胞膜功能受損害等一系列影響引起生物組織的改變，進而引起生物中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織系統(tǒng)受到干擾.這可以通過人體各部位的電磁場強度來體現(xiàn)，人體電磁場分布云圖如圖10所示.

圖10 電磁場分布云圖Fig.10 Electromagnetic field distribution cloud

將人體仿真電磁場最大值與ICNIRP 2010標(biāo)準(zhǔn)比較，結(jié)果見表4.

表4 人體電磁場最大值與ICNIRP安全限值的對比Tab.4 Comparison of maximum value of human electromagnetic field and ICNIRP safety limit

綜合圖10與表4可以得出結(jié)論，由于電磁感應(yīng)式無線傳能裝置的功率較低，只有約13 W，又有屏蔽組件約束電磁場，因此泄露出來的電磁場較微弱，在ICNIRP的安全限值內(nèi)，短時間內(nèi)不會對人體造成危害.

3.2 熱效應(yīng)

熱效應(yīng)是指暴露在高頻電磁波中的生物組織吸收電磁能量后組織內(nèi)溫度升高.生物組織溫度的升高將導(dǎo)致血管擴張，進一步導(dǎo)致該處的血液加速流動來冷卻，為了模擬這一過程，可以通過下列方程來定義血液流速和溫度之間的關(guān)系：

式中：B(T)為非線性血液流速；Bo為 起始值；

式中：Tstart為起始溫度；Tmax為L(T)達(dá)到最大值時的溫度；ΔB表示局部血管擴張參數(shù)，通常為1.6 K.

CEM43 ℃熱劑量閾值是一種廣泛應(yīng)用于生物組織在電磁場中的損傷檢測準(zhǔn)則，用于測量43 ℃時的累積等效分鐘.它根據(jù)以下公式計算其值：

式中：Δt為時間步長；

仿真將使用這一參數(shù)來顯示電磁場的熱效應(yīng).仿真時假設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃，人體原溫度為37 ℃.

圖11為30 min溫度場與CEM43 ℃熱劑量分布云圖.可以看出，如果連續(xù)30 min邊無線充電邊玩手機，人體溫度會有輕微的上升，大腦處的溫度相對比較高，為37.3 ℃，但經(jīng)過人體血液循環(huán)降溫，總體來說溫升并不明顯，在可接受范圍內(nèi).CEM43 ℃熱劑量值最大值為0.009 5，遠(yuǎn)小于規(guī)定閾值2.

圖11 30 min溫度場與CEM43 °C熱劑量分布云圖Fig.11 30 min temperature field and CEM 43 °C thermal dose distribution cloud

4 結(jié) 論

本文針對電磁感應(yīng)式無線充電導(dǎo)體異物易感應(yīng)出渦流引起發(fā)熱以及人體電磁輻射問題進行了仿真研究.驗證了Qi標(biāo)準(zhǔn)電磁感應(yīng)式無線充電的有效性，對負(fù)載電阻、線圈間距、偏移距離對傳輸效率和輸出功率的影響進行了仿真；對導(dǎo)體異物發(fā)熱問題進行了仿真，導(dǎo)體不能放在發(fā)射線圈的正上方位置，大部分常見導(dǎo)體在短時間內(nèi)就可達(dá)到灼傷人體的溫度，而處在發(fā)射線圈同一水平面附近的導(dǎo)體異物發(fā)熱較低；仿真研究了人體長時間處在電磁感應(yīng)式無線充電裝置附近的情況下，受到的電磁場輻射較弱，發(fā)熱問題較輕，CEM43 ℃熱劑量值也在規(guī)定范圍內(nèi).本文有利于減少公眾對電磁感應(yīng)式無線充電裝置的顧慮，有利于促進無線電能傳輸技術(shù)推廣和發(fā)展.