电动汽车无线充电系统对人体及体内植入器件电磁安全研究

摘要

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室、中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所、国网江西省电力公司电力科学研究院、中国电力科学研究院的研究人员赵军、李乃良等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，无线电能传输技术被广泛应用于电动汽车无线充电领域。该文建立了无线电能传输系统、人体及体内植入器件的仿真模型，完成了电动汽车无线充电系统对人体及体内植入器件的电磁安全研究。

研究表明，人体在位于电动汽车无线充电系统三种不同位置处的人体平均比吸收率分别为1.7×10-3W•kg-1、0.067×10-3W•kg-1和6.2×10-3W•kg-1，均满足国际非电离辐射防护委员会导则的安全指标。人体器官与植入器件由于电磁热效应所导致的温升均低于人体正常自我调节阈值，说明人体在电动汽车无线充电过程中是安全的。

近年来，随着全球环境污染与石油能源危机的加重，为了摆脱传统汽车对石油燃料的依赖性，各种以新型能源为动力的汽车随着时代的发展不断出现。电动汽车与传统汽车相比，尾气污染小，能源利用率高，在环保和节能方面具有无与伦比的优势[1]。目前对电动汽车进行充电的主要手段为利用充电站、充电桩或更换电池的方法，这些方法均存在环境适应性及自由性等问题。

随着电动汽车的市场占有率越来越高，电动汽车如何更加安全、便捷的充电成为电动汽车普及过程中需要突破的主要障碍之一[2]。无线电能传输技术是一种采用非接触方式，利用电磁波在空间中的传播特性，实现电能无线传输的技术[3-5]，将其利用于电动汽车无线充电领域中，能够实现对静止或移动中的电动汽车进行实时无线充电，充电方式更加便捷；并且能够有效解决有线充电时电源接头处易产生火花、磨损等的问题，使充电过程更加安全[6-8]。因此电动汽车无线充电已成为无线电能传输技术中的重要研究领域。

电动汽车无线充电过程中产生的高频电磁波对人体健康的影响在各国科研人员中一直存在着较大的争议。因此，需要对该种高频电磁场的分布特性及其对人体、体内植入式器件的影响进行深入研究，帮助推动电动汽车无线充电电磁安全标准的制定，消除公众对电动汽车无线充电电磁暴露的顾虑[9]。

生物组织吸收电磁波后会产生热效应，从而引起组织器官产生较为明显的温度变化。本文应用多物理场有限元软件模拟电动汽车无线充电过程中产生的空间电磁场，将电磁场与温度场进行耦合，计算人体在电动汽车无线充电过程中吸收的电磁辐射，并且分析了由于电磁波的热效应对人体器官及体内植入器件导致的温升效果。

图1  无线电能传输系统场路耦合模型示意图

结论

本文通过仿真建模的方式，研究了电动汽车无线充电过程中产生的高频电磁波对人体健康的影响。仿真结果表明在同等距离条件下，人体平躺在谐振器正上方时，人体组织所受到的电磁辐射影响最严重，并且当人体站立在无线电能传输系统侧面，人体在面对谐振器时所受到的电磁辐射影响较大。计算了人体平均SAR、局部SAR最大值，其结果均低于ICNIRP公众暴露限值。并且以人体平躺在谐振器正上方位置为参考，对传热模型进行了仿真分析，得到了人体器官及体内植入式器件的温升分布，人体器官及体内植入式器件在无线电能传输过程中的温升远远低于人体正常自我调节水平。

研究结果表明，在电动汽车无线充电系统发射功率为3.7kW、工作频率在100kHz的情况下，由其产生的空间电磁场不会对人体产生安全危害，为消除公众对电动汽车无线充电电磁暴露的顾虑提供依据。

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