电动汽车无线充电装置电磁环境影响研究

电动汽车无线充电装置电磁环境影响研究

张政阳 1 刘智慧 2 张睿 3 肖翔 4

1. 北京航空航天大学 北京 100083 2. 北京市辐射安全技术中心 北京 100089 3. 不列颠哥伦比亚大学，温哥华， V6T 1Z41 4. 北京市畜牧总站 北京 100107

摘 要： [目的]为了节约能源，目前大力倡导电动汽车开发与使用，伴随着电动汽车无线充电的电磁环境的影响，本文通过现场测量，了解无线充电的电磁安全问题。[方法]本文介绍了电动汽车充电原理和发展现状，分析无线充电的分类及方法。本文针对小轿车及中巴车的车身四周、衰减断面及车内的电场值（V/m）、磁场值（μT）进行监测。[结果] 小轿车电场强度监测值范围为0.9 V/m ～48.1 V/m，中巴车为0.8 V/m～ 74.7V/m。电场强度随距车体距离的增大而迅速衰减，规律明显。小轿车磁感应强度监测值范围为0.12μT ～12.70μT，中巴车为0.15μT～ 27.06μT。磁感应强度随距车体距离的增大而迅速衰减，规律明显。[结论]通过对无线充电装置进行监测，摸索该类充电设备周围电磁场的辐射水平和分布规律，分析电磁环境影响，建议电动汽车无线充电装置生产企业加强电磁辐射屏蔽研究，采取措施，控制公众可达区域电磁辐射水平。

关键词：无线充电 电磁感应 电场值 磁场值

引言

随着能源短缺，环境污染加剧，社会呼吁使用电动车，并给予一系列优惠政策，由于充电桩数量限制，电池容量限制，电动汽车的续航里程短，还需要健全的充电设施。民众接纳程度受限。

由于国家产业政策扶持，无线充电技术应运而生，具有广阔应用前景。利用无线充电技术可以省却繁琐的充电作业，甚至可以在汽车行驶中进行充电，实现智能化和人性化，同时省却了接触式充电在安全和维护方面的问题。无线充电技术^[1]是指在不使用导线连接的情况下通过电场、磁场等进行能量传输的新型技术。目前无线充电技术进行能量传输的技术可分为6种，使用多的有3种，即电

-­­­­­­­­­­­——————————————————————————

作者简介：张政阳（97年10月），汉族，男，北京人，北京航空航天大学，在校大学生，电子信息工程专业

磁感应式、磁耦合谐振式、微辐射波式。基于工作频率相对较低（几十到几百赫兹之间），可实现千瓦级功率传输，近距离（15厘米以下）传输效率达90%以上等因素^[2]的考虑，且由于感应式电能传输系统功能性好、可靠性高、使用安全、寿命长，加上无接触、无磨损特性^[3]，所以本文研究电磁感应式无线充电技术。电动汽车电磁感应式充电过程是电源侧发射端电源从电网获取电能后经过整流滤波获得直流电，进入逆变器中进行高频逆变，产生的高频交变电流在反馈控制信号的作用下通过补偿电路的作用流入一次侧绕组在空气气隙中产生高频交变磁通；位于汽车底盘的二次绕组通过感应空气气隙内的交变磁通产生感应电动势，同时在信号控制电路的控制下经过整流滤波以及功率调节，从而实现为车载电池提供电能。

随着电动汽车无线充电技术的推广应用，其电磁环境和安全问题也受到广泛的关注，如长期曝露，是否会产生血液的改变^[4]。电动汽车无线充电的传输功率非常大，需要对其电磁辐射剂量测量评估^[5]，了解无线充电是否有电磁辐射。

电磁感应式无线充电技术原理分析：电源发射端电源的电能经过整流滤波获取直流电，进入逆变器中进行高频逆变，产生的高频交变电流在反馈控制信号的作用下通过补偿电路的作用流入一次侧绕组在空气气隙中产生高频交变磁通^[6]。整个流程见图1

图1 电动汽车电磁感应式无线充电技术的过程

电磁环境监测

2.1监测对象:

我们考虑了不同功率、不同车型、不同使用场景,见表1：

表1 无线充电监测基本情况

2.2监测布点

2.2.1布点的三种工况:

⑴在车辆、无线充电装置完全断电状态下进行本底监测。

⑵无线充电装置在通电但不工作状态下进行监测。

⑶无线充电装置工作时，调至最大输出功率进行监测，

2.2.2具体监测过程：

①首先扫频，确定监测对象频率范围。

②车身四周20cm监测，主要监测点位：车前、车后，车门附近，在0.5m、1m、1.5m等不同高度进行监测。

③寻找最大监测值（公众可达最不利位置），并在最大值处进行断面监测。

④车内监测，对驾驶位以及车内最大值进行监测。

2.3具体监测布点

小轿车监测布点见图2，中巴车监测布点见图3

图2 小轿车监测布点示意图 图3 中巴车监测布点示意图

3.电磁环境监测结果及数据分析

3.1监测结果

3.1.1 待机状态监测结果

表2 待机状态下监测结果

3.1.2 ZXWPT006装置（应用于小轿车）监测结果

小轿车电场值的本底值为0.71 V/m，磁场值的本底值0.11μT；GB 8702 限值：电场值为51.28 V/m，磁场值为0.15μT。小轿车监测结果见图4-5，表3：

图4小轿车身四周的监测结果

车正后方20cm高度0.5米时，电场值20.1V/m，比较高，但是未超过低于78kHz时电磁环境控制限值（GB8702-2014）中电场强度51.28 V/m的限值。其它值0.9～48.0V/m，远低于限值。车正后方20cm高度0.5米时，最大磁场值5.2μT，超过78kHz时电磁环境控制限值（GB8702-2014）中磁感应强度0.15μT的限值。磁场值在0.5米高度、1.0米高度、1.5米高度，车斜后方250cm以外才低于限值。对周围250cm范围内有电磁影响。

图5小轿车身衰减面的电场值与磁场值

车周围高度0.15米平面测量，电场值48.1V/m，比较高，接近GB 8702 限值51.28 V/m，其它值也未超标。磁场值12.7μT，超过GB 8702 限值0.15μT。磁场值到车斜后方250cm以外才低于限值。对周围250cm范围内有电磁影响。

表3小轿车内监测结果

小轿车内司机驾驶位、乘客位置电场值、磁场值低于GB 8702 限值。

3.1.3 ZXWPT030装置（应用于中巴车）监测结果

中巴车电场值的本底值为0.80 V/m，磁场值的本底值0.15μT；GB 8702 限值：电场值为70V/m，磁场值为0.29μT。中巴车监测结果见图表6-图7，表4

图6 中巴车四周0.5、1.0、1.5米的电场值及磁场值

车侧方中央（乘客上车位）20cm处测量高度0.5米时，电场值11. V/m，比较高，但是低于GB 8702 限值51.28 V/m，其余点位均低于42kHz时电磁环境控制限值（GB8702-2014）中电场强度70V/m的限值，未超标。磁场值8.8μT，超过GB 8702 限值0.15μT。磁场值在0.5米高度、1.0米高度、1.5米高度，车正后方20cm、车正前方20cm都超过。对周围20cm范围内有电磁影响。

图7 中巴车0.15米衰减断面电场值与磁场值

电场值最大值位于中巴车侧方中央0cm、离地高15cm处，为 74.8V/m，超过GB 8702 限值51.28 V/m，其它值也未超标。磁场值最大值位于中巴车侧方中央0cm、离地高15cm处，为27.1μT，超过GB 8702 限值0.15μT。磁场值在0.15米高度测量，对周围400cm范围内有电磁影响。

表4 中巴车内监测结果

中巴车车内中央（充电位正上方）0.15米、车内驾驶位的电场值不高，但磁场值都超过GB 8702 限值0.15μT，对车内有较小的电磁影响。

4.结论

4.1 充电时汽车周围环境的电场强度分析

电场强度随距车体距离的增大而迅速衰减，规律明显。电场强度在距离小轿车斜后方4m处已接近本底水平，电场强度在距离中巴车侧方中央5m已接近本底水平。

4.2 充电时汽车周围环境的磁感应强度分析

磁感应强度随距车体距离的增大而迅速衰减，规律明显。磁感应强度在距离小轿车斜后方3.5m处低于限值，4m处已接近本底水平；磁感应强度在距离中巴车侧方中央3m处低于限值，在4.5m已接近本底水平。

4.3 车内电磁环境影响分析

小轿车(小功率无线充电装置)由于无线充电装置位于汽车尾部，且充电功率低、车体屏蔽性好等因素，车内电场强度和磁感应强度监测值均接近本底值，低于GB8702限值。

中巴车(小功率无线充电装置)内电场强度监测值均低于限值。磁感应强度监测值相对较大，最大值位于充电装置正上方的车内地面，为1.4μT，高于GB8702限值。

4.4讨论

无线充电装置在只通电不工作状态下，电磁环境监测结果趋于本底值。电磁环境控制限值（GB8702-2014）在42kHz和78kHz的磁感应强度限值接近环境现状本底，比ICNIRP在此频段的限值严了将近100倍。

本文选择了代表大功率的中巴车及小功率的小轿车进行了监测及对比，发现大功率的无线充电装置电磁环境影响大于小功率的无线充电装置，无论在车内还是车外；由于密闭性的原因，底盘高汽车的无线充电电磁环境影响大于底盘底汽车的无线充电电磁环境影响。

在公众可达区域，车身周围距离无线充电装置越近、与无线充电装置阻挡越小，电磁环境影响越大；最大值出现在距离无线充电装置最近，高度在地面与车底盘之间的位置。

虽然分析了电屏蔽对无线电能传输系统耦合机构周围空间磁场的影响，但大多只是进行了仿真的分析，在实验中也仅仅测量了某些点的磁场强度，并没有完整地呈现出整个面磁场的分布和大小。由于仿真模型的简化，仿真结果与实际的磁场分布也可能存在差异。因此准确测量出耦合机构周围空间磁场大小及分布对于无线电能传输的研究具有重要意义。加入电屏蔽铜和铝后，线圈自感和互感降低，耦合系数也随之降低。

目前报道对实验小鼠血液学指标没有改变^[4]。无线充电技术现在发展很快。作为一种新能源，技术深度、广度都在发展中。但是周围电场强度、磁感应强度也会有变化。

参考文献

[1] 夏晨阳，赵书泽，杨颖等.电动汽车无线充电系统研究综述[J]，广东电力.2018，31（11）:3-14

[2]周晓明. 无线充电系统的研究与设计[D].天津:天津理工大学， 2015.

[3] 王长松，张绪鹏，许江枫.新型感应式电能传输系统的耦合特性研究，武汉理工大学学报，2010,32(3):124-132.

[4] 蒋思媛.电动汽车无线电能充电空间电磁场对血液细胞生物活性的影响，天津：天津工业大学，2018.

[5] 徐桂芝，李晨曦，赵军等.电动汽车无线充电电磁环境安全性研究.电工技术学报，2017， 32(22):152-157.

[6] 孙建.电动汽车高效率无线充电技术的探究，时代汽车，2016(3):41-42.