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近年來(lái)，隨著新能源汽車的日益發(fā)展，其充電方式成為了人們討論關(guān)注的重點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車可以更好地解決傳統(tǒng)汽車尾氣排放污染環(huán)境的問(wèn)題，具有能源利用率高、傳輸效率高、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段電動(dòng)汽車的充電方式普遍為有線充電，然而充電站等接觸式充電的方法存在靈活性差、占用空間大、易磨損等問(wèn)題。如何能有效避免以上弊端，推動(dòng)電動(dòng)汽車充電方式的快速發(fā)展成為目前研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。

無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transmission, WPT）是一種利用電磁場(chǎng)或電磁波在物理空間中的傳播特性，采用非導(dǎo)線直接接觸的方式，實(shí)現(xiàn)電能由電源側(cè)傳遞至負(fù)載側(cè)的技術(shù)。利用此技術(shù)給電動(dòng)汽車充電，可以有效避免充電導(dǎo)線裸露在外、短路、接觸電火花等問(wèn)題，具有防水防塵、有效避免觸電危險(xiǎn)、機(jī)械磨損等多方面的優(yōu)點(diǎn)。

隨著電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面其電磁環(huán)境安全性以及對(duì)人體健康的影響得到了越來(lái)越多的關(guān)注；另一方面，由于當(dāng)今社會(huì)依靠植入式醫(yī)療設(shè)備維持正常生活的人群比較龐大，如裝設(shè)有心臟起搏器、人工造耳蝸、人造器官等植入式設(shè)備的人群，因此，這些設(shè)備與無(wú)線電能傳輸電磁場(chǎng)環(huán)境的兼容性值得探究。

• D. Sarah等研究了心血管植入電子設(shè)備是否易受中頻（1kHz~1MHz）電磁干擾的影響，研究表明，影響電磁干擾的因素還沒(méi)有得到充分的表征。
• N. Tanaka等利用有限元分析法，研究了植入式無(wú)線充電心臟起搏線圈在85kHz時(shí)的干擾電壓，結(jié)果顯示在不同位置處有差異。
• 宮飛翔等利用HFSS對(duì)人體胸腔進(jìn)行仿真建模，然后分析計(jì)算線圈對(duì)人體胸腔的比吸收率（Specific Absorption Ratio，SAR），結(jié)果顯示全部符合國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP）所規(guī)定的限值。
• 有學(xué)者將植入的心臟設(shè)備暴露在結(jié)腸鏡磁成像設(shè)備（ScopeGuide）的電磁場(chǎng)中，分析了是否存在電磁干擾的問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)ScopeGuide的電磁場(chǎng)不會(huì)造成干擾，因此在植入心臟設(shè)備的患者中使用可能是安全的。
• 2015年，黃學(xué)良等人建立了三維人體電磁仿真模型，將其用于分析電動(dòng)汽車在無(wú)線充電過(guò)程中對(duì)人體的影響。結(jié)果顯示，在系統(tǒng)輸出功率為3.5kW條件下，人體各個(gè)器官的電流密度、SAR等均符合ICNIRP規(guī)定的安全限值。

省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位的科研人員，通過(guò)構(gòu)建無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)及心臟起搏器電磁仿真模型，仿真計(jì)算85kHz系統(tǒng)工作頻率下不同功率等級(jí)的人體組織感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值，對(duì)比國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)所規(guī)定的頻率為3kHz~10MHz感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度基本限值，得到電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)不同功率等級(jí)下的最小安全距離；然后在最小安全距離處仿真計(jì)算不同功率等級(jí)心臟起搏器部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度值以及溫升值，從心臟起搏器電磁兼容性和熱效應(yīng)兩個(gè)角度加以分析論證；并研究分析了在最小安全距離以內(nèi)，距離諧振線圈邊界0.1m等處的電磁干擾情況以及溫升情況。

圖1 不同功率下心臟起搏器部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度

他們指出，由仿真結(jié)果可知，不同功率在其相對(duì)最小安全距離處所得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度值均小于規(guī)定的150A/m，說(shuō)明心臟起搏器可以與無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)兼容，并且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在系統(tǒng)工作頻率為85kHz條件下，仿真計(jì)算各功率等級(jí)處在其最小安全距離時(shí)的溫升情況，均小于1℃，進(jìn)一步仿真了步長(zhǎng)為0.1m最小安全距離內(nèi)的各個(gè)位置處的溫升情況，其溫升值也均小于1℃。因此該系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)不會(huì)對(duì)人體造成影響。

圖2 不同功率下人體主要器官溫升分布

圖3 不同功率下人體器官及心臟起搏器的溫升

科研人員也同時(shí)對(duì)心臟起搏器植入人體后的情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示，溫升值隨著功率的不斷提高而加強(qiáng)，但是各個(gè)功率下人體組織器官的溫升值均小于1℃，心臟起搏器的溫升值小于有源植入式器件所規(guī)定的2℃，進(jìn)一步仿真了步長(zhǎng)為0.1m最小安全距離內(nèi)的各個(gè)位置處的溫升情況，結(jié)果顯示，溫升值隨著功率的變大而提高，各功率無(wú)線電能傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的最大溫升均低于1℃，不會(huì)對(duì)心臟起搏器以及人體組織器官造成影響。

他們最后表示，由于當(dāng)今社會(huì)依靠植入式醫(yī)療設(shè)備維持正常生活的人群比較龐大，本研究結(jié)果有利于無(wú)線電能傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電過(guò)程中，在一定程度上消除了人們對(duì)無(wú)線充電過(guò)程中電磁暴露的安全問(wèn)題的擔(dān)憂。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)心臟起搏器的電磁兼容與熱效應(yīng)影響”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。