無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)作為一項(xiàng)新型的電能傳輸方式，可有效地實(shí)現(xiàn)非接觸式電能傳輸，減少觸電危險(xiǎn)的同時(shí)大大地提高了充電系統(tǒng)的安全性。隨著無線電能傳輸技術(shù)研究的不斷加深和推廣，無線充電產(chǎn)品將成為未來最有潛力的市場之一。

由于無線電能傳輸系統(tǒng)在傳播過程中需要借助磁耦合機(jī)構(gòu)將發(fā)射側(cè)的電能轉(zhuǎn)化成高頻磁場，電磁場是WPT系統(tǒng)傳輸電能的介質(zhì)，其帶來的電磁輻射問題將給公眾的人身安全帶來嚴(yán)重的威脅。因此，要實(shí)現(xiàn)WPT技術(shù)的更好發(fā)展，尤其在熱門應(yīng)用領(lǐng)域，如電動汽車和植入式醫(yī)療設(shè)備，就必須解決好電磁輻射安全問題。

1 電磁測試的國際標(biāo)準(zhǔn)與測試方法

隨著WPT技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室逐步走向市場，無線電能傳輸產(chǎn)品也應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)的電磁兼容安全標(biāo)準(zhǔn)。ICNIRP導(dǎo)則作為目前認(rèn)可最廣泛的非電離輻射電磁兼容準(zhǔn)則，對WPT系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)作用，ICNIRP導(dǎo)則部分重要電磁安全指標(biāo)見表1。

表1中，比吸收率SAR常用于表征電磁場對人體組織的輻射效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者就是通過SAR這一學(xué)量來探究WPT系統(tǒng)對人體電磁輻射影響的。

表1 ICNIRP導(dǎo)則

目前暫時(shí)沒有專門針對WPT系統(tǒng)的電磁測試方法，多數(shù)情況下仍根據(jù)非電離輻射電磁兼容測試方案對WPT系統(tǒng)進(jìn)行電磁測試。

2 電動汽車WPT系統(tǒng)的電磁干輻射分析

為了更好地推進(jìn)電動汽車WPT系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程，應(yīng)當(dāng)充分考慮電動汽車WPT系統(tǒng)的電磁兼容性。目前國內(nèi)外學(xué)者對電動汽車WPT系統(tǒng)的電磁安全研究主要集中在耦合線圈產(chǎn)生的電磁輻射對人體的影響。通過對電動汽車和人體模型進(jìn)行參數(shù)建模，利用電磁仿真方式探究不同情況下磁耦合線圈產(chǎn)生的高頻交流磁場對人體的電磁影響，其中人體模型的SAR值通常用于表征高頻磁場對人體輻射的影響。

有學(xué)者通過構(gòu)建電動汽車充電時(shí)的電磁仿真模型，研究了WPT系統(tǒng)工作時(shí)對人體的影響，在考慮了汽車底盤屏蔽作用的前提下，仿真實(shí)驗(yàn)表明，電動汽車周邊的電磁安全指標(biāo)均滿足ICNIRP的限制要求。

有學(xué)者對處于車內(nèi)不同位置下人體各器官的電流密度、功率密度以及SAR值分布進(jìn)行了仿真分析，仿真數(shù)據(jù)表明，電磁輻射干擾的嚴(yán)重程度與人體距離諧振器的距離有關(guān)，隨著距離的減小，人體受到的電磁干擾會更加的嚴(yán)重。

有學(xué)者對不同姿勢下人體模型進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明當(dāng)人體平躺在諧振器正上方時(shí)，人體受到的電磁輻射影響最嚴(yán)重。

有學(xué)者對耦合線圈完全對準(zhǔn)和錯位偏移下的電磁輻射場進(jìn)行了仿真分析，當(dāng)線圈發(fā)生錯位偏移時(shí)，阻抗失配將導(dǎo)致線圈電流和漏磁量的顯著增加，這會使得WPT系統(tǒng)的電磁輻射干擾比完全對準(zhǔn)時(shí)更加嚴(yán)重。需要指明的是，由于電動汽車的底盤對線圈產(chǎn)生的高頻磁場有著很好的屏蔽作用，故在多數(shù)情況下，車內(nèi)車外的電磁安全指標(biāo)仍然能夠很好地符合ICNIRP的限制。

3 植入式醫(yī)療設(shè)備WPT系統(tǒng)的電磁干擾分析

無線電能傳輸技術(shù)對植入式醫(yī)療設(shè)備有著較高的應(yīng)用價(jià)值，目前國內(nèi)外已經(jīng)對心臟起搏器、脊椎刺激器等植入式醫(yī)療設(shè)備的WPT系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究。同時(shí)，植入式醫(yī)療設(shè)備WPT系統(tǒng)的電磁兼容安全性也引起了許多研究者的關(guān)注。與電動汽車WPT系統(tǒng)不同，植入式醫(yī)療設(shè)備WPT系統(tǒng)傳輸功率僅為mV級，且沒有金屬屏蔽底盤。

有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種用于聽覺修復(fù)的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，其在12MHz的頻率下身體組織吸收而造成的能量損失僅為臨界耦合時(shí)傳輸能量的1.5%，對生物組織的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

有學(xué)者指出10MHz以內(nèi)的WPT系統(tǒng)電磁輻射對人體組織的影響是可以忽略不計(jì)的，并通過平面波分解表示人體組織的感應(yīng)電場分布。

有學(xué)者對1MHz時(shí)的植入式心臟起搏器WPT系統(tǒng)的耦合線圈進(jìn)行了電磁仿真分析，其人體模型峰值空間平均SAR分布如圖1所示，仿真結(jié)果表明，靠近諧振線圈的手臂組織電磁輻射較高。

圖1 人體模型峰值空間平均SAR

有學(xué)者探究了植入線圈對人體組織的電磁輻射影響，仿真結(jié)果表明，正常工作下線圈的電磁輻射各項(xiàng)指標(biāo)均低于ICNIRP限值。

有學(xué)者探究了用于消化道檢測的膠囊內(nèi)窺鏡的系統(tǒng)，通過建立約束條件的方式，分析了WPT系統(tǒng)對電磁生物安全性和線圈溫升安全性的影響。

目前植入式醫(yī)療設(shè)備WPT系統(tǒng)的電磁兼容性研究多停留在仿真階段，缺少相應(yīng)的活體實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“無線電能傳輸系統(tǒng)電磁兼容研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢”，作者為沈棟、杜貴平、丘東元、張波。