电动汽车（EV）以其清洁节能、低噪声、起步平稳等特点受到了广泛关注，而无线充电技术具有安全、便捷等优点，是电动汽车供电技术未来发展的趋势之一。但是，随着电动汽车无线充电的推广，其安全问题也势必会成为公众关注的焦点之一，在安全性问题中，电磁泄漏是亟待研究和解决的问题。

电磁泄漏与能量的有效利用、人体健康等都直接相关。对空间电磁场进行合理约束，减少电磁泄漏，加强新材料的研究与应用，在最小限度影响系统性能的情况下，高效、可靠地实现系统的电磁屏蔽是今后电磁兼容的主要研究内容之一。此外，由于电动汽车无线充电系统使用场合比较特殊，进一步加强高频磁场对人体健康影响的研究，以及如何规避对人体可能的危害，也将具有重要意义。

1 电磁辐射安全限值标准

电磁暴露的环境可划分为公众暴露和职业暴露两种，公众暴露是指在公共环境中生活的大众群体受到的电磁辐射，一般情况下是很难发现或不知道自己已经受到暴露，并且没有保护措施；职业暴露是针对工作在特殊电磁环境中的工作的职业人群，一般会有保护措施并受过一定的安全训练，根据暴露环境的不同，电磁暴露安全限值也不同。

目前国际上具有代表性的电磁标准是国际非电离暴露防护委员会（ICNIRP）制定的《限制时变电场、磁场和电磁场曝露导则》和美国电子电气工程师协会（IEEE）制定的《关于人体曝露到电磁场安全水平的IEEE标准》。

ICNIRP先后颁布了两个版本，第1版是1998年颁布的，此版本中对0.8～150kHz频段磁感应强度的公众暴露限值为6.25mT，职业暴露限值0.82～65kHz时规定为30.7mT，0.065～1MHz时规定为2.0/f（频率f单位为MHz）。

随着研究的深入，在2010年ICNIRP修订了之前的版本，提高了安全限制，公众暴露限值由6.25mT提高到27mT，职业暴露限值提高到了100mT。相比于ICNIRP颁布的标准IEEE对于电磁暴露的限值则较为宽松，对于公众暴露头部和躯干的允许的最大磁感应强度达205mT，职业暴露达615mT。

对于电动汽车无线充电系统，国际上目前更多是参考ICNIRP发布的标准。国内在1988年首次发布了《电磁辐射防护规定》（GB 8702—1988）和《环境电磁波卫生标准》，此后为更加合理地管理电磁环境，在参考国际标准以及综合考虑我国电磁环境保护工作实践的基础上，我国在2014年也对标准进行了修订并颁布了《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014），规定了1Hz～300GHz频段的电场、磁场和电磁场的公众暴露控制限值、评价方法和相关设施（设备）的豁免范围，此次修订的主要改动是增加了1Hz～100kHz频段电场和磁场的公众曝露控制限值并删除了职业暴露的限值。

考虑到电动汽车无线充电实际使用的频段通常都在100kHz以下，表1仅列出了ICNIRP—2010与GB 8702—2014在这一频段内的电磁安全限值。通过比较可知GB 8702—2014的要求更为严格，以85kHz为例，ICNIRP的规定是电场强度不高于83V/m，磁场强度不高于21A/m，磁感应强度不高于27mT是对人体没有危害的。

GB 8702—2014的规定是电场强度不高于47V/m，磁场强度不高于0.117A/m，磁感应强度不高于0.14mT。ICNIRP公众暴露限值标准的磁感应强度、磁场强度和电场强度分别约是GB 8702—2014限制的180、193、1.8倍。通常来说对于电动汽车无线充电系统国标比较难达到，国内目前参考较多的也是ICNIRP—2010。

表1 ICNIR—2010与GB 8702—2014公众暴露控制限制

2 人体健康研究

在研究电动汽车无线充电对人体健康的影响时，电磁仿真是应用最广泛的方法之一，该方法只需通过建立电动汽车和人体的仿真模型，再根据系统的实际参数，如电流、电压等，确定激励和边界条件，即可直接通过Maxwell、HFSS等电磁场仿真软件对系统的电磁环境进行仿真分析，从而避免了繁琐的公式推导。

为分析无线充电系统对于不同人体特征人群的影响，有学者总结了不同性别、年龄的人体解剖模型的人体特征参数，包括身高、体重以及身体质量指数（Body Mass Index, BMI）等，人体解剖模型参数见表2。

表2 人体解剖模型参数

建立好人体三维模型后，再根据人体各个器官和组织在相应频段下的电磁参数[70]，为各个器官和组织模型设置好介电常数、电导率等材料特性，便可进行电磁安全性研究的数值仿真分析与估算，表3是85kHz和100kHz左右时人体重要器官的电磁参数。

表3 人体电磁参数

目前，关于电动汽车无线充电对人体健康的影响，国内外已有不少学者进行了研究。美国密歇根大学Chris Mi教授团队对8kW电动汽车无线充电系统的充电安全区域进行了研究，根据ICNIRP— 2010标出了职业暴露和公众暴露的电磁辐射安全边界，研究结果如图1所示。

图1 磁感应强度分布

有学者基于COMSOL有限元仿真软件，以34岁男性人体模型为对象，研究了在频率为30kHz的3kW电动汽车无线充电系统工作时，不同位置下人体电磁暴露的情况，如图2所示，并分别给出了人体的磁感应强度和电场强度分布图，结果显示人体磁感应强度和电场强度均小于27mT和83V/m，符合电磁安全标准。

图2 不同位置的仿真模型

国内东南大学黄学良教授团队根据人体不同组织在100kHz左右时相应的电磁参数建立了真实人体三维电磁模型作为负载，研究了输出功率为3.5kW时车内外人体各器官电流密度、比吸收率（Specific energy Absorption Rate, SAR）值及功率密度的最大值，结果表明各器官电磁安全指标均满足ICNIRP—2010标准限制。

天津工业大学杨庆新教授团队基于三维电磁仿真软件，构建了100kHz下电动汽车无线充电电磁辐射下的人体电磁环境模型，对人体主要器官的电磁暴露问题也进行了研究，结果同样表明在2.5kW系统下各器官电磁物理量均低于ICNIRP要求的安全限值。

重庆大学孙跃教授团队针对工作频率为85kHz功率为10kW的电动汽车无线充电系统，建立了三维人体和整车的有限元模型，对人体位于车内和车外的电磁吸收情况进行了仿真，实验结果表明系统工作时车内和车外人体器官磁感应强度均在ICNIRP限值以内，且车内人体器官磁感应强度值要比暴露在车外时小。

除电磁仿真分析之外，时域有限差分法、磁矢量计算法、磁准静态法等理论方法在电磁安全性的分析上也具有重要的地位。

3 电磁屏蔽技术

为了进一步减小电动汽车无线充电系统电磁辐射的影响，在实际应用中通常需要屏蔽措施。电动汽车无线充电系统电磁辐射的屏蔽可分为主动屏蔽与被动屏蔽两类。被动屏蔽主要是利用铁磁材料为磁通提供一个新的导通路径或者利用低磁导率金属导体材料（铝板、铜板等）产生一个与漏磁相反的磁场。有学者对这种两屏蔽方式进行了对比，研究表明利用铁磁材料一方面可以减小磁场泄漏；另一方面也可以增加线圈自感和互感，增强耦合性能，提高系统效率，但屏蔽效果有限。

利用金属屏蔽能有效屏蔽磁场泄漏，但会导致系统效率大幅下降。为此有学者将铁磁材料与金属片结合作为一种新型屏蔽结构，实现了良好的效果。主动屏蔽则主要是通过在耦合机构附近放置一个有源或无源主动屏蔽线圈，用以产生抵消磁场，KAIST在2013年提出了一种加入谐振线圈的主动磁场抵消方法，此种方式谐振线圈位置放置灵活，屏蔽效果良好，但引入的屏蔽线圈降低了系统效率。

在此基础上，KAIST在2014年又提出了一种基于双线圈和相位调节的谐振式无源主动屏蔽方案，将屏蔽线圈放置在耦合机构的一侧，通过生成一个与原磁场方向相反的磁场，以抵消漏磁，实现磁屏蔽功能，但此种方式设计困难，电容与结构设计复杂。

本文编自《电工技术学报》，原文标题为“电动汽车静态无线充电技术研究综述”，作者为吴理豪、张波。