學習筆記|電動汽車無線充電，電磁輻射安全

本文梳理電磁輻射與健康關係的基礎知識，看看電磁輻射是怎樣對人體發生作用的，以及怎樣的情形會造成危害。討論電動汽車無線充電電磁輻射帶來的影響。

1電磁輻射影響人類健康的機理

1.1 電磁波基本概念

電磁波是在空間中隨著時間變化的電磁場。它在真空中的傳播速度近似等於光速。作為一種波，它符合波的傳播規律。在速度恆定的情況下，波長與頻率成反比。由於波長的不同，電磁波的外在表現存在差異性，波長越短，頻率越高，功率越大。

電磁波按照波長劃分成七個波段：無線電波(又稱射頻)、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線，其波長、頻率、功率特性如下表所示。

1.2 電磁波與生物體的作用方式

電磁輻射的主要參數是頻率和功率，參數範圍不同，則對生物體發生的作用也隨之不同。具體劃分電磁輻射與生物體的作用形式，可以分成電離輻射和非電離輻射。非電離輻射又可以分成熱效應和非熱效應兩大類。

1.2.1 電離輻射

生物體都是由大的有機分子組成。當電磁波作用於生物體時，分子內的原子受到高能量電磁波的激發，部分原子失去外層電子，進而改變了外在特性，造成大分子帶電成為離子。這個過程，就是電磁波的電離輻射。

並不是所有的電磁波都能產生這樣強烈的作用，它必須具備非常高的能量，並且射線密集到能夠將能量施加在原子上才會發生上述作用。這個門檻極高，在前面表格中的七個波段中，只有X射線和γ射線穩定的超過了這個門檻，而紫外線處於門檻之上。因此，在醫院裡高頻設備，都單獨關在一個厚重的金屬門裡；食堂裡面的紫外線燈，能夠起到殺菌作用，卻對偶爾出入那裡的人不會造成太大影響，就是這個道理。

受輻射損傷程度，與輻射源的強弱，輻射時間的長短，受輻射組織的面積以及具體什麼類型的組織受到輻射都有關係，不能一概而論。

電離輻射的危害，受到過大劑量的電離輻射，最嚴重的會造成基因變異、組織細胞損傷或者死亡，組織的變異和失效；可能發展成各種疾病：癌症、貧血、白內障……大劑量電離輻射是電磁輻射中危害最嚴重的類型。但生活中我們一般接觸不到。

1.2.2非電離輻射

頻率在紫外線以下的電磁波，作用於人體，可能產生非電離輻射類型的作用，分成熱效應和非熱效應兩部分來說明。

熱效應

在電磁輻射範圍內的生物組織，被電磁波加熱，自身溫度上升，這個過程就是電磁波的熱效應。熱效應將電磁波的電磁能轉化成生物體的溫度上升，整體上表現為對電磁波的吸收。熱效應的產生主要包含兩種具體作用形式。

1）波動加熱效應，生物組織中都包含有電極性物質，在交變電磁場的作用下，這些極性物質不斷改變取向，電磁場頻率越高，取向改變的頻率越高，造成極性物質與周邊分子反覆摩擦，產生熱量。基本類似於微波爐加熱剩菜的原理；

2）歐姆熱效應，極性物質的取向和移動，相當於在生物體內產生了感應電流，電流在介質中流動，產生歐姆熱效應。

一個具體的電磁波輻射過程，到底是哪種類型的熱量佔主流，與電磁波頻率有關。每種生物體的的臨界頻率也不相同，但總體的趨勢是，低頻率電磁波產生歐姆加熱效應，高頻率電磁波產生波動加熱效應。

非熱效應

非熱效應是指生物體受到電磁輻射後, 組織的反應和發生的變化與熱沒有直接關係的一類輻射結果。非熱效應，可以籠統的劃分成對神經肌肉的刺激和其他生物物理作用兩類。

當電磁感應電流流過肌肉和神經細胞時，細胞內外的電位差超過某個閾值，細胞就會感受到電磁波的影響。對於神經細胞，把這種壓差視為一種刺激信號；肌肉感受到這種信號，則會自行收縮。由於細胞膜具有電容特性，使得高頻電磁波容易穿透細胞膜，細胞膜內外壓差不會太大，低頻信號則相反。也就是說，對神經和肌肉細胞的刺激現象，低頻電磁波比高頻電磁波能力強。

另外一類非熱效應，需要較高的場強，作用較長的時間才會發生，是電磁波環境危害考察範圍中並不常見的範疇。比如，低頻電磁波作用於人腦，可以改變大腦的思維模式等。

2 電磁輻射危害的衡量標準

在一般生活環境中，高頻電磁波並不常見，更多的是比較低的頻段。電磁防護方面的國標比較少，《GB 8702-88 電磁輻射防護規定》是1988年的標準，標準所涉及的頻段範圍是為100 kHz一300 GHz。從文章開始的表格中可以看到300 GHz是紅外線的下限值。也就是說，生活中常見電磁波都在紅外線以下，電磁波的電離效應不在日常防護的考慮範圍內。標準中所給出的監測指標也都是針對300 GHz以下電磁波作用特點設置的，即非電離效應。

2.1考察電磁輻射的三個指標

考察非電離效應，根本上是頻率和強度在發生作用，落實到監測指標上，主要包括3個指標：電流密度，功率密度和比吸收率（SAR）

電流密度：由於電磁波的電磁感應作用，在人體內產生的、單位面積上的電流值。人體的不同器官，對於電流密度的承受能力不同，需要單獨考慮。

功率密度：定義方式與電流密度類似，是電磁波在人體內感應生成的電功率摺合到單位面積上的數值。同樣根據不同器官，標準要求由不同的限值。

比吸收率SAR（Specific Absorption Ratio，SAR）指單位時間內單位質量的物質吸收的電磁輻射能量。國際上通常使用SAR值來衡量終端輻射的熱效應。

2.2 國標

下面是國標《GB 8702-88 電磁輻射防護規定》中，關於不同頻段內，電流密度，功率密度和比吸收率3個指標的安全範圍，對於公眾和職業人員有不同的限值設置。

3 電動汽車主要無線充電技術的頻段範圍

當前應用於電動汽車的充電技術主要有兩種，磁耦合諧振技術和磁感應耦合技術，都是利用高頻電源供電，將電能通過線圈耦合作用，從發射側傳遞到受電側。二者的頻率範圍：磁感應耦合技術，幾十kHz-幾百kHz；磁耦合諧振技術，幾MHz-幾十MHz。電動汽車目前的最大充電能力在幾十kW以內。

實際的電動汽車無線充電的電磁輻射數據是怎樣的呢？目前還沒有官方的數據，但這方面的研究已經有不少。

4 一個電動汽車無線充電電磁輻射研究成果

作者陳琛在他的論文《電動汽車無線充電時的電磁環境及安全評估》中，詳細描述了針對電動汽車無線充電系統工作狀態下，環境中電磁場強度的模擬和實驗驗證工作。研究對象是基於磁耦合諧振無線電能傳輸技術的充電裝置，它由獨立的兩個部分組成，分別連接到電源和負載系統，周圍10 m 半徑的空間作為模擬區域。結構原理如下圖所示。

4.1 模擬

發射線圈與接收線圈為盤式圓形線圈，諧振器設置在電動汽車尾部，車輛和無線充電系統相關參數如下表：

人體模型參數如下表：

模擬結果得到的磁場分布圖：

模擬結果中人體各部位電流密度直方圖：

模擬結果的人體各部位吸收率SAR直方圖：

模擬結果的人體各部位功率密度直方圖：

模擬結果分析

從模擬結果可以看到，整體看，車外電磁環境優於車內；

從磁場分布圖可以看出，在沒有特別設計屏蔽措施的情況下，送電側周邊磁場範圍和強度都大於受電側，原因應該在於車輛底盤對電磁波產生了明顯的屏蔽效果；全部人體上電磁輻射峰值都出現在車內。

電流密度最大的器官是心臟，達到將近600mA/m^2;SAR峰值出現在肺臟，數值達到1.2*10^-3W/kg;功率密度最大值出現在，數值為3.157W/m^2。

對比作者收集到的標準要求「ICNIＲP 導則徵求意見稿」（如下表所示），只有電流密度略高於公眾要求，但低於職業要求。其餘項目均在最嚴格要求以下。

4.2 實驗驗證

文中選取，工作頻率為100 kHz，功率3.5kW條件下的實驗測試，實驗結果與模擬結果吻合。

文章的研究表明，在當前磁耦合諧振無線充電技術常見參數範圍內進行的無線充電，其車內和周邊的電磁輻射情形符合人體安全標準。

觀察當前的電動汽車無線充電技術，只要能夠充分約束充電磁場的路徑，避免大量能量外溢，就可以很好的解決電磁輻射污染的問題，並且這與提高充電效率的價值取向也是一致的。

歡迎討論，歡迎指正。

參考文獻

1 孫活，對高頻電磁輻射防護的探討；

2 陳琛，電動汽車無線充電時的電磁環境及安全評估；

3 於文婷，人體在電動汽車電磁環境中的人身安全性研究；

4 吳石增，電磁波的生物效應與人體健康；

5 朱勇，電動汽車無線充電系統建模與電磁安全性研究；

6 GB 8702-88 電磁輻射防護規定。

（圖片來自互聯網公開資料）

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