学术简报︱电动汽车无线充电环境的生物电磁安全评估
基于生物学的热效应和非热效应这两个角度，对生命体在该环境下受到的电磁辐射影响进行安全评估。首先通过仿真软件设计了人体重点器官模型，模拟计算人暴露于电动汽车无线充电环境的车外站姿、车内坐姿、车座上躺姿情况；然后分析人体的安全性，研究表明，不同姿态下各器官的电磁安全指标结果均满足国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）标准，其中比吸收率（SARa）衡量热效应，其最大值为4.37×10−7 W·kg−1，低于安全限值10Wkg-1。
最后，建立电动汽车电磁安全评估系统的生物实验平台，从非热效应角度分析充电环境引起的生命体免疫安全指标变化，其结果基本在正常参考值范围内。该评估有利于电动汽车无线充电的推广应用。
世界经济的飞速发展以能源的浪费和环境的污染为代价，并且制约着人类今后的生存和发展。电动汽车（Electric Vehicle, EV）凭借“以电代油，绿色环保”的特点，给社会带来巨大的经济、环境效益，发展迅速。目前，电动汽车采用的非接触式充电技术——无线电能传输（Wireless PowerTransfer, WPT）技术进入人们的视野。
无线充电具有空间利用率高、安全性高、充电简便，不易磨损等诸多优势，解决了传统插入式充电方式的弊端。因此电动汽车无线充电技术具备很好的应用前景，若要广泛推进其发展，基于此技术的电磁环境对承载生命体的安全性研究就变得十分关键。
麻省理工学院在2007年最早发现了中距离磁耦合谐振式无线电能传输几乎对人体不产生危害。但由于电动汽车无线充电的传输功率非常大，必需测试该环境下人体的辐射情况。
C. Omer等测量了当电动汽车的发射和接收线圈位置偏移时地板、座椅和头枕位置处的磁感应强度，测量结果符合国际非电离辐射防护委员会标准。
韩国天安市汽车研究所模拟计算当人躺在距WPT系统较近的汽车底部时的电磁场强度，人体的感应电场超过国际标准限值。
由于人躺在车底部不属于电动汽车常规使用区域，本文对躺姿位置进行改进，设置人在车内，卧躺于车座上方的情况。针对电动汽车无线充电电磁环境下生命体的安全性研究，目前国内外尚未有明确统一的测试方案，生命体相对于谐振器的多种测试位置和部位以及方法多种多样，还需探究更多的生命体测量指标以确定其安全性。
美国汽车工程师协会出台的行业标准“SAE TIR J2954”将轻型电动汽车无线充电的标准频率确立在85 kHz，频带范围为81.38～90.00 kHz。目前，在国内外制定的重要电磁标准中，具有代表性的是国际非电离辐射防护委员会的ICNIRP—2010标准，美国电子电气工程师协会的IEEE C95.1a—2010准则，中国《电磁环境控制限值》的GB8702—2014规范。由于ICNIRP相较其他标准，更全面地考虑了电磁辐射环境对公众和职业暴露的人体健康的不良影响，本文以ICNIRP为参考标准。
本文完成了电动汽车无线充电环境下生命体的电磁安全评估，为制定我国电磁标准提供依据。首先在85kHz工作频率的仿真系统中，详细构建了带有内部器官的人体模型以及配置金属板的谐振器及车体模型，评估了不同姿态的人体暴露于电动汽车不同位置的电磁辐射情况，将仿真计算结果与ICNIRP标准对比，分析人体在该电磁环境的安全性。
结果显示，人体不同重点器官由于形状和电磁参数不同，导致吸收的电磁波不同，尤其坐姿和站姿时各器官计算出的电磁指标高低差异较大。最后建立电磁安全评估系统的生物实验平台，从非热效应角度选取小鼠血液和器官的免疫指标，分析生命体在电动汽车无线充电的辐射环境下的安全性影响。
图7 电动汽车无线充电装置的实验平台
本文首先评估了电动汽车无线充电辐射环境下人体的安全性。通过仿真构建了人体受辐射的重点器官模型，模拟了人正常使用电动汽车时的各姿态情况。然后对磁通密度模、比吸收率、能量密度和功率密度进行了分析，利用仿真切面图确定最大值位置并计算。
仿真结果说明，研究的各项电磁安全指标最大值均低于ICNIRP安全限值：坐姿和站姿时由于各器官电磁环境位置、形状和参数不同，同一指标差异较大；躺姿时所受辐射影响最大但各器官值差异较小。最后，建立一个电动汽车无线充电系统的生物实验平台，从非热效应即分子生物学角度来评估生命体的电磁安全性。
实验分析表明，小鼠血液和器官的免疫因子指标在电磁暴露前后无显著性变化且在正常参考值范围内。综上可以证明，在搭建的仿真和生物实验系统中，本文评估的生命体安全指标在此充电环境下是没有明显影响的。由此可为我国电磁环境安全标准的建立提供依据，有利于电动汽车无线充电应用领域的推广和发展。