综述︱磁共振式无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究及综述
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武汉大学动力与机械学院的研究人员周洪、蒋燕、胡文山等，在2016年第2期《电工技术学报》上撰文指出，随着磁共振式无线电能传输技术的研究与推广应用，基于该技术系统工作时电磁环境安全性的研究极为重要。
首先阐述了磁共振式无线电能传输技术的发展历史和应用情况，在此基础上介绍了电磁环境对生物体影响的研究概况。通过比较国际上的电磁辐射暴露限值导则和国内相关的主要标准，综述了磁共振式无线电能传输系统电磁环境的研究现状，具体包括：目前主要的磁共振式无线电能传输技术的系统结构；电磁场研究中参考的人体解剖模型；电磁场分布的数值计算和仿真方法。
最后进一步具体分析了磁共振式无线电能传输系统电磁环境研究中亟待解决的问题和未来的发展趋势。
0 磁共振式无线电能传输技术的发展
19世纪末，美国著名电机工程师N. Tesla首先提出无线电力传输的构想[1]，试图利用地球本身和大气电离层为导体来实现无线输电，并进行了一些实验研究，但受当时技术条件所限，实验并没能取得预期的成功。
2007年，以时任美国麻省理工学院（MIT）物理学助理教授M. Soljacic为首的研究团队提出了磁耦合共振式无线电能传输的概念[2]，用“耦合模”理论和实验论证了该技术用于能量传递的可行性，并将该技术命名为“Witricity”。其研究中利用一对发射和接收线圈，在距离2m处成功点亮了60W电灯泡，同时也使磁耦合共振式无线电能传输技术重新成为当前学者们研究的热点。
2009年，日本东京大学研究人员基于天线理论和电路理论通过实验论述了磁共振和电场共振无线电能传输方式的最佳频段及传输效率[3]，并于2011年建立等效电路理论的分析模型[4,5]。2011年，日本名古屋工业大学研究人员从电磁场分析和仿真的角度研究了开放型和闭合型两种螺旋线圈的自谐振特性，以及此特性与无线电能传输效率的关系[6]。
2009年以后，多线圈结构逐渐成为本技术研究的热点[7-13]之一，如基于MIT的两个共振体的能量传输机制，在能量传输路径中加入了作为媒介的第三个同频共振体来提高系统的传输效率[14]；以及中距离多接收体同步供电系统，即一个大型发射线圈同时为两个小型接收线圈传输能量[15]；2011年，不列颠哥伦比亚大学研究人员采用具有相同固有频率的四个共振体结构，研究了共振式无线电能传输技术在小功率方面的应用和优化[16]。
磁共振式无线电能传输技术按照单个线圈的形式可以分为开放型和闭合型结构；其中按单个线圈的绕制方式又可分为螺旋式线圈[17]和盘式线圈[18]结构；按照线圈的组成可以分为一对一、多对一、一对多、多对多及增加中继线圈组合的多种形式，如图1所示。
图1 磁共振式无线电能传输技术主要实现方式
我国有关WPT的研究工作开展得比国外研究机构稍晚些，但已有多家科研单位在非接触电能传输方面做了大量的基础研究工作，如重庆大学、中国科学院电工研究所、南京航空航天大学等[19-26]。基于磁共振式无线电能传输系统也已经取得了一定的成果。
哈尔滨工业大学的研发团队基于磁偶极子分析建立线圈系统模型并配合实验验证了模型的有效性[27-29]。东南大学的研发团队基于磁场谐振耦合系统，从磁场角度对系统线圈的参数与效率的关系、频率控制与效率的关系进行分析研究，并搭建实验平台验证其分析[30-32]。
华南理工大学的研发团队采用互感耦合模型，从电路理论的角度分析了谐振耦合的工作原理，得出传输效率与距离、频率和线圈参数之间的关系，提出了获得最大传输效率的条件及优化设计方法，并用实验进行了验证[33-35]。天津工业大学的研发团队基于数学模型在分析系统特性的基础上，进行了一系列数值仿真和实验研究[17, 36, 37]。
武汉大学的研发团队对谐振耦合式电能无线传输系统进行了建模分析，分析了其谐振频率、品质因数及系统频率对能量传输效率的影响，将共振正反馈理论用于系统控制搭建了较MIT更小的线圈，同等传输距离达到30%的传输效率[38,39]，并在电力工业化应用方面进行了推广和发展。
2011年10月在天津召开了“无线电能传输技术”专题研讨会[40]， 2012年在重庆召开了“如何推进我国无线电能传输技术的发展与应用”专题研讨会，2013年在贵阳召开了“无线电能传输关键技术与应用”专题研讨会。2014年在南京召开了“无线电能传输技术与应用国际学术会议”参会专家探讨了当前无线电能传输技术的新进展和当前研究中存在的问题，进一步促进了无线电能传输技术在我国的推广和发展。
无线电能传输技术没有传统的电缆直连供电方式的固有缺点；没有导线裸露、接触电火花问题；短路、漏电的危险性也可以避免；系统中的供电电源与用电负载可以相对转动或滑动；具有较高的安全性、灵活性；接口方式更利于标准化；利于实现自动化和无人操作。
目前无线电能传输系统已经陆续在医疗用体内植入设备、电动汽车、小型智能机器人、电力输送监测供电以及工作于易燃易爆、水下等特殊环境下电气设备的供电等应用中取得了一定的突破[41-46]，并针对系统的稳定性和高效性进行了专项研究，为后续产业化发展奠定了良好的基础。
1 磁共振式无线电能传输系统的电磁环境安全性问题
1.1 暴露在电磁环境中对生物体的影响
随着电磁技术的发展，电磁炉、微波炉、手机、电暖器等已经成为人们生活中的常用产品。在医学上，利用电磁波进行冠心病、冻疮等疾病进行治疗的特定波谱电磁辐射仪器和脑神经的磁刺激技术等利用电磁波的影响来治疗疾病[47,48]的应用越来越多。
然而与此同时，上述电磁技术产品的电磁辐射可能对人或其他生物体造成的潜在影响也越来越受到关注[49-51]。1996年，世界卫生组织已经组织全球60多个国家和国际组织，开展“国际电磁场计划”，致力于研究低频电磁辐射环境对健康的影响，并建立暴露于电磁场中健康风险评估、预测和预防的有效机制。
磁共振式无线电能传输技术能够有效地克服电线连接方式下传输电能存在的各种缺陷，基本实现了电子设备的无线供电。经过国内外研究人员10余年的共同努力，其重要的应用预期已经被发现，同时也展现出了广阔的发展前景。然而该技术是一种依靠电磁场作为介质将电能传递到用电设备的技术，因此该技术应用中的电磁环境安全性及其对生物体的影响是该技术走向产业化应用的过程中必须要解决的问题。
1.2 国内外研究现状
国内的多个相关研究已经明确指出无线电能传输系统中的电磁环境问题是无线电能传输技术中的瓶颈问题[19-21]之一。国内对于WPT系统的电磁环境安全性研究还处在初步的探索阶段，仅开展了基于部分微型体内植入设备的研究[52-54]、电磁兼容性[55]及谐振器的电磁场分析[56]。
2000年，美国喷气推进实验室首先提出了太阳能发电卫星无线电能传输的安全问题[57]，研究指出无线电能传输技术应用于太阳能发电卫星带来巨大经济效益的同时，随之而来的高功率密度也将给人类及其生存环境带来潜在的危害，为此提出了空间政策的建议。但由于当时研究条件的限制并没有给出具体的评估和解决办法。
首次提出“磁耦合共振式”概念的MIT团队在文献[2]的支撑材料中提供了距离系统20cm处的场强的最大计算值，并与IEEE Std C95.1™—2005[58]标准推荐的限值进行比较来论证其安全性，该标准由美国国家标准协会（ANSI）和美国电子电气工程师协会（IEEE）共同制定。
MIT的实验在实现了2m传输距离及60W高功率传输的同时，谐振频率10MHz时电场强度达到185V/m[2]，超出IEEE StdC95.1™—2005标准中10MHz对应的参考值（Erms=82.38V/m）1倍之多。但由于电磁环境安全性的研究并不是文献[2]中的主要研究对象，该文献中并没有就系统电磁环境安全性进行深入的分析研究。
日本名古屋工业大学为首的研究团队以MIT的无线电能传输系统模型为基础，开展了一系列电磁安全性的研究，具体可分三个层次。最初基于2/3肌肉组织等效圆柱对系统S参数的影响，论述人体对于系统共振频率的波动（开型3.53%、闭型0.842%）和损耗功率的影响（开型12.4dB、闭型7.57dB）。
容易看出，开型线圈的系统相比于闭型线圈的系统受人体影响更大[6]。第二个层次，用准静态法近似系统的电场分布，计算人体组织等效模型位于该近似电场中固定点的比吸收率（Specific energy Absorption Rate, SAR）值，分析系统的安全性[59,60]。更深层次的研究中，采用准静态法分别近似估计系统电场和磁场的分布，计算基于几种不同的人体等效模型的SAR值，研究系统的电磁安全性[61-64]。
以瑞士联邦理工学院电磁与声学实验中心及美国华盛顿大学为首的研究人员分别针对典型无线电能传输系统（线圈直径580mm，频率1～20MHz）[65]和小尺寸无线电能传输系统（线圈直径范围20～150mm，系统功率5W，频率100kHz）[66]的电磁环境进行了较为全面的安全性研究，包括不同人体模型处于系统接收端水平轴向距离约10mm处不同区域的电磁场强度与国际标准参考限值进行比较，并根据频率与线圈功率的关系推导出给定系统符合限值要求的最大工作频率。
1.3 系统模型
1.3.1 磁共振式无线电能传输系统模型
磁共振式无线电能传输系统包括发射线圈和接收线圈，通过设置发射和接收线圈电路中合适的系统参数，使得发射和接收线圈的自谐振频率相同，并在该频率的电源激励下使整个系统达到共振的状态，实现电能的无线高效传输。
目前的研究应用中，磁共振式无线电能传输系统的共振工作频率大都集中在100kHz~15MHz的范围内，线圈组成方式可为图1中所示的多种结构，其中四线圈与双线圈的拓扑结构如图2所示。
如图2a中所示，为了能使电源与负载匹配，发射端利用电源线圈给发射线圈供电，接收端也增加了负载线圈即图1中所述多对多线圈组合的线圈结构。如图2b中所示为一对一螺旋式线圈的系统结构。图中两种不同结构的系统中线圈均沿同一轴线方向布置。
1.3.2 人体解剖模型
在磁共振式无线电能传输系统的电磁安全性研究中，使用人体解剖模型是分析系统对人体健康潜在影响的重要手段之一。人体解剖模型中包括标准化的欧美虚拟家庭的人体解剖模型（Duke, Ella, Eartha, Thelonious）[67]、应用于低频电磁场剂量学研究的日本成年男女的均值解剖模型（TARO和HANAKO）[68]、以及用于SAR计算的成年人体模型（NARMAN）[69]和女子模型（NAOMI）[70]等。
上述人体模型来自高分辨率的MRI核磁共振成像扫描数据或国际辐射防护委员会ICRP（International Commission on RadiologicalProtection）中的参考数据[71]。实际应用中，为了便于计算也采用上述模型的等效简化模型，如长方体[60]、圆柱体[59,62]等形状的人体组织模型进行数值计算。
图2 磁共振式无线电能传输系统典型结构示意
如图3所示，“欧美虚拟家庭”由一个成年男性、
图3 人体模型（从左到右）：Duke, Ella, Eartha, Thelonious[67]
一个成年女性、一个8岁小女孩和一个6岁小男孩的组成。采用不同的性别、年龄的人体模型更有利于分析MCR-WPT系统对于不同人体特征的人群的影响。这里将上述解剖模型中包括年龄、性别、身高、体重以及身体质量指数（Body Mass Index, BMI）在内的人体特征参数总结见表1。
表1 解剖模型参数
人体解剖模型由多个组织和器官组成，每个部分都有各自的介电参数。在各种电磁技术的应用中，按照这些参数进行电磁安全性研究的数值分析和估算。
1.4 电磁环境限值标准
由于电磁辐射的影响随辐射功率、频率及区域变化，因此目前的控制方案主要是按照频段、功率设定电场强度和磁场强度的接触限值。
国际上多采用的是国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）制定的导则（ICNIRP导则）[72,73]，及美国国家标准协会（ANSI）和美国电子电气工程师协会（IEEE）共同制定的IEEE标准，包括IEEEStd C95.1™—2005[58]、IEEE Std C95.3™—2002 （R2008）[74]、IEEE Std C95.3.1™—2010[75]、IEEE Std C95.6™—2002[76]、IEEE Std C95.7™—2005[77]以及美国联邦通信委员会（FCC）制定的评估人体暴露于射频电磁场中的限值导则（FCC导则）[78]。
国内相关标准包括环保部制定的GB 8702—88[79]《电磁辐射防护规定》（另有电磁环境公众曝露控制限值征求意见稿即将替换现有的GB 8702—88标准）、HJ/T 24—1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》[80]、HJ/T 10.3—1996《辐射环境保护管理导则——电磁辐射环境影响评价方法与标准》[81]、卫生部制定的GB9175—88《环境电磁波卫生标准》[82]和GBZ/T 189.2—2007《工作场所物理因素测量高频电磁场》[83]等。
结合目前磁共振式无线电能传输系统的主要工作频率范围，本文摘录了ICNIRP制定的推荐暴露限值ICNIRP1998、ICNIRP2010，IEEE标准中的IEEE Std C95.1™—2005，FCC导则以及GB 8702—88《电磁辐射防护规定》和电磁环境公众曝露控制限值征求意见稿中涉及的部分参考限值总结列于表2以及附表1和附表2。
表2 无线电能传输系统有关的标准限值（f=100kHz～30MHz）
注：1. SAR为人体单位时间、单位质量所吸收的电磁场能量。SAR单位为W/kg，是任意6min的平均值。2. 公众曝露的基本限值是曝露体全身的空间平均值。
从表2、附表1和附表2中容易看出，几种国际标准及导则中的限值要求水平基本一致。而我国最新的征求意见稿的标准值在国际限值要求的基础上又取了安全系数。
由此可见，随着我国科技的发展，越来越多新技术新应用向电磁源靠拢，国家相关部门也提高了对电磁环境质量的重视和要求。因此，若要进一步推进磁共振式无线电能传输技术在我国的发展应用，对其空间环境的电磁安全性研究十分关键。
1.5 仿真分析
MIT团队的研究材料中，将系统固定点位置处的计算值与标准限值进行比较，未提及空间范围的电磁辐射参数估算及相关研究。为了进一步弄清磁共振式无线电能传输系统应用中的电磁场分布情况，当前的相关研究结合麦克斯韦方程组及不规则边界的数值法来进行电磁分析，比如MOM矩量法、FDTD时域有限差分法、FEM有限元法等。
文献[6, 84]采用了传统的MOM矩量法分别用于单线圈工作时输入阻抗的计算和近场电磁分布的研究。文献[65]基于FDTD时域有限差分法，分析了不同人体解剖模型暴露在系统中的情况，并进一步与国际参考限值中的SAR值比较。
目前无线电能传输系统应用的电磁安全性研究中，一般认为当系统工作在较低的以MHz为单位的频带范围内时，系统满足准静态法的近似条件。为了有效提高计算效率，分析人体模型在系统中的SAR值，准静态法常用于系统仿真计算的近似分析中[59-64]。
文献[59, 62]采用上述方法针对人体解剖模型置于无线电能传输系统中的场景进行了SAR值的分析，并进一步与MOM矩量法、有限差分法的结果进行比较。文献[64]比较了准静态近似分析法与有限差分法的计算时间，分别为72.5s和21 844s，前者大幅减少了计算时间。
文献[66]则以1MHz的频率为界，当系统谐振频率处于1MHz以内频段时，采用准静态的分析方法；当频率在1MHz以上时，则仍采用FDTD时域有限差分法进行分析，并基于此分析结果建立对系统工作频率和功率的关系，与国际标准限值规定的功率与频率的对应关系进行比较，从而找到限值范围内的系统最佳的工作频率点。
2 待研究的关键问题及发展趋势
尽管磁共振式无线电能传输技术已经取得了长足的进展，但伴随无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究还处于发展阶段，目前仍有不少问题尚待解决，主要有如下几个方面。
2.1 机理研究
本文论述的电磁安全性研究，是基于磁耦合共振式无线电能传输系统而言的，但在部分已有的研究中并没有针对严格意义上的磁共振工作状态进行电磁环境的分析和估计。文献[66]是磁共振式无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究工作中具有重要意义的成果，然而其分析工况即为“充电状态”。
共振工作状态与非共振工作状态下，从传输效率的差异就不难发现其电磁场分布亦会有所不同。另一部分研究[65]则基于共振频率下的单边线圈的电磁环境进行分析，即先找到系统工作的共振频率点，再研究该工作频率下发射线圈周围近场的电磁分布情况，显然此时的电磁场分布与共振工作状态时整个系统的分布情况会有差别。
即使是在系统不同的频率分裂点上，磁场分布也不尽相同[84]，如图4所示。图4a和图4b分别为系统工作在12.3MHz和11.4MHz时的磁场分布。
此外，目前的研究在分析磁共振式无线电能传输系统两线圈之间的耦合关系时，一般是基于只有基波产生的磁场才能够与接收端发生能量交换。但考虑到电源侧的激励信号不一定是纯正弦波，亦有可能是方波、三角波等含有高次谐波的激励源[85]，在其他高次谐波的累积对能量交换的作用尚不明确的情况下，忽略此影响后分析得到的电磁场分布并不一定能展示出系统工作时真实的电磁空间分布。
图4 磁场分布 [84]
分析无线电能传输系统的电磁环境，将其电磁场分布情况与安全导则中的限值进行比对之前需要找到系统电磁环境下最恶劣的情况即电磁场强最大值的分布，而这些都需要弄清楚无线电能传输技术中的传输机理。
2.2 准静磁近似
当系统工作频率在1MHz甚至几MHz以内、系统波长远大于传输距离时，部分研究中采用准静磁方法进行分析，大大减少计算工作量，从而将节约的计算空间用于MCR-WPT系统中人体位于各种不同位置、不同姿势时电磁场分布及SAR值的不同分布的仿真计算。
但随着无线电能传输技术的发展，应用于更远的传输距离，准静磁近似的条件是否满足，近似分析的准确度是否能在预期的范围内等均是值得进一步研究的问题，以文献[59]中的分析结果为例，系统工作频率为10MHz以上的谐振频率时，两者的数据结果误差已达到4.8%和7.8%。
2.3 相对位置的影响
由于人体解剖模型及系统建模的复杂性的限制，文献[65]中仅分析了人体模型置于单边线圈轴向10mm距离处的数据。然而在不同方向，无线电能传输系统的电场强度和磁场也可能有所不同，即使不考虑人体对系统的影响，人体与系统的相对位置不同时也会对应不同的限值标准。
当线圈之间的相对位置变化时，线圈间的耦合程度也会随之发生变化，相应地也会产生不同的传输效率。如当发射线圈与接收线圈处于不同的相对角度时，其传输效率也会随之变化[86]；当采用多线圈设计时，位于发射和接收设备之间中继线圈的角度变化也会影响系统的传输效率[13]。
当考虑人体及其他电子设备对系统的影响时，因系统方向性导致的不同相对位置的影响也是值得进一步研究的[62]。例如图5中所示的三种情况，从左到右依次为系统线圈轴线与人体相对位置为（定义人体方向为Y向）YY向、XY向和ZY向。
图5 线圈与人体不同相对方向的情况
2.4 磁共振式无线电能传输系统电磁兼容问题
研究磁共振式无线电能传输系统对环境作用带来的电磁兼容问题十分重要。部分研究中，环境对系统形成的干扰问题的分析按照负载类和有源类干扰分别进行，文献[55]认为能量传输系统对干扰源的频率非常敏感，干扰源频率与传输系统的共振频率越接近，对传输系统的影响也越大。
虽然在实际应用中，0.5～25MHz并不是目前主流电子设备的应用频段，即实际应用中的电子设备对磁耦合谐振式无线电能传输系统的影响很小，但是低频电力电子设备的高频谐波仍然有可能会达到系统的谐振频率，从而对能量传输系统造成影响。
2.5 电磁环境的长期影响
在MCR-WPT的应用中，射频接触潜在的长期性风险的研究主要是查明接触情况与白血病、脑肿瘤等疾病的相关性。但是许多这种导致肿瘤的相互作用在发生了多年之后才被发现，而且还需要排除发病的偶然因素、偏差和错误的情况。这也是目前对于流行病学的研究只能评估短期内出现明显症状的癌症的原因。
此外，磁共振式无线电能传输技术及其应用还属于新的研究领域，因此，与此相关的电磁环境安全性的长期性影响的研究还需要至少15年以上的大量流行病学资料的采集。
2.6 相关标准的统一
关于电磁场管理的相关标准，国内不同部门规定的标准限值仍存在一些差异：如卫生部的标准GB 9175—88规定的《一般环境与职业环境限值》与环保局发布的GB 8702—88《电磁辐射防护规定》中的值不同，前者比后者更苛刻。因此，需要相关部门尽快统一国内的相关标准，设定一个科学、可操作的暴露限值，建立电磁环境的管理体系。
3 结论
本文综述了目前磁共振式无线电能传输技术的发展和应用前景，在介绍了电磁辐射问题整体研究背景的基础上，分析综述了MCR-WPT系统应用所带来的电磁环境问题的研究现状和发展情况。
文章主要论述了几种磁共振式无线电能传输的系统模型和暴露在该系统环境中的人体解剖模型，比较了国内外有关标准和导则的限值要求，总结了系统工作时电磁场分布和SAR的分析方法。在此基础上讨论了当前磁共振式无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究中几个有待研究的问题和发展方向。
可以看到，作为有效的中长距离非接触式电能传输技术，磁共振式无线电能传输系统具有相当大的发展潜力，同时随着电磁安全性研究的进一步深入和不断发展，将为该技术的应用提供安全性的指导，该技术将有更为广阔的前景。
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