電動汽車無線充電電磁環境測試標準及方法分析

車 凱,郁金星,李德管,陳傳敏,劉松濤

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.華北電力大學環境科學與工程系,河北 保定 071003)

0 引言

車輛電動化、電網智能化是21世紀汽車和電網發展的趨勢,雄安新區圍繞構建快捷高效交通網,打造綠色交通體系的重點任務,建立了電動汽車智能充放電優化管理平臺,在充電樁雙向充電、大功率充電、無線充電等新型充電技術方面均開展了示范應用[1]。其中,用于電動車輛充電的無線電力傳輸(WPT)技術被認為是緩解電池容量限制引起的續航里程問題的可行方法[23]。

目前,電動汽車無線充電的應用仍處于試驗推廣期,該技術還面臨著高效率、安全性、標準化等多項挑戰[4]。國際上致力于電動汽車無線充電標準化工作的組織包括美國機動車工程師學會(SAE)、國際電工委員會(IEC)、國際標準化組織(ISO)、日本汽車工程師協會(JSAE)以及中國國家標準化管理委員會(SAC),主要涉及電動汽車無線充電系統的通用要求、通信要求、安全性要求以及互操作性要求等,以推動電動汽車無線充電技術實際應用和商業化進展[5]。

無線充電技術形成終端系統后,必須要確保設備能夠安全運行。由于電動汽車無線充電系統工作過程是借助大功率電磁能量轉換傳輸電能,產生的電磁輻射難免引起公眾的疑慮。文獻[6-9]通過試驗和仿真手段評估了電動汽車無線充電運行過程中的電磁輻射水平,具有一定的參考意義,但文獻所涉及到系統運行工況、測試環境存在較大差異。因此,仍需要更加統一的標準化測試方法,來驗證電動汽車無線充電電磁輻射是否滿足相關電磁環境安全限值要求。本文基于國際上涉及電動汽車無線充電電磁環境測試的現行標準,比較分析各標準在電磁環境測試方法及安全限值制定上的相同與不同,預測測試標準發展趨勢,以期進一步摸清行業相關領域的標準國際化水平差異,為電動汽車無線充電電磁環境安全性分析工作提供方法指導。

1 國內外相關標準現狀

國際上涉及電動汽車無線充電電磁環境測試方法的標準主要有國際標準化組織發布的ISO 19363-2020,國際電工委員會發布的IEC 61980-1-2015,美國汽車工程師學會發布的SAE J 2954-2020,日本汽車工程師協會發布的JASO TP 13002-2013[10-13]。其中JASO TP 13002-2013是將電動汽車歸為傳統內燃機車一類,無線充電被視為車輛工作狀態之一,對多種狀態下汽車中人體暴露電磁場測試方法進行了規定。其余標準則將電動汽車無線電能傳輸獨立出來,并專門制定標準推動相關測試方法標準化。SAE J 2954-2020、IEC 61980-1-2015發布較早,為電動汽車無線充電系統開發和應用提供了框架,在安全、性能和互操作性等方面做出規定。我國2015年開始建立電動汽車無線充電系統電磁安全標準工作,并于2020年4月發布了GB/T 38775.4-2020[14]。

2 電動汽車無線充電電磁環境測試方法

2.1 測試方法比較分析

從測試項目、儀器、場地、工況、測試位置、程序及電磁環境限值等各方面對IEC 61980-1-2015、SAE J2954-2020及GB/T 38775.4-2020具體規定進行比較分析。

2.1.1 測試項目與儀器

各標準中所規定的測試項目與測試儀器見表1?，F有標準對電磁場測試儀器的規定較為一致,電磁場測試儀器推薦采用三軸同性低頻場強探頭,其圓形傳感器面積不宜大于100 cm2,且使用范圍應能覆蓋4倍無線充電系統工作頻率。

_____標準號_______________________________________________________測試項目_____________________________________測試儀器電磁場(1 Hz～400 k Hz)SAE J 2954-2020采用三軸各向同性探頭,最大外徑為125 mm,繞阻面積為100 cm2接觸電流(2.5 Hz～100 k Hz)采用IEC 60990 中加權的感知或感應電流測試阻抗網絡電磁場(1 Hz～400 k Hz)IEC 61980-需使用符合IEC 62233的100 cm2 磁場探頭進行測量1-2015接觸電流采用符合IEC 60990中有關接觸電流測試要求的阻抗網絡電磁場(20 Hz～400 k Hz)GB/T 38775.4-2020采用三軸各向同性低頻場強探頭,圓形傳感器面積應不大于100 cm2接觸電流(0～400 k Hz)采用GB/T 12113-2003 中加權的感知或感應電流測試阻_______________________________________抗網絡

各標準中接觸電流的測試,均直接或間接引用國際電工委員會制定的IEC 60990-2003《接觸電流和保護導體電流的測量方法》[15]。IEC 61980-1-2015 僅考慮了防觸電保護測試,而SAE J 2954-2020與GB/T 38775.4-2020明確將接觸電流作為電動汽車無線充電系統電磁環境的一部分,接觸電流測試儀器由測試阻抗網絡和測試電極組成,并選用如圖1所示的加權接觸電流(感知或感應電流)測試網絡。

圖1 加權接觸電流(感知或感應電流)的測試網絡

2.1.2 測試場地與工況從各標準的相關規定來看,對是否需在電波暗室中開展測試并無明確要求,實驗室或室外均可進行電磁環境測試。除IEC 61980-1-2015外,其余標準明確規定無線充電電磁場的測試需在非金屬的、非鐵磁性的地面上進行,且周圍不應存在影響測試的物體。GB/T 38775.4-2020 與ISO 19363-2020還分別規定接觸電流和電磁兼容性測試應在金屬接地平面上進行。

在電動汽車無線充電系統測試狀態的規定上,IEC 61980-1-2015考慮到無線充電系統工作電流對電磁場測試的影響,規定電流水平應在額定電流的50%～100%;SAE J 2954-2020 考慮了電磁輻射最大的運行工況,即原邊(地面)設備與副邊(車載)設備處于最大偏移或最大離地間隙工作狀況下(圖2為偏移示意,X方向為車輛前進方向);GB/T 38775.4-2020 額外要求測量過程中,即使最大偏移量和最大離地間隙組合工況下,靜態無線充電系統仍能在額定功率下正常工作,其他車輛電器應正常關閉。

圖2 地面設備和車載設備偏移示意

2.1.3 保護區域與測試位置

測試區域的確定是在定義保護區域的基礎上進行的。如圖3(a)所示,SAE J 2954-2020將保護區域劃分為3個部分。第1部分是車輛下方整個區域,包含無線充電系統組件,但不超出車身下部結構邊緣;第2部分是車輛外圍區域,即汽車?？课恢玫那昂笞笥乙约吧戏?第3部分是車輛內部(車艙)。如圖3(b)所示,IEC 61980-1-2015及GB/T 38775.4-2020基于圖3(a)分區基礎上對車輛下方整個區域又做了更細致的劃分,將電動汽車無線充電系統操作運行區域,即地面設備與車載設備外形輪廓構成的空間單獨分區,其余部分被稱為過渡區域。

汽車外圍區域和車輛內部是無線充電系統電磁環境主要測試區域。車輛外圍區域測試位置,如圖4(a)所示,各標準中均規定了測試點虛擬面,該平面與車體表面的水平距離為20 cm(以車體邊緣最突出的部分為起點,后視鏡除外),高度范圍從地面至車體頂部。測試時場強探頭的中心應處于測試點虛擬面上,測試點位置為該區域內掃描測得最大讀數處。車輛內部測試主要針對靠近車載設備的座椅進行,車內座椅的測試點如圖4(b)所示,分別對應頭部(A)、胸部(B)、坐墊處(C)和足部(D),測試點為座椅表面上方10 cm 處的平面中、掃描測得的最大讀數處。

此外,GB/T 38775.4-2020還將非車載功率組件(將電網的電能轉換成地面設備所需電能的功率變換單元)納入測試,應測量人可能觸及的組件表面。

2.1.4 測試程序

2.1.4.1 電磁場測試

首先,設置無線充電系統的偏移和間隙條件。然后,按照標準布置車輛外圍及車輛內部的測試點,場強探頭保持足夠慢的運動速度,測量各測試點處的電場強度和磁場(或磁感應)強度,記錄測試值并標記出測得的最大值;重復上述步驟,設置新的偏移量或離地間隙組合,再次測量。GB/T 38775.4-2020中推薦初始偏移量及機械氣隙均為最大值,再逐步縮小偏移量或機械氣隙重復測試程序。

2.1.4.2 接觸電流測試

接觸電流的測試方法是以流經人體的電流可能引起的效應為基礎的,對流經測試網絡(代表人體阻抗)電流的測量指接觸電流的測量[16]。SAE J 2954-2020與GB/T 38775.4-2020對電動汽車無線充電電磁環境中接觸電流測試的相關規定較為一致。測試前需根據實際的電源選擇接線形式與接觸電流測試系統,接線形式為單相接線形式或三相星形帶中點接線形式時,應使用感知或反應接觸電流的測試阻抗網絡。接觸電流的測試應包含所有在電動汽車充電過程中人可能同時觸及部位,如車體(門閂)、接地平面、無線充電系統金屬部件等,應全部納入測試組合。

2.2 電磁環境安全限值比較

對于電動汽車無線充電電磁環境安全要求,GB/T 38775.4-2020中明確規定了人體暴露的電磁場基本限值和參考水平,IEC 61980-1-2015、SAE J 2954-2020及ISO 19363-2020中也建議測試結果需符合國際非電離輻射委員會制定的ICNIRP導則或其他地區限值標準及法規。

在電磁輻射防護領域有兩大主流標準,一是國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)于2010年發布的導則[16],二是電氣電子工程師學會(IEEE)發布的IEEE Std C 95.1-2019(0 ～300 GHz)[17]。我國在2014年對GB 8702-1988《電磁暴露防護規定》進行修訂,在參考國際標準的基礎上,并結合我國電磁環境保護工作實踐,制定了GB 8702-2014《電磁環境控制限值》[18]。

ICNIRP導則建立的目的是限制電磁場暴露,以防止已知的急性不良健康影響,將電磁暴露限值區分為體內的基本限值和體外空間的導出限值?；鞠拗凳歉鶕梭w在電磁場環境中產生的電刺激和熱效應制定。導出限值(參考水平)通常用于實際暴露評估目的,它們是通過數學建模從基本限值中獲得的,并且是從特定頻率下的實驗室研究結果中推斷,根據電磁輻射與受照射個體的最大耦合條件計算得出,為生物體提供最大的保護。一般認為符合導出限值要求將確保滿足相應的基本限值,因此本文主要比較分析公眾暴露電磁場參考水平限值的差異。

表2為2個標準規定的接觸電流限值,GB/T 38775.4-2020與ICNIRP:2010除在頻段劃分中有區別外,公眾暴露接觸電流限值基本一致。

_____GB/T 38775.4___________________-2020 ICNIRP:2010________頻段/k Hz接觸電流限值/m A__頻段/k Hz接觸電流限值/m A__f＜2.5 0.5 f＜2.5 0.5 2.5≤f＜100 0.2f 2.5≤f＜100 0.2f 100≤f＜400_______20_____1___________________________00≤f＜10 000 20

圖5和圖6分別為國際電磁場暴露限值標準中公眾暴露電場及磁場強度參考水平對比,在電動汽車無線充電系統工作頻段85.5 k Hz下,GB 8702-2014電磁場暴露限值最為嚴苛,而IEEE Std C 95.1-2019則相對寬松,后者磁場強度安全限值較前者寬松約180倍。此外,可以看出GB/T 38775.4-2020中電動汽車無線充電公眾暴露電磁場限值依據ICNIRP:2010制定,而不是選擇引用GB 8702-2014。主要原因在于GB 8702-2014電磁場安全限值的制定,未考慮無線充電這一特殊應用場景,且標準不適用于作為產生電場、磁場、電磁場設施(設備)的產品質量要求,而ICNIRP 2010則是考慮了無線充電過程的電磁場暴露模型的結果。因此,針對電動汽車無線充電系統運行過程中的電磁安全防護,依據GB/T 38775.4-2020要求進行評估更為合理有效。

圖6 公眾暴露磁場參考水平限值對比

3 結束語

國際上現行電動汽車無線充電電磁環境安全測試標準存有差異,從測試方法,電磁環境限值等方面對比發現,各標準在測量儀器、測量場地及電磁安全限值的規定上較為一致,不同之處在于測試項目、無線充電系統工況和測試位置等方面。國內外在電磁輻射防護領域通用標準方面限值規定較為寬松,而國家標準GB/T 38775.4-2020依據的導則ICNIRP:2010 考慮了無線充電過程的電磁場暴露模型,具有較高的可靠性,此外在測試方法的規定上也較為完整。因此,電動汽車無線充電電磁環境測試以及充電設施的生產制造可參照GB/T 38775.4-2020測試方法和相應的電磁環境限值。