磁谐振式无线电能传输特性及其空间电磁场对人体的影响研究

Since 2007, magnetic resonance wireless power transmission become a research focus in this field, but this kind of wireless power transmission have many issues need to be addressed, which include the mechanism and the characteristics of this new technology has not be clarified, the diversified system modeling approaches has not be perfected, the impact on the human body has not be solved and so on. For the complicated near-induction-electromagnetic field, our research team will carry out the research work by combining a variety of theories and methods. Firstly, we will research the electromagnetic characteristics when the system occur magnetic resonance around the near-induction-field, and obtain the theories and methods to reveal the process of the electromagnetic field in the near-induction-field, and obtain the rules of the electromagnetic field distribution, spatial variation, and the characteristics of electromagnetic energy flow. Secondly, we will study the relationship of the distance and the orientation between the a number of ( or a single ) lunch or receive coils, and the optimal distribution position of the multi launch or receiver coils, then establish a diversified mathematical model of the resonance WPT system, and which model aim at the practical application. By that model, we try to find a new way to improve the efficiency of power transfer. Thirdly, we will create a three-dimensional electromagnetic simulative mannequin and an electromagnetic-thermal coupling simulative human model to study the electromagnetic field distribution, the current density distribution, SAR and body temperature in the human body when the electric vehicle wireless charging which use magnetic resonance wireless power transmission technology. Then we will consult the ICNIRP guidelines to evaluate the safety of magnetic resonance WPT technology. The correctness of the results will be verified by experiment.

自2007年以来，磁谐振WPT技术成为该领域新的研究热点，但这种新型WPT技术的传输机理与特性尚不明确、多元化系统的建模方法有待提高、是否对人体产生影响的问题未能解决。针对近场感应区的复杂性，课题组将结合多种理论和方法开展研究工作。研究感应区发生磁谐振时的电磁现象，获得揭示感应区电磁过程的理论和方法，掌握空间电磁场量的分布与变化规律和电磁能量流动特性；研究多个（单一）接收线圈与单一（多个）发射线圈之间的距离和方位的关系，多个接收线圈或多个发射线圈在感应区中的最佳分布位置，建立以工程应用为目标的多元化磁谐振WPT系统的数学模型，通过该数学模型获得提高复杂系统空间电能传输效率的方法；建立三维电磁仿真人体模型、电磁-热耦合仿真人体模型，研究电动汽车无线充电时人体中的电磁场分布、电流密度分布、SAR及人体温升，依据ICNIRP导则评价磁谐振WPT技术的安全性。研究结果的正确性将通过实验进行验证。

磁耦合无线电能传输（Wireless power transfer, WPT）技术近年来发展快速，但其近场电磁场特性尚无得到全面分析。随着系统功率、传输距离的不断提高，人体电磁安全也得到了广泛关注。本项目围绕磁耦合WPT系统的近场电磁特性及电磁安全问题进行了研究。. 首先，为满足WPT系统的不同频率的实验需求，设计和制作了三种高频电源。为满足场测量的需求，搭建了的场测量平台。包括设计和制作了一种小型三维磁场探头、设计了一种基于感应电场的无散特性的电场测量方法。其中磁场探头具有尺寸小、能进行时域测量的优点。. 第二，基于磁准静态场和毕奥-萨伐尔定律建立了线圈系统的细线模型。而后提出一种最大值滤波方法，并结合二维特征选择验证法对电磁场模型的计算效率与准确性进行了优化。获得了一种能够分析时域、频域、磁场、电场及功率密度的计算模型。从时域特性、分布特性、电磁场矢量大小、方向四个方面全面研究了WPT系统空间的电磁场。发现了磁场是非时谐场，且具有复杂极化特性。从时域坡印亭矢量、有功与无功功率密度矢量的角度研究了功率流特性。发现决定功率的直接原因是非正弦磁场，根本原因是线圈电流相位差。. 第三，建立了成人、儿童各种姿势的电磁模型、人体器官电磁模型，考虑了WPT大功率应用环境即电动汽车无线充电，还建立了电动汽车无线充电的电磁模型。评估了10千瓦传输功率时，人体位于不同位置时的电磁暴露情况。并给出了安全距离、功率控制和偏移控制三种方法，以便降低电磁暴露风险。. 第四，建立了三线圈电路模型，分析了三线圈频率分裂，讨论了线圈位置、负载电阻和工作频率对最优补偿电抗、传输效率的影响。提出了以提高系统效率为目标的补偿电容优化方法。制作了电容在线调整的三线圈样机，在传输距离或工作频率动态变化时，补偿电容可以进行实时调整，从而实现传输效率的最优化。. 综上，本项目揭示了WPT系统近场的电磁场特性，实现了对WPT系统电磁测量、人体安全评估、多线圈系统的研究。在电磁理论领域、WPT领域有参考意义。