无线电力传输系统的曝光评估

问题描述

无线汽车充电器的示意图\

无线电力传输是一项新兴技术，也是一项被寄予厚望成为在人类环境下无所不在的为电子或家用电器、医学植入，甚至汽车充电的技术。因此，所有的无线电力传输系统在操作时遵循针对普通大众和专业人士对电磁场暴露的调节规则是很重要。

无线电力传输（WPT）系统运用了多种方法实现操作。根据电力接受设备与电源之间的距离，可以进行集合。距离近时，无线充电器可以在20 KHz至13.56 MHz的频率范围内操作。远距离电力传输或能量采集器（如，射频识别标签），使用射频。在较低的频率范围内，电力通过电容或电感耦合传输。后者机制在商用系统中使用跟多，通过谐振线圈的形式实现。

标准评定

IEEE标准C95.1 与人类接触的无线电频率电磁场的安全等级

目前，还没有针对无线电力传输（WPT）的暴露评估以及遵循曝光指南的展示的标准化程序。针对限制人体暴露于电磁场最多采纳的文件是由国际非电离辐射保护委员会（ICNIRP 1998，ICNIRP 2010）及美国电机及电子工程师学会（IEEE C95.1）发布的。包括基本的限制条件，防止在较低频率范围内（5或10 MHz以上）组织的刺激，及100 KHz以上的频率导致的组织过度加热。由于许多无线电力传输（WPT）系统可以在100 KHz至10 MHz的频率范围内操作，两套基本的限制需同时满足。

方法

1. 单步执行程序

靠近无线电力传输线圈的手感应到的电磁暴露

单步执行方法运用典型的曝光方案。人体模型以波赛尔工具捕捉到的不同的姿势放置在电源附近，以便反应无线电力传输系统的预期用途的实际曝光条件。失败病例分析（例如，依靠或接触系统）也可能是一种简单的方式。关于基本限制的计算模型中的感应场此后被提取和分析。为了实现这种分析，全波技术，比如由P-EM-FDTD求解器实现的时域有限差分（考虑人体内的组织分布及相对于电源的放置位置），十分必要。

无线电力传输系统的频率非常低，仿真加速的解决方案是高性能计算（HPC）构架。因此，虽然应检查各自的低频解算器的准静态条件是否满足，但不考虑人体与电源的相互影响。

2. 两步程序

坐在无线充电器附件的人体的磁场和引起的曝光

两步方法也忽略人体对电源的影响。尽管如此，允许计算时间的减少。运用无线电力传输系统（第一步中的解析计算或数值计算）产生的电磁场来激发惠更斯源，相应的，惠更斯源给出模型中的计量学评估。这样，时域内的共振结构不需模拟。

3. 源建模验证

无线充电的配置（上）及测量和模拟域的对比

值得一提的是，对单步和两步程序来说，验证对应于物理设备的无线电力传输系统源的数值模型十分重要，可以通过空气中的实验测量，靠近源，及在充满液体的模型中实现。所有必需的验证设备可以通过ZMT （Zurich Med Tech）或我们的姐妹公司SPEAG（Schmid and Partner Engineering AG）获得。

运用基于机器人的DASY5，实际的无线电力传输系统产生的磁场可在空气中借助自由空间探测H3DV8进行测量，也可以与Sim4Life计算出的源模型结果对比。玻璃纤维加强乙烯基脂壳的平面模型中的SAR分布壳也可以进行类似的对比。模型可被ZMT产生的高导电液（HCL）（同样运用于磁共振成像扫描仪内的医学植入安全评估）填充。液体中的SAR测量可通过安装在DASY5系统上的校准后的探头SPEAG ET3DV6和放置在距平面模型的外表面不同距离的无线电力传输系统进行。源模型的验证又可以通过对比测量到的SAR分布和Sim4Life计算出的SAR分布实现，例如，采用草案标准 IEC/IEEE 62704-1中的步骤。

4. 功率传输优化

Sim4Life中可模拟复杂配置和关联的评估与优化

最佳无线电力传输系统可实现电源与最低人体暴露下充电的设备之间的最大电力传输。对于短程和中程系统来说，采用通用线圈模型和计算谐振线圈间的耦合效率（无线电力传输中至今最流行的技术）作为一个频率和距离的函数成为可能。通过放置在磁场现实情景中的模型，安装每个线圈时的感应电场和SAR都可以计算出来。无线电力传输系统设计者可以选择遵循曝光指南产生最高电力传输的配置。这样，在系统设计阶段，投入市场合需的时间及成本都能降低。

過程概述

涉及的產品

Sim4Life → Computable Human Phantoms → ViP3.0

Sim4Life → Physics Models → P-EM-FDTD

Sim4Life → Modules → POSER

Sim4Life → Modules → HUYGENS

Sim4Life → Framework → HPC

Documentation

Publications

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A. Christ, M. G. Douglas, J. M. Roman, E. B. Cooper, A. P. Sample, B. H. Waters, J. R. Smith, and N. Kuster, “Evaluation of wireless resonant power transfer systems with human electromagnetic exposure limits,” vol. 55, no. 2, pp. 265-274, 2013
X. L. Chen, A. E. Umenei, D. W. Baarman, N. Chavannes, V. De Santis, J. R. Mosig, and N. Kuster, “Human Exposure to Close-Range Resonant Wireless Power Transfer Systems as a Function of Design Parameters,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 56, no. 5, pp. 1027-1034, 2014
X. L. Chen, V. De Santis, and A. E. Umenei, “Theoretical assessment of the maximum obtainable power in wireless power transfer constrained by human body exposure limits in a typical room scenario,” Phys. Med. Biol., vol. 59, no. 13, pp. 3453-3464, 2014
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J. Nadakuduti, M. Douglas, L. Lu, A. Christ, P. Guckian, and N. Kuster, “Compliance Testing Methodology for Wirelss Power Transfer Systems,”, vol. 30, no. 11, pp. 6264-6273, 2015
UL, “Safety Considerations of Wireless Charger for Electric Vehicles – A Review Paper,”, available for download [Last Accessed,7 September 2015].

Validation Reports, available upon request from our support team

Validation of P-EM-FDTD module
Validation of P-EM-QS module
Validation of HUYGENS module
Population coverage of the ViP