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無線電力傳輸系統的暴露評估

問題描述

無線車載充電器的示意圖。

無線電力傳輸 (WPT) 是一項新興技術,預計將在人類環境中無處不在,用於為電子或家用電器、醫療植入物甚至汽車充電。 因此,所有 WPT 系統都必須按照規範公眾和專業人員暴露於電磁場的準則進行操作,這一點很重要。

無線電力傳輸系統使用各種方法進行操作。 它們可以根據受電設備與電源的距離進行分組。 當距離很短時,無線充電器可以在 20 kHz 到 13.56 MHz 的頻率範圍內工作。 為了將電力傳輸到更遠的距離或能量收集器(例如,RFID 標籤),使用了射頻。 在較低頻率範圍內,功率通過電容或電感耦合傳輸。 後一種機制更常用於市售系統中,以諧振線圈的形式實現。

適用標準

關於人體暴露於射頻電磁場的安全等級的 IEEE 標準 C95.1。

目前,沒有用於評估 WPT 系統暴露和證明符合暴露指南的標準化程序。 國際非電離輻射保護委員會 (ICNIRP 1998, ICNIRP 2010) 和電氣和電子工程師協會 (IEEE C95.1) 發布了最廣泛採用的關於限制人體暴露於電磁場的文件。 它們包括基本限制,以防止較低頻率範圍(高達 5 或 10 MHz)的組織刺激和 100 kHz 以上頻率的過度組織加熱。 由於許多 WPT 系統在 100 kHz 和 10 MHz 之間的頻率下運行,因此必須同時應用兩組基本限制。

方法

1. 單步程序

電磁輻射在靠近線圈的手中感應,用於無線電力傳輸。

在單步方法中,使用了典型的暴露場景。虛擬人口 (ViP) 人體模型放置在具有通過 POSER 工具獲得的姿勢的源旁邊,以反映 WPT 系統預期用途的真實暴露條件。最壞情況分析(例如,依靠或接觸系統)也可以直接進行。計算模型中的感應場隨後被提取並針對基本限制進行分析。為了進行這種類型的分析,有必要使用全波技術,如有限差分時域 (FDTD),由 P-EM-FDTD 求解器實現,它考慮了內部的組織分佈人體及其對電源造成的負載。

如果 WPT 系統的頻率很低,那麼高性能計算(HPC)框架就是模擬加速的解決方案。然而,在這種情況下,值得檢查是否滿足準靜態條件,以便使用相應的低頻求解器 (P-EM-QS),儘管當時不考慮物體與源的相互作用。

2.雙步程序

坐在無線電力充電器附近的人的磁場和感應暴露。

雙步法也忽略了人體對源的影響。 然而,它允許減少計算時間。 WPT 系統產生的電磁場(在該過程的第一步中通過分析或數值計算)用於激發惠更斯源,進而對 ViP 模型內的劑量學量進行評估。 這樣,就不需要在時域中模擬諧振結構。

3.源建模的驗證

無線充電配置(頂部)以及測量和模擬場的比較。

這裡值得一提的是,對於這兩個過程(單步和兩步),驗證 WPT 系統源的數值模型是否對應於物理設備非常重要。這可以通過在空氣中和靠近源的實驗測量以及在充滿液體的模型中實現。所有必要的驗證設備都可以從我們或我們的姊妹公司 SPEAG(Schmid and Partner Engineering AG)獲得。

 

使用基於機器人的 DASY5,可以藉助自由空間探頭 H3DV8 在空氣中測量實際 WPT 系統產生的磁場,並與源模型的 Sim4Life 計算結果進行比較。可以對由玻璃纖維增強乙烯基酯外殼製成的平面模型內的特定吸收率 (SAR) 分佈進行類似的比較。模型可以填充 ZMT 生產的高導電性液體 (HCL),該液體也用於 MRI 掃描儀內的醫療植入物安全評估。液體內部的 SAR 測量使用安裝在 SPEAG 的 DASY5 系統上的校準探頭 ET3DV6 進行,WPT 系統放置在距平面體模外表面不同距離處。源模型的驗證再次通過比較測量的和 Sim4Life 計算的 SAR 分佈來實現,例如,採用標準草案 IEC/IEEE 62704-1 中描述的程序。

4.電力傳輸的優化

複雜的配置和相關的評估和優化可以通過 Sim4Life 中的模擬來執行。

一個最佳的 WPT 系統允許在源和充電設備之間以最低的人體暴露量實現最大的功率傳輸。 對於短程和中程系統,都可以使用通用線圈模型併計算諧振線圈之間的耦合效率(WPT 迄今為止最流行的技術)作為頻率和距離的函數。 將 ViP 模型放置在磁場內的真實場景中,可以為每個線圈設置計算感應電場和 SAR。 然後,WPT 系統設計人員可以選擇能夠產生最高功率傳輸且符合暴露準則的配置。 通過這種方式,可以在系統設計階段減少上市時間和成本。

流程概覽

參考文獻

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