WPT系統(tǒng)的安全問題的現(xiàn)狀

摘要 - 許多人認為無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)本身就是不安全的，因為它們產(chǎn)生時變磁場。盡管對人類的暴露有限制，事實上，安全問題實際上已被很好地理解，并且在現(xiàn)代WPT車輛系統(tǒng)的情況下運行時，更多地是公共（或消費者）的感知挑戰(zhàn)而不是真正的健康風(fēng)險。本文將根據(jù)生物電學(xué)科學(xué)來回顧已知的風(fēng)險，提出由科學(xué)定義的理性限制，而不是誤解。將解釋IEEE C95.1標(biāo)準與1998年和2010年ICNIRP指南之間的重要區(qū)別。同樣重要的是，將提供大量商業(yè)和工業(yè)感應(yīng)能量設(shè)備的現(xiàn)實世界范例，并將其與目前正在運行的WPT系統(tǒng)進行比較。

一 引言

隨著無線技術(shù)變得越來越普遍，對于了解潛在的健康和安全影響越來越感興趣。 使用WPT的電動汽車充電是眾所周知的物理原理的較新應(yīng)用。本文概述了重要概念，潛在問題，監(jiān)管環(huán)境和當(dāng)前行業(yè)實踐，以便為讀者提供關(guān)于在?20 kHz的感應(yīng)無線電力傳輸?shù)慕】岛桶踩缘娜娓攀?。盡管科學(xué)上無法證明絕對安全 任何事情的優(yōu)勢證明，WPT對其用戶或普通大眾不構(gòu)成威脅。

二 電磁學(xué)

有關(guān)物理學(xué)的簡要概述將有助于即將進行的討論和清除常見的錯誤概念。 關(guān)于這個問題的經(jīng)典教科書[1] - [4]是規(guī)范的。

電費是物質(zhì)的基本屬性。 帶電對象之間的相互作用是由電磁場（EMF）介導(dǎo)的。電磁場從所有帶電物件的各個方向無限延伸。電磁（EM）相互作用對我們每天遇到的幾乎所有的物理，化學(xué)和生物現(xiàn)象負責(zé)。EMF可以被認為是由于電荷的移動（也稱為電流）而導(dǎo)致的電荷和磁場的電場的組成。由于任何帶電物體的電場和磁場可以進一步分為兩部分：由于恒定的電荷和電流引起的電場，以及由于時間變化的電荷和電流分布引起的輻射場。承載交流電（ac）的導(dǎo)體產(chǎn)生反應(yīng)性和輻射場。

反應(yīng)場1在“近場”制度中占主導(dǎo)地位，并且負責(zé)電容和電感耦合效應(yīng)。反應(yīng)場存儲不會丟失或輻射到周圍環(huán)境中的電磁能。當(dāng)相鄰物體是電容性的或電感耦合到無功電能源時，它可以在其中引起電荷或電流。這種感應(yīng)2是能量可以通過反應(yīng)場發(fā)射的唯一已知過程?；顒訄鰪姸认鄬^快地遠離距離。例如，磁偶極子的場（對于超過特征長度的任何閉合電流回路的良好近似）作為與偶極子的距離的立方體而下降。

輻射場從光源向外傳播。 這些領(lǐng)域也可以稱為電磁輻射。 圖1給出的電磁波譜圖示出了行進電磁場的全范圍，它們的替代名稱及其相互作用特征。輻射場不會像反應(yīng)場一樣脫落，而是隨著它們離開光源而“散開”。這導(dǎo)致距離和場強之間有效的反平方關(guān)系。

在本文中，我們關(guān)注20 kHz附近的現(xiàn)象。這屬于二十世紀初用于無線電報的無線電頻率（rf）的極低頻（VLF）國際電信聯(lián)盟（ITU）3頻帶。盡管感應(yīng)式無線電力傳輸系統(tǒng)中絕大多數(shù)能量都在與輻射場相反的反應(yīng)場中，但與感興趣的物體相比，這種輻射的非常長的波長（?15 km）意味著20 kHz的反應(yīng)和輻射場可以 與電場和磁場的局部波動類似地進行處理。這種相似性允許我們將涉及非電離EM輻射的研究和標(biāo)準應(yīng)用于我們的反應(yīng)場。然而，重要的是要注意，能量轉(zhuǎn)移的機制不涉及輻射束或任何其他輻射過程，而是依賴于通過共用的反應(yīng)場耦合兩個不同的電流回路。

圖1 在頻率增加（也增加光子能量和減小波長）方面，電磁光譜以對數(shù)尺度水平組織。在此之上，ITU頻帶用縮寫（例如VHF表示非常高的頻率）以及給定頻率的熟悉源的例子表示。WPT頻率（20 kHz）以藍色虛線突出顯示。

三 生物物理學(xué)和人類健康影響

人體使用電信號發(fā)送消息，感知環(huán)境和控制肌肉。 發(fā)射神經(jīng)元的動作電位可高達100 mV。此外，還有電流與鈉離子和鉀離子在細胞膜上運動相關(guān)聯(lián)。由于這些關(guān)系，神經(jīng)和肌肉組織可以被電磁力分類為興奮[4]。最近，在理解外部EMF對天然和人造資源的潛在健康影響方面投入了大量的精力。圖2顯示了人體組織具有的各種電導(dǎo)率及其對頻率的依賴性。

A.?熱效應(yīng)

任何使用傳統(tǒng)微波爐的人都知道使用EMF進行加熱。這個過程是由快速的，反復(fù)的反轉(zhuǎn)的領(lǐng)域推動和拉動極性分子和導(dǎo)致局部加熱引起的。為了使該介質(zhì)加熱有效地工作，EMF需要具有足夠高的頻率。低端大約是10 MHz，這是在1937年的貝爾實驗室專利中提出的[6]。低于大約100kHz的頻率，熱效應(yīng)難以檢測，并且與電刺激相比可以忽略不計。當(dāng)在20 kHz的范圍內(nèi)工作時，WPT設(shè)備不會引起可測量的熱效應(yīng)。

1）透熱療法：透熱療法是一種將身體組織加熱至45°C（局限性熱療）的治療方法，用于治療深部組織炎癥和肌肉松弛。國際電聯(lián)為工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（ISM）的使用保留一定的頻率。透熱機通常在這些頻率下工作，特別是27.120MHz和434MHz。研究表明，正確使用這些設(shè)備和參與的EMF排放對于患者和操作者都是安全的[7]。

2）微波聽覺：一個特別值得注意的療效是所謂的微波聽覺。 第二次世界大戰(zhàn)雷達運營商在運營發(fā)射機附近時，首先被注意到。 它被認為是由某些聽覺組織的熱彈性膨脹引起的，據(jù)報道聽起來像點擊或嗡嗡聲。 場的感知閾值取決于頻率，場強和脈沖寬度（占空比）[8]。

3）微波損傷：由于家庭微波爐的普遍存在，部分原因是微波爐對EMF熱危害提供了一些軼事。由于設(shè)備互鎖故障和故意虐待兒童，有長時間（?5秒）的暴露情況。暴露導(dǎo)致發(fā)射器面臨的組織發(fā)生明顯的燒傷，也可能導(dǎo)致持續(xù)的神經(jīng)系統(tǒng)問題[9]。

已知高水平的微波輻射引起白內(nèi)障，因為眼睛的晶狀體含有熱敏感的發(fā)炎[10]。這些輻射水平遠遠高于FDA允許的5 mW / cm2的壽命泄漏。所有市售的烤箱均符合本標(biāo)準。

B.電刺激

存在用于感知EMF的各種非熱機制。這些對個體的影響根據(jù)EMF的頻率，強度和波形的函數(shù)以及個體對刺激的敏感性而變化。沒有公開的證據(jù)表明慢性恐怖刺激低于可感知閾值有任何急性或 累積效應(yīng)，并沒有已知的物理機制這樣的影響[4]。

圖2 電磁波在各種人體組織中的電導(dǎo)率（固體）和穿透深度（點）作為頻率的函數(shù)。在VLF波段（灰色虛線），波的穿透深度比感興趣的結(jié)構(gòu)長許多倍，所以人體對這些EMF“光學(xué)”薄。這個數(shù)據(jù)是由Andreuccetti等人使用互聯(lián)網(wǎng)工具計算的[5]。

1）直接感覺：人類可以感受到電場強度低于幾千瓦/米的電力現(xiàn)場頻率（60Hz）。這可能是由于毛發(fā)在皮膚表面上的移動，并且可以由測試對象描述為“在皮膚上分布的刺痛或爬行感覺”[3]。在較高的頻率下，這些領(lǐng)域的感覺較差。

2）Phosphenes：磷光是沒有光進入眼睛的光的感覺。Magnetophosphenes由眼睛中或周圍的感應(yīng)電流產(chǎn)生，在20 Hz時具有約10 mT的最低感知閾值[3]。一些MRI患者報告觀察到磷酸化[11] .Phosphenes不知道有任何長期有害的效果。

3）經(jīng)顱磁刺激：經(jīng)顱磁刺激（TMS）是腦組織非侵入性刺激的相對較新的方法。它涉及將一個具有交替電流的小線圈放置在顱骨上，使其在大腦本身中引起電流。它被用作評估腦卒中或其他疾病的腦損傷的診斷工具。最近已經(jīng)獲得FDA批準用于治療耐藥性重度抑郁癥。TMS以非常低的頻率（1至50Hz）和磁通密度（1.5至2T）使用6.盡管這些高場強一般被認為是安全的，主要的副作用是昏厥，短暫的不適，以及非常罕見的情況下，癲癇發(fā)作。應(yīng)注意，這些通量密度比WPT產(chǎn)生的最大通量密度高出千倍，比WPT潛在的人類暴露高近百萬倍。

C.醫(yī)療器械

在處理EMF暴露和維持生命的醫(yī)療設(shè)備（如起搏器和胰島素泵）時，必須格外小心。FDA提供有關(guān)醫(yī)療設(shè)備的電磁兼容性（EMC）的指導(dǎo)。這包括它們可能產(chǎn)生干擾場的數(shù)量以及它們受外部干擾影響的程度。最大的問題之一是從設(shè)備無線傳輸?shù)?a target="_blank">信號和數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

Momentum充電器的功率傳輸頻率遠低于大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備用于通信的無許可的ISM頻段。由于充電器周圍的物理訪問區(qū)域（即不是直接在線圈之間）的非常低的磁場強度，所以幾乎沒有任何影響的風(fēng)險。

四 工業(yè)實踐

使用強大交流磁場的技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)中使用了將近100年。

A.?感應(yīng)加熱烹飪

感應(yīng)加熱廣泛用于熱處理，焊接和熔化金屬[12]。工業(yè)感應(yīng)加熱器依靠導(dǎo)電工件中的磁感應(yīng)渦流來提供部件的歐姆加熱。它們的工作頻率從50 Hz到高達10 MHz，大多數(shù)應(yīng)用在450 kHz左右。用于冶煉的感應(yīng)加熱器與爐相比是相當(dāng)快速和有效的，并且可以加熱到幾兆瓦。感應(yīng)加熱器操作員常常遇到10 kHz，60 mT的磁場，沒有報告不良影響[13]。

電磁爐灶在較小的尺寸上使用相同的概念。爐中的線圈攜帶20 kHz至100 kHz的交流電流，在合適的烹飪?nèi)萜髦幸痣娏鳌＿@將直接加熱鍋，從而加熱其內(nèi)容物。感應(yīng)爐灶（其市場滲透率大致為5％）的研究沒有顯示出他們的用戶在磁場方面面臨風(fēng)險，盡管潛在的場強超過了400μT[14] [15]。

B.磁共振成像

核磁共振7是有用的醫(yī)學(xué)成像現(xiàn)象。它涉及施加非常強的直流（直流或0Hz）磁場（通常為1T至3T）以對準核自旋，然后用rf磁場擾亂該場以分析核的反應(yīng)。不同的頻率導(dǎo)致不同的同位素共振，并且在收集響應(yīng)信號的同時改變施加的場參數(shù)允許進行測試對象的圖像。MRI的危險主要在于所涉及的非常強的直流電場，這可能導(dǎo)致磁敏感物體（如壓縮氣體的金屬氣瓶）以巨大的力量快速移動[16]。

C.高壓輸電線路

EMF（主要是磁場）的極低頻（ELF），特別是50Hz或60Hz的實用頻率已被引起關(guān)注，因為它們涉及與兒童期白血病相關(guān)的流行病學(xué)研究。進一步的調(diào)查使這些說法似乎不合理。已經(jīng)進行了許多動物實驗室研究，尋找ELF EMF與癌癥生產(chǎn)或促進之間的聯(lián)系，而沒有成功的鏈接。仍然沒有已知的這種效果的機制。然而，國際癌癥研究機構(gòu)（IARC）將ELF磁場列為2B類可能的人類致癌物質(zhì)，以及咖啡和腌制蔬菜[17]。

D.電子文件監(jiān)控

有幾種非接觸式方法用作零售商店的商店威懾。在磁帶庫中使用的磁性系統(tǒng)使用一小塊容易飽和的磁性材料，工作在極低頻率至超低頻（ELF-ULF）范圍。射頻系統(tǒng)通常通過檢測標(biāo)簽的高頻（HF）共振來工作。與WPT設(shè)備最相關(guān)（在工作頻率方面）是聲磁系統(tǒng)。這在非常低的頻率到低頻（VLFLF）范圍內(nèi)工作，并且使用由其磁致伸縮產(chǎn)生的信號（由其暴露于檢測器場而產(chǎn)生的機械運動）來檢測標(biāo)簽。Sensormatic廣泛使用的UltramaxTM檢測系統(tǒng)周期性地脈沖58kHz場，在開放區(qū)域達到高達175μT的強度[18]。這些系統(tǒng)已經(jīng)在許多領(lǐng)先的零售商使用了超過25年。沒有發(fā)生與這種廣泛的LF技術(shù)相關(guān)的任何安全問題或醫(yī)療器械問題的事件[19]。此外，Sensormatic的技術(shù)已經(jīng)由佐治亞理工大學(xué)研究所實驗室測試了一系列幻影測試文章心臟起搏器，并被發(fā)現(xiàn)沒有造成傷害[20]。

五 人類接觸標(biāo)準

已經(jīng)制定了各種標(biāo)準和指導(dǎo)方針，以限制由于EMF暴露引起的潛在不利影響。這些標(biāo)準有一個專門的術(shù)語來討論暴露水平。最大允許暴露（MPE）是指適當(dāng)安全系數(shù)低于危險閾值的人類暴露場的最大可接受值。特異性吸收率（SAR）是對給定質(zhì)量的身體組織中沉積的功能量的量度。SAR通常被認為是與熱效應(yīng)有關(guān)的8，而MPE則是基于其他的電刺激效應(yīng)。

A.?規(guī)制史

在美國，1969年的“國家環(huán)境政策法案”要求所有聯(lián)邦機構(gòu)考慮其政策的環(huán)境影響。這意味著，聯(lián)邦通信委員會（FCC）將對生成EMF的設(shè)備進行許可，需要評估其潛在的影響。人類的暴露和安全是一個這樣的考慮。兩個組織，國家輻射防護與測量委員會（NCRP）和電氣和電子工程師學(xué)會（IEEE）為1985年以來已經(jīng)制定的FCC指導(dǎo)方針提出了建議。這些指南已經(jīng)重新審查并根據(jù)需要進行了修訂 根據(jù)1996年“電訊法”。FCC的一份2013年報告包括一項關(guān)于這些rf暴露限值是否需要進一步重新評估的調(diào)查通知。目前的FCC建議大體上符合NCRP第86號報告和IEEE / ANSI C95.1-1992。這可以在47 CFR§1.1310（2013）中找到。

B.標(biāo)準

1）ANSI：美國國家標(biāo)準學(xué)會（ANSI）是一家在美國制定自愿共識標(biāo)準的私營非營利組織。C95.1標(biāo)準的第一個版本于1966年11月批準，被稱為ANSI C95.1-1966。它覆蓋10 MHz至100 GHz，受限于10 mW / cm2。隨后的修訂版，ANSI C95.1-1982，包括基于SAR的限制，并將頻率范圍提高到300 kHz至100 GHz。文獻綜述發(fā)現(xiàn)，生物效應(yīng)與SAR相比，優(yōu)于入射功率密度[21]。1988年，C95委員會成為IEEE SCC-28，但標(biāo)準保留了舊號[22]。

2）IEEE：IEEE是由美國電氣工程師協(xié)會和無線電工程師學(xué)會合并而成的1963年的專業(yè)協(xié)會。在起草IEEE C95.1-1992標(biāo)準時，委員會還考慮了大鼠復(fù)雜任務(wù)行為中斷的最低閾值。這相當(dāng)于4W / kg的SAR值，加上安全系數(shù)為10的全身極限為0.4W / kg。為了比較，人的具體基礎(chǔ)代謝率在1.5W / kg的范圍內(nèi)。中等程度的活動（以輕松的步調(diào)行走）產(chǎn)生體重≥4W/ kg的平均比功率，而強烈的活動（沖刺）可達到大于30W / kg的水平。1991年的標(biāo)準還將覆蓋的頻率范圍增加到3 kHz至300 GHz。它被C95.1-2005取代，在確定他們可以處理更高的領(lǐng)域而沒有不利影響之后，增加了一個單獨的（更高）的肢體閾值[23]。

圖3 最新標(biāo)準的圖形比較（ICNIRP 2010 vs IEEE C95.1-2345 2014）。1區(qū)指的是“受限制”的環(huán)境，在這個環(huán)境中，人員接受了潛在危害方面的培訓(xùn)，并控制了進入。0區(qū)指“不受限制”的環(huán)境，與ICNIRP的“一般公眾”指定類似。

最新和徹底的標(biāo)準是IEEE C.95.1-2345-2014 [24]。盡管它是針對軍人的，但是它與以前的標(biāo)準（具有一些新的首字母縮寫詞和術(shù)語）相同，具有相同的MPE和SAR限制。它還包括合規(guī)測量和公共安全標(biāo)志的指導(dǎo)。

3）NCRP：NCRP是由美國國會于1964年授予的非政府機構(gòu)，為公眾提供有關(guān)輻射防護的有用信息。NCRP第86號報告“射頻電磁場的生物效應(yīng)和暴露標(biāo)準”于1986年出版，并對當(dāng)時可用的相關(guān)文獻進行了全面的綜述。其建議與最近更新的ANSI / IEEE標(biāo)準（借鑒于ANSI 1982）沒有顯著差異。

4）ICNIRP：國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）是1992年在德國特許的獨立非營利組織。ICNIRP由來自學(xué)術(shù)界和政府的14位個人（大多是歐洲人）組成。委員會成員不得有任何行業(yè)協(xié)會。第一個ICNIRP指南（1998）[25]具有過度的減少因素，這導(dǎo)致其無法被歐洲聯(lián)盟采用，但沒有幾個例外（對于MRI操作員和許多家用電器）。在1 Hz至100 kHz范圍內(nèi)的ICNIRP的2010年更新[26]仍然是非常保守的，監(jiān)管機構(gòu)的采用將需要重新設(shè)計幾種常用技術(shù)。這些指南是有爭議的，因為缺乏客觀的科學(xué)過程而被批評[27] [28]。參見圖3，用于最新標(biāo)準的視覺比較。

六 概要

盡管它仍然是一個活躍的調(diào)查領(lǐng)域，但相當(dāng)多的研究支持長期人類暴露于低水平的人造EMF不構(gòu)成健康威脅的立場。若干咨詢機構(gòu)謹慎地制定標(biāo)準，以確保合理的安全利潤，同時適應(yīng)現(xiàn)代社會的現(xiàn)實。隨著無線技術(shù)的普及，人們對EMF暴露現(xiàn)象（基礎(chǔ)科學(xué)，關(guān)注度和測試方法）的廣泛溝通對于確保接受并順利過渡到新的技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要。我們建議政府和行業(yè)采用IEEE C.95標(biāo)準，因為它為其暴露限制提供了嚴格和科學(xué)依據(jù)的基礎(chǔ)。從健康和安全的角度來看，過分的限制是無意義的，并且破壞了公眾對新興技術(shù)的看法。

以上內(nèi)容由劉偉翻譯自Schrafel P C, Long B R, Miller J M, et al. The reality of safety concerns relative to WPT systems for automotive applications[J].，所有圖片及部分文字屬于原版權(quán)方，僅用于交流學(xué)習(xí)使用。

編輯：黃飛

?