WPT系统的安全问题的现状

摘要 - 许多人认为无线电力传输（WPT）系统本身就是不安全的，因为它们产生时变磁场。尽管对人类的暴露有限制，事实上，安全问题实际上已被很好地理解，并且在现代WPT车辆系统的情况下运行时，更多地是公共（或消费者）的感知挑战而不是真正的健康风险。本文将根据生物电学科学来回顾已知的风险，提出由科学定义的理性限制，而不是误解。将解释IEEE C95.1标准与1998年和2010年ICNIRP指南之间的重要区别。同样重要的是，将提供大量商业和工业感应能量设备的现实世界范例，并将其与目前正在运行的WPT系统进行比较。

一 引言

随着无线技术变得越来越普遍，对于了解潜在的健康和安全影响越来越感兴趣。 使用WPT的电动汽车充电是众所周知的物理原理的较新应用。本文概述了重要概念，潜在问题，监管环境和当前行业实践，以便为读者提供关于在〜20 kHz的感应无线电力传输的健康和安全性的全面概述。尽管科学上无法证明绝对安全 任何事情的优势证明，WPT对其用户或普通大众不构成威胁。

二 电磁学

有关物理学的简要概述将有助于即将进行的讨论和清除常见的错误概念。 关于这个问题的经典教科书[1] - [4]是规范的。

电费是物质的基本属性。 带电对象之间的相互作用是由电磁场（EMF）介导的。电磁场从所有带电物件的各个方向无限延伸。电磁（EM）相互作用对我们每天遇到的几乎所有的物理，化学和生物现象负责。EMF可以被认为是由于电荷的移动（也称为电流）而导致的电荷和磁场的电场的组成。由于任何带电物体的电场和磁场可以进一步分为两部分：由于恒定的电荷和电流引起的电场，以及由于时间变化的电荷和电流分布引起的辐射场。承载交流电（ac）的导体产生反应性和辐射场。

反应场1在“近场”制度中占主导地位，并且负责电容和电感耦合效应。反应场存储不会丢失或辐射到周围环境中的电磁能。当相邻物体是电容性的或电感耦合到无功电能源时，它可以在其中引起电荷或电流。这种感应2是能量可以通过反应场发射的唯一已知过程。活动场强度相对较快地远离距离。例如，磁偶极子的场（对于超过特征长度的任何闭合电流回路的良好近似）作为与偶极子的距离的立方体而下降。

辐射场从光源向外传播。 这些领域也可以称为电磁辐射。 图1给出的电磁波谱图示出了行进电磁场的全范围，它们的替代名称及其相互作用特征。辐射场不会像反应场一样脱落，而是随着它们离开光源而“散开”。这导致距离和场强之间有效的反平方关系。

在本文中，我们关注20 kHz附近的现象。这属于二十世纪初用于无线电报的无线电频率（rf）的极低频（VLF）国际电信联盟（ITU）3频带。尽管感应式无线电力传输系统中绝大多数能量都在与辐射场相反的反应场中，但与感兴趣的物体相比，这种辐射的非常长的波长（〜15 km）意味着20 kHz的反应和辐射场可以 与电场和磁场的局部波动类似地进行处理。这种相似性允许我们将涉及非电离EM辐射的研究和标准应用于我们的反应场。然而，重要的是要注意，能量转移的机制不涉及辐射束或任何其他辐射过程，而是依赖于通过共用的反应场耦合两个不同的电流回路。

图1 在频率增加（也增加光子能量和减小波长）方面，电磁光谱以对数尺度水平组织。在此之上，ITU频带用缩写（例如VHF表示非常高的频率）以及给定频率的熟悉源的例子表示。WPT频率（20 kHz）以蓝色虚线突出显示。

三 生物物理学和人类健康影响

人体使用电信号发送消息，感知环境和控制肌肉。 发射神经元的动作电位可高达100 mV。此外，还有电流与钠离子和钾离子在细胞膜上运动相关联。由于这些关系，神经和肌肉组织可以被电磁力分类为兴奋[4]。最近，在理解外部EMF对天然和人造资源的潜在健康影响方面投入了大量的精力。图2显示了人体组织具有的各种电导率及其对频率的依赖性。

A. 热效应

任何使用传统微波炉的人都知道使用EMF进行加热。这个过程是由快速的，反复的反转的领域推动和拉动极性分子和导致局部加热引起的。为了使该介质加热有效地工作，EMF需要具有足够高的频率。低端大约是10 MHz，这是在1937年的贝尔实验室专利中提出的[6]。低于大约100kHz的频率，热效应难以检测，并且与电刺激相比可以忽略不计。当在20 kHz的范围内工作时，WPT设备不会引起可测量的热效应。

1）透热疗法：透热疗法是一种将身体组织加热至45°C（局限性热疗）的治疗方法，用于治疗深部组织炎症和肌肉松弛。国际电联为工业，科学和医疗（ISM）的使用保留一定的频率。透热机通常在这些频率下工作，特别是27.120MHz和434MHz。研究表明，正确使用这些设备和参与的EMF排放对于患者和操作者都是安全的[7]。

2）微波听觉：一个特别值得注意的疗效是所谓的微波听觉。 第二次世界大战雷达运营商在运营发射机附近时，首先被注意到。 它被认为是由某些听觉组织的热弹性膨胀引起的，据报道听起来像点击或嗡嗡声。 场的感知阈值取决于频率，场强和脉冲宽度（占空比）[8]。

3）微波损伤：由于家庭微波炉的普遍存在，部分原因是微波炉对EMF热危害提供了一些轶事。由于设备互锁故障和故意虐待儿童，有长时间（〜5秒）的暴露情况。暴露导致发射器面临的组织发生明显的烧伤，也可能导致持续的神经系统问题[9]。

已知高水平的微波辐射引起白内障，因为眼睛的晶状体含有热敏感的发炎[10]。这些辐射水平远远高于FDA允许的5 mW / cm2的寿命泄漏。所有市售的烤箱均符合本标准。

B.电刺激

存在用于感知EMF的各种非热机制。这些对个体的影响根据EMF的频率，强度和波形的函数以及个体对刺激的敏感性而变化。没有公开的证据表明慢性恐怖刺激低于可感知阈值有任何急性或 累积效应，并没有已知的物理机制这样的影响[4]。

图2 电磁波在各种人体组织中的电导率（固体）和穿透深度（点）作为频率的函数。在VLF波段（灰色虚线），波的穿透深度比感兴趣的结构长许多倍，所以人体对这些EMF“光学”薄。这个数据是由Andreuccetti等人使用互联网工具计算的[5]。

1）直接感觉：人类可以感受到电场强度低于几千瓦/米的电力现场频率（60Hz）。这可能是由于毛发在皮肤表面上的移动，并且可以由测试对象描述为“在皮肤上分布的刺痛或爬行感觉”[3]。在较高的频率下，这些领域的感觉较差。

2）Phosphenes：磷光是没有光进入眼睛的光的感觉。Magnetophosphenes由眼睛中或周围的感应电流产生，在20 Hz时具有约10 mT的最低感知阈值[3]。一些MRI患者报告观察到磷酸化[11] .Phosphenes不知道有任何长期有害的效果。

3）经颅磁刺激：经颅磁刺激（TMS）是脑组织非侵入性刺激的相对较新的方法。它涉及将一个具有交替电流的小线圈放置在颅骨上，使其在大脑本身中引起电流。它被用作评估脑卒中或其他疾病的脑损伤的诊断工具。最近已经获得FDA批准用于治疗耐药性重度抑郁症。TMS以非常低的频率（1至50Hz）和磁通密度（1.5至2T）使用6.尽管这些高场强一般被认为是安全的，主要的副作用是昏厥，短暂的不适，以及非常罕见的情况下，癫痫发作。应注意，这些通量密度比WPT产生的最大通量密度高出千倍，比WPT潜在的人类暴露高近百万倍。

C.医疗器械

在处理EMF暴露和维持生命的医疗设备（如起搏器和胰岛素泵）时，必须格外小心。FDA提供有关医疗设备的电磁兼容性（EMC）的指导。这包括它们可能产生干扰场的数量以及它们受外部干扰影响的程度。最大的问题之一是从设备无线传输的信号和数据的安全性和完整性。

Momentum充电器的功率传输频率远低于大多数医疗设备用于通信的无许可的ISM频段。由于充电器周围的物理访问区域（即不是直接在线圈之间）的非常低的磁场强度，所以几乎没有任何影响的风险。

四 工业实践

使用强大交流磁场的技术已经在工业中使用了将近100年。

A. 感应加热烹饪

感应加热广泛用于热处理，焊接和熔化金属[12]。工业感应加热器依靠导电工件中的磁感应涡流来提供部件的欧姆加热。它们的工作频率从50 Hz到高达10 MHz，大多数应用在450 kHz左右。用于冶炼的感应加热器与炉相比是相当快速和有效的，并且可以加热到几兆瓦。感应加热器操作员常常遇到10 kHz，60 mT的磁场，没有报告不良影响[13]。

电磁炉灶在较小的尺寸上使用相同的概念。炉中的线圈携带20 kHz至100 kHz的交流电流，在合适的烹饪容器中引起电流。这将直接加热锅，从而加热其内容物。感应炉灶（其市场渗透率大致为5％）的研究没有显示出他们的用户在磁场方面面临风险，尽管潜在的场强超过了400μT[14] [15]。

B.磁共振成像

核磁共振7是有用的医学成像现象。它涉及施加非常强的直流（直流或0Hz）磁场（通常为1T至3T）以对准核自旋，然后用rf磁场扰乱该场以分析核的反应。不同的频率导致不同的同位素共振，并且在收集响应信号的同时改变施加的场参数允许进行测试对象的图像。MRI的危险主要在于所涉及的非常强的直流电场，这可能导致磁敏感物体（如压缩气体的金属气瓶）以巨大的力量快速移动[16]。

C.高压输电线路

EMF（主要是磁场）的极低频（ELF），特别是50Hz或60Hz的实用频率已被引起关注，因为它们涉及与儿童期白血病相关的流行病学研究。进一步的调查使这些说法似乎不合理。已经进行了许多动物实验室研究，寻找ELF EMF与癌症生产或促进之间的联系，而没有成功的链接。仍然没有已知的这种效果的机制。然而，国际癌症研究机构（IARC）将ELF磁场列为2B类可能的人类致癌物质，以及咖啡和腌制蔬菜[17]。

D.电子文件监控

有几种非接触式方法用作零售商店的商店威慑。在磁带库中使用的磁性系统使用一小块容易饱和的磁性材料，工作在极低频率至超低频（ELF-ULF）范围。射频系统通常通过检测标签的高频（HF）共振来工作。与WPT设备最相关（在工作频率方面）是声磁系统。这在非常低的频率到低频（VLFLF）范围内工作，并且使用由其磁致伸缩产生的信号（由其暴露于检测器场而产生的机械运动）来检测标签。Sensormatic广泛使用的UltramaxTM检测系统周期性地脉冲58kHz场，在开放区域达到高达175μT的强度[18]。这些系统已经在许多领先的零售商使用了超过25年。没有发生与这种广泛的LF技术相关的任何安全问题或医疗器械问题的事件[19]。此外，Sensormatic的技术已经由佐治亚理工大学研究所实验室测试了一系列幻影测试文章心脏起搏器，并被发现没有造成伤害[20]。

五 人类接触标准

已经制定了各种标准和指导方针，以限制由于EMF暴露引起的潜在不利影响。这些标准有一个专门的术语来讨论暴露水平。最大允许暴露（MPE）是指适当安全系数低于危险阈值的人类暴露场的最大可接受值。特异性吸收率（SAR）是对给定质量的身体组织中沉积的功能量的量度。SAR通常被认为是与热效应有关的8，而MPE则是基于其他的电刺激效应。

A. 规制史

在美国，1969年的“国家环境政策法案”要求所有联邦机构考虑其政策的环境影响。这意味着，联邦通信委员会（FCC）将对生成EMF的设备进行许可，需要评估其潜在的影响。人类的暴露和安全是一个这样的考虑。两个组织，国家辐射防护与测量委员会（NCRP）和电气和电子工程师学会（IEEE）为1985年以来已经制定的FCC指导方针提出了建议。这些指南已经重新审查并根据需要进行了修订 根据1996年“电讯法”。FCC的一份2013年报告包括一项关于这些rf暴露限值是否需要进一步重新评估的调查通知。目前的FCC建议大体上符合NCRP第86号报告和IEEE / ANSI C95.1-1992。这可以在47 CFR§1.1310（2013）中找到。

B.标准

1）ANSI：美国国家标准学会（ANSI）是一家在美国制定自愿共识标准的私营非营利组织。C95.1标准的第一个版本于1966年11月批准，被称为ANSI C95.1-1966。它覆盖10 MHz至100 GHz，受限于10 mW / cm2。随后的修订版，ANSI C95.1-1982，包括基于SAR的限制，并将频率范围提高到300 kHz至100 GHz。文献综述发现，生物效应与SAR相比，优于入射功率密度[21]。1988年，C95委员会成为IEEE SCC-28，但标准保留了旧号[22]。

2）IEEE：IEEE是由美国电气工程师协会和无线电工程师学会合并而成的1963年的专业协会。在起草IEEE C95.1-1992标准时，委员会还考虑了大鼠复杂任务行为中断的最低阈值。这相当于4W / kg的SAR值，加上安全系数为10的全身极限为0.4W / kg。为了比较，人的具体基础代谢率在1.5W / kg的范围内。中等程度的活动（以轻松的步调行走）产生体重≥4W/ kg的平均比功率，而强烈的活动（冲刺）可达到大于30W / kg的水平。1991年的标准还将覆盖的频率范围增加到3 kHz至300 GHz。它被C95.1-2005取代，在确定他们可以处理更高的领域而没有不利影响之后，增加了一个单独的（更高）的肢体阈值[23]。

图3 最新标准的图形比较（ICNIRP 2010 vs IEEE C95.1-2345 2014）。1区指的是“受限制”的环境，在这个环境中，人员接受了潜在危害方面的培训，并控制了进入。0区指“不受限制”的环境，与ICNIRP的“一般公众”指定类似。

最新和彻底的标准是IEEE C.95.1-2345-2014 [24]。尽管它是针对军人的，但是它与以前的标准（具有一些新的首字母缩写词和术语）相同，具有相同的MPE和SAR限制。它还包括合规测量和公共安全标志的指导。

3）NCRP：NCRP是由美国国会于1964年授予的非政府机构，为公众提供有关辐射防护的有用信息。NCRP第86号报告“射频电磁场的生物效应和暴露标准”于1986年出版，并对当时可用的相关文献进行了全面的综述。其建议与最近更新的ANSI / IEEE标准（借鉴于ANSI 1982）没有显着差异。

4）ICNIRP：国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）是1992年在德国特许的独立非营利组织。ICNIRP由来自学术界和政府的14位个人（大多是欧洲人）组成。委员会成员不得有任何行业协会。第一个ICNIRP指南（1998）[25]具有过度的减少因素，这导致其无法被欧洲联盟采用，但没有几个例外（对于MRI操作员和许多家用电器）。在1 Hz至100 kHz范围内的ICNIRP的2010年更新[26]仍然是非常保守的，监管机构的采用将需要重新设计几种常用技术。这些指南是有争议的，因为缺乏客观的科学过程而被批评[27] [28]。参见图3，用于最新标准的视觉比较。

六 概要

尽管它仍然是一个活跃的调查领域，但相当多的研究支持长期人类暴露于低水平的人造EMF不构成健康威胁的立场。若干咨询机构谨慎地制定标准，以确保合理的安全利润，同时适应现代社会的现实。随着无线技术的普及，人们对EMF暴露现象（基础科学，关注度和测试方法）的广泛沟通对于确保接受并顺利过渡到新的技术领域至关重要。我们建议政府和行业采用IEEE C.95标准，因为它为其暴露限制提供了严格和科学依据的基础。从健康和安全的角度来看，过分的限制是无意义的，并且破坏了公众对新兴技术的看法。

以上内容由刘伟翻译自Schrafel P C, Long B R, Miller J M, et al. The reality of safety concerns relative to WPT systems for automotive applications[J].，所有图片及部分文字属于原版权方，仅用于交流学习使用。

编辑：黄飞