无线电力传输系统的暴露评估
问题描述
无线车载充电器的示意图。
无线电力传输 (WPT) 是一项新兴技术，预计将在人类环境中无处不在，用于为电子或家用电器、医疗植入物甚至汽车充电。因此，所有 WPT 系统都必须按照规范公众和专业人员暴露于电磁场的准则进行操作，这一点很重要。
无线电力传输系统使用各种方法进行操作。它们可以根据受电设备与电源的距离进行分组。当距离很短时，无线充电器可以在 20 kHz 到 13.56 MHz 的频率范围内工作。为了将电力传输到更远的距离或能量收集器（例如，RFID 标签），使用了射频。在较低频率范围内，功率通过电容或电感耦合传输。后一种机制更常用于市售系统中，以谐振线圈的形式实现。
适用标准
关于人体暴露于射频电磁场的安全等级的 IEEE 标准 C95.1。
目前，没有用于评估 WPT 系统暴露和证明符合暴露指南的标准化程序。国际非电离辐射保护委员会 (ICNIRP 1998, ICNIRP 2010) 和电气和电子工程师协会 (IEEE C95.1) 发布了最广泛采用的关于限制人体暴露于电磁场的文件。它们包括基本限制，以防止较低频率范围（高达 5 或 10 MHz）的组织刺激和 100 kHz 以上频率的过度组织加热。由于许多 WPT 系统在 100 kHz 和 10 MHz 之间的频率下运行，因此必须同时应用两组基本限制。
方法
1. 单步程序
电磁辐射在靠近线圈的手中感应，用于无线电力传输。
在单步方法中，使用了典型的暴露场景。虚拟人口 (ViP) 人体模型放置在具有通过 POSER 工具获得的姿势的源旁边，以反映 WPT 系统预期用途的真实暴露条件。最坏情况分析（例如，依靠或接触系统）也可以直接进行。计算模型中的感应场随后被提取并针对基本限制进行分析。为了进行这种类型的分析，有必要使用全波技术，如有限差分时域 (FDTD)，由 P-EM-FDTD 求解器实现，它考虑了内部的组织分布人体及其对电源造成的负载。
如果 WPT 系统的频率很低，那么高性能计算（HPC）框架就是模拟加速的解决方案。然而，在这种情况下，值得检查是否满足准静态条件，以便使用相应的低频求解器 (P-EM-QS)，尽管当时不考虑物体与源的相互作用。
2.双步程序
坐在无线电力充电器附近的人的磁场和感应暴露。
双步法也忽略了人体对源的影响。然而，它允许减少计算时间。 WPT 系统产生的电磁场（在该过程的第一步中通过分析或数值计算）用于激发惠更斯源，进而对 ViP 模型内的剂量学量进行评估。这样，就不需要在时域中模拟谐振结构。
3.源建模的验证
无线充电配置（顶部）以及测量和模拟场的比较。
这里值得一提的是，对于这两个过程（单步和两步），验证 WPT 系统源的数值模型是否对应于物理设备非常重要。这可以通过在空气中和靠近源的实验测量以及在充满液体的模型中实现。所有必要的验证设备都可以从我们或我们的姊妹公司 SPEAG（Schmid and Partner Engineering AG）获得。
使用基于机器人的 DASY5，可以借助自由空间探头 H3DV8 在空气中测量实际 WPT 系统产生的磁场，并与源模型的 Sim4Life 计算结果进行比较。可以对由玻璃纤维增强乙烯基酯外壳制成的平面模型内的特定吸收率 (SAR) 分布进行类似的比较。模型可以填充 ZMT 生产的高导电性液体 (HCL)，该液体也用于 MRI 扫描仪内的医疗植入物安全评估。液体内部的 SAR 测量使用安装在 SPEAG 的 DASY5 系统上的校准探头 ET3DV6 进行，WPT 系统放置在距平面体模外表面不同距离处。源模型的验证再次通过比较测量的和 Sim4Life 计算的 SAR 分布来实现，例如，采用标准草案 IEC/IEEE 62704-1 中描述的程序。
4.电力传输的优化
复杂的配置和相关的评估和优化可以通过 Sim4Life 中的模拟来执行。
一个最佳的 WPT 系统允许在源和充电设备之间以最低的人体暴露量实现最大的功率传输。对于短程和中程系统，都可以使用通用线圈模型并计算谐振线圈之间的耦合效率（WPT 迄今为止最流行的技术）作为频率和距离的函数。将 ViP 模型放置在磁场内的真实场景中，可以为每个线圈设置计算感应电场和 SAR。然后，WPT 系统设计人员可以选择能够产生最高功率传输且符合暴露准则的配置。通过这种方式，可以在系统设计阶段减少上市时间和成本。
流程概覽
参考文献
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