摘要 - 許多人認為無線電力傳輸（WPT）系統本身就是不安全的，因為它們產生時變磁場。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，并且在現代WPT車輛系統的情況下運行時，更多地是公共（或消費者）的感知挑戰而不是真正的健康風險。本文將根據生物電學科學來回顧已知的風險，提出由科學定義的理性限制，而不是誤解。將解釋IEEE C95.1標準與1998年和2010年ICNIRP指南之間的重要區別。同樣重要的是，將提供大量商業和工業感應能量設備的現實世界范例，并將其與目前正在運行的WPT系統進行比較。

一 引言

隨著無線技術變得越來越普遍，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用。本文概述了重要概念，潛在問題，監管環境和當前行業實踐，以便為讀者提供關于在?20 kHz的感應無線電力傳輸的健康和安全性的全面概述。盡管科學上無法證明絕對安全 任何事情的優勢證明，WPT對其用戶或普通大眾不構成威脅。

二 電磁學

有關物理學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。 關于這個問題的經典教科書[1] - [4]是規范的。

電費是物質的基本屬性。 帶電對象之間的相互作用是由電磁場（EMF）介導的。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，化學和生物現象負責。EMF可以被認為是由于電荷的移動（也稱為電流）而導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）的導體產生反應性和輻射場。

反應場1在“近場”制度中占主導地位，并且負責電容和電感耦合效應。反應場存儲不會丟失或輻射到周圍環境中的電磁能。當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2是能量可以通過反應場發射的唯一已知過程。活動場強度相對較快地遠離距離。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。輻射場不會像反應場一樣脫落，而是隨著它們離開光源而“散開”。這導致距離和場強之間有效的反平方關系。

在本文中，我們關注20 kHz附近的現象。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）國際電信聯盟（ITU）3頻帶。盡管感應式無線電力傳輸系統中絕大多數能量都在與輻射場相反的反應場中，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輻射的研究和標準應用于我們的反應場。然而，重要的是要注意，能量轉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 生物物理學和人類健康影響

人體使用電信號發送消息，感知環境和控制肌肉。 發射神經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聯。由于這些關系，神經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率及其對頻率的依賴性。

A.?熱效應

任何使用傳統微波爐的人都知道使用EMF進行加熱。這個過程是由快速的，反復的反轉的領域推動和拉動極性分子和導致局部加熱引起的。為了使該介質加熱有效地工作，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，熱效應難以檢測，并且與電刺激相比可以忽略不計。當在20 kHz的范圍內工作時，WPT設備不會引起可測量的熱效應。

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。國際電聯為工業，科學和醫療（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。 第二次世界大戰雷達運營商在運營發射機附近時，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。暴露導致發射器面臨的組織發生明顯的燒傷，也可能導致持續的神經系統問題[9]。

已知高水平的微波輻射引起白內障，因為眼睛的晶狀體含有熱敏感的發炎[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EMF的頻率，強度和波形的函數以及個體對刺激的敏感性而變化。沒有公開的證據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，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率（固體）和穿透深度（點）作為頻率的函數。在VLF波段（灰色虛線），波的穿透深度比感興趣的結構長許多倍，所以人體對這些EMF“光學”薄。這個數據是由Andreuccetti等人使用互聯網工具計算的[5]。

1）直接感覺：人類可以感受到電場強度低于幾千瓦/米的電力現場頻率（60Hz）。這可能是由于毛發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電流產生，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）經顱磁刺激：經顱磁刺激（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，癲癇發作。應注意，這些通量密度比WPT產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.醫療器械

在處理EMF暴露和維持生命的醫療設備（如起搏器和胰島素泵）時，必須格外小心。FDA提供有關醫療設備的電磁兼容性（EMC）的指導。這包括它們可能產生干擾場的數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備無線傳輸的信號和數據的安全性和完整性。

Momentum充電器的功率傳輸頻率遠低于大多數醫療設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險。

四 工業實踐

使用強大交流磁場的技術已經在工業中使用了將近100年。

A.?感應加熱烹飪

感應加熱廣泛用于熱處理，焊接和熔化金屬[12]。工業感應加熱器依靠導電工件中的磁感應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，大多數應用在450 kHz左右。用于冶煉的感應加熱器與爐相比是相當快速和有效的，并且可以加熱到幾兆瓦。感應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，在合適的烹飪容器中引起電流。這將直接加熱鍋，從而加熱其內容物。感應爐灶（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是有用的醫學成像現象。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。不同的頻率導致不同的同位素共振，并且在收集響應信號的同時改變施加的場參數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注，因為它們涉及與兒童期白血病相關的流行病學研究。進一步的調查使這些說法似乎不合理。已經進行了許多動物實驗室研究，尋找ELF EMF與癌癥生產或促進之間的聯系，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（IARC）將ELF磁場列為2B類可能的人類致癌物質，以及咖啡和腌制蔬菜[17]。

D.電子文件監控

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。射頻系統通常通過檢測標簽的高頻（HF）共振來工作。與WPT設備最相關（在工作頻率方面）是聲磁系統。這在非常低的頻率到低頻（VLFLF）范圍內工作，并且使用由其磁致伸縮產生的信號（由其暴露于檢測器場而產生的機械運動）來檢測標簽。Sensormatic廣泛使用的UltramaxTM檢測系統周期性地脈沖58kHz場，在開放區域達到高達175μT的強度[18]。這些系統已經在許多領先的零售商使用了超過25年。沒有發生與這種廣泛的LF技術相關的任何安全問題或醫療器械問題的事件[19]。此外，Sensormatic的技術已經由佐治亞理工大學研究所實驗室測試了一系列幻影測試文章心臟起搏器，并被發現沒有造成傷害[20]。

五 人類接觸標準

已經制定了各種標準和指導方針，以限制由于EMF暴露引起的潛在不利影響。這些標準有一個專門的術語來討論暴露水平。最大允許暴露（MPE）是指適當安全系數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有關的8，而MPE則是基于其他的電刺激效應。

A.?規制史

在美國，1969年的“國家環境政策法案”要求所有聯邦機構考慮其政策的環境影響。這意味著，聯邦通信委員會（FCC）將對生成EMF的設備進行許可，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會（IEEE）為1985年以來已經制定的FCC指導方針提出了建議。這些指南已經重新審查并根據需要進行了修訂 根據1996年“電訊法”。FCC的一份2013年報告包括一項關于這些rf暴露限值是否需要進一步重新評估的調查通知。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.標準

1）ANSI：美國國家標準學會（ANSI）是一家在美國制定自愿共識標準的私營非營利組織。C95.1標準的第一個版本于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。文獻綜述發現，生物效應與SAR相比，優于入射功率密度[21]。1988年，C95委員會成為IEEE SCC-28，但標準保留了舊號[22]。

2）IEEE：IEEE是由美國電氣工程師協會和無線電工程師學會合并而成的1963年的專業協會。在起草IEEE C95.1-1992標準時，委員會還考慮了大鼠復雜任務行為中斷的最低閾值。這相當于4W / kg的SAR值，加上安全系數為10的全身極限為0.4W / kg。為了比較，人的具體基礎代謝率在1.5W / kg的范圍內。中等程度的活動（以輕松的步調行走）產生體重≥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 最新標準的圖形比較（ICNIRP 2010 vs IEEE C95.1-2345 2014）。1區指的是“受限制”的環境，在這個環境中，人員接受了潛在危害方面的培訓，并控制了進入。0區指“不受限制”的環境，與ICNIRP的“一般公眾”指定類似。

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

3）NCRP：NCRP是由美國國會于1964年授予的非政府機構，為公眾提供有關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和暴露標準”于1986年出版，并對當時可用的相關文獻進行了全面的綜述。其建議與最近更新的ANSI / IEEE標準（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由來自學術界和政府的14位個人（大多是歐洲人）組成。委員會成員不得有任何行業協會。第一個ICNIRP指南（1998）[25]具有過度的減少因素，這導致其無法被歐洲聯盟采用，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范圍內的ICNIRP的2010年更新[26]仍然是非常保守的，監管機構的采用將需要重新設計幾種常用技術。這些指南是有爭議的，因為缺乏客觀的科學過程而被批評[27] [28]。參見圖3，用于最新標準的視覺比較。

六 概要

盡管它仍然是一個活躍的調查領域，但相當多的研究支持長期人類暴露于低水平的人造EMF不構成健康威脅的立場。若干咨詢機構謹慎地制定標準，以確保合理的安全利潤，同時適應現代社會的現實。隨著無線技術的普及，人們對EMF暴露現象（基礎科學，關注度和測試方法）的廣泛溝通對于確保接受并順利過渡到新的技術領域至關重要。我們建議政府和行業采用IEEE C.95標準，因為它為其暴露限制提供了嚴格和科學依據的基礎。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的看法。

以上內容由劉偉翻譯自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方，僅用于交流學習使用。

編輯：黃飛

?