Comprehensive safety analysis of wireless charging for electric vehicles

Wireless power transfer (WPT) technology is transforming the charging of electric vehicles (EVs) by offering a convenient and efficient alternative to traditional wired methods. However, the electromagnetic fields (EMFs) generated by wireless power transfer systems generate safety concerns, particularly for individuals who have pacemakers implanted. In this thesis, the magnetic flux density encircling WPT systems is analyzed, and the safety criteria of ISO 14117 and ICNIRP 2010 are evaluated. This study used finite element analysis (FEA) simulations in Ansys Maxwell to examine several coil topologies and power levels (3.7 kW, 7.7 kW, 22 kW and 200 kW) to assess the distribution of magnetic flux density in the surrounding environment. Significant attention is directed toward the influence of coil alignment, coil geometry, and extreme offset conditions on evaluating their effects on EMF exposure. The findings suggest that while magnetic flux density decreases with distance, some designs and misalignments may exceed recommended exposure limits, possibly jeopardizing pacemaker users. This research verifies that wireless power transfer systems, when adequately shielded, typically adhere to ISO 14117 and ICNIRP 2010 safety criteria. Nevertheless, isolated areas adjacent to the charging plates may above allowable electromagnetic field exposure thresholds, presenting hazards for those with implantable medical devices. The findings underscore the necessity for accurate coil alignment, enhanced shielding, and comprehensive safety evaluations to reduce electromagnetic interference (EMI) while preserving the efficacy of wireless power transfer technology in electric vehicle charging.

La tecnologia di trasferimento di potenza wireless (WPT) sta trasformando la ricarica dei veicoli elettrici (EV), offrendo un’alternativa comoda ed efficiente ai metodi tradizionali cablati. Tuttavia, i campi elettromagnetici (EMF) generati dai sistemi WPT sollevano preoccupazioni per la sicurezza, in particolare per le persone con pacemaker impiantati. In questa tesi, viene analizzata la densità del flusso magnetico intorno ai sistemi WPT e vengono valutati i criteri di sicurezza definiti dalle normative ISO 14117 e ICNIRP 2010. Questo studio utilizza simulazioni di analisi agli elementi finiti (FEA) in Ansys Maxwell per esaminare diverse configurazioni di bobine e livelli di potenza (3.7 kW, 7.7 kW,22 kW e 200 kW) al fine di valutare la distribuzione della densità del flusso magnetico nell’ambiente circostante. Particolare attenzione è rivolta all’influenza dell’allineamento delle bobine, delle tecniche di schermatura e delle condizioni di disallineamento estremo, valutando il loro impatto sull’esposizione ai campi elettromagnetici. I risultati indicano che, sebbene la densità del flusso magnetico diminuisca con la distanza, alcune configurazioni e disallineamenti possono superare i limiti di esposizione raccomandati, potenzialmente mettendo a rischio gli utenti con pacemaker. Questa ricerca verifica che i sistemi di trasferimento di energia wireless, quando adeguatamente schermati, rispettano generalmente i criteri di sicurezza ISO 14117 e ICNIRP 2010. Tuttavia, aree isolate adiacenti alle piastre di ricarica possono superare le soglie consentite di esposizione ai campi elettromagnetici, presentando rischi per coloro che hanno dispositivi medici impiantabili. I risultati sottolineano la necessità di un accurato allineamento delle bobine, di una schermatura migliorata e di valutazioni di sicurezza complete per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI), mantenendo al contempo l’efficacia della tecnologia di trasferimento di energia wireless nella ricarica dei veicoli elettrici.