電動汽車車內(nèi)磁場強(qiáng)度曝露水平監(jiān)測與分析

徐輝，王冠， 佟晶，李飛

(1.北京市核與輻射安全中心，北京 100089；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 前言

由于新能源汽車能降低大氣污染，節(jié)省化石燃料，對人類和環(huán)境都非常有利[1]，因此促進(jìn)了新能源汽車特別是電動汽車在中國的發(fā)展，并于2010年確定為中國七大戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一[2]。2021年電動汽車全國產(chǎn)銷量為350萬輛，同比增長1.6倍，2022年預(yù)計(jì)突破500萬輛。但電動汽車在運(yùn)行中產(chǎn)生的低頻磁場可能對人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，因此越來越受到公眾關(guān)注。電動汽車由高功率電子器件、轉(zhuǎn)換器、開關(guān)器、高壓動力線束和動力電池組等構(gòu)成，車輛運(yùn)行中會產(chǎn)生低頻磁場；車內(nèi)緊湊的空間使乘客與產(chǎn)生磁場設(shè)備間的距離較近；此外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，公眾在工作日平均駕駛車輛時間為1～2 h[3-4]。上述3個因素導(dǎo)致公眾較長時間曝露于低頻磁場環(huán)境中，因此需要對車內(nèi)環(huán)境的低頻磁場進(jìn)行大量的監(jiān)測，積累數(shù)據(jù)，總結(jié)不同電動汽車在行駛中乘車人曝露的低頻磁場水平及主要的頻率，并進(jìn)行評價。

針對電動汽車車輛內(nèi)外的人體電磁曝露，國際上相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)制定了相應(yīng)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，比較成熟且已發(fā)布的包括日本汽車標(biāo)準(zhǔn)組織(JASO)的《關(guān)于汽車人體曝露的磁場檢測方法》(TP—13002:2013)、國際電工委員會的《汽車環(huán)境中電子和電氣設(shè)備相對于人體曝露場的測量程序 第1部分:低頻磁場》(IEC 62764—1—2019)及中國的《車輛電磁場相對于人體曝露的測量方法》(GB/T 37130—2018),后者的磁場限值參考了國標(biāo)《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)。這3個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定監(jiān)測因子均為磁場強(qiáng)度。頻率頻段上，《TP—13002:2013》和《GB/T 37130—2018》均為10 Hz～400 kHz，而《IEC 62764—1—2019》為1 Hz～400 kHz；測試工況涵蓋靜止?fàn)顟B(tài)、勻速行駛和加減速行駛[5]。

Tell等[6]對7輛電動汽車進(jìn)行了磁場強(qiáng)度監(jiān)測，所有測值的均值為0.095 μT，其中2種行駛模式下的測值分別為0.059 和0.126 μT。Yang等[3]對3輛純電動汽車進(jìn)行了加速和勻速行駛時車內(nèi)前、后座椅處磁場強(qiáng)度的測試，測試結(jié)果為0.17～1.57 μT，最大值出現(xiàn)在加速時前排座椅處。林軍等[7]測量了10輛純電動汽車在不同工況下后排座椅上的磁場強(qiáng)度，測試結(jié)果為0.015～2.609 μT，其中加速、減速、怠速和40 km/h勻速工況下的測值均值分別為0.121，0.516，0.189和0.582 μT，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)行時車內(nèi)電磁波頻率主要集中在1 000 Hz以下。電動汽車內(nèi)電磁頻譜復(fù)雜，不同的電動汽車內(nèi)相同的部件產(chǎn)生的頻率也會不同，Andrea等[8]在路測時發(fā)現(xiàn)，1#電動汽車的動力轉(zhuǎn)向泵頻率為0.5～1 kHz，而2#電動汽車為0.4 kHz。

現(xiàn)選取20輛市場主流品牌和車型的電動汽車，開展勻速、加減速等7種工況下，車內(nèi)前后4個座椅、每個座椅4個點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度測試，同時獲取時域和頻域數(shù)據(jù)。通過SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析等，了解不同車輛、不同工況、車內(nèi)不同位置處磁場強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性和幅度值大小，并通過比較進(jìn)行評價；同時通過頻域數(shù)據(jù)了解行駛中車內(nèi)電磁波的主要頻率范圍。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測設(shè)備

采用車內(nèi)電磁輻射多探頭測量系統(tǒng)，包括4個測量探頭、數(shù)據(jù)集成轉(zhuǎn)換器和讀取設(shè)備。

(1)測量探頭：LF-04型全向電磁場探頭(北京森馥科技股份有限公司)，支持的頻率范圍為1 Hz～400 kHz；磁場強(qiáng)度量程為1 nT～10 mT，靈敏度為1 nT?，F(xiàn)采用4個LF-04探頭，固定在泡沫材料制成的裝置中，同時布設(shè)于一個座椅的4個點(diǎn)位處，與數(shù)據(jù)集成轉(zhuǎn)換器間用光纖連接(圖1)。

圖1 測量探頭在座椅4個點(diǎn)位的布設(shè)

(2)數(shù)據(jù)集成轉(zhuǎn)換器：將電場信號或磁場信號進(jìn)行集成和數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換。

(3)讀取設(shè)備：用于將信號轉(zhuǎn)換成所需格式信號，包括計(jì)算機(jī)(接收電場信號或磁場信號)、顯示器(讀取電場信號或磁場信號)、存儲器(將測試完成后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存)。

1.2 監(jiān)測條件

1.2.1 監(jiān)測工況

選取7種電動汽車運(yùn)行工況模式，包括勻速(20，40，60和80 km/h)、加速、減速和怠速。其中加速度通過LIS3LV02DL型加速傳感器(瑞士意法半導(dǎo)體公司)進(jìn)行監(jiān)控，加速度為 2.5 m/s2。

在測量過程中，7個駕駛場景隨機(jī)排序，以避免之前的操作給操作員造成的影響。時域和頻域結(jié)果及變化通過硬件和軟件途徑實(shí)現(xiàn)，即測量磁場強(qiáng)度后，將一定時間內(nèi)的測量數(shù)值進(jìn)行緩存，并進(jìn)行傅里葉變換，獲得頻譜數(shù)據(jù)。重點(diǎn)關(guān)注磁場強(qiáng)度幅度值最大的3個頻點(diǎn)。

1.2.2 監(jiān)測點(diǎn)位

監(jiān)測點(diǎn)位在參考《GB/T 37130—2018》的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化。在每輛車內(nèi)的4個座椅(主駕、副駕、后左、后右)從下往上設(shè)置4個點(diǎn)位(腳部、坐墊、背部和頭部)。因此，每輛車在7種工況下，共計(jì)112個點(diǎn)位數(shù)據(jù)，20輛車共2 240個點(diǎn)位數(shù)據(jù)。

1.2.3 監(jiān)測路段

用于測試的道路長度分別為1.5 km(城市普通道路)、5 km(城市快速路)和12 km(高速道路)。3條道路平直，測試時交通流量相對較低(測試過程中每秒通過0.2輛機(jī)動車)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境濕度為45%～75%，溫度為10～25 ℃。道路沿線沒有高壓架空線路。

1.2.4 監(jiān)測因子

時域測試1 Hz～400 kHz的綜合磁場強(qiáng)度，同時獲取磁場頻譜數(shù)據(jù)。

1.2.5 監(jiān)測時長

每輛車每個座椅(4個點(diǎn)位同時測)單次測試7種工況共60 s，包括4個勻速工況各6 s，加速、減速和怠速工況各12 s；數(shù)據(jù)記錄間隔1 s。

1.2.6 質(zhì)量保證

監(jiān)測設(shè)備電性能指標(biāo)滿足《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/T 10.2—1996)及《GBT 37130—2018》中對頻率分辨率的要求，并進(jìn)行了校準(zhǔn)；對每個座椅(4個點(diǎn)位同時監(jiān)測)每種工況進(jìn)行5次重復(fù)監(jiān)測后取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；監(jiān)測時4個探頭安裝在特制的固定裝置中，在車輛運(yùn)行中保持?jǐn)?shù)據(jù)讀取的穩(wěn)定性。

1.2.7 車輛樣本

從市場占有率和銷售排名考慮，選取了市場上主流品牌車企及車型的20輛電動汽車作為監(jiān)測樣本(樣本量為20時具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)，其中進(jìn)口車3輛(1個車企)，國產(chǎn)車17輛(9個車企)。車輛的最大功率為33～493 kW，出廠時間為2017—2021年。在下述分析中，以序號1#—20#表示各測試車輛。

1.3 分析方法

以2 240個綜合磁場強(qiáng)度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值對比，目的是了解不同車型、工況、座椅、點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度曝露水平的差異。

1.3.1 頻譜分析方法

同時獲取監(jiān)測時域與頻域數(shù)據(jù)，每個時刻的全頻段頻譜數(shù)據(jù)是1 Hz～400 kHz頻段范圍內(nèi)每個頻點(diǎn)對應(yīng)的1個測值，頻率間隔在1 000 Hz以下的頻段為5 Hz，1 000 Hz以上的頻段為200 Hz，共近7 500個頻點(diǎn)測值。選取車內(nèi)磁場強(qiáng)度總體水平處于平均水平的2#和8#車，工況和點(diǎn)位分別選取電磁環(huán)境影響最大的加速狀態(tài)和腳部位置，分析運(yùn)行時車內(nèi)產(chǎn)生電磁輻射的主要頻段并進(jìn)行對標(biāo)評價。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

SPSS軟件主要用于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析運(yùn)算、數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測分析和決策支持等，利用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，以2 240個測值組成的數(shù)據(jù)組作為因變量，將不同的車型、工況、座椅、點(diǎn)位作為因子，然后分別對不同的因子進(jìn)行單因素方差分析，當(dāng)顯著性水平p<0.05時，說明各組間有顯著性差異。另外，對4種勻速工況與測值的關(guān)系進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析，分析速度的提高與磁場強(qiáng)度的幅度大小是否相關(guān)。

1.3.3 數(shù)值分析方法

分別對不同車型、工況、座椅、點(diǎn)位的測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)值平均計(jì)算，如對不同車型進(jìn)行比較時，將每輛車的7種工況下所有點(diǎn)位數(shù)據(jù)，即共112個數(shù)據(jù)取平均值后得到1個值，再進(jìn)行比較。對不同工況、座椅、點(diǎn)位進(jìn)行比較時采用類似的數(shù)據(jù)處理方式。

2 結(jié)果與分析

2.1 頻譜結(jié)果

各頻點(diǎn)散點(diǎn)分布見圖2。

圖2 各頻點(diǎn)散點(diǎn)分布

由圖2可見，盡管1 Hz～400 kHz頻段范圍內(nèi)均有相應(yīng)的測值，但是電磁能量主要集中在100 kHz 以下；從測值看，2輛車在1 Hz～100 kHz頻段內(nèi)的綜合磁場強(qiáng)度分別為1.98和1.83 μT，分別占該頻段綜合磁場強(qiáng)度值2.29和2.11 μT的86.5%和87.0%。因此，可以認(rèn)為電動汽車在行駛狀態(tài)中車內(nèi)主要頻段為100 kHz以下。

各頻點(diǎn)與《GB 8702—2014》限值的對比見圖3。由圖3可見，在高頻段，2款車在80～100 kHz范圍內(nèi)均出現(xiàn)幾個頻點(diǎn)測值高于限值的情況：2#車在81.8，84.2和85.0 kHz處的測值均超出了限值0.02～0.11 μT；而8#車在86.6，92.6和98.6 kHz處的測值均超出了限值0.01～0.05 μT。由于《GB 8702—2014》中的限值是對應(yīng)時長為6 min的均值，而上述數(shù)據(jù)是電動車加速12 s狀態(tài)下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此頻點(diǎn)測值只是在瞬間超出了限值。經(jīng)分析，80～100 kHz主要為高壓電驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波頻率，可以通過屏蔽、濾波、接地等措施改善。

圖3 各頻點(diǎn)與限值的對比

由于選取的是加速狀態(tài)下腳部的頻域數(shù)據(jù)，是最不利狀態(tài)下的測值，個別頻點(diǎn)的瞬時值略高于限值，對其他工況的其他點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測，并無高于限值的情況發(fā)生。

2.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2.1 單因素方差分析結(jié)果

(1)工況因素有7個，經(jīng)單因素方差分析，結(jié)果為F(6，2 233)=110.692，p=0<0.05，說明不同工況對電動汽車內(nèi)磁場強(qiáng)度水平的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即有明顯差異。(2)點(diǎn)位因素有4個，經(jīng)單因素方差分析，結(jié)果為F(3，2 236)=499.307，p=0<0.05，說明電動汽車內(nèi)4個不同點(diǎn)位(腳部、坐墊、背部和頭部)處磁場強(qiáng)度水平有明顯差異。(3)座位因素有4個，經(jīng)單因素方差分析，結(jié)果F(3，2 236)=1.254,p=0.288>0.05，說明電動汽車內(nèi)4個不同座位(主駕、副駕、后左、后右)的磁場強(qiáng)度水平?jīng)]有明顯差異。(4)對20個車型的電動汽車進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果為F(19，2 220)=6.032，p=0<0.05，說明不同車型在車內(nèi)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度水平有顯著差異。由于方差非齊性，對20輛電動汽車進(jìn)行了Dunnett T3兩兩比較，發(fā)現(xiàn)4#車與14輛車的p值為0～0.035(<0.05)，即4#車與這14輛車產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度水平有顯著差異，而其他19輛車兩兩比較，p值均>0.05，表明這19輛不同車型的電動汽車產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度水平?jīng)]有明顯差異。

2.2.2 相關(guān)性分析結(jié)果

將每輛車在各勻速狀態(tài)下所有點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度取算數(shù)平均值后的80個數(shù)據(jù)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.684，說明車速與車內(nèi)磁場強(qiáng)度水平呈正的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，即隨著車速的增加，車內(nèi)磁場曝露水平隨之增強(qiáng)。因此，司機(jī)的駕駛習(xí)慣或路況對車內(nèi)的電磁環(huán)境會產(chǎn)生影響。

2.2.3 數(shù)值分析結(jié)果

2.2.3.1 不同車型的磁場強(qiáng)度水平

20輛車車內(nèi)磁場強(qiáng)度均值對比見圖4。由圖4可見，20輛車的測值為0.215～0.624 μT，均值為0.317 μT，其中4#車最大，達(dá)到平均值的2倍，與單因素方差分析及兩兩比較分析結(jié)果相符。從測值看，除4#車外，其他19輛車的磁場強(qiáng)度水平?jīng)]有顯著差異。

圖4 20輛車車內(nèi)磁場強(qiáng)度均值對比

2.2.3.2 不同工況下的磁場強(qiáng)度水平

20輛車所有工況的磁場強(qiáng)度對比見圖5。由圖5可見，每輛車的7種工況下，磁場強(qiáng)度水平大小排序規(guī)律一致，均為加速狀態(tài)最大，怠速狀態(tài)最??；4#車在每種工況下的磁場強(qiáng)度水平在所有車輛中均為最大。

圖5 20輛車所有工況下的磁場強(qiáng)度對比

各工況下的磁場強(qiáng)度均值對比見圖6。由圖6可見，7種工況下的磁場強(qiáng)度值為0.110～0.622 μT，且總體水平較低。加、減速狀態(tài)下測值最高，且非常接近；勻速狀態(tài)下測值次之，且隨著速度的增加，測值呈上升趨勢；怠速狀態(tài)下測值最低。

圖6 各工況下的磁場強(qiáng)度均值對比

2.2.3.3 不同座位的磁場強(qiáng)度水平

20輛車車內(nèi)各座位的磁場強(qiáng)度對比見圖7。由圖7可見，4#車各座椅測值相對于其他車輛最高。

圖7 20輛車車內(nèi)各座位的磁場強(qiáng)度對比

4個座位的磁場強(qiáng)度均值對比見圖8。由圖8可見，所有車輛各座位磁場強(qiáng)度均值為0.300～0.334 μT，磁場強(qiáng)度值非常接近，且總體水平較低。

圖8 4個座位的磁場強(qiáng)度均值對比

2.2.3.4 不同點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度水平

20輛車各點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度平均值對比見圖9，4個點(diǎn)位磁場強(qiáng)度均值對比見圖10。由圖9和圖10可見，所有車輛各座位磁場強(qiáng)度均值為0.120～0.766 μT。所有車輛座椅腳部的磁場強(qiáng)度最大，坐墊、背部、頭部隨著垂直面位置的上升，磁場強(qiáng)度值逐漸減小，這是由于低頻磁場源均位于車輛下方，因此產(chǎn)生的磁場自下而上遞減。

圖9 20輛車各點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度平均值對比

圖10 4個點(diǎn)位磁場強(qiáng)度均值對比

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

對具有代表性的20輛純電動汽車進(jìn)行了7種工況，每種工況下4個座位，每個座位4個點(diǎn)位的磁場強(qiáng)度時域、頻域的測試。測試結(jié)果和頻譜分析表明：

(1)不同品牌、型號的電動汽車，行駛過程中車內(nèi)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度總體水平不同，但處于同一個數(shù)量級；除個別車輛外，大部分車輛磁場強(qiáng)度沒有顯著差異。

(2)電動汽車運(yùn)行時，車內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射頻段主要集中在100 kHz以下，與調(diào)研的文獻(xiàn)資料結(jié)論有所不同；80～100 kHz主要為高壓電驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波頻率，在12 s的加速過程中出現(xiàn)個別頻點(diǎn)瞬間測值高于《GB 8702—2014》相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值的現(xiàn)象。

(3)7種工況中，加、減速時車內(nèi)磁場強(qiáng)度最高，怠速最低；勻速時隨著速度提升，磁場強(qiáng)度隨之增大。

(4)車內(nèi)不同座椅曝露在近似的磁場強(qiáng)度環(huán)境中。

(5)從車內(nèi)不同高度看，腳部受到的磁場強(qiáng)度最大，隨著高度的增加，磁場強(qiáng)度呈下降趨勢。

3.2 建議

3.2.1 簡化監(jiān)測方法

按照《GB/T 37130—2018》，需要多種工況下，監(jiān)測多個座位，工作量較大。對于監(jiān)測的車型建立數(shù)據(jù)庫，類似車型由于部件結(jié)構(gòu)相似，可根據(jù)文中分析結(jié)果簡化以下監(jiān)測內(nèi)容：

(1)由于車內(nèi)座位間磁場強(qiáng)度值非常接近，因此可以只監(jiān)測副駕和后排1個座位。

(2)對于行駛工況，從規(guī)律看，可以簡化為測試加速或減速、勻速60 km/h、怠速3種狀態(tài)。

3.2.2 駕駛習(xí)慣建議

加、減速和高速行駛時容易導(dǎo)致較高的磁場強(qiáng)度值，因此建議駕駛?cè)藛T養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣[9]，在路況允許的情況下，盡量平穩(wěn)駕車，不開快車；盡量不頻繁換車道，以避免過多的加速、減速操作。