新能源電動(dòng)車輛電磁場相對于人體曝露影響因素的研究

摘 要：隨著新能源電動(dòng)汽車的普及，其電磁場對人體健康的影響成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。針對駕乘人員在新能源電動(dòng)車輛環(huán)境下的電磁干擾安全風(fēng)險(xiǎn)問題，該研究從車輛電磁騷擾的要求、車輛主要電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理和不同類型、不同工況的電磁場測試數(shù)據(jù)多方面進(jìn)行了分析。通過采集不同類型新能源電動(dòng)汽車的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)對比分析磁場防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)果顯示車輛的電磁輻射發(fā)射強(qiáng)度與電磁環(huán)境控制限值標(biāo)準(zhǔn)要求仍有較大裕量。

關(guān)鍵詞：新能源電動(dòng)汽車 電磁輻射

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的提升，電動(dòng)汽車潛在的電磁輻射對人體健康的影響也引起了廣泛關(guān)注。汽車的電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化已成為其主要趨勢。這些變革不僅改變了汽車的驅(qū)動(dòng)方式和功能，也深刻影響了汽車內(nèi)部的電磁環(huán)境。在傳統(tǒng)燃油汽車中，電磁干擾主要來源于點(diǎn)火系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及各種電子設(shè)備。而在新能源電動(dòng)汽車中，電磁輻射騷擾主要來源于電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)以及車載電器等部件。電池系統(tǒng)和電驅(qū)系統(tǒng)在充電和放電過程中產(chǎn)生的電流變化是電磁輻射的主要源頭。

1 車輛電磁輻射國內(nèi)外研究概述

1.1 車輛電磁輻射國外研究概述

國外對電磁輻射研究起步較早，國際上也制定了CISPR 12、CISPR 25、CISPR 36、ECE R10等車輛電磁兼容性測試標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)已被全球多個(gè)國家的技術(shù)法規(guī)納入和采用。從1998年起，國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）就發(fā)布了關(guān)于限制時(shí)變電場、磁場和電磁場曝露的導(dǎo)則，并在2020年進(jìn)行了更新。與此同時(shí)，2019年國際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了IEC 62764-1，主要內(nèi)容是對研究車輛環(huán)境中人體曝露于低頻磁場的測試技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范，為評估汽車產(chǎn)生的低頻磁場對人體健康的影響提供了推薦性的測量方法，特別適用于M1和N1類乘用車。2013年，日本汽車標(biāo)準(zhǔn)組織也發(fā)布了專門用于檢測汽車人體曝露的電磁場的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JASO TP-13002：2013 [3]。

1.2 車輛電磁輻射國內(nèi)研究概述

在汽車人身安全研究領(lǐng)域，中國處于初期發(fā)展階段，但很重視。中國已經(jīng)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)實(shí)際情況，對一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂和制定。2017年，中國發(fā)布了GB 34660—2017、GB/T 18387—2017兩項(xiàng)車輛強(qiáng)制性電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，目的是確保無線接收機(jī)等電子設(shè)備在車輛電磁波影響下能正常運(yùn)作。

在電磁輻射防護(hù)方面，1988年，中國生態(tài)環(huán)境部首次提出并發(fā)布GB 8702—1988《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》。2014年，對GB 8702進(jìn)行了修訂，形成了GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》，在對應(yīng)頻率，國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）在1998年和2010年發(fā)布的限值標(biāo)準(zhǔn)要高于此標(biāo)準(zhǔn)。2018年，GB/T 37130—2018《車輛電磁場相對于人體曝露的測量方法》發(fā)布，為車輛電磁輻射的科學(xué)測量提供了規(guī)范[1]。

本文結(jié)合 GB/T 37130—2018、 GB 8702—2014標(biāo)準(zhǔn)，對電動(dòng)車輛不同工況的不同位置進(jìn)行磁場測量研究。

2 電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理

2.1 車輛電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理

汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，汽車電子電氣設(shè)備的大量應(yīng)用，汽車電磁騷擾的特點(diǎn)變化較大。傳統(tǒng)車內(nèi)主要騷擾源主要為點(diǎn)火系統(tǒng)、電子電器設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，火花塞點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火線圈瞬間產(chǎn)生上萬伏的電壓，其電弧會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁騷擾；汽車發(fā)電機(jī)也是主要騷擾源之一，會(huì)產(chǎn)生異常電壓、過電壓現(xiàn)象和開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生火花放電騷擾；電源線的瞬變干擾也會(huì)耦合到其他控制線或者信號線中，形成對電子模塊產(chǎn)生不良影響的差模信號[4]。

電動(dòng)汽車相對于傳統(tǒng)汽車而言，其電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化集成度更高，在動(dòng)力結(jié)構(gòu)等都發(fā)生了重大改變，其主要部件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池包、能量管理系統(tǒng)及其他電子電器系統(tǒng)等，主要干擾源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC-DC 變換器，IGBT 開關(guān)器件等。高頻變壓器、功率開關(guān)和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，從而形成電磁輻射；IGBT開關(guān)器件在低頻上的諧波含量非常多，可能在車內(nèi)形成惡劣的電磁場環(huán)境[1]。

2.2 電磁干擾對人體的危害

關(guān)于電磁輻射對人體的影響，科學(xué)研究已經(jīng)持續(xù)多年，電磁場可以引起生物組織溫度上升，對于頻率低于100kHz的電磁場，可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)、機(jī)體免疫功能和血液系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和遺傳方面等產(chǎn)生不利的影響。例如，中樞神經(jīng)系統(tǒng)對電磁場的輻射作用較為敏感，多次作用有可能會(huì)出現(xiàn)頭痛頭暈、記憶力減退以及失眠多夢等癥狀。電磁場也可能會(huì)對機(jī)體免疫功能、血液系統(tǒng)造成危害，使患者機(jī)體抵抗力降低。此外，高強(qiáng)度的靜態(tài)電磁場還可能在運(yùn)動(dòng)時(shí)引起眩暈和惡心。通常，人體內(nèi)部的電磁場是平衡和有序的，但當(dāng)受到較強(qiáng)的外部電磁場干擾時(shí)，這種平衡可能會(huì)被打破，從而對人體造成潛在的傷害。當(dāng)電磁輻射強(qiáng)度超出人體承受范圍時(shí)，就構(gòu)成了電磁輻射污染，可能引發(fā)健康風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3 測評過程

3.1 測試范圍

測試車輛應(yīng)通過國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 34660—2017和GB/T 18387—2017中規(guī)定的發(fā)射試驗(yàn)項(xiàng)目。結(jié)合GB/T 37130—2018測試標(biāo)準(zhǔn)，參考GB 8702—2014限值要求，制定測試磁場強(qiáng)度為 10Hz400kHz 的頻率范圍。

3.2 測試設(shè)備的選用

在10Hz至400kHz的頻段，選擇了德國NADA公司的ELT-400磁場曝露級別測試儀，該儀器能夠覆蓋這一頻段的磁場測量需求。

3.3 測試位置點(diǎn)位及測試狀態(tài)

考慮到電動(dòng)車輛的電器布局、人員駕乘習(xí)慣及此次研究的目的，本次僅對重要區(qū)域進(jìn)行單點(diǎn)測試，測試區(qū)域應(yīng)被精確地定義為主駕駛位和左乘員位，這兩個(gè)位置是車輛中乘客最常接觸和停留的區(qū)域，此位置的測試更具有意義。測試點(diǎn)位的設(shè)置應(yīng)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指南，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。測試點(diǎn)位的布局應(yīng)考慮到人體的尺寸和坐姿，以確保測量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映駕駛員和乘客在實(shí)際使用車輛時(shí)可能受到的電磁輻射水平。測試點(diǎn)位的選取還應(yīng)考慮到車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備的布局，以確保能夠準(zhǔn)確地定位到電磁輻射的主要來源。因此測試布置點(diǎn)位在主駕駛員左腳貼近地板位置和左乘員位。

本次實(shí)驗(yàn)，選取車型較多，車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車輛分類僅按照驅(qū)動(dòng)形式分為單電機(jī)前置、單電機(jī)后置、雙電機(jī)前置后置。針對新能源電動(dòng)車輛速度采用恒定行駛速度的方式，測試車速分別為50km/h、80km/h和100km/h，車輛狀態(tài)。

3.4 測試

在本次研究中，選取了12輛當(dāng)前市場上流行的主流車輛，這些車輛涵蓋了多種驅(qū)動(dòng)技術(shù)和配置，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的全面性和代表性。我們將這些車輛分為三個(gè)主要類別，其中樣車1～樣車5為單電機(jī)前置，樣車6～樣車9為單電機(jī)后置，樣車10～樣車12為雙電機(jī)，前置加后置。以便更細(xì)致地分析和比較它們的性能。

測試時(shí)將車輛置于半電波暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)鼓上，分別在50km/h、80km/h、100km/h進(jìn)行測試，打開測試設(shè)備，設(shè)置為“最大值保持”模式，在車輛不同狀態(tài)、不同測試位置進(jìn)行測量。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在本次課題研究中，準(zhǔn)備了12輛當(dāng)前市場上流行的主流車輛，這些車輛涵蓋了多種驅(qū)動(dòng)技術(shù)和配置，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的全面性和代表性。我們將這些車輛分為三個(gè)主要類別，其中樣車1～樣車5為單電機(jī)前置，樣車6～樣車9為單電機(jī)后置，樣車10～樣車12為雙電機(jī)，前置加后置。以便更細(xì)致地分析和比較它們的性能。

測試結(jié)果分為兩種表現(xiàn)形式，一種實(shí)測值，一種為磁場強(qiáng)度與GB 8702—2014中的磁場限值裕量，裕量不小于0即視為滿足限值要求。同時(shí)對不同測試位置、不同類型車輛進(jìn)行比較分析。

4.1 測試位置的結(jié)果分析

通過對測試車輛的不同測試位置進(jìn)行分析，測量結(jié)果均滿足限值要求。圖1展示了測試車輛在不同速度和不同位置下測量得到的磁場最小裕量。圖2展示了測試車輛在不同速度和不同位置下測量得到的磁場最大值。從圖1和圖2可以看出純電動(dòng)車的最小裕量值和最大測試值均在主駕位，分別為20.7 dB和0.378μT。圖2中主駕測試位置測試值普遍高于左側(cè)乘員位置，人員在主駕測試位置的風(fēng)險(xiǎn)較高。

4.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量及不同位置結(jié)果分析

4.2.1 單電機(jī)前置測試結(jié)果分析

樣車1～樣車5為單電機(jī)前置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在汽車前軸位置，距離主駕位較近。在車輛主駕位及左乘員位在50km/h、80km/h、100km/h的速度下進(jìn)行測試，并進(jìn)行比較分析，從圖4-3和圖4-4可見，主駕位的磁場裕量較小，主駕位的電磁場測量最大值明顯高于左乘員位，人體處在主駕位的電磁場風(fēng)險(xiǎn)要高于左乘員位。

4.2.2 單電機(jī)后置測試結(jié)果分析

樣車6～樣車9為單電機(jī)后置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在汽車后軸位置，距離左乘員位較近。在車輛主駕位及左乘員位在50km/h、80km/h、100km/h的速度下進(jìn)行測試，并進(jìn)行比較分析，從圖和圖6可見，左乘員位的磁場裕量較小，左乘員位的電磁場測量最大值明顯大量高于主駕位，人體處在左乘員位的電磁場風(fēng)險(xiǎn)要高于主駕位。

4.2.3 雙電機(jī)前置加后置測試結(jié)果分析

樣車10～樣車12為雙電機(jī)前置加后置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別安裝在汽車前軸和后軸位置。在車輛主駕位及左乘員位在50km/h、80km/h、100km/h的速度下進(jìn)行測試，并進(jìn)行比較分析，從圖7和圖8可見，主駕位的磁場裕量較小，主駕位的電磁場測量最大值明顯大量高于左乘員位，人體處在主駕位的電磁場風(fēng)險(xiǎn)要高于主駕位。

5 結(jié)果分析總結(jié)

通過對測試結(jié)果進(jìn)行深入分析，從測得的數(shù)據(jù)來看，12輛樣車的測試結(jié)果與車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)布局、電子電器布局有很大關(guān)系，當(dāng)車輛裝配單電機(jī)時(shí)，靠近驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置磁場強(qiáng)度較高；當(dāng)車輛前后軸均配備電機(jī)時(shí)，電機(jī)附近電子電器系統(tǒng)較為集中的位置磁場強(qiáng)度較高。

通過實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，三種驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置分布不同的電動(dòng)車輛的磁場強(qiáng)度均低于GB 8702—2014標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的限制值，并且在這些限制值之下還有相當(dāng)大的安全余量。這表明，這些電動(dòng)車輛在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度對車內(nèi)的駕駛員和乘客構(gòu)成的健康風(fēng)險(xiǎn)可能性較低。此次研究只對純電動(dòng)乘用車的磁場強(qiáng)度進(jìn)行了初步的探索，針對更多種類車型，車內(nèi)復(fù)雜配置等變量導(dǎo)致的影響的研究還未開展。

在下一步的工作中，將擴(kuò)展研究范圍，涵蓋市場上不同品牌和型號的新能源電動(dòng)車輛，探查在不同工況，不同模式下主要關(guān)鍵零部件影響因素，以獲得更全面的電磁場曝露數(shù)據(jù)，以識別潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)差異。為制定符合我國國情的車輛環(huán)境下的電磁干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支撐，更好的保障車內(nèi)乘員的生命安全。

參考文獻(xiàn)：

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