純電動汽車直流動力電纜兒童電磁暴露安全評估*

董緒偉，逯 邁

（蘭州交通大學，光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州 730070）

前言

隨著全球溫室效應的加劇和石油資源的日益匱乏，以及傳統燃油汽車尾氣排放對環境造成的巨大污染，近幾年在國家相關政策的大力扶植和推動下，純電動汽車憑借其綠色環保和零排放的特點，得到了廣泛認可和迅速發展［1-2］。此外，隨著純電動汽車銷量的與日俱增，世界各國也紛紛制定了燃油汽車退出時間表，純電動汽車行業蓬勃發展的同時與之相關的一些技術問題也隨之出現。例如，在傳統燃油汽車上被忽略的電磁騷擾問題在純電動汽車上顯得尤為突出。由于純電動汽車不但具有汽車屬性還具有電氣屬性，相比傳統燃油汽車的弱電供電系統，純電動汽車動輒上百伏甚至近千伏的高壓，其工作電流也高達數十安甚至更高，由這些高壓大電流電氣裝置產生的強電磁輻射可能影響到車載電子設備的正常運行，干擾周圍環境，甚至有可能對駕乘人員造成潛在的安全風險。

近年來，純電動汽車各項技術得到了飛速的發展，對純電動汽車車內電磁環境的研究也逐漸變為該領域研究的熱點問題之一。文獻［3］中針對電動汽車電機控制器產生的無功功率和紋波電流形成的傳導性電磁干擾問題進行了探討，采用理論分析和試驗方法解決了該傳導性電磁干擾問題。文獻［4］中通過構建電動汽車充電樁電路模型，分析了電動汽車充電樁充電過程中產生的EMI噪聲問題，并就噪聲產生原因及其傳輸路徑進行了分析和研究。文獻［5］中就如何抑制和改善電動汽車DC／DC變換器工作過程中產生的電磁干擾問題進行了研究，使電動汽車內的電磁環境明顯改善。文獻［6］中針對電動汽車動力電池組充放電環節中電池組的暫態過程及由此產生的電磁場分布情況進行了研究和探討。文獻［7］中鑒于電動汽車大功率驅動部件產生的強電磁干擾問題比傳統汽車存在更嚴重的安全隱患，仿真分析了電動汽車驅動系統的電磁兼容問題。

由于純電動汽車中存在大量大功率、大電流組件，使電動汽車車廂內變為一個復雜電磁環境，該電磁環境是否對駕乘人員的身體健康具有潛在風險，針對這一問題的研究目前還鮮有報道。但是，有關電磁場對人體健康的影響研究可追溯到20世紀70年代，蘇聯專家Korobsova提出低頻電磁場可能對變電站職工的身體健康產生威脅［8］。文獻［9］和文獻［10］中探究了不同醫療設備在使用中對真實人體組織的電磁暴露水平。近年來，國內相關學者通過仿真手段，針對電動汽車無線充電電磁輻射對人體組織的影響進行了研究［11］；也有學者就高速動車組動力電纜對車廂內乘客的低頻電磁暴露水平進行了仿真分析［12］。

就目前有關電動汽車電磁環境研究的文獻來說，研究工作大多集中在電動汽車內設備與設備之間的電磁兼容問題，而對電動汽車內電磁環境與人體之間的相互作用，尤其是當乘客為兒童時，車內電磁環境對兒童乘客影響的研究還鮮有開展。

1 仿真模型建立與原理方法

生物電磁學是研究非電離輻射電磁場與生物系統不同層次相互作用規律及其應用的交叉學科。由其衍生出來的生物電磁劑量學恰好能夠彌補流行病學調查和活體生物測量這兩種方法不能直觀、準確描述活體生物組織內電磁場分布的缺憾［13］。本文中基于電磁劑量學的基本思想，利用Comsol Multiphysics有限元軟件，以電動汽車動力電纜直流側母線為電磁暴露源，仿真分析了車廂內兒童乘客位于不同乘坐位置時人體組織及頭部中樞神經系統中磁場分布，并將仿真結果與國際非電離防護委員會（ICNIRP）提供的電磁暴露限值進行對比，分析了電動汽車動力電纜直流側母線對兒童乘客電磁暴露的安全性。

1.1 車體模型與動力電纜模型的建立

車體外殼材料絕大部分由鋼板、鋁合金、碳纖維、強化塑料和玻璃等材料構成。一輛五座的電動汽車車體模型如圖1所示，汽車的驅動電機等驅動控制單元主要位于汽車發動機蓋下方，動力電池組大多安放在汽車底盤下，動力電纜直流母線也是緊貼汽車底盤安裝［14］。該五座純電動汽車的續駛里程為350 km左右，動力蓄電池安全工作電壓范圍為300～400 V，最大工作電流高達150 A［15］。

圖1 電動汽車概況圖

考慮到仿真計算過程中計算量與模型的空間尺寸和幾何復雜程度密切相關，結合計算機硬件和計算時間問題，為更高效地對所研究問題進行求解分析，避免在有限元單元格剖分及計算中由于車體外殼過于復雜而造成計算機硬件資源的浪費，建立了相應的簡化車體電磁環境仿真模型，如圖2所示。簡化的車體模型包括：汽車外殼殼體、風窗玻璃和動力電纜等部分。

圖2 電動汽車簡化模型

電動汽車動力電纜一般選用非屏蔽單芯電纜，電纜貼在汽車底盤并縱向穿過車廂底部布置。與所有汽車一樣，電動汽車在行駛過程中仍然伴隨著起動、加速、勻速、制動等環節。不同行駛階段流過動力電纜的電流也不一樣。在本文中，假定電動汽車以60 km／h的速度在市區道路上勻速行駛，此時汽車動力電纜直流側流過的電流為27 A［15］。

1.2 兒童人體模型建立

兒童人體三維建模中，人體模型按照GB／T 26158—2010中規定的未成年人人體模型比例［16］，同時考慮到車廂高度建立車廂內兒童坐姿人體模型，兒童坐姿總高度為765 mm。其中人頭為3層球模型，頭皮半徑為0.067 m，顱骨半徑為0.062 m，大腦半徑為0.058 m。

圖3 兒童人體模型和有限元網格剖分模型

兒童人體模型和有限元網格剖分如圖3所示。在仿真過程中對于大腦的介電參數取腦脊液、腦白質和腦灰質3種組織的平均值；軀干的介電參數取肌肉、血液、骨骼3種組織的平均值［17-19］。

1.3 有限元分析

由于動力電纜直流母線上流過的電流為直流電，可以認為動力母線周圍產生的磁場為靜態磁場。對于靜態磁場數值求解問題，仍然滿足麥克斯韋方程組［20］：

式中：H為磁場強度，A／m；J為電流密度，A／m2；D為電通量密度，C／m2；E為電場強度，V／m；B為磁感應強度，T；ρ為電荷體密度，C／m3。

為了方便磁通密度的計算，引入磁勢A，滿足下式：

為拉普拉斯算子。通過上式，采用有限元法求得磁勢A，即可求得空間磁通密度與人體磁通密度分布。

COMSOL Multiphysics是一款基于有限元法的大型數值仿真軟件，由瑞典Comsol公司開發，適用于模擬科學和工程領域的各種物理過程，其高效的計算性能和杰出的多場耦合分析能力可實現任意多物理場高度精確的數值仿真。本文中對電動汽車車廂（五座）內當兒童乘坐于車內不同乘坐位置時人體組織中的磁通密度進行了仿真分析。在動力電纜中加載直流電流作為激勵源，由此激勵源產生的場問題可以看作是準靜態場問題。因此，采用Comsol軟件的AC／DC模塊對此準靜態場問題進行分析。整個仿真過程通過模型建模，模型材料屬性定義、邊界條件給定、有限元網格剖分、求解器求解、后處理等環節計算出各位置兒童人體不同組織中的磁通密度值。計算中對人體模型、車體模型和動力電纜等組成部分采用四面體網格單元進行有限元剖分，共被剖分為400多萬個四面體單元。

2 仿真結果分析

對于復雜電磁環境下電磁暴露水平安全性問題，大多數國家均以國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）制定的相關標準作為參照。ICNIRP早于2009年就制定了靜磁場職業暴露限值及公眾電磁暴露限值推薦值［21］。本文中研究的電動汽車車廂內電磁環境是一靜態電磁場問題，可參照ICNIRP規定的靜磁場暴露限值，具體規定如表1所示。

表1 ICNIRP靜磁場暴露限值T

通過仿真計算得出車廂內磁場的分布情況，如圖4所示。帶箭頭的線段表示磁力線的分布。從圖中可以看出，磁力線是分布在整個車廂并包圍著乘客和駕駛員。為了更好地分析兒童乘客人體組織及中樞神經系統的電磁暴露水平，重點分析不同乘坐位置時兒童人體及頭部中樞神經系統中磁通密度的分布。

圖4 車廂內磁力線分布情況

2.1 不同乘坐位置兒童人體磁通密度分布

圖5 兒童位于副駕位置人體磁通密度分布

圖6 兒童位于后排最左位置人體磁通密度分布

圖7 兒童位于后排中間位置人體磁通密度分布

圖8 兒童位于后排最右位置人體磁通密度分布

圖5～圖8所示為不同乘坐位置兒童人體磁通密度分布。從圖中可以看出，人體組織磁通密度最大的部位都集中位于腿和腳。但隨著乘坐位置的變化，當人體離直流動力電纜的距離變近時，人體組織中的磁通密度會逐漸變大。兒童乘坐于副駕位置和后排最左位置時，由于這兩個位置距離動力電纜的距離一致，因此在這兩個位置兒童軀干部位受到的電磁暴露水平基本相當，最大值為0.18～0.182μT，且主要集中在身體左側的腿、腳區域。當兒童乘坐于后排中間的位置時，兒童身體受到的電磁暴露水平會略有增加，此時軀干中磁通密度的最大值上升至1.26μT。當兒童位于后排最右的位置時，由于此時恰好位于動力電纜的正上方，人體組織的電磁暴露水平最高，軀干中磁通密度的最大值為17.8μT，且最大值仍然主要集中在小腿下方部位。從以上分析可以看出，不同乘坐位置兒童人體內電磁暴露水平的最大值相差幾十倍。但在這幾個乘坐位置，人體組織中磁通密度的最大值均遠遠小于ICNIRP標準推薦的公眾暴露限值0.4 T［21］。

2.2 不同乘坐位置兒童頭部磁通密度分布

圖9～圖12為兒童位于車內不同乘坐位置時頭部磁通密度的分布圖。由于兒童位于不同乘坐位置時，頭部距離動力電纜相對較遠，因此頭部的磁通密度值均小于對應乘坐位置軀干磁通密度的最大值。當兒童位于副駕位置時頭部表面（頭皮）最大磁通密度為0.078 2μT，與副駕位置距離動力電纜對等的后排最左乘坐位置頭皮中的最大磁通密度為0.078 9μT，隨著距動力電纜的距離變小，當兒童乘坐位于后排中間位置時，頭皮中的磁通密度上升為0.136μT，而當兒童乘坐于后排最右的位置也就是恰好位于動力電纜正上方時，兒童頭皮中的磁通密度值達到最大，為0.144μT。通過對比，可以得出隨著兒童頭部距離動力電纜的距離逐漸縮小，頭皮中的磁通密度值會呈現上升趨勢，但都遠小于ICNIRP推薦的公眾暴露限值0.4 T［21］。

圖9 兒童位于副駕位置頭部磁通密度分布

圖10 兒童位于后排最左位置頭部磁通密度分布

此外，由圖可以看出，副駕位置與后排最左位置兒童頭部的磁通密度最大值位于頭部右側面頰附近，后排中間位置人體頭部磁通密度的最大值較后排最左位置磁通密度最大值的位置下移，主要集中在左側下顎部附近，而后排最右位置人體頭部磁通密度的最大值位于頭部右側下顎部附近，這充分說明磁通密度的分布與動力電纜暴露源的空間位置有關。

圖11 兒童位于后排中間位置頭部磁通密度分布

圖12 兒童位于后排最右位置頭部磁通密度分布

2.3 不同乘坐位置兒童頭部切面磁通密度分布

由于人頭模型采用3層頭模型結構，為更好地分析人頭模型中樞神經系統（腦組織）中磁通密度的分布情況，選取兒童乘客頭部O（0，0，0），A（-45 mm，0，0）和B（45 mm，0，0）這3個點，如圖13所示，并過這3個點做平行于yoz面的切面，切面上的磁通密度值分別如圖14～圖17所示。

圖13 兒童頭模型切面坐標圖

圖14 兒童位于副駕位置頭部各切面磁通密度分布

圖15 兒童位于后排最左位置頭部各切面磁通密度分布

圖16 兒童位于后排中間位置頭部各切面磁通密度分布

圖17 兒童位于后排最右位置頭部各切面磁通密度分布

從圖14～圖17可以看出，當兒童乘坐在車內不同位置時，隨著距動力電纜的距離不同，磁通密度在腦組織中的分布情況也有所不同。當兒童位于副駕及后排最左的兩個位置時，由于此時距動力電纜的距離近似相等，此時磁通密度的最大值都出現在頭皮上，約為0.078 2～0.078 8μT，從頭皮經顱骨再到大腦組織磁通密度依次呈現遞減的趨勢，由于B點所在平面中的腦組織距動力電纜的距離比A點近，因此B點切面上腦組織中磁通密度值明顯大于A點的。隨著距動力電纜的距離變小，兒童大腦中的磁通密度會逐步增加，在后排中間位置大腦中B點切面上的磁通密度的最大值約為0.13μT，而在后排最右位置，由于動力電纜位置的原因，兒童大腦中磁通密度最大值由之前在B點切面上轉為在A點切面上，此時腦組織中磁通密度的最大值約為0.14μT。就人體3層頭模型的角度來說，從不同位置頭部切面磁通密度分布可以看出，從頭皮、顱骨至大腦，磁通密度值依次呈遞減的趨勢。但3層頭模型各組織中的最大磁通密度值都遠小于ICNIRP推薦的公眾暴露限值0.4 T［21］。

對于文中所研究的純電動汽車以最大速度勻速運行時，動力電纜中流過的驅動電流為150 A［15］，此時兒童乘客人體典型組織磁通密度值如表2所示。

表2 最大驅動電流下不同乘坐位置兒童人體各部位磁通密度最大值比較 mT

從表2可以看出，當純電動汽車動力電纜中電流最大時，各乘坐位置人體各部位磁通密度的最大值較低速（27 A）時明顯增大，為其對應磁通密度最大值的5.5倍左右。總之，即使該純電動汽車在最大電流勻速行駛的情況下，兒童人體模型各組織中的最大磁通密度值都遠小于ICNIRP推薦的公眾暴露限值。

3 結論

采用有限元軟件Comsol Mutiphysics作為仿真分析平臺，以電動汽車動力電纜為輻射源，研究兒童乘坐于車廂內不同乘坐位置時，人體組織尤其是頭部和中樞神經系統中磁通密度的分布。副駕和后排最左的乘坐位置距動力電纜最遠，兒童人體軀干和頭部中磁通密度值最小；當兒童乘坐于后排最右的位置時，由于此時恰好位于動力電纜正上方，此時兒童人體軀干和頭部中磁通密度較其它乘坐位置都大。因此兒童人體組織中磁通密度的分布與乘坐位置距動力電纜的距離有直接關系。隨著乘坐位置遠離動力電纜，對應乘坐位上兒童人體組織中的磁通密度值會呈現逐漸減小的趨勢。此外，動力電纜對于不同乘坐位置兒童中樞神經系統的影響也是隨著距動力電纜的距離增大而減小，兒童頭部組織的電磁暴露水平與動力電纜的空間位置也有密切關系。

該電動汽車車廂內各位置兒童乘客受到的直流動力電纜電磁暴露限值均遠低于ICNIRP推薦的暴露限值，因此在該情況下直流動力電纜產生的電磁暴露不會對兒童構成健康風險。