纯电动汽车直流动力电缆儿童电磁暴露安全评估*

前言

随着全球温室效应的加剧和石油资源的日益匮乏，以及传统燃油汽车尾气排放对环境造成的巨大污染，近几年在国家相关政策的大力扶植和推动下，纯电动汽车凭借其绿色环保和零排放的特点，得到了广泛认可和迅速发展［1-2］。此外，随着纯电动汽车销量的与日俱增，世界各国也纷纷制定了燃油汽车退出时间表，纯电动汽车行业蓬勃发展的同时与之相关的一些技术问题也随之出现。例如，在传统燃油汽车上被忽略的电磁骚扰问题在纯电动汽车上显得尤为突出。由于纯电动汽车不但具有汽车属性还具有电气属性，相比传统燃油汽车的弱电供电系统，纯电动汽车动辄上百伏甚至近千伏的高压，其工作电流也高达数十安甚至更高，由这些高压大电流电气装置产生的强电磁辐射可能影响到车载电子设备的正常运行，干扰周围环境，甚至有可能对驾乘人员造成潜在的安全风险。

近年来，纯电动汽车各项技术得到了飞速的发展，对纯电动汽车车内电磁环境的研究也逐渐变为该领域研究的热点问题之一。文献［3］中针对电动汽车电机控制器产生的无功功率和纹波电流形成的传导性电磁干扰问题进行了探讨，采用理论分析和试验方法解决了该传导性电磁干扰问题。文献［4］中通过构建电动汽车充电桩电路模型，分析了电动汽车充电桩充电过程中产生的EMI噪声问题，并就噪声产生原因及其传输路径进行了分析和研究。文献［5］中就如何抑制和改善电动汽车DC／DC变换器工作过程中产生的电磁干扰问题进行了研究，使电动汽车内的电磁环境明显改善。文献［6］中针对电动汽车动力电池组充放电环节中电池组的暂态过程及由此产生的电磁场分布情况进行了研究和探讨。文献［7］中鉴于电动汽车大功率驱动部件产生的强电磁干扰问题比传统汽车存在更严重的安全隐患，仿真分析了电动汽车驱动系统的电磁兼容问题。

由于纯电动汽车中存在大量大功率、大电流组件，使电动汽车车厢内变为一个复杂电磁环境，该电磁环境是否对驾乘人员的身体健康具有潜在风险，针对这一问题的研究目前还鲜有报道。但是，有关电磁场对人体健康的影响研究可追溯到20世纪70年代，苏联专家Korobsova提出低频电磁场可能对变电站职工的身体健康产生威胁［8］。文献［9］和文献［10］中探究了不同医疗设备在使用中对真实人体组织的电磁暴露水平。近年来，国内相关学者通过仿真手段，针对电动汽车无线充电电磁辐射对人体组织的影响进行了研究［11］；也有学者就高速动车组动力电缆对车厢内乘客的低频电磁暴露水平进行了仿真分析［12］。

就目前有关电动汽车电磁环境研究的文献来说，研究工作大多集中在电动汽车内设备与设备之间的电磁兼容问题，而对电动汽车内电磁环境与人体之间的相互作用，尤其是当乘客为儿童时，车内电磁环境对儿童乘客影响的研究还鲜有开展。

1 仿真模型建立与原理方法

生物电磁学是研究非电离辐射电磁场与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的交叉学科。由其衍生出来的生物电磁剂量学恰好能够弥补流行病学调查和活体生物测量这两种方法不能直观、准确描述活体生物组织内电磁场分布的缺憾［13］。本文中基于电磁剂量学的基本思想，利用Comsol Multiphysics有限元软件，以电动汽车动力电缆直流侧母线为电磁暴露源，仿真分析了车厢内儿童乘客位于不同乘坐位置时人体组织及头部中枢神经系统中磁场分布，并将仿真结果与国际非电离防护委员会（ICNIRP）提供的电磁暴露限值进行对比，分析了电动汽车动力电缆直流侧母线对儿童乘客电磁暴露的安全性。

1.1 车体模型与动力电缆模型的建立

车体外壳材料绝大部分由钢板、铝合金、碳纤维、强化塑料和玻璃等材料构成。一辆五座的电动汽车车体模型如图1所示，汽车的驱动电机等驱动控制单元主要位于汽车发动机盖下方，动力电池组大多安放在汽车底盘下，动力电缆直流母线也是紧贴汽车底盘安装［14］。该五座纯电动汽车的续驶里程为350 km左右，动力蓄电池安全工作电压范围为300～400 V，最大工作电流高达150 A［15］。

图1 电动汽车概况图

考虑到仿真计算过程中计算量与模型的空间尺寸和几何复杂程度密切相关，结合计算机硬件和计算时间问题，为更高效地对所研究问题进行求解分析，避免在有限元单元格剖分及计算中由于车体外壳过于复杂而造成计算机硬件资源的浪费，建立了相应的简化车体电磁环境仿真模型，如图2所示。简化的车体模型包括：汽车外壳壳体、风窗玻璃和动力电缆等部分。

图2 电动汽车简化模型

电动汽车动力电缆一般选用非屏蔽单芯电缆，电缆贴在汽车底盘并纵向穿过车厢底部布置。与所有汽车一样，电动汽车在行驶过程中仍然伴随着起动、加速、匀速、制动等环节。不同行驶阶段流过动力电缆的电流也不一样。在本文中，假定电动汽车以60 km／h的速度在市区道路上匀速行驶，此时汽车动力电缆直流侧流过的电流为27 A［15］。

1.2 儿童人体模型建立

儿童人体三维建模中，人体模型按照GB／T 26158—2010中规定的未成年人人体模型比例［16］，同时考虑到车厢高度建立车厢内儿童坐姿人体模型，儿童坐姿总高度为765 mm。其中人头为3层球模型，头皮半径为0.067 m，颅骨半径为0.062 m，大脑半径为0.058 m。

图3 儿童人体模型和有限元网格剖分模型

儿童人体模型和有限元网格剖分如图3所示。在仿真过程中对于大脑的介电参数取脑脊液、脑白质和脑灰质3种组织的平均值；躯干的介电参数取肌肉、血液、骨骼3种组织的平均值［17-19］。

1.3 有限元分析

由于动力电缆直流母线上流过的电流为直流电，可以认为动力母线周围产生的磁场为静态磁场。对于静态磁场数值求解问题，仍然满足麦克斯韦方程组［20］：

式中：H为磁场强度，A／m；J为电流密度，A／m2；D为电通量密度，C／m2；E为电场强度，V／m；B为磁感应强度，T；ρ为电荷体密度，C／m3。

为了方便磁通密度的计算，引入磁势A，满足下式：

为拉普拉斯算子。通过上式，采用有限元法求得磁势A，即可求得空间磁通密度与人体磁通密度分布。

COMSOL Multiphysics是一款基于有限元法的大型数值仿真软件，由瑞典Comsol公司开发，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程，其高效的计算性能和杰出的多场耦合分析能力可实现任意多物理场高度精确的数值仿真。本文中对电动汽车车厢（五座）内当儿童乘坐于车内不同乘坐位置时人体组织中的磁通密度进行了仿真分析。在动力电缆中加载直流电流作为激励源，由此激励源产生的场问题可以看作是准静态场问题。因此，采用Comsol软件的AC／DC模块对此准静态场问题进行分析。整个仿真过程通过模型建模，模型材料属性定义、边界条件给定、有限元网格剖分、求解器求解、后处理等环节计算出各位置儿童人体不同组织中的磁通密度值。计算中对人体模型、车体模型和动力电缆等组成部分采用四面体网格单元进行有限元剖分，共被剖分为400多万个四面体单元。

2 仿真结果分析

对于复杂电磁环境下电磁暴露水平安全性问题，大多数国家均以国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）制定的相关标准作为参照。ICNIRP早于2009年就制定了静磁场职业暴露限值及公众电磁暴露限值推荐值［21］。本文中研究的电动汽车车厢内电磁环境是一静态电磁场问题，可参照ICNIRP规定的静磁场暴露限值，具体规定如表1所示。

表1 ICNIRP静磁场暴露限值T

通过仿真计算得出车厢内磁场的分布情况，如图4所示。带箭头的线段表示磁力线的分布。从图中可以看出，磁力线是分布在整个车厢并包围着乘客和驾驶员。为了更好地分析儿童乘客人体组织及中枢神经系统的电磁暴露水平，重点分析不同乘坐位置时儿童人体及头部中枢神经系统中磁通密度的分布。

图4 车厢内磁力线分布情况

2.1 不同乘坐位置儿童人体磁通密度分布

图5 儿童位于副驾位置人体磁通密度分布

图6 儿童位于后排最左位置人体磁通密度分布

图7 儿童位于后排中间位置人体磁通密度分布

图8 儿童位于后排最右位置人体磁通密度分布

图5～图8所示为不同乘坐位置儿童人体磁通密度分布。从图中可以看出，人体组织磁通密度最大的部位都集中位于腿和脚。但随着乘坐位置的变化，当人体离直流动力电缆的距离变近时，人体组织中的磁通密度会逐渐变大。儿童乘坐于副驾位置和后排最左位置时，由于这两个位置距离动力电缆的距离一致，因此在这两个位置儿童躯干部位受到的电磁暴露水平基本相当，最大值为0.18～0.182μT，且主要集中在身体左侧的腿、脚区域。当儿童乘坐于后排中间的位置时，儿童身体受到的电磁暴露水平会略有增加，此时躯干中磁通密度的最大值上升至1.26μT。当儿童位于后排最右的位置时，由于此时恰好位于动力电缆的正上方，人体组织的电磁暴露水平最高，躯干中磁通密度的最大值为17.8μT，且最大值仍然主要集中在小腿下方部位。从以上分析可以看出，不同乘坐位置儿童人体内电磁暴露水平的最大值相差几十倍。但在这几个乘坐位置，人体组织中磁通密度的最大值均远远小于ICNIRP标准推荐的公众暴露限值0.4 T［21］。

2.2 不同乘坐位置儿童头部磁通密度分布

图9～图12为儿童位于车内不同乘坐位置时头部磁通密度的分布图。由于儿童位于不同乘坐位置时，头部距离动力电缆相对较远，因此头部的磁通密度值均小于对应乘坐位置躯干磁通密度的最大值。当儿童位于副驾位置时头部表面（头皮）最大磁通密度为0.078 2μT，与副驾位置距离动力电缆对等的后排最左乘坐位置头皮中的最大磁通密度为0.078 9μT，随着距动力电缆的距离变小，当儿童乘坐位于后排中间位置时，头皮中的磁通密度上升为0.136μT，而当儿童乘坐于后排最右的位置也就是恰好位于动力电缆正上方时，儿童头皮中的磁通密度值达到最大，为0.144μT。通过对比，可以得出随着儿童头部距离动力电缆的距离逐渐缩小，头皮中的磁通密度值会呈现上升趋势，但都远小于ICNIRP推荐的公众暴露限值0.4 T［21］。

图9 儿童位于副驾位置头部磁通密度分布

图10 儿童位于后排最左位置头部磁通密度分布

此外，由图可以看出，副驾位置与后排最左位置儿童头部的磁通密度最大值位于头部右侧面颊附近，后排中间位置人体头部磁通密度的最大值较后排最左位置磁通密度最大值的位置下移，主要集中在左侧下颚部附近，而后排最右位置人体头部磁通密度的最大值位于头部右侧下颚部附近，这充分说明磁通密度的分布与动力电缆暴露源的空间位置有关。

图11 儿童位于后排中间位置头部磁通密度分布

图12 儿童位于后排最右位置头部磁通密度分布

2.3 不同乘坐位置儿童头部切面磁通密度分布

由于人头模型采用3层头模型结构，为更好地分析人头模型中枢神经系统（脑组织）中磁通密度的分布情况，选取儿童乘客头部O（0，0，0），A（-45 mm，0，0）和B（45 mm，0，0）这3个点，如图13所示，并过这3个点做平行于yoz面的切面，切面上的磁通密度值分别如图14～图17所示。

图13 儿童头模型切面坐标图

图14 儿童位于副驾位置头部各切面磁通密度分布

图15 儿童位于后排最左位置头部各切面磁通密度分布

图16 儿童位于后排中间位置头部各切面磁通密度分布

图17 儿童位于后排最右位置头部各切面磁通密度分布

从图14～图17可以看出，当儿童乘坐在车内不同位置时，随着距动力电缆的距离不同，磁通密度在脑组织中的分布情况也有所不同。当儿童位于副驾及后排最左的两个位置时，由于此时距动力电缆的距离近似相等，此时磁通密度的最大值都出现在头皮上，约为0.078 2～0.078 8μT，从头皮经颅骨再到大脑组织磁通密度依次呈现递减的趋势，由于B点所在平面中的脑组织距动力电缆的距离比A点近，因此B点切面上脑组织中磁通密度值明显大于A点的。随着距动力电缆的距离变小，儿童大脑中的磁通密度会逐步增加，在后排中间位置大脑中B点切面上的磁通密度的最大值约为0.13μT，而在后排最右位置，由于动力电缆位置的原因，儿童大脑中磁通密度最大值由之前在B点切面上转为在A点切面上，此时脑组织中磁通密度的最大值约为0.14μT。就人体3层头模型的角度来说，从不同位置头部切面磁通密度分布可以看出，从头皮、颅骨至大脑，磁通密度值依次呈递减的趋势。但3层头模型各组织中的最大磁通密度值都远小于ICNIRP推荐的公众暴露限值0.4 T［21］。

对于文中所研究的纯电动汽车以最大速度匀速运行时，动力电缆中流过的驱动电流为150 A［15］，此时儿童乘客人体典型组织磁通密度值如表2所示。

表2 最大驱动电流下不同乘坐位置儿童人体各部位磁通密度最大值比较 mT

机场没有太多人，又都是行色匆匆的。粒粒买了一瓶饮料和一本有自己摄影作品的杂志。一转身，就发现了程颐，手里拿着一张机票，愣愣地看着她。

3 结论

采用有限元软件Comsol Mutiphysics作为仿真分析平台，以电动汽车动力电缆为辐射源，研究儿童乘坐于车厢内不同乘坐位置时，人体组织尤其是头部和中枢神经系统中磁通密度的分布。副驾和后排最左的乘坐位置距动力电缆最远，儿童人体躯干和头部中磁通密度值最小；当儿童乘坐于后排最右的位置时，由于此时恰好位于动力电缆正上方，此时儿童人体躯干和头部中磁通密度较其它乘坐位置都大。因此儿童人体组织中磁通密度的分布与乘坐位置距动力电缆的距离有直接关系。随着乘坐位置远离动力电缆，对应乘坐位上儿童人体组织中的磁通密度值会呈现逐渐减小的趋势。此外，动力电缆对于不同乘坐位置儿童中枢神经系统的影响也是随着距动力电缆的距离增大而减小，儿童头部组织的电磁暴露水平与动力电缆的空间位置也有密切关系。

该电动汽车车厢内各位置儿童乘客受到的直流动力电缆电磁暴露限值均远低于ICNIRP推荐的暴露限值，因此在该情况下直流动力电缆产生的电磁暴露不会对儿童构成健康风险。