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中國信通院專家發表電動汽車低頻磁場人體暴露安全性的研究綜述

2022-08-17 17:43:24

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來源·電氣技術隨著電動汽車在世界范圍內的普及,人體因暴露于電動汽車低頻磁場而引起的健康風險受到了廣泛關注。中國信息通信研究院智能終端硬件測試驗證北京市工程實驗室

來源·電氣技術

隨著電動汽車在世界范圍內的普及,人體因暴露于電動汽車低頻磁場而引起的健康風險受到了廣泛關注。中國信息通信研究院智能終端硬件測試驗證北京市工程實驗室的研究人員姜昊宇、張晨、巫彤寧,在2022年第7期《電氣技術》上撰文,綜述1995—2021年之間的電動汽車低頻磁場劑量學研究文獻,從工況、頻譜、空間分布和隨時間變化等方面分析電動汽車內部磁場的變化特點,包括對無線功率傳輸等新技術引起的磁場暴露的研究,并對研究結果進行初步的統計分析。

此外,本文結合常用的電磁場數值方法對不同人體模型內的劑量結果進行總結,在此基礎上,針對文獻中反映出的熱點問題,給出若干亟須解決的研究方向,以期為后續研究提供參考。

極簡新能源汽車充電站海報背景

近年來,全球溫室效應的加劇與化石能源的日漸枯竭逐漸成為制約傳統燃料汽車發展的瓶頸。相比于傳統汽車,電動汽車(electric vehicles, EV)可以通過減少城區等重要地區的廢氣排放而減輕局部污染。2020年10月,國務院印發《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》,提出到2025年,新能源汽車新車銷售量達到銷售總量20%的發展愿景。財政部等四部委進一步完善了2021年新能源汽車購置補貼標準,支持行業保持良好發展勢頭。

電動汽車依賴電能作為整車的動力來源,由于車內多種電力和電子設備分布緊湊,且車體具有一定的屏蔽性,導致車內的感生磁場(magnetic field, MF)分布復雜,乘車人與多種磁場源距離較近,不可避免地會暴露于這些磁場中。電動汽車磁場頻率通常小于100kHz,屬于低頻(low frequency, LF)范疇。

低頻磁場存在多種生物學效應,弱磁場、穩定磁場和交變磁場的組合會改變自由基的濃度。早在1979年,N. Wertheimer等人報告了居住在大型配電設施附近的兒童白血病發病率增高的現象,揭示了工頻電磁場與兒童癌癥存在一定關系。有研究指出,在大于0.4μT的極低頻磁場(extremely low frequency magnetic fields, ELF-MF)暴露下,兒童白血病患病風險增加了2倍。

此外,50~60Hz范圍內的極低頻場還可能引起觸電、電敏感并可能傷害組織。國際非電離輻射防護委員會(international commission on non-ionizing radiation protection, ICNIRP)基于電磁場造成的短時神經系統響應(包括對中樞神經與周圍神經系統的刺激、視網膜光幻視及對腦功能可能的影響)建立了1Hz~100kHz低頻電磁場的基本限值(以體內感生電場強度為基準),并采用數值模擬的方法,利用數字人體模型可以外推環境中的磁通密度等物理量,進而可針對這些物理量進行磁場暴露安全性的符合性評估。

隨著電動汽車的日益普及,國內外學者發表了一系列對于電動汽車低頻磁場暴露的研究結果。本文旨在總結中外關于電動汽車低頻磁場暴露的相關文獻,對這一特定暴露場景相關的測量和仿真等文獻進行綜述,獲得影響電動汽車內磁場分布的主要因素、車內的磁通密度、頻譜特點和估計人體內暴露劑量的方法,并給出本領域研究亟須解決的熱點問題。

1 文獻搜集、評估和統計方法

本文針對1995—2021年間發表的學術期刊論文和會議論文開展檢索(不包含學位論文),依據關鍵詞電動汽車-electric vehicle、磁場-magnetic field、電磁場-electromagnetic field、低頻-low frequency、暴露安全性-exposure safety、劑量學-dosimetry,共從參考數據庫(谷歌學術、中國知網)檢索出110篇文獻。利用標題與摘要評估內容的相關性并刪除重復研究及生物效應研究,再去除沒有經過專家評審(peer review)的文獻,最終保留其中34篇。為評估不同因素對車內磁場的影響,本文采用獨立樣本t檢驗對部分數據進行統計分析(顯著性閾值設為0.05)。

2 結果

2.1 不同種類電動汽車的磁通密度

電動汽車按照車載電源種類的不同可大致分為:純電池動力汽車(battery electric vehicle, BEV)、混合動力汽車(hybrid electric vehicle, HEV)及氫燃料電池汽車(fuel cell electric vehicle, FCEV)。2016— 2020年,全球共銷售905.8萬輛電動汽車,其中BEV、HEV和FCEV分別為614.5萬輛、288.0萬輛和3.2萬輛,占比分別為67.9%、31.8%和0.3%。

有學者采用2輛HEV、1輛BEV測量了不同工況(勻速、加速)下車內座椅處的磁通密度,采用獨立樣本t檢驗進行顯著性差異分析,得到p= 0.107>0.05。此外,還對分別采用BEV和HEV的4個研究提取不同座位加速時的磁通密度測量結果的平均值共42個(BEV 28個,HEV 14個),經過獨立樣本t檢驗得到p=0.06>0.05。BEV磁通密度均值為0.60μT,HEV磁通密度均值為0.78μT。結果表明,不同種類的電動汽車產生的車內磁場之間沒有顯著性差異。

2.2 不同車輛工況與車內位置的磁通密度差異

低頻磁場測量相關的研究通常采用IEC 61786—1標準或JASO TP 13002標準[15]等規定的測量方法,采用全向磁場探頭對不同工況(靜止/怠速、勻速行駛、變速行駛、充電狀態)下的指定位置(如不同座位的腳部、座椅、胸部、頭部)進行時域和頻域磁場信號的采集與分析。

在對不同工況的車輛磁場測量中發現,磁通密度與車輛行駛速度或者速度的時間梯度(加速度)相關。具體來說,隨著行駛速度提高,同一位置的磁通密度也會提高。同時,在制動和加速期間檢測到低頻磁場磁通密度顯著增加,作者根據相關文獻中報道的216個磁通密度平均值(加速102個,勻速114個),得到均值分別為0.61μT(加速)與0.26μT(勻速),加速過程的磁通密度顯著大于勻速行駛狀態(p<0.01。

多數報告顯示,腳部或其他靠近地板位置的磁通密度更大(腳部均值為1.16μT,p< 0.05)。然而在各個研究中,車內不同座位間的磁通密度并沒有呈現明確的分布差異。這可能與采用的電動汽車型號、電池位置、驅動方式等因素有關。

2.3 電動汽車車內頻譜

電動汽車行駛過程中,車內低頻磁場頻譜集中在2kHz以下,更高頻率的磁場磁通密度較小。車內磁場源眾多,頻譜變化很大。有研究比較了采用不同電動機技術的電動汽車磁場頻譜。在小于1Hz頻率范圍,由于牽引電流和感應磁化效應產生的磁場磁通密度可以達到數百μT,大多數磁場源(電動機、再生制動器等)的頻率在1Hz~1kHz之間,磁通密度在0.1~2μT之間。

林軍等測量了10輛不同工況電動汽車的后排座椅上的磁通密度,對加減速過程中頭部位置磁場進行頻譜繪制,結果發現,車內磁場頻譜集中在1kHz以下,絕大部分情況磁通密度小于1μT,且隨著電動汽車運動狀態的改變,磁場頻譜集中的頻率也有所改變。

2.4 部件引起的磁場水平變化

電池、電動機與逆變器的位置會影響電動汽車內產生的磁場分布。例如,電池位于前部的汽車中,在后座位置處測得的磁場更小,電池位置在后備箱或后座下方的汽車中,獲得了相反的結論。此外,車輛的驅動方式也會影響所產生的磁場水平。后驅車輛的電動機和逆變器位于后部,前驅車輛的情況則相反。結果表明,距離電動機與逆變器更近的座位會產生更高的磁場暴露。

除了電力驅動設備可能因電流感應產生磁場之外,行駛過程中產生的二次磁場也不容忽視,例如:受到地磁感應而磁化的鋼制輪胎產生的低頻磁場等。研究表明,徑向鋼帶輪胎產生的磁場會影響整車磁場的測量,運動過程中磁化的輪胎可能會產生100?T級的時變磁場,峰值在輪胎附近,而在靜止時該磁場可以忽略。車內靠近車輪和后座的位置,在10~200Hz頻域產生了數個μT級的磁場,頻率分量取決于旋轉速率。

有學者在加速(加速度為2.2m/s2)和勻速駕駛模式下,對前后座椅位置進行測量,發現磁化輪胎生成的磁場頻率通常低于20Hz,乘客座椅處的磁通密度可能超過2μT。

2.5 低頻磁場長期監測

當前大多數研究都對電動汽車短期內的低頻磁場分布進行了描述,很少有研究報道電動汽車長期的磁場暴露劑量。楊蕾等對電動汽車中實際磁場進行了長期監測,在兩年的時間內連續測量了三輛電動汽車內部的磁通密度。長期監測發現:磁通密度頻譜會隨著更換部件和輪轂而改變,而定期檢查或維護可以保證車內磁通密度值維持穩定。因此,定期(特別是在重大維修或事故之后)監測電動汽車中的極低頻磁場十分重要,可以保護乘客免受潛在的極低頻磁場影響。

2.6 充電過程的低頻磁場

當前電動汽車的充電方式可以分為直流有線充電與無線充電兩種。

主流無線電能傳輸(wireless power transmission, WPT)技術使用線圈電磁感應的方法,相比于有線充電更有可能使人體暴露于較高幅度的磁場中,該磁場相比于正常行駛過程中的磁場更大,更可能導致健康隱患,因此WPT過程的低頻磁場暴露受到更多研究者的關注。

有學者測量了某85kHz的WPT系統不同座位的頭部、胸部、座椅及腳部的低頻磁場,結果表明副駕駛腳部產生磁場極值在所有情況下均未超過ICNIRP 2010限值。無線充電過程中車內不同點位測量結果可以達到0.25μT,車外可以達到0.314μT,該值接近勻速行駛狀態下的磁通密度,但頻率更高。

2.7 數值模擬和人體劑量學研究

由于當前測量技術和測量設備外形尺寸的限制,測量方法只能在車內有限位置布點獲取磁場數值,無法反映車內磁場時間-空間分布全貌。研究中常采用電磁仿真方法來獲得電動汽車低頻磁場的總體分布情況。常用的電磁仿真數值計算方法包括時域有限差分(finite difference time domain, FDTD)法、有限元法(finite element method, FEM)和標量有限差分(scalar potential finite differential, SPFD)法等。

當前,數值模擬已經成為車輛研發設計中減少各類風險的重要參考依據。例如:有學者利用有限元法,采用鋼、鋁和纖維復合材料的三種底盤,仿真7.7kW、85kHz或150kHz的WPT系統的低頻磁場分布,證明電動汽車的金屬底盤可以起到磁場屏蔽作用,而采用纖維復合材料底盤則無法屏蔽磁場,可能會超過限值水平。

類似地,在陳琛等的仿真中也證實了這一點。采用合適的磁場屏蔽策略可以在不影響電動汽車性能的情況下有效地減少電動汽車內部的磁場暴露。加入屏蔽層與采取水平屏蔽可以有效減少WPT系統磁場暴露。使用高相對磁導率的鐵磁材料設置良好的磁屏蔽也是一種減小磁場暴露的有效方法。

P.C. Moreno-Torres與P. M. T. Concha等分別對電動汽車逆變器與蓄電池產生的磁場進行有限元仿真,發現采用鐵磁屏蔽外殼可使磁場值比沒有屏蔽的磁場值低兩倍,而改進后的鐵磁材料可以將磁場再降低25%。合理采用車體材料同樣是減少車內乘員磁場暴露的重要方法。

在仿真過程中加入人體模型,還可以得到比吸收率(specific absorption rate, SAR)、體內感生電場等現實測量中無法獲得的物理量,從體內劑量學計算方面進一步評估低頻磁場對人體的影響。

有學者建立了成年男性駕駛小型電動汽車的模型,使用FDTD方法仿真發現,電動汽車電纜輸入端附近的磁通密度達到限值的170倍,但在空氣中衰減明顯,當距離足夠遠時(20cm以上),不會超過參考水平。逯邁等以汽車動力電纜為激勵源,仿真了不同位置人體中樞神經系統中及周圍神經系統中的低頻電磁場分布,發現磁通密度的峰值位于頭皮,感應電流密度與感應電場的峰值均位于腦部,所有情況下感應場強度均不超過限值。

而在WPT系統的仿真研究中,盡管也并未超過限值標準,但感應電流密度、比吸收率等峰值出現在肺部、胃部、心臟等內臟位置,其中對肺部影響較為明顯。林軍等測量不同電動車的后排座椅上的磁通密度,以實測結果作為磁場源,利用SPFD算法計算成人與兒童模型感生電場。雖然幼兒可能暴露在較高的磁通密度下,但由于其特殊的物理尺寸,體內感生電場強度要遠遠低于成年人。

3 討論

基于熱效應與電刺激效應,很多國家和組織機構制訂了低頻磁場暴露限值標準,由于這些標準參考的研究和實驗條件存在差異,因此標準限值也存在一定差距。目前,國際上的兩個主流標準分別為:ICNIRP 導則(2020版和2010版)與IEEE C95.1標準(2019版)。我國生態環境部于2014年修訂發布了國標《電磁環境控制限值》(GB 8702— 2014),包含了低頻磁場的內容。上述三個標準在低頻磁場(1Hz~100kHz)的公眾參考限值對比如圖1所示。

圖1

文獻綜述結果表明,大部分研究得到的低頻磁場磁通密度低于更嚴苛的GB 8702—2014標準1~2個數量級。在常規的測量點位設計中,沒有發現超過限值的情況。但是從促進國內外技術交流和產品互認的角度來看,采用統一的標準無疑是更有利的,這是對于國內外標準化進程提出的重要課題。

由于當前對電動汽車內部磁場測量多采用環境電磁場監測的設備。例如,帶寬(低頻)磁場傳感器、全向探頭電磁場測量儀、RMS磁力計等,而很少有專門的車內磁場測量設備,測量設備選擇缺少統一的標準,針對行駛中的振動也很少有合理的探頭固定裝置,這都導致目前的測量結果差異較大。因此亟須建立統一和優化的電動汽車低頻磁場測量規范,如規定測量儀器的基本性能指標、測試流程,設計貼合電動汽車座椅的專用磁場探頭治具等。

測量與仿真是對車內低頻磁場的研究的兩個重要手段。由于電磁仿真中網格的剖分誤差、數字人體模型的精細程度限制及重建的車體模型與現實車輛的差異,仿真結果可能與場測結果有所不同。但是電磁仿真仍然可以作為研究的重要輔助手段,為研究提供更保守的磁場暴露評估結果,補充場測難以實現的最差暴露情況,幫助車輛設計者開展設計選型,如合理安排電力設備位置,為電纜等加裝屏蔽網、濾波器,適當采用鐵磁材料進行磁場屏蔽等,以有效減少車內低頻磁場對人體的影響。

隨著現代醫療水平的發展,植入式醫療設備已廣泛應用于臨床治療,在神經刺激、心臟起搏、器官功能替代等方面發揮了不可替代的作用。盡管大多數研究表明,電動汽車WPT系統的低頻磁場對人體是安全的,但仍需注意的是,體內植入醫療器械(特別是在包含導電部分植入物的周圍感生的電場渦流可能帶來更多的能量吸收)、發射與接收線圈失配、人體距WPT系統過近等情況很有可能導致更多的磁場暴露。

在實際設計WPT系統時,應充分考慮交流電磁場在空氣中的衰減,以及各種材料對于電磁場的屏蔽作用,設計合理的車體架構,控制WPT系統的功率,保證人體存在植入醫療器械情況下的安全性。

當前學界對于極低頻磁場的生物效應仍在積極探索中,其帶來的潛在生物效應風險應引起重視,需要充分考慮對人類尤其是嬰幼兒的影響,進行科學有效的生物電磁研究來明確其中的關系。未來的研究可以更多考慮長期暴露于低頻磁場的生物效應,成人、兒童、孕婦等由于解剖學特性的不同產生的磁場暴露差異等因素。

4 結論

本文綜述了1995—2021年間的電動汽車低頻磁場劑量學研究文獻,從工況、頻譜、空間分布和隨時間變化等方面分析了電動汽車內部磁場的變化特點,對結果進行了初步的統計分析,結合常用的電磁場數值方法對不同人體模型內的劑量結果進行了總結。在此基礎上,提出了可以通過磁場屏蔽、合理設計電力設備空間分布等方式有效減少人體在電動汽車低頻磁場下暴露劑量的建議,并根據當前電動汽車低頻磁場暴露研究特點,給出了若干亟須解決的研究方向,為之后的研究提供參考。

本文編自2022年第7期《電氣技術》,論文標題為“電動汽車低頻磁場人體暴露安全性研究”,作者為姜昊宇、張晨 等。本課題得到國家自然科學基金的支持。


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