純電動(dòng)汽車直流動(dòng)力電纜兒童電磁暴露安全評(píng)估*

董緒偉，逯 邁

（蘭州交通大學(xué)，光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

前言

隨著全球溫室效應(yīng)的加劇和石油資源的日益匱乏，以及傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境造成的巨大污染，近幾年在國家相關(guān)政策的大力扶植和推動(dòng)下，純電動(dòng)汽車憑借其綠色環(huán)保和零排放的特點(diǎn)，得到了廣泛認(rèn)可和迅速發(fā)展［1-2］。此外，隨著純電動(dòng)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(shí)間表，純電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)與之相關(guān)的一些技術(shù)問題也隨之出現(xiàn)。例如，在傳統(tǒng)燃油汽車上被忽略的電磁騷擾問題在純電動(dòng)汽車上顯得尤為突出。由于純電動(dòng)汽車不但具有汽車屬性還具有電氣屬性，相比傳統(tǒng)燃油汽車的弱電供電系統(tǒng)，純電動(dòng)汽車動(dòng)輒上百伏甚至近千伏的高壓，其工作電流也高達(dá)數(shù)十安甚至更高，由這些高壓大電流電氣裝置產(chǎn)生的強(qiáng)電磁輻射可能影響到車載電子設(shè)備的正常運(yùn)行，干擾周圍環(huán)境，甚至有可能對(duì)駕乘人員造成潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，純電動(dòng)汽車各項(xiàng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對(duì)純電動(dòng)汽車車內(nèi)電磁環(huán)境的研究也逐漸變?yōu)樵擃I(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)［3］中針對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器產(chǎn)生的無功功率和紋波電流形成的傳導(dǎo)性電磁干擾問題進(jìn)行了探討，采用理論分析和試驗(yàn)方法解決了該傳導(dǎo)性電磁干擾問題。文獻(xiàn)［4］中通過構(gòu)建電動(dòng)汽車充電樁電路模型，分析了電動(dòng)汽車充電樁充電過程中產(chǎn)生的EMI噪聲問題，并就噪聲產(chǎn)生原因及其傳輸路徑進(jìn)行了分析和研究。文獻(xiàn)［5］中就如何抑制和改善電動(dòng)汽車DC／DC變換器工作過程中產(chǎn)生的電磁干擾問題進(jìn)行了研究，使電動(dòng)汽車內(nèi)的電磁環(huán)境明顯改善。文獻(xiàn)［6］中針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組充放電環(huán)節(jié)中電池組的暫態(tài)過程及由此產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了研究和探討。文獻(xiàn)［7］中鑒于電動(dòng)汽車大功率驅(qū)動(dòng)部件產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾問題比傳統(tǒng)汽車存在更嚴(yán)重的安全隱患，仿真分析了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容問題。

由于純電動(dòng)汽車中存在大量大功率、大電流組件，使電動(dòng)汽車車廂內(nèi)變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜電磁環(huán)境，該電磁環(huán)境是否對(duì)駕乘人員的身體健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)這一問題的研究目前還鮮有報(bào)道。但是，有關(guān)電磁場(chǎng)對(duì)人體健康的影響研究可追溯到20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)專家Korobsova提出低頻電磁場(chǎng)可能對(duì)變電站職工的身體健康產(chǎn)生威脅［8］。文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］中探究了不同醫(yī)療設(shè)備在使用中對(duì)真實(shí)人體組織的電磁暴露水平。近年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者通過仿真手段，針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電電磁輻射對(duì)人體組織的影響進(jìn)行了研究［11］；也有學(xué)者就高速動(dòng)車組動(dòng)力電纜對(duì)車廂內(nèi)乘客的低頻電磁暴露水平進(jìn)行了仿真分析［12］。

就目前有關(guān)電動(dòng)汽車電磁環(huán)境研究的文獻(xiàn)來說，研究工作大多集中在電動(dòng)汽車內(nèi)設(shè)備與設(shè)備之間的電磁兼容問題，而對(duì)電動(dòng)汽車內(nèi)電磁環(huán)境與人體之間的相互作用，尤其是當(dāng)乘客為兒童時(shí)，車內(nèi)電磁環(huán)境對(duì)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(xué)是研究非電離輻射電磁場(chǎng)與生物系統(tǒng)不同層次相互作用規(guī)律及其應(yīng)用的交叉學(xué)科。由其衍生出來的生物電磁劑量學(xué)恰好能夠彌補(bǔ)流行病學(xué)調(diào)查和活體生物測(cè)量這兩種方法不能直觀、準(zhǔn)確描述活體生物組織內(nèi)電磁場(chǎng)分布的缺憾［13］。本文中基于電磁劑量學(xué)的基本思想，利用Comsol Multiphysics有限元軟件，以電動(dòng)汽車動(dòng)力電纜直流側(cè)母線為電磁暴露源，仿真分析了車廂內(nèi)兒童乘客位于不同乘坐位置時(shí)人體組織及頭部中樞神經(jīng)系統(tǒng)中磁場(chǎng)分布，并將仿真結(jié)果與國際非電離防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）提供的電磁暴露限值進(jìn)行對(duì)比，分析了電動(dòng)汽車動(dòng)力電纜直流側(cè)母線對(duì)兒童乘客電磁暴露的安全性。

1.1 車體模型與動(dòng)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(qiáng)化塑料和玻璃等材料構(gòu)成。一輛五座的電動(dòng)汽車車體模型如圖1所示，汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)控制單元主要位于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下方，動(dòng)力電池組大多安放在汽車底盤下，動(dòng)力電纜直流母線也是緊貼汽車底盤安裝［14］。該五座純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程為350 km左右，動(dòng)力蓄電池安全工作電壓范圍為300～400 V，最大工作電流高達(dá)150 A［15］。

圖1 電動(dòng)汽車概況圖

考慮到仿真計(jì)算過程中計(jì)算量與模型的空間尺寸和幾何復(fù)雜程度密切相關(guān)，結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算時(shí)間問題，為更高效地對(duì)所研究問題進(jìn)行求解分析，避免在有限元單元格剖分及計(jì)算中由于車體外殼過于復(fù)雜而造成計(jì)算機(jī)硬件資源的浪費(fèi)，建立了相應(yīng)的簡化車體電磁環(huán)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(fēng)窗玻璃和動(dòng)力電纜等部分。

圖2 電動(dòng)汽車簡化模型

電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)汽車在行駛過程中仍然伴隨著起動(dòng)、加速、勻速、制動(dòng)等環(huán)節(jié)。不同行駛階段流過動(dòng)力電纜的電流也不一樣。在本文中，假定電動(dòng)汽車以60 km／h的速度在市區(qū)道路上勻速行駛，此時(shí)汽車動(dòng)力電纜直流側(cè)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(guī)定的未成年人人體模型比例［16］，同時(shí)考慮到車廂高度建立車廂內(nèi)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(wǎng)格剖分模型

兒童人體模型和有限元網(wǎng)格剖分如圖3所示。在仿真過程中對(duì)于大腦的介電參數(shù)取腦脊液、腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)3種組織的平均值；軀干的介電參數(shù)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(dòng)力電纜直流母線上流過的電流為直流電，可以認(rèn)為動(dòng)力母線周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)為靜態(tài)磁場(chǎng)。對(duì)于靜態(tài)磁場(chǎng)數(shù)值求解問題，仍然滿足麥克斯韋方程組［20］：

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A／m；J為電流密度，A／m2；D為電通量密度，C／m2；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V／m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；ρ為電荷體密度，C／m3。

為了方便磁通密度的計(jì)算，引入磁勢(shì)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(shì)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(shù)值仿真軟件，由瑞典Comsol公司開發(fā)，適用于模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程，其高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)耦合分析能力可實(shí)現(xiàn)任意多物理場(chǎng)高度精確的數(shù)值仿真。本文中對(duì)電動(dòng)汽車車廂（五座）內(nèi)當(dāng)兒童乘坐于車內(nèi)不同乘坐位置時(shí)人體組織中的磁通密度進(jìn)行了仿真分析。在動(dòng)力電纜中加載直流電流作為激勵(lì)源，由此激勵(lì)源產(chǎn)生的場(chǎng)問題可以看作是準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)問題。因此，采用Comsol軟件的AC／DC模塊對(duì)此準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)問題進(jìn)行分析。整個(gè)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(wǎng)格剖分、求解器求解、后處理等環(huán)節(jié)計(jì)算出各位置兒童人體不同組織中的磁通密度值。計(jì)算中對(duì)人體模型、車體模型和動(dòng)力電纜等組成部分采用四面體網(wǎng)格單元進(jìn)行有限元剖分，共被剖分為400多萬個(gè)四面體單元。

2 仿真結(jié)果分析

對(duì)于復(fù)雜電磁環(huán)境下電磁暴露水平安全性問題，大多數(shù)國家均以國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為參照。ICNIRP早于2009年就制定了靜磁場(chǎng)職業(yè)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(dòng)汽車車廂內(nèi)電磁環(huán)境是一靜態(tài)電磁場(chǎng)問題，可參照ICNIRP規(guī)定的靜磁場(chǎng)暴露限值，具體規(guī)定如表1所示。

表1 ICNIRP靜磁場(chǎng)暴露限值T

通過仿真計(jì)算得出車廂內(nèi)磁場(chǎng)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(gè)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(jīng)系統(tǒng)的電磁暴露水平，重點(diǎn)分析不同乘坐位置時(shí)兒童人體及頭部中樞神經(jīng)系統(tǒng)中磁通密度的分布。

圖4 車廂內(nèi)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(dāng)人體離直流動(dòng)力電纜的距離變近時(shí)，人體組織中的磁通密度會(huì)逐漸變大。兒童乘坐于副駕位置和后排最左位置時(shí)，由于這兩個(gè)位置距離動(dòng)力電纜的距離一致，因此在這兩個(gè)位置兒童軀干部位受到的電磁暴露水平基本相當(dāng)，最大值為0.18～0.182μT，且主要集中在身體左側(cè)的腿、腳區(qū)域。當(dāng)兒童乘坐于后排中間的位置時(shí)，兒童身體受到的電磁暴露水平會(huì)略有增加，此時(shí)軀干中磁通密度的最大值上升至1.26μT。當(dāng)兒童位于后排最右的位置時(shí)，由于此時(shí)恰好位于動(dòng)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(nèi)電磁暴露水平的最大值相差幾十倍。但在這幾個(gè)乘坐位置，人體組織中磁通密度的最大值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)不同乘坐位置時(shí)頭部磁通密度的分布圖。由于兒童位于不同乘坐位置時(shí)，頭部距離動(dòng)力電纜相對(duì)較遠(yuǎn)，因此頭部的磁通密度值均小于對(duì)應(yīng)乘坐位置軀干磁通密度的最大值。當(dāng)兒童位于副駕位置時(shí)頭部表面（頭皮）最大磁通密度為0.078 2μT，與副駕位置距離動(dòng)力電纜對(duì)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(dòng)力電纜的距離變小，當(dāng)兒童乘坐位于后排中間位置時(shí)，頭皮中的磁通密度上升為0.136μT，而當(dāng)兒童乘坐于后排最右的位置也就是恰好位于動(dòng)力電纜正上方時(shí)，兒童頭皮中的磁通密度值達(dá)到最大，為0.144μT。通過對(duì)比，可以得出隨著兒童頭部距離動(dòng)力電纜的距離逐漸縮小，頭皮中的磁通密度值會(huì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但都遠(yuǎn)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(cè)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(cè)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(cè)下顎部附近，這充分說明磁通密度的分布與動(dòng)力電纜暴露源的空間位置有關(guān)。

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(jié)構(gòu)，為更好地分析人頭模型中樞神經(jīng)系統(tǒng)（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(gè)點(diǎn)，如圖13所示，并過這3個(gè)點(diǎn)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(biāo)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(dāng)兒童乘坐在車內(nèi)不同位置時(shí)，隨著距動(dòng)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(dāng)兒童位于副駕及后排最左的兩個(gè)位置時(shí)，由于此時(shí)距動(dòng)力電纜的距離近似相等，此時(shí)磁通密度的最大值都出現(xiàn)在頭皮上，約為0.078 2～0.078 8μT，從頭皮經(jīng)顱骨再到大腦組織磁通密度依次呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，由于B點(diǎn)所在平面中的腦組織距動(dòng)力電纜的距離比A點(diǎn)近，因此B點(diǎn)切面上腦組織中磁通密度值明顯大于A點(diǎn)的。隨著距動(dòng)力電纜的距離變小，兒童大腦中的磁通密度會(huì)逐步增加，在后排中間位置大腦中B點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)切面上轉(zhuǎn)為在A點(diǎn)切面上，此時(shí)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(shì)。但3層頭模型各組織中的最大磁通密度值都遠(yuǎn)小于ICNIRP推薦的公眾暴露限值0.4 T［21］。

對(duì)于文中所研究的純電動(dòng)汽車以最大速度勻速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力電纜中流過的驅(qū)動(dòng)電流為150 A［15］，此時(shí)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(qū)動(dòng)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(dāng)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電纜中電流最大時(shí)，各乘坐位置人體各部位磁通密度的最大值較低速（27 A）時(shí)明顯增大，為其對(duì)應(yīng)磁通密度最大值的5.5倍左右?？傊词乖摷冸妱?dòng)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(yuǎn)小于ICNIRP推薦的公眾暴露限值。

3 結(jié)論

采用有限元軟件Comsol Mutiphysics作為仿真分析平臺(tái)，以電動(dòng)汽車動(dòng)力電纜為輻射源，研究兒童乘坐于車廂內(nèi)不同乘坐位置時(shí)，人體組織尤其是頭部和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中磁通密度的分布。副駕和后排最左的乘坐位置距動(dòng)力電纜最遠(yuǎn)，兒童人體軀干和頭部中磁通密度值最??；當(dāng)兒童乘坐于后排最右的位置時(shí)，由于此時(shí)恰好位于動(dòng)力電纜正上方，此時(shí)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(dòng)力電纜的距離有直接關(guān)系。隨著乘坐位置遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜，對(duì)應(yīng)乘坐位上兒童人體組織中的磁通密度值會(huì)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。此外，動(dòng)力電纜對(duì)于不同乘坐位置兒童中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響也是隨著距動(dòng)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(dòng)力電纜的空間位置也有密切關(guān)系。

該電動(dòng)汽車車廂內(nèi)各位置兒童乘客受到的直流動(dòng)力電纜電磁暴露限值均遠(yuǎn)低于ICNIRP推薦的暴露限值，因此在該情況下直流動(dòng)力電纜產(chǎn)生的電磁暴露不會(huì)對(duì)兒童構(gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)。