电动汽车车内磁场强度曝露水平监测与分析

徐辉，王冠， 佟晶，李飞

(1.北京市核与辐射安全中心，北京 100089；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082)

0 前言

由于新能源汽车能降低大气污染，节省化石燃料，对人类和环境都非常有利[1]，因此促进了新能源汽车特别是电动汽车在中国的发展，并于2010年确定为中国七大战略性产业之一[2]。2021年电动汽车全国产销量为350万辆，同比增长1.6倍，2022年预计突破500万辆。但电动汽车在运行中产生的低频磁场可能对人体健康产生负面影响，因此越来越受到公众关注。电动汽车由高功率电子器件、转换器、开关器、高压动力线束和动力电池组等构成，车辆运行中会产生低频磁场；车内紧凑的空间使乘客与产生磁场设备间的距离较近；此外，据统计，公众在工作日平均驾驶车辆时间为1～2 h[3-4]。上述3个因素导致公众较长时间曝露于低频磁场环境中，因此需要对车内环境的低频磁场进行大量的监测，积累数据，总结不同电动汽车在行驶中乘车人曝露的低频磁场水平及主要的频率，并进行评价。

针对电动汽车车辆内外的人体电磁曝露，国际上相关机构和企业制定了相应的监测标准，比较成熟且已发布的包括日本汽车标准组织(JASO)的《关于汽车人体曝露的磁场检测方法》(TP—13002:2013)、国际电工委员会的《汽车环境中电子和电气设备相对于人体曝露场的测量程序 第1部分:低频磁场》(IEC 62764—1—2019)及中国的《车辆电磁场相对于人体曝露的测量方法》(GB/T 37130—2018),后者的磁场限值参考了国标《电磁环境控制限值》(GB 8702—2014)。这3个标准规定监测因子均为磁场强度。频率频段上，《TP—13002:2013》和《GB/T 37130—2018》均为10 Hz～400 kHz，而《IEC 62764—1—2019》为1 Hz～400 kHz；测试工况涵盖静止状态、匀速行驶和加减速行驶[5]。

Tell等[6]对7辆电动汽车进行了磁场强度监测，所有测值的均值为0.095 μT，其中2种行驶模式下的测值分别为0.059 和0.126 μT。Yang等[3]对3辆纯电动汽车进行了加速和匀速行驶时车内前、后座椅处磁场强度的测试，测试结果为0.17～1.57 μT，最大值出现在加速时前排座椅处。林军等[7]测量了10辆纯电动汽车在不同工况下后排座椅上的磁场强度，测试结果为0.015～2.609 μT，其中加速、减速、怠速和40 km/h匀速工况下的测值均值分别为0.121，0.516，0.189和0.582 μT，并发现运行时车内电磁波频率主要集中在1 000 Hz以下。电动汽车内电磁频谱复杂，不同的电动汽车内相同的部件产生的频率也会不同，Andrea等[8]在路测时发现，1#电动汽车的动力转向泵频率为0.5～1 kHz，而2#电动汽车为0.4 kHz。

现选取20辆市场主流品牌和车型的电动汽车，开展匀速、加减速等7种工况下，车内前后4个座椅、每个座椅4个点位的磁场强度测试，同时获取时域和频域数据。通过SPSS统计软件对数据进行单因素方差分析、相关性分析等，了解不同车辆、不同工况、车内不同位置处磁场强度的关联性和幅度值大小，并通过比较进行评价；同时通过频域数据了解行驶中车内电磁波的主要频率范围。

1 研究方法

1.1 监测设备

采用车内电磁辐射多探头测量系统，包括4个测量探头、数据集成转换器和读取设备。

(1)测量探头：LF-04型全向电磁场探头(北京森馥科技股份有限公司)，支持的频率范围为1 Hz～400 kHz；磁场强度量程为1 nT～10 mT，灵敏度为1 nT。现采用4个LF-04探头，固定在泡沫材料制成的装置中，同时布设于一个座椅的4个点位处，与数据集成转换器间用光纤连接(图1)。

图1 测量探头在座椅4个点位的布设

(2)数据集成转换器：将电场信号或磁场信号进行集成和数据接口转换。

(3)读取设备：用于将信号转换成所需格式信号，包括计算机(接收电场信号或磁场信号)、显示器(读取电场信号或磁场信号)、存储器(将测试完成后的数据导出并保存)。

1.2 监测条件

1.2.1 监测工况

选取7种电动汽车运行工况模式，包括匀速(20，40，60和80 km/h)、加速、减速和怠速。其中加速度通过LIS3LV02DL型加速传感器(瑞士意法半导体公司)进行监控，加速度为 2.5 m/s2。

在测量过程中，7个驾驶场景随机排序，以避免之前的操作给操作员造成的影响。时域和频域结果及变化通过硬件和软件途径实现，即测量磁场强度后，将一定时间内的测量数值进行缓存，并进行傅里叶变换，获得频谱数据。重点关注磁场强度幅度值最大的3个频点。

1.2.2 监测点位

监测点位在参考《GB/T 37130—2018》的基础上进行了简化。在每辆车内的4个座椅(主驾、副驾、后左、后右)从下往上设置4个点位(脚部、坐垫、背部和头部)。因此，每辆车在7种工况下，共计112个点位数据，20辆车共2 240个点位数据。

1.2.3 监测路段

用于测试的道路长度分别为1.5 km(城市普通道路)、5 km(城市快速路)和12 km(高速道路)。3条道路平直，测试时交通流量相对较低(测试过程中每秒通过0.2辆机动车)。实验环境湿度为45%～75%，温度为10～25 ℃。道路沿线没有高压架空线路。

1.2.4 监测因子

时域测试1 Hz～400 kHz的综合磁场强度，同时获取磁场频谱数据。

1.2.5 监测时长

每辆车每个座椅(4个点位同时测)单次测试7种工况共60 s，包括4个匀速工况各6 s，加速、减速和怠速工况各12 s；数据记录间隔1 s。

1.2.6 质量保证

监测设备电性能指标满足《辐射环境保护管理导则 电磁辐射监测仪器和方法》(HJ/T 10.2—1996)及《GBT 37130—2018》中对频率分辨率的要求，并进行了校准；对每个座椅(4个点位同时监测)每种工况进行5次重复监测后取平均值进行统计；监测时4个探头安装在特制的固定装置中，在车辆运行中保持数据读取的稳定性。

1.2.7 车辆样本

从市场占有率和销售排名考虑，选取了市场上主流品牌车企及车型的20辆电动汽车作为监测样本(样本量为20时具有统计学意义)，其中进口车3辆(1个车企)，国产车17辆(9个车企)。车辆的最大功率为33～493 kW，出厂时间为2017—2021年。在下述分析中，以序号1#—20#表示各测试车辆。

1.3 分析方法

以2 240个综合磁场强度为基础数据进行大数据统计分析和数值对比，目的是了解不同车型、工况、座椅、点位的磁场强度曝露水平的差异。

1.3.1 频谱分析方法

同时获取监测时域与频域数据，每个时刻的全频段频谱数据是1 Hz～400 kHz频段范围内每个频点对应的1个测值，频率间隔在1 000 Hz以下的频段为5 Hz，1 000 Hz以上的频段为200 Hz，共近7 500个频点测值。选取车内磁场强度总体水平处于平均水平的2#和8#车，工况和点位分别选取电磁环境影响最大的加速状态和脚部位置，分析运行时车内产生电磁辐射的主要频段并进行对标评价。

1.3.2 统计分析方法

SPSS软件主要用于统计学分析运算、数据挖掘、预测分析和决策支持等，利用SPSS软件进行单因素方差分析和相关性分析，以2 240个测值组成的数据组作为因变量，将不同的车型、工况、座椅、点位作为因子，然后分别对不同的因子进行单因素方差分析，当显著性水平p<0.05时，说明各组间有显著性差异。另外，对4种匀速工况与测值的关系进行了Spearman相关性分析，分析速度的提高与磁场强度的幅度大小是否相关。

1.3.3 数值分析方法

分别对不同车型、工况、座椅、点位的测试结果进行数值平均计算，如对不同车型进行比较时，将每辆车的7种工况下所有点位数据，即共112个数据取平均值后得到1个值，再进行比较。对不同工况、座椅、点位进行比较时采用类似的数据处理方式。

2 结果与分析

2.1 频谱结果

各频点散点分布见图2。

图2 各频点散点分布

由图2可见，尽管1 Hz～400 kHz频段范围内均有相应的测值，但是电磁能量主要集中在100 kHz 以下；从测值看，2辆车在1 Hz～100 kHz频段内的综合磁场强度分别为1.98和1.83 μT，分别占该频段综合磁场强度值2.29和2.11 μT的86.5%和87.0%。因此，可以认为电动汽车在行驶状态中车内主要频段为100 kHz以下。

各频点与《GB 8702—2014》限值的对比见图3。由图3可见，在高频段，2款车在80～100 kHz范围内均出现几个频点测值高于限值的情况：2#车在81.8，84.2和85.0 kHz处的测值均超出了限值0.02～0.11 μT；而8#车在86.6，92.6和98.6 kHz处的测值均超出了限值0.01～0.05 μT。由于《GB 8702—2014》中的限值是对应时长为6 min的均值，而上述数据是电动车加速12 s状态下的监测数据，因此频点测值只是在瞬间超出了限值。经分析，80～100 kHz主要为高压电驱动系统运行中产生的谐波频率，可以通过屏蔽、滤波、接地等措施改善。

图3 各频点与限值的对比

由于选取的是加速状态下脚部的频域数据，是最不利状态下的测值，个别频点的瞬时值略高于限值，对其他工况的其他点位进行监测，并无高于限值的情况发生。

2.2 统计结果

2.2.1 单因素方差分析结果

(1)工况因素有7个，经单因素方差分析，结果为F(6，2 233)=110.692，p=0<0.05，说明不同工况对电动汽车内磁场强度水平的影响具有统计学意义，即有明显差异。(2)点位因素有4个，经单因素方差分析，结果为F(3，2 236)=499.307，p=0<0.05，说明电动汽车内4个不同点位(脚部、坐垫、背部和头部)处磁场强度水平有明显差异。(3)座位因素有4个，经单因素方差分析，结果F(3，2 236)=1.254,p=0.288>0.05，说明电动汽车内4个不同座位(主驾、副驾、后左、后右)的磁场强度水平没有明显差异。(4)对20个车型的电动汽车进行单因素方差分析，结果为F(19，2 220)=6.032，p=0<0.05，说明不同车型在车内产生的磁场强度水平有显著差异。由于方差非齐性，对20辆电动汽车进行了Dunnett T3两两比较，发现4#车与14辆车的p值为0～0.035(<0.05)，即4#车与这14辆车产生的磁场强度水平有显著差异，而其他19辆车两两比较，p值均>0.05，表明这19辆不同车型的电动汽车产生的磁场强度水平没有明显差异。

2.2.2 相关性分析结果

将每辆车在各匀速状态下所有点位的磁场强度取算数平均值后的80个数据进行Spearman相关性分析，相关系数为0.684，说明车速与车内磁场强度水平呈正的强相关关系，即随着车速的增加，车内磁场曝露水平随之增强。因此，司机的驾驶习惯或路况对车内的电磁环境会产生影响。

2.2.3 数值分析结果

2.2.3.1 不同车型的磁场强度水平

20辆车车内磁场强度均值对比见图4。由图4可见，20辆车的测值为0.215～0.624 μT，均值为0.317 μT，其中4#车最大，达到平均值的2倍，与单因素方差分析及两两比较分析结果相符。从测值看，除4#车外，其他19辆车的磁场强度水平没有显著差异。

图4 20辆车车内磁场强度均值对比

2.2.3.2 不同工况下的磁场强度水平

20辆车所有工况的磁场强度对比见图5。由图5可见，每辆车的7种工况下，磁场强度水平大小排序规律一致，均为加速状态最大，怠速状态最小；4#车在每种工况下的磁场强度水平在所有车辆中均为最大。

图5 20辆车所有工况下的磁场强度对比

各工况下的磁场强度均值对比见图6。由图6可见，7种工况下的磁场强度值为0.110～0.622 μT，且总体水平较低。加、减速状态下测值最高，且非常接近；匀速状态下测值次之，且随着速度的增加，测值呈上升趋势；怠速状态下测值最低。

图6 各工况下的磁场强度均值对比

2.2.3.3 不同座位的磁场强度水平

20辆车车内各座位的磁场强度对比见图7。由图7可见，4#车各座椅测值相对于其他车辆最高。

图7 20辆车车内各座位的磁场强度对比

4个座位的磁场强度均值对比见图8。由图8可见，所有车辆各座位磁场强度均值为0.300～0.334 μT，磁场强度值非常接近，且总体水平较低。

图8 4个座位的磁场强度均值对比

2.2.3.4 不同点位的磁场强度水平

20辆车各点位的磁场强度平均值对比见图9，4个点位磁场强度均值对比见图10。由图9和图10可见，所有车辆各座位磁场强度均值为0.120～0.766 μT。所有车辆座椅脚部的磁场强度最大，坐垫、背部、头部随着垂直面位置的上升，磁场强度值逐渐减小，这是由于低频磁场源均位于车辆下方，因此产生的磁场自下而上递减。

图9 20辆车各点位的磁场强度平均值对比

图10 4个点位磁场强度均值对比

3 结论与建议

3.1 结论

对具有代表性的20辆纯电动汽车进行了7种工况，每种工况下4个座位，每个座位4个点位的磁场强度时域、频域的测试。测试结果和频谱分析表明：

(1)不同品牌、型号的电动汽车，行驶过程中车内产生的磁场强度总体水平不同，但处于同一个数量级；除个别车辆外，大部分车辆磁场强度没有显著差异。

(2)电动汽车运行时，车内产生的电磁辐射频段主要集中在100 kHz以下，与调研的文献资料结论有所不同；80～100 kHz主要为高压电驱动系统运行中产生的谐波频率，在12 s的加速过程中出现个别频点瞬间测值高于《GB 8702—2014》相应标准限值的现象。

(3)7种工况中，加、减速时车内磁场强度最高，怠速最低；匀速时随着速度提升，磁场强度随之增大。

(4)车内不同座椅曝露在近似的磁场强度环境中。

(5)从车内不同高度看，脚部受到的磁场强度最大，随着高度的增加，磁场强度呈下降趋势。

3.2 建议

3.2.1 简化监测方法

按照《GB/T 37130—2018》，需要多种工况下，监测多个座位，工作量较大。对于监测的车型建立数据库，类似车型由于部件结构相似，可根据文中分析结果简化以下监测内容：

(1)由于车内座位间磁场强度值非常接近，因此可以只监测副驾和后排1个座位。

(2)对于行驶工况，从规律看，可以简化为测试加速或减速、匀速60 km/h、怠速3种状态。

3.2.2 驾驶习惯建议

加、减速和高速行驶时容易导致较高的磁场强度值，因此建议驾驶人员养成良好的驾驶习惯[9]，在路况允许的情况下，尽量平稳驾车，不开快车；尽量不频繁换车道，以避免过多的加速、减速操作。