中国信通院专家发表电动汽车低频磁场人体暴露安全性的研究综述

　　随着电动汽车在世界范围内的普及，人体因暴露于电动汽车低频磁场而引起的健康风险受到了广泛关注。中国信息通信研究院智能终端硬件测试验证北京市工程实验室的研究人员姜昊宇、张晨、巫彤宁，在2022年第7期《电气技术》上撰文，综述1995—2021年之间的电动汽车低频磁场剂量学研究文献，从工况、频谱、空间分布和随时间变化等方面分析电动汽车内部磁场的变化特点，包括对无线功率传输等新技术引起的磁场暴露的研究，并对研究结果进行初步的统计分析。
　　此外，本文结合常用的电磁场数值方法对不同人体模型内的剂量结果进行总结，在此基础上，针对文献中反映出的热点问题，给出若干亟须解决的研究方向，以期为后续研究提供参考。
　　极简新能源汽车充电站海报背景
　　近年来，全球温室效应的加剧与化石能源的日渐枯竭逐渐成为制约传统燃料汽车发展的瓶颈。相比于传统汽车，电动汽车（electric vehicles, EV）可以通过减少城区等重要地区的废气排放而减轻局部污染。2020年10月，国务院印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，提出到2025年，新能源汽车新车销售量达到销售总量20%的发展愿景。财政部等四部委进一步完善了2021年新能源汽车购置补贴标准，支持行业保持良好发展势头。
　　电动汽车依赖电能作为整车的动力来源，由于车内多种电力和电子设备分布紧凑，且车体具有一定的屏蔽性，导致车内的感生磁场（magnetic field, MF）分布复杂，乘车人与多种磁场源距离较近，不可避免地会暴露于这些磁场中。电动汽车磁场频率通常小于100kHz，属于低频（low frequency, LF）范畴。
　　低频磁场存在多种生物学效应，弱磁场、稳定磁场和交变磁场的组合会改变自由基的浓度。早在1979年，N. Wertheimer等人报告了居住在大型配电设施附近的儿童白血病发病率增高的现象，揭示了工频电磁场与儿童癌症存在一定关系。有研究指出，在大于0.4μT的极低频磁场（extremely low frequency magnetic fields, ELF-MF）暴露下，儿童白血病患病风险增加了2倍。
　　此外，50 60Hz范围内的极低频场还可能引起触电、电敏感并可能伤害组织。国际非电离辐射防护委员会（international commission on non-ionizing radiation protection, ICNIRP）基于电磁场造成的短时神经系统响应（包括对中枢神经与周围神经系统的刺激、视网膜光幻视及对脑功能可能的影响）建立了1Hz 100kHz低频电磁场的基本限值（以体内感生电场强度为基准），并采用数值模拟的方法，利用数字人体模型可以外推环境中的磁通密度等物理量，进而可针对这些物理量进行磁场暴露安全性的符合性评估。
　　随着电动汽车的日益普及，国内外学者发表了一系列对于电动汽车低频磁场暴露的研究结果。本文旨在总结中外关于电动汽车低频磁场暴露的相关文献，对这一特定暴露场景相关的测量和仿真等文献进行综述，获得影响电动汽车内磁场分布的主要因素、车内的磁通密度、频谱特点和估计人体内暴露剂量的方法，并给出本领域研究亟须解决的热点问题。1 文献搜集、评估和统计方法
　　本文针对1995—2021年间发表的学术期刊论文和会议论文开展检索（不包含学位论文），依据关键词电动汽车-electric vehicle、磁场-magnetic field、电磁场-electromagnetic field、低频-low frequency、暴露安全性-exposure safety、剂量学-dosimetry，共从参考数据库（谷歌学术、中国知网）检索出110篇文献。利用标题与摘要评估内容的相关性并删除重复研究及生物效应研究，再去除没有经过专家评审（peer review）的文献，最终保留其中34篇。为评估不同因素对车内磁场的影响，本文采用独立样本t检验对部分数据进行统计分析（显著性阈值设为0.05）。2 结果
　　2.1 不同种类电动汽车的磁通密度
　　电动汽车按照车载电源种类的不同可大致分为：纯电池动力汽车（battery electric vehicle, BEV）、混合动力汽车（hybrid electric vehicle, HEV）及氢燃料电池汽车（fuel cell electric vehicle, FCEV）。2016— 2020年，全球共销售905.8万辆电动汽车，其中BEV、HEV和FCEV分别为614.5万辆、288.0万辆和3.2万辆，占比分别为67.9%、31.8%和0.3%。
　　有学者采用2辆HEV、1辆BEV测量了不同工况（匀速、加速）下车内座椅处的磁通密度，采用独立样本t检验进行显著性差异分析，得到p= 0.107 0.05。此外，还对分别采用BEV和HEV的4个研究提取不同座位加速时的磁通密度测量结果的平均值共42个（BEV 28个，HEV 14个），经过独立样本t检验得到p=0.06 0.05。BEV磁通密度均值为0.60μT，HEV磁通密度均值为0.78μT。结果表明，不同种类的电动汽车产生的车内磁场之间没有显著性差异。
　　2.2 不同车辆工况与车内位置的磁通密度差异
　　低频磁场测量相关的研究通常采用IEC 61786—1标准或JASO TP 13002标准[15]等规定的测量方法，采用全向磁场探头对不同工况（静止/怠速、匀速行驶、变速行驶、充电状态）下的指定位置（如不同座位的脚部、座椅、胸部、头部）进行时域和频域磁场信号的采集与分析。
　　在对不同工况的车辆磁场测量中发现，磁通密度与车辆行驶速度或者速度的时间梯度（加速度）相关。具体来说，随着行驶速度提高，同一位置的磁通密度也会提高。同时，在制动和加速期间检测到低频磁场磁通密度显著增加，作者根据相关文献中报道的216个磁通密度平均值（加速102个，匀速114个），得到均值分别为0.61μT（加速）与0.26μT（匀速），加速过程的磁通密度显著大于匀速行驶状态（p 0.01。
　　多数报告显示，脚部或其他靠近地板位置的磁通密度更大（脚部均值为1.16μT，p  0.05）。然而在各个研究中，车内不同座位间的磁通密度并没有呈现明确的分布差异。这可能与采用的电动汽车型号、电池位置、驱动方式等因素有关。
　　2.3 电动汽车车内频谱
　　电动汽车行驶过程中，车内低频磁场频谱集中在2kHz以下，更高频率的磁场磁通密度较小。车内磁场源众多，频谱变化很大。有研究比较了采用不同电动机技术的电动汽车磁场频谱。在小于1Hz频率范围，由于牵引电流和感应磁化效应产生的磁场磁通密度可以达到数百μT，大多数磁场源（电动机、再生制动器等）的频率在1Hz 1kHz之间，磁通密度在0.1 2μT之间。
　　林军等测量了10辆不同工况电动汽车的后排座椅上的磁通密度，对加减速过程中头部位置磁场进行频谱绘制，结果发现，车内磁场频谱集中在1kHz以下，绝大部分情况磁通密度小于1μT，且随着电动汽车运动状态的改变，磁场频谱集中的频率也有所改变。
　　2.4 部件引起的磁场水平变化
　　电池、电动机与逆变器的位置会影响电动汽车内产生的磁场分布。例如，电池位于前部的汽车中，在后座位置处测得的磁场更小，电池位置在后备箱或后座下方的汽车中，获得了相反的结论。此外，车辆的驱动方式也会影响所产生的磁场水平。后驱车辆的电动机和逆变器位于后部，前驱车辆的情况则相反。结果表明，距离电动机与逆变器更近的座位会产生更高的磁场暴露。
　　除了电力驱动设备可能因电流感应产生磁场之外，行驶过程中产生的二次磁场也不容忽视，例如：受到地磁感应而磁化的钢制轮胎产生的低频磁场等。研究表明，径向钢带轮胎产生的磁场会影响整车磁场的测量，运动过程中磁化的轮胎可能会产生100 T级的时变磁场，峰值在轮胎附近，而在静止时该磁场可以忽略。车内靠近车轮和后座的位置，在10 200Hz频域产生了数个μT级的磁场，频率分量取决于旋转速率。
　　有学者在加速（加速度为2.2m/s2）和匀速驾驶模式下，对前后座椅位置进行测量，发现磁化轮胎生成的磁场频率通常低于20Hz，乘客座椅处的磁通密度可能超过2μT。
　　2.5 低频磁场长期监测
　　当前大多数研究都对电动汽车短期内的低频磁场分布进行了描述，很少有研究报道电动汽车长期的磁场暴露剂量。杨蕾等对电动汽车中实际磁场进行了长期监测，在两年的时间内连续测量了三辆电动汽车内部的磁通密度。长期监测发现：磁通密度频谱会随着更换部件和轮毂而改变，而定期检查或维护可以保证车内磁通密度值维持稳定。因此，定期（特别是在重大维修或事故之后）监测电动汽车中的极低频磁场十分重要，可以保护乘客免受潜在的极低频磁场影响。
　　2.6 充电过程的低频磁场
　　当前电动汽车的充电方式可以分为直流有线充电与无线充电两种。
　　主流无线电能传输（wireless power transmission, WPT）技术使用线圈电磁感应的方法，相比于有线充电更有可能使人体暴露于较高幅度的磁场中，该磁场相比于正常行驶过程中的磁场更大，更可能导致健康隐患，因此WPT过程的低频磁场暴露受到更多研究者的关注。
　　有学者测量了某85kHz的WPT系统不同座位的头部、胸部、座椅及脚部的低频磁场，结果表明副驾驶脚部产生磁场极值在所有情况下均未超过ICNIRP 2010限值。无线充电过程中车内不同点位测量结果可以达到0.25μT，车外可以达到0.314μT，该值接近匀速行驶状态下的磁通密度，但频率更高。
　　2.7 数值模拟和人体剂量学研究
　　由于当前测量技术和测量设备外形尺寸的限制，测量方法只能在车内有限位置布点获取磁场数值，无法反映车内磁场时间-空间分布全貌。研究中常采用电磁仿真方法来获得电动汽车低频磁场的总体分布情况。常用的电磁仿真数值计算方法包括时域有限差分（finite difference time domain, FDTD）法、有限元法（finite element method, FEM）和标量有限差分（scalar potential finite differential, SPFD）法等。
　　当前，数值模拟已经成为车辆研发设计中减少各类风险的重要参考依据。例如：有学者利用有限元法，采用钢、铝和纤维复合材料的三种底盘，仿真7.7kW、85kHz或150kHz的WPT系统的低频磁场分布，证明电动汽车的金属底盘可以起到磁场屏蔽作用，而采用纤维复合材料底盘则无法屏蔽磁场，可能会超过限值水平。
　　类似地，在陈琛等的仿真中也证实了这一点。采用合适的磁场屏蔽策略可以在不影响电动汽车性能的情况下有效地减少电动汽车内部的磁场暴露。加入屏蔽层与采取水平屏蔽可以有效减少WPT系统磁场暴露。使用高相对磁导率的铁磁材料设置良好的磁屏蔽也是一种减小磁场暴露的有效方法。
　　P.C. Moreno-Torres与P. M. T. Concha等分别对电动汽车逆变器与蓄电池产生的磁场进行有限元仿真，发现采用铁磁屏蔽外壳可使磁场值比没有屏蔽的磁场值低两倍，而改进后的铁磁材料可以将磁场再降低25%。合理采用车体材料同样是减少车内乘员磁场暴露的重要方法。
　　在仿真过程中加入人体模型，还可以得到比吸收率（specific absorption rate, SAR）、体内感生电场等现实测量中无法获得的物理量，从体内剂量学计算方面进一步评估低频磁场对人体的影响。
　　有学者建立了成年男性驾驶小型电动汽车的模型，使用FDTD方法仿真发现，电动汽车电缆输入端附近的磁通密度达到限值的170倍，但在空气中衰减明显，当距离足够远时（20cm以上），不会超过参考水平。逯迈等以汽车动力电缆为激励源，仿真了不同位置人体中枢神经系统中及周围神经系统中的低频电磁场分布，发现磁通密度的峰值位于头皮，感应电流密度与感应电场的峰值均位于脑部，所有情况下感应场强度均不超过限值。
　　而在WPT系统的仿真研究中，尽管也并未超过限值标准，但感应电流密度、比吸收率等峰值出现在肺部、胃部、心脏等内脏位置，其中对肺部影响较为明显。林军等测量不同电动车的后排座椅上的磁通密度，以实测结果作为磁场源，利用SPFD算法计算成人与儿童模型感生电场。虽然幼儿可能暴露在较高的磁通密度下，但由于其特殊的物理尺寸，体内感生电场强度要远远低于成年人。3 讨论
　　基于热效应与电刺激效应，很多国家和组织机构制订了低频磁场暴露限值标准，由于这些标准参考的研究和实验条件存在差异，因此标准限值也存在一定差距。目前，国际上的两个主流标准分别为：ICNIRP 导则（2020版和2010版）与IEEE C95.1标准（2019版）。我国生态环境部于2014年修订发布了国标《电磁环境控制限值》（GB 8702— 2014），包含了低频磁场的内容。上述三个标准在低频磁场（1Hz 100kHz）的公众参考限值对比如图1所示。
　　图1
　　文献综述结果表明，大部分研究得到的低频磁场磁通密度低于更严苛的GB 8702—2014标准1 2个数量级。在常规的测量点位设计中，没有发现超过限值的情况。但是从促进国内外技术交流和产品互认的角度来看，采用统一的标准无疑是更有利的，这是对于国内外标准化进程提出的重要课题。
　　由于当前对电动汽车内部磁场测量多采用环境电磁场监测的设备。例如，带宽（低频）磁场传感器、全向探头电磁场测量仪、RMS磁力计等，而很少有专门的车内磁场测量设备，测量设备选择缺少统一的标准，针对行驶中的振动也很少有合理的探头固定装置，这都导致目前的测量结果差异较大。因此亟须建立统一和优化的电动汽车低频磁场测量规范，如规定测量仪器的基本性能指标、测试流程，设计贴合电动汽车座椅的专用磁场探头治具等。
　　测量与仿真是对车内低频磁场的研究的两个重要手段。由于电磁仿真中网格的剖分误差、数字人体模型的精细程度限制及重建的车体模型与现实车辆的差异，仿真结果可能与场测结果有所不同。但是电磁仿真仍然可以作为研究的重要辅助手段，为研究提供更保守的磁场暴露评估结果，补充场测难以实现的最差暴露情况，帮助车辆设计者开展设计选型，如合理安排电力设备位置，为电缆等加装屏蔽网、滤波器，适当采用铁磁材料进行磁场屏蔽等，以有效减少车内低频磁场对人体的影响。
　　随着现代医疗水平的发展，植入式医疗设备已广泛应用于临床治疗，在神经刺激、心脏起搏、器官功能替代等方面发挥了不可替代的作用。尽管大多数研究表明，电动汽车WPT系统的低频磁场对人体是安全的，但仍需注意的是，体内植入医疗器械（特别是在包含导电部分植入物的周围感生的电场涡流可能带来更多的能量吸收）、发射与接收线圈失配、人体距WPT系统过近等情况很有可能导致更多的磁场暴露。
　　在实际设计WPT系统时，应充分考虑交流电磁场在空气中的衰减，以及各种材料对于电磁场的屏蔽作用，设计合理的车体架构，控制WPT系统的功率，保证人体存在植入医疗器械情况下的安全性。
　　当前学界对于极低频磁场的生物效应仍在积极探索中，其带来的潜在生物效应风险应引起重视，需要充分考虑对人类尤其是婴幼儿的影响，进行科学有效的生物电磁研究来明确其中的关系。未来的研究可以更多考虑长期暴露于低频磁场的生物效应，成人、儿童、孕妇等由于解剖学特性的不同产生的磁场暴露差异等因素。4 结论
　　本文综述了1995—2021年间的电动汽车低频磁场剂量学研究文献，从工况、频谱、空间分布和随时间变化等方面分析了电动汽车内部磁场的变化特点，对结果进行了初步的统计分析，结合常用的电磁场数值方法对不同人体模型内的剂量结果进行了总结。在此基础上，提出了可以通过磁场屏蔽、合理设计电力设备空间分布等方式有效减少人体在电动汽车低频磁场下暴露剂量的建议，并根据当前电动汽车低频磁场暴露研究特点，给出了若干亟须解决的研究方向，为之后的研究提供参考。
　　本文编自2022年第7期《电气技术》，论文标题为＂电动汽车低频磁场人体暴露安全性研究＂，作者为姜昊宇、张晨 等。本课题得到国家自然科学基金的支持。