中国汽车健康指数车辆电磁辐射测试案例分析

2020-10-09 14:18:53·  来源:中国汽车健康指数  
 
电磁辐射的危害一直是人们十分关注的问题。2002年,世界卫生组织下属的国际肿瘤研究机构(IARC)将极低频磁场列为可能导致人类癌症的物质。流行病学研究发现,低
电磁辐射的危害一直是人们十分关注的问题。2002年,世界卫生组织下属的国际肿瘤研究机构(IARC)将极低频磁场列为“可能导致人类癌症”的物质。流行病学研究发现,低频电磁场可对人体神经元和肌肉组织产生影响[1],射频电磁场可对人体神经、心血管、内分泌、免疫、生殖等系统产生不同程度的影响[2]。2011年世界卫生组织下属的国际肿瘤研究机构(IARC)又将射频电磁场列为“可能导致人类癌症”的物质。
 
国内外研究机构对于电磁辐射的危害的研究越来越多,社会关注度越来越大。出于对公众健康的保护和电磁环境的管理,国内外研究机构就环境电磁辐射水平这一课题展开了大量的研究。
 
1998年国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)发布了《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则》,后于2010年发布了其修订版本[3] [4];美国电气与电子工程师学会(IEEE)发布了《关于人体曝露到0~3kHz电磁场安全水平的IEEE标准》[5];中国生态环境部于1988发布《电磁环境控制限值》,并于2014年发布修订版国家标准GB 8702-2014[6]。
 
车辆作为一种人类高频率、长时间使用的工具,特别是由于汽车的电动化和智能网联化发展,车辆的电磁环境越来越复杂,车辆相对于人体的电磁辐射水平正越来越受到人们的关注。
 
此前,日本汽车标准组织发布了专门针对车辆辐射水平的测量方法《关于汽车人体暴露的电磁场检测方法:JASO TP-13002:2013》,但其仅规定测试10Hz~400kHz频段的磁场辐射强度,测试范围并不包含“可能导致人类癌症”的射频电磁场辐射强度[7]。
 
中国汽车工程研究院股份有限公司通过对车辆电磁辐射进行了大量的研究性测试,最终形成了一套基于国家标准《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)的测试评价方法,用以对车辆电磁辐射水平进行评估。
 
本论文将简要介绍中国汽车工程研究院股份有限公司发布的中国汽车健康指数车辆相对人体的电磁辐射水平测试方法,然后结合典型测试案例进行分析与总结,提出可用于指导控制车辆相对于人体的电磁辐射水平的方法。
 
02、车辆相对于人体的电磁辐射测试方法和引用限值简介
01、车辆相对于人体的电磁辐射测试方法简介
 
此处的车辆电磁辐射测试方法主要对车辆相对于人体的电磁辐射水平进行测试。测试需要使用电磁场测量探头对驾乘人员的头部、胸部、裆部以及四肢区域的低频磁场、射频电场的电磁辐射量进行测试。下文将简要介绍车辆的测试工况、测试频段、测试区域以及测试点位,对应的具体内容可参考《中国汽车健康指数车辆电磁辐射(EMR)测试及评价规程(2018版)》[8]。
 
//测试工况
车辆测试工况包括行驶工况和通信工况,其中行驶工况下包含匀速行驶工况、急加速行驶工况和急减速行驶工况。通信工况测试中,若被测车辆配有车载T-BOX时,车载T-BOX与基站模拟器连接,并以最大功率发射,否则使用信号源与标准天线相连。
//测试频段
测试频段包含10Hz ~3GHz,测试频段表见表1:
 
表1 测试频段表
//测试区域
对于2座位乘用车,测试区域包括主驾驶位、副驾驶位,如图1所示。对于大于等于4座的乘用车,测试区域包括主驾驶位、副驾驶位、左乘员位、右乘员位,如图2所示。
 
//测试点位
座位区域的测试点位包含5个点,点位1为驾乘人员头部位置,点位2为驾乘人员胸部位置,电位3为驾乘人员裆部位置,点位4和5分别为驾乘人员右脚、左右位置,点位示意图如图3所示;主驾驶位的测试点位还包含中控面板区中央位置和扶手区前后位置,点位示意图如图4所示。
 
02、测试方法引用限值的简介
1988年,中国生态环境部首次发布国家标准《电磁辐射防护规定》,标准号为GB 8702-88。2014年,中国生态环境部整合《电磁辐射防护规定》(GB 8702-88)和《环境电磁波卫生标准》(GB 9175-88)两个标准进行修订,并参考了国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)《限值时变电场、磁场和电磁场(300GHz及以下)曝露导则,1998》,以及电气与电子工程师学会(IEEE)《关于人体曝露到0~3kHz电磁场安全水平的IEEE标准》,充分考虑了我国电磁环境保护工作实践最终发布国家标准《电磁环境控制限值》,标准号为GB 8702-2014。
值得一提的是,GB 8702-2014中规定的各频段的限值线均低于ICNIRP 1998、ICNIRP 2010对应频段的限值,这在一定程度上体现我国在鼓励生产的同时保护公众健康的要求和决心。
本文提到的测试评价方法中引用的限值为国家标准《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)。在本文中所用频段(10Hz~3GHz)对应的限值如表2所示。
 
表2 GB 8702-2014《电磁环境控制限值》
02、测试案例分析与发现
 
通过大量的摸底测试和数据分析,我们总结出几点可用于指导降低车辆相对于人体的电磁辐射水平的方法。下面我们将结合三个测试案例,提出相应的发现和思考。
 
01、区域电磁辐射屏蔽
在汽车电磁兼容领域,工程技术人员常用到的解决车辆电磁兼容问题的方法主要有屏蔽、滤波、接地三种。在车辆相对于人体在测试过程中,屏蔽也是一种有效的改善车辆电磁辐射水平的方法。
在大量的样本测试中,我们发现,大多数车辆的脚部区域在10Hz~400KHz频段的磁场辐射强度明显大于其他位置。通过分析车辆电子架构我们发现,车辆的部分零部件如高压保险盒以及大量车辆线束都布置在车辆地板位置,也就是脚部区域,通过区域屏蔽的方法可有效改善此区域的电磁辐射水平。
案例一为某车型的脚部区域10Hz~400KHz频段的磁场辐射强度测试。我们可以看到,车辆在急加速工况下,车辆在125KHz频率点处的辐射强度较大,距离GB 8702-2014限值裕量仅为5dB,在20KHz频率点处的裕量约为16dB。通过分析,我们发现此车辆在脚部区域磁场辐射强度大是因为车辆的高压保险盒安装在此位置,高压保险盒工作时,其产生的磁场辐射强度大导致脚部区域的磁场辐射强度大。图5为此车型在急加速工况时,脚部区域的磁场辐射频率响应图。
 
图5 某车型在急加速工况时,脚部区域的磁场辐射频率响应图
我们选择金属丝网和磁性屏蔽材料对脚部区域进行屏蔽,将其覆盖在高压保险盒位置,并将金属丝网与车体良好接地(图6),再次测量其磁场辐射强度。从图7中可以看出,增加屏蔽措施后,125KHz处的磁场辐射强度降低至底噪水平,整个频段磁场辐射强度裕量最小点为20KHz频率处,裕量约为20dB,较未加屏蔽措施前降低了4dB。
 
图6 屏蔽措施示意图
 
图7 加屏蔽措施后车辆在急加速工况时,脚部区域的磁场辐射频率响应图
 
02、零部件电磁辐射强度管控
在汽车电磁兼容领域,整车厂对于整车的辐射发射有着严格的把控,要想整车辐射发射不超国家标准,对汽车零部件的电磁兼容性能进行严格把控是十分重要的,只有将零部件的辐射发射管控好才能更好地控制整车的辐射发射。
案例二为某车型在10Hz~30MHz频段的磁场辐射强度测试中的发现。车辆在匀速工况测试时,主驾驶位胸部位置在161KHz频点处有明显峰值(裕量为14dB),其磁场辐射强度较大。在接下来的测试和逐点排查中我们发现,在中控区域的换挡器位置(测试点7),被测车辆在161KHz频点磁场辐射强度最大,且超过了GB 8702-2014的限值,超标量为68dB(约为限值的2535倍)。由此可见,单一零部件的电磁辐射超标极有可能造成车辆相对于人体的电磁辐射水平偏高甚至超标。
 
图8 某车型在匀速工况下,中控区域换挡器位置的磁场辐射强度图
通过这一测试案例可见,我们可以通过本文中的车辆电磁辐射测试方法对车辆的电磁辐射超标点或潜在危险点进行排查、定位,指导零部件进行整改。从整车的电磁辐射水平管控,可深入到零部件的电磁辐射水平管控,对提高车辆的电磁环境水平意义重大。
 
03、车载通信终端和天线布局优化
由于车联网技术发展越来越成熟,对应零部件成本越来越低,许多车辆都装载了车载通信终端产品(T-BOX)。在车辆电磁辐射的通信状态测试中,我们发现,许多装有T-BOX的车辆存在辐射超标的现象。图9为某车型的副驾驶头部位置的电场辐射强度测试图,其电场强度为30V/m,为限值的2.53倍。
 
图9 某装有T-BOX的车型A通信工况下的电场辐射强度图
但测试中我们也发现有车辆在本测试中的被测点上辐射较低,如图10,为某车型的30MHz~3GHz频段最大辐射位置上的辐射强度测试图,其电场强度仅为0.75V/m,为限值的6.23%。
 
图10 另一装有T-BOX的车型B通信工况下的电场辐射强度图
通过分析整车车载通信终端和天线的布局发现,在此频段存在超标的车辆多数将车载通信和天线放置在手套箱位置,而手套箱距离前排驾乘人员非常近,这也明显会导致驾乘人员所在位置辐射强度较大甚至超标。而通信状态辐射较小的车型,通常将通信天线放置在车顶鲨鱼鳍位置。因为鲨鱼鳍位置离驾乘人员较远且车顶金属对天线辐射能量的屏蔽等原因,其驾乘人员位置的辐射强度就变低了。
同时,为了排除车载通信终端发射功率较小而造成辐射强度较小这一因素,我们将测试探头放置在车顶鲨鱼鳍位置(图11),由图12可以看出,此测试点位处车辆的电场辐射强度为38V/m,可见其发射功率较其他车辆并未减小。
 
04、结论
通过以上测试数据我们可以看出,目前车辆相对于人体的电磁辐射量存在超过国家限值《电磁环境控制限值GB 8702-2014》的现象。
保护人体免受汽车电磁辐射危害的呼声越来越高,且GB 8702-2014已加入随车清单,对于车辆相对于人体的电磁辐射水平的管控势在必行。通过上述案例分析,给出了管控车辆相对于人体电磁辐射水平的三个方向和方法,分别为区域电磁辐射屏蔽、零部件电磁辐射强度管控和车载通信终端和天线布局优化。
 
引导车企优化设计,积极将以上几点融入到车辆的正向开发体系中,将车辆相对于人体的电磁辐射水平从设计上得到一定的保障,并为后期可能出现的超标整改降低难度、提供技术支撑,从而更好地保护驾乘人员健康,这也是中国汽车健康指数的意义所在。
 
参考文献
[1]丁莉. 城市环境中极低频电磁场对人体神经系统及血液系统影响的研究[D]. 重庆医科大学, 2010.
[2]郭庶, 彭晓武, 刘芸,等. 极低频电磁场和射频电磁辐射对人体健康影响的研究进展[J]. 环境与健康杂志, 2011, 28(5):463-466.
[3]ICNIRP GUIDELINES 1998 FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME-VARYING ELECTRIC,MAGNETIC,AND ELECTROMAGNETIC FIELDS (UP TO 300 GHz) [S].
[4]ICNIRP GUIDELINES 2010 FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME-VARYING ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS (1 Hz-100 kHz) [S].
[5]IEC 61786-1:2013 Measurement of DC magnetic fields, AC magnetic and electric fields from 1 Hz to 100 kHz with regard to exposure of human beings – Special requirements for instruments[S].
[6] 中国生态环境部.GB 8702-2014. 电磁环境控制限值[S].国家标准委员会,2014.
[7]JASO TP-13002:2013自動車の人体ばく露に関る電磁界測定方法[S].日本汽车工业协会,2013.
[8]中国汽车工程研究院股份有限公司.中国汽车健康指数车辆电磁辐射测试及评价规程[S],2018. 
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