车辆人体电磁安全防护研究

魏 凯， 王文杰， 李腾飞， 白 云， 卜梦龙

（河南凯瑞车辆检测认证中心有限公司， 河南 焦作 454950）

1 引言

随着新能源汽车现代化技术不断革新， 新能源汽车成为发展趋势， 在缓解清洁绿色的同时也将促进经济协调可持续发展。 汽车电子技术创新发展使得汽车在节能性、 安全性、 舒适性、 可靠性等方面得到了显著提高， 但大尺寸中控屏、 高压配电盒、 大功率驱动电机等电器件的广泛应用， 也加剧了汽车电磁环境的复杂性。 为了更好地保障驾乘人员的人体健康和行车安全， 国内外相继发布了各种标准及规范来解决这些问题。 随着有源植入式医疗电子设备技术迅猛发展， 尤其是植入式医疗器械在恢复和监测人体机能的健康数据方面更方便、 快捷， 准确性更高， 正逐步取代传统便携式医疗器械。 对于植入器官的驾乘人员， 一旦车辆电磁骚扰干扰了器官的正常运转， 将会危害到驾乘人员的生命安全， 甚至会对其他道路参与人群产生不可控的危害。 在研发测试阶段不仅要关注普通驾乘人员的电磁防护问题， 也需要考虑对植入式器官驾乘人员的电磁防护要求。 目前， 国内外尚无发布对植入式器官驾乘人员的电磁防护标准。 本文通过对汽车领域人体电磁安全防护标准研究， 结合有源式植入式医疗器械电磁兼容标准， 对植入式器官驾乘人员的电磁防护要求和测评方法进行了探索和分析。

2 车辆人体健康电磁安全防护标准

国内外标准机构以及部分整车企业制定了相应的标准和测试规范来评价车辆的电磁辐射对人体健康的影响， 如日本汽车标准组织的JASO TP—13002： 2013 《关于汽车人体暴露的磁场检测方法》、 IEC制订的IEC 62764—1： 2019《汽车环境中电子和电气设备相对于人体暴露场的测量程序第1 部 分： 低 频 磁 场》、 以 及 国 内 的 标 准GB/T 37130—2018 《车辆电磁场相对于人体暴露的测量方法》。 这3个标准的测试频段、 测量位置、 限值等见表1。

表1 测试方法对比

3 车辆驾乘人员植入器官的电磁安全防护要求

有源植入式医疗器械是指植入人体内的、 依靠电能或其他能源而非直接由人体或重力产生的能量发挥其功能的医疗器械。 随着医疗器械产业的发展， 有源植入式医疗器械的使用范围越来越广泛， 国际标准化组织 （ISO） 发布ISO 14708系列标准共有7个部分， 包含心脏起搏器、 神经刺激器、 输注泵、 人工耳蜗等专用要求， 部分标准已转化为国家标准和行业标准， 对有源植入式医疗器械的安全有了一定的规范。 随着车内电磁环境的日益复杂性， 例如无线电能传输技术， 作为一种经济发展的新兴技术具有方便性高、 实用性强和安全性好的优点， 同时车载无线充电系统也会在电动汽车周围产生高强度的磁场， 可能对驾乘人员有源植入式器官 （例如心脏起搏器和除颤器等） 产生电磁干扰影响内部电器元件的工作。 因此， 需要研究分析车辆电磁场的分布特点、 车辆工况， 分析人体植入式器官暴露于车内外复杂电磁环境的情况。

3.1 车辆状态

要求被测车辆进行静态、 充电状态、 行驶状态 （包含匀速行驶和加减速行驶） 3个测试状态。 静态、 充电状态和匀速行驶测试， 既可以在室内测功机上进行， 也可以在室外比较平坦并且干燥的路面上进行， 对于加减速行驶， 一般要求在封闭试验道路上进行测试。

3.1.1 静止状态

能由驾驶人员或者乘客手动打开， 并且连续工作时间超过60s的电器应该处于典型负载状态 （如雨刮电机、 暖风电机、 收音机、 危险指示灯等）。 电动汽车的SOC要求在20%～80%， 驱动电机系统处于待机状态； 混合动力汽车的SOC要求在20%～80%， 车辆驱动电机系统处于待机且发动机怠速状态， 若不能实现， 则要求驱动电机待机状态或发动机怠速状态下分别测量。

3.1.2 充电状态

车辆OFF挡， 驾驶人员或者乘客能手动打开的车载电器全部关闭。 车辆的SOC同静止状态， 如果车辆有多个传导充电状态， 要求每个充电状态下充电电流均须大于额定充电电流的80%， 并分别进行测量。

3.1.3 行驶状态

车辆行驶状态包括匀速行驶、 加速行驶和减速行驶。匀速行驶要求车辆保持40km/h， 行驶时的道路负载要视被测车辆而定； 加速行驶时车辆油门开度全开， 从静止加速到90km/h， 若达不到则加速到最高车速； 减速行驶车辆以大于或等于2.5m/s的减速度从90km/h或者最高车速到车辆停车。 若减速度无法达到， 则以所能达到的最大减速度进行测量， 加减速行驶电气负荷的运行状态与静止状态保持一致。

3.2 测量位置

对驾乘人员通常可到达的位置进行测试， 例如驾驶位置、 乘坐位置、 中控位置、 充电接口、 前机舱、 后机舱等位置， 驾乘位置的测试点为人体躯干 （脑、 心脏、 生殖器）的附近， 由头枕中央、 座椅靠背中央和座垫中央3点形成的中心线组成， 测试点也包括驾乘人员脚部空间区域， 详细测试位置如图1所示。

图1 车辆测试位置

3.3 测量方法

测量仪器频率满足10Hz～10MHz范围， 进行磁场强度测量时用频域法测量。 首先将测量仪器调到频域测量模式，把测量探头放在测试点， 测试探头的相位中心和测试点相吻合， 如果不能， 选择离测试点近的位置， 记录每个测试点以频谱表示的磁感应强度测量值， 把所有的测试点测量完成， 最后与限值相比较。

3.4 评价方法

目前国际上关于电磁场曝露限值并没有统一的规定， 所以不同国家和组织均制定了自己的标准， 如国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）制定的ICNIRP 1998和ICNIRP 2010、 美国电气和电子工程师协会 （IEEE） 制定的IEEE C 95.6、 中国环境保护部（现生态环境部）发布的GB 8702—2014《电磁环境控制限值》 等， 对比分析有源植入式医疗器械ISO 14708系列标准和ISO 14117—2019[电磁兼容性能要求， 推荐采用ISO 14117—2019中规定的限值作为测评指标， 频率范围为10Hz~10MHz， 如图2所示。

图2 参考限值

3.5 性能验证

为进一步直观地测试车辆复杂电磁环境对有源植入式器械的影响， 在测量车辆复杂电磁环境的同时， 还需要对不同品牌的有源植入式医疗器械工作状态进行性能验证。可参考ISO 14708系列标准中体模的设计要求， 将植入式医疗器械置于特定浓度的盐水体模中， 通过相应设备观察在车辆静止状态、 充电状态和行驶状态下的工作情况， 从而判断是否会对有源植入式医疗器械产生影响。

4 结束语

传统汽车产业正向电动化、 智能化、 网联化、 共享化方向前进， 寻求新的突破， 但随着汽车电子电器的增加、大功率电驱动系统的应用， 使车辆内部的电磁环境变得越来越复杂， 大家对人体健康和行车安全问题也越来越关注。用科学的测量进行汽车电磁辐射特性测评， 从对车辆的保护到对人员的保护， 再到对人体植入式器官保护， 为用户提供一个安全健康的驾乘环境， 消除客户对汽车电磁危害的顾虑。