（光学工程专业论文）人体在电动汽车电磁环境中的人身安全性研究.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of energy and power engineering research on the personal safety in the automotive electromagnetic environment a thesis in vehicle engineering by yu wenting advised by prof. zhao youqun submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering march, 2012 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行 研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 随着手机、微波炉、无线电等电磁设备的迅速发展，电磁辐射对人体安全的影响日益受到 国内和国际的广泛重视。 汽车上乘员暴露在电磁环境中， 会受到来自车内各种干扰源发射的电磁 波的辐射影响，其人身安全受到一定的威胁，而在具有较多的电子电器设备的电动汽车中，这种 危害尤为严重。因此，电动汽车中乘员的人身安全性研究就显得极为重要，本文主要研究内容如 下： (1)在三维电磁计算软件 emc studio 中建立了适合电磁环境模拟的汽车车身三维电磁计算模 型，并以车载天线为例，通过不同的计算方法，验证了模型的准确性。 (2)建立了电动汽车车载天线、线束、dc-dc 变换器、电动机等产生电磁辐射的元件的模型， 分析了其产生辐射的机理，根据国家标准，接入阻抗稳定性网络（lisn）模拟了 dc/dc 变化器 和电动机的传导干扰，提出了减小传导干扰的几种方法；并分别模拟了车载天线、线束、dc-dc 变换器的辐射干扰，得到了这些辐射源的辐射特性。从仿真结果来看，天线、电机、dc-dc 变 换器辐射量最大，是主要的干扰源。 (3)研究了人体在电动汽车中受到电磁辐射的吸收剂量。根据人体生物电磁学基本原理，建 立了简化的用于计算 sar 值的人体模型，基于矩量法，利用三维电磁仿真软件对电磁辐射下人 体的电磁比吸收率 sar 值进行了仿真分析，模拟了车内多种干扰源组合下，人在不同座椅位置 处的电磁吸收剂量 sar 值，为相关人员分析电磁辐射吸收量对人体产生了有利或有害的影响提 供了相应的参考依据。最后定性提出了若干降低乘员在车内受到电磁辐射的强度的方法。 关键词：关键词：电动汽车，电磁辐射，人身安全，比吸收率，模拟研究 人体在汽车电磁环境中的人身安全性研究 ii abstract with the rapid development of the electromagnetic equipment such as mobile phone, microwave and radio et al, electromagnetic radiation on human safety has raised national and world-wide attention. occupants in the car are exposed in electromagnetic environment, will be affected all kinds of electromagnetic emission of the electromagnetic wave radiation in the car, and in electric car with more electronic products, this threat is especially serious. therefore it is very important to research the personal safety in the electric vehicle, the main research contents are as follows: (1)according to the need of simulation, 3-d model and mesh model of ev body suitable for electromagnetic environment simulation were established, and take the antenna in vehicle as an example, through different calculation methods, proved the accuracy of the models. (2)set up electric automobile audio antenna, harness, dc-dc converter, motor from the electromagnetic radiation of components of the model, and analyzes the mechanism of product radiation, according to the national standard, access lisn, simulate the electric motor conduction interference, puts forward several methods of reducing conducted interference. simulated the car antenna, harness, dc-dc car converter radiation interference, analyzes the simulation results, get the sources of radiation characteristics. (3) research on the human body electromagnetic environment and the influence of radiation in the car. according to the bio-electromagnetic theory, established the model of human body for sar calculation, based on the mom method, simulate the human interference with the vehicle in different locations of the ev to calculate the sar value of human body. simulate combinations of interference source the person in different seat position in the car, provide a corresponding reference, for the related analysis of electromagnetic radiation absorption of human body about beneficial or harmful effects. finally put forward several methods to reduce the electromagnetic radiation in the car. key words: electric vehicle, electromagnetic radiation, human body security, sar, simulation research 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景及意义 . 1 1.1.1 课题研究的背景 . 1 1.1.2 课题研究的意义 . 2 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外研究现状 . 2 1.2.2 国内研究现状 . 3 1.3 生物电磁学标准 . 5 1.4 课题研究的主要内容 . 7 第二章 汽车电磁兼容一般问题的建模与算法验证 . 8 2.1 车身及车内电子电器模型的建立 . 8 2.1.1 车身几何模型的建立 . 8 2.1.2 车内线束模型的建立 . 9 2.1.3 车体天线模型的建立 . 9 2.2 不同位置处天线远场辐射研究 . 11 2.3 基于 emc studio 和 feko 的模型验证 . 13 2.3.1 相对误差分析 . 14 2.3.2 相关度分析 . 15 2.4 天线建模与仿真结果置信度研究 . 15 2.5 本章小结 . 18 第三章 电动汽车内部干扰源电磁辐射分析 . 19 3.1 电动汽车主要干扰源 . 19 3.1.1 dc/dc 变换器干扰源分析 . 19 3.1.2 电机干扰源分析 . 20 3.2 电动汽车干扰源传导干扰研究 . 21 3.2.1 dc/dc 变换器传导干扰 . 21 3.2.2 电机传导干扰 . 23 3.3 汽车车内各电子电器部件辐射仿真 . 24 3.3.1 天线电磁辐射仿真 . 24 3.3.2 线束电磁辐射仿真 . 26 人体在汽车电磁环境中的人身安全性研究 iv 3.3.3 dc/dc 变换器电磁辐射仿真 . 28 3.3.4 电机电磁辐射仿真 . 29 3.4 汽车内总体电磁辐射仿真 . 30 3.5 本章小结 . 35 第四章 生物电磁效应及吸收率的仿真模型 . 37 4.1 电磁波的生物效应及原理 . 37 4.2 电磁辐射吸收剂量 . 39 4.3 人体头部模型 sar 值分布模拟 . 41 4.4 人体模型辐射 sar 值分布模拟 . 43 4.5 人体电磁防护措施 . 45 4.6 本章小结 . 46 第五章 人体在汽车内电磁辐射吸收剂量的研究 . 47 5.1 人体在汽车中的电磁环境仿真 . 47 5.1.1 人体在汽车环境中的电磁场模拟 . 47 5.1.2 考虑座椅的情况下人体在汽车环境中的电磁场模拟 . 52 5.1.3 人体在车内不同位置处受到的电磁辐射分析 . 53 5.1.4 开天窗后人体在车内不同位置处受到的电磁辐射分析 . 55 5.1.5 小孩在车内不同位置处受到的电磁辐射分析 . 56 5.1.6 加 dc-dc 后人体组织 sar 值计算 . 58 5.1.7 不同干扰源组合下的人体组织 sar 值计算 . 60 5.2 电动汽车降低电磁辐射措施 . 62 5.3 本章小结 . 63 第六章 总结与展望 . 64 6.1 全文总结 . 64 6.2 研究展望 . 65 参考文献 . 66 致 谢 . 69 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 70 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图、表清单 图 1. 1 用于机动车产品质量检测的电波暗室 . 4 图 2.1 车体三维电磁仿真模型(划分网格) . 9 图 2.2 车内电缆布局 . 9 图 2.3 双绞线和单线的截面图 . 9 图 2.4 发射天线的等效电路 . 11 图 2.5 天线模型 . 11 图 2. 6 天线在不同车体位置处的示意图及远场辐射图 . 12 图 2. 7 天线 xz 面电场分布（350mhz）. 12 图 2. 8 天线 xy 面电场分布（350mhz）. 13 图 2. 9 不同位置处天线电流值 . 13 图 2. 10 emc studio 中天线和线束串扰模型 . 14 图 2. 11 feko 中天线和线束串扰模型 . 14 图 2. 12 天线在线束中引起的串扰电流 . 14 图 2. 13 两种方法计算结果的相对误差 . 15 图 2. 14 emc studio 中双极子对称振子天线 . 16 图 2. 15 hfss 中发射天线 . 16 图 2. 16 对称振子天线 s11 曲线 . 16 图 2. 17 相对误差分析 . 17 图 2. 18 f =30mhz 的三维方向增益图 . 18 图 2. 19 天线辐射远场分布仿真结果 . 18 图 3. 1 混合动力电动汽车动力系统中 dc/dc 变换器 . 20 图 3. 2 dc/dc 变换器电路图 . 20 图 3. 3 开关管关断时电压尖峰 . 20 图 3. 4 电感上电流波形. 20 图 3. 5 线性阻抗匹配网络(lisn)示意图 . 21 图 3. 6 dc/dc 变换器传导干扰电路图 . 22 图 3.7 f l电感电流曲线 . 22 图 3.8 负载端电压. 22 图 3.9 传导干扰电压 . 22 图 3.10 测试异步电动机传导干扰电路图 . 23 人体在汽车电磁环境中的人身安全性研究 vi 图 3.11 负载 r3 端电压 . 23 图 3.12 负载 r3 端电流 . 24 图 3.13 r4和 r5电阻上测到的传导干扰 . 24 图 3.14 汽车内部探针位置示意图 . 25 图 3.15 车体表面电流分布 . 25 图 3.16 不同位置处电场强度值（v/m） . 25 图 3.17 汽车线束布局图 . 26 图 3.18 单线束内部线路布置 . 27 图 3.19 单线束不同点出处电场强度(v/m) . 27 图 3.20 pigtail 线束模型 . 27 图 3.21 双线束内部线路布置 . 28 图 3.22 pigtail 双线束不同点处电场强度（v/m） . 28 图 3.23 车内 dc/dc 变换器仿真效果图 . 29 图 3.24 不同位置处所测电场强度（v/m） . 29 图 3.25 dc/dc 辐射车体电流分布(a) . 29 图 3.26 电机辐射仿真图 . 30 图 3.27 不同位置处电场强度值(v/m) . 30 图 3.28 电机辐射车体电流分布(a) . 30 图 3.29 汽车内电磁环境 . 31