Studie untersucht EMF-Exposition in Elektrofahrzeugen
Die rasante Entwicklung der Elektromobilität hat nicht nur die Art und Weise, wie Menschen sich fortbewegen, nachhaltig verändert, sondern auch neue Fragen hinsichtlich der Sicherheit und des Wohlbefindens der Insassen aufgeworfen. Während die Vorteile von Elektrofahrzeugen (EVs) in puncto Emissionen und Effizienz weithin anerkannt sind, rückt ein weniger sichtbarer Aspekt zunehmend in den Fokus der Forschung: die Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern (EMF) im Fahrzeuginnenraum. Mit dem Anstieg der Zahl elektrischer Komponenten – von Hochspannungskabeln über Leistungselektronik bis hin zu intelligenten Assistenzsystemen – steigt auch die Komplexität der elektromagnetischen Umgebung, in der sich Fahrer und Passagiere befinden. Eine aktuelle, umfassende Studie, veröffentlicht im Chinese Journal of Automotive Engineering, beleuchtet diese Thematik mit wissenschaftlicher Tiefe und liefert wichtige Erkenntnisse über die tatsächlichen Expositionsverhältnisse und deren Bewertung anhand geltender Sicherheitsstandards.
Die Arbeit von Zhao Hui vom China Academy of Information and Communications Technology, Chen Bing vom China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd. sowie Li Congsheng, ebenfalls vom China Academy of Information and Communications Technology, stellt eine systematische Analyse der EMF-Exposition in modernen Elektrofahrzeugen dar. Die Forscher widmen sich dabei nicht nur der Frage, ob die gemessenen Feldstärken innerhalb der gesetzlichen Grenzwerte liegen, sondern gehen einen Schritt weiter: Sie untersuchen die zugrundeliegenden Bewertungsmethoden, vergleichen internationale und nationale Standards und wenden sowohl numerische Simulationen als auch praktische Messungen an, um ein vollständiges Bild der Expositionsszenarien zu erhalten. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf vulnerablen Bevölkerungsgruppen, insbesondere Personen mit metallischen Implantaten, deren Interaktion mit elektromagnetischen Feldern potenziell anders ausfallen kann als bei gesunden Individuen.
Die Bedeutung dieser Forschung wird vor dem Hintergrund der kontinuierlichen technologischen Evolution im Automobilsektor immer deutlicher. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, deren elektromagnetische Emissionen hauptsächlich von Zündsystemen und Bordnetzkomponenten stammen, erzeugen Elektrofahrzeuge deutlich stärkere niederfrequente Magnetfelder (ELF, Extremely Low Frequency). Diese entstehen durch die hohen Ströme, die während des Beschleunigens, Bremsens (insbesondere beim Rekuperieren) und Ladens durch die Hochspannungsleitungen, den Wechselrichter und den Elektromotor fließen. Obwohl diese Felder als nicht-ionisierend gelten und nicht die Energie besitzen, um chemische Bindungen direkt zu brechen, besteht seit Jahrzehnten wissenschaftliches Interesse an möglichen biologischen Wirkungen, insbesondere bei langfristiger oder intensiver Exposition.
Internationale Organisationen wie die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) haben umfassende Richtlinien entwickelt, um die Exposition der Bevölkerung zu regulieren. Die ICNIRP-Richtlinien von 1998 und 2010 unterscheiden dabei klar zwischen beruflicher und allgemeiner Exposition. Für die breite Öffentlichkeit, die aus Personen unterschiedlichen Alters und Gesundheitszustands besteht und sich in der Regel nicht der Strahlenquellen bewusst ist, gelten strengere Grenzwerte. Diese basieren auf sogenannten Grundgrenzwerten, die direkt auf biologischen Wirkungen wie der Reizung von Nerven oder der Erwärmung von Gewebe beruhen. Da diese Größen – wie die induzierte elektrische Feldstärke im Körpergewebe – nicht direkt messbar sind, werden sie durch leichter messbare Referenzwerte abgeleitet, wie die elektrische oder magnetische Feldstärke in der Umgebung. Die neueste ICNIRP-Leitlinie von 2020 aktualisiert die Empfehlungen für den Frequenzbereich von 100 kHz bis 300 GHz und ersetzt damit Teile der älteren Dokumente, um den Anforderungen moderner Technologien wie 5G gerecht zu werden.
Neben der ICNIRP existieren weitere relevante Standards, darunter die IEEE C95.1-Normen, die von dem Institute of Electrical and Electronics Engineers herausgegeben werden. Während die ICNIRP auf induzierte Stromdichten als Grundlage für ihre Grenzwerte setzt, bevorzugt die IEEE C95.1 die induzierte elektrische Feldstärke im Gewebe, da diese nach Ansicht der Normierer eine genauere Abschätzung der biologischen Wirkung ermöglicht. Diese methodischen Unterschiede unterstreichen, dass die Wissenschaft über die beste Vorgehensweise bei der Risikobewertung noch nicht vollständig einig ist. In China bildet die nationale Norm GB 8702—2014 die rechtliche Grundlage für die Kontrolle elektromagnetischer Felder in der Umwelt. Diese Norm deckt einen weiten Frequenzbereich von 1 Hz bis 300 GHz ab und orientiert sich eng an den ICNIRP-Empfehlungen. Allerdings handelt es sich bei GB 8702—2014 um einen allgemeinen Umweltstandard, der keine spezifischen Anforderungen an die einzigartige Expositionssituation innerhalb eines Fahrzeugs stellt.
Um diese Lücke zu schließen, wurden in den letzten Jahren spezifische Automobilstandards entwickelt. Japan war mit der JASO TP-13002:2013 Vorreiter, der erste standardisierte Messansatz für die Bewertung der EMF-Exposition im Fahrzeuginnenraum. Dieser wurde später durch den internationalen Standard IEC TS 62764-1 ergänzt, dessen aktuelle Version von 2022 den Frequenzbereich auf 1 Hz bis 100 kHz für niederfrequente Magnetfelder festlegt. In China markiert die Veröffentlichung der GB/T 37130—2018 einen Meilenstein: Es handelt sich um den ersten nationalen, verbindlichen Standard, der explizit die Messung der EMF-Exposition in Fahrzeugen regelt. Diese Norm, die 2019 in Kraft trat, definiert detaillierte Testverfahren für verschiedene Fahrzeugtypen und Betriebszustände – wie Leerlauf, konstante Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bremsen und Laden – und setzt Grenzwerte, die mit GB 8702—2014 übereinstimmen. Die Einführung einer solchen verbindlichen Norm unterstreicht das wachsende Engagement Chinas für die elektromagnetische Sicherheit von Fahrzeugen.
Darüber hinaus haben brancheninterne Bewertungsprogramme wie der China Electric Vehicle Test & Assessment (EV-Test) und der China Automotive Health Index (C-AHI) begonnen, die EMF-Exposition als Kriterium in ihre Bewertungssysteme aufzunehmen. Diese Programme gehen über die reine Einhaltung von Mindeststandards hinaus und bewerten Fahrzeuge anhand ihrer Leistung in realitätsnahen Szenarien. Sie vergeben Punktzahlen, die es Herstellern ermöglichen, sich gegenseitig zu vergleichen, und geben Verbrauchern eine transparente Orientierungshilfe. Dieser Wettbewerb fördert aktiv die Entwicklung von Fahrzeugen mit optimierter elektromagnetischer Umgebung.
Der methodologische Kern der Studie von Zhao, Chen und Li liegt in der Kombination aus numerischer Simulation und praktischer Messung. Direkte Messungen der elektrischen Felder innerhalb des menschlichen Körpers sind mit derzeitiger Technologie nicht möglich. Daher ist die numerische Simulation ein unverzichtbares Werkzeug, um die tatsächliche Exposition – den sogenannten Dosiswert – zu bestimmen. Die Forscher verwendeten die Methode der skalaren Potential-Differenzen (SPFD), um die Wechselwirkung zwischen den im Fahrzeug erzeugten Magnetfeldern und einem menschlichen Körpermodell zu berechnen.
Für die Simulation wurde ein vereinfachtes Fahrzeugmodell erstellt, das wesentliche Komponenten wie Busleitungen, Radnaben, Karosserie, Scheiben und Sitze enthält. Ein hochauflösendes Voxel-Modell eines erwachsenen Menschen in Sitzposition wurde im Fahrersitz platziert, um ein realistisches Nutzungsszenario abzubilden. Ein besonderer Aspekt der Studie war die Berücksichtigung von Personen mit metallischen Implantaten. Dazu wurde ein Modell mit einer metallischen Wirbelsäulenversteifung erstellt. Metallische Implantate können als Antennen wirken und elektromagnetische Energie konzentrieren, was zu einer lokalen Erhöhung der induzierten elektrischen Felder und einer damit verbundenen Gewebeerwärmung führen könnte.
Die Simulationen wurden für verschiedene Frequenzen durchgeführt – 1 kHz, 100 kHz und 10 MHz – die typische Betriebsfrequenzen von Leistungselektronik und Kommunikationssystemen repräsentieren. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die induzierten elektrischen Felder in einem gesunden Körper weit unterhalb der ICNIRP-Grenzwerte liegen. Bei einer Frequenz von 100 kHz betrug der berechnete Wert für einen gesunden Probanden beispielsweise 0,424 V/m, während der ICNIRP-Grenzwert für die allgemeine Bevölkerung bei 13,5 V/m liegt. Bei einer Person mit einem metallischen Implantat stieg der Wert auf 0,872 V/m – ein signifikanter Anstieg, der die Verstärkungswirkung des Metalls demonstriert. Dennoch blieb dieser Wert auch in diesem worst-case-Szenario deutlich unterhalb des Sicherheitslimits. Die Studie kommt daher zu dem Schluss, dass die aktuelle EMF-Exposition in Elektrofahrzeugen für die breite Bevölkerung, einschließlich Personen mit gängigen medizinischen Implantaten, als sicher einzustufen ist.
Um die Simulationsergebnisse zu ergänzen und zu validieren, führten die Forscher praktische Messungen an zehn kürzlich auf den Markt gebrachten Elektrofahrzeugen durch, basierend auf dem C-AHI-Testprotokoll. Die Tests umfassten verschiedene Fahrszenarien: konstante Geschwindigkeit, starkes Beschleunigen und starkes Bremsen. Die Messungen konzentrierten sich auf den niederfrequenten Bereich von 10 Hz bis 30 MHz. Zusätzlich wurden die EMF-Emissionen im Kommunikationsmodus gemessen, der die hochfrequenten Felder von Systemen wie T-BOX (Telematik) erfasst, mit einem Frequenzbereich von 30 MHz bis 3 GHz.
Die Messergebnisse bestätigten die geringe Exposition während des Fahrens. Bei den meisten Fahrzeugen lagen die höchsten Magnetfeldstärken im Bereich von 25–30 MHz. Zwei Modelle zeigten Spitzen in einem anderen Frequenzband (3,8–5,1 MHz), was auf unterschiedliche Design- oder Abschirmungslösungen hinweisen könnte. Im Kommunikationsmodus zeigten alle Fahrzeuge erhöhte elektrische Feldstärken in der Nähe ihrer jeweiligen Betriebsfrequenzen, blieben aber innerhalb sicherer Grenzen. Bei der Bewertung nach dem C-AHI-System erzielten neun der zehn Fahrzeuge sehr hohe Gesamtpunktzahlen, zwischen 87,85 und 100 von 100 möglichen Punkten. Der Hauptfaktor, der die Gesamtpunktzahl beeinflusste, war die Leistung im Kommunikationsmodus, was darauf hindeutet, dass die EMF-Emissionen des Antriebsstrangs gut beherrscht sind, während die zunehmende Zahl an drahtlosen Systemen ein neues, zu berücksichtigendes Element darstellt.
Die Studie betont, dass die Sicherheit der derzeitigen Expositionsniveaus nicht zur Nachlässigkeit führen sollte. Die Zukunft der Automobiltechnik ist geprägt von einer noch größeren Vielfalt an elektromagnetischen Quellen. Drahtloses Laden, 5G- und zukünftige 6G-Kommunikationsmodule, hochauflösende Millimeterwellen-Radare für autonomes Fahren und komplexe In-Car-Netzwerke tragen zu einer immer komplexeren elektromagnetischen Umgebung bei. Diese Systeme arbeiten oft mit höheren Frequenzen und nutzen gepulste oder modulierte Signale, deren biologische Wirkungen weniger gut erforscht sind als die von kontinuierlichen, niederfrequenten Feldern.
Zudem wird die Exposition in Zukunft dynamischer und räumlich heterogener sein. Während die Felder des Antriebsstrangs relativ stabil sind, senden Kommunikationssysteme in kurzen, intermittierenden Burst-Modi. Dies stellt eine Herausforderung für traditionelle Messmethoden dar, die oft auf stationären Zuständen basieren. Die Forscher argumentieren daher, dass die Bewertungsmethoden kontinuierlich weiterentwickelt werden müssen, um realistischere Szenarien abzubilden, die unterschiedliche Körpergrößen, Haltungen und Nutzungsmuster berücksichtigen. Besondere Aufmerksamkeit sollte vulnerablen Gruppen wie Kindern, schwangeren Frauen und Personen mit medizinischen Implantaten gelten.
Auf politischer Ebene unterstreicht die Studie die Notwendigkeit harmonisierter internationaler Standards, die speziell auf die Innenraumexposition in Fahrzeugen abzielen. Während die chinesische Norm GB/T 37130—2018 einen wichtigen Schritt darstellt, fehlen ähnliche verbindliche Vorschriften in vielen anderen Märkten. Freiwillige Programme wie der C-AHI sind wertvoll, aber gesetzliche Vorgaben sind notwendig, um einheitliche Sicherheitsstandards für alle Hersteller und Fahrzeugklassen zu gewährleisten.
Für die Automobilindustrie bietet die Studie eine Bestätigung, dass moderne Elektrofahrzeuge in Bezug auf EMF-Sicherheit gut gestaltet sind. Gleichzeitig zeigt sie Handlungsbedarf bei der Optimierung von Hochfrequenzsystemen. Durch gezielte Abschirmung, Filterung und intelligente Antennenplatzierung können Hersteller die EMF-Emissionen weiter reduzieren, ohne die Leistung der Systeme zu beeinträchtigen. Transparenz gegenüber den Verbrauchern ist entscheidend. Viele Nutzer sind sich der Quellen und der Natur der EMF in ihren Fahrzeugen nicht bewusst, und Fehlinformationen können zu unnötigen Bedenken führen. Eine klare, auf Fakten basierende Kommunikation über die gemessenen Werte, die geltenden Standards und die daraus resultende Sicherheit ist essenziell, um Vertrauen aufzubauen.
Zusammenfassend liefert die Arbeit von Zhao Hui, Chen Bing und Li Congsheng eine fundierte, vielschichtige Analyse der EMF-Exposition in Elektrofahrzeugen. Durch die Kombination aus theoretischer Modellierung und praktischer Validierung liefert sie überzeugende Evidenz dafür, dass aktuelle Fahrzeuge sicher sind. Gleichzeitig weist sie auf die sich wandelnden Herausforderungen hin, die mit der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung des Fahrzeugs einhergehen. Die Sicherheit der Insassen ist ein dynamisches Ziel, das kontinuierliche Forschung, innovative Ingenieurskunst und eine proaktive Regulierung erfordert. Während die Branche auf dem Weg zur vollständigen Elektrifizierung und Autonomie ist, stellt diese Studie sicher, dass die Gesundheit der Menschen im Mittelpunkt der technologischen Entwicklung bleibt.
Zhao Hui, Chen Bing, Li Congsheng, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.03.14