Magnetfeldimmissionen in Elektroautos

Elektroautos für den Individualverkehr gehören mittlerweile zum gewohnten Strassenbild. Ihre Verbreitung wird in den kommenden Jahren weiter zunehmen. Mit Antriebs-Spitzenleistungen von mehreren Hundert Kilowatt und typischen Batteriespannungen von 400 bis 800 V sind im Antriebsstrang Spitzenstromwerte von deutlich über 500 A möglich. Dies lässt zwangsläufig höhere Magnetfelder in den Fahrzeugen erwarten. Diesen Magnetfeldern sind die Fahrzeuginsassen ausgesetzt, weshalb sich die Frage nach der Höhe dieser Immissionen im Vergleich zu gegenwärtigen Grenzwerten stellt. Wissenschaftler der Seibersdorf Labor GmbH und des Forschungszentrums für elektromagnetische Umweltverträglichkeit der RWTH Aachen sind in Kooperation mit dem ADAC dieser Frage in einer vom deutschen Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit geförderten Studie nachgegangen.

Die rechtliche Situation

Die Frage, welche gesetzlichen Regelungen zur Begrenzung von Magnetfeldimmissionen bei Elektroautos heranzuziehen sind, ist in den meisten Ländern, so auch in der Schweiz, nicht eindeutig geklärt. Es erscheint jedoch sinnvoll, die von der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) empfohlenen Referenz- und Basisgrenzwerte für eine Bewertung heranzuziehen. Schliesslich orientieren sich die in der Schweizer NISV festgesetzten Immissionsgrenzwerte für elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder, die von ortsfesten Anlagen erzeugt werden, ebenfalls an den Empfehlungen der ICNIRP aus dem Jahr 1998.

Auch in der EU-Ratsempfehlung 1999/519/EG zum Schutz der Allgemeinbevölkerung vor gesundheitlichen Auswirkungen elektromagnetischer Felder werden die Werte dieser ICNIRP-Empfehlung übernommen. Die ICNIRP-Empfehlungen sind im Detail jedoch komplex und bedürfen daher einer Erklärung: Grundsätzlich wird dabei zwischen den «Basisgrenzwerten» – das sind Grenzwerte für physikalische Grössen, die im Körperinneren auftreten – und den «Referenzwerten» für die ausserhalb des Körpers in der Luft messbaren Feldstärken unterschieden. Verkomplizierend kommt hinzu, dass sowohl die Basisgrenzwerte als auch die Referenzwerte frequenzabhängig sind. Solange die Basisgrenzwerte eingehalten werden, kann man davon ausgehen, dass keine gesundheitlich nachteiligen Effekte auftreten. 

Da Messungen im Körperinneren aber praktisch unmöglich sind, nutzt man in der Praxis für die Expositionsbewertung zunächst die Referenzwerte. Diese sind so festgesetzt, dass man bei deren Einhaltung davon ausgehen kann, dass auch die Basisgrenzwerte im Körper nicht überschritten werden. Umgekehrt gilt jedoch: Wird ein Referenzwert überschritten, heisst das nicht automatisch, dass auch die Basisgrenzwerte im Körper überschritten sind. Dies ist insbesondere in Situationen relevant, in denen die Exposition nur sehr lokal stattfindet, also nur ein sehr kleiner Teil des Körpers den Feldern ausgesetzt ist. Wird ein Referenzwert überschritten, kann ein endgültiges Urteil über die betrachtete Situation nur durch eine Bewertung auf Grundlage der Basisgrenzwerte erfolgen. Dies ist in der Regel mit erheblichem Aufwand verbunden, z. B. durch Computersimulationen mit anatomischen Körpermodellen.

Untersuchte Fahrzeuge und Fahrbedingungen

Insgesamt wurden Messungen in 14 Fahrzeugen durchgeführt: elf rein elektrisch betriebene Autos, zwei Plug-in-Hybride und ein Verbrennerfahrzeug zu Vergleichszwecken (Bild 1). Die elektrischen Antriebsleistungen der Fahrzeuge lagen zwischen 85 und 377 kW. Die Magnetfeldimmissionen wurden an Sitzplätzen in jeweils zehn Positionen vom Fussraum bis zur Kopfhöhe gemessen. Dabei wurden systematisch unterschiedliche Fahrbedingungen wie Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, Bremsen und Beschleunigen sowohl auf einem Fahrzeugprüfstand als auch auf einer Teststrecke untersucht. Zusätzlich erfolgten Messungen an jeweils einem Sitzplatz während einer ca. 90-minütigen Fahrt im Realverkehr. Um auch die Magnetfelder zu erfassen, die von elektrischen Komponenten erzeugt werden, die nicht mit dem Antriebssystem in Zusammenhang stehen, wurden ergänzende Messungen im Stillstand durchgeführt, bei denen diese Komponenten (z. B. Sitzheizung, Fensterheber, Blinker) ein- und ausgeschaltet wurden. Insgesamt wurden auf diese Weise mehr als 975 000 Einzelmessungen in den Fahrzeugen durchgeführt.

Optimierte Messtechnik

Im Gegensatz zu Magnetfeldmessungen in der Umgebung von Hochspannungsleitungen, bei denen man normalerweise mit weitgehend stationären Feldern einer dominanten Frequenz und über Körperdimensionen nur geringfügig variierenden Feldstärke-Effektivwerten zu tun hat, sind die Magnetfeldimmissionen in Elektrofahrzeugen als zeitlich dynamisch zu erwarten. Aufgrund der Nähe zu den Quellen ist zudem davon auszugehen, dass die Magnetfelder entlang des Körpers stark variieren. Schliesslich führt die eingesetzte Stromrichtertechnik selbst bei gleichmässiger Fahrweise zu Betriebsströmen und damit zu Magnetfeldern mit ausgeprägtem Oberwellengehalt. Mit herkömmlicher Messtechnik stösst man dabei schnell an Grenzen, speziell wenn es darum geht, die räumlichen Feldverteilungen an den Fahrgastplätzen bei einer Vielzahl von Fahrzeugzuständen und insbesondere in dynamischen Phasen wie Bremsen und Beschleunigen zu erfassen und zu bewerten.

Für die im Rahmen der Studie durchgeführten Messungen wurde daher ein besonders für diesen Zweck optimiertes Messsystem verwendet. Dieses erlaubt die simultane Messung der Magnetfeldimmissionen an zehn unterschiedlichen Positionen, wobei in jeder Messposition der Zeitverlauf der Magnetfeldimmissionen im Frequenzbereich bis zu 400 kHz aufgezeichnet wird. Für die systematischen Messungen an den Plätzen der Fahrzeuginsassen wurden die zehn Messsonden, in einem Hartschaum-Dummy befestigt, entlang des Körpers vom Fussbereich bis in Kopfhöhe verteilt, um die Magnetfeldbelastung in den verschiedenen Körperregionen zu ermitteln (Bild 2).

Magnetfeldmessungen während des Fahrens

Die Messungen während der Fahrt zeigten sehr heterogene Ergebnisse bei den untersuchten Fahrzeugmodellen. Kurzzeitige und auf kleine Raumbereiche begrenzte Spitzenwerte der magnetischen Flussdichte, die meistens im Fussbereich der beiden vorderen Sitzplätze oder im Unterleibsbereich eines Passagiers auf der Rückbank auftraten, lagen typischerweise im zweistelligen Mikroteslabereich (Bild 3). In einem Fahrzeug wurden jedoch auch mehrere 100 μT gemessen. Die Spitzenwerte traten meist bei starken Beschleunigungs- bzw. Bremsmanövern auf. In einigen der untersuchten Fahrzeuge wurden die von der ICNIRP empfohlenen Referenzwerte an einzelnen Messpositionen dabei teilweise deutlich überschritten (Bild 4). Computersimulationen der durch diese Magnetfeldspitzenwerte im Körper induzierten elektrischen Feldstärken und Stromdichten zeigten jedoch, dass die letztlich relevanten Basisgrenzwerte in allen Fällen eingehalten wurden. Bei «sanfter» Fahrweise bzw. beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit waren die Spitzenwerte der magnetischen Flussdichte deutlich niedriger, und die gemäss ICNIRP bewerteten Immissionen blieben im ein- oder zweistelligen Prozentbereich der Referenzwerte. Lediglich in einem Fahrzeug traten in einer Messposition auch dabei Immissionen knapp oberhalb der Referenzwerte auf. 

Im Oberkörper- und Kopfbereich waren die Immissionswerte typischerweise um ein bis zwei Zehnerpotenzen geringer als das räumliche Maximum. Die verbaute elektrische Antriebsleistung allein erwies sich jedenfalls nicht als zuverlässiger Indikator für die maximal in den Fahrzeugen gemessenen Magnetfeld-Spitzenwerte. Vielmehr spielen auch die Lage der stromführenden Komponenten und deren Aufbau eine entscheidende Rolle. 

Interessant ist, dass auch im untersuchten Fahrzeug mit Verbrennungsmotor Magnetfeldimmissionen auftraten. Diese lagen bei Bewertung nach ICNIRP in der gleichen Grössenordnung wie die in Fahrzeugen mit Elektroantrieb gefundenen Werte. Sie waren ausschliesslich mit der Betätigung des Bremspedals assoziiert und traten dementsprechend seltener auf als die Immissionsspitzenwerte in den Elektroautos. 

Betrachtet man abseits der räumlichen und zeitlichen Magnetfeld-Spitzenwerte räumlich über Körperdimensionen gemittelte Langzeit-Effektivwerte (RMS-Werte) der magnetischen Flussdichte während längerer Testfahrten im Realverkehr und auf dem Prüfstand, so liegt das untersuchte Fahrzeug mit Verbrennungsmotor innerhalb des Streubereichs über den unterschiedlichen Elektrofahrzeugen (rund 0,5 – 2 μT).

Nicht-antriebsassoziierte Magnetfelder

Kurze Magnetfeldspitzen treten aber nicht nur während der Fahrt auf: Auch im Stillstand wurden Spitzenwerte gemessen, die teilweise sogar höher waren als die während der Fahrt auftretenden. Insbesondere das Einschalten der Fahrzeuge bzw. das Einschalten der Zündung in Verbrennerfahrzeugen verursacht hohe und steilflankige Einschaltstromstösse, die lokal – in der Regel im Fussbereich – zu Überschreitungen der eingangs genannten Referenzwerte in fast allen untersuchten Autos führen. In einigen Fahrzeugen führten auch die Betätigung des Bremspedals im Stillstand oder die Sitzheizung lokal zu Magnetfeldimmissionen, die die Referenzwerte überschritten. Wie im Fall der während des Fahrens festgestellten Referenzwertüberschreitungen ergaben Detailanalysen hinsichtlich der im Körper induzierten elektrischen Feldstärken und Stromdichten jedoch keine Hinweise auf eine Überschreitung der Basisgrenzwerte.

IEC 62764-1

Dieser internationale Standard beschreibt Methoden zur Messung von Magnetfeldern in Fahrzeugen im Hinblick auf die Exposition von Personen. In der aktuellen Ausgabe (Edition 1.0 aus dem Jahr 2022) steht jedoch offensichtlich das Erreichen vergleichbarer Messergebnisse im Vordergrund, während die unter realistischen Fahrbedingungen auftretende maximale Magnetfeldexposition von Fahrzeuginsassen nur am Rande berücksichtigt wird. Dies wird vor allem dadurch deutlich, dass transiente Magnetfeldspitzen mit einer Dauer von weniger als 200 ms vernachlässigt werden und eine Mindestdistanz von 20 cm zwischen dem Zentrum des Messaufnehmers und den Oberflächen des Fahrgastraums (ausgenommen Sitzoberflächen) festgelegt wird. Das heisst, kurzzeitige, lokal am Fahrzeugboden oder an den seitlichen Begrenzungen der Fussräume auftretende Magnetfeldwerte werden per Definition nicht erfasst. Zudem entsprechen die zu untersuchenden Fahrbedingungen eher einem sehr sanften Fahrstil, obwohl aus rein physikalischer Sicht – und wie auch durch die Messungen der Studie bestätigt – bei sportlicher Fahrweise höhere Immissionswerte zu erwarten sind. Aus strahlenschutztechnischer Sicht ist dies fragwürdig, und es bleibt zu hoffen, dass diese Mängel in der nächsten Ausgabe des Standards behoben sind.

Fazit

Die Ergebnisse der im Rahmen der Studie durchgeführten umfangreichen und systematischen Magnetfeldmessungen sowie der weiterführenden Detailanalysen zeigen, dass die von der ICNIRP empfohlenen Basisgrenzwerte innerhalb des Körpers in allen untersuchten Fahrzeugen eingehalten wurden. Lokal, innerhalb kleiner Raumbereiche der Fahrgastzelle – meist im Fuss- und Unterschenkelbereich –, führten jedoch kurzzeitig auftretende transiente Magnetfelder zu Überschreitungen der Referenzwerte für die ausserhalb des Körpers messbare magnetische Flussdichte.

Die deutlichen Unterschiede hinsichtlich der messbaren Magnetfeld-Spitzenwerte zwischen den Fahrzeugmodellen einerseits sowie die Ergebnisse der Ursachenanalyse andererseits deuten darauf hin, dass die Fahrzeughersteller Potenzial haben, diese Spitzenimmissionswerte zu verringern, wenn das Thema «Magnetfeldexposition der Fahrzeuginsassen» bereits in frühen Stadien des Fahrzeugdesigns berücksichtigt wird. 

Im Hinblick auf eine zeitgemässe strahlenschutztechnische Bewertung von Magnetfeldimmissionen bleibt zu hoffen, dass es zeitnah einen internationalen Standard gibt, der dem aktuellen Stand des Wissens entspricht und die in der Praxis auftretenden Expositionsszenarien realistisch abbildet.