純電動汽車電磁兼容分析與電磁干擾抑制

裴春松

（河南少林汽車股份有限公司，河南 滎陽 450100）

近年來，電動汽車受到世界各國政府的高度重視，被普遍確立為保障能源安全和轉型低碳經濟的重要途徑。中國政府更是高度關注電動汽車的研發和產業化，國家有關部門為支持電動汽車產業的發展創造了良好的政策環境，發展電動汽車已成為國家戰略。2009年11月，國務院總理溫家寶指出，電動汽車已成為全球汽車工業的發展方向［1］。純電動汽車由于在使用階段零排放、綜合能源利用效率高，能夠徹底擺脫對石油的依賴，是解決我國汽車能源和環境問題的根本途徑，也是我國電動汽車發展的戰略重點和主要方向。

純電動汽車中高壓大功率的電力電子裝置和驅動電機在工作時會產生嚴重的電磁干擾，同時電動汽車比傳統汽車增加了更多的高壓線束和CAN通信線束，干擾會通過電纜和底盤對CAN通信線束造成影響，而CAN總線系統用來完成電動汽車三大系統之間的通信，直接關系到電動汽車的安全，因此，電動汽車的電磁兼容問題更為復雜、嚴重。如何解決純電動汽車的電磁兼容問題，提高電動汽車的可靠性和安全性，是純電動汽車設計的重要方面。

1 電磁兼容概述

1.1 電磁兼容術語

文獻［2］對電磁兼容各術語定義如下。

電磁兼容 （Electromagnetic Compatibility， 簡寫為EMC）——設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

電磁環境——存在于給定場所的所有電磁現象的總和。

電磁騷擾——任何可能引起裝置、設備或系統性能降低或者對生物或非生物產生不良影響的電磁現象。

電磁干擾 （Electromagnetic Interference， 簡寫為EMI）——電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。

電磁發射——從源向外發出電磁能的現象。發射不僅指電磁能量向外界空間進行的電磁輻射，也包括以電流的形式在電導體中進行的電磁能量的傳導。

1.2 電磁兼容的三要素

電磁兼容三要素是干擾源、傳播途徑和敏感源。所謂干擾源是指任何產生電磁干擾的元件、器件設備、分系統、系統或自然現象。干擾的傳播途徑是指干擾通過任何媒介，以任何方式 （包括傳導、輻射）送至接收器。敏感源是指一切易受到電磁干擾的元件、器件、設備、分系統或系統。電磁兼容三要素如圖1所示。

電動汽車處于十分復雜的電磁環境中，車上電子電氣設備種類繁多，電磁干擾途徑多種多樣，設備的電磁敏感度也各不相同。為達到電磁兼容性的設計要求，就要分析各種電磁干擾源的特性和技術參數，確定干擾路徑和耦合方式，根據具體參數采取抑制干擾、消除干擾的措施。

1.3 汽車電磁兼容的標準

歐美發達國家十分重視對汽車電磁兼容性的研究，世界各國和相關國際性組織，制定了眾多的標準和法規來限制汽車的電磁兼容問題。我國自從1983年發布第1個電磁兼容國家標準GB3907—1983以來，已經發布了多個有關電磁兼容的國家標準，但還很不健全，有待進一步研究改善。目前發布的有關車輛電磁兼容性的標準見表1。

表1 車輛電磁兼容性標準

2 純電動汽車電磁兼容分析

2.1 純電動汽車動力系統

電動汽車由于動力系統結構的特殊性，使得其電磁兼容性能同傳統車有較大的差異。以少林牌SLG6105EV型純電動城市客車為例，動力系統如圖2所示。該車主要由驅動電機、減速箱、電機控制器、 整車控制器 （Vehicle Control Unit， 簡寫為VCU）、儲能系統、輔助系統等部件構成。其中，動力系統主要由驅動電機及其控制器、減速箱、儲能系統（含電池管理系統）組成。

圖2中粗實線代表高壓線，用來實現能量的流動。細實線代表通信線，實現信號的傳遞。整車控制器VCU通過采集駕駛員踏板 （包括牽引踏板、制動踏板），判斷駕駛員的駕駛意圖，確認牽引 （或制動）模式，并計算出目標牽引 （或制動）力矩，將相關控制指令通過CAN總線發送給電機控制器，電機控制器根據控制命令控制電機工作于驅動 （或制動）工況。同時，電機控制器將電機轉速、直流電壓、直流電流等信息，通過CAN總線發送給整車控制器和儀表。儲能系統中的電池管理系統 （Battery Management System，簡寫為BMS）對電池組的各單體電池電壓和電池包溫度進行測量，并進行電量計算，將電池信息通過CAN總線發送給整車控制器和儀表。可見，CAN總線系統是電動汽車的神經網絡，涉及電動汽車安全的信息必須實時無誤地傳遞。

2.2 純電動汽車系統電磁干擾問題分析

電動汽車的電磁兼容性應從電磁兼容的三要素來分析，三要素中任何一個條件的消弱或缺失，電磁干擾都將得到改善和解決。

電動汽車的電磁干擾源大致可以分為3類，即車載干擾源、自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源是指由自然現象引起的電磁干擾，人為干擾源是指由汽車外部人工裝置產生的電磁干擾。大多數情況下這2種電磁噪聲非常復雜，并且對汽車的干擾影響可以忽略。下面主要從車載干擾源來分析。

車載干擾源主要是指車上各種電氣系統產生的電磁干擾，車載干擾源主要有電機、動力電池、電力電子裝置、電動輔助系統。電壓和電流的快速暫態會產生輻射和噪聲，特別是電力電子裝置的快速整流、電機起動、高壓輻射更會引起較高場強的傳導及輻射騷擾。車載干擾源主要分為差模干擾源和共模干擾源，其電磁傳播模式很復雜，有傳導干擾和輻射干擾2種形式。

差模干擾是將母線作為往返路線的干擾，其通過母線、電池和逆變器形成回路。由三相逆變器高頻等效電路得出，控制器IGBT開關動作時形成差模干擾源，使母線中存在差模電流［3］，通過母線、動力電池、控制器形成回路。差模干擾源及其傳播途徑如圖3所示。

共模IGBT開關動作不僅會形成差模干擾電壓，而且同時也誘發共模干擾電壓，由于電動機、電機控制器同車體之間存在雜散電容，共模電壓通過雜散電容形成回路，從而形成共模干擾［4］。共模干擾源及其傳播途徑如圖4所示。

驅動系統開關元件動作引起的噪聲通過共模和差模回路進行傳播，動力電池和逆變器相連的直流母線或電纜，以及連接交流電機和逆變器的交流電纜中流過較大的瞬變電流，電流流動時，可通過長導線向外發送輻射，或通過串擾對相鄰導線進行干擾。在電動汽車的輻射干擾中，由天線理論很容易得知，共模干擾占主導地位。

由于電動汽車空間及結構的原因，電動汽車高壓導線和低壓控制線 （通信線）不可避免地會出現耦合和串擾，這是對電磁輻射比較敏感的CAN通信系統易受到干擾的主要原因。

3 電動汽車抑制電磁干擾的措施

通常抑制電磁干擾的措施有屏蔽、濾波和搭鐵。

屏蔽是利用屏蔽材料阻止或減少電磁能量在空間傳輸的一種措施。屏蔽的效能用屏蔽有效度標示，它不僅與屏蔽材料有關，而且與材料的厚度、應用頻率、輻射源到屏蔽層的距離及屏蔽層不連續的形狀和數量有關。

屏蔽主要是為了解決輻射干擾，而濾波主要是解決傳導干擾。完成濾波作用的部件稱為濾波器。濾波器主要抑制通過電路通路直接進入的干擾。根據信號與干擾信號之間的頻率差別，可以采用不同性能的濾波器，抑制干擾信號，提高信噪比。

搭鐵就是在兩點之間建立導電通路，其中的一點通常是系統的電氣元件，而另一點則是參考點。一個搭鐵系統的有效性取決于在多大程度上減小搭鐵系統的電位差和減小搭鐵電流。

結合純電動汽車的結構和對電動汽車電磁兼容分析，可通過下面幾個方面來抑制電磁干擾。

3.1 純電動汽車的布置

電動汽車在有限的空間中集成了大功率電力電子元件及多個電動機，電動汽車的結構設計對整車電磁兼容的影響很大。由前面分析得知，共模干擾在電磁干擾中占主導地位，因此在電動汽車布置中，電機控制器應盡可能靠近電機布置，使電機控制器和電機之間的連線盡可能縮短 （一般不超過1.5m）。整車控制器VCU作為電動汽車的控制核心，是整個CAN網絡的網關，它作為敏感源，整車布置時要遠離電機和電機控制器等高壓電氣部件。

3.2 電動汽車用線束的走向及選材

在電動汽車電磁兼容問題的因素中，線束 （高壓電纜、低壓線束）占有重要地位，這是因為線束電纜是一根根高效的接收和輻射天線。另外線束中的導線平行傳輸的距離最長，因此導線之間存在較大的分部電容和互電感，這會導致導線之間發生信號的串擾。

由于電動汽車上安裝空間的限制，不可能使所有導線都保持起碼的間距。我們將電動汽車上的線束分為3類，將具有相同潛在的干擾和大致相同靈敏度的導線綜合在一起，并分開布線。表2是電動汽車用導線分類。為達到充分的退耦，電動汽車各類導線之間應保持最小間距。電池間連線、電池箱連接線與低壓導線應保持的最小間距為0.1 m，與CAN總線、信號線應保持的最小間距為0.2m。電機控制器與電機之間連接線和低壓導線應保持的最小間距為0.2m，和CAN總線、信號線應保持的最小間距為0.3m。

表2 電動汽車用導線分類

電動汽車布線及選材的規則:①各類電纜要分開鋪設，并保持相互之間的最小間距；②在各類不同電纜的情況下，如果不能保持最小間距，尤其是相對B2類電纜的間距，應使用附加的屏蔽物 （如金屬屏蔽管等），并充分隔離；③在長度小于1 m的導線一起鋪設時，A類可以和B1鋪設在一起，但不能與B2鋪設在一起；④各種不同類型的導線垂直交叉時，不需最小間距；⑤A2類電纜為合適電壓等級的帶屏蔽層電纜，B2類應為帶屏蔽層雙絞線。

3.3 電力電子裝置箱體設計中的屏蔽

電磁干擾沿空間的傳播是以 “場”的方式進行的，可以通過屏蔽箱體對電磁場的反射損耗及吸收損耗，來減弱或者消除電磁干擾對系統內外設備的干擾。

3.3.1 模塊屏蔽

將控制器內一些輻射大或抗干擾能力差的單板或模塊，單獨安裝在屏蔽盒中。通常將IGBT模塊、電源板等功率模塊用金屬網罩屏蔽，變壓器、電抗器通過鐵心環路和繞組線圈外面包一層或多層金屬短路環以減少漏磁通。

3.3.2 殼體屏蔽

通過金屬殼體把整個系統屏蔽起來，利用金屬外殼對電磁干擾反射和吸收損耗，切斷機箱內外干擾信號的傳播。比較常用的屏蔽材料有鋼板、鋁板、鋁箔銅板、銅箔等。

在屏蔽設計時，應該根據屏蔽效能的具體要求和場合來選擇屏蔽材料。在選用屏蔽材料時，應遵循以下原則。

1）當外界干擾電磁場的頻率比較高時，用低電阻率、高電導率的材料。

2）當外界干擾電磁場的頻率比較低時，應該用高磁導率的材料。

3.3.3 箱體上孔縫對屏蔽的影響

電力電子裝置箱體上有通風孔、進出線孔、安裝孔及箱蓋與箱體之間的連接縫等孔縫，這些都可能造成電磁波的嚴重泄漏，改善孔縫屏蔽有下面幾種方法。

1）加裝導電襯墊 導電襯墊具有良好的導電性和彈性，用于兩塊金屬的連接處，可以減小縫隙，保證金屬板之間的電連續性，從而增加屏蔽效能。導電襯墊通常有軟金屬、金屬編織絲線、導電橡膠、螺旋彈簧等。把蓋板安裝在電機控制器箱上時，各種導電襯墊及其安裝方法如圖5所示。

2）加裝金屬絲網 在電機控制器的通風口上經常覆蓋一層金屬絲網，使之既能保持通風又能起到屏蔽作用。由于網孔太多，金屬網的吸收損耗很小，主要靠反射損耗。對于同樣的金屬線徑，目數越多即網孔越小，屏蔽效能就越高。對于確定的目數，線徑越大即網孔越小，屏蔽效能越高。

3）增加孔縫隙深度 利用波導原理，增加孔縫隙的深度，可以改善蓋板與箱體間接縫的屏蔽。增加縫隙深度的結構示意圖如圖6所示。

3.3.4 鐵氧體磁環的應用

電動汽車總裝結束后，電纜上產生的共模電壓也就一定了。這時，減小電纜上的共模電流的方法就是增加共模電流回路的阻抗。實用且有效的方法是在電纜上增加鐵氧體磁環，將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環就構成了一個共模扼流圈。共模扼流圈不需要搭鐵，可以直接加到電纜上，根據需要，也可以將電纜在磁環上繞幾匝。為了工程方便，很多廠家提供分體式的磁環，這種磁環可以很容易地卡在電纜上。鐵氧體磁環實物如圖7所示。

在使用鐵氧體磁環時，需要注意以下問題。

1）鐵氧體材料的選擇 根據要抑制干擾的頻率不同，選擇不同材料成分和磁導率的鐵氧體材料。電動汽車上采用的磁環應具有較高的高頻磁導率。常用的高頻磁性材料有錳鋅氧磁體和鎳鋅氧磁體。因鎳鋅氧磁體磁導率的頻率穩定性較好，在高頻情況下磁導率仍保持基本不變，一般經常采用。

2）鐵氧體磁環的尺寸 磁環的內外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內徑一定要包緊導線。因此，要獲得大的衰減，在磁環內徑包緊電纜的前提下，盡量使用體積較大的磁環。

3）鐵氧體磁環的安裝位置 一般盡量靠近干擾源或敏感源。在電動汽車上，磁環要盡量靠近電機控制器的電纜進出口、充電插口、整車控制器接線口。

3.4 搭鐵設計

電動汽車中沿電纜和底盤傳導的共模電流是電動汽車產生電磁干擾的重要原因。采用恰當的搭鐵電阻，可以衰減流向底盤的共模干擾電流及其引發的電磁輻射。電動汽車只有輪胎和地面接觸，整個車身對地是絕緣的，共模干擾電流經電機控制器底座流向底盤，產生的共模電壓很有可能危及乘客的安全。因此電機控制器底座、電機外殼必須搭鐵。另外，搭鐵阻抗必須恰當，從而最大程度衰減共模干擾電流。電阻R、電容C、電感L的值可以通過（1）式、 （2）式求得

式中:i′——流入底盤的尖峰共模干擾電流；E——共模電壓；T——尖峰電流的時間常數，大小為R／2L；fC——尖峰電流i′的頻率［5］。

通過式 （1）、式 （2）同時考慮安全電壓上限，可以得出電阻值。

電動汽車CAN通信網絡采用屏蔽雙絞線。雙絞線絞環中感應的電磁場相互抵消，從而降低了外界電磁場對絞線的干擾以及絞線間的干擾，同時雙絞線還可以降低導線間的非平衡性互電容，可以降低衰減。屏蔽雙絞線上的屏蔽層不僅防止外部干擾進入絞線，同時又控制自身信號對外輻射干擾。

雙絞線絞合節距一般在15 mm以下，可以通過增加單位長度內的絞合數來增強抗干擾效能。若屏蔽層不搭鐵，則有可能造成比不用屏蔽線更大的電場耦合，因為屏蔽線的屏蔽層比一般導線的面積要大得多，所以與其他線路的耦合電容也就大，耦合也就更強。根據文獻［6］、［7］的研究，屏蔽層采用單端搭鐵會取得較好效果，實踐也證明這一點。

4 試驗結果

圖8為CAN通信波形，可以看出在附加抗干擾措施后，波形品質得到明顯改善。通過分析，采取抗干擾措施后通信誤碼率減少2個數量級。

圖9為SLG6105EV型純電動城市客車在定遠試驗場做電磁場騷擾特性時的照片。圖10為國家汽車質量監督檢驗中心對SLG6105EV型純電動城市客車的檢驗報告 （部分）。

5 結論

本文分析了電動汽車的電磁兼容，并提出一些抑制電磁干擾的具體措施。實踐證明措施有效，提高了電動汽車的電磁兼容性，滿足車輛安全、可靠運行的要求。

［1］王文偉，畢榮華.電動汽車技術基礎［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］GB／T4365—2003， 電磁兼容術語［S］.

［3］Chingchi Chen， Xingyi Xu.Modeling the Conducted EMI Emission of an Electric Vehicle Traction Drive［C］.IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Colorado: IEEE， 1998: 796-801.

［4］Mutoh N， Nakanishi M， Kanesaki M， etc.Control Methods for EMI Noises Appearing in Electric Vehicle Drive Systems［C］.Proc.IEEE Applied Power Electronics Conf.Austin:APEC 2005: 1022-1028.

［5］王 偉，周雅夫，王 健.電動汽車電磁兼容性研究［J］.汽車工程， 2008， 30 （5）: 399-402.

［6］馬 明，楊志仁，張小青.屏蔽雙絞線抗電磁干擾研究及其在城軌車輛上的應用［J］.電力機車與城軌車輛，2006， 30 （5）: 14-17.

［7］楊龍山，王麗芬.屏蔽雙絞線在車用CAN總線中的抗干擾能力研究［J］.汽車技術， 2006， （12）: 9-12.