電動方程式賽車整車電磁兼容性研究

周華龍

純電動汽車對線束的設計和要求很高，由于動力全部由蓄電池提供，因此對于高壓線束的絕緣防護和高壓系統與低壓系統的隔離等有著非常嚴格的要求，同時因為純電動汽車中有著驅動電機和電機控制器這兩大主要的電磁騷擾源在，對于整車的電磁干擾性非常的強，給整車上的很多用電設備和控制線路造成電磁騷擾，使它們功能下降甚至失效。對于FSAE純電動方程式賽車來說更是如此，在賽車上整個線束只受車架的機械保護，為了提高絕緣安全性需要通過其他的手段，需要對于線束的裸露、固定、連接、防水、安全控制、驅動線束與控制線束的隔離等問題進行一一的處理和設計優化；同時在整個FSAE方程式賽車上電器系統較民用車簡單，電機和電機控制器等電磁騷擾源主要的電磁騷擾對象就是整車控制器和儀表等設備，且整車控制器是整個純電動賽車的核心所在，如果受到電磁干擾嚴重會直接影響到其對于整車的命令控制，嚴重影響到整車的動力性和安全性

1 整車主要電磁騷擾源

電機控制器主要作用是將輸入的直流電逆變成電壓、頻率均可調的三相交流電，供給交流電機使用。其中電機控制器中的逆變器由于工作原理結構的特點，在逆變器工作時，會產生高次諧波，因此變頻器輸出波形除了基波外還含有大量的高次諧波，所以變頻器本事就是一個電磁騷擾源，對電源側和輸入側的設備都會產生影響。且高次諧波有很強的輻射作用，將高次諧波能量直接耦合或通過其他方式進入數字設備中，會干擾設備的正常工作，增加其故障率，降低設備的使用壽命。同時在一個輸入為300V直流的逆變器中，由于逆變器開關動作產生的差模干擾電壓高達30V，而且還含有大量的窄脈沖，這些電磁干擾如果耦合到周圍的信號線和控制線上，必然對純電動賽車的主控制器的安全可靠性帶來一定的安全隱患。

電機是純電動汽車的又一嚴重電磁騷擾源。電機是電感性設備，電機在工作時會產生很強的脈沖流在電源網絡中傳播，向周圍空間輻射。電機的開、停以及負荷改變都會使工作電流改變并產生脈沖電流，特別是整流式電機造成的干擾最大。這種干擾表現為不規則的窄脈沖，頻譜為10KHZ-1GHZ。

2 電磁騷擾的作用路徑

電磁騷擾的作用途徑分為輻射路徑和傳導路徑兩大類

A.輻射路徑

電磁騷擾源如果不是處在一個全密閉的金屬外殼內，它就可以通過空間向外輻射電磁波，其輻射場強取決于裝置的電磁干擾電流強度、裝置的等效輻射阻抗，以及電磁騷擾源的輻射頻率。如果電磁騷擾源的金屬外殼帶有縫隙與孔洞，則輻射的強度與干擾波長有關。當孔洞的大小與波長可比擬時，則可形成干擾子輻射源向四周輻射。

B.傳導路徑

電磁騷擾源可通過與其相連的導線向外部發射，也可通過耦合電容、耦合電感以及公共阻抗耦合，將電磁干擾帶入其它電路，此種傳導發射是電磁干擾傳播的重要路徑。當電磁騷擾源的頻率較低時，電磁波的輻射能力相當有限，同時電磁騷擾源又不是直接與其它導體連接，此時電磁干擾能量可通過與其相鄰的導體產生感應耦合，將電磁能轉移到其它導體上去，在鄰近導體內感應出干擾電流和電壓。

其中干擾按照傳導路徑又可以分為共模干擾和差模干擾，對整車控制器主要為這兩種。

共模干擾是存在于任何一個電源線或者信號線與地線之間的干擾，有兩個干擾的相位相同；差模干擾則是在電源線之間或者信號線之間的干擾，是一種直接的干擾。

整車控制器所受干擾的主要耦合路徑有：

直接耦合方式：干擾信號經過導線直接傳導到電路中而對電路產生干擾。干擾信號經過電源線直接耦合到控制器中是最常見的現象。對于這種干擾可以采用去耦的方法有效地抑制或防止干擾信號的傳入。

公共阻抗耦合方式：電磁騷擾源和信號源具有公共阻抗時的傳導耦合。公共阻抗耦合一般發生在兩個電路的電路流經一個公共阻抗時，一個電流在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路。常見的公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。

電容耦合方式：電位變化在電磁騷擾源與干擾對象之間引起的靜電感應。由于在電路的元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在著分布電容，因此，如果某一個導體的信號電壓（或干擾電壓）通過分布電容使其他導體上的電位受到影響，就產生了電容性的耦合方式。

電磁感應耦合方式：任何空間中的交變磁場都會對周圍的閉合電路產生感應電勢，引起電磁感應耦合。

輻射耦合方式：導體中變化的電流會產生電磁場輻射，電流變化率（頻率）越高，則輻射效率越高。這些電場波會對附近的敏感源產生干擾。

漏電耦合方式：漏電耦合是電阻性耦合方式。當相鄰的元件或導線間的絕緣電阻降低時，有些電信號便通過這個降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。

3 敏感源

控制系統對周圍電磁環境的變化都十分敏感。也就是說，空間電磁場的變化對控制系統都會造成不同程度的干擾。 很多的用電設備在工作中都會受到其他設備的電磁干擾，其中有部分基本不干擾其他的設備，而以被干擾為主。這些容易受到其他設備電磁干擾的設備都是敏感源。

4 汽車電磁干擾的抑制技術

在電磁騷擾抑制措施中屏蔽、濾波和接地是三項最基本的技術。屏蔽主要用于切斷通過空間輻射的干擾的傳輸途徑，根據其性質可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽；濾波主要用于消耗掉沿導線傳播的傳導干擾的高頻分量，降低了傳導騷擾的天線效應，同時也抑制了輻射騷擾。主要討論抗共模干擾、差模干擾和浪涌的濾波電路和裝置的設計。接地技術主要討論正確地布置地線、接地體的設、接地和屏蔽濾波的關系，搭接是實現接地的實際技術，如何減少搭接電阻也是接地需研究的問題：也有人對汽車的接地技術進行了研究。同時由于汽車電氣電子系統的集成化、綜合化，這三種技術措施的應用與汽車性能優化產生矛盾。一些新的電磁騷擾抑制技術也展開研究，像光電耦合隔離技術等。

5 預期研究成果

（1）制定出提高FSAE純電動方程式賽車的整車線路絕緣防護和抗電磁干擾的設計優化標準

（2）提高新一屆純電動方程式賽車的電器系統的安全性和可靠性

按照國家相關標準，在純電動汽車的設計和制造過程中，對整車線路絕緣防護和電磁兼容性研究是必不可少的，這對于整個電動汽車的設計制造有著非常積極重要的作用。

世界發達國家以及很多大的汽車制造商都很重視汽車的絕緣防護和電磁兼容性的研究，制定了很多的國家標準和行業標準，并且開展了很多有關這兩方面的研究，在汽車設計的初期就充分的考慮了對于整車線路的絕緣防護和電磁兼容性。同時，在這方面我國相對比較落后，但也制動相應的標準，并且建立了一些有關整車線路絕緣防護和電磁兼容性的測試基地。

總的來說，對于FSAE純電動方程式賽車有關整車線路絕緣防護和抗電磁干擾的研究具有非常重要的積極意義，此項目對于整個賽車安全性和可靠性有著極大的促進作用和實際的運用價值。