電動汽車整車EMC性能攻關

張歡歡，吳兵兵

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

電動汽車整車EMC性能攻關

張歡歡，吳兵兵

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

電動汽車產生的電磁環(huán)境相當于傳統(tǒng)車與電驅動系統(tǒng)耦合后的電磁疊加，其電磁騷擾頻域范圍擴展，騷擾強度增加。尤其是電驅動系統(tǒng)峰值功率較大，驅動系統(tǒng)產生的傳導與輻射騷擾不但嚴重干擾車輛內部電子設備的運行，還向周圍環(huán)境輻射強烈的電磁干擾。文章結合實車測試案例，針對性的從整車角度實施優(yōu)化措施并驗證，使車輛滿足GB 14023和GB/T18387標準的電磁場發(fā)射限值要求。

電動汽車；電磁兼容性；高壓

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-87-05

引言

電磁兼容性能，Electro Magnetic Capability，簡稱EMC，是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。電動汽車的電磁兼容性設計雖然是非功能性設計，卻可以影響產品性能，如電磁兼容性能不達標，有的會引起CAN通訊錯誤幀超標，嚴重的會導致整車電驅動系統(tǒng)失去動力。近年來，電動車產業(yè)在國家政策引導和推動下，快速發(fā)展，已由技術探索的導入期進入技術逐漸成熟的發(fā)展期。隨著國家對電動汽車的監(jiān)管力度加大，以及行業(yè)內標準與法規(guī)與國際的逐漸接軌，電動汽車整車EMC性能的要求越來越高。由于電動汽車存在大量的高電壓、大功率電力電子器件，其產生的電磁環(huán)境相當于傳統(tǒng)車與電驅動系統(tǒng)耦合與疊加，電磁兼容環(huán)境十分復雜，整車電磁兼容性能的達成需要重點攻關。

本文結合實車測試案例，對整車電磁兼容與GB/T 18387/GB14023符合性提出具體的整改措施，并形成整車EMC開發(fā)過程的設計需求。

1 電動汽車電磁兼容設計

1.1 電動汽車主要電磁騷擾源

1.1.1 電驅動系統(tǒng)

電驅動系統(tǒng)是電動車的主要騷擾源。電驅動系統(tǒng)主要由電機控制器與驅動電機組成，見圖1，其中電機控制器通常集成IGBT模塊，控制單元，電源模塊等。驅動電機由定子、轉子、傳感器等構成。IGBT 功率管的騷擾為嚴重的窄帶騷擾源，同時，還會直接導致騷擾的整體抬升。電機中的傳感器，也是常見的窄帶騷擾源；定子和轉子通過交變磁場進行電能與機械能的轉換，則為主要的寬帶騷擾源。

圖1 電機控制器和電機結構原理

1.1.2 電池系統(tǒng)

電池系統(tǒng)中的騷然源主要有電池管理系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)（BMS）實時采集各電池單體的電壓、溫度等信號，同時調節(jié)控制各單體的均衡并控制電池冷卻啟動或停止工作。BMS是一個明顯的窄帶騷擾源。電池冷卻系統(tǒng)使用的冷卻風扇一般都采用有刷電機，是典型寬帶騷擾源。

1.1.3 DCDC

DC/DC是電動車高壓電氣系統(tǒng)中的轉換模塊，它將高壓小電流轉換為低壓12V大電流輸出，由功率器件及控制模塊組成，都是窄帶騷擾源。

1.2 電動汽車常見的電磁騷擾模式

1.2.1 高壓系統(tǒng)共模電流騷擾

電驅動系統(tǒng)的存在，導致電動汽車長期運行在高電壓、大電流的模式。電池的直流電源與電驅動的交流系統(tǒng)產生共模輻射，對整車EMC性能有很大的影響。

圖2 共模輻射場模型

系統(tǒng)產生的共模輻射場模型如圖2所示，共模輻射場可用下列公式表示：

由公式（1）可知，L越小，諧波次數越少，共模輻射越小，因此，抑制電驅動系統(tǒng)的共模騷擾，對整車EMC性能有很好的效果。

1.2.2 高壓系統(tǒng)差模電流騷擾

電動汽車高壓系統(tǒng)產生的差模騷擾也不容忽視。

圖3 差模輻射場模型

高壓系統(tǒng)產生的差模輻射場模型如圖3所示，差模輻射場可用下列公式表示：

1.2.3 “天線”耦合機理

車輛高低壓導線回路載有交變電流，一旦回路存在開路現(xiàn)象，電路上的電流就變成了電力線，繼續(xù)保持電路，就構成了電磁騷擾發(fā)射天線。

圖4 電磁騷擾發(fā)射天線模型

發(fā)射功率如下表示：

由于高壓線束通常采取屏蔽的方式，同時交變電流的存在使得屏蔽層中存在騷擾電流，因此屏蔽層接地阻抗匹配，屏蔽層的屏蔽效能，以及系統(tǒng)布線的方式等都是EMC設計中重點考慮的方案。低壓電氣架構設計時，除考慮使用雙絞方式外，接地點的選取及接地方案設計需要重點考慮。

2 電動汽車整車EMC性能測試

2.1 電動汽車電磁騷擾測試及分析

經過多次整車EMC試驗，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段研發(fā)的電動汽車整車EMC性能測試，一次通過率很低，GB 14023與GB/T 18387均有不同程度的超出標準限值。

按照測試頻譜分類，超標類型主要有單頻點超標、諧波超標、包絡超標，見圖5。

圖5 測試頻譜超標

按照測試標準分類，超標類型見圖6：

圖6 測試標準超標

試驗結果顯示大部分電動汽車整車EMC超標都集中在9-150kHz，5-30MHz，30-75MHz，100-200MHz頻段。根據經驗，從整車的角度看，GB/T 18387電場不合格，通常屏蔽、接地以及電纜布置措施不合理；GB/T 18387磁場不合格，通常電流回路、屏蔽措施不合理；9-150kHz不合格，通常是IGBT的脈沖調制方式及IGBT的濾波方式不合理；150KHz-30MHz不合格，通常是電機控制器及高壓主回路影響；30-1000MHz不合格，一般由DC-DC濾波、BMS、高壓線束、低壓部件引起。

2.2 GB/T 18387實車測試案例分析

以某電動汽車EMC測試為例，存在以下四個超標工況，見圖7。

圖7 某電動車GB/T18387 EMC超標工況

（1）數據分析

觀察并分析頻譜數據，均為5-30MHz之間的包絡超標。整車拓撲架構見圖8。

圖8 某電動車整車拓撲架構

經分析，該頻段超標很有可能是驅動系統(tǒng)引起，同時應考慮整車屏蔽與接地措施是否設計合理。

（2）定位分析

首先，通過頻譜分析儀掃描，確認輻射最大位置。

圖9 頻譜分析儀

經過測試，發(fā)現(xiàn)電機控制器三相線位置，電機控制器母線位置以及整車高壓線束主干接口部位場強較大。

第二步，檢查整車高壓回路是否有屏蔽措施，并且是否為全包裹360°屏蔽。

第三步，各連接器接頭位置是否與零部件箱體接地，箱蓋部位是否正常接觸，同時檢查接地電阻是否＜0.2Ω。

第四步，檢查高壓線束布置是否合理，因盡量避免環(huán)形走線。

2.3 GB14023實車測試案例分析

仍以該電動汽車測試為例，超標工況見圖10。

圖10 某電動汽車GB14023 EMC超標工況

（1）數據分析，觀察并分析頻譜數據，均為30-50MHz之間的包絡超標，116.4MHz的單頻點超標。

（2）定位分析，首先，通過排除法，進行包絡超標定位。通過測量得到ST/OFF/ACC狀態(tài)下的頻譜數據，見圖11、12。

圖11 車輛左側，天線垂直極化窄帶測試

圖12 車輛右側，天線垂直極化窄帶測試

經過測試分析，初步確認30MHz附近的包絡超標影響因素是低壓部件和高壓部件，116.4MHz的單頻點超標影響因素是低壓部件。

第二步，通過開啟關閉用電器，確認具體的超標部件。

第三步，對于單頻點超標，使用頻譜分析儀，確定源頭。

3 電動汽車整車EMC性能攻關

整車EMC性能攻關達標，通常有接地優(yōu)化，屏蔽優(yōu)化及濾波3種措施。

3.1 整車接地方案優(yōu)化

良好的接地設計是解決EMC問題最有效和最廉價的方法。但是車輛的接地設計非常復雜，必須考慮車體結構與車輛電氣電子部件的配置，接地系統(tǒng)如果設計不合理，將可能直接和間接影響已符合試驗標準規(guī)范的車輛電氣電子部件。因為接地阻抗的變化可能造成其EMI特性的改變，以致影響車輛電氣電子部件之間的電磁兼容性，造成鄰近、較敏感裝備的誤動作，或是通信設備的噪聲干擾，甚至影響行車安全。因此采用銅絲編織或鍍錫銅編織的接地線束，是較好的選擇。

對于低頻(低速)電路、設備(頻率低于1MHz)，例如音頻電路、模擬裝置。優(yōu)先選擇混合接地的方案。

圖13 混合接地示意圖

車輛中用來當做“地”的部件包括車身、驅動裝置金屬表面及低壓蓄電池負極。

（1）車身金屬面積大，與其它金屬設備、配件或線路間會形成大電容，對高頻噪聲有不錯的去耦合效果。可以作為電流回路、等電位參考面、屏蔽、靜電。

（2）驅動裝置金屬表面，可作為模擬/數字信號的回路，為避免產生噪聲電壓，低頻時須注意搭接電阻是否過高，注意搭接螺栓材質與搭接表面處理；高頻時須注意搭接線的高頻阻抗(感抗)，因為噪聲電壓可能會產生輻射干擾與傳導干擾，造成車內電子設備誤動作。

（3）低壓蓄電池負極，電容特性為1~2F/100Ah，電瓶的電容可有效地減少車輛充電電路產生的低頻噪聲，也就是可提供充電電路的噪聲電流旁路作用。

（4）整車高壓部件殼體均需接地處理，且需保證接地電阻＜1Ω。

3.2 線纜及屏蔽優(yōu)化

汽車線束設計需遵循“避免線與線之間的相互竄擾”的原則。由于電動汽車高壓回路電壓紋波較大，高壓線束之間會產生嚴重的電磁騷擾。因此需對整車高壓回路進行屏蔽與接地。

部件之間的線束需遵循圖14所示線纜連接和接地模型。

圖14 連接和接地模型

需要注意的是，屏蔽層需360°接地，整車高壓線束屏蔽編制密度需≥85%，連接器屏蔽層最好采用壓接或焊接的方式，以減小接觸電阻；盡量減小屏蔽系統(tǒng)的接地阻抗。

3.3 濾波優(yōu)化

濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡，可以插入傳輸線中，抑制不需要的頻率進行傳播。電動車上的騷擾很多是經過線束及端口發(fā)射出來，所以濾波技術對于電動車的電磁兼容優(yōu)化作用很重要。

電動汽車整車EMC整改過程中濾波器主要有兩種類型：

（1）反射式濾波器

由于電動汽車電源是直流或者50Hz交流，所以應當使用的是低通濾波器。一般由電感、電容等器件組成，在濾波器阻帶內提供了高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，使它與噪聲源的阻抗和負載阻抗嚴重不匹配，從而把不希望的頻率反射回噪聲源。如：電機三相線增加Y電容，直流母線增加共模電感/差模電感，均可有效降低整車EMC輻射水平。

（2）吸收式濾波器

吸收式濾波器是目前發(fā)展很快的一種低通濾波器，已廣泛應用于各種電路中。一般由有耗器件構成的，在阻帶內吸收噪聲的能量轉化為熱損耗，從而起到濾波作用。

整車EMC優(yōu)化中，驅動控制器低壓電源線束、電機旋變信號線束、DCDC輸出正負極線束、壓縮機低壓線束等位置增加磁環(huán)，均可以有效減低整車輻射。具體位置可根據實際車輛進行選擇。

3.4 優(yōu)化后測試結果

（1）GB 14023測試結果

圖15 GB14023EMC測試結果

（2）GB/T 18387測試結果

按上述方法后，該電動汽車整車EMC測試合格，滿足標準發(fā)射限值要求。

4 總結

本文從電動車整車EMC耦合機理的角度分析，結合實際測試案例，從整車的角度優(yōu)化，使車輛滿足GB/T 18387與GB 14023標準要求，驗證了優(yōu)化方法的有效性。

[1] GB/T 18387-2008 電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法,寬帶,9kHz～30MHz.

[2] GB 14023-2011車輛、船和由內燃機驅動的裝置無線電騷擾特性限值和測量方法.

[3] GB 18655-2002用于保護車栽接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法.

[4] GB／T 19951-2005道路車輛靜電放電產生的電騷擾試驗方法.

EMC performance of electric vehicle

Zhang Huanhuan, Wu Bingbing
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The electromagnetic environment generated by electric vehicles is equivalent to the electromagnetic superposition of the traditional vehicle and the electric drive system. The range of electromagnetic disturbance will expand and the harassment intensity will increase, which is more likely to cause electromagnetic pollution to the environment. The peak power of the system is large, and the conduction and radiation disturbances generated by the drive system not only seriously interfere with the vehicle's internal electronic equipment, but also radiate strong electromagnetic interference to the surrounding environment. In this paper, from the vehicle point of view，some measures are implemented to make the vehicle EMC meet GB 14023 and GB / T18387 standards.

electric vehicle; Electro Magnetic Capability ( EMC); High Voltage

U472 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-87-05

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.030

張歡歡，(1983-)，研究生，就職于江淮汽車集團股份有限公司技術中心。新能源汽車研究院院長助理，負責整車系統(tǒng)集成業(yè)務及純電動車平臺產品開發(fā)工作。吳兵兵，（1985-），就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。新能源汽車研究院系統(tǒng)集成部整車電氣技術經理，負責整車電氣架構、高壓電氣系統(tǒng)、電動空調系統(tǒng)、EMC等開發(fā)工作。