電動汽車電磁輻射問題研究

張胤+劉方磊+張富忠+丁亞平+程緒行

摘 要：相對傳統汽車而言，電動汽車采用了很多高壓大功率部件以及系統集成度高的電子控制單元，會產生較為嚴重的電磁輻射。從電動汽車標準、試驗及優化整改的角度，分析了電動汽車的電磁干擾源、形成機理及其傳播途徑，結合實際試驗，分析了電磁兼容整改技術，并針對案例進行了整改與試驗驗證。

關鍵詞：電動汽車；電磁干擾；干擾源；試驗；整改

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0008-04

Study on Electromagnetic Radiation of Electric Vehicle

ZHANG Yin， LIU Fang-lei， ZHANG Fu-zhong， DING Ya-ping， CHENG Xu-hang

（ National Automobile Quality Supervision and Test Center[Xiangyang]， Xiangyang 441004， China ）

Abstract： Compared with the traditional automobile ，many high-voltage ， high-power components and electronic control units with high system integration are applied to the electric vehicles ，which can cause more serious electromagnetic radiation. This article analyzes the electromagnetic interference source， the formation mechanism and the transmission way of the electric vehicle from the angle of electric vehicle standard， test and optimization rectification. Based on the actual test， the electromagnetic compatibility rectification technology is analyzed and the rectification and verification of the case are carried out.

Key Words： electric vehicle； electromagnetic interference； interference source； test； rectification

1 前言

近幾年，由于國家政策的鼓勵，不少汽車廠商紛紛展開了電動汽車技術的研究，但尚處于起步階段，許多廠商主要還是著眼于電機及其控制系統、電池等關鍵部件或系統的功能性實現上，而對于各個系統以及整車的電磁騷擾抑制和抗干擾問題不夠重視，造成電動汽車的電磁兼容性（EMC）水平不高。電動汽車的主要干擾源來自于高壓大功率電器部件以及系統集成度和電磁敏感度高的電子控制單元，由此產生的電磁干擾不僅會影響車輛周圍的無線電設備， 還會影響車輛內部電氣設備的正常工作，如果涉及控制和安全的電子電氣設備受到影響而無法正常工作，會直接影響車輛行駛的安全性。

目前國內生產的電動汽車能一次性通過GB 14023-2011無線電騷擾特性和GB/T 18387-2008電磁場發射強度測試的不多，大部分車型都是經過多次整改才能夠達標。隨著國家對電動汽車EMC問題的不斷重視，電動汽車電磁兼容技術以及檢測機構的檢測水平將進一步提高，原有標準將不斷被修訂和完善，今后在加強整車電磁兼容技術研發的同時，也會積極開展電器零部件的電磁兼容性的研究與測試。對電動汽車電磁兼容性能的分析與研究，就是要從根本上弄清影響電動汽車的電磁兼容性的原因，并提出具有建設性的改進措施，來提高電動汽車電磁兼容性的檢驗合格率，促進電動汽車行業的健康發展。

2 電動汽車主要試驗標準與試驗項目

經過各個國家和地區的不斷努力，電磁兼容技術及標準體系得到了不斷的發展和完善，各個汽車制造商們也制定了相較于外部標準更為嚴格的內部標準，以此來提高自身產品的電磁兼容性能。電磁兼容標準分為國際標準（如ISO，IEC/CISPR）、國家標準（如歐盟汽車法規ECE、美國SAE體系、日本JASO體系）和企業標準（如福特、豐田、通用、大眾等標準）。

3 電動汽車電磁干擾源分析

3.1 電磁干擾要素

電動汽車內部有許多高低壓線束和通信線束以及大量的高低壓電子電器部件，會產生大的電磁干擾，造成輻射超標，影響車輛本身的性能并對外部環境造成輻射干擾。電磁干擾源、傳播途徑與敏感設備，是形成電磁干擾的三要素，只要缺失其中任何一個要素，電磁干擾便不會發生。

電磁干擾源是產生電磁干擾的用電設備或自然現象。傳播途徑又稱耦合路徑，是電磁能量通過介質耦合傳輸的過程，包括傳導耦合和輻射耦合。敏感設備包括單個設備或者分系統，或者是產品內部的電路或部件。有時候電磁干擾源與敏感設備可能是同一元件或設備。

傳導耦合是指電磁波需要通過完整的電路才能使干擾源的電磁能量耦合到敏感設備。輻射耦合是指電磁能量通過空間介質在干擾源與敏感設備之間傳遞的過程。

3.2 電動汽車主要電磁干擾源

電動汽車的電氣系統相對于傳統汽車而言比較復雜，既有傳統12V蓄電池供電的電氣系統（簡稱低壓電氣系統），又有高壓動力蓄電池供電的電氣系統（簡稱高壓電氣系統），還有許多高壓大功率的汽車電子部件，如驅動電機、電機控制器、直流/直流轉換器（DC/DC）、高壓動力電池，同時電動汽車較傳統汽車采用了更多的控制、監控、顯示和無線電等各種電子設備，如電動助力轉向系統、真空泵、水泵等。高壓電力電子開關器件非常容易通過傳導、耦合或輻射產生電磁干擾。典型的電動汽車電驅動系統，常由蓄電池組、驅動電機、電機控制器以及相關動力連接線等組成。蓄電池組作為能量供給系統，為整個電動汽車提供動力源；電機控制器是一種DC/AC逆變器，主要用于動力源的交直流轉換；驅動電機將電能轉換為電動汽車的動能，以上設備通過控制線纜及動力連接線連接，共同組成了電動汽車典型的電驅動系統，也構成了電動汽車復雜多變的電磁環境。圖2所示為典型的電動汽車電驅動系統的簡圖。endprint

3.2.1電機控制器

對于電機控制器，需要采集電機的相電流、轉速、電壓、溫度等信號對電機進行控制和保護，其中電流檢測和電壓檢測傳感器都是霍爾原理，容易產生干擾，控制器內部還有許多IGBT模塊，IGBT的開關動作會造成電壓或電流的快速變化，造成干擾。圖3是電機控制器的典型模型。

3.2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器利用電容、電感的儲能特性，通過可控開關（MOSFET等）進行高頻開關的動作提供能量，使電源和負載功率實現平衡。圖4為DC/DC電路結構。電動汽車一般使用DC/DC降壓變換器，將動力電池的高壓轉換成低壓給低壓電器供電，這一過程通過Buck電路（降壓式變換電路）實現。連接線路和元件通常存在寄生參數，寄生元件易形成高頻諧振回路，換流單元的換流過程向這個諧振回路引入瞬態寬頻帶能量，如果回路諧振頻率落在這個頻帶中，便會發生高頻諧振，放大干擾效果，從以上分析可知，DC/DC變換器中換流單元的周期性換流動作是干擾產生的根本原因，而電路的寄生元件會增強高頻干擾。

3.2.3 動力電池組

由于電動汽車仿真技術的需要，研究人員設計了大量電池性能的等效電路模型。電池首先裝在電池箱里再安裝到汽車上，每塊電池的負極對車身都可以產生一個寄生電容Cs，當所有電池串聯起來的時候，其等效模型如圖5所示。其分布參數跟電池的布置有很大關系，分布參數產生的影響跟電池組的電流波形有很大關系，當電池組中電流變化率較大時，各單體電池負極電位變化也較大，這時在電池組跟底盤之間就會由于分布電容的存在產生對底盤的共模電流，極易產生輻射干擾。

3.2.4 驅動系統的差模干擾和共模干擾

IGBT開關動作時會產生差模干擾源，經母線流回電池，此外，當高頻電流作用在電機上，會在電機定子線圈上產生電壓尖峰，經過母線生成另一個差模電壓，如圖6所示。路徑1是由開關造成的干擾，路徑2是工作時有用電流產生的干擾。

當逆變器正常工作時，橋臂的兩個開關互換開通，其中點電位會隨之發生階躍變化。每個開關動作時都會對IGBT與散熱片之間寄生電容進行充、放電，形成共模電流，造成干擾。在電機驅動系統中，存在較大對地寄生電容的地方主要包括功率開關器件的管腳與散熱片之間的寄生電容，電機繞組與外殼之間的寄生電容，電機軸承與外殼之間的寄生電容和直流母線及交流線與地之間形成的寄生電容等。共模干擾的兩條回路為1：IGBT→IGBT對散熱器的寄生電容→底盤→電池組對底盤的分布電容→電池組→直流母線→逆變器，2：IGBT→IGBT對散熱器的寄生電容→底盤→動力電纜對底盤的分布電容→動力電纜→逆變器。

4 實際案例分析與整改

4.1 測試案例分析

對國內某款純電動樣車，以電磁場發射強度測試為例，依據GB/T 18387-2008，找到最大發射方向，以16km/h和64km/h的穩定車速，分別測量電場和磁場的三個正交方向，選取16km/h電場和磁場Y方向超標結果，如圖7、圖8。

根據該車的測試結果，超標頻段集中在10M-30MHz。根據試驗室積累的其他車輛的測試結果，超標頻段主要集中在：9k-150kHz，5M-30MHz，30M-50MHz，100M-200MHz，對于少數車輛，2M-5MHz也出現了超標的情況。進行電磁場發射強度測試時，驅動電機、電機控制器、DC/DC變換器等高壓部件處于正常工作狀態。根據3的的分析，我們懷疑這些高壓部件是造成測試結果超標的干擾源，可針對這些部件進行優化整改。

4.2 整改方案及措施

高壓部件的控制電路、驅動電路以及功率電路集成于有限殼體內，且外部接插件已固定，短期內難以進行部件級整改，只有從分系統級層面提出整改方案。基于3的分析，制定的分系統級整改方案可歸納為：電磁屏蔽，濾波吸收，接地優化。

4.2.1 電磁屏蔽

電磁屏蔽是利用電磁波在屏蔽導體表面的反射和在導體內部的吸收以及傳輸過程中的損耗來降低電磁能量，抑制電磁干擾的一種措施。

實際的屏蔽機箱都有必要的穿孔、孔洞和縫隙，引起導電不連續性，產生電磁泄漏，通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區域包圍起來，使屏蔽體內外的“場”相互隔離。電磁場屏蔽必須同時屏蔽電場和磁場，空間電磁波在入射到金屬體表面時會產生反射和吸收，電磁能量被大大衰減，從而起到屏蔽作用。一般選擇電阻率小的良導體材料，如：箔帶、導電織物、導電涂層及鍍層。

4.2.2 濾波

濾波是根據信號頻率特性，將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。電動車的電源是直流電源或者50Hz的交流電源，所以使用低通濾波器。通常在電源線輸入端使用安規電容（X電容和Y電容）可以降低電磁干擾。X電容用來抑制差摸干擾，Y電容用來抑制共摸干擾，電動車的高壓電路中，既有共模電流存在，又有差模電流存在，所以一般同時使用X電容和Y電容。圖11，圖12為兩種安規電容，薄膜電容一般用作X電容，瓷片電容一般用作Y電容。

動力線束上安裝濾波器可吸收部分高頻傳導干擾，從而降低輻射騷擾水平。安裝濾波器需要破壞動力線束，電機控制器輸入輸出電流都較大，相應濾波器尺寸較大，無安裝空間，僅在DC/DC變換器高壓直流輸入端和電機控制器進出線等位置，選擇安裝納米晶材料、錳鋅材料吸收磁環，將干擾噪聲轉化為熱損耗，可降低共模干擾。鐵氧體吸收型濾波器（鐵氧體磁環）是目前應用較多的一種低通濾波器，根據材料種類分為鎳鋅磁環、錳鋅磁環、非晶磁環等，一般高頻使用鎳鋅磁環，低頻使用錳鋅磁環。

4.2.3 接地

接地就是在電路、設備或系統與某個電位基準地之間建立低阻抗的導電通路，分為“安全地”和“型號地”，與電磁干擾有關的主要是信號地。良好的接地可以使流經設備或系統接地回路的電流產生的電磁干擾最低，同時保證人身和設備的安全。接地方式的選取應遵循以下原則：低頻電路（頻率低于1MHz或地線長度小于λ/20）建議采用單點接地；高頻電路（頻率高于10MHz或地線長度大于λ/20）建議采用多點接地；高低頻混合電路，建議采用混合接地。endprint

4.3 案例整改

針對樣車測試的結果，查看樣車部件架構及布線情況，從電磁兼容的角度分析，發現存在以下不合理之處：1、高壓動力線束過長，且屏蔽層與接插件屏蔽端搭接不良；2、電機控制器殼體噴涂絕緣漆，殼體上下盒蓋固定螺釘孔間距過大；3、DC/DC變換器及高壓控制盒殼體拼接處噴絕緣漆，整個殼體屏蔽效能降低；4、電機殼體未接地；5、高低壓線束之間相隔較近，易產生耦合干擾。針對樣車部件架構和布線的不合理之處，進行以下整改：1、將動力蓄電池和高壓配電盒連接的高壓線纜用銅編織帶包裹并纏繞銅箔帶，并進行接地處理；2、U、V、W動力線束上分別套上銅編織帶并纏繞銅箔帶，并用扎帶將此三線扎緊，在U、V、W三線的兩端（電機控制器的輸入線、輸出線，驅動電機的輸入線）套幾個錳鋅磁環和非晶磁環，將線纜在磁環上多繞幾圈，增加匝數；3、在高壓配電盒的直流輸入端的直流母線上增加X電容和Y電容；4、去掉電機控制器殼體盒蓋連接處的絕緣漆，用銅箔帶連接上下盒蓋，并將殼體用編織帶接地；5、DC/DC變換器的的直流輸入母線用銅編織帶包裹并纏繞銅箔帶，并將殼體接地；6、電機殼體用銅編織帶接地。下圖展示了處理后的局部狀態：

對樣車整改處理之后，可使用近場探頭和接收機對處理后的部件或者線纜進行探查測試，以確定整改效果，探查測試的位置主要包括驅動電機、電機控制器、DC/DC接插頭部分、殼體縫隙處以及相關動力連接線。在樣車處理之前，也可使用近場探頭進行干擾源的初步定位，之后采取相應的措施進行針對性的整改處理。

通過對測試案例中的樣車進行整改處理后，再依據GB/T 18387-2008進行電磁場發射強度的測試，選取16km/h電場和磁場Y方向測試結果，如下圖所示。

通過整改前后測試結果比對，可以看出整改后測試結果有明顯改善，說明整改措施是有效的。

5 結語

電動汽車由于其自身構造，電磁環境復雜，電磁干擾問題比較嚴重。本文著重分析了電動汽車的電磁干擾源，并根據實際案例從屏蔽、濾波、接地三個方面，提出了一系列的優化措施，對電動汽車樣車進行優化整改，最后，經過試驗驗證，證明采取的整改措施是有效的。雖然整改措施有效，但在部件裝車后再進行整改無疑成本高，費時耗力，所以應該在部件、電氣系統設計之初就考慮電磁兼容問題，采取嚴格的電磁騷擾抑制措施，進行板級、系統級優化設計，從而提高量產車輛的電磁兼容水平。

參考文獻：

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