非電氣部件導致電磁輻射超標案例分析

張高杰，田永坡，張萌，余天剛，劉超

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000）

概述

隨著汽車電氣化、智能化、網聯化的發展，汽車電子電氣部件的使用與日俱增。控制器件芯片計算能力越來越強，晶振主頻越來越高；執行部件功率越來越大、控制越來越精細，例如：電機采用脈沖寬度調制（PWM）控制，快速的電壓/電流變換產生大量的電磁騷擾。傳感器的使用日漸增多，信號重要程度也顯著提升，電磁兼容已成為汽車不可或缺的性能，引起了廣泛的關注。

在大家普遍認知中電動汽車的主要干擾源來自于高壓大功率部件及系統集成度高、電磁敏感度高的電子控制單元。低頻電磁場發射問題通常與開關器件、電機、電磁閥等相關聯，更有甚者直接與高壓系統相綁定。然而對于實際電磁發射超標案例的排查及整改，我們更需要發散思維，打開思路，從細枝末節出發去探尋產生電磁騷擾的基本原因。

1 案例分析

1.1 測試數據

某樣車依照GB/T 18387—2017進行測試，在40 km/h車速預掃時，車輛測試結果便不符合標準限值要求，如圖1所示。電磁場騷擾覆蓋150 kHz～30 MHz全頻段。70 km/h車速測試結果同樣超出限值要求。

1.2 干擾源類型判定

為明確電磁場發射超標問題排查方向，我們首先判斷干擾源的類型。3 m的測試距離在150 kHz-30 MHz頻段內屬于近場區域。在近場區電場強度與磁場強度的大小沒有確定的比例關系。一般情況下，對于電壓型場源，電場要比磁場大很多。

我們再次開展40 km/h車速下磁場發射測試，測試結果見圖2。

圖1 40 km/h低頻電場測試結果

圖2 40 km/h低頻磁場測試結果

通過電場發射數據與磁場發射數據對比發現在150 kHz～20 MHz頻段范圍內，電場測試數據遠高于磁場發射數據，隨著頻率的增高3 m的測試距離逐漸向遠場區過渡，在20 MHz～30 MHz磁場強度有所增加。對比結果符合電場源的發射特征，可判斷為電場型干擾源。

1.3 信號類型判斷

寬帶信號還是窄帶信號的判斷是我們對輻射發射問題排查的基礎。該車輛電磁場發射測試數據呈現梳條狀，與窄帶干擾源發射特征波形十分相似。對測試頻點進行分析，并未發現明顯的倍頻關系。我們知道掃頻模式下測試結果成線狀未必就是窄帶信號。

對此在16 km/h車速下開展多次測試，測試結果對比如圖3所示。測試結果顯示多次測試發射頻率并不固定，發射頻率具有隨機性。其有可能為間歇型寬帶干擾源。

圖3 4次16 km/h測試結果對比圖

對此我們開展驗證測試，即設置接收機為快速傅里葉變換（FFT）模式，帶寬設置為9 kHz，駐留時間為2 s開展測試，測試結果如圖4所示。測試結果證實該信號為寬帶信號，為后續排查縮小了范圍。

1.4 參數分析

由上述分析可知：該寬帶騷擾源為周期型工作，我們對比發現測試結果的疏密程度與車速正相關，其隨著車速的增高而變密。我們嘗試通過對試驗參數設置的計算找出信號的工作周期。

測量接收機的參數設置如表1所示。

我們對40 km/h車速測試結果進行頻率標記，雖然多次測試干擾信號頻點不同，但頻率間隔均為90 kHz。我們知道接收機切換時間約為1.5～2 ms，計算信號周期T。

不同車速下測試結果對比發現，車速越高測試結果分布越密，車速越低測試結果越稀疏。由此我們對不同車速條件下車輪轉動周期進行了計算，結果如表2所示。我們由40 km/h車速測試結果計算的信號周期與40 km/h車速條件下車輪轉動周期十分接近。

我們分別對16km/h車速及70km/h車速開展驗證，結果同樣符合此規律。

2 排查整改

2.1 問題排查

基于以上對測試數據的分析，我們針對與車速相關的相關部件采用排除法開展排查。

1）高壓系統上電，車輛空擋，由底盤測功機拖動車輪以40 km/h相對速度運行。測試結果無變化。（排除電驅動系統）

2）高壓系統下電，車輛空擋，由底盤測功機分別拖動前后車輪以40 km/h相對速度運行。驅動前輪測試結果無變化，驅動后輪測試結果通過。（排除高壓系統）

3）低壓系統下電，車輛空擋，由底盤測功機拖動前輪以40 km/h相對速度運行。測試結果無變化。（排除12 V電氣系統）

4）低壓系統下電，車輛空擋，拔掉輪速傳感器，由底盤測功機拖動前輪車輪以40 km/h相對速度運行。測試結果無變化。（排除輪速傳感器）

5）低壓系統下電，車輛空擋，前后輪調換。分別由底盤測功機拖動前輪、后輪以40 km/h相對速度運行。前輪測試通過，后輪測試與超標數據一致。（鎖定為輪胎）

對導致發射超標的輪胎進行檢查確認，發現輪胎胎面正面扎有鋼釘，見圖5。此為造成本次發射超標的原因。

3.2 機理分析

圖4 FFT模式測試結果

表1 接收機參數設置

表2 實車車輪轉動周期

圖5 輪胎胎面照片

在測試過程中輪胎附著的鋼釘隨車輪一起在底盤測功機上轉動。車輪轉動一圈，其與轉轂接觸一次。與1.4章節分析的干擾信號周期與車輪轉動周期相同的結論相一致。

以40 km/h車速開展預掃測試時，車輪以13.33 m/s的線速度運行。由于標準要求測試工況為車輛滿載，故輪胎與轉轂存在相對運動。結構如圖6所示。

圖6 試驗結構示意圖

圖7 30 MHz～1 GHz測試結果

圖8 拔除鋼釘測試結果

鋼釘為金屬材質，轉轂亦為金屬材質，兩種金屬材質物體在車輛自重及綁帶的壓力下快速摩擦，產生電火花。車輪轉動一周接觸一次，產生一次電火花，而電火花的頻譜十分寬泛，經天線接收并由接收機捕獲。

為驗證電火花機理的正確性，我們采用10 m測試距離對其開展了30 MHz～1 GHz的輻射特性測試，測試結果見圖7。由峰值檢波器與平均值檢波器測試結果可以清晰的看出，該信號頻譜分布廣泛達1 GHz以上，且為典型的寬帶信號。與分析結果一致。

由于車輪轉動周期大于測試駐留時間，每當摩擦動作發生在測試駐留時間內，則測試結果檢測到發射量值，并記錄為當前測試頻率的測量值。當測試駐留周期內無摩擦動作時，測試未能讀取發射量值，測量值下降，故在測試結果中呈現梳狀波形，與窄帶騷擾測試圖形相近。

2.3 整改驗證

基于前面的分析，我們對輪胎上的鋼釘拔除后再次開展測試，測試結果如圖8所示，問題消除。

3 結論

GB/T 18387—2017測試發射超標問題多由電機控制單元（MCU）、電源變換模塊（DC/DC）等高壓部件引起，12 V電氣部件的電磁特性值得關注，同時非電氣部件也一定不能不加考慮。

信號類型的判定是輻射發射問題處理的基礎，對信號類型做出準確的判斷十分重要。輻射發射測試標準規定采用掃頻方式開展測量，信號發射類型切記不可僅依據一張測試結果圖主觀臆斷。梳狀測試結果有可能是信號周期大于駐留時間的寬帶信號。信號類型判斷需從頻率點一致性、相鄰頻率差值入手，并結合設備步進、駐留時間等設置參數綜合分析，并養成嚴謹的思維習慣。

整車電磁兼容測試樣品狀態除開展功能點檢、性能摸底外，對于外觀的確認也十分必要。樣品在進入試驗室前應仔細檢查輪胎異物，消除在轉轂運行危險因素的同時也是在排除電磁發射源。