車載電源的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)

張保國

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

車載電源一般應(yīng)用于特殊車輛裝備，為特殊車輛供電。車載電源的交直流充電中采用電源轉(zhuǎn)換器作為主要功率器件，而電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用將導(dǎo)致產(chǎn)生不同類型的電磁干擾信號。不僅相對復(fù)雜，而且直接會(huì)影響車載電源的正常運(yùn)行。因此，有必要加強(qiáng)對車載電源電磁兼容性的相關(guān)研究，加強(qiáng)車載電源電磁兼容性（EMC）。

1 車載電源系統(tǒng)及電磁兼容設(shè)計(jì)概述

1.1 車載電源系統(tǒng)

車載電源系統(tǒng)主要分為蓄電池和發(fā)電機(jī)兩大部分，主要包括底盤電系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及打火電系統(tǒng)等[1]，如圖1所示。

圖1 車載電氣系統(tǒng)

車載電源系統(tǒng)通過并聯(lián)方式進(jìn)行連接，由發(fā)電機(jī)或蓄電池為車載電源供能。實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)和蓄電池的運(yùn)行會(huì)受到溫度和操作狀態(tài)等眾多因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生電壓不穩(wěn)的情形。目前，車載電源供電的電壓主要有12 V、24 V以及48 V共3種。以24 V車載電源為例，蓄電池的輸出電壓在車輛點(diǎn)火過程時(shí)，會(huì)瞬間被拉低至5～6 V，啟動(dòng)結(jié)束時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)載突降，引發(fā)浪涌電壓激增，實(shí)際操作數(shù)據(jù)可能超過50 V。電壓突然激增會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行和工作，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞設(shè)備。車載電源為適應(yīng)車載電氣系統(tǒng)寬范圍的電壓變化，有效保障車載電氣系統(tǒng)和特種設(shè)備系統(tǒng)正常工作的電壓，需在車載電源設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮電池供電能力與車載電氣系統(tǒng)和特種設(shè)備系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。車載電源的優(yōu)劣會(huì)直接影響車載電氣系統(tǒng)和特種設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前，車載電源和車載電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)向著輕量化、高效率以及小體積的方向發(fā)展[2]。

1.2 電磁兼容（EMC）簡介

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC），一般又稱作“電磁兼容性”。近年來對電磁兼容的研究逐漸增多，理論不斷完善，相關(guān)內(nèi)容不斷豐富。對電子系統(tǒng)和電子設(shè)備而言，電磁兼容性指其在運(yùn)行過程中不會(huì)受到外部環(huán)境和外部設(shè)備的影響，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力[3]。

電磁兼容的電磁環(huán)境是可預(yù)期的或直接給定的。電磁兼容對電子設(shè)備和系統(tǒng)的電磁干擾強(qiáng)度有直接要求，必須保證在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。電磁干擾的直接引發(fā)因素是電磁干擾源。電磁兼容要求電子系統(tǒng)或電子設(shè)備能抵抗一定范圍內(nèi)的電磁干擾強(qiáng)度，即在一定電磁干擾強(qiáng)度的影響下，電子系統(tǒng)和電子設(shè)備仍能正常穩(wěn)定運(yùn)行，可認(rèn)為電磁兼容的實(shí)質(zhì)是抗干擾能力的延伸。電磁兼容研究是通過補(bǔ)救或防范的方式，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和電子設(shè)備的主動(dòng)預(yù)測分析和主動(dòng)抵抗防護(hù)。

2 電磁兼容（EMC）特點(diǎn)

電磁兼容性不足的直接體現(xiàn)是電磁干擾。電磁干擾是指干擾源向空間和其他電子設(shè)備釋放電磁等有害能量的過程。在進(jìn)行車載電源電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮干擾源和電子設(shè)備中可能引發(fā)干擾的敏感器件以及傳遞干擾的耦合途徑等。要想提升車載電源的電磁兼容水平，首先要對干擾源進(jìn)行必要干涉，盡可能采取有效手段移出或處理掉干擾源。若干擾源得不到有效處理，需要優(yōu)化和處理耦合路徑，通過切斷等措施有效實(shí)現(xiàn)電磁兼容。電磁兼容設(shè)計(jì)是為了提高設(shè)備的抗干擾能力，從而提高設(shè)備的電磁兼容性能。車載電源在工作中會(huì)受到較為嚴(yán)重的電磁干擾問題，尤其是車載電源啟動(dòng)、點(diǎn)火或負(fù)載突然消失的情況下，可能瞬間產(chǎn)生較大的電壓和電流波動(dòng)而引發(fā)故障。車載電源的主要干擾源包括車載電源散熱器和高頻變壓器等，受到的干擾和輻射以傳導(dǎo)干擾為主[4]。

3 車載電源的EMC設(shè)計(jì)

3.1 傳導(dǎo)干擾與EMC設(shè)計(jì)

車載電源受到干擾的主要形式是傳導(dǎo)，包括差模干擾和共模干擾。差模干擾針對的主要對象是電源線和車載電源中的信號線，共模干擾主要指的是信號線、電源線以及大地間的干擾。在車載電源的電磁兼容設(shè)計(jì)中分析輸入濾波器，采用差模電感和共模電感有效抑制或消除共模干擾及差模干擾。共模、差模干擾抑制原理如圖2所示。

圖2 共模、差模干擾抑制原理圖

經(jīng)過發(fā)展，濾波器已被完美引入車載電源中進(jìn)行信號處理。針對電磁干擾來說，濾波器的引入能起到一定的抑制作用，還能影響并阻礙電磁干擾信號的傳輸過程和路徑。在引入濾波器時(shí)，需要考慮體系中的差模/共模元件及其電化學(xué)參量，并在應(yīng)用過程中根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，保證濾波器的設(shè)計(jì)滿足車載電源電磁兼容設(shè)計(jì)的要求[5]。

3.2 輻射干擾與EMC設(shè)計(jì)

車載電源變換器中，輻射干擾和電路回路面積、開關(guān)頻率以及電路布線電流等因素息息相關(guān)。車載電源變換器中的電磁輻射主要以天線方式進(jìn)行。解析后級高頻變壓器原副邊回路，在車載電源啟動(dòng)和開關(guān)管快速通斷的情況下，變壓器繞組、原邊開關(guān)管以及電容會(huì)形成高頻環(huán)路，即環(huán)形天線。環(huán)形天線會(huì)向周圍電子設(shè)備發(fā)射磁場產(chǎn)生電磁干擾。另外，車載電源中的整流二極管、次級線圈以及電容器能夠形成電流回路，在車載電源啟動(dòng)或高度通斷的情況下也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。

3.2.1 主回路布線處理

分析表明，在車載電源的兼容設(shè)計(jì)中必須著重考慮高頻回路因素的影響，通過優(yōu)化處理縮小高頻回路。后級電流回路如圖3所示，其中It1和Ip1分別是拓?fù)潆娏骱透哳l回路，4個(gè)回路作為主要的輻射源。提高車載電源的電磁兼容性能，考慮優(yōu)化縮小回路面積，以此實(shí)現(xiàn)電磁輻射水平的控制，對高抗輻射能力至關(guān)重要。

圖3 后級電流回路示意圖

3.2.2 控制回路布線處理

為進(jìn)一步提高車載電源的電磁兼容性能，引入模擬芯片，實(shí)現(xiàn)對主電路開關(guān)管動(dòng)作的控制。但是，模擬芯片中的傳輸線極易受到外界因素干擾，可能出現(xiàn)延時(shí)，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)誤觸而燒毀元器件。此外，模擬芯片中的電路會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，影響車載電源中的其他電子設(shè)備。綜合分析，建議優(yōu)化模擬芯片，采用最小化處理。比如，盡可能縮短被控開關(guān)器件和芯片脈沖輸出端間的線程，有效加快車載電源的驅(qū)動(dòng)速度，提高模擬芯片的電磁抗干擾能力。

3.2.3 接地處理

車載電源的電磁兼容設(shè)計(jì)中要考慮接地問題，設(shè)計(jì)科學(xué)的接地中心，建議采用“單點(diǎn)接地”的方法。如果在接地處理中采用多點(diǎn)接地方式，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)接地回路，從而影響系統(tǒng)運(yùn)行和開關(guān)管開斷。

3.2.4 屏蔽處理

切斷傳播途徑是電磁屏蔽有效的方式之一。通過切斷傳播途徑，能有效防止電源向外界發(fā)出電磁輻射干擾，也能保證外界的電磁干擾不被傳入車載電源設(shè)備。車載電源設(shè)計(jì)中，采用外殼屏蔽方式，外殼材料采用鋁金屬材料，同時(shí)結(jié)合內(nèi)部電源情況和輻射源，合理選擇設(shè)計(jì)的開口位置，以此保證實(shí)現(xiàn)最佳的電磁屏蔽效果。開口設(shè)計(jì)需要充分考慮尺寸問題，一般要保證其尺寸小于波長的1/100。

3.3 整車EMC設(shè)計(jì)

干擾源和干擾源線束應(yīng)遠(yuǎn)離敏感裝置而獨(dú)立布置。如果無法避免，應(yīng)盡可能將兩者垂直交叉布置；如果也無法做到交叉布置，則要求兩者平行，且平行間距不小于400 mm。線束一般在金屬車身的凹槽和夾角內(nèi)進(jìn)行布置。EMC設(shè)計(jì)應(yīng)該注重整車的線束設(shè)計(jì)，面對電磁干擾強(qiáng)度較大的環(huán)境時(shí)，一般采用雙絞線加強(qiáng)信號線。高壓電纜設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用帶屏蔽層的高壓電纜，且屏蔽層需要可靠接地。屏蔽設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)等可以有效去耦，提高EMC性能。

3.4 車載綜合電源供電設(shè)計(jì)

在電磁兼容基礎(chǔ)上提出了車載綜合電源供電設(shè)計(jì)，車載綜合電源供電設(shè)計(jì)如圖4所示。

蓄電池中的儲(chǔ)電經(jīng)過逆變器后，以220 V交流電的方式輸出。為優(yōu)化車載綜合電源的供電設(shè)計(jì)，在車載電源中引入車輛底盤發(fā)電機(jī)和風(fēng)能等綠色發(fā)電能源系統(tǒng)。建議在車載電源中引入外接交流電源供電模式，多種供電模式組合應(yīng)用于車載供電和蓄電池組充電。目前，車載電源開發(fā)中不僅要配備必要的主車蓄電池，還應(yīng)結(jié)合車輛的具體用電和設(shè)備功率等需求，為其配備鉛酸蓄電池組。將鉛酸蓄電池和主車蓄電池協(xié)調(diào)配合使用，結(jié)合智能電池分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車載電源的完美供電。

圖4 車載綜合電源供電設(shè)計(jì)圖

圖4中提出的綜合供電設(shè)計(jì)模型，總輸出功率超過1 000 W，基本能實(shí)現(xiàn)4 000 W以下的供電。與傳統(tǒng)的車載電源相比，該模型系統(tǒng)的空間占用面積更小、持續(xù)供電時(shí)間更長且適用車輛范圍更廣。另外，該模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主車蓄電池和鉛酸蓄電池的智能協(xié)調(diào)配合，有效實(shí)現(xiàn)了交流/直流電源的有效供電，能有效滿足車載電源中用電設(shè)備的電源供應(yīng)。

4 結(jié) 論

車載電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，是一項(xiàng)重要的綜合性應(yīng)用技術(shù)。在進(jìn)行車載電源的電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，必須將多種理論和實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合，在深入分析理論的基礎(chǔ)上，引入新材料、新技術(shù)以及新工藝，從而實(shí)現(xiàn)車載電源電磁兼容的科學(xué)性和先進(jìn)性設(shè)計(jì)。