新能源和智能網聯汽車電磁兼容性能影響因素研究

王建利 劉力 龔曉琴 白麗

（一汽奔騰轎車有限公司，長春 130012）

主題詞：電磁兼容性 影響因素 開發流程 新能源汽車 智能網聯汽車

縮略語

EMC Electro Magnetic Compatibility

NEV New Energy Vehicle

ICV Intelligent and Connected Vehicle

ECU Engine Control Unit

PCB Printed Circuit Board

PTC Positive Temperature Coefficient

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

1 前言

隨著汽車的智能網聯化、電動化的快速發展，車輛與道路交通設施、其它車輛、其它電磁環境越來越緊密地融合在一起。車輛系統內部、車輛和外界電磁環境交互過程中，會產生越來越多的電磁干擾問題，影響汽車的功能安全和用戶體驗[1-2]。電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）設計是非功能性設計，卻可以影響產品性能。汽車EMC 性能的設計開發不僅是一個設計過程，也是一個開發管控過程和測試驗證過程，同時需要利用濾波、屏蔽、接地整改措施來提高和保證EMC性能。為了提高汽車EMC性能，在進行汽車EMC 性能設計時，不僅要考慮傳統的電磁干擾3 要素，還要考慮原理設計、管理流程、測試驗證、整改方法各方面的因素，將車輛電磁干擾產生的風險降至最低。

本文首先闡述了新能源技術和智能網聯技術對EMC 性能的影響，然后詳細分析了汽車電磁干擾3 要素的具體構成，最后從技術層面和開發流程闡述汽車EMC 性能影響因素，并提出了正向EMC 開發流程、標準和試驗驗證建議。

2 汽車新技術對EMC性能的影響

隨著汽車電動化、智能化、網聯化、共享化和體驗化的快速發展，感知部件、通信部件、高壓部件在車輛上的搭載呈現爆發式增長，車內外的電磁環境也愈加復雜，進而產生更多的新的電磁干擾問題，影響汽車的功能安全和用戶體驗。

純電動汽車、混合動力汽車、氫燃料電池汽車這些新能源汽車技術具有高電壓、大電流、大功率和高能量轉換的特點，給電磁兼容性能帶來極大挑戰。在電磁干擾源方面增加了驅動電機系統、高壓動力電池系統、燃料電池系統、車載充電機、DCDC轉換器、逆變器、高壓配電盒、正溫系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器、空調壓縮機、高壓部件，以及48 V系統和氫燃料能源系統。驅動電機系統中的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率管、驅動模塊、控制模塊、傳感器均是較強的騷擾源，也是開發設計時的重點風險項。電池包管理系統中的控制器、冷卻風扇是較強的騷擾源。車載充電機在充電整流過程會產生大量窄帶干擾信號。DCDC轉換器重的功率器件及控制模塊均為較強的騷擾源。空調系統中PTC 加熱器和電動壓縮機結構復雜，具有多種功能模式，其EMC性能非常重要。新能源汽車的EMC 特性存在電磁騷擾形式復雜、頻譜范圍覆蓋廣泛、發射功率大、干擾能量大、騷擾問題嚴峻和傳播路徑多樣化的特點。

智能網聯汽車技術包括智能控制、智能預警、智能決策、復雜環境感知、現代通信與網絡技術，通過搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器、互聯終端、通信天線系統實現。在干擾源和敏感設備方面增加了毫米波雷達、智能攝像頭、激光雷達、超聲波雷達、紅外測距器、自動泊車系統、360 全景系統、車身智能控制系統這些智能駕駛系統部件，以及車載互聯終端、C-V2X 終端、衛星導航定位系統、車載發射和接收天線這些網聯部件。毫米波雷達作為高級駕駛輔助系統的關鍵部件，主要包括24 GHz 頻段、77 GHz頻段、和76～81 GHz 頻段3 種類別，具有高頻率、大帶寬、探測距離長、工作場景復雜的特點，是一個會直接影響車輛安全的電磁敏感設備。其它智能部件或系統的EMC 特性與毫米波雷達基本類似，作為敏感設備也會直接或間接影響車輛行駛安全。網聯通信技術如衛星導航、蜂窩通信、無線電廣播、藍牙、WiFi、V2X 通信、車載以太網通信，具有通信頻段范圍廣、空間輻射強、外界干擾源多的特點。智能網聯汽車的EMC 特性存在電磁環境復雜、高頻輻射強度大、窄帶干擾特征明顯、測試標準不成熟、工作場景和用戶體驗多樣化的特點，直接影響車輛行駛安全和舒適性。

3 汽車電磁干擾3要素

電磁干擾3 要素包括干擾源、耦合路徑和敏感設備3 部分。汽車電磁干擾3 要素基本構成如表1 所示。電磁干擾源不僅包括汽車發動機、點火線圈、高壓部件這些車內干擾源，還應包括廣播電視臺、手持便攜設備、充電電網這些車外干擾源，隨著汽車智能化、電動化、集成化的快速發展，車內和車外的干擾源的數量也日益增多。汽車耦合路徑分為傳導耦合和輻射耦合。敏感設備不僅包括各種電子模塊、數顯系統車內敏感設備，也包括廣播電視臺、充電電網這些車外敏感設備。

表1 汽車電磁干擾3要素構成

4 汽車EMC性能影響因素與提升措施

影響汽車EMC性能的因素有很多，僅從傳統電磁干擾3 要素原理的角度分析是遠遠不夠的，比如復雜的車內干擾源和車外干擾源、零部件機械架構、PCB電路與布線、汽車電子電氣類別和機械架構的設計、全面系統的EMC測試驗證等，可以將這些影響因素分為技術設計層面和開發流程2個方面（圖1）。

圖1 汽車EMC性能影響因素構成

4.1 技術設計層面

技術設計層面對EMC 性能影響因素主要包括整車、系統、零部件的機械架構和印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）與布局2個方面[3-4]。

4.1.1 機械架構

機械架構影響因素可分為線束屬性、電磁屏蔽、電磁濾波、接地、殼體和PCB共6個方面，如圖2所示。

提升措施與建議：盡量減少噪聲信號線數量，施加濾波、屏蔽、接地措施來降低噪聲信號電平。做好接口屏蔽、屏蔽層與金屬外殼和塑料外殼接口的360°搭接；從騷擾和抗擾2 個方面做好線纜和系統的濾波防護設計，相關器件參數合理。合理設計殼體結構，控制孔縫尺寸，避免輻射泄漏。盡可能減小輻射回路面積，降低輻射干擾風險。做好PCB 板關鍵控制模塊的屏蔽、接地和濾波設計，降低輻射和傳導干擾風險。

4.1.2 PCB電路與布線

PCB 電路影響因素包括：電路中的濾波電容器件、開關型功率電路的濾波設計、特殊敏感信號和電路的濾波與防護電路、信號與電路區域的接地處理方面。PCB 布局布線影響因素包括PCB 完整地平面阻抗、不同屬性的信號線之間的串擾、信號線和電源線與參考地之間的寄生電容方面。

PCB 電路相關建議：分別在“臟”信號、敏感信號、內部噪聲信號、特殊信號和干凈信號線之間盡可能施加濾波防護設計，且濾波參數合理，提高電磁抗擾性能，降低電磁干擾風險，不能影響信號質量；做好信號和電路區域的接地設計，避免共地串擾風險。

PCB 布局布線相關建議：盡量使PCB 地平面阻抗最小，避免不同屬性信號線間串擾，降低信號線和電源線與參考地之間的寄生電容。

4.2 開發流程

汽車EMC 開發流程分為EMC 正向設計開發和EMC 性能開發驗證2 大部分[5]，一般呈V 字形分布，如圖3 所示。按照研究對象不同可以分為4 個層級，整車級EMC 設計驗證、系統級EMC 開發設計驗證、零部件EMC開發設計驗證和板層級開發設計驗證，其中整車級、系統級和零部件級EMC開發設計驗證一般由主機廠主導完成，板層級EMC開發設計驗證一般由相關供應商主導完成。EMC 的開發需要EMC 專家、EMC工程師、電氣架構工程師、測試工程師、電氣工程師以及電氣零部件供應商協作共同完成。EMC 技術專家和工程團隊需要具備全面的EMC 開發設計能力和豐富的開發經驗、具備EMC 試驗方案設計和驗證能力、具備EMC問題分析及整改能力[6]。

圖3 整車-系統-零部件-板層級設計驗證V字形開發流程

整車EMC 設計主要包括整車EMC 性能目標設定、汽車EMC 仿真分析預測及優化、整車電源和接地方案設計、整車電氣架構方案設計、整車線束設計、整車EMC 測試計劃、汽車EMC 試驗標準方面內容。系統EMC 設計包括汽車電子電氣系統級EMC 試驗大綱和EMC 測試計劃方面內容。零部件EMC 設計包括汽車零部件EMC 試驗大綱和EMC 測試計劃方面內容。板層級EMC 設計包括PCB 板層級電路原理圖和布局布線等內容。板層級EMC 試驗包括EMC摸底、整改和工程化樣品測試等內容。零部件EMC試驗包括零部件EMC 摸底試驗、分析整改、整改驗證和工程化驗證等內容。系統級EMC 試驗包括系統級EMC 摸底試驗、分析整改、整改驗證和工程化驗證等內容。整車EMC 試驗包括摸底試驗、EMC 分析整改、整改驗證、工程化回歸驗證，以及整車EMC 型式認證等內容。

目前，汽車EMC 性能主要還是依據EMC 試驗結果進行評價，EMC 試驗設計和和試驗過程的好壞直接影響著汽車EMC 性能。本文以試驗要求和過程更為復雜的零部件EMC 試驗為例，從試驗室和樣件2 個方面進行影響因素分析，如圖4 所示。EMC 實驗室方面包括樣件布置、線束布置、接地方式、負載連接、測試計劃等試驗方法因素和測試系統設備計量、系統校準、系統自檢等試驗設備因素。被測樣件方面包括樣件功能、軟硬件版本和生產一致性等因素。

圖4 EMC試驗影響因素

提升建議：為了滿足整車及電子電器類零部件電磁兼容性能，需要明確項目開發過程中，各節點相關專業工作內容、輸入和輸出物，實現電磁兼容開發設計驗證工作的規范化和標準化。

（1）要做好車型整車、系統和零部件EMC 開發目標設定，用以指導整車EMC開發方案、測試方案制定、系統及零部件測試方案、零部件技術描述書的編制。

（2）要做好整車EMC 設計評審和風險規避方案，主要包括整車電氣架構、整車線束布置、整車電源及接地分配、整車EMC 仿真、電氣系統部件特性的設計評審與檢查，并形成整車EMC風險評估報告和系統部件EMC 風險評估報告，對重點風險問題進行整改，提前規避EMC風險。

（3）嚴格按照EMC 測試標準、測試計劃和試驗大綱開展驗證工作，針對不合格問題利用濾波、屏蔽、接地措施進行分析、排查、整改和回歸驗證。

（4）針對開發流程中出現的問題進行完善、改進和總結，不斷完善汽車EMC正向開發設計流程。

5 結束語

汽車EMC性能是汽車電氣性能重要指標之一，影響著汽車的安全和用戶體驗。為了提高和保證車輛EMC性能，不僅要從技術層面進行機械架構和PCB電路原理圖設計，還要從開發設計流程進行正向開發設計和全面系統性能驗證，也需要應對新能源和智能網聯新技術對EMC性能帶來的重要影響。