淺析磁環在汽車高壓線束系統中的應用

黃玉華，肖美臨，郭軍朝，程夏露，顏 勇

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

1 問題提出

目前電動汽車的高壓電線束總成大多采取屏蔽電纜作為設計首選，目的是為了屏蔽高壓線芯在通過時變電流時產生的對外輻射的電磁能量。其與非屏蔽電纜的結構對比如圖1所示。屏蔽電纜較非屏蔽電纜多了銅線編制而成的屏蔽網及外部的護套層。

圖1 非屏蔽電纜和屏蔽電纜的結構對比

采用屏蔽電纜的設計理念，可以有效防止高壓系統工作時對外輻射的電磁能量對敏感低壓系統的影響，也更有利于整車電磁兼容性能符合相關法規要求。但是，由于屏蔽電纜多層的結構特性，必然會使其柔性變差，成本較非屏蔽電纜高。尤其是對快充電纜等這些大線徑的屏蔽導線而言，前述矛盾更加突出。差的柔韌性必然會造成線束布置的困難，高的成本必然降低車輛的競爭力。在目前日趨激烈的電動車競爭態勢下，如何既保證高壓系統的電磁兼容性能，又能找到低成本的設計方案，成為眾多車廠的努力方向。本文將以磁環在某電動車快充電纜上的應用為例，闡明該類應用在技術降成本及控制器開發后期電磁兼容問題解決方面所起的良好作用。

2 問題分析

汽車線束系統連接汽車各帶電零件，起到電功率輸送和電信號傳遞的作用。線束的每根導線內，這些電功率和電信號的傳遞在某一時刻都是以一定幅值的電壓和電流的形式存在，并以電磁波的形式向前傳播，這就是電壓和電流的時域形態。具體如圖2[1]所示。

圖2 傳輸線模型

由圖2可知，當導線與導線、導線與搭鐵線間存在壓差時（因正負電荷在不同導體的聚集），必然存在電場，這表明導體間有耦合的電容，即導體的分布電容。同樣的，傳遞功率或信號的2線間有電流的流動（一個導體流出，從一個導體返回），必然存在磁場，這表明導體間有耦合的電感，即分布電感。正是因為傳送電功率或電信號的導體在電路中分布電容、電感的存在，使看起來互相絕緣的導體間有了某種程度的電氣連接，這種電氣連接也會有電流流過和電功率損耗，這就是在電解質中（相對導體而言）形成的位移電流產生的電功率傳送。這種傳送一些是有意的，比如在大氣中傳輸的無線通信信號；有些傳送是無意的，比如車輛電氣系統產生的同樣在大氣中傳輸的射頻電磁干擾信號。位移電流的物理效應在低頻（電流或電壓隨時間的變化率）表現不明顯，但在高頻時就十分顯著。汽車線束系統本身就是多條導線集成在一起并沿同一路徑進行布局，低壓線束系統尤其如此，這就大大增強了導線間無意耦合、互相干擾的可能。電動車高壓線束系統，雖然集成在一起的導線較少（一般為正負2條），但是其中通過的電流隨時間變化快，同時電壓高，具有比低壓線束系統高得多的電磁能量輻射潛能，在進行該方面設計時必須重點關注并預防。本文以某款電動車快充電纜為例，來分析這類問題的解決方法。

2.1 電動車應滿足的電磁兼容標準和法規

當前與電動車相關的電磁兼容標準有如下5項。

1）GB 34660《道路車輛 電磁兼容性要求和試驗方法》：規定了車輛及其電氣/電子部件的電磁發射限值、抗擾性能和試驗方法，包含了30～1000MHz頻率范圍內整車級的寬帶、窄帶發射限值和20～2000MHz頻率范圍內90%頻段的抗擾性限值。

2）GB/T 40428《電動汽車傳導充電電磁兼容性要求和試驗方法》：規定了電動汽車直流充電時的寬帶發射限值和交流充電時的諧波發射特性，也規定了20～2000MHz頻率范圍內90%頻段的抗擾性限值，要求抗擾的測試期間車輛駐車功能、充電功能必須正常。

3）GB/T 18655《車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》：規定了150kHz～2500MHz頻率范圍內的無線電騷擾限值和測量方法，就是為了保護收放機、藍牙、導航接收裝置和車載電視等車載接收機的性能。

4）GB/T 18387《電動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法》：規定了車輛磁場、電場輻射發射強度的限值和試驗方法，覆蓋頻率范圍為150kHz～30MHz。

5）GB/T 37130《車輛電磁場相對于人體暴露的測量方法》：規定了人體所處車輛環境的低頻磁場發射的測量方法，涉及的頻率范圍為10Hz～400kHz。

2.2 電動車快充電纜構型

電動車高壓電氣系統原理示意如圖3所示。從圖中可見，快充電纜的負極線與高壓負載的負極常連，而正極電纜則通過快充繼電器與高壓負載的正極進行隔離。下文分充電工況和車輛運行工況兩種場景來分析快充電纜的電磁發射潛能。

圖3 電動車高壓原理示意圖

2.2.1 充電工況

在快充系統工作的時候，充電電流經充電樁正極流出，進入車端充電口，通過圖3快充電纜正極，進入高壓電池包，流經快充繼電器進入高壓電池正極進行充電，并從高壓電池負極流出，經負極繼電器、快充插件出電池包，進入快充負極電纜，最后通過車端充電口進入充電樁形成回路。具體如圖4所示。

圖4 快充場景電流情況

由圖4可知，充電過程中正負極快充電纜環路間形成了差模電流，具有一定的電磁發射潛能，距離環路D處所產生的電場強度ED計算公式為[2]：

式中：S——環路面積；ID——差模電流；f——差模電流頻率。

可見其發射潛能與環路面積、差模電流大小及差模電流頻率成正比。快充系統工作時，充電電流為階梯恒流模式，工作頻率很低，同時正負極電纜集成在一起，形成的環路面積S也很小，故充電時的差模發射可以不予考慮。

由圖4可知，由于高壓電纜與車身、高壓電池系統與車身間存在壓差，如前所述，其間也存在分布電容，形成共模電流環路。距離環路D處所產生的電場強度EC為[2]：

式中：ICM——共模電流大小，一般不易預測；f——共模電流頻率；L——電纜的長度。

在實際應用中，因造型及總布置原因，L的長度是確定的，為抑制共模發射，可以降低共模電流大小及頻率。在電動車快充系統工作時，如前提及，f很小，故共模發射也很小。

在充電過程中進行電磁發射限值測試，實際是測的兩種發射下的綜合結果，如上文所分析，因兩種發射模式頻率f很小，故發射潛能很低，在對某款電動車的實車測試也表明了這一點，具體如圖5所示。

圖5 某款電動車充電過程中電磁發射測試結果

圖5中紫色線條為準峰值限值，可見發射值距離限值還有較大的裕度空間。

由圖5可知，采用非屏蔽電纜作為快充線，在充電過程中不會影響其相關法規的符合性。

2.2.2 車輛運行工況

電動車輛運行時電機驅動系統是主要的電磁干擾來源。為適應復雜的驅動工況，高壓系統中的電流、電壓隨時間的變化率很大，即工作頻率f很高，這將導致高壓系統在很寬頻段內都具有很強的輻射潛能。電機驅動系統工作時，其高頻等效電路模型如圖6[2]所示。

圖6 電機驅動系統高頻等效電路模型

圖6中，R1、R2與C1、C2串聯后再與C3、C4并聯，組成正負極LISN (線性阻抗穩定網絡)；直流正極電纜和直流負極電纜的電阻及電感（RDC+、RDC-與LDC+、LDC-）串聯，與其搭鐵電容CDC+、CDC-構成直流電纜等效電路模型；CDC為逆變器內部紋波抑制電容，RDC與LDC為CDC的等效電阻和引線電感；三相線纜的電阻和電感RCA、RCB、RCC、LCA、LCB、LCC與搭鐵電容CA、CB、CC一起構成交流屏蔽電纜等效電路模型；RMA、RMB、RMC、LMA、LMB、LMC為電機三相繞組相電阻與電感；CM為繞組對機殼的寄生電容；CP、CN為逆變器直流正負極母線搭鐵寄生電容；LIGBT為IGBT引線電感；CV1～CV6為IGBT極間等效電容；CA、CB、CC為逆變器三相橋臂中性點搭鐵寄生電容；CS為機殼搭鐵電容。

如上文分析，在車輛運行過程中產生的電磁發射，也是由差模電流和共模電流共同作用形成的。由于工作頻率f很高，產生的ED、EC都很大，如不采取措施，將會使電動車的電磁發射限值遠遠超過標準和法規限值。對于高壓電氣設備，在滿足自身的電磁兼容標準和法規要求后才能量產、裝車，故它們的電磁發射限值是可控的。對于連接這些高壓設備的高壓電纜，目前也都采用了屏蔽電纜。屏蔽層與用電設備殼體及車身可靠搭鐵，可大大降低共模電流環路面積，減少其發射潛能，使其滿足標準和法規的限值要求。

在這些高壓電纜中，快充電纜是一個特殊的存在，其正極在車輛運行時和高壓系統斷開，負極卻大都和高壓系統常通（基于成本考量，一般沒有在車輛運行時斷開高壓負極的繼電器），這就使車輛運行時產生的高頻時變電流會在快充負極電纜中流動，通過其與車身間的分布電容形成通路，從車身流回高壓系統。其流經途徑隨頻率不同而不同，預測十分困難。在當前大多數的設計方案中，快充電纜也選擇了屏蔽電纜，目的是屏蔽其內高頻時變電流產生的電場發射，其本質實際就是因屏蔽層與車身的可靠搭鐵而減小了共模發射環路的面積。為了提高用戶體驗，縮短快充時間，快充電纜線徑往往較大，如采用屏蔽電纜，因其柔韌性變差，給日益局促的布置空間提出了較大的挑戰。如要取消屏蔽層，提高布置靈活性并降低線束成本，必須設法減小快充負極電纜對外的電磁發射強度。因為共模發射可以等效為單極天線或對稱偶極子天線，其發射強度如公式（2）所示，為抑制其發射強度，可以設法降低ICM，顯然，在回路中增加阻抗元件，從源頭消耗ICM就能夠達到預期。但是，如果選擇純電阻元件，不但不易串接到負極電纜中去，而且還會增加直流充電時的功率消耗，顯然純電阻不能作為選擇方案。這就需要一種直流或低頻時電阻很小，在高頻時電阻又顯著增大的器件，以便達到既不影響正常的充電功能，又能消耗敏感高頻電流，進而降低回路發射潛能的目的。磁環就是具有這種特性的常用器件。

2.3 磁環及其用途

磁環是利用鐵氧體材料燒結而成的，可串接于電路中的環狀導磁體，是常用的抗干擾器件，對高頻噪聲有很好的抑制作用。其特點是低頻時阻抗很小，當信號頻率升高時阻抗急劇升高。磁環的等效電路如圖7[1]所示，其阻抗特性如圖8[1]所示。

圖7 磁環等效電路模型

圖8 某磁環的阻抗特性

不同鐵氧體材料制成的磁環有不同的最佳抑制頻率范圍。通常導磁率越高，抑制的頻率越低。此外，鐵氧體體積越大，抑制效果越好。

3 問題解決

基于上述理論分析，在電動車非屏蔽快充電纜中增加磁環，可以有效降低車輛運行時的電磁輻射發射潛能。

3.1 利用仿真手段對取消屏蔽結構后的電磁發射風險頻段進行識別

本文所涉及的某款電動車非屏蔽快充電纜濾波器件的初選采用了仿真手段。該車型快充電纜的實車環境模型如圖9所示。

圖9 某款電動車快充電纜在車身的布局

由圖9可知，實際的快充電纜和金屬車身間還是有較大的間隙，如果兩端與車身搭鐵的屏蔽電纜，內部芯線與參考搭鐵（車身）的間隙為屏蔽層與芯線間的絕緣層厚度，環路面積還是比較小的，但如果采用非屏蔽電纜，則間隙就是導線與車身間的距離，形成的環路面積比屏蔽電纜大很多，發射潛能將增加不少。某款電動車快充電纜的S參數初步仿真模型如圖10所示。

圖10 某款電動車快充電纜S參數仿真模型

分析線束的S參數，是從頻域角度基于傳輸線理論運用電磁仿真軟件FEKO完成的。其中包含了正負極2根電纜、端接阻抗的電路如圖10所示，提取了2根線束共4個端口的S參數，其中端口1注入端口2輸出的傳輸系數曲線S21如圖11所示。

圖11 某款電動車快充電纜S參數仿真分析結果

分析圖11所示的傳輸系數曲線S21，可得在20MHz、60MHz、100MHz和140MHz等奇數倍次諧波時，傳輸曲線S21均是在波谷位置，表明在此頻點附近直流快充線束內傳輸的能量比較小，大部分能量以輻射的方式釋放到線束周圍空氣中。簡而言之，仿真表明目標車型快充電纜在20MHz頻率具有較大的輻射潛能，這與實車測試結果比較接近。圖12、圖13分別是測試所得圖形和數據（GB/T 18387符合性測試）。

圖12 實車測試發射圖形

圖13 實車測試圖形對應數據

由圖12、圖13可知，實車在17.7MHz和20.4MHz裕度較小和超標，與仿真所得的在20MHz具有較大的發射潛能預測趨勢相符。

3.2 選擇合適的磁環規格

根據仿真或實車測試結果，會發現取消快充電纜的屏蔽層后可能會造成某些頻段下發射限值的超標，可以根據超標的頻率，選擇該頻段阻抗較大的磁環進行驗證。在磁環選擇時，需要考慮如下因素。

1）系統環境：考慮系統中的工作電流大小、頻率范圍和溫度等因素，以確定所需磁環的材質和尺寸。其中電流大小影響所選磁環材料的磁導率，頻率影響磁環阻抗（圖14），溫度影響磁環磁性的保持，如溫度達到材料的居里溫度，磁環將失去磁性，如鐵的居里溫度為770℃，鈷為1120℃，鎳為358℃。

圖14 磁通密度與電流的關系[2]

2）磁環材質：常見的磁環鐵氧體材料主要有錳鋅（MnZn）鐵氧體和鎳鋅（NiZn）鐵氧體。不同材質的磁環具有不同的磁導率和頻率特性，需根據系統的工作頻率進行。錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體材料的導磁率及阻抗與頻率的關系如圖15～圖17[1]所示。

圖15 不同鐵氧體的相對導磁率與頻率關系曲線

圖16 MnZn鐵氧體阻抗頻率特性

圖17 NiZn鐵氧體阻抗頻率特性

3）磁環尺寸：根據系統的電流、電壓大小，計算所需磁環的尺寸。磁環的尺寸與電流、磁場強度密切相關，需確保磁環能夠承受和產生足夠的磁場。此外還應考慮所串接導線的直徑，以便磁環裝配。

4）磁環裝配工藝：需考慮采用開口的帶護殼結構的磁環還是封閉的裸環，具體如圖18、圖19所示。前者因帶護殼成本比后者貴，適合電磁兼容品質改善的臨時對策；后者適合線束端增加磁環降低系統發射潛能的正式方案，在線束廠進行裝配，并根據需要進行固定和保護。

圖18 開口磁環示意圖

圖19 閉口裸環示意

5）磁環加裝位置：磁環是電流消耗型器件，為起到最佳的高頻電流抑制效果，應盡可能布置在高頻電流源頭。本文所涉及的案例就是快充電纜與電池包對接處。在快充電纜上，磁環距電池包接插件越近越好。某款車型磁環的加裝位置如圖20所示。從圖中可以看出，高頻電流出電池包就被磁環所消耗，大大降低了該回路的發射潛能。

圖20 某車型磁環加裝位置示意圖

6）磁環串接：對多頻段且敏感頻率差別較大的情形，選用多種特性的磁環一起進行串接使用也是一種選擇，它們分別抑制不同敏感頻率的發射能量，進而滿足相關限值要求。

3.3 實車驗證測試

根據仿真結果，選擇在25MHz處阻抗為71Ω的磁環，加裝在圖20所示位置的負極電纜上，在進行GB/T 18387《電動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法》（覆蓋頻率范圍為150kHz～30MHz）符合性測試時，結果如圖21、圖22所示。

圖21 實車測試發射圖形

圖22 實車測試圖形對應數據

與圖12、圖13相比，相應頻段處的發射值得到了有效抑制，裕度由0.2dBμV/m和-1.2dBμV/m提高到了5.4dBμV/m和4.4dBμV/m。

4 結束語

通過上述分析及實車驗證表明，電動車快充電纜采用非屏蔽結構，在增加磁環的情況下，性能完全能夠滿足相關標準和法規的要求。同時在相同導線規格下，非屏蔽電纜沒有了銅線編制的屏蔽層和外面的護套層，材料用量減少，一定會帶來成本的降低，對于線徑越大的導線而言，這種收益應該越顯著。以截面積為50mm2、耐溫等級T2的導線為例，每米大約降本10元左右。此外，這種抑制電磁能量發射的方法，還可用于其他高壓線束，但前提必須是驗證充分；這種方法也可用在低壓線束系統，當控制器或低壓電器件（雨刮電機等）已開發成型，硬件已無法改變，在該場景下于相關回路設置相應規格的磁環，并在條件允許的條件下進行多圈纏繞，均可達到降低目標回路電磁發射潛能的目的。

以上是對磁環在線束系統應用的粗淺分析，希望能夠為相關讀者提供參考價值。