純電動(dòng)汽車電磁兼容分析與電磁干擾抑制

裴春松

（河南少林汽車股份有限公司，河南 滎陽 450100）

近年來，電動(dòng)汽車受到世界各國(guó)政府的高度重視，被普遍確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。中國(guó)政府更是高度關(guān)注電動(dòng)汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家有關(guān)部門為支持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為國(guó)家戰(zhàn)略。2009年11月，國(guó)務(wù)院總理溫家寶指出，電動(dòng)汽車已成為全球汽車工業(yè)的發(fā)展方向［1］。純電動(dòng)汽車由于在使用階段零排放、綜合能源利用效率高，能夠徹底擺脫對(duì)石油的依賴，是解決我國(guó)汽車能源和環(huán)境問題的根本途徑，也是我國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)和主要方向。

純電動(dòng)汽車中高壓大功率的電力電子裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，同時(shí)電動(dòng)汽車比傳統(tǒng)汽車增加了更多的高壓線束和CAN通信線束，干擾會(huì)通過電纜和底盤對(duì)CAN通信線束造成影響，而CAN總線系統(tǒng)用來完成電動(dòng)汽車三大系統(tǒng)之間的通信，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的安全，因此，電動(dòng)汽車的電磁兼容問題更為復(fù)雜、嚴(yán)重。如何解決純電動(dòng)汽車的電磁兼容問題，提高電動(dòng)汽車的可靠性和安全性，是純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的重要方面。

1 電磁兼容概述

1.1 電磁兼容術(shù)語

文獻(xiàn)［2］對(duì)電磁兼容各術(shù)語定義如下。

電磁兼容 （Electromagnetic Compatibility， 簡(jiǎn)寫為EMC）——設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

電磁環(huán)境——存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。

電磁騷擾——任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或者對(duì)生物或非生物產(chǎn)生不良影響的電磁現(xiàn)象。

電磁干擾 （Electromagnetic Interference， 簡(jiǎn)寫為EMI）——電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。

電磁發(fā)射——從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象。發(fā)射不僅指電磁能量向外界空間進(jìn)行的電磁輻射，也包括以電流的形式在電導(dǎo)體中進(jìn)行的電磁能量的傳導(dǎo)。

1.2 電磁兼容的三要素

電磁兼容三要素是干擾源、傳播途徑和敏感源。所謂干擾源是指任何產(chǎn)生電磁干擾的元件、器件設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。干擾的傳播途徑是指干擾通過任何媒介，以任何方式 （包括傳導(dǎo)、輻射）送至接收器。敏感源是指一切易受到電磁干擾的元件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)。電磁兼容三要素如圖1所示。

電動(dòng)汽車處于十分復(fù)雜的電磁環(huán)境中，車上電子電氣設(shè)備種類繁多，電磁干擾途徑多種多樣，設(shè)備的電磁敏感度也各不相同。為達(dá)到電磁兼容性的設(shè)計(jì)要求，就要分析各種電磁干擾源的特性和技術(shù)參數(shù)，確定干擾路徑和耦合方式，根據(jù)具體參數(shù)采取抑制干擾、消除干擾的措施。

1.3 汽車電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視對(duì)汽車電磁兼容性的研究，世界各國(guó)和相關(guān)國(guó)際性組織，制定了眾多的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來限制汽車的電磁兼容問題。我國(guó)自從1983年發(fā)布第1個(gè)電磁兼容國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3907—1983以來，已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)有關(guān)電磁兼容的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但還很不健全，有待進(jìn)一步研究改善。目前發(fā)布的有關(guān)車輛電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 車輛電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)

2 純電動(dòng)汽車電磁兼容分析

2.1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)

電動(dòng)汽車由于動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得其電磁兼容性能同傳統(tǒng)車有較大的差異。以少林牌SLG6105EV型純電動(dòng)城市客車為例，動(dòng)力系統(tǒng)如圖2所示。該車主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速箱、電機(jī)控制器、 整車控制器 （Vehicle Control Unit， 簡(jiǎn)寫為VCU）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等部件構(gòu)成。其中，動(dòng)力系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器、減速箱、儲(chǔ)能系統(tǒng)（含電池管理系統(tǒng)）組成。

圖2中粗實(shí)線代表高壓線，用來實(shí)現(xiàn)能量的流動(dòng)。細(xì)實(shí)線代表通信線，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。整車控制器VCU通過采集駕駛員踏板 （包括牽引踏板、制動(dòng)踏板），判斷駕駛員的駕駛意圖，確認(rèn)牽引 （或制動(dòng)）模式，并計(jì)算出目標(biāo)牽引 （或制動(dòng)）力矩，將相關(guān)控制指令通過CAN總線發(fā)送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)控制命令控制電機(jī)工作于驅(qū)動(dòng) （或制動(dòng)）工況。同時(shí)，電機(jī)控制器將電機(jī)轉(zhuǎn)速、直流電壓、直流電流等信息，通過CAN總線發(fā)送給整車控制器和儀表。儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng) （Battery Management System，簡(jiǎn)寫為BMS）對(duì)電池組的各單體電池電壓和電池包溫度進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行電量計(jì)算，將電池信息通過CAN總線發(fā)送給整車控制器和儀表?？梢?，CAN總線系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，涉及電動(dòng)汽車安全的信息必須實(shí)時(shí)無誤地傳遞。

2.2 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)電磁干擾問題分析

電動(dòng)汽車的電磁兼容性應(yīng)從電磁兼容的三要素來分析，三要素中任何一個(gè)條件的消弱或缺失，電磁干擾都將得到改善和解決。

電動(dòng)汽車的電磁干擾源大致可以分為3類，即車載干擾源、自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源是指由自然現(xiàn)象引起的電磁干擾，人為干擾源是指由汽車外部人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾。大多數(shù)情況下這2種電磁噪聲非常復(fù)雜，并且對(duì)汽車的干擾影響可以忽略。下面主要從車載干擾源來分析。

車載干擾源主要是指車上各種電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，車載干擾源主要有電機(jī)、動(dòng)力電池、電力電子裝置、電動(dòng)輔助系統(tǒng)。電壓和電流的快速暫態(tài)會(huì)產(chǎn)生輻射和噪聲，特別是電力電子裝置的快速整流、電機(jī)起動(dòng)、高壓輻射更會(huì)引起較高場(chǎng)強(qiáng)的傳導(dǎo)及輻射騷擾。車載干擾源主要分為差模干擾源和共模干擾源，其電磁傳播模式很復(fù)雜，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾2種形式。

差模干擾是將母線作為往返路線的干擾，其通過母線、電池和逆變器形成回路。由三相逆變器高頻等效電路得出，控制器IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)形成差模干擾源，使母線中存在差模電流［3］，通過母線、動(dòng)力電池、控制器形成回路。差模干擾源及其傳播途徑如圖3所示。

共模IGBT開關(guān)動(dòng)作不僅會(huì)形成差模干擾電壓，而且同時(shí)也誘發(fā)共模干擾電壓，由于電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器同車體之間存在雜散電容，共模電壓通過雜散電容形成回路，從而形成共模干擾［4］。共模干擾源及其傳播途徑如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)元件動(dòng)作引起的噪聲通過共模和差?；芈愤M(jìn)行傳播，動(dòng)力電池和逆變器相連的直流母線或電纜，以及連接交流電機(jī)和逆變器的交流電纜中流過較大的瞬變電流，電流流動(dòng)時(shí)，可通過長(zhǎng)導(dǎo)線向外發(fā)送輻射，或通過串?dāng)_對(duì)相鄰導(dǎo)線進(jìn)行干擾。在電動(dòng)汽車的輻射干擾中，由天線理論很容易得知，共模干擾占主導(dǎo)地位。

由于電動(dòng)汽車空間及結(jié)構(gòu)的原因，電動(dòng)汽車高壓導(dǎo)線和低壓控制線 （通信線）不可避免地會(huì)出現(xiàn)耦合和串?dāng)_，這是對(duì)電磁輻射比較敏感的CAN通信系統(tǒng)易受到干擾的主要原因。

3 電動(dòng)汽車抑制電磁干擾的措施

通常抑制電磁干擾的措施有屏蔽、濾波和搭鐵。

屏蔽是利用屏蔽材料阻止或減少電磁能量在空間傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽的效能用屏蔽有效度標(biāo)示，它不僅與屏蔽材料有關(guān)，而且與材料的厚度、應(yīng)用頻率、輻射源到屏蔽層的距離及屏蔽層不連續(xù)的形狀和數(shù)量有關(guān)。

屏蔽主要是為了解決輻射干擾，而濾波主要是解決傳導(dǎo)干擾。完成濾波作用的部件稱為濾波器。濾波器主要抑制通過電路通路直接進(jìn)入的干擾。根據(jù)信號(hào)與干擾信號(hào)之間的頻率差別，可以采用不同性能的濾波器，抑制干擾信號(hào)，提高信噪比。

搭鐵就是在兩點(diǎn)之間建立導(dǎo)電通路，其中的一點(diǎn)通常是系統(tǒng)的電氣元件，而另一點(diǎn)則是參考點(diǎn)。一個(gè)搭鐵系統(tǒng)的有效性取決于在多大程度上減小搭鐵系統(tǒng)的電位差和減小搭鐵電流。

結(jié)合純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和對(duì)電動(dòng)汽車電磁兼容分析，可通過下面幾個(gè)方面來抑制電磁干擾。

3.1 純電動(dòng)汽車的布置

電動(dòng)汽車在有限的空間中集成了大功率電力電子元件及多個(gè)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整車電磁兼容的影響很大。由前面分析得知，共模干擾在電磁干擾中占主導(dǎo)地位，因此在電動(dòng)汽車布置中，電機(jī)控制器應(yīng)盡可能靠近電機(jī)布置，使電機(jī)控制器和電機(jī)之間的連線盡可能縮短 （一般不超過1.5m）。整車控制器VCU作為電動(dòng)汽車的控制核心，是整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，它作為敏感源，整車布置時(shí)要遠(yuǎn)離電機(jī)和電機(jī)控制器等高壓電氣部件。

3.2 電動(dòng)汽車用線束的走向及選材

在電動(dòng)汽車電磁兼容問題的因素中，線束 （高壓電纜、低壓線束）占有重要地位，這是因?yàn)榫€束電纜是一根根高效的接收和輻射天線。另外線束中的導(dǎo)線平行傳輸?shù)木嚯x最長(zhǎng)，因此導(dǎo)線之間存在較大的分部電容和互電感，這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線之間發(fā)生信號(hào)的串?dāng)_。

由于電動(dòng)汽車上安裝空間的限制，不可能使所有導(dǎo)線都保持起碼的間距。我們將電動(dòng)汽車上的線束分為3類，將具有相同潛在的干擾和大致相同靈敏度的導(dǎo)線綜合在一起，并分開布線。表2是電動(dòng)汽車用導(dǎo)線分類。為達(dá)到充分的退耦，電動(dòng)汽車各類導(dǎo)線之間應(yīng)保持最小間距。電池間連線、電池箱連接線與低壓導(dǎo)線應(yīng)保持的最小間距為0.1 m，與CAN總線、信號(hào)線應(yīng)保持的最小間距為0.2m。電機(jī)控制器與電機(jī)之間連接線和低壓導(dǎo)線應(yīng)保持的最小間距為0.2m，和CAN總線、信號(hào)線應(yīng)保持的最小間距為0.3m。

表2 電動(dòng)汽車用導(dǎo)線分類

電動(dòng)汽車布線及選材的規(guī)則:①各類電纜要分開鋪設(shè)，并保持相互之間的最小間距；②在各類不同電纜的情況下，如果不能保持最小間距，尤其是相對(duì)B2類電纜的間距，應(yīng)使用附加的屏蔽物 （如金屬屏蔽管等），并充分隔離；③在長(zhǎng)度小于1 m的導(dǎo)線一起鋪設(shè)時(shí)，A類可以和B1鋪設(shè)在一起，但不能與B2鋪設(shè)在一起；④各種不同類型的導(dǎo)線垂直交叉時(shí)，不需最小間距；⑤A2類電纜為合適電壓等級(jí)的帶屏蔽層電纜，B2類應(yīng)為帶屏蔽層雙絞線。

3.3 電力電子裝置箱體設(shè)計(jì)中的屏蔽

電磁干擾沿空間的傳播是以 “場(chǎng)”的方式進(jìn)行的，可以通過屏蔽箱體對(duì)電磁場(chǎng)的反射損耗及吸收損耗，來減弱或者消除電磁干擾對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備的干擾。

3.3.1 模塊屏蔽

將控制器內(nèi)一些輻射大或抗干擾能力差的單板或模塊，單獨(dú)安裝在屏蔽盒中。通常將IGBT模塊、電源板等功率模塊用金屬網(wǎng)罩屏蔽，變壓器、電抗器通過鐵心環(huán)路和繞組線圈外面包一層或多層金屬短路環(huán)以減少漏磁通。

3.3.2 殼體屏蔽

通過金屬殼體把整個(gè)系統(tǒng)屏蔽起來，利用金屬外殼對(duì)電磁干擾反射和吸收損耗，切斷機(jī)箱內(nèi)外干擾信號(hào)的傳播。比較常用的屏蔽材料有鋼板、鋁板、鋁箔銅板、銅箔等。

在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)屏蔽效能的具體要求和場(chǎng)合來選擇屏蔽材料。在選用屏蔽材料時(shí)，應(yīng)遵循以下原則。

1）當(dāng)外界干擾電磁場(chǎng)的頻率比較高時(shí)，用低電阻率、高電導(dǎo)率的材料。

2）當(dāng)外界干擾電磁場(chǎng)的頻率比較低時(shí)，應(yīng)該用高磁導(dǎo)率的材料。

3.3.3 箱體上孔縫對(duì)屏蔽的影響

電力電子裝置箱體上有通風(fēng)孔、進(jìn)出線孔、安裝孔及箱蓋與箱體之間的連接縫等孔縫，這些都可能造成電磁波的嚴(yán)重泄漏，改善孔縫屏蔽有下面幾種方法。

1）加裝導(dǎo)電襯墊 導(dǎo)電襯墊具有良好的導(dǎo)電性和彈性，用于兩塊金屬的連接處，可以減小縫隙，保證金屬板之間的電連續(xù)性，從而增加屏蔽效能。導(dǎo)電襯墊通常有軟金屬、金屬編織絲線、導(dǎo)電橡膠、螺旋彈簧等。把蓋板安裝在電機(jī)控制器箱上時(shí)，各種導(dǎo)電襯墊及其安裝方法如圖5所示。

2）加裝金屬絲網(wǎng) 在電機(jī)控制器的通風(fēng)口上經(jīng)常覆蓋一層金屬絲網(wǎng)，使之既能保持通風(fēng)又能起到屏蔽作用。由于網(wǎng)孔太多，金屬網(wǎng)的吸收損耗很小，主要靠反射損耗。對(duì)于同樣的金屬線徑，目數(shù)越多即網(wǎng)孔越小，屏蔽效能就越高。對(duì)于確定的目數(shù)，線徑越大即網(wǎng)孔越小，屏蔽效能越高。

3）增加孔縫隙深度 利用波導(dǎo)原理，增加孔縫隙的深度，可以改善蓋板與箱體間接縫的屏蔽。增加縫隙深度的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

3.3.4 鐵氧體磁環(huán)的應(yīng)用

電動(dòng)汽車總裝結(jié)束后，電纜上產(chǎn)生的共模電壓也就一定了。這時(shí)，減小電纜上的共模電流的方法就是增加共模電流回路的阻抗。實(shí)用且有效的方法是在電纜上增加鐵氧體磁環(huán)，將整束電纜穿過一個(gè)鐵氧體磁環(huán)就構(gòu)成了一個(gè)共模扼流圈。共模扼流圈不需要搭鐵，可以直接加到電纜上，根據(jù)需要，也可以將電纜在磁環(huán)上繞幾匝。為了工程方便，很多廠家提供分體式的磁環(huán)，這種磁環(huán)可以很容易地卡在電纜上。鐵氧體磁環(huán)實(shí)物如圖7所示。

在使用鐵氧體磁環(huán)時(shí)，需要注意以下問題。

1）鐵氧體材料的選擇 根據(jù)要抑制干擾的頻率不同，選擇不同材料成分和磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。電動(dòng)汽車上采用的磁環(huán)應(yīng)具有較高的高頻磁導(dǎo)率。常用的高頻磁性材料有錳鋅氧磁體和鎳鋅氧磁體。因鎳鋅氧磁體磁導(dǎo)率的頻率穩(wěn)定性較好，在高頻情況下磁導(dǎo)率仍保持基本不變，一般經(jīng)常采用。

2）鐵氧體磁環(huán)的尺寸 磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長(zhǎng)，阻抗越大。但內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線。因此，要獲得大的衰減，在磁環(huán)內(nèi)徑包緊電纜的前提下，盡量使用體積較大的磁環(huán)。

3）鐵氧體磁環(huán)的安裝位置 一般盡量靠近干擾源或敏感源。在電動(dòng)汽車上，磁環(huán)要盡量靠近電機(jī)控制器的電纜進(jìn)出口、充電插口、整車控制器接線口。

3.4 搭鐵設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車中沿電纜和底盤傳導(dǎo)的共模電流是電動(dòng)汽車產(chǎn)生電磁干擾的重要原因。采用恰當(dāng)?shù)拇铊F電阻，可以衰減流向底盤的共模干擾電流及其引發(fā)的電磁輻射。電動(dòng)汽車只有輪胎和地面接觸，整個(gè)車身對(duì)地是絕緣的，共模干擾電流經(jīng)電機(jī)控制器底座流向底盤，產(chǎn)生的共模電壓很有可能危及乘客的安全。因此電機(jī)控制器底座、電機(jī)外殼必須搭鐵。另外，搭鐵阻抗必須恰當(dāng)，從而最大程度衰減共模干擾電流。電阻R、電容C、電感L的值可以通過（1）式、 （2）式求得

式中:i′——流入底盤的尖峰共模干擾電流；E——共模電壓；T——尖峰電流的時(shí)間常數(shù)，大小為R／2L；fC——尖峰電流i′的頻率［5］。

通過式 （1）、式 （2）同時(shí)考慮安全電壓上限，可以得出電阻值。

電動(dòng)汽車CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用屏蔽雙絞線。雙絞線絞環(huán)中感應(yīng)的電磁場(chǎng)相互抵消，從而降低了外界電磁場(chǎng)對(duì)絞線的干擾以及絞線間的干擾，同時(shí)雙絞線還可以降低導(dǎo)線間的非平衡性互電容，可以降低衰減。屏蔽雙絞線上的屏蔽層不僅防止外部干擾進(jìn)入絞線，同時(shí)又控制自身信號(hào)對(duì)外輻射干擾。

雙絞線絞合節(jié)距一般在15 mm以下，可以通過增加單位長(zhǎng)度內(nèi)的絞合數(shù)來增強(qiáng)抗干擾效能。若屏蔽層不搭鐵，則有可能造成比不用屏蔽線更大的電場(chǎng)耦合，因?yàn)槠帘尉€的屏蔽層比一般導(dǎo)線的面積要大得多，所以與其他線路的耦合電容也就大，耦合也就更強(qiáng)。根據(jù)文獻(xiàn)［6］、［7］的研究，屏蔽層采用單端搭鐵會(huì)取得較好效果，實(shí)踐也證明這一點(diǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖8為CAN通信波形，可以看出在附加抗干擾措施后，波形品質(zhì)得到明顯改善。通過分析，采取抗干擾措施后通信誤碼率減少2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖9為SLG6105EV型純電動(dòng)城市客車在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)做電磁場(chǎng)騷擾特性時(shí)的照片。圖10為國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)SLG6105EV型純電動(dòng)城市客車的檢驗(yàn)報(bào)告 （部分）。

5 結(jié)論

本文分析了電動(dòng)汽車的電磁兼容，并提出一些抑制電磁干擾的具體措施。實(shí)踐證明措施有效，提高了電動(dòng)汽車的電磁兼容性，滿足車輛安全、可靠運(yùn)行的要求。

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