ISO 26262關于驗證電磁兼容安全性方法的運用研究
——以新能源車用DC-DC轉換器為例

文/游元杰 武修英 馮依睿

【機動車專欄】

ISO 26262關于驗證電磁兼容安全性方法的運用研究
——以新能源車用DC-DC轉換器為例

文/游元杰 武修英 馮依睿

本文對如何運用ISO 26262“道路車輛—功能安全”系列國際標準中對直流—直流（DC-DC）轉換器電磁兼容安全方面評定方法進行了闡述，分析了在新能源汽車中DC-DC轉換器電磁干擾的危害特性，并提出了相應的驗證檢測技術。

DC-DC轉換器 電磁兼容 ISO 26262

隨著電動車輛等新能源汽車的發(fā)展，越來越多的高壓零部件被運用于車輛上，這對車輛的電磁兼容性能提出了更高的要求。ISO 26262“道路車輛—功能安全”系列國際標準對車輛整體電子系統(tǒng)功能安全也提出了進一步要求。目前，各整車生產(chǎn)商基于此系列標準，對零部件供應商在電子電器功能安全管控的能力加強了考察。

本研究目的在于確定如何根據(jù)ISO 26262對直流—直流（DC-DC）轉換器電磁兼容特性功能安全進行評定，并對驗證電磁兼容功能安全檢測技術方面加以探討。

一、DC-DC轉換器工作原理

電動車輛一般有兩個儲能設備為車上的電器進行供電，分別為高壓電池系統(tǒng)和低壓蓄電池系統(tǒng)。高壓電池系統(tǒng)輸出高壓直流電，經(jīng)過DC-DC轉換器轉換為適合車輛高壓零部件（如驅動電機和空調(diào)壓縮機）工作要求的直流電使其正常工作。低壓蓄電池系統(tǒng)則為車燈、車身控制模塊（BCM）等低壓電子電器設備輸送低電壓直流電，使其正常工作。由于電動車輛上沒有發(fā)電機，一般使用高壓電池包輸出高壓直流電，經(jīng)過DC-DC轉換器至低壓蓄電池，來滿足低壓蓄電池的充電功能。

同時，在DC-DC轉換器上，一般加裝監(jiān)控和控制模塊，來確保將高壓電池的電能以經(jīng)濟安全的策略供給電動車上的其他電器。

以此可見，DC-DC轉換器對于電動車輛來說非常重要，是整個電動車系統(tǒng)的核心部件。

DC-DC轉換器具有成本低、體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點。但電動車輛用DC-DC轉換器，自身會產(chǎn)生較強的電磁干擾（EMI）。EMI是隨著DC-DC轉換器開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯增強。經(jīng)傳導和輻射，它會污染周圍電磁環(huán)境，對車輛上其他電子電器部件造成干擾，影響周圍電子設備的正常運行。例如，當EMI竄入到車身控制系統(tǒng)、電子油門系統(tǒng)，電子剎車系統(tǒng)等車輛重要控制系統(tǒng)時，會使車輛出現(xiàn)失效或產(chǎn)生誤動作等，嚴重影響車輛行駛安全和人身安全。因此，只有提高DC-DC轉換器電磁兼容性，才能使DCDC轉換器真正運用于道路車輛上。

二、ISO 26262標準概述

ISO 26262系列標準主要定位在汽車行業(yè)中特定的電氣器件、電子設備和可編程電子器件等專門用于汽車領域的部件，旨在提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全。

ISO 26262系列標準根據(jù)安全風險程度對系統(tǒng)或系統(tǒng)某組成部分確定劃分由A到D的安全需求等級，即汽車安全完整性等級（ASIL）。其中，D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。伴隨著ASIL等級的增加，針對系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)流程的要求也隨之增強。對系統(tǒng)供應商而言，除了需要滿足現(xiàn)有的高質(zhì)量要求外，還必須滿足這些因為安全等級增加而提出的更高要求。

三、DC-DC轉換器ASIL功能安全評級方法

依據(jù)ISO 26262系列標準進行DC-DC轉換器電磁兼容特性功能安全設計時，首先對DC-DC轉換器的各功能進行逐個分析，識別系統(tǒng)所有的危害，依據(jù)三個因子——嚴重度（S）、暴露率（E）和可控性（C），評估危害的風險級別ASIL等級。其中，嚴重度是指對駕駛員、乘員或者行人等涉險人員的傷害程度；暴露率是指人員暴露在系統(tǒng)失效、能夠造成危害場景中的概率；可控性是指駕駛員或其他涉險人員能夠避免事故或傷害的可能性。這三個因子的分類在表1中給出。

表1 嚴重度、暴露率、可控性分類

ASIL等級的確定基于這三個影響因子，表2中給出了ASIL的確定方法。質(zhì)量管理（QM）表示按照質(zhì)量管理體系開發(fā)系統(tǒng)或功能。確定了危害的ASIL等級后，為每個危害確定至少一個安全目標，作為功能和技術安全需求的基礎。

表2 ASIL等級確定

1. 危害分析和風險評估

以DC-DC轉換器電磁兼容特性為例介紹如何進行危害分析和風險評估。

DC-DC轉換器作為電動車輛的核心部件，除了轉換交直流電壓、電流功能，還有監(jiān)控高壓電池系統(tǒng)輸送電壓、電流波動情況，輸出交直流電壓、電流，為低壓蓄電池充電功能等。

當電動車輛行駛時，駕駛員通過油門、剎車、使用車燈控制撥桿和使用空調(diào)旋鈕等發(fā)出請求，DC-DC轉換器分別啟動傳輸交直流高壓電流至驅動電機，傳輸?shù)蛪捍箅娏鳛榈蛪盒铍姵爻潆姷裙δ?。由于自身EMI能力強，會引發(fā)電子剎車系統(tǒng)失效、電子油門失效、驅動電機轉速異常和車身控制系統(tǒng)失效等風險，導致的危險如：非預期制動失效，非預期驅動失效、非預期驅動異常、非預期電器功能失效、非預期電器功能異常。

鑒于車輛行駛不同特性，相同危害在不同場景下的風險是不一樣的。所以，我們要對不同的駕駛場景進行分析。在極端情況下，我們對“非預期制動失效”這種功能故障進行風險評估。表3給出了DC-DC轉換器電磁兼容特性風險評估。在該表中，我們考慮的駕駛場景是：車輛在高速公路上以80～120 km/h的速度高速行駛正常駕駛，發(fā)現(xiàn)由于DC-DC轉換器對外EMI，致使電子剎車系統(tǒng)失效。這種導致車輛制動力突然失效，使車輛異?；校x車道等情況對道路車輛和人員造成嚴重傷害。

表3 DC-DC轉換器電磁兼容特性風險評估

通過以上分析，得出DC-DC轉換器電磁兼容特性的安全目標為：防止制動失效，ASIL等級為D。

由此可見，DC-DC轉換器電磁兼容特性在功能安全方面非常重要。DC-DC轉換器對外EMI是由于內(nèi)部的功率開關管、整流或續(xù)流二極管和主功率變壓器在高電壓、大電流和高頻開關的方式下工作，其電壓電流波形多為方波。所以，在高壓大電流的方波切換過程中，方波電壓電流會產(chǎn)生豐富的諧波電壓和諧波電流。這些諧波電壓和諧波電流可通過電源輸入線或開關電源的輸出線傳出，對同一車輛上供電的其他設備和車載電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

因DC-DC轉換器電磁兼容特性是在其內(nèi)部多功能部件交互產(chǎn)生的，故不能按照ISO 26262中分解原則對其進行分解，應作為整體進行檢測驗證。

四、DC-DC轉換器電磁兼容特性驗證

目前，國內(nèi)汽車電磁兼容類標準，并沒有對DC-DC轉換器電磁兼容特性提出強制性標準。基于主機廠對零部件電磁兼容特性愈發(fā)重視，各自針對國際通用標準CISPR 25:2008《車輛、船和內(nèi)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》制定相關標準，如GB/T 18655-2010（CISPR 25:2008，IDT），用來確保DC-DC轉換器EMI不會對車載接收機造成沖擊。

一般使用三種方法來考察DC-DC轉換器EMI特性，分別為輻射騷擾測試、電源端傳導騷擾測試、控制信號線傳導騷擾測試。

輻射騷擾測試是從空間電磁輻射量上來考察DC-DC轉換器對外的輻射發(fā)射量，使用3 m法半電波暗室，并針對測試的頻率段不同，分別使用單極棒天線（0.15～30 MHz）、雙錐天線（30～200 MHz）、對數(shù)周期天線（200～1 000 MHz）、喇叭天線（1 000～2 500 MHz）在空間中接收DC-DC轉換器在工作時對外的輻射量。在1 000 MHz以下，天線正對樣品線束，1 000 MHz以上天線正對樣品。測試布置如圖1所示。

圖1 輻射騷擾測試布置圖

電源端傳導騷擾測試是在DC-DC轉換器工作時，通過對電源線的監(jiān)控騷擾數(shù)值，來考察是否會對車用電網(wǎng)造成沖擊，直接使用同軸線纜將測量接收機和人工電源網(wǎng)絡上的測量接口相連接，分別讀取輸入DC-DC轉換器的正極電源端和負極電源端騷擾量。測試布置如圖2所示。

圖2 信號控制傳導騷擾測布置圖

控制信號線傳導騷擾測試，是對DC-DC轉換器控制和信號線電流上對外騷擾量進行考察，一般使用電流鉗讀取控制信號線上的騷擾量，并對其進行考察。分別對靠近DC-DC轉換器和靠近線束中心這兩個位置進行讀取，測試布置如圖3所示。

圖3 電源端傳導騷擾測布置圖

在進行以上三項測試時，需要注意，人工電源應選擇符合汽車電磁兼容標準CISPR 25《車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收的限值和測試方法》參數(shù)要求的高壓人工電源網(wǎng)絡，由于DC-DC轉換器的特殊性和標準要求：在電源輸入端須接入帶屏蔽殼體的人工電源網(wǎng)絡，輸出端是否使用人工電源網(wǎng)絡并無強制要求，但為更加符合整車電網(wǎng)特性，一般都會使用，輸入至DC-DC轉換器控制模塊的低壓電源也應使用低壓人工電源網(wǎng)絡。

不同主機廠根據(jù)自身情況并結合ISO 26262對于DC-DC轉換器電磁兼容特性的功能安全判定，會要求DC-DC轉換器EMI特性滿足不同的限值等級要求。由于EMI有一定的不確定性，一般在設計階段、硬件階段、軟件開發(fā)階段等很難預估。若要有效地控制EMI，需要大量的數(shù)據(jù)支持和驗證。在設計階段，應考慮DC-DC轉換器的接地處理、屏蔽能力，必要時加裝濾波器。改良電路會使產(chǎn)品能更好地抑制EMI，以滿足客戶功能安全需求，并為消費者提供安全保障。

五、結 語

現(xiàn)在發(fā)展迅速的電動車輛和未來的智能網(wǎng)聯(lián)車輛，對車輛上的電子電器產(chǎn)品提出了更高的功能安全需求，以ISO 26262為基礎的安全功能評級越來越得到整車廠的重視，并向零部件制造企業(yè)提出了響應的要求，電磁兼容特性無疑是其中重要的考察項。不同于性能驗證測試，電磁兼容特性更偏向于系統(tǒng)級的整體測量。對車輛安全來說，電磁兼容特性雖然充滿不確定性和隨機性，但卻非常重要。國際、國家標準也正在著手建立更加完善的車輛電磁兼容標準體系，以期提高行業(yè)標準和安全保障。

（作者單位：上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司）

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This paper describes how to use the ISO 26262 Road Vehicles-Functional Safety series of international standards for DC-DC converter electromagnetic compatibility safety evaluation methods. The paper analyzes hazards of electromagnetic interference produced by DC-DC converter in the new energy vehicles, and then proposes some appropriate verification and detection technology.

DC-DC converter; Electromagnetic compatibility; ISO 26262