電動(dòng)方程式賽車(chē)整車(chē)電磁兼容性研究

周華龍

純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)線(xiàn)束的設(shè)計(jì)和要求很高，由于動(dòng)力全部由蓄電池提供，因此對(duì)于高壓線(xiàn)束的絕緣防護(hù)和高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)的隔離等有著非常嚴(yán)格的要求，同時(shí)因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車(chē)中有著驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器這兩大主要的電磁騷擾源在，對(duì)于整車(chē)的電磁干擾性非常的強(qiáng)，給整車(chē)上的很多用電設(shè)備和控制線(xiàn)路造成電磁騷擾，使它們功能下降甚至失效。對(duì)于FSAE純電動(dòng)方程式賽車(chē)來(lái)說(shuō)更是如此，在賽車(chē)上整個(gè)線(xiàn)束只受車(chē)架的機(jī)械保護(hù)，為了提高絕緣安全性需要通過(guò)其他的手段，需要對(duì)于線(xiàn)束的裸露、固定、連接、防水、安全控制、驅(qū)動(dòng)線(xiàn)束與控制線(xiàn)束的隔離等問(wèn)題進(jìn)行一一的處理和設(shè)計(jì)優(yōu)化；同時(shí)在整個(gè)FSAE方程式賽車(chē)上電器系統(tǒng)較民用車(chē)簡(jiǎn)單，電機(jī)和電機(jī)控制器等電磁騷擾源主要的電磁騷擾對(duì)象就是整車(chē)控制器和儀表等設(shè)備，且整車(chē)控制器是整個(gè)純電動(dòng)賽車(chē)的核心所在，如果受到電磁干擾嚴(yán)重會(huì)直接影響到其對(duì)于整車(chē)的命令控制，嚴(yán)重影響到整車(chē)的動(dòng)力性和安全性

1 整車(chē)主要電磁騷擾源

電機(jī)控制器主要作用是將輸入的直流電逆變成電壓、頻率均可調(diào)的三相交流電，供給交流電機(jī)使用。其中電機(jī)控制器中的逆變器由于工作原理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在逆變器工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，因此變頻器輸出波形除了基波外還含有大量的高次諧波，所以變頻器本事就是一個(gè)電磁騷擾源，對(duì)電源側(cè)和輸入側(cè)的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生影響。且高次諧波有很強(qiáng)的輻射作用，將高次諧波能量直接耦合或通過(guò)其他方式進(jìn)入數(shù)字設(shè)備中，會(huì)干擾設(shè)備的正常工作，增加其故障率，降低設(shè)備的使用壽命。同時(shí)在一個(gè)輸入為300V直流的逆變器中，由于逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的差模干擾電壓高達(dá)30V，而且還含有大量的窄脈沖，這些電磁干擾如果耦合到周?chē)男盘?hào)線(xiàn)和控制線(xiàn)上，必然對(duì)純電動(dòng)賽車(chē)的主控制器的安全可靠性帶來(lái)一定的安全隱患。

電機(jī)是純電動(dòng)汽車(chē)的又一嚴(yán)重電磁騷擾源。電機(jī)是電感性設(shè)備，電機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖流在電源網(wǎng)絡(luò)中傳播，向周?chē)臻g輻射。電機(jī)的開(kāi)、停以及負(fù)荷改變都會(huì)使工作電流改變并產(chǎn)生脈沖電流，特別是整流式電機(jī)造成的干擾最大。這種干擾表現(xiàn)為不規(guī)則的窄脈沖，頻譜為10KHZ-1GHZ。

2 電磁騷擾的作用路徑

電磁騷擾的作用途徑分為輻射路徑和傳導(dǎo)路徑兩大類(lèi)

A.輻射路徑

電磁騷擾源如果不是處在一個(gè)全密閉的金屬外殼內(nèi)，它就可以通過(guò)空間向外輻射電磁波，其輻射場(chǎng)強(qiáng)取決于裝置的電磁干擾電流強(qiáng)度、裝置的等效輻射阻抗，以及電磁騷擾源的輻射頻率。如果電磁騷擾源的金屬外殼帶有縫隙與孔洞，則輻射的強(qiáng)度與干擾波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)孔洞的大小與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，則可形成干擾子輻射源向四周輻射。

B.傳導(dǎo)路徑

電磁騷擾源可通過(guò)與其相連的導(dǎo)線(xiàn)向外部發(fā)射，也可通過(guò)耦合電容、耦合電感以及公共阻抗耦合，將電磁干擾帶入其它電路，此種傳導(dǎo)發(fā)射是電磁干擾傳播的重要路徑。當(dāng)電磁騷擾源的頻率較低時(shí)，電磁波的輻射能力相當(dāng)有限，同時(shí)電磁騷擾源又不是直接與其它導(dǎo)體連接，此時(shí)電磁干擾能量可通過(guò)與其相鄰的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)耦合，將電磁能轉(zhuǎn)移到其它導(dǎo)體上去，在鄰近導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出干擾電流和電壓。

其中干擾按照傳導(dǎo)路徑又可以分為共模干擾和差模干擾，對(duì)整車(chē)控制器主要為這兩種。

共模干擾是存在于任何一個(gè)電源線(xiàn)或者信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的干擾，有兩個(gè)干擾的相位相同；差模干擾則是在電源線(xiàn)之間或者信號(hào)線(xiàn)之間的干擾，是一種直接的干擾。

整車(chē)控制器所受干擾的主要耦合路徑有：

直接耦合方式：干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接傳導(dǎo)到電路中而對(duì)電路產(chǎn)生干擾。干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)電源線(xiàn)直接耦合到控制器中是最常見(jiàn)的現(xiàn)象。對(duì)于這種干擾可以采用去耦的方法有效地抑制或防止干擾信號(hào)的傳入。

公共阻抗耦合方式：電磁騷擾源和信號(hào)源具有公共阻抗時(shí)的傳導(dǎo)耦合。公共阻抗耦合一般發(fā)生在兩個(gè)電路的電路流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電流在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路。常見(jiàn)的公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。

電容耦合方式：電位變化在電磁騷擾源與干擾對(duì)象之間引起的靜電感應(yīng)。由于在電路的元件之間、導(dǎo)線(xiàn)之間、導(dǎo)線(xiàn)與元件之間都存在著分布電容，因此，如果某一個(gè)導(dǎo)體的信號(hào)電壓（或干擾電壓）通過(guò)分布電容使其他導(dǎo)體上的電位受到影響，就產(chǎn)生了電容性的耦合方式。

電磁感應(yīng)耦合方式：任何空間中的交變磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)周?chē)拈]合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，引起電磁感應(yīng)耦合。

輻射耦合方式：導(dǎo)體中變化的電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，電流變化率（頻率）越高，則輻射效率越高。這些電場(chǎng)波會(huì)對(duì)附近的敏感源產(chǎn)生干擾。

漏電耦合方式：漏電耦合是電阻性耦合方式。當(dāng)相鄰的元件或?qū)Ь€(xiàn)間的絕緣電阻降低時(shí)，有些電信號(hào)便通過(guò)這個(gè)降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。

3 敏感源

控制系統(tǒng)對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的變化都十分敏感。也就是說(shuō)，空間電磁場(chǎng)的變化對(duì)控制系統(tǒng)都會(huì)造成不同程度的干擾。 很多的用電設(shè)備在工作中都會(huì)受到其他設(shè)備的電磁干擾，其中有部分基本不干擾其他的設(shè)備，而以被干擾為主。這些容易受到其他設(shè)備電磁干擾的設(shè)備都是敏感源。

4 汽車(chē)電磁干擾的抑制技術(shù)

在電磁騷擾抑制措施中屏蔽、濾波和接地是三項(xiàng)最基本的技術(shù)。屏蔽主要用于切斷通過(guò)空間輻射的干擾的傳輸途徑，根據(jù)其性質(zhì)可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽；濾波主要用于消耗掉沿導(dǎo)線(xiàn)傳播的傳導(dǎo)干擾的高頻分量，降低了傳導(dǎo)騷擾的天線(xiàn)效應(yīng)，同時(shí)也抑制了輻射騷擾。主要討論抗共模干擾、差模干擾和浪涌的濾波電路和裝置的設(shè)計(jì)。接地技術(shù)主要討論正確地布置地線(xiàn)、接地體的設(shè)、接地和屏蔽濾波的關(guān)系，搭接是實(shí)現(xiàn)接地的實(shí)際技術(shù)，如何減少搭接電阻也是接地需研究的問(wèn)題：也有人對(duì)汽車(chē)的接地技術(shù)進(jìn)行了研究。同時(shí)由于汽車(chē)電氣電子系統(tǒng)的集成化、綜合化，這三種技術(shù)措施的應(yīng)用與汽車(chē)性能優(yōu)化產(chǎn)生矛盾。一些新的電磁騷擾抑制技術(shù)也展開(kāi)研究，像光電耦合隔離技術(shù)等。

5 預(yù)期研究成果

（1）制定出提高FSAE純電動(dòng)方程式賽車(chē)的整車(chē)線(xiàn)路絕緣防護(hù)和抗電磁干擾的設(shè)計(jì)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)

（2）提高新一屆純電動(dòng)方程式賽車(chē)的電器系統(tǒng)的安全性和可靠性

按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在純電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，對(duì)整車(chē)線(xiàn)路絕緣防護(hù)和電磁兼容性研究是必不可少的，這對(duì)于整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)制造有著非常積極重要的作用。

世界發(fā)達(dá)國(guó)家以及很多大的汽車(chē)制造商都很重視汽車(chē)的絕緣防護(hù)和電磁兼容性的研究，制定了很多的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且開(kāi)展了很多有關(guān)這兩方面的研究，在汽車(chē)設(shè)計(jì)的初期就充分的考慮了對(duì)于整車(chē)線(xiàn)路的絕緣防護(hù)和電磁兼容性。同時(shí)，在這方面我國(guó)相對(duì)比較落后，但也制動(dòng)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并且建立了一些有關(guān)整車(chē)線(xiàn)路絕緣防護(hù)和電磁兼容性的測(cè)試基地。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于FSAE純電動(dòng)方程式賽車(chē)有關(guān)整車(chē)線(xiàn)路絕緣防護(hù)和抗電磁干擾的研究具有非常重要的積極意義，此項(xiàng)目對(duì)于整個(gè)賽車(chē)安全性和可靠性有著極大的促進(jìn)作用和實(shí)際的運(yùn)用價(jià)值。