電動汽車動態(tài)工況的EMI測試技術(shù)需求與方案設(shè)計

曾 博，鄧俊泳，林道祺，林 青，劉國榮

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510275）

電動汽車動態(tài)工況的EMI測試技術(shù)需求與方案設(shè)計

曾 博，鄧俊泳，林道祺，林 青，劉國榮

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510275）

針對電動汽車高度集成的電力驅(qū)動系統(tǒng)可能帶來電磁兼容性問題，討論國際上現(xiàn)行電動汽車電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）測試標準中汽車工作狀況設(shè)置，指出動態(tài)車輛工況設(shè)置及測試方法研究的必要性。并設(shè)計動態(tài)車輛工況信息直接、間接測量方案，實時獲取車速νV、負載扭矩TV、制動力FS參數(shù)信息；其次，提出在動態(tài)車輛工況下特征頻率提取采用實時頻譜分析儀，最大發(fā)射值測量采用接收機的EMI測試方法；最后，提出讀寫時間戳法，實現(xiàn)動態(tài)車輛工況信息、EMI測試數(shù)據(jù)匹配。該集成方案可實現(xiàn)電動汽車動態(tài)工況下的EMI測試，且測試數(shù)據(jù)時間戳無累計誤差。

電動汽車；動態(tài)工況；特征頻率提取；發(fā)射值測量

0 引 言

電動汽車高度集成的電力驅(qū)動系統(tǒng)為電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）測試帶來巨大挑戰(zhàn)。Guttowski S等[1]按照傳統(tǒng)汽車EMC測試方法測試電動汽車，由于高壓電力驅(qū)動系統(tǒng)，將導(dǎo)致測試結(jié)果一致性差；余紹峰等[2]發(fā)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)在不同功率下，電磁騷擾的絕對值及其對時間的變化率存在差別，在電磁兼容研究中應(yīng)該引起重視；Ruddle A R等[3]討論當前汽車電磁兼容標準，認為目前測試規(guī)范、方法對電動汽車動力系統(tǒng)考慮不充分，需要進一步發(fā)展；Iglesias M等[4]發(fā)現(xiàn)四輪驅(qū)動電動汽車EMC特性會影響其中控系統(tǒng)可靠性；文獻[5]基于低于30MHz頻段的電動汽車EMI測試標準分析，指出國際上EMI測量手段一致，測量對象、評價指標各有區(qū)別，SAE J551-5——2012還規(guī)定應(yīng)測量電動汽車多種運行狀況的電磁場要求[1]。本文將討論國際上現(xiàn)行電動汽車EMI測試標準中汽車工作狀況設(shè)置，進一步指出電動汽車EMI測試儀器的一些研究方向與熱點。

1 電動汽車EMI測試工作狀況與流程

當前，國際汽車整車EMI測試標準化組織包括國際無線電干擾特別委員會（international special committee on radio interference，CISPR）、 聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（economic commission of Europe，ECE）、美國機動車工程師學(xué)會（society of automotive engineers，SAE）、中國國家標準化管理委員會（standardization administration of China，SAC）等，其中 CISPR、ECE將電動汽車作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛的一類，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速描述車輛工作狀況，規(guī)定了發(fā)動機恒速運轉(zhuǎn)(巡航)、通電但不運轉(zhuǎn)（N擋）2種工況，如ECE R10-04、CISPR 12——2009（GB/T 14023——2011）、CISPR 25——2008（GB/T 18655——2010）、CISPR 36(制定中)；SAE體系早期標準SAE J551-5——2004、GB/T 18387——2008以車輛速度描述其工作狀況，設(shè)定勻速巡航1種工況，在最新標準SAE J551-5——2012中，除巡航工況之外，又設(shè)置制動（制動壓力）、怠速（負載扭矩）2種工況。表1～表3分別為各標準、CISPR與ECE體系標準、SAE體系標準規(guī)定的車輛工作狀況。

SAE J551-5——2012中規(guī)定的測試流程為[6]：

1）按照表中特征頻率提取的取值，設(shè)置車輛工作狀況，測試各頻率下的發(fā)射值。

2）根據(jù)第1）步掃描結(jié)果，計算發(fā)射場強度減去限值后的最大值（離限值線最近）所在頻率。

表1 各標準規(guī)定的車輛工作狀況

表2 歐洲體系標準規(guī)定的車輛工作狀況

表3 SAE體系規(guī)定的車輛工作狀況

3）依據(jù)第2）步所得的頻率，在最大發(fā)射值測量規(guī)定范圍內(nèi)選擇工況參數(shù)，測量最大射值。

4）重復(fù)步驟1）～3）進行另外3個側(cè)面與其他場的測量。

可以看出，SAE J551-5——2012設(shè)置車輛制動、怠速、巡航3種工況，采用控制變量的方式，較好地模擬常規(guī)駕駛時的各種情況，一定程度上保證電動汽車在各種使用狀態(tài)下均不會出現(xiàn)輻射超標現(xiàn)象。SAE J551-5——2012將“變化車輛工況”列為第5.4.4款，指出動態(tài)車輛狀況的測試方法還在研究中。

2 電動汽車動態(tài)工況EMI測試技術(shù)需求分析與設(shè)計

為實現(xiàn)電動汽車動態(tài)工況EMI測試，需分步實現(xiàn)動態(tài)工況下的特征頻率提取、最大發(fā)射值測量，這將會對底盤測功機、頻譜分析儀、掃描接收機等儀器設(shè)備的信息化程度提出更高的要求。

2.1 動態(tài)工況下車輛信息獲取

為了實現(xiàn)動態(tài)工況的EMI測量，應(yīng)采集用以描述車輛工作狀況的參數(shù)[7-8]，如車速νV、負載扭矩TV、制動力FS。需從車輛或底盤測功機，采用直接測量與間接測量的方法得到各種參數(shù)。

通過直接測量可在車輛對應(yīng)位置獲得車速νV、負載扭矩TV、制動力FS。車速νV可以由車載診斷系統(tǒng)（the second on-board diagnostics，OBD II）中獲取，由OBD II系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)更新率約為10Hz。車輛負載扭矩TV可采用局部應(yīng)力應(yīng)變測量、車輛外部載荷測量兩種方案；局部應(yīng)力應(yīng)變測量方案直接在零部件的高應(yīng)力應(yīng)變點布置應(yīng)變片，測量準確度高，但應(yīng)變片粘貼位置受車輛型號影響[9]；車輛外部載荷測量方案，一般采用車輪力傳感器測量作用于車輪軸頭的6個分力，經(jīng)合成得到車輛外部載荷[10]。制動壓力FS則是在垂直力為0 N時的特殊情況，其傳感物理量與車輛負載扭矩TV相同。

實時獲取多車輪多參數(shù)的運動狀態(tài)信息，集成運動狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，即可實現(xiàn)不同行駛狀況下車輪運動狀態(tài)監(jiān)測[11]。但直接測量方案需要針對車輛特性布置傳感器，在實際測試中的可行性較差。

間接測量方案在底盤測功機可獲得的物理量基礎(chǔ)上[12]，計算得車輛各參數(shù)。圖1為底盤測功機與車輛主動輪的受力分析圖。

圖1 底盤測功機與車輛主動輪受力分析圖

若車輪與轉(zhuǎn)鼓間無相對滑動，底盤測功機轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速nT、半徑RT、固定位置拉力FTL、與車輪接觸面阻力FTS，前進、后退防護裝置拉力分別為FVF、FVB，車輛輪胎半徑RV、主動軸直徑DVF；車速νV、負載扭矩TV、制動力FS分別為

2.2 動態(tài)工況下特征頻率提取

在特征頻率提取階段，可以采用掃頻式頻譜分析儀、實時頻譜分析儀。

按標準CISPR 16-1-1——2010規(guī)定，采用準峰值檢波器測試頻段 B（150 kHz～30 MHz，RBW=9 kHz）[13]，掃頻式頻譜分析儀至少需要耗時63.3s，而實時頻譜分析儀僅需1.0s。因此選用實時頻譜分析儀實現(xiàn)動態(tài)工況特征頻率提取。

實時頻譜分析儀利用有限長數(shù)據(jù)經(jīng)離散傅里葉變換（discrete fourier transform，DFT），計算其頻域特性。設(shè)信號X（t）的無限長離散序列為X（∞）={x（n）}（n∈Z）、N點序列為X（N）={x（n）}（0≤n＜N），則X（N）為

則其DFT[14]為

實際應(yīng)用中若采用快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT）進行計算，由式（5）可知，變換兩端（時域和頻域上）的序列為有限長，信號截斷會產(chǎn)生能量泄漏。對有限長離散信號作DFT，會對其周期延拓變換，存在柵欄效應(yīng)，可選擇合適的窗函數(shù)抑制。不同窗函數(shù)對信號頻譜影響不同，如矩形窗主瓣窄、旁瓣大，頻率識別準確度最高、幅值識別準確度最低；布萊克曼窗主瓣寬、旁瓣小，頻率識別準確度最低、幅值識別準確度最高。

在特征頻率提取階段，頻率與幅值識別準確度都會影響到特征頻率的提取，故需要針對電動車動態(tài)工況的信號設(shè)置窗函數(shù)，提高特征頻率提取準確度。

設(shè)實時頻譜分析儀的原理誤差為u1、頻率讀數(shù)不確定度為u2，則儀器的合成不確定度uc為

降低實時頻譜分析儀原理誤差u1與頻率讀數(shù)不確定度u2，即可降低合成不確定度uc。

設(shè)儀器游標頻率fc、頻率精準不確定度u2_1、掃描帶寬特性ascan、分析帶寬特性arbw、掃描帶寬fscan、分析帶寬frbw、掃描點數(shù)N，則頻率讀數(shù)不確定度u2為

其中，fc、u2_1、ascan、arbw、frbw由儀器特性決定， 對于同一臺儀器，其值不變；fscan由測試標準決定，對于同一項目測試，其值不變。因此，只能通過提高掃描點數(shù)N或設(shè)計最優(yōu)的窗函數(shù)，才能降低儀器的合成不確定度uc，提高特征頻率提取準確度。

2.3 動態(tài)工況下發(fā)射值測量

發(fā)射值測量采用接收機的固定頻率模式，在提取到的特征頻率fCi（i=1，2，3，…）下，測量得電磁場發(fā)射值ECi隨掃查時間tR的變化關(guān)系，并與規(guī)定的限值比較得出結(jié)論。在動態(tài)工況下，汽車工況隨測試開始后的時間tT變化，應(yīng)將tT與tR對應(yīng)起來。時間對應(yīng)可以采用協(xié)同作業(yè)或讀寫時間戳2種方案。

若底盤測功機、EMI測試接收機的延時特性分別為tTC、tRC，則對于相等的相對時間戳t（i）T、t（j）R，系統(tǒng)誤差ΔtC為

系統(tǒng)誤差ΔtC可以利用軟件控制儀器多次測得平均值進行補償。此外，采用采樣頻率與數(shù)據(jù)點數(shù)計算相對時間的方法，存在累積誤差。

2）讀寫時間戳法在上位機獲取發(fā)出開始指令、收到數(shù)據(jù)的時間，則對于數(shù)據(jù)中各個采樣點的時間，可以采用插值方法（如牛頓-萊布尼茨插值等）計算。圖2為基于讀寫時間戳的同步方案機理圖。

圖2 基于讀寫時間戳的同步方案

設(shè)上位機發(fā)出開始指令的時間Ts、儀器開始采集數(shù)據(jù)的時間TAs、儀器結(jié)束采集數(shù)據(jù)的時間TAe、上位機接收到數(shù)據(jù)的時間Te，則數(shù)據(jù)時間戳的原理誤差uT為

可見，該方案沒有累積誤差；若儀器為頻譜分析儀，其檢波時間TD=TAe-TAs，則可計算得uT，再對插值方法進行補償，即可抑制原理誤差。

另外，若能測得上位機與儀器的通信延遲、儀器與上位機的數(shù)據(jù)傳輸時間，再對插值方法進行補償，可更加有效地抑制原理誤差。

3 結(jié)束語

1）分析當前國際汽車整車EMI測試標準化工作，指出研究動態(tài)車輛狀況的EMI測試方法是未來趨勢且具有一定意義，并分析其對車輛信息獲取、電磁干擾值測試的技術(shù)需求。

2）明確動態(tài)工況應(yīng)獲取的車輛信息為車速νV、負載扭矩TV、制動力FS，設(shè)計通過實時獲取多參數(shù)運動狀態(tài)信息的直接測量方案與根據(jù)底盤測功機獲得物理量計算車輛各參數(shù)的間接測量方案。

3）動態(tài)工況下電磁干擾值測試，選用實時頻譜分析儀實現(xiàn)特征頻率提取，需研究專用窗函數(shù)，提高特征頻率提取準確度；最大發(fā)射值測量可采用接收機的固定頻率模式。針對協(xié)同作業(yè)法對應(yīng)EMI測量值與車輛工況數(shù)據(jù)存在累積誤差的問題，提出無累積誤差的讀寫時間戳法。

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（編輯：商丹丹）

Technology requirement and scheme design for electric vehicle EMI measurements in transient condition

ZENG Bo， DENG Junyong， LIN Daoqi， LIN Qing， LIU Guorong
（China National Electric Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510275，China）

Forhighly integrated electric drive system of electric vehicle could lead to the electromagnetic compatibility problem， the vehicle conditionspreceptsof currentinternational electric vehicle electromagnetic interference （EMI） measurements standard were discussed.It was necessary to study the transient condition of the vehicle design and test method.On this purpose，direct and indirect real-time measurement methods for transient vehicle conditions information were put forward， and the vehicle speed， load torque and braking force were acquired in real time.EMI measurements method for transient vehicle conditions was also proposed，which characteristic frequency was test by real-time spectrum analyzer and emission was measured by receiver.In order to matching transient vehicle conditions information and EMI measurement data，a read/write timestamp method was present.The discussion shows that integration scheme can realize electric vehicle EMI measurements in transient condition.There is no accumulated error from the read/write timestamp matching method.

electric vehicle； transientcondition； characteristic frequency extraction； emission measurement

A

1674-5124（2017）11-0008-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.002

2017-02-11；

2017-03-24

廣州市科技計劃項目（201504010037）

曾 博（1981-），男，湖北公安縣人，工程師，碩士，主要從事電磁兼容檢測技術(shù)研究。