電動汽車智能高壓配電箱電磁兼容性能研究

楊杰，劉青松，覃延明，李彬, 翟建鵬，曹鐘，張俊東，牛偉，陳一高，胡俊

(重慶車輛檢測研究院有限公司國家客車質量監(jiān)督檢驗中心重慶市電磁兼容工程技術研究中心，重慶 401122)

0 引言

純電動汽車的動力電池電源電壓多為幾百伏的直流高壓,車載用電設備如空調、電機和組合儀表等若直接與動力電池相連則會造成供電線束雜亂,即增加成本又占用整車空間，故電動車需要增加高壓配電箱對動力電池電源進行高壓分配[1]。高壓配電箱一般由高壓到低壓的直流變換DC/DC 模塊、電機驅動DC/AC交流逆變和高壓直流輸出三部分構成。其中，DC/DC和DC/AC模塊在工作過程中會產生大量的電磁干擾，會對車載電子設備以及周圍的電磁環(huán)境造成嚴重的電磁干擾。

針對道路車輛及其車內通過傳導和耦合引起的電磁騷擾，為減少汽車電子部件或系統(tǒng)的電磁輻射騷擾，我國制定了GB/T 18655-2010《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制和測量方法》，該標準規(guī)定了從150 kHz～2 500 MHz內的無線電騷擾限值和測量方法[2]。作者基于該標準規(guī)定的試驗方法，研究了某型號的智能高壓配電箱的電磁輻射發(fā)射性能，針對試驗過程中該高壓配電箱出現的輻射發(fā)射超標現象，詳細分析了其產生的原因，并給出了相應的整改措施，最后對整改后的高壓配電箱進行對比試驗。試驗結果表明，整改后的高壓配電箱符合GB/T 18655-2010關于輻射發(fā)射限值要求。

1 智能高壓配電箱輻射發(fā)射測量

按GB/T 18655-2010關于零部件輻射發(fā)射的ALSE(Absorber Lined Shielded Enclosure)測試方法，在國家客車質量監(jiān)督檢驗中心10 m法半電波暗室對某型智能高壓配電箱進行輻射發(fā)射試驗[3]。

輻射發(fā)射試驗的頻率測量范圍為0.15 MHz～2.5 GHz，分別采用棒天線、雙錐天線、對數周期天線和喇叭天線進行測量，標準要求在對被測設備進行輻射發(fā)射測量時，應在典型負載和產生最大電磁發(fā)射工作條件下進行[4]。測試過程中，智能高壓配電箱的DC/DC輸出連接24 V蓄電池、DC/AC輸出連接功率電阻、高壓直流輸出接型號為WSTF-LDZ90K-750V的負載箱；所有線束放置在無導電性、低相對介電常數材料上，距接地平面上方(50±5) mm的位置；它與負載模擬器之間的試驗線束的總長不應該超過2 000 mm，且試驗線束平行于接地平面邊緣部分的長度應該為(1 500±75) mm。輻射發(fā)射連接圖如圖1所示。

圖1 輻射發(fā)射連接示意圖

輻射發(fā)射實際測試照片如圖2所示。

當用雙錐天線對智能高壓配電箱進行輻射發(fā)射測試時，在水平、垂直極化方向，其測量值均超出GB/T 18655-2010規(guī)定的限值。水平、垂直極化方向測試數據如圖3所示。

圖3 雙錐天線輻射發(fā)射測試數據

從圖3可以看出：在30～250 MHz頻率范圍內，水平、垂直極化方向測量時，智能高壓配電箱均存在嚴重的超標現象。

2 零部件輻射發(fā)射超標原因分析

對于智能高壓配電箱輻射發(fā)射在30～250 MHz超標的問題，必須找出輻射發(fā)射源頭且對癥下藥、采取有效的抑制措施，才能使產品滿足標準要求[5-7]。

智能高壓配電箱主要包含直流輸出為24 V的DC/DC、交流輸出為380 V的DC/AC、幅值大小為550 V的高壓直流輸出，高壓直流輸出由輸入端經繼電器再直接輸出，可以首先排除它為輻射發(fā)射源，因此需要判斷DC/DC模塊和DC/AC模塊誰是主要發(fā)射源。測試時，采用分離試驗法來判斷輻射發(fā)射超標源頭。先拔掉DC/DC模塊，若測試曲線明顯降低，那么可以確定智能高壓配電箱輻射發(fā)射超標的主要原因是由DC/DC模塊；若測試曲線沒有明顯的變化，那么可以確定輻射發(fā)射超標的主要原因是DC/AC模塊[8]?；谝陨纤悸罚謩e進行了兩組對比試驗，圖4為拔掉DC/DC模塊的測試曲線，圖5為拔掉DC/AC模塊的測試曲線。

圖4 拔掉DC/DC模塊的測試曲線

圖5 拔掉DC/AC模塊的測試曲線

對比圖4和圖5，可以很明顯地發(fā)現：拔掉DC/AC模塊后，輻射發(fā)射測試曲線大幅降低且平均值和峰值均在限值以下，滿足標準要求；拔掉DC/DC模塊后，輻射發(fā)射測試曲線明顯降低，在40～70 MHz仍有超標的現象，因此，可以得出以下兩點結論：(1)DC/AC模塊是輻射發(fā)射超標的主要原因；(2)DC/DC模塊是輻射發(fā)射的次要原因。DC/AC模塊和DC/DC模塊均需要進行整改。

3 電磁兼容整改設計

針對DC/AC模塊和DC/DC模塊輻射發(fā)射超標的問題，通過認真分析DC/AC模塊和DC/DC模塊電路結構[9-11]，提出以下幾點整改建議：

(1)增加EMI(Electro Magnetic Interference)濾波電路。EMI 濾波器的基本原理是用并聯電容來為干擾電流提供旁路，用串聯電感來阻止干擾電流。常用的EMI濾波器電路拓撲有LC低通濾波器來衰減高頻干擾信號，或是帶阻濾波器來衰減某一頻率段的干擾信號。EMI濾波器設計的基本原則是阻抗失配原則，其設計原則是：EMI濾波器的輸入阻抗應遠大于或者遠小于干擾源的輸出阻抗；EMI濾波器的輸出阻抗應遠大于或者遠小于負載的輸入阻抗。經過計算，在DC/AC模塊輸入端的線之間增加兩組聯濾波電容，如圖6所示。

圖6 DC/AC輸入端加濾波電容

(2)在DC/DC模塊接關鍵元器件每個引腳處增加適當容量的去耦電容,使旁路外部高頻信號耦合,將干擾源的影響消除在進入元器件前。因為DC/DC模塊內部連接各種傳感器和執(zhí)行器,外界電磁干擾信號很容易耦合到DC/DC模塊內部,從而對DC/DC模塊的正常工作產生干擾。

(3)重新對DC/AC模塊和DC/DC模塊進行屏蔽。由于DC/AC模塊和DC/DC模塊接縫處理并不理想,屏蔽效果有限,重新處理時,在模塊上下外殼接縫處增加銅箔,以減小孔縫的電磁泄漏。

4 試驗驗證

對DC/AC模塊和DC/DC模塊按上述措施進行整改后，其電磁兼容性能不能達到標準的要求，還必須重新進行磁兼容性試驗。測試結果表明：整改后的高壓配電箱其輻射發(fā)射符合國標要求，且輻射發(fā)射降低的效果明顯，DC/AC模塊和DC/DC模塊的諧波發(fā)射被極大地抑制。整改后測試曲線如圖7、圖8所示。

圖7 整改后雙錐天線輻射發(fā)射測試數據(水平極化)

圖8 整改后雙錐天線輻射發(fā)射測試數據(垂直極化)

5 結束語

以某型號智能高壓配電箱為對象，對其樣品的電磁輻射進行了研究，通過試驗分析，找到輻射源，并對其進行了整改。經過實驗驗證，輻射源定位準確，抑制措施簡單有效，為企業(yè)相關技術人員在研究電動汽車的高壓配電箱電磁兼容問題提供了參考。