淺析新能源汽車EMI騷擾源定位及整改方法

舒南翔，陳磊，徐濤

?

淺析新能源汽車EMI騷擾源定位及整改方法

舒南翔，陳磊，徐濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

基于新能源純電動汽車輻射發(fā)射產(chǎn)生機理，以整車輻射發(fā)射的實際檢測過程為基礎(chǔ)，指出電磁兼容檢測標(biāo)準(zhǔn)的選擇依據(jù)和試驗中可能遇到的一些問題，同時對試驗結(jié)果進行分析。

新能源汽車；電磁兼容；輻射發(fā)射；共模輻射

引言

由于汽車上所選用的電氣電子設(shè)備逐漸增多，汽車電磁環(huán)境也日益復(fù)雜。首先，控制汽車所用的ECU越來越多；其次，車輛上配置的外圍GPS 電氣電子設(shè)備也大幅增加，例如智能網(wǎng)聯(lián)，車載娛樂系統(tǒng)等；另外，隨著電動汽車的發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)中的DC/AC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機等成為電動車輛的新的干擾源。所有新增電子電氣系統(tǒng)對汽車電磁兼容性提出了更高的要求，汽車電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）成為汽車開發(fā)過程中的重難點，受到行業(yè)的重視。

1 EMC簡介

電磁兼容指系統(tǒng)或設(shè)備在電磁環(huán)境中能正常工作，且不對環(huán)境中其它任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC包含兩個方面的要求：（1）指設(shè)備在正常工作過程中對環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過規(guī)定的限值，即電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMI）；（2）指設(shè)備對環(huán)境中的電磁干擾具備一定程度的抗擾度，即電磁抗干擾（Electro Magnetic Susceptibility，簡稱EMS）。

1.1 新能源汽車輻射發(fā)射騷擾源

圖1 某純電池汽車HV電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接圖

新能源汽車由于其動力系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性，使其電磁兼容性能和傳統(tǒng)燃油車有較大差別。以純電動汽車為例，HV電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示。車內(nèi)的主要騷擾源包括[1]：（1）各個控制器電路；（2）直流高壓母線的浪涌；（3）大功率DC/DC高頻開關(guān)動作時產(chǎn)生的噪聲；（4）驅(qū)動電機PWM調(diào)制電路中的共模電壓。

1.2 新能源汽車輻射發(fā)射兩種騷擾形式

圖2為新能源汽車輻射發(fā)射示意圖，圖中存在共模輻射和差模輻射兩種形式的輻射發(fā)射騷擾：車內(nèi)高壓母線回路中存在差模電流而產(chǎn)生差模輻射；由于電動機、電機控制器和DC/DC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，從而產(chǎn)生共模輻射[2]。

圖2 新能源汽車輻射發(fā)射示意圖

2 騷擾源定位

GB/T18387--2017用于測量電動車的電磁場發(fā)射強度[3]，測試頻率范圍150kHz-30MHz；GB14023-2011可以用于測量傳統(tǒng)車輛和混合動力汽車的輻射發(fā)射水平，測量頻率范圍（30-l000）MHz[4]。從頻率范圍上看，兩者可以配合使用，同時GB/T18387-2017也明確指出（30-1000）MHz頻率范圍的電磁騷擾測量采用GB14023的最新版本。

2.1 可疑頻率點分析

圖3為某純電動汽車進行GB/T18387-2017測試的結(jié)果，可以看到10kHz、20kHz和30kHz頻率點上，雖然沒有超過限值要求，但是輻射騷擾較其他位置強得多。通過分析，該車電機控制器IGBT模塊的開關(guān)頻率為10kHz，顯然20kHz和30kHz是其諧波頻率。因此可以圍繞IGBT模塊及其外圍設(shè)備采取一些針對性的措施。

圖3 某純電動汽車依據(jù)GB/T18387-2017的測試結(jié)果

圖4是某純電動汽車基于GB/T18387-2017整車輻射發(fā)射測試結(jié)果，，同樣在30MHz有超標(biāo)的頻率點存在。由理論分析可知，30MHz對應(yīng)的波長為10m，根據(jù)天線理論，1/4波長的天線具有很強的天線效應(yīng)，而30MHz對應(yīng)的1/4波長為2.5m，加上介質(zhì)的影響，這個輻射發(fā)射的天線應(yīng)該是小于2.5m的，這就為定位騷擾源提供了很好的依據(jù)。

圖4 某純電動汽車整車輻射發(fā)射測試結(jié)果

2.2 檢測位置分析

圖6某純電動汽車進行GB18387--2017測試，都是在棒狀電場天線的條件下測量。

圖5 某純電動汽車依據(jù)GB18387-2017的測試結(jié)果

由圖5可以看到，在（10-30）MHz三者差距較大，車頭部位輻射騷擾水平明顯高于其他兩個側(cè)面，該車動力總成位于車頭部位，因此很可能是這一頻率段的主要騷擾源，右側(cè)的騷擾強度較左側(cè)大，該車的電機控制器、壓縮機是偏右側(cè)布置的，即右側(cè)騷擾強于左側(cè)，可以從電機控制器、壓縮機入手進行分析。

3 整改方法

電磁輻射發(fā)射的三個要素：電磁騷擾源、傳播路徑以及敏感設(shè)備，電磁輻射發(fā)射整改可從濾波處理、接地優(yōu)化以及屏蔽處理三個方向開展整車電磁輻射發(fā)射整改。

3.1 接地優(yōu)化

就車輛EMC設(shè)計而言，良好的接地設(shè)計是解決EMC問題最有效和最廉價的方法。

3.1.1單點接地系統(tǒng)

串聯(lián)單點接地，效果最差，任何導(dǎo)線都會呈現(xiàn)DC電阻，流經(jīng)這些導(dǎo)線的電流會因電阻值過大而產(chǎn)生壓降，但省工省料，如圖6（a）。并聯(lián)單點接地，是低頻電路最佳接地方式，非常適合于低頻（低速）電路、設(shè)備（頻率低于1MHz），例如音頻電路、模擬裝置以及50Hz/DC電力系統(tǒng)，如圖6（b）。

圖6 單點接地示意圖

3.1.2多點接地系統(tǒng)

關(guān)于《藝舟雙楫》，任國磊[21]指出，它是中國古代書論史上的一部經(jīng)典著作，是清代碑學(xué)思想的經(jīng)典之一?！端囍垭p楫》的論書部分用樸質(zhì)的語言敘述了一些關(guān)于碑帖考證、信札及書家個人傳記等的信息，為后人研究書史提供了寶貴的史料，也為書法美學(xué)、書法批評研究提供了可靠的理論依據(jù)。他的突出貢獻在于：一方面確立了以筆法為核心的書法理論體系，在書法的點畫、運筆、章法等問題上作了碑學(xué)闡述；另一方面，他是碑學(xué)思想的發(fā)揮者，使北朝摩崖、造像記刻石、墓志銘恣肆、遒勁、雄健、樸質(zhì)的審美價值趨向得以確立，為清代的書法藝術(shù)風(fēng)格道路找到了新的突破點，為近代碑學(xué)熱潮作了鋪墊。

多點接地可以克服單點接地的問題，使用的接地線較短，長度小于λ/10時，可降低高頻阻抗及天線效應(yīng)，適用于高頻（高速）數(shù)字電路/設(shè)備，如圖7。其缺點是會有共地阻抗與地回路的問題，會造成噪聲電壓耦合及電場、磁場干擾/耐受的問題。

圖7 多點接地示意圖

3.1.3混合式接地系統(tǒng)

混合式接地系統(tǒng)是十分實用也是最常使用的低頻接地系統(tǒng)，具備串聯(lián)單點接地與并聯(lián)單點接地的優(yōu)點，不僅合乎低噪聲的要求也可避免復(fù)雜的接線需求，如圖8。

圖8 混合式接地示意圖

3.1.4接地優(yōu)化案例

某電動車在頻率16.728MHz附近超標(biāo)約3.5dB，經(jīng)過優(yōu)化過程的研究，對電動車的接地進行了研究，發(fā)覺其接地系統(tǒng)不合理，尤其是電機控制器的接地線會產(chǎn)生地回路的輻射，解決方法是更換電機控制器的搭鐵線，搭鐵線采用鍍錫銅編織網(wǎng)，接地點選擇車身，如圖9所示。

圖9 某電動車接地優(yōu)化示意圖

3.2 濾波處理

濾波器是由電容、電感、電阻或者鐵氧體器件組成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò)，可以連接傳輸線，抑制不需要的頻率傳播。電動汽車上的騷擾很多是通過線束和端口發(fā)射出來，所以濾波對于電動汽車的電磁兼容優(yōu)化效果很明顯。

3.2.1反射式濾波器

共有低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器，但在電動汽車中，應(yīng)該使用的低通濾波器，如下圖所示。

圖10 反射式濾波器電路圖

3.2.2吸收式濾波器

吸收式濾波器由有耗器件構(gòu)成，將在阻帶內(nèi)吸收噪聲的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗，從而實現(xiàn)濾波。目前，鐵氧體吸收型濾波器廣泛應(yīng)用于各種電路中。

3.2.3濾波處理案例

在某款電動汽車上的在電機三相線、油泵三相線、直流輸入輸出線增加磁環(huán)。進行濾波器，其濾波效果比較圖如圖11所示，在9kHz取得了良好的效果。

圖11 某電動車濾波處理示意圖

3.3 屏蔽處理

利用屏蔽技術(shù)來抑制電磁噪聲在空間的傳播，即阻斷輻射電磁噪聲的傳播途徑。通常用磁性材料或金屬材料把所需屏蔽的空間包圍起來，使屏蔽體內(nèi)部和外部的“場”隔離，如圖12所示。

圖12 屏蔽技術(shù)示意圖

屏蔽效能應(yīng)用于抑制噪聲源和敏感設(shè)備距離較遠(yuǎn)時由電磁場藕合所產(chǎn)生的干擾。電磁波在射入到金屬體表面時產(chǎn)生吸收和反射，電磁能量衰減較大，起到屏蔽作用，如圖13、14。

圖13 屏蔽前后示意圖

屏蔽作用的大小可以用屏蔽效能表示：

SE=20 lg（E1/ E2）

SH=20 lg（H1/ H2）dB

圖14 0.5mm厚鋁板綜合屏蔽效能圖

由圖14 曲線看出，厚度為0.5mm鋁板對低頻電場的屏蔽效能高于磁場，對于高頻段電、磁場的屏蔽效能逐漸趨于一致。

4 結(jié)論

驅(qū)動系統(tǒng)中的共模輻射是純電動汽車主要的輻射騷擾源，本文根據(jù)工作中的實例總結(jié)出適用于純電動汽車輻射發(fā)射性能測試的全頻率范圍（150kHz～l.0GHz）的檢測、騷擾源定位以及整改方法，對新能源汽車的EMI性能提升具有一定的啟示意義。

[1] 韓利,溫旭輝,曾莉莉.混合動力電動汽車用電機及驅(qū)動控制器的電磁兼容設(shè)計[J].安全與電磁兼容,2006(1):81-84.

[2] Nobuyoshi Muwh,Mikiham Nakanishi,Masaki Kanesaki,ela1.Control Methods for EMI Noises Appearing in Electric Vehicle Drive syetems[C]∥Applied PowerElectronics Confer-enceand Exposition. Austin:APEC,2005.

[3] 中國汽車技術(shù)研究中心.GB/T18387-2017電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2017.

[4] 上海電器科學(xué)研究所,中國汽車技術(shù)研究中心.GB14023-2011車輛,船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車外接收機的限值和測量方法.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

The Location and Solution of EMI Disturbance Source on New Energy Automobiles

Shu Nanxiang, Chen Lei, Xu Tao

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. New Energy Automobile Research Institute, Anhui Hefei 230601 )

This paper introduces the radiation mechanism of new energy automobiles. Based on the testing examples of vehicle radiation emission of new energy automobiles, selection basis of the EMC Testing standards and some possible problems in the test are described. Then, the testing results are analyzed reasonably.

New energy automobile; EMC; radiation emission; common mode radiation

B

1671-7988(2019)03-18-04

U469.7

B

1671-7988(2019)03-18-04

U469.7

舒南翔（1988-），男，湖北荊門人，碩士研究生，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司 新能源汽車研究院，主要從事整車電氣架構(gòu)、整車EMC性能開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.005