電動(dòng)汽車EMC騷擾超標(biāo)問題分析及優(yōu)化

戎 輝，郭加加，王子龍，趙明麗，汪春華，張廣玉

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

隨著汽車電子系統(tǒng)的日益復(fù)雜，電磁兼容問題變得日益突出和嚴(yán)重。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，汽車行駛主要靠電機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中最主要的干擾源就是電機(jī)控制器，由于其工作過程中的瞬變電壓和電流會(huì)產(chǎn)生較大的電磁騷擾，不但影響車輛的行車安全，同時(shí)也會(huì)影響周圍環(huán)境的電氣裝置。汽車在行駛過程中主要依靠輪速傳感器檢測(cè)各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，并將檢測(cè)到的信號(hào)輸送到ABS電子控制器，此過程中傳感器也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重電磁輻射，導(dǎo)致汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)處于非正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重威脅電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行。

車外低頻電磁場(chǎng)發(fā)射試驗(yàn)是針對(duì)整車系統(tǒng)而言，并且試驗(yàn)結(jié)果不能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。由于外界存在著復(fù)雜的電磁環(huán)境，所以車外低頻電磁場(chǎng)發(fā)射試驗(yàn)通常在電波暗室中進(jìn)行，使用天線分別進(jìn)行磁場(chǎng)和電場(chǎng)的測(cè)試，兩種情況都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求才算達(dá)標(biāo)。整車車外低頻電磁場(chǎng)發(fā)射試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)是GB／T 18387-2017《電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法》，本文以GB／T 18387-2017為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)內(nèi)某車輛進(jìn)行整車國(guó)家強(qiáng)檢項(xiàng)測(cè)試，從干擾源、耦合路徑、受擾源3個(gè)方面對(duì)該車出現(xiàn)的EMC問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而提出對(duì)應(yīng)的整改措施。

1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

由于外界復(fù)雜的電磁環(huán)境，為保證測(cè)試的可靠性，車外低頻電磁場(chǎng)發(fā)射測(cè)試需要在半電波暗室中進(jìn)行，如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室的背景噪聲應(yīng)至少比規(guī)定的限值低2dB以上。

圖1 10m法半電波暗室

整車車外低頻電磁場(chǎng)發(fā)射包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩部分。進(jìn)行電場(chǎng)測(cè)試時(shí)，采用帶有天線匹配單元的1m垂直單極子棒天線。棒狀天線的布置應(yīng)距離車輛最近部分3m±0.03m。需要測(cè)試車輛前后左右4個(gè)面，車前、后部位，天線布置在車輛中心線上；車左、右側(cè)，天線布置在車輛前后輪之間的中線上。進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試時(shí)，采用60cm靜電屏蔽環(huán)天線。環(huán)狀天線的中心離地高度應(yīng)為1m±0.05m，距離車身最近部位3m±0.03m。需要測(cè)試車輛前后左右4個(gè)面，每個(gè)面要測(cè)天線相對(duì)于車輛的X、Y兩個(gè)方向。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)10m法半電波暗室內(nèi)摸底測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整車磁場(chǎng)測(cè)試時(shí)，10~20MHz之間發(fā)射量超出標(biāo)準(zhǔn)限值，20~30MHz之間存在超標(biāo)的尖峰，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 磁場(chǎng)終掃描測(cè)試

造成這種情況的原因主要有：一是某些電子器件自身發(fā)出的輻射騷擾過大；二是線束的屏蔽層屏蔽效能過低，屏蔽效果不佳，致使電動(dòng)汽車的電子設(shè)備在同時(shí)進(jìn)行工作時(shí)產(chǎn)生的輻射騷擾強(qiáng)度超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值；三是線束走向及長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致線束產(chǎn)生輻射騷擾。將該電動(dòng)汽車按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況要求結(jié)合摸底測(cè)試數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行近場(chǎng)掃描并排查定位，查找出10~20MHz頻段超標(biāo)的干擾源是電機(jī)控制器。其中電機(jī)控制器的高壓線束和低壓?jiǎn)卧械碾娫淳€設(shè)計(jì)存在EMC缺陷；20~30MHz頻段超標(biāo)的干擾源為輪速傳感器。

2 電機(jī)控制器的整改

2.1 工作原理

電機(jī)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車動(dòng)力的產(chǎn)生及輸出單元，在車輛正常行駛過程中，起著至關(guān)重要的作用。電機(jī)控制器是控制主牽引電源與電機(jī)之間能量傳輸?shù)难b置，是由外界控制信號(hào)接口電路、電機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，其原理圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)控制器原理

電機(jī)控制器作為整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的控制中心，它主要由逆變器和控制器兩部分組成。逆變器接收高壓電池輸送過來的直流電能，逆變成三相交流電給電機(jī)提供電源。電機(jī)控制器中存在許多高頻率開關(guān)器件和高低壓控制端口，這些組件會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾，從而會(huì)干擾電動(dòng)汽車正常工作，甚至危及人身安全。

2.2 整改措施

解決電磁兼容問題常用的3種方法：搭鐵、濾波、屏蔽，其中搭鐵技術(shù)是提高設(shè)備電磁兼容性的手段之一。電磁場(chǎng)作用在殼體上，形成電荷累積，通過良好的搭鐵可以為累積的電荷提供泄放通路，從而有效地減小騷擾量，同時(shí)保護(hù)設(shè)備和人身安全。而工程應(yīng)用中搭鐵技術(shù)往往要和濾波、屏蔽一起進(jìn)行。進(jìn)行濾波搭鐵，在電源線和信號(hào)線上需要接入濾波器，消除干擾雜訊以便得到純凈的電源和信號(hào)。

結(jié)合摸底試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整車的排查定位，利用頻譜儀對(duì)整車各零部件單獨(dú)進(jìn)行騷擾量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)控制器高壓端線束和低壓?jiǎn)卧娫淳€束在10~20MHz之間存在超標(biāo)現(xiàn)象。分析電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)原理可得電機(jī)控制器內(nèi)的IGBT擁有高頻率的開關(guān)動(dòng)作，使得IGBT開關(guān)管的瞬變電壓過高和瞬變電流過大，最終對(duì)外輻射出干擾。由電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)原理圖及結(jié)構(gòu)分析得知高壓線束輸入端口未進(jìn)行濾波措施，如圖4所示。

采用電容進(jìn)行濾波的原理是電抗會(huì)隨頻率變化而變化，電容值的大小和需要濾除頻率的平方成反比。計(jì)算容值的方法見公式 （1）。

圖4 電控高壓線束輸入端口

根據(jù)濾波搭鐵電路的連接方法，在高壓線束的輸入端口處加入濾波電容，構(gòu)成一個(gè)搭鐵濾波電路。其設(shè)計(jì)原理圖及實(shí)物圖如圖5所示。

1）高壓正、負(fù)線束之間：加47nF的電容。

2）高壓正、負(fù)與搭鐵之間：加470nF的電容。

圖5 整改原理

在電機(jī)控制器低壓?jiǎn)卧?，線束分為：12V電源線、旋變線。通過近場(chǎng)掃描結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，電源線+、-線束上的騷擾量是最大的，且最大發(fā)射峰值頻段與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試時(shí)超標(biāo)頻點(diǎn)相同。因此，確定電機(jī)控制器低壓?jiǎn)卧械碾娫?、-線束為干擾源。通過研究整車線束原理圖發(fā)現(xiàn)，電機(jī)控制器低壓?jiǎn)卧须娫吹?2V電壓是來自于蓄電池，在未經(jīng)過濾波處理的情況下直接進(jìn)入電機(jī)控制系統(tǒng)，其原理如圖6所示。12V電源+、-之間的干擾為差模干擾，在低壓?jiǎn)卧娫淳€束+、-之間加0.1nF的電容，由于電容對(duì)低頻率的信號(hào)有很強(qiáng)的阻礙作用，對(duì)高頻率的信號(hào)有很強(qiáng)的導(dǎo)通作用及低阻抗作用，所以當(dāng)10~20MHz之間的低頻交流信號(hào)通過電容兩端時(shí)，由于電容的阻抗極大，電容不起作用，相當(dāng)于沒有這個(gè)電容。當(dāng)差模信號(hào) （一般是高頻無用信號(hào)）通過時(shí)，電容表現(xiàn)為通路，阻抗很小，在高頻信號(hào)下，電容相當(dāng)于將后面的負(fù)載短路，這樣負(fù)載就不受高頻信號(hào)的干擾。其整改措施原理圖如圖7所示。

圖7 整改措施原理圖

綜合考慮整車的工程化問題，將1nF的差模電容由電機(jī)控制器低壓?jiǎn)卧?2V電源+、-線束之間轉(zhuǎn)移到電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，集成到電機(jī)控制器的12V低壓驅(qū)動(dòng)板上，如圖8所示。

圖8 低壓驅(qū)動(dòng)板

3 輪速傳感器的整改

3.1 工作原理

輪速傳感器主要是用來監(jiān)測(cè)汽車車輪轉(zhuǎn)速的設(shè)備，汽車的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)變速器的控制系統(tǒng)都需要車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。該電動(dòng)汽車使用的是霍爾式輪速傳感器，其主要由傳感頭和齒圈兩大部分組成。與其他傳感器不同的是輪速傳感器主要是通過半導(dǎo)體的兩端進(jìn)行電流的控制，還要在薄片的垂直方向上增加磁場(chǎng)，這時(shí)會(huì)在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電流。輪速傳感器主要依靠電流強(qiáng)度進(jìn)行信號(hào)的輸出，通過進(jìn)行放大、整形、功放等功效反映車輪旋轉(zhuǎn)的快慢。

3.2 整改措施

由摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得整車在20~30MHz之間存在嚴(yán)重的騷擾超標(biāo)問題。利用頻譜儀對(duì)整車各零部件單獨(dú)進(jìn)行騷擾量測(cè)試發(fā)現(xiàn)輪速傳感器在20~30MHz頻段會(huì)產(chǎn)生1MHz的倍頻尖峰，如圖9所示。進(jìn)一步分析可知，此問題是由于輪速傳感器所致。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型后，在解決電磁兼容性問題時(shí)，主要從干擾源、敏感設(shè)備和干擾路徑3個(gè)要素入手。針對(duì)輪速傳感器超標(biāo)問題采取干擾路徑整改措施，線束的選型 （雙絞線、屏蔽線、雙絞屏蔽線）可以有效改善電磁騷擾問題，但是線束的走向?qū)Υ擞绊懲瑯雍艽蟆?/p>

圖9 1MHz倍頻測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)實(shí)車觀察，發(fā)現(xiàn)左后輪速傳感器的線束走向由左后車輪輪轂引出，經(jīng)后備廂左側(cè)進(jìn)入駕駛室到前艙ABS；右后側(cè)輪速傳感器同樣從右后車輪輪轂引出經(jīng)后備廂右側(cè)進(jìn)入駕駛室，并穿過擋位開關(guān)再到前艙ABS，線束走向示意圖如圖10所示。

輪速傳感器要將信號(hào)傳輸?shù)角芭揂BS，線束布線就要貫穿全車，且通過的電流較強(qiáng)。在對(duì)輪速傳感器進(jìn)行重新布線時(shí)，將該大電流線束與其他的信號(hào)線區(qū)分開，左后輪速傳感器從左后車輪輪轂引出沿車底左側(cè)凹槽直接到ABS；右后側(cè)輪速傳感器從右后車輪輪轂引出到后備廂右側(cè)，經(jīng)駕駛室且繞過擋位開關(guān)到前艙ABS。整改后線束走向示意圖如圖11所示。

圖10 輪速傳感器線束走向示意圖

圖11 整改后輪速傳感器線束走向

4 整車干擾問題驗(yàn)證

經(jīng)在10m法半電波暗室進(jìn)行整改回歸驗(yàn)證，電控高壓?jiǎn)卧鼍€端加入濾波電容和在電控低壓?jiǎn)卧娫淳€加入1nF的差模電容后，10~20MHz頻段的超標(biāo)包絡(luò)全部消失。對(duì)輪速傳感器進(jìn)行線束走向整改后，20~30MHz頻段間的超標(biāo)尖峰消失。測(cè)試結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18387-2017《電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法》的限值要求，測(cè)試通過。測(cè)試結(jié)果如圖12~圖15所示。

圖12 16km／h磁場(chǎng)掃描X方向

圖13 16km／h磁場(chǎng)掃描Y方向

圖14 70km／h磁場(chǎng)掃描X方向

圖15 70km／h磁場(chǎng)掃描Y方向

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)電機(jī)控制器及輪速傳感器磁場(chǎng)超標(biāo)問題進(jìn)行研究分析，從干擾源、敏感設(shè)備及線束布置多方面出發(fā)，綜合考慮，提出了切實(shí)可行且有效的整改措施。

同時(shí)，在電動(dòng)汽車EMC的研發(fā)設(shè)計(jì)階段中，前期的設(shè)計(jì)資料審核至關(guān)重要，不能僅僅只考慮單獨(dú)電器件的技術(shù)資料，應(yīng)將全部設(shè)計(jì)資料作為一個(gè)整體統(tǒng)一審核。避免忽略線束之間、零部件之間的影響。在解決EMC騷擾問題時(shí)，要全面考慮，既要滿足測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也要符合廠家對(duì)于整改措施的認(rèn)可度。所進(jìn)行的整改必須要綜合考慮生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝等工程化問題。