非電氣部件導(dǎo)致電磁輻射超標(biāo)案例分析

張高杰，田永坡，張萌，余天剛，劉超

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

概述

隨著汽車電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車電子電氣部件的使用與日俱增?？刂破骷酒?jì)算能力越來越強(qiáng)，晶振主頻越來越高；執(zhí)行部件功率越來越大、控制越來越精細(xì)，例如：電機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，快速的電壓/電流變換產(chǎn)生大量的電磁騷擾。傳感器的使用日漸增多，信號(hào)重要程度也顯著提升，電磁兼容已成為汽車不可或缺的性能，引起了廣泛的關(guān)注。

在大家普遍認(rèn)知中電動(dòng)汽車的主要干擾源來自于高壓大功率部件及系統(tǒng)集成度高、電磁敏感度高的電子控制單元。低頻電磁場發(fā)射問題通常與開關(guān)器件、電機(jī)、電磁閥等相關(guān)聯(lián)，更有甚者直接與高壓系統(tǒng)相綁定。然而對于實(shí)際電磁發(fā)射超標(biāo)案例的排查及整改，我們更需要發(fā)散思維，打開思路，從細(xì)枝末節(jié)出發(fā)去探尋產(chǎn)生電磁騷擾的基本原因。

1 案例分析

1.1 測試數(shù)據(jù)

某樣車依照GB/T 18387—2017進(jìn)行測試，在40 km/h車速預(yù)掃時(shí)，車輛測試結(jié)果便不符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求，如圖1所示。電磁場騷擾覆蓋150 kHz～30 MHz全頻段。70 km/h車速測試結(jié)果同樣超出限值要求。

1.2 干擾源類型判定

為明確電磁場發(fā)射超標(biāo)問題排查方向，我們首先判斷干擾源的類型。3 m的測試距離在150 kHz-30 MHz頻段內(nèi)屬于近場區(qū)域。在近場區(qū)電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的大小沒有確定的比例關(guān)系。一般情況下，對于電壓型場源，電場要比磁場大很多。

我們再次開展40 km/h車速下磁場發(fā)射測試，測試結(jié)果見圖2。

圖1 40 km/h低頻電場測試結(jié)果

圖2 40 km/h低頻磁場測試結(jié)果

通過電場發(fā)射數(shù)據(jù)與磁場發(fā)射數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)在150 kHz～20 MHz頻段范圍內(nèi)，電場測試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于磁場發(fā)射數(shù)據(jù)，隨著頻率的增高3 m的測試距離逐漸向遠(yuǎn)場區(qū)過渡，在20 MHz～30 MHz磁場強(qiáng)度有所增加。對比結(jié)果符合電場源的發(fā)射特征，可判斷為電場型干擾源。

1.3 信號(hào)類型判斷

寬帶信號(hào)還是窄帶信號(hào)的判斷是我們對輻射發(fā)射問題排查的基礎(chǔ)。該車輛電磁場發(fā)射測試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)梳條狀，與窄帶干擾源發(fā)射特征波形十分相似。對測試頻點(diǎn)進(jìn)行分析，并未發(fā)現(xiàn)明顯的倍頻關(guān)系。我們知道掃頻模式下測試結(jié)果成線狀未必就是窄帶信號(hào)。

對此在16 km/h車速下開展多次測試，測試結(jié)果對比如圖3所示。測試結(jié)果顯示多次測試發(fā)射頻率并不固定，發(fā)射頻率具有隨機(jī)性。其有可能為間歇型寬帶干擾源。

圖3 4次16 km/h測試結(jié)果對比圖

對此我們開展驗(yàn)證測試，即設(shè)置接收機(jī)為快速傅里葉變換（FFT）模式，帶寬設(shè)置為9 kHz，駐留時(shí)間為2 s開展測試，測試結(jié)果如圖4所示。測試結(jié)果證實(shí)該信號(hào)為寬帶信號(hào)，為后續(xù)排查縮小了范圍。

1.4 參數(shù)分析

由上述分析可知：該寬帶騷擾源為周期型工作，我們對比發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果的疏密程度與車速正相關(guān)，其隨著車速的增高而變密。我們嘗試通過對試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的計(jì)算找出信號(hào)的工作周期。

測量接收機(jī)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

我們對40 km/h車速測試結(jié)果進(jìn)行頻率標(biāo)記，雖然多次測試干擾信號(hào)頻點(diǎn)不同，但頻率間隔均為90 kHz。我們知道接收機(jī)切換時(shí)間約為1.5～2 ms，計(jì)算信號(hào)周期T。

不同車速下測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，車速越高測試結(jié)果分布越密，車速越低測試結(jié)果越稀疏。由此我們對不同車速條件下車輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2所示。我們由40 km/h車速測試結(jié)果計(jì)算的信號(hào)周期與40 km/h車速條件下車輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期十分接近。

我們分別對16km/h車速及70km/h車速開展驗(yàn)證，結(jié)果同樣符合此規(guī)律。

2 排查整改

2.1 問題排查

基于以上對測試數(shù)據(jù)的分析，我們針對與車速相關(guān)的相關(guān)部件采用排除法開展排查。

1）高壓系統(tǒng)上電，車輛空擋，由底盤測功機(jī)拖動(dòng)車輪以40 km/h相對速度運(yùn)行。測試結(jié)果無變化。（排除電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）

2）高壓系統(tǒng)下電，車輛空擋，由底盤測功機(jī)分別拖動(dòng)前后車輪以40 km/h相對速度運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)前輪測試結(jié)果無變化，驅(qū)動(dòng)后輪測試結(jié)果通過。（排除高壓系統(tǒng)）

3）低壓系統(tǒng)下電，車輛空擋，由底盤測功機(jī)拖動(dòng)前輪以40 km/h相對速度運(yùn)行。測試結(jié)果無變化。（排除12 V電氣系統(tǒng)）

4）低壓系統(tǒng)下電，車輛空擋，拔掉輪速傳感器，由底盤測功機(jī)拖動(dòng)前輪車輪以40 km/h相對速度運(yùn)行。測試結(jié)果無變化。（排除輪速傳感器）

5）低壓系統(tǒng)下電，車輛空擋，前后輪調(diào)換。分別由底盤測功機(jī)拖動(dòng)前輪、后輪以40 km/h相對速度運(yùn)行。前輪測試通過，后輪測試與超標(biāo)數(shù)據(jù)一致。（鎖定為輪胎）

對導(dǎo)致發(fā)射超標(biāo)的輪胎進(jìn)行檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)輪胎胎面正面扎有鋼釘，見圖5。此為造成本次發(fā)射超標(biāo)的原因。

3.2 機(jī)理分析

圖4 FFT模式測試結(jié)果

表1 接收機(jī)參數(shù)設(shè)置

表2 實(shí)車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期

圖5 輪胎胎面照片

在測試過程中輪胎附著的鋼釘隨車輪一起在底盤測功機(jī)上轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，其與轉(zhuǎn)轂接觸一次。與1.4章節(jié)分析的干擾信號(hào)周期與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期相同的結(jié)論相一致。

以40 km/h車速開展預(yù)掃測試時(shí)，車輪以13.33 m/s的線速度運(yùn)行。由于標(biāo)準(zhǔn)要求測試工況為車輛滿載，故輪胎與轉(zhuǎn)轂存在相對運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 30 MHz～1 GHz測試結(jié)果

圖8 拔除鋼釘測試結(jié)果

鋼釘為金屬材質(zhì)，轉(zhuǎn)轂亦為金屬材質(zhì)，兩種金屬材質(zhì)物體在車輛自重及綁帶的壓力下快速摩擦，產(chǎn)生電火花。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周接觸一次，產(chǎn)生一次電火花，而電火花的頻譜十分寬泛，經(jīng)天線接收并由接收機(jī)捕獲。

為驗(yàn)證電火花機(jī)理的正確性，我們采用10 m測試距離對其開展了30 MHz～1 GHz的輻射特性測試，測試結(jié)果見圖7。由峰值檢波器與平均值檢波器測試結(jié)果可以清晰的看出，該信號(hào)頻譜分布廣泛達(dá)1 GHz以上，且為典型的寬帶信號(hào)。與分析結(jié)果一致。

由于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期大于測試駐留時(shí)間，每當(dāng)摩擦動(dòng)作發(fā)生在測試駐留時(shí)間內(nèi)，則測試結(jié)果檢測到發(fā)射量值，并記錄為當(dāng)前測試頻率的測量值。當(dāng)測試駐留周期內(nèi)無摩擦動(dòng)作時(shí)，測試未能讀取發(fā)射量值，測量值下降，故在測試結(jié)果中呈現(xiàn)梳狀波形，與窄帶騷擾測試圖形相近。

2.3 整改驗(yàn)證

基于前面的分析，我們對輪胎上的鋼釘拔除后再次開展測試，測試結(jié)果如圖8所示，問題消除。

3 結(jié)論

GB/T 18387—2017測試發(fā)射超標(biāo)問題多由電機(jī)控制單元（MCU）、電源變換模塊（DC/DC）等高壓部件引起，12 V電氣部件的電磁特性值得關(guān)注，同時(shí)非電氣部件也一定不能不加考慮。

信號(hào)類型的判定是輻射發(fā)射問題處理的基礎(chǔ)，對信號(hào)類型做出準(zhǔn)確的判斷十分重要。輻射發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用掃頻方式開展測量，信號(hào)發(fā)射類型切記不可僅依據(jù)一張測試結(jié)果圖主觀臆斷。梳狀測試結(jié)果有可能是信號(hào)周期大于駐留時(shí)間的寬帶信號(hào)。信號(hào)類型判斷需從頻率點(diǎn)一致性、相鄰頻率差值入手，并結(jié)合設(shè)備步進(jìn)、駐留時(shí)間等設(shè)置參數(shù)綜合分析，并養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣。

整車電磁兼容測試樣品狀態(tài)除開展功能點(diǎn)檢、性能摸底外，對于外觀的確認(rèn)也十分必要。樣品在進(jìn)入試驗(yàn)室前應(yīng)仔細(xì)檢查輪胎異物，消除在轉(zhuǎn)轂運(yùn)行危險(xiǎn)因素的同時(shí)也是在排除電磁發(fā)射源。