汽車電磁兼容正向開發(fā)概述

王東升， 魏志成， 鮑 宇， 王 沖

（中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司， 天津 300300）

隨著新能源汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的不斷發(fā)展，汽車電氣系統(tǒng)在整車成本的占比不斷上升，車內(nèi)及車外的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜；同時(shí)，汽車EMC法規(guī)要求也越來越嚴(yán)格，使得傳統(tǒng)的汽車EMC試錯(cuò)整改方法成本大幅度提高。如何在復(fù)雜的汽車電磁環(huán)境條件下，以可控的成本研發(fā)出一款EMC性能較高的汽車產(chǎn)品，已經(jīng)成為各個(gè)主機(jī)廠亟待解決的問題。

1 汽車EMC正向開發(fā)的背景

為了滿足車輛不斷提升的智能化、安全性、舒適性的要求，在新的技術(shù)出現(xiàn)之前，整車零部件數(shù)量越來越多、線束越來越長(zhǎng)［1］。同時(shí)在新能源汽車上，大電流、高功率負(fù)載的應(yīng)用，都使得車內(nèi)電磁環(huán)境越來越惡劣［2］。另外，汽車運(yùn)行的外界電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜，例如超/特高壓輸電線路、惡劣雷暴天氣，以及更多的無線電設(shè)施設(shè)備等，這些都對(duì)整車的電磁兼容性提出了更大的挑戰(zhàn)，使電磁兼容成為衡量汽車品質(zhì)、性能、安全性的一個(gè)重要指標(biāo)。同時(shí)，從汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)方面來看，中國的汽車EMC法規(guī)，從最初的GB 14023，對(duì)車外的接收機(jī)進(jìn)行保護(hù)，到GB 34660以及正在修訂的GB 27630，加入抗擾性測(cè)試內(nèi)容和人體電磁防護(hù)測(cè)試內(nèi)容，對(duì)汽車本身、司乘人員都提出了保護(hù)要求［3］。另外，隨著新能源、智能化的發(fā)展，從傳統(tǒng)燃油車標(biāo)準(zhǔn)到新能源汽車標(biāo)準(zhǔn)，再到智能網(wǎng)聯(lián)汽車標(biāo)準(zhǔn)，中國的汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)體系越來越完善，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)車輛的EMC性能要求也越來越高。

如何合理進(jìn)行整車EMC設(shè)計(jì)，減少EMC問題，順利通過汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，已經(jīng)成為汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)不可回避的問題。

2 汽車EMC正向開發(fā)現(xiàn)狀

汽車電磁兼容的發(fā)展，從圖1所示的汽車電磁兼容的發(fā)展階段來看，主要可以分為3個(gè)階段，即問題解決階段、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求階段和系統(tǒng)正向開發(fā)設(shè)計(jì)階段。中國主機(jī)廠在電磁兼容方面的發(fā)展，從單純的通過公告試驗(yàn)到建立企標(biāo)進(jìn)行摸底和整改，再到設(shè)置專業(yè)的EMC工程師和獨(dú)立的職能部門，完善管理規(guī)范和程序文件，進(jìn)行正向開發(fā)和管控，以及近幾年開始越來越關(guān)注的EMC仿真，都是在將整車的EMC工作向正向開發(fā)推進(jìn)，以此來減少后期測(cè)試整改所需要耗費(fèi)的人力物力。

圖1 汽車電磁兼容的發(fā)展階段

目前，國內(nèi)多數(shù)主機(jī)廠還主要處于采用“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法”的階段，即遵循國家公告要求或建立企標(biāo)，通過整車和零部件的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)整車和零部件的EMC性能進(jìn)行管控和整改，更進(jìn)一步建立具體零部件的試驗(yàn)方案和目標(biāo)，對(duì)零部件的EMC試驗(yàn)進(jìn)行跟蹤，通過對(duì)零部件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行審核和管控，來達(dá)到提高整車EMC性能的目的。

當(dāng)下，只有少部分的主機(jī)廠能夠做到“系統(tǒng)設(shè)計(jì)法”這個(gè)階段，即主機(jī)廠設(shè)置有專門的EMC工程師或者EMC職能部門，根據(jù)車型定位來制定合理的整車及零部件的EMC目標(biāo)，然后根據(jù)整車的EMC開發(fā)管控流程，對(duì)整車各個(gè)研發(fā)階段的EMC工作進(jìn)行推進(jìn)，同時(shí)也對(duì)整車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行EMC管控和檢查，從前期設(shè)計(jì)階段就對(duì)EMC風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理和跟蹤，切實(shí)減少整車的EMC問題量。而且目前也有一些主機(jī)廠在進(jìn)行整車EMC仿真方面的實(shí)踐和探索，積累了一些經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

但是整車的EMC的正向設(shè)計(jì)開發(fā)還存在一些不足，無法對(duì)EMC風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率進(jìn)行有效評(píng)估，EMC風(fēng)險(xiǎn)的說服力相對(duì)不高，如果在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)零部件布置沖突，或者走線空間不夠，抑或一些成本控制——例如不能采用專用線束或者屏蔽線等問題，EMC的建議往往會(huì)成為被妥協(xié)的那個(gè)。

3 EMC正向開發(fā)體系主要內(nèi)容

從汽車EMC正向開發(fā)發(fā)展趨勢(shì)來看，完整的EMC正向開發(fā)體系，如表1所示，主要包括8個(gè)方面。其中1～3為企業(yè)規(guī)范、流程類文件，在建立后需要不斷進(jìn)行積累和完善；4～8是在具體的車型開發(fā)中所進(jìn)行的工作，需要在每款車型的研發(fā)中重復(fù)執(zhí)行。

表1 整車EMC開發(fā)體系

3.1 建立主機(jī)廠EMC企標(biāo)

一個(gè)完整的整車EMC開發(fā)體系，首先要有其所依托的標(biāo)準(zhǔn)，即符合自身特點(diǎn)的整車及零部件的EMC企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。企標(biāo)的建立可以參考多方面的內(nèi)容，包括國際標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)等；然后再根據(jù)主機(jī)廠自身的具體情況，進(jìn)行企標(biāo)的編制，例如對(duì)主機(jī)廠已有車型易出問題的測(cè)試頻段或運(yùn)行狀態(tài)，在國標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更詳細(xì)、更嚴(yán)格的要求，來制訂成具體企標(biāo)。

3.2 建立整車EMC開發(fā)流程和零部件EMC管控流程

整車的EMC開發(fā)流程和零部件的EMC管控流程的建立，就是將EMC的開發(fā)管控流程融入到整車開發(fā)流程中去。明確在車型開發(fā)的過程中，主機(jī)廠各個(gè)職能部門或工程師，在各個(gè)開發(fā)階段需要做哪些工作。同時(shí)也需要主機(jī)廠設(shè)立自己的專業(yè)EMC工程師，由EMC工程師在整車研發(fā)的各個(gè)階段主導(dǎo)或敦促各個(gè)職能部門以及對(duì)應(yīng)工程師來完成相應(yīng)的EMC工作。

3.3 制定整車及零部件EMC設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范

整車及零部件EMC設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范，目的是在整車及零部件開發(fā)過程中，用于指導(dǎo)針對(duì)EMC方面的設(shè)計(jì)。目前行業(yè)內(nèi)并沒有一個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn)能夠指導(dǎo)我們的整車和零部件的EMC設(shè)計(jì)。但是根據(jù)EMC的基礎(chǔ)理論及問題整改經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我們可以對(duì)零部件的設(shè)計(jì)和整車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出方向性的指導(dǎo)建議，比如高低壓系統(tǒng)分層布置；強(qiáng)干擾、大電流負(fù)載線束與敏感信號(hào)線束分開布線；干擾部件與敏感部件通過空間距離或者惰性器件隔離等。通過這些手段，在整車和零部件設(shè)計(jì)的前期階段，盡可能地符合EMC要求，以此來減少后期EMC問題出現(xiàn)的概率。

3.4 制定具體車型的整車及零部件EMC目標(biāo)

不同于EMC企標(biāo)是一個(gè)涵蓋主機(jī)廠所有車型的較統(tǒng)一性的標(biāo)準(zhǔn)，具體車型的整車和零部件的目標(biāo)，是充分考慮了產(chǎn)品定位、市場(chǎng)法規(guī)、制造成本、技術(shù)水平、運(yùn)行環(huán)境等多方面因素，明確制定具體車型及其零部件的EMC目標(biāo)，需要具體到每一個(gè)EMC測(cè)試項(xiàng)目所需要的目標(biāo)等級(jí)。這個(gè)也就是指導(dǎo)我們需要把項(xiàng)目車型EMC做到一個(gè)什么程度的具體指標(biāo)。

為了使整車能夠更好地達(dá)到EMC目標(biāo)，我們?cè)谥贫悴考﨓MC目標(biāo)時(shí)，一般建議其盡可能略高于整車目標(biāo)。同時(shí)還要綜合考慮包括零部件的重要性程度、零部件的開發(fā)成本、開發(fā)周期等多方面的因素，如果是沿用零部件，也要關(guān)注它之前有沒有出現(xiàn)過一些EMC的問題以及處理結(jié)果等。當(dāng)然，零部件的供應(yīng)商技術(shù)水平也是必須要考慮的，它關(guān)系到主機(jī)廠是不是要嚴(yán)格跟蹤或者參與到零部件的設(shè)計(jì)中去。

3.5 零部件管控

零部件是整車EMC問題的源頭，零部件的EMC管控，首先要進(jìn)行零部件EMC類型的劃分，零部件重要性等級(jí)的劃分，以此來確定零部件EMC目標(biāo)，然后再對(duì)零部件的EMC設(shè)計(jì)手段進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)零部件的EMC試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)方案和試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行審核，以最終得出零部件的EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。從零部件前期設(shè)計(jì)到后期試驗(yàn)，多角度進(jìn)行管控，從源頭上減少整車EMC問題。

3.6 整車EMC設(shè)計(jì)檢查

在整車布置及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步完成之后，從EMC的角度，對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行特性分析和設(shè)計(jì)檢查，以此來得出整車EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，然后對(duì)較大的風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行評(píng)估整改，以降低整車的EMC風(fēng)險(xiǎn)水平。同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果也可以作為后期試驗(yàn)階段EMC問題整改的一個(gè)輔助：因?yàn)槊總€(gè)主機(jī)廠的車型設(shè)計(jì)是存在延續(xù)性的，通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的跟蹤，可以把暴露出問題的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行著重整改和落實(shí)，對(duì)一直沒有形成問題的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化跟蹤處理，這樣就可以通過積累，逐步提升后續(xù)車型的EMC性能。

3.7 整車EMC仿真分析

作為在整車EMC開發(fā)的輔助手段，整車的EMC仿真也越來越得到重視。目前仿真工作主要包括天線方向性仿真、高壓系統(tǒng)的輻射發(fā)射仿真、線束耦合仿真、場(chǎng)強(qiáng)分布仿真等。由于EMC仿真發(fā)展并不成熟，目前多作為整車開發(fā)的輔助手段，定性地對(duì)天線的方向性、車內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布情況等進(jìn)行評(píng)估，以此來輔助整車的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在整車的問題整改階段，也可以通過仿真手段，與整改前的狀態(tài)進(jìn)行仿真結(jié)果對(duì)比，來對(duì)整改結(jié)果的有效性進(jìn)行判斷。

3.8 整車EMC設(shè)計(jì)驗(yàn)證

整車EMC開發(fā)體系的最后，就是對(duì)整車EMC開發(fā)的驗(yàn)證工作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以把測(cè)試驗(yàn)證分為3步，即第1步整車摸底試驗(yàn)，第2步問題排查定位及分析整改，第3步整改驗(yàn)證。同時(shí)，我們也建議在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試全面的基礎(chǔ)上，更大可能地覆蓋整車應(yīng)用場(chǎng)景，包括復(fù)雜電磁環(huán)境、智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境、自兼容條件等，尤其對(duì)一些統(tǒng)計(jì)的易出問題的非標(biāo)條件進(jìn)行驗(yàn)證，以此進(jìn)一步提高整車的電磁兼容性能。

4 汽車EMC正向開發(fā)發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)汽車電磁兼容來說，開發(fā)階段介入得越早，可采取的措施手段越多，所需的成本也越低。隨著主機(jī)廠車型開發(fā)工作的不斷完善，整車EMC的發(fā)展，已經(jīng)初步形成了前期設(shè)計(jì)管控與后期整改驗(yàn)證兩個(gè)部分?！罢蛟O(shè)計(jì)開發(fā)”工作包括制定EMC企標(biāo)，建立整車及零部件EMC開發(fā)管控流程，確定整車及零部件EMC目標(biāo)，進(jìn)行零部件EMC管控，制定整車及零部件EMC設(shè)計(jì)規(guī)范從而對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行EMC檢查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及EMC相關(guān)的仿真工作；“后期整改驗(yàn)證”即整車EMC測(cè)試和整改。正向設(shè)計(jì)開發(fā)的工作步驟較多，但其主要在于主機(jī)廠工程師之間的協(xié)作，成本可控；而盡管“性能開發(fā)驗(yàn)證”工作只是測(cè)試及整改，工作量看起來很少，但是如果整車在EMC試驗(yàn)中出現(xiàn)問題，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，可能就是動(dòng)輒十幾甚至幾十萬的投入，而且后期的整改措施，量產(chǎn)的可能性也比較低，為了實(shí)現(xiàn)措施量產(chǎn)化，我們可能會(huì)投入更大的成本。因此，整車EMC正向開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，即通過不斷成熟的正向設(shè)計(jì)及管控，形成完整的EMC開發(fā)體系，采用合理的設(shè)計(jì)手段，來盡可能地降低整車EMC風(fēng)險(xiǎn)，減少整車EMC后期問題的整改投入，提升整車EMC性能。