非屏蔽高壓快充線對電動汽車EMC 的影響

覃寶山， 付國良， 王嘉靖

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434）

隨著新能源電動車的發(fā)展和國家經(jīng)濟政策的扶持，各個車企都在大力開發(fā)新能源車，由于高壓部件的電磁干擾普遍偏高，各個廠商的水平參差不齊，新能源電動車的電磁兼容問題表現(xiàn)尤為突出，為保證車輛電磁兼容性能，減少電磁兼容問題給整車帶來不可預知的影響，電動汽車上的高壓線束采用屏蔽高壓線將干擾屏蔽起來，使得新能源車能夠滿足國家的EMC相關法規(guī)要求。

電動汽車的高壓充電線束是車輛高壓電池充電的路徑，高壓充電線束只在汽車充電期間處于通電狀態(tài)，在汽車行駛以及使用期間，處于非通電狀態(tài)，因此，從整車降低成本上提出了高壓充電線束使用非屏蔽設計的可能性。本文將從整車設計和測試驗證的角度論證高壓快充線束使用非屏蔽設計的可行性以及它對整車EMC的影響。

1 電動車電磁兼容法規(guī)

目前中國新能源電動汽車要求滿足GB 34660和GB/T 18387，這兩份法規(guī)分別從不同輻射方式和頻率范圍對新能源電動汽車的電磁兼容性能提出了要求，確保企業(yè)上市的新能源電動汽車的電磁兼容技術性能。

1.1 整車輻射發(fā)射測試要求

GB 34660-2017《道路車輛電磁兼容性要求和試驗方法》法規(guī)中，關于保護車外接收機輻射發(fā)射測試提出了其測試方法以及相對應的限值要求。滿足條件的新能源電動車輛應在40km/h的恒速運行下測試車輛寬帶輻射發(fā)射，而窄帶的測試僅僅要求車輛處于上電狀態(tài)，車輛所有電氣系統(tǒng)正常運行；寬帶和窄帶的限值要求如表1所示。整車輻射發(fā)射測試示意如圖1所示。

表1 整車輻射發(fā)射限值

圖1 整車輻射發(fā)射測試示意圖

1.2 整車電磁場發(fā)射測試要求

符合GB/T 18387-2017《電動汽車電磁場發(fā)射強度限值及測量方法》規(guī)定條件的新能源電動汽車，應測試車輛在16km/h和70km/h恒速行駛時的電磁場發(fā)射，其中電場和磁場限值要求如表2所示。

表2 整車電場和磁場發(fā)射限值

2 新能源電動汽車高壓系統(tǒng)工作原理

新能源電動汽車以高壓電池為動力能源為全車所有電氣部件提供能量，依靠電驅總成輸出扭矩驅動車輛運行，并搭配了快充系統(tǒng)和慢充系統(tǒng)為高壓電池進行充電，車輛的電氣工作原理如圖2所示。在行車驅動狀態(tài)下充電開關斷開：高壓電池—集成配電—電驅總成—動力傳動系統(tǒng)—驅動汽車行駛；在快充狀態(tài)下充電開關閉合，車輛電氣工作原理：快充系統(tǒng)—充電開關—高壓電池。

圖2 新能源電動汽車電氣原理圖

2.1 新能源電動汽車的EMC干擾分析

新能源電動汽車在進行整車電磁兼容的相關法規(guī)試驗時，不管是整車輻射發(fā)射測試還是整車電磁場發(fā)射測試，對于新能源電動汽車都有要求車輛處于行駛狀態(tài)下進行相關的試驗，車內(nèi)的高壓系統(tǒng)在強電壓和大電流的狀態(tài)下工作時，很容易產(chǎn)生強烈的電磁干擾。

以電驅系統(tǒng)為例，電驅系統(tǒng)的IGBT開關速度很快，IGBT的上升沿和下降沿在100ns到200ns之間，開通和關斷過程中伴隨著較大的電壓變化和電流變化，從而產(chǎn)生強烈的電磁干擾。如圖3所示，高壓電池組和線纜對搭鐵、開關器件IGBT對散熱器、電機繞組對機殼等，都會在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生寄生電容，見圖3 C1，C2，C3，C4，C5寄生電容，從而形成了共模EMI耦合路徑［2］。

圖3 共模EMI耦合路徑

同時電機系統(tǒng)的開關器件在開通和關斷過程中產(chǎn)生的急速電流變化與系統(tǒng)中的雜散電感相互耦合形成了差模EMI干擾路徑，如圖4所示；因此新能源電動汽車的電驅動系統(tǒng)通過共模干擾路徑和差模干擾路徑會對外界產(chǎn)生較大的電磁干擾。

圖4 差模EMI耦合路徑

電動車上還存在空調壓縮機、PTC和DCDC逆變器等各類高壓部件，這些產(chǎn)品在行車過程中也會對外產(chǎn)生一定量的電磁干擾，因此新能源電動汽車在高壓線束系統(tǒng)上采用屏蔽設計，從而將整車對外部的電磁干擾控制在合理范圍內(nèi)。

從新能源電動汽車的電器原理上可知道，行車模式下，充電開關斷開，在快充正極線束上并無高壓電。如果在高壓電池充電端口設計增加濾波模塊，如圖2所示，高壓充電線束取消屏蔽設計是存在可行性的。

2.2 高壓線束設計方案

2.2.1 快充線束設計方案

當前新能源電動汽車的高壓快充線束均采用屏蔽設計方案，如圖5所示。

圖5 屏蔽線設計示意圖

如果新能源電動汽車高壓快充線設計為非屏蔽線束，從物料上會減少屏蔽連接器、線束屏蔽層、屏蔽防水結構以及接搭鐵線，如圖6所示。

圖6 非屏蔽線設計示意圖

從成本上綜合對比，以實車上2m長的高壓充電線束總成為例，可以減少屏蔽連接器設計、線束屏蔽層設計、防水結構設計以及搭鐵線束設計，而需要增加的是高壓電池端口濾波模塊設計以及電池包在開模時需要預留的濾波模塊 固 定 結 構［3］。通過對比物料成本，如表3所示，預計非屏蔽設計大約能夠省成本120元左右。

表3 成本差異統(tǒng)計

2.2.2 快充端口濾波方案

倘若考慮低成本方案，將快充線束設計為非屏蔽狀態(tài)，則會對整車EMC產(chǎn)生一定的影響；而從高壓電氣系統(tǒng)原理上分析采用高壓快充線束的非屏蔽設計，需要考慮兩個問題。

1） 高壓快充線束的高壓負極始終連接在高壓系統(tǒng)中，形成了天線效應，將高壓系統(tǒng)的電磁干擾對外輻射出來。

2） 高壓快充線束的正極和負極并行布線，形成耦合效應，也會泄露高壓系統(tǒng)的電磁干擾。

因此需要在電池包的快充端口或者高壓線束上增加濾波模塊的方案，本次驗證選擇了實施更為簡便的在高壓線束端口增加磁環(huán)方案來驗證效果，而工程量化上考慮，則需要在電池包快充端口設計濾波模塊，并加以支架固定，如圖7所示。

圖7 電池端口濾波設計示意圖

3 整車EMC測試驗證

為驗證采用非屏蔽高壓快充線束的可行性，我們選用了一款在研車型進行了實車測試，通過實車改制，更換非屏蔽線的快充線束，對快充線增加磁環(huán)前后的車輛進行GB34660和GBT18387兩項法規(guī)的驗證。測試結果如表4、表5所示。

表4 保護車外接收機輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)

表5 整車電場輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)

通過試驗數(shù)據(jù)對比我們發(fā)現(xiàn)，該車型的高壓零部件在滿足國標GB/T 18655輻射發(fā)射三級的條件下，整車取消高壓快充線束的屏蔽設計，整車電磁兼容依然存在不通過法規(guī)測試的風險。而在快充線上增加磁環(huán)后，整車測試結果可以滿足法規(guī)的要求，且余量充足。

4 總結

本文通過實際項目開發(fā)和測試驗證，有效評估了非屏蔽高壓快充線束對整車電磁兼容法規(guī)的影響，并且給出了有效措施。通過實際的測試得出：非屏蔽快充線束設計方案是可行的，并且能夠節(jié)約整車成本，但是需要注意的是開發(fā)非屏蔽快充線束設計方案時，需要著重關注快充端口的屏蔽模塊的設計，避免直接采用非屏蔽快充線設計帶來的整車EMC風險。