韓超超 ,雷劍梅 ,陳立東 ,王維
(1.汽車(chē)噪聲、振動(dòng)與安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401122;2.重慶市汽車(chē)電磁兼容性能開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心,重慶 401122)
目前,汽車(chē)在向著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展將涉及到感知技術(shù)、信息融合技術(shù)、車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全輔助駕駛技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)[1-3]。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集精度、控制器的處理速度、執(zhí)行器的執(zhí)行準(zhǔn)確度、通信的時(shí)延性及誤碼率等指標(biāo)有著嚴(yán)苛的要求。以上器件受到外界電磁干擾,可能會(huì)引起車(chē)的功能、性能不同等級(jí)降級(jí),嚴(yán)重的將會(huì)出現(xiàn)控制失控、通信中斷等問(wèn)題從而造成安全事故[4]。目前汽車(chē)所受到的電磁干擾一方面來(lái)自車(chē)外各種電子、電氣、通訊設(shè)備電磁輻射;一方面來(lái)自汽車(chē)電器設(shè)備工作時(shí)自身所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI),包括傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾以及耦合騷擾。尤其是電動(dòng)汽車(chē)的三電系統(tǒng)[5-6]:高壓電池包、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來(lái)了高壓大電流問(wèn)題,包括車(chē)載充電機(jī)(on board charger,OBC)、直流-直流(direct current-direct current,DC-DC)電源等這些部件都會(huì)使得整車(chē)的電磁環(huán)境更加復(fù)雜、自兼容問(wèn)題以及對(duì)外騷擾問(wèn)題比較嚴(yán)重。
目前解決這些問(wèn)題的思路主要從整車(chē)和零部件兩個(gè)層面考慮,整車(chē)方面要在整車(chē)電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)初期,從電器布局、電源和接地分配設(shè)計(jì)、線(xiàn)束設(shè)計(jì)選擇方面來(lái)考慮電磁兼容(EMC)風(fēng)險(xiǎn)因素并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。零部件方面從電路原理圖和印制電路板(PCB)、結(jié)構(gòu)、接口等方面來(lái)考慮EMC風(fēng)險(xiǎn)因素并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。為了能夠解決這些問(wèn)題,使整車(chē)EMC性能通過(guò)法規(guī)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求,很多車(chē)企都已經(jīng)引入整車(chē)EMC正向開(kāi)發(fā)方法,包括整車(chē)和零部件2個(gè)層面,并引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)手段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析。從目前來(lái)看,正向開(kāi)發(fā)方法的應(yīng)用,在很大程度上能夠把整車(chē)裝車(chē)后EMC不合格風(fēng)險(xiǎn)降到最低、節(jié)約時(shí)間成本,但不一定能夠保證整車(chē)EMC測(cè)試項(xiàng)目(法規(guī)和非法規(guī)項(xiàng))全部一次性通過(guò),測(cè)試不合格項(xiàng)還是需要問(wèn)題定位和問(wèn)題整改。本文將針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)EMI問(wèn)題定位和整改技術(shù)進(jìn)行分析研究,主要包括相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析、問(wèn)題定位分析及整改技術(shù)3部分。
表1為目前電動(dòng)車(chē)整車(chē)EMI類(lèi)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[7-10]。
表1 整車(chē)EMI類(lèi)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Domestic and foreign standards of EMI for complete vehicles
如表1所示,EMI包含輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射兩大類(lèi)。
涉及到整車(chē)輻射發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)有GB14023—2011,GB/T18387—2017,GB34660—2017(整車(chē)發(fā)射部分)及ECE R10.05,由于GB14023—2011公告項(xiàng)目已經(jīng)被GB34660—2017取代,因此GB14023—2011可不再關(guān)注。GB/T18387—2017,GB34660—2017兩個(gè)公告項(xiàng)目前超標(biāo)問(wèn)題較多。
涉及到傳導(dǎo)發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T18655—2018,ECER10.05。GB/T18655—2018是測(cè)量整車(chē)電器工作時(shí)對(duì)車(chē)載接收機(jī)天線(xiàn)影響,可歸到整車(chē)電器自兼容問(wèn)題當(dāng)中,車(chē)載接收機(jī)天線(xiàn)類(lèi)型有:全球定位系統(tǒng)(GPS)、調(diào)幅/調(diào)頻(AM/FM)、無(wú)線(xiàn)連接(WIFI)、藍(lán)牙等。ECER10.05中整車(chē)充電狀態(tài)下輻射發(fā)射、諧波發(fā)射、電壓變化波動(dòng)與閃爍測(cè)試問(wèn)題一般較少,整車(chē)交流充電傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)問(wèn)題較多。
GB/T18387—2017電磁場(chǎng)輻射發(fā)射問(wèn)題分析定位流程圖如圖1所示。
圖1 GB/T18387—2017測(cè)試問(wèn)題分析定位方法流程Fig.1 The process of GB/T18387—2017 test problem analysis and positioning method
圖1中,虛線(xiàn)框內(nèi)內(nèi)容要根據(jù)實(shí)車(chē)狀態(tài)具體分析,如果ON和READY狀態(tài)無(wú)大的差異或者不好確定,可以直接跳過(guò),進(jìn)行后邊的分析。
GB/T18387—2017測(cè)量點(diǎn)為車(chē)輛前、后、左、右4個(gè)位置,包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)2個(gè)方面。首先車(chē)輛以40 km/h進(jìn)行預(yù)測(cè)試,從預(yù)測(cè)結(jié)果中選出電場(chǎng)值、磁場(chǎng)值最大的位置點(diǎn),再分別以16 km/h,70 km/h在最大值位置點(diǎn)進(jìn)行電場(chǎng)、磁場(chǎng)測(cè)試,最后記錄下數(shù)據(jù),以上為1個(gè)完整的測(cè)試流程[7]。
綜上,可以看出車(chē)輛上READY后保持在特定速度值下測(cè)試,并未對(duì)其他電器工況進(jìn)行要求,如果測(cè)試結(jié)果不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)限值要求,通過(guò)分析以上測(cè)試工況中有哪些電器在工作,再結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器(MCU)、DC-DC等高壓器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作頻率特性,大多數(shù)超標(biāo)原因與高壓器件有關(guān)系。
GB34660—2017整車(chē)輻射發(fā)射測(cè)試包括窄帶測(cè)試與寬帶測(cè)試。
對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),窄帶測(cè)試車(chē)輛應(yīng)處于READY檔位、車(chē)輛靜止且應(yīng)開(kāi)啟所有內(nèi)部振蕩器信號(hào)頻率大于9 kHz或者具有重復(fù)信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)工作設(shè)備,使其正常工作。
對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),寬帶測(cè)試車(chē)輛驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)處于整車(chē)運(yùn)行狀態(tài),車(chē)速為40 km/h,且長(zhǎng)時(shí)間工作、能夠產(chǎn)生寬帶騷擾的部件處于正常工作狀態(tài)[8]。
由上可以看到,寬帶、窄帶測(cè)試工況對(duì)相應(yīng)的車(chē)載電器件工作狀態(tài)都有一定要求,最大區(qū)別在于電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)在40 km/h。在問(wèn)題分析定位時(shí),寬帶測(cè)試問(wèn)題分析比窄帶分析多出內(nèi)容也在于此,可先進(jìn)行窄帶分析然后再進(jìn)行寬帶分析,后者也可以借鑒前者結(jié)論。
GB34660—2017整車(chē)輻射發(fā)射窄帶測(cè)試問(wèn)題分析定位方法流程圖如圖2所示。GB34660—2017整車(chē)輻射發(fā)射寬帶測(cè)試問(wèn)題分析定位方法流程圖如圖3所示。圖2、圖3中,虛線(xiàn)框內(nèi)的內(nèi)容是要根據(jù)整車(chē)的狀態(tài)進(jìn)行具體分析的,如果測(cè)試車(chē)輛在ON和READY狀態(tài)下,車(chē)輛各電器運(yùn)行狀態(tài)無(wú)大的差異或者不好確定,可以直接跳過(guò)此步,進(jìn)行后邊的分析。
在以上分析中,對(duì)于不確定的或者潛在的騷擾器件,可以借助近場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行近場(chǎng)探測(cè),來(lái)輔助定位。
圖2 GB34660—2017窄帶測(cè)試問(wèn)題分析定位方法流程Fig.2 The process of GB34660—2017 narrowband test problem analysis and location method
圖3 GB34660—2017寬帶測(cè)試問(wèn)題分析定位方法流程Fig.3 The process of GB34660—2017 broadband test problem analysis and positioning method
對(duì)于GB/T18655—2018中整車(chē)測(cè)試部分,主要是測(cè)試整車(chē)各個(gè)電器工作時(shí)對(duì)車(chē)載接收機(jī)的影響。測(cè)試結(jié)果超標(biāo),一般為操作的各個(gè)電器及其線(xiàn)束產(chǎn)生輻射、傳導(dǎo)騷擾所致。表1中整車(chē)充電傳導(dǎo)類(lèi)項(xiàng)目,一般超標(biāo)原因是充電槍或者OBC導(dǎo)致。IEC61000—6—3整車(chē)充電傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目是騷擾類(lèi)項(xiàng)目,IEC61000—3—2電快速瞬變脈沖群(electrical fast transient,EFT)及 IEC61000—3—3浪涌(Surge)項(xiàng)目是2個(gè)抗擾類(lèi)項(xiàng)目。
對(duì)于測(cè)試超標(biāo)分析定位如下:1)首先通過(guò)實(shí)際電路判斷充電槍、OBC是否具備了相應(yīng)的EMC措施及其參數(shù)是否選擇正確;考慮整個(gè)充電系統(tǒng)搭鐵、線(xiàn)束連接是否存在問(wèn)題。2)若設(shè)計(jì)上符合要求,可對(duì)充電槍做單個(gè)零部件試驗(yàn),其負(fù)載可使用大功率阻性負(fù)載。3)充電槍測(cè)試如果有問(wèn)題,對(duì)充電槍電路進(jìn)行再次分析,并對(duì)內(nèi)部EMC關(guān)鍵電路進(jìn)行相關(guān)測(cè)量:濾波電路及防護(hù)電路、芯片供電電壓、芯片地線(xiàn)等。4)充電槍測(cè)試如果無(wú)問(wèn)題,需要復(fù)查OBC電路,確認(rèn)無(wú)問(wèn)題,可選擇從車(chē)上拆下單獨(dú)做零部件試驗(yàn)或者多拿幾個(gè)測(cè)試通過(guò)的充電槍與其配套做試驗(yàn)。
圖4為電動(dòng)汽車(chē)EMI傳播及抑制原理圖。
圖4 電動(dòng)汽車(chē)EMI傳播及抑制原理圖Fig.4 Schematic diagram of electric vehicle EMI propagation and suppression
從EMC三要素[11]來(lái)對(duì)圖4進(jìn)行分析。首先,車(chē)內(nèi)包括 A1,A2,...,An等多個(gè)騷擾源器件:高壓器件、低壓器件中電機(jī)和大功率電源類(lèi)器件。其次是 B1,B2,...,Bn等多個(gè)敏感源器件,包括普通低壓敏感器件、雷達(dá)和天線(xiàn)類(lèi)等射頻器件。最后,騷擾源器件通過(guò)對(duì)外輻射、耦合(器件為金屬外殼或者帶有金屬散熱器與金屬車(chē)體之間)形成干擾;騷擾源線(xiàn)束通過(guò)傳導(dǎo)、近場(chǎng)耦合、容性耦合等方式形成干擾,這些干擾被施加在敏感源設(shè)備及其線(xiàn)束中,同時(shí)沒(méi)有被車(chē)體吸收的能量在車(chē)外空間形成輻射干擾。
解決以上這些問(wèn)題,同樣從EMC三要素入手,抑制騷擾源、切斷傳播途徑、提高敏感源抗擾能力。對(duì)騷擾源采取端口濾波、屏蔽等措施,針對(duì)特殊敏感信號(hào)線(xiàn)束采用雙絞、屏蔽等方式。對(duì)敏感源采取端口濾波與防護(hù)、屏蔽等措施,其中有無(wú)線(xiàn)模塊的敏感源不能采用屏蔽措施。對(duì)于外殼是金屬的器件要合理設(shè)計(jì)與車(chē)身的搭鐵點(diǎn)。
在定位到問(wèn)題器件后,需要根據(jù)器件的工作頻率、電壓、電流等電特性以及外殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將3.1小節(jié)中提到的解決方法轉(zhuǎn)化為實(shí)車(chē)上對(duì)應(yīng)的措施。
具體在整車(chē)上可采取的措施如下所示:
1)器件端口及線(xiàn)束的共模濾波,可以首先采用一定參數(shù)磁環(huán)加在端口線(xiàn)束位置等效測(cè)試。如果效果不明顯,可以進(jìn)一步自制Y電容濾波器、共模電感等加在相應(yīng)端口位置。
2)器件端口及線(xiàn)束的差模濾波,一般采用自制的X電容濾波器、差模電感加在相應(yīng)端口位置;信號(hào)線(xiàn)上可串聯(lián)相應(yīng)參數(shù)的磁珠濾波。
3)對(duì)于器件或者線(xiàn)束需要屏蔽的,一般采用銅箔或者一定密度的編織網(wǎng)進(jìn)行包裹測(cè)試,屏蔽層高頻雙端接地,低頻可以采用單端接地。
4)金屬外殼器件尤其是高壓器件,要注意其接地點(diǎn)位置及其電連續(xù)性,盡量保證其接地回路最小。
5)針對(duì)EFT測(cè)試項(xiàng)目超標(biāo)時(shí),在充電槍或者充電機(jī)內(nèi)部電路上的電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)是否受到干擾影響問(wèn)題,可在問(wèn)題電路管腳增加電容濾波、電感濾波等來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
6)針對(duì)Surge測(cè)試項(xiàng)目超標(biāo),在充電槍或者OBC端口電路上考察其過(guò)壓防護(hù)是否完善,一般采用TVS、壓敏電阻、氣體放電管等器件進(jìn)行端口電路設(shè)計(jì),同時(shí)應(yīng)注意參數(shù)選型。
另外,除在器件端口外的其它內(nèi)部電路需要變更的地方,提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后,要同主機(jī)廠(chǎng)及其供應(yīng)商商討后共同進(jìn)行,以免損壞器件。
某款電動(dòng)車(chē)GB34660—2017測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知,電動(dòng)汽車(chē)EMI窄帶、寬帶測(cè)試結(jié)果均超標(biāo),窄帶主要超標(biāo)頻點(diǎn)為58.6 MHz,118.8 MHz,137.4 MHz;寬帶超標(biāo)頻點(diǎn)為118.8 MHz,137.35 MHz。
圖5 窄帶左側(cè)垂直Fig.5 Narrowband-left vertical
圖6 寬帶左側(cè)垂直Fig.6 Broadband-left vertical
按照?qǐng)D2流程進(jìn)行窄帶問(wèn)題分析,分析結(jié)果如下:118.8 MHz頻點(diǎn)超標(biāo)為大屏幕導(dǎo)致;58.6 MHz,137.4 MHz頻點(diǎn)超標(biāo)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器導(dǎo)致。
按照?qǐng)D3流程進(jìn)行寬帶問(wèn)題分析,再結(jié)合窄帶分析結(jié)果,得到如下結(jié)論:118.8 MHz頻點(diǎn)超標(biāo)為大屏幕導(dǎo)致;137.5 MHz頻點(diǎn)超標(biāo)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器導(dǎo)致;58.6 MHz頻點(diǎn)寬帶限值高于窄帶,該頻點(diǎn)未超標(biāo)。
針對(duì)超標(biāo)頻點(diǎn)可以定位到問(wèn)題器件,在采取措施之前,要進(jìn)一步對(duì)相應(yīng)器件進(jìn)行分析。
3.3.1 大屏整改措施分析
以薄膜晶體管-液晶顯示器(thin film transistor-liquid crystal display,TFT-LCD)為例,分析其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu),如圖7所示。由圖7可知,內(nèi)部電路時(shí)鐘信號(hào)、圖像數(shù)字高頻信號(hào)都會(huì)導(dǎo)致EMI的產(chǎn)生,最終會(huì)通過(guò)接口及線(xiàn)束形成對(duì)外的輻射、傳導(dǎo)干擾。
圖7 TFT-LCD大屏內(nèi)部電路框圖Fig.7 Block diagram of internal circuit of TFT-LCD large screen
為了解決上述問(wèn)題,在大屏接口線(xiàn)束增加北川工業(yè)RFC-20型號(hào)磁環(huán),磁環(huán)參數(shù)如圖8所示。實(shí)物整改示意圖如圖9所示,虛線(xiàn)框處為所增加的磁環(huán)。
圖8 RFC-20磁環(huán)參數(shù)Fig.8 The parameters of RFC-20 magnetic ring
圖9 大屏接插口套磁環(huán)Fig.9 Large screen connector sleeve magnetic ring
驗(yàn)證增加磁環(huán)措施有作用后,進(jìn)行內(nèi)部電路設(shè)計(jì)優(yōu)化??刂萍呻娐份敵龃袝r(shí)鐘(serial clock,SCLK)信號(hào)、紅綠藍(lán)(red green blue,RGB)信號(hào)、時(shí)間脈沖(time pulse,TP)、數(shù)據(jù)極性反轉(zhuǎn)信號(hào)(polarity,POL)到源極驅(qū)動(dòng)電路。工作原理為:SCLK信號(hào)上升沿時(shí),1個(gè)RGB信號(hào)像素?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆礃O驅(qū)動(dòng)電路,當(dāng)一行像素傳送完成后,輸出TP脈沖,源極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度電壓后輸出到顯示屏。其中RGB信號(hào)最大頻率可達(dá)370 MHz,信號(hào)線(xiàn)上目前電阻值為33 Ω,為了降低信號(hào)輻射能量,把電路RGB信號(hào)線(xiàn)上電阻換成220 Ω/100 MHz的磁珠,TFT排線(xiàn)用吸波紙包裹,測(cè)試通過(guò)。
3.3.2 MCU整改措施分析
電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器(MCU)電路原理框圖如圖10所示,主要由控制電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、全橋功率電路3部分組成。
圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器原理框圖Fig.10 Block diagram of motor drive controller principle
圖10中,全橋功率電路是產(chǎn)生EMI的主要部分,旋變信號(hào)、數(shù)字電路、電源變換也都會(huì)產(chǎn)生EMI[6],這些EMI既有共模信號(hào)也有差模信號(hào)(它們產(chǎn)生的機(jī)理不在本文中做具體闡述,具體可查閱文獻(xiàn)[9]中分析),最終都以傳導(dǎo)、輻射的形式傳播,因而屬于輻射發(fā)射超標(biāo)。
干擾傳播途徑主要有如下3個(gè):
1)從MCU低壓控制電路接口及其線(xiàn)束輻射出去。
2)從U,V,W三相高壓電源線(xiàn)輻射出去,高壓電源線(xiàn)束及接口屏蔽層與金屬外殼采用360°環(huán)接方式且接觸良好,同時(shí)屏蔽效能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3)從殼體縫隙輻射出去,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查縫隙與螺孔間距均滿(mǎn)足要求。
由上述分析可知,低壓控制電路接口及線(xiàn)束是要重點(diǎn)關(guān)注的位置。在MCU控制電路端口線(xiàn)束上首先采用套磁環(huán)方式,數(shù)據(jù)有大幅改善。同時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器金屬外殼通過(guò)電機(jī)后與車(chē)身形成搭鐵——非直接搭鐵方式,更改搭鐵點(diǎn)為最近位置,縮短“臟”信號(hào)流動(dòng)路徑和減小發(fā)射環(huán)路面積,并對(duì)MCU的4個(gè)螺栓固定點(diǎn)打磨。
綜上,MCU采取了以下整改措施:
1)MCU低壓控制線(xiàn)增加KGS磁環(huán)RFC-20,在50~200 MHz時(shí)磁環(huán)電阻為200~300 Ω。
2)MCU增加一處接地線(xiàn),搭接到車(chē)身。
3)將MCU中4個(gè)固定螺絲孔接觸面進(jìn)行打磨,改善接地電連續(xù)性。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)物整改示意圖如圖11所示。圖12為MCU整改后的窄帶左側(cè)垂直測(cè)試結(jié)果波形圖,圖13為寬帶左側(cè)垂直測(cè)試結(jié)果波形圖。由圖12、圖13可知,測(cè)試結(jié)果符合限值要求。
圖11 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器整改示意圖Fig.11 Schematic of motor drive controller rectification
圖12 窄帶左側(cè)垂直Fig.12 Narrowband-left vertical
圖13 寬帶左側(cè)垂直Fig.13 Broadband-left vertical
結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)EMI問(wèn)題定位設(shè)計(jì)了一套流程化的方法,通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)EMI傳播及抑制技術(shù)理論分析后,提出了一套能夠應(yīng)用在工程上的快速、便捷整改技術(shù)方法,將此整改技術(shù)進(jìn)行了電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)EMI測(cè)試,測(cè)試結(jié)果符合限值要求。在做整車(chē)EMI問(wèn)題定位與整改時(shí),方法流程不是一成不變的,需要結(jié)合實(shí)際情況靈活運(yùn)用。
本文提到的整改技術(shù)是基于對(duì)車(chē)載電器件原則上不做過(guò)多改動(dòng)而設(shè)計(jì),最終工程化需要把這些措施轉(zhuǎn)化到器件相應(yīng)電路上,例如3.3小節(jié)大屏整改措施,這需要去研究器件的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及EMC關(guān)鍵電路。