整車EMI輻射發(fā)射特性及問(wèn)題改進(jìn)

李相榮

整車EMI輻射發(fā)射特性及問(wèn)題改進(jìn)

李相榮

Li Xiangrong

（北京汽車研究總院有限公司，北京101300）

針對(duì)整車主要零部件EMI（Electro-Magnetic Interference，電磁干擾）試驗(yàn)過(guò)程中的輻射發(fā)射特性，說(shuō)明EMI發(fā)生原理；通過(guò)實(shí)例分析，提出汽車EMI相關(guān)問(wèn)題的改進(jìn)措施，明確分析問(wèn)題的技術(shù)手段，為汽車EMC（Electro-Magnetic Compatibility，電磁兼容）試驗(yàn)分析的改進(jìn)工作提供指導(dǎo)與借鑒。

EMI；EMC；智能化

0　引言

汽車EMI（Electro-Magnetic Interference，電磁干擾）性能是汽車EMC（Electro-Magnetic Compatibility，電磁兼容）性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接影響汽車設(shè)計(jì)的安全性能。為了確保整車EMI性能，需對(duì)各系統(tǒng)零部件的EMI性能進(jìn)行驗(yàn)證。

隨著電動(dòng)汽車的智能駕駛輔助系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，電子電路高度集成化，汽車的電磁環(huán)境更加復(fù)雜，相互影響難以判斷，強(qiáng)化產(chǎn)生輻射電磁波或共模電流，進(jìn)而產(chǎn)生無(wú)益的電磁發(fā)射。

本文分析汽車主要零部件的EMI性能，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析，為汽車前期EMI性能指標(biāo)設(shè)定提供有效支撐[1]。

1　EMC

EMC是電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中按照設(shè)計(jì)要求正常工作的能力，是電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的一種重要技術(shù)性能，主要包括以下3個(gè)方面。

（1）EMI：處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的電磁能量。

（2）EMS（Electro-Magnetic Susceptibility，電磁敏感度）：處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)能承受相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾。

（3）電磁環(huán)境：系統(tǒng)或設(shè)備的工作環(huán)境。

目前，國(guó)內(nèi)整車EMI試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要包括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》、GB 34660—2017《道路車輛電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》，本文采用GB 34660—2017進(jìn)行整車EMI性能分析。

2　整車EMI性能試驗(yàn)

GB 34660—2017標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)?zāi)康闹饕菧y(cè)量汽車整車輻射發(fā)射量水平，輻射發(fā)射水平不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值為合格，其寬帶電磁輻射發(fā)射試驗(yàn)方法為：在10 m長(zhǎng)暗室內(nèi)，車輛在轉(zhuǎn)鼓上以40 km/h車速勻速運(yùn)行，開(kāi)啟汽車大燈、雨刮、雙閃、空調(diào)系統(tǒng)，在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量電磁輻射；主要試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

表1　電磁輻射發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試儀器

按照GB 34660—2017要求，測(cè)試寬帶下汽車零部件單體輻射發(fā)射量以及相互耦合后的輻射發(fā)射量，試驗(yàn)零部件包括汽車大燈、雨刮、雙閃、空調(diào)4部分，這些部件也是國(guó)標(biāo)要求的主要測(cè)試部件。

以某款電動(dòng)汽車為例，進(jìn)行各項(xiàng)EMI測(cè)試。

2.1　ready狀態(tài)測(cè)試

汽車ready狀態(tài)即車輛已經(jīng)做好所有準(zhǔn)備，并啟動(dòng)成功，此時(shí)高壓和低壓系統(tǒng)都已通電。

在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)車輛的所有電器件均關(guān)閉，試驗(yàn)布置如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1　整車試驗(yàn)布置

圖2　整車ready狀態(tài)輻射發(fā)射水平

由圖2可以看出，電車ready狀態(tài)下輻射發(fā)射水平很低，說(shuō)明其自身輻射發(fā)射控制較好，此項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)值是后面各項(xiàng)測(cè)試的基礎(chǔ)。

2.2　只開(kāi)啟空調(diào)后測(cè)試

進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，在ready狀態(tài)基礎(chǔ)上只開(kāi)啟試驗(yàn)車輛的空調(diào)，其他測(cè)試過(guò)程不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　整車只開(kāi)啟空調(diào)后輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖3、圖2發(fā)現(xiàn)，30～60 MHz頻率范圍內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)的輻射發(fā)射非常明顯，并且在300 MHz、450 MHz頻率下出現(xiàn)了尖峰。

2.3　只開(kāi)啟大燈后測(cè)試

進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，在ready狀態(tài)基礎(chǔ)上只開(kāi)啟試驗(yàn)車輛的大燈，其他測(cè)試過(guò)程不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　整車只開(kāi)啟大燈后輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖4、圖2發(fā)現(xiàn)，30～60 MHz頻率范圍內(nèi)大燈系統(tǒng)的輻射發(fā)射非常明顯；對(duì)比圖4、圖3發(fā)現(xiàn)，30～60 MHz頻率范圍內(nèi)大燈系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的輻射發(fā)射水平基本相同。

2.4　只開(kāi)啟雙閃后測(cè)試

進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，在ready狀態(tài)基礎(chǔ)上只開(kāi)啟試驗(yàn)車輛的雙閃，其他測(cè)試過(guò)程不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　整車只開(kāi)啟雙閃后輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖5、圖2發(fā)現(xiàn)，30～60 MHz頻率范圍內(nèi)雙閃的輻射發(fā)射非常明顯；對(duì)比圖5、圖4、圖3發(fā)現(xiàn)，30～60 MHz頻率范圍內(nèi)雙閃、大燈系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的輻射發(fā)射水平基本相同。

2.5　只開(kāi)啟雨刮后測(cè)試

進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，在ready狀態(tài)基礎(chǔ)上只開(kāi)啟試驗(yàn)車輛的雨刮器，其他測(cè)試過(guò)程不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　整車只開(kāi)啟雨刮器后輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖6、圖2發(fā)現(xiàn)，30～60 MHz頻率范圍內(nèi)雨刮器的輻射發(fā)射非常明顯；對(duì)比圖6、圖5、圖4、圖3發(fā)現(xiàn)，雨刮器在47～60 MHz頻率范圍內(nèi)比雙閃、大燈系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的輻射發(fā)射水平高，并且在130～250 MHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)很多尖峰。

2.6　同時(shí)開(kāi)啟雨刮、大燈、雙閃、空調(diào)后測(cè)試

進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，在ready狀態(tài)基礎(chǔ)上同時(shí)開(kāi)啟試驗(yàn)車輛的雨刮器、雙閃、大燈系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，其他測(cè)試過(guò)程不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7　整車同時(shí)開(kāi)啟空調(diào)、大燈、雙閃、雨刮器后輻射發(fā)射水平

將圖7與圖3～6進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單個(gè)零部件的發(fā)射特性在共同作用下仍能顯現(xiàn)（圖7中圓圈內(nèi)曲線），4個(gè)零部件共同工作相互耦合后的空間輻射發(fā)射特性包含有各自特征。

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，確定關(guān)鍵零部件的發(fā)射特性及頻點(diǎn)，基于此對(duì)于后面試驗(yàn)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)超出限值問(wèn)題，可以快速排查，找出根因零部件。

3　實(shí)例分析

針對(duì)某款車型EMI超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行分析及改進(jìn)。

3.1　問(wèn)題描述

按照GB 34660—2017測(cè)試要求，同時(shí)開(kāi)啟車輛雨刮器、雙閃、大燈系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行整車輻射發(fā)射水平測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。

圖8　問(wèn)題整車輻射發(fā)射水平

由圖8可知，34 MHz頻率的整車輻射發(fā)射水平超出限值很多，60 MHz頻率的整車輻射發(fā)射水平超出限值一定值。

3.2　原因分析

通過(guò)以下步驟對(duì)整車EMI超標(biāo)問(wèn)題查找原因。

（1）仍然采用上文測(cè)試方法，逐一關(guān)閉已開(kāi)啟的電器件（雨刮器、雙閃、大燈系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)），經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)未對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此排除以上各電器件EMI超標(biāo)問(wèn)題。

（2）結(jié)合排查經(jīng)驗(yàn)，采用手持式頻譜儀和進(jìn)場(chǎng)探頭進(jìn)行探測(cè)排查機(jī)艙內(nèi)各電器系統(tǒng)及線路，發(fā)現(xiàn)在快充高壓繼電器檢測(cè)線處的輻射發(fā)射強(qiáng)度較高，在34 MHz頻率出現(xiàn)較大尖峰，如圖9所示。

圖9　排查測(cè)試點(diǎn)位

（3）在確定信號(hào)產(chǎn)生源的前提下，分析傳播路徑，對(duì)快充高壓線束進(jìn)行輻射發(fā)射強(qiáng)度分析，測(cè)量發(fā)現(xiàn)30 MHz頻率下快充高壓線束的每個(gè)端口均具有較大發(fā)射量，根據(jù)改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及波長(zhǎng)和頻率關(guān)系（波長(zhǎng)=波速/頻率），30 MHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為10 m，快充線束長(zhǎng)度為2.2 m，接近四分之一波長(zhǎng)，理論判斷快充線束作為了發(fā)射天線。通過(guò)以下方法進(jìn)行驗(yàn)證：在線束外層增加屏蔽層和利用快充口PE（Protective Earthing，保護(hù)接地）線接地點(diǎn)進(jìn)行接地，發(fā)現(xiàn)快充高壓線束的每個(gè)端口的發(fā)射量很小，由此判斷2.2 m長(zhǎng)快充高壓線束作為了發(fā)射天線，如圖10所示。

圖10　高壓快充接口

3.3　改進(jìn)方案

3.3.1信號(hào)源改進(jìn)

針對(duì)由共模電流產(chǎn)生的快充線輻射發(fā)射問(wèn)題，通過(guò)以下方法進(jìn)行改進(jìn)。在連接器板子位置就近對(duì)殼體增加1 nF濾波電容，大概濾波10 MHz頻率，并增加磁環(huán)，如圖11所示。

圖11　快充繼電器檢測(cè)線改進(jìn)

改進(jìn)后測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12　增加濾波電容和磁環(huán)后整車輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖12、圖8發(fā)現(xiàn)，34 MHz頻率的輻射發(fā)射降低了5 dB，但仍未達(dá)標(biāo)，60 MHz頻率的輻射發(fā)射降低約8 dB。

3.3.2信號(hào)源改進(jìn)+信號(hào)傳播途徑改進(jìn)

在信號(hào)源改進(jìn)基礎(chǔ)上，針對(duì)快充線束為非屏蔽線束問(wèn)題，將其改為屏蔽線束，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13　快充繼電器檢測(cè)線改進(jìn)及快充線束改為屏蔽線束后整車輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖13、圖12發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后34 MHz頻率的輻射發(fā)射水平低于限值，但離限值線過(guò)近，裕量不足，后期存在一定風(fēng)險(xiǎn)，60 MHz頻率的輻射發(fā)射水平也有較大降低。

3.3.3更優(yōu)改進(jìn)方案

上述兩項(xiàng)措施的改進(jìn)效果并不讓人滿意，通過(guò)論證發(fā)現(xiàn)快充繼電器粘連檢測(cè)模塊功能單一，可由其他系統(tǒng)模塊的功能替代（更新軟件底層架構(gòu)），判斷去除此模塊并不影響汽車功能及安全，同時(shí)考慮到改進(jìn)時(shí)效和成本，最后確定去掉此模塊。

綜上，最終改進(jìn)方案為：在連接器板子位置對(duì)殼體增加1 nF濾波電容，并將快充線束改為屏蔽線束，同時(shí)取消快充繼電器粘連檢測(cè)模塊，改進(jìn)后測(cè)試結(jié)果如圖14所示。

圖14　最終改進(jìn)后整車輻射發(fā)射水平

對(duì)比圖14、圖13發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后34 MHz、60 MHz頻率的輻射發(fā)射水平明顯低于限值，并且裕量較大，有效降低了一致性風(fēng)險(xiǎn)，改善效果顯著。

4　總結(jié)

針對(duì)整車EMI測(cè)試及超標(biāo)問(wèn)題，可通過(guò)以下思路解決問(wèn)題：

（1）首先排查試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)啟的電器件，采用排除法逐一確認(rèn)，這是初步基礎(chǔ)工作；

（2）其次查找信號(hào)源的產(chǎn)生點(diǎn)位，這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)較多時(shí)間，經(jīng)驗(yàn)判斷在其中發(fā)揮很大作用；

（3）之后查找信號(hào)源的傳播途徑；

（4）最后針對(duì)信號(hào)源和傳播途徑制定相應(yīng)的改進(jìn)方案，并進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。

通過(guò)以上梳理，為同行提供了解決EMI超標(biāo)問(wèn)題的流程和經(jīng)驗(yàn)，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]鄭奇. EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2010.

2022-11-08

1002-4581（2023）02-0030-05

U463.68

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.008