淺析磁環(huán)在汽車高壓線束系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃玉華，肖美臨，郭軍朝，程夏露，顏 勇

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

1 問題提出

目前電動汽車的高壓電線束總成大多采取屏蔽電纜作為設(shè)計首選，目的是為了屏蔽高壓線芯在通過時變電流時產(chǎn)生的對外輻射的電磁能量。其與非屏蔽電纜的結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。屏蔽電纜較非屏蔽電纜多了銅線編制而成的屏蔽網(wǎng)及外部的護套層。

圖1 非屏蔽電纜和屏蔽電纜的結(jié)構(gòu)對比

采用屏蔽電纜的設(shè)計理念，可以有效防止高壓系統(tǒng)工作時對外輻射的電磁能量對敏感低壓系統(tǒng)的影響，也更有利于整車電磁兼容性能符合相關(guān)法規(guī)要求。但是，由于屏蔽電纜多層的結(jié)構(gòu)特性，必然會使其柔性變差，成本較非屏蔽電纜高。尤其是對快充電纜等這些大線徑的屏蔽導(dǎo)線而言，前述矛盾更加突出。差的柔韌性必然會造成線束布置的困難，高的成本必然降低車輛的競爭力。在目前日趨激烈的電動車競爭態(tài)勢下，如何既保證高壓系統(tǒng)的電磁兼容性能，又能找到低成本的設(shè)計方案，成為眾多車廠的努力方向。本文將以磁環(huán)在某電動車快充電纜上的應(yīng)用為例，闡明該類應(yīng)用在技術(shù)降成本及控制器開發(fā)后期電磁兼容問題解決方面所起的良好作用。

2 問題分析

汽車線束系統(tǒng)連接汽車各帶電零件，起到電功率輸送和電信號傳遞的作用。線束的每根導(dǎo)線內(nèi)，這些電功率和電信號的傳遞在某一時刻都是以一定幅值的電壓和電流的形式存在，并以電磁波的形式向前傳播，這就是電壓和電流的時域形態(tài)。具體如圖2[1]所示。

圖2 傳輸線模型

由圖2可知，當(dāng)導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與搭鐵線間存在壓差時（因正負(fù)電荷在不同導(dǎo)體的聚集），必然存在電場，這表明導(dǎo)體間有耦合的電容，即導(dǎo)體的分布電容。同樣的，傳遞功率或信號的2線間有電流的流動（一個導(dǎo)體流出，從一個導(dǎo)體返回），必然存在磁場，這表明導(dǎo)體間有耦合的電感，即分布電感。正是因為傳送電功率或電信號的導(dǎo)體在電路中分布電容、電感的存在，使看起來互相絕緣的導(dǎo)體間有了某種程度的電氣連接，這種電氣連接也會有電流流過和電功率損耗，這就是在電解質(zhì)中（相對導(dǎo)體而言）形成的位移電流產(chǎn)生的電功率傳送。這種傳送一些是有意的，比如在大氣中傳輸?shù)臒o線通信信號；有些傳送是無意的，比如車輛電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的同樣在大氣中傳輸?shù)纳漕l電磁干擾信號。位移電流的物理效應(yīng)在低頻（電流或電壓隨時間的變化率）表現(xiàn)不明顯，但在高頻時就十分顯著。汽車線束系統(tǒng)本身就是多條導(dǎo)線集成在一起并沿同一路徑進行布局，低壓線束系統(tǒng)尤其如此，這就大大增強了導(dǎo)線間無意耦合、互相干擾的可能。電動車高壓線束系統(tǒng)，雖然集成在一起的導(dǎo)線較少（一般為正負(fù)2條），但是其中通過的電流隨時間變化快，同時電壓高，具有比低壓線束系統(tǒng)高得多的電磁能量輻射潛能，在進行該方面設(shè)計時必須重點關(guān)注并預(yù)防。本文以某款電動車快充電纜為例，來分析這類問題的解決方法。

2.1 電動車應(yīng)滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)

當(dāng)前與電動車相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)有如下5項。

1）GB 34660《道路車輛 電磁兼容性要求和試驗方法》：規(guī)定了車輛及其電氣/電子部件的電磁發(fā)射限值、抗擾性能和試驗方法，包含了30～1000MHz頻率范圍內(nèi)整車級的寬帶、窄帶發(fā)射限值和20～2000MHz頻率范圍內(nèi)90%頻段的抗擾性限值。

2）GB/T 40428《電動汽車傳導(dǎo)充電電磁兼容性要求和試驗方法》：規(guī)定了電動汽車直流充電時的寬帶發(fā)射限值和交流充電時的諧波發(fā)射特性，也規(guī)定了20～2000MHz頻率范圍內(nèi)90%頻段的抗擾性限值，要求抗擾的測試期間車輛駐車功能、充電功能必須正常。

3）GB/T 18655《車輛、船和內(nèi)燃機 無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》：規(guī)定了150kHz～2500MHz頻率范圍內(nèi)的無線電騷擾限值和測量方法，就是為了保護收放機、藍(lán)牙、導(dǎo)航接收裝置和車載電視等車載接收機的性能。

4）GB/T 18387《電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法》：規(guī)定了車輛磁場、電場輻射發(fā)射強度的限值和試驗方法，覆蓋頻率范圍為150kHz～30MHz。

5）GB/T 37130《車輛電磁場相對于人體暴露的測量方法》：規(guī)定了人體所處車輛環(huán)境的低頻磁場發(fā)射的測量方法，涉及的頻率范圍為10Hz～400kHz。

2.2 電動車快充電纜構(gòu)型

電動車高壓電氣系統(tǒng)原理示意如圖3所示。從圖中可見，快充電纜的負(fù)極線與高壓負(fù)載的負(fù)極常連，而正極電纜則通過快充繼電器與高壓負(fù)載的正極進行隔離。下文分充電工況和車輛運行工況兩種場景來分析快充電纜的電磁發(fā)射潛能。

圖3 電動車高壓原理示意圖

2.2.1 充電工況

在快充系統(tǒng)工作的時候，充電電流經(jīng)充電樁正極流出，進入車端充電口，通過圖3快充電纜正極，進入高壓電池包，流經(jīng)快充繼電器進入高壓電池正極進行充電，并從高壓電池負(fù)極流出，經(jīng)負(fù)極繼電器、快充插件出電池包，進入快充負(fù)極電纜，最后通過車端充電口進入充電樁形成回路。具體如圖4所示。

圖4 快充場景電流情況

由圖4可知，充電過程中正負(fù)極快充電纜環(huán)路間形成了差模電流，具有一定的電磁發(fā)射潛能，距離環(huán)路D處所產(chǎn)生的電場強度ED計算公式為[2]：

式中：S——環(huán)路面積；ID——差模電流；f——差模電流頻率。

可見其發(fā)射潛能與環(huán)路面積、差模電流大小及差模電流頻率成正比?？斐湎到y(tǒng)工作時，充電電流為階梯恒流模式，工作頻率很低，同時正負(fù)極電纜集成在一起，形成的環(huán)路面積S也很小，故充電時的差模發(fā)射可以不予考慮。

由圖4可知，由于高壓電纜與車身、高壓電池系統(tǒng)與車身間存在壓差，如前所述，其間也存在分布電容，形成共模電流環(huán)路。距離環(huán)路D處所產(chǎn)生的電場強度EC為[2]：

式中：ICM——共模電流大小，一般不易預(yù)測；f——共模電流頻率；L——電纜的長度。

在實際應(yīng)用中，因造型及總布置原因，L的長度是確定的，為抑制共模發(fā)射，可以降低共模電流大小及頻率。在電動車快充系統(tǒng)工作時，如前提及，f很小，故共模發(fā)射也很小。

在充電過程中進行電磁發(fā)射限值測試，實際是測的兩種發(fā)射下的綜合結(jié)果，如上文所分析，因兩種發(fā)射模式頻率f很小，故發(fā)射潛能很低，在對某款電動車的實車測試也表明了這一點，具體如圖5所示。

圖5 某款電動車充電過程中電磁發(fā)射測試結(jié)果

圖5中紫色線條為準(zhǔn)峰值限值，可見發(fā)射值距離限值還有較大的裕度空間。

由圖5可知，采用非屏蔽電纜作為快充線，在充電過程中不會影響其相關(guān)法規(guī)的符合性。

2.2.2 車輛運行工況

電動車輛運行時電機驅(qū)動系統(tǒng)是主要的電磁干擾來源。為適應(yīng)復(fù)雜的驅(qū)動工況，高壓系統(tǒng)中的電流、電壓隨時間的變化率很大，即工作頻率f很高，這將導(dǎo)致高壓系統(tǒng)在很寬頻段內(nèi)都具有很強的輻射潛能。電機驅(qū)動系統(tǒng)工作時，其高頻等效電路模型如圖6[2]所示。

圖6 電機驅(qū)動系統(tǒng)高頻等效電路模型

圖6中，R1、R2與C1、C2串聯(lián)后再與C3、C4并聯(lián)，組成正負(fù)極LISN (線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))；直流正極電纜和直流負(fù)極電纜的電阻及電感（RDC+、RDC-與LDC+、LDC-）串聯(lián)，與其搭鐵電容CDC+、CDC-構(gòu)成直流電纜等效電路模型；CDC為逆變器內(nèi)部紋波抑制電容，RDC與LDC為CDC的等效電阻和引線電感；三相線纜的電阻和電感RCA、RCB、RCC、LCA、LCB、LCC與搭鐵電容CA、CB、CC一起構(gòu)成交流屏蔽電纜等效電路模型；RMA、RMB、RMC、LMA、LMB、LMC為電機三相繞組相電阻與電感；CM為繞組對機殼的寄生電容；CP、CN為逆變器直流正負(fù)極母線搭鐵寄生電容；LIGBT為IGBT引線電感；CV1～CV6為IGBT極間等效電容；CA、CB、CC為逆變器三相橋臂中性點搭鐵寄生電容；CS為機殼搭鐵電容。

如上文分析，在車輛運行過程中產(chǎn)生的電磁發(fā)射，也是由差模電流和共模電流共同作用形成的。由于工作頻率f很高，產(chǎn)生的ED、EC都很大，如不采取措施，將會使電動車的電磁發(fā)射限值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)限值。對于高壓電氣設(shè)備，在滿足自身的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求后才能量產(chǎn)、裝車，故它們的電磁發(fā)射限值是可控的。對于連接這些高壓設(shè)備的高壓電纜，目前也都采用了屏蔽電纜。屏蔽層與用電設(shè)備殼體及車身可靠搭鐵，可大大降低共模電流環(huán)路面積，減少其發(fā)射潛能，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的限值要求。

在這些高壓電纜中，快充電纜是一個特殊的存在，其正極在車輛運行時和高壓系統(tǒng)斷開，負(fù)極卻大都和高壓系統(tǒng)常通（基于成本考量，一般沒有在車輛運行時斷開高壓負(fù)極的繼電器），這就使車輛運行時產(chǎn)生的高頻時變電流會在快充負(fù)極電纜中流動，通過其與車身間的分布電容形成通路，從車身流回高壓系統(tǒng)。其流經(jīng)途徑隨頻率不同而不同，預(yù)測十分困難。在當(dāng)前大多數(shù)的設(shè)計方案中，快充電纜也選擇了屏蔽電纜，目的是屏蔽其內(nèi)高頻時變電流產(chǎn)生的電場發(fā)射，其本質(zhì)實際就是因屏蔽層與車身的可靠搭鐵而減小了共模發(fā)射環(huán)路的面積。為了提高用戶體驗，縮短快充時間，快充電纜線徑往往較大，如采用屏蔽電纜，因其柔韌性變差，給日益局促的布置空間提出了較大的挑戰(zhàn)。如要取消屏蔽層，提高布置靈活性并降低線束成本，必須設(shè)法減小快充負(fù)極電纜對外的電磁發(fā)射強度。因為共模發(fā)射可以等效為單極天線或?qū)ΨQ偶極子天線，其發(fā)射強度如公式（2）所示，為抑制其發(fā)射強度，可以設(shè)法降低ICM，顯然，在回路中增加阻抗元件，從源頭消耗ICM就能夠達(dá)到預(yù)期。但是，如果選擇純電阻元件，不但不易串接到負(fù)極電纜中去，而且還會增加直流充電時的功率消耗，顯然純電阻不能作為選擇方案。這就需要一種直流或低頻時電阻很小，在高頻時電阻又顯著增大的器件，以便達(dá)到既不影響正常的充電功能，又能消耗敏感高頻電流，進而降低回路發(fā)射潛能的目的。磁環(huán)就是具有這種特性的常用器件。

2.3 磁環(huán)及其用途

磁環(huán)是利用鐵氧體材料燒結(jié)而成的，可串接于電路中的環(huán)狀導(dǎo)磁體，是常用的抗干擾器件，對高頻噪聲有很好的抑制作用。其特點是低頻時阻抗很小，當(dāng)信號頻率升高時阻抗急劇升高。磁環(huán)的等效電路如圖7[1]所示，其阻抗特性如圖8[1]所示。

圖7 磁環(huán)等效電路模型

圖8 某磁環(huán)的阻抗特性

不同鐵氧體材料制成的磁環(huán)有不同的最佳抑制頻率范圍。通常導(dǎo)磁率越高，抑制的頻率越低。此外，鐵氧體體積越大，抑制效果越好。

3 問題解決

基于上述理論分析，在電動車非屏蔽快充電纜中增加磁環(huán)，可以有效降低車輛運行時的電磁輻射發(fā)射潛能。

3.1 利用仿真手段對取消屏蔽結(jié)構(gòu)后的電磁發(fā)射風(fēng)險頻段進行識別

本文所涉及的某款電動車非屏蔽快充電纜濾波器件的初選采用了仿真手段。該車型快充電纜的實車環(huán)境模型如圖9所示。

圖9 某款電動車快充電纜在車身的布局

由圖9可知，實際的快充電纜和金屬車身間還是有較大的間隙，如果兩端與車身搭鐵的屏蔽電纜，內(nèi)部芯線與參考搭鐵（車身）的間隙為屏蔽層與芯線間的絕緣層厚度，環(huán)路面積還是比較小的，但如果采用非屏蔽電纜，則間隙就是導(dǎo)線與車身間的距離，形成的環(huán)路面積比屏蔽電纜大很多，發(fā)射潛能將增加不少。某款電動車快充電纜的S參數(shù)初步仿真模型如圖10所示。

圖10 某款電動車快充電纜S參數(shù)仿真模型

分析線束的S參數(shù)，是從頻域角度基于傳輸線理論運用電磁仿真軟件FEKO完成的。其中包含了正負(fù)極2根電纜、端接阻抗的電路如圖10所示，提取了2根線束共4個端口的S參數(shù)，其中端口1注入端口2輸出的傳輸系數(shù)曲線S21如圖11所示。

圖11 某款電動車快充電纜S參數(shù)仿真分析結(jié)果

分析圖11所示的傳輸系數(shù)曲線S21，可得在20MHz、60MHz、100MHz和140MHz等奇數(shù)倍次諧波時，傳輸曲線S21均是在波谷位置，表明在此頻點附近直流快充線束內(nèi)傳輸?shù)哪芰勘容^小，大部分能量以輻射的方式釋放到線束周圍空氣中。簡而言之，仿真表明目標(biāo)車型快充電纜在20MHz頻率具有較大的輻射潛能，這與實車測試結(jié)果比較接近。圖12、圖13分別是測試所得圖形和數(shù)據(jù)（GB/T 18387符合性測試）。

圖12 實車測試發(fā)射圖形

圖13 實車測試圖形對應(yīng)數(shù)據(jù)

由圖12、圖13可知，實車在17.7MHz和20.4MHz裕度較小和超標(biāo)，與仿真所得的在20MHz具有較大的發(fā)射潛能預(yù)測趨勢相符。

3.2 選擇合適的磁環(huán)規(guī)格

根據(jù)仿真或?qū)嵻嚋y試結(jié)果，會發(fā)現(xiàn)取消快充電纜的屏蔽層后可能會造成某些頻段下發(fā)射限值的超標(biāo)，可以根據(jù)超標(biāo)的頻率，選擇該頻段阻抗較大的磁環(huán)進行驗證。在磁環(huán)選擇時，需要考慮如下因素。

1）系統(tǒng)環(huán)境：考慮系統(tǒng)中的工作電流大小、頻率范圍和溫度等因素，以確定所需磁環(huán)的材質(zhì)和尺寸。其中電流大小影響所選磁環(huán)材料的磁導(dǎo)率，頻率影響磁環(huán)阻抗（圖14），溫度影響磁環(huán)磁性的保持，如溫度達(dá)到材料的居里溫度，磁環(huán)將失去磁性，如鐵的居里溫度為770℃，鈷為1120℃，鎳為358℃。

圖14 磁通密度與電流的關(guān)系[2]

2）磁環(huán)材質(zhì)：常見的磁環(huán)鐵氧體材料主要有錳鋅（MnZn）鐵氧體和鎳鋅（NiZn）鐵氧體。不同材質(zhì)的磁環(huán)具有不同的磁導(dǎo)率和頻率特性，需根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率進行。錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體材料的導(dǎo)磁率及阻抗與頻率的關(guān)系如圖15～圖17[1]所示。

圖15 不同鐵氧體的相對導(dǎo)磁率與頻率關(guān)系曲線

圖16 MnZn鐵氧體阻抗頻率特性

圖17 NiZn鐵氧體阻抗頻率特性

3）磁環(huán)尺寸：根據(jù)系統(tǒng)的電流、電壓大小，計算所需磁環(huán)的尺寸。磁環(huán)的尺寸與電流、磁場強度密切相關(guān)，需確保磁環(huán)能夠承受和產(chǎn)生足夠的磁場。此外還應(yīng)考慮所串接導(dǎo)線的直徑，以便磁環(huán)裝配。

4）磁環(huán)裝配工藝：需考慮采用開口的帶護殼結(jié)構(gòu)的磁環(huán)還是封閉的裸環(huán)，具體如圖18、圖19所示。前者因帶護殼成本比后者貴，適合電磁兼容品質(zhì)改善的臨時對策；后者適合線束端增加磁環(huán)降低系統(tǒng)發(fā)射潛能的正式方案，在線束廠進行裝配，并根據(jù)需要進行固定和保護。

圖18 開口磁環(huán)示意圖

圖19 閉口裸環(huán)示意

5）磁環(huán)加裝位置：磁環(huán)是電流消耗型器件，為起到最佳的高頻電流抑制效果，應(yīng)盡可能布置在高頻電流源頭。本文所涉及的案例就是快充電纜與電池包對接處。在快充電纜上，磁環(huán)距電池包接插件越近越好。某款車型磁環(huán)的加裝位置如圖20所示。從圖中可以看出，高頻電流出電池包就被磁環(huán)所消耗，大大降低了該回路的發(fā)射潛能。

圖20 某車型磁環(huán)加裝位置示意圖

6）磁環(huán)串接：對多頻段且敏感頻率差別較大的情形，選用多種特性的磁環(huán)一起進行串接使用也是一種選擇，它們分別抑制不同敏感頻率的發(fā)射能量，進而滿足相關(guān)限值要求。

3.3 實車驗證測試

根據(jù)仿真結(jié)果，選擇在25MHz處阻抗為71Ω的磁環(huán)，加裝在圖20所示位置的負(fù)極電纜上，在進行GB/T 18387《電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法》（覆蓋頻率范圍為150kHz～30MHz）符合性測試時，結(jié)果如圖21、圖22所示。

圖21 實車測試發(fā)射圖形

圖22 實車測試圖形對應(yīng)數(shù)據(jù)

與圖12、圖13相比，相應(yīng)頻段處的發(fā)射值得到了有效抑制，裕度由0.2dBμV/m和-1.2dBμV/m提高到了5.4dBμV/m和4.4dBμV/m。

4 結(jié)束語

通過上述分析及實車驗證表明，電動車快充電纜采用非屏蔽結(jié)構(gòu)，在增加磁環(huán)的情況下，性能完全能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的要求。同時在相同導(dǎo)線規(guī)格下，非屏蔽電纜沒有了銅線編制的屏蔽層和外面的護套層，材料用量減少，一定會帶來成本的降低，對于線徑越大的導(dǎo)線而言，這種收益應(yīng)該越顯著。以截面積為50mm2、耐溫等級T2的導(dǎo)線為例，每米大約降本10元左右。此外，這種抑制電磁能量發(fā)射的方法，還可用于其他高壓線束，但前提必須是驗證充分；這種方法也可用在低壓線束系統(tǒng)，當(dāng)控制器或低壓電器件（雨刮電機等）已開發(fā)成型，硬件已無法改變，在該場景下于相關(guān)回路設(shè)置相應(yīng)規(guī)格的磁環(huán)，并在條件允許的條件下進行多圈纏繞，均可達(dá)到降低目標(biāo)回路電磁發(fā)射潛能的目的。

以上是對磁環(huán)在線束系統(tǒng)應(yīng)用的粗淺分析，希望能夠為相關(guān)讀者提供參考價值。