電動(dòng)汽車電磁輻射問(wèn)題研究

張胤+劉方磊+張富忠+丁亞平+程緒行

摘 要：相對(duì)傳統(tǒng)汽車而言，電動(dòng)汽車采用了很多高壓大功率部件以及系統(tǒng)集成度高的電子控制單元，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電磁輻射。從電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)及優(yōu)化整改的角度，分析了電動(dòng)汽車的電磁干擾源、形成機(jī)理及其傳播途徑，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)，分析了電磁兼容整改技術(shù)，并針對(duì)案例進(jìn)行了整改與試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電磁干擾；干擾源；試驗(yàn)；整改

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）05-0008-04

Study on Electromagnetic Radiation of Electric Vehicle

ZHANG Yin， LIU Fang-lei， ZHANG Fu-zhong， DING Ya-ping， CHENG Xu-hang

（ National Automobile Quality Supervision and Test Center[Xiangyang]， Xiangyang 441004， China ）

Abstract： Compared with the traditional automobile ，many high-voltage ， high-power components and electronic control units with high system integration are applied to the electric vehicles ，which can cause more serious electromagnetic radiation. This article analyzes the electromagnetic interference source， the formation mechanism and the transmission way of the electric vehicle from the angle of electric vehicle standard， test and optimization rectification. Based on the actual test， the electromagnetic compatibility rectification technology is analyzed and the rectification and verification of the case are carried out.

Key Words： electric vehicle； electromagnetic interference； interference source； test； rectification

1 前言

近幾年，由于國(guó)家政策的鼓勵(lì)，不少汽車廠商紛紛展開(kāi)了電動(dòng)汽車技術(shù)的研究，但尚處于起步階段，許多廠商主要還是著眼于電機(jī)及其控制系統(tǒng)、電池等關(guān)鍵部件或系統(tǒng)的功能性實(shí)現(xiàn)上，而對(duì)于各個(gè)系統(tǒng)以及整車的電磁騷擾抑制和抗干擾問(wèn)題不夠重視，造成電動(dòng)汽車的電磁兼容性（EMC）水平不高。電動(dòng)汽車的主要干擾源來(lái)自于高壓大功率電器部件以及系統(tǒng)集成度和電磁敏感度高的電子控制單元，由此產(chǎn)生的電磁干擾不僅會(huì)影響車輛周圍的無(wú)線電設(shè)備， 還會(huì)影響車輛內(nèi)部電氣設(shè)備的正常工作，如果涉及控制和安全的電子電氣設(shè)備受到影響而無(wú)法正常工作，會(huì)直接影響車輛行駛的安全性。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)汽車能一次性通過(guò)GB 14023-2011無(wú)線電騷擾特性和GB/T 18387-2008電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度測(cè)試的不多，大部分車型都是經(jīng)過(guò)多次整改才能夠達(dá)標(biāo)。隨著國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車EMC問(wèn)題的不斷重視，電動(dòng)汽車電磁兼容技術(shù)以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)水平將進(jìn)一步提高，原有標(biāo)準(zhǔn)將不斷被修訂和完善，今后在加強(qiáng)整車電磁兼容技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，也會(huì)積極開(kāi)展電器零部件的電磁兼容性的研究與測(cè)試。對(duì)電動(dòng)汽車電磁兼容性能的分析與研究，就是要從根本上弄清影響電動(dòng)汽車的電磁兼容性的原因，并提出具有建設(shè)性的改進(jìn)措施，來(lái)提高電動(dòng)汽車電磁兼容性的檢驗(yàn)合格率，促進(jìn)電動(dòng)汽車行業(yè)的健康發(fā)展。

2 電動(dòng)汽車主要試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)項(xiàng)目

經(jīng)過(guò)各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的不斷努力，電磁兼容技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系得到了不斷的發(fā)展和完善，各個(gè)汽車制造商們也制定了相較于外部標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)提高自身產(chǎn)品的電磁兼容性能。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO，IEC/CISPR）、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如歐盟汽車法規(guī)ECE、美國(guó)SAE體系、日本JASO體系）和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如福特、豐田、通用、大眾等標(biāo)準(zhǔn)）。

3 電動(dòng)汽車電磁干擾源分析

3.1 電磁干擾要素

電動(dòng)汽車內(nèi)部有許多高低壓線束和通信線束以及大量的高低壓電子電器部件，會(huì)產(chǎn)生大的電磁干擾，造成輻射超標(biāo)，影響車輛本身的性能并對(duì)外部環(huán)境造成輻射干擾。電磁干擾源、傳播途徑與敏感設(shè)備，是形成電磁干擾的三要素，只要缺失其中任何一個(gè)要素，電磁干擾便不會(huì)發(fā)生。

電磁干擾源是產(chǎn)生電磁干擾的用電設(shè)備或自然現(xiàn)象。傳播途徑又稱耦合路徑，是電磁能量通過(guò)介質(zhì)耦合傳輸?shù)倪^(guò)程，包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。敏感設(shè)備包括單個(gè)設(shè)備或者分系統(tǒng)，或者是產(chǎn)品內(nèi)部的電路或部件。有時(shí)候電磁干擾源與敏感設(shè)備可能是同一元件或設(shè)備。

傳導(dǎo)耦合是指電磁波需要通過(guò)完整的電路才能使干擾源的電磁能量耦合到敏感設(shè)備。輻射耦合是指電磁能量通過(guò)空間介質(zhì)在干擾源與敏感設(shè)備之間傳遞的過(guò)程。

3.2 電動(dòng)汽車主要電磁干擾源

電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言比較復(fù)雜，既有傳統(tǒng)12V蓄電池供電的電氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱低壓電氣系統(tǒng)），又有高壓動(dòng)力蓄電池供電的電氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱高壓電氣系統(tǒng)），還有許多高壓大功率的汽車電子部件，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、直流/直流轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、高壓動(dòng)力電池，同時(shí)電動(dòng)汽車較傳統(tǒng)汽車采用了更多的控制、監(jiān)控、顯示和無(wú)線電等各種電子設(shè)備，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、真空泵、水泵等。高壓電力電子開(kāi)關(guān)器件非常容易通過(guò)傳導(dǎo)、耦合或輻射產(chǎn)生電磁干擾。典型的電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，常由蓄電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器以及相關(guān)動(dòng)力連接線等組成。蓄電池組作為能量供給系統(tǒng)，為整個(gè)電動(dòng)汽車提供動(dòng)力源；電機(jī)控制器是一種DC/AC逆變器，主要用于動(dòng)力源的交直流轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車的動(dòng)能，以上設(shè)備通過(guò)控制線纜及動(dòng)力連接線連接，共同組成了電動(dòng)汽車典型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也構(gòu)成了電動(dòng)汽車復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。圖2所示為典型的電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。endprint

3.2.1電機(jī)控制器

對(duì)于電機(jī)控制器，需要采集電機(jī)的相電流、轉(zhuǎn)速、電壓、溫度等信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制和保護(hù)，其中電流檢測(cè)和電壓檢測(cè)傳感器都是霍爾原理，容易產(chǎn)生干擾，控制器內(nèi)部還有許多IGBT模塊，IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)造成電壓或電流的快速變化，造成干擾。圖3是電機(jī)控制器的典型模型。

3.2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器利用電容、電感的儲(chǔ)能特性，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)（MOSFET等）進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)的動(dòng)作提供能量，使電源和負(fù)載功率實(shí)現(xiàn)平衡。圖4為DC/DC電路結(jié)構(gòu)。電動(dòng)汽車一般使用DC/DC降壓變換器，將動(dòng)力電池的高壓轉(zhuǎn)換成低壓給低壓電器供電，這一過(guò)程通過(guò)Buck電路（降壓式變換電路）實(shí)現(xiàn)。連接線路和元件通常存在寄生參數(shù)，寄生元件易形成高頻諧振回路，換流單元的換流過(guò)程向這個(gè)諧振回路引入瞬態(tài)寬頻帶能量，如果回路諧振頻率落在這個(gè)頻帶中，便會(huì)發(fā)生高頻諧振，放大干擾效果，從以上分析可知，DC/DC變換器中換流單元的周期性換流動(dòng)作是干擾產(chǎn)生的根本原因，而電路的寄生元件會(huì)增強(qiáng)高頻干擾。

3.2.3 動(dòng)力電池組

由于電動(dòng)汽車仿真技術(shù)的需要，研究人員設(shè)計(jì)了大量電池性能的等效電路模型。電池首先裝在電池箱里再安裝到汽車上，每塊電池的負(fù)極對(duì)車身都可以產(chǎn)生一個(gè)寄生電容Cs，當(dāng)所有電池串聯(lián)起來(lái)的時(shí)候，其等效模型如圖5所示。其分布參數(shù)跟電池的布置有很大關(guān)系，分布參數(shù)產(chǎn)生的影響跟電池組的電流波形有很大關(guān)系，當(dāng)電池組中電流變化率較大時(shí)，各單體電池負(fù)極電位變化也較大，這時(shí)在電池組跟底盤之間就會(huì)由于分布電容的存在產(chǎn)生對(duì)底盤的共模電流，極易產(chǎn)生輻射干擾。

3.2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差模干擾和共模干擾

IGBT開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生差模干擾源，經(jīng)母線流回電池，此外，當(dāng)高頻電流作用在電機(jī)上，會(huì)在電機(jī)定子線圈上產(chǎn)生電壓尖峰，經(jīng)過(guò)母線生成另一個(gè)差模電壓，如圖6所示。路徑1是由開(kāi)關(guān)造成的干擾，路徑2是工作時(shí)有用電流產(chǎn)生的干擾。

當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)互換開(kāi)通，其中點(diǎn)電位會(huì)隨之發(fā)生階躍變化。每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)都會(huì)對(duì)IGBT與散熱片之間寄生電容進(jìn)行充、放電，形成共模電流，造成干擾。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，存在較大對(duì)地寄生電容的地方主要包括功率開(kāi)關(guān)器件的管腳與散熱片之間的寄生電容，電機(jī)繞組與外殼之間的寄生電容，電機(jī)軸承與外殼之間的寄生電容和直流母線及交流線與地之間形成的寄生電容等。共模干擾的兩條回路為1：IGBT→IGBT對(duì)散熱器的寄生電容→底盤→電池組對(duì)底盤的分布電容→電池組→直流母線→逆變器，2：IGBT→IGBT對(duì)散熱器的寄生電容→底盤→動(dòng)力電纜對(duì)底盤的分布電容→動(dòng)力電纜→逆變器。

4 實(shí)際案例分析與整改

4.1 測(cè)試案例分析

對(duì)國(guó)內(nèi)某款純電動(dòng)樣車，以電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度測(cè)試為例，依據(jù)GB/T 18387-2008，找到最大發(fā)射方向，以16km/h和64km/h的穩(wěn)定車速，分別測(cè)量電場(chǎng)和磁場(chǎng)的三個(gè)正交方向，選取16km/h電場(chǎng)和磁場(chǎng)Y方向超標(biāo)結(jié)果，如圖7、圖8。

根據(jù)該車的測(cè)試結(jié)果，超標(biāo)頻段集中在10M-30MHz。根據(jù)試驗(yàn)室積累的其他車輛的測(cè)試結(jié)果，超標(biāo)頻段主要集中在：9k-150kHz，5M-30MHz，30M-50MHz，100M-200MHz，對(duì)于少數(shù)車輛，2M-5MHz也出現(xiàn)了超標(biāo)的情況。進(jìn)行電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、DC/DC變換器等高壓部件處于正常工作狀態(tài)。根據(jù)3的的分析，我們懷疑這些高壓部件是造成測(cè)試結(jié)果超標(biāo)的干擾源，可針對(duì)這些部件進(jìn)行優(yōu)化整改。

4.2 整改方案及措施

高壓部件的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及功率電路集成于有限殼體內(nèi)，且外部接插件已固定，短期內(nèi)難以進(jìn)行部件級(jí)整改，只有從分系統(tǒng)級(jí)層面提出整改方案?；?的分析，制定的分系統(tǒng)級(jí)整改方案可歸納為：電磁屏蔽，濾波吸收，接地優(yōu)化。

4.2.1 電磁屏蔽

電磁屏蔽是利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面的反射和在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收以及傳輸過(guò)程中的損耗來(lái)降低電磁能量，抑制電磁干擾的一種措施。

實(shí)際的屏蔽機(jī)箱都有必要的穿孔、孔洞和縫隙，引起導(dǎo)電不連續(xù)性，產(chǎn)生電磁泄漏，通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來(lái)，使屏蔽體內(nèi)外的“場(chǎng)”相互隔離。電磁場(chǎng)屏蔽必須同時(shí)屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)，空間電磁波在入射到金屬體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和吸收，電磁能量被大大衰減，從而起到屏蔽作用。一般選擇電阻率小的良導(dǎo)體材料，如：箔帶、導(dǎo)電織物、導(dǎo)電涂層及鍍層。

4.2.2 濾波

濾波是根據(jù)信號(hào)頻率特性，將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。電動(dòng)車的電源是直流電源或者50Hz的交流電源，所以使用低通濾波器。通常在電源線輸入端使用安規(guī)電容（X電容和Y電容）可以降低電磁干擾。X電容用來(lái)抑制差摸干擾，Y電容用來(lái)抑制共摸干擾，電動(dòng)車的高壓電路中，既有共模電流存在，又有差模電流存在，所以一般同時(shí)使用X電容和Y電容。圖11，圖12為兩種安規(guī)電容，薄膜電容一般用作X電容，瓷片電容一般用作Y電容。

動(dòng)力線束上安裝濾波器可吸收部分高頻傳導(dǎo)干擾，從而降低輻射騷擾水平。安裝濾波器需要破壞動(dòng)力線束，電機(jī)控制器輸入輸出電流都較大，相應(yīng)濾波器尺寸較大，無(wú)安裝空間，僅在DC/DC變換器高壓直流輸入端和電機(jī)控制器進(jìn)出線等位置，選擇安裝納米晶材料、錳鋅材料吸收磁環(huán)，將干擾噪聲轉(zhuǎn)化為熱損耗，可降低共模干擾。鐵氧體吸收型濾波器（鐵氧體磁環(huán)）是目前應(yīng)用較多的一種低通濾波器，根據(jù)材料種類分為鎳鋅磁環(huán)、錳鋅磁環(huán)、非晶磁環(huán)等，一般高頻使用鎳鋅磁環(huán)，低頻使用錳鋅磁環(huán)。

4.2.3 接地

接地就是在電路、設(shè)備或系統(tǒng)與某個(gè)電位基準(zhǔn)地之間建立低阻抗的導(dǎo)電通路，分為“安全地”和“型號(hào)地”，與電磁干擾有關(guān)的主要是信號(hào)地。良好的接地可以使流經(jīng)設(shè)備或系統(tǒng)接地回路的電流產(chǎn)生的電磁干擾最低，同時(shí)保證人身和設(shè)備的安全。接地方式的選取應(yīng)遵循以下原則：低頻電路（頻率低于1MHz或地線長(zhǎng)度小于λ/20）建議采用單點(diǎn)接地；高頻電路（頻率高于10MHz或地線長(zhǎng)度大于λ/20）建議采用多點(diǎn)接地；高低頻混合電路，建議采用混合接地。endprint

4.3 案例整改

針對(duì)樣車測(cè)試的結(jié)果，查看樣車部件架構(gòu)及布線情況，從電磁兼容的角度分析，發(fā)現(xiàn)存在以下不合理之處：1、高壓動(dòng)力線束過(guò)長(zhǎng)，且屏蔽層與接插件屏蔽端搭接不良；2、電機(jī)控制器殼體噴涂絕緣漆，殼體上下盒蓋固定螺釘孔間距過(guò)大；3、DC/DC變換器及高壓控制盒殼體拼接處噴絕緣漆，整個(gè)殼體屏蔽效能降低；4、電機(jī)殼體未接地；5、高低壓線束之間相隔較近，易產(chǎn)生耦合干擾。針對(duì)樣車部件架構(gòu)和布線的不合理之處，進(jìn)行以下整改：1、將動(dòng)力蓄電池和高壓配電盒連接的高壓線纜用銅編織帶包裹并纏繞銅箔帶，并進(jìn)行接地處理；2、U、V、W動(dòng)力線束上分別套上銅編織帶并纏繞銅箔帶，并用扎帶將此三線扎緊，在U、V、W三線的兩端（電機(jī)控制器的輸入線、輸出線，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入線）套幾個(gè)錳鋅磁環(huán)和非晶磁環(huán)，將線纜在磁環(huán)上多繞幾圈，增加匝數(shù)；3、在高壓配電盒的直流輸入端的直流母線上增加X(jué)電容和Y電容；4、去掉電機(jī)控制器殼體盒蓋連接處的絕緣漆，用銅箔帶連接上下盒蓋，并將殼體用編織帶接地；5、DC/DC變換器的的直流輸入母線用銅編織帶包裹并纏繞銅箔帶，并將殼體接地；6、電機(jī)殼體用銅編織帶接地。下圖展示了處理后的局部狀態(tài)：

對(duì)樣車整改處理之后，可使用近場(chǎng)探頭和接收機(jī)對(duì)處理后的部件或者線纜進(jìn)行探查測(cè)試，以確定整改效果，探查測(cè)試的位置主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、DC/DC接插頭部分、殼體縫隙處以及相關(guān)動(dòng)力連接線。在樣車處理之前，也可使用近場(chǎng)探頭進(jìn)行干擾源的初步定位，之后采取相應(yīng)的措施進(jìn)行針對(duì)性的整改處理。

通過(guò)對(duì)測(cè)試案例中的樣車進(jìn)行整改處理后，再依據(jù)GB/T 18387-2008進(jìn)行電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的測(cè)試，選取16km/h電場(chǎng)和磁場(chǎng)Y方向測(cè)試結(jié)果，如下圖所示。

通過(guò)整改前后測(cè)試結(jié)果比對(duì)，可以看出整改后測(cè)試結(jié)果有明顯改善，說(shuō)明整改措施是有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車由于其自身構(gòu)造，電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾問(wèn)題比較嚴(yán)重。本文著重分析了電動(dòng)汽車的電磁干擾源，并根據(jù)實(shí)際案例從屏蔽、濾波、接地三個(gè)方面，提出了一系列的優(yōu)化措施，對(duì)電動(dòng)汽車樣車進(jìn)行優(yōu)化整改，最后，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明采取的整改措施是有效的。雖然整改措施有效，但在部件裝車后再進(jìn)行整改無(wú)疑成本高，費(fèi)時(shí)耗力，所以應(yīng)該在部件、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就考慮電磁兼容問(wèn)題，采取嚴(yán)格的電磁騷擾抑制措施，進(jìn)行板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高量產(chǎn)車輛的電磁兼容水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 18387-2008 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，寬帶， 9kHz-30MHz.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2008.

[2]高新杰， 白健， 張洪超.電動(dòng)汽車電磁輻射干擾整改.北京汽車新能源汽車有限公司. 安全與電磁兼容， 2013（3）：58-60.

[3]齊蒙.電動(dòng)汽車電磁兼容性能分析與優(yōu)化研究.河北工業(yè)大學(xué)， 2014.

[4]劉大亮.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容性研究.浙江工業(yè)大學(xué)， 2011.

[5]董明承.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率回路電磁干擾及抑制研究.北京理工大學(xué)， 2015.

[6]歐陽(yáng)杰.電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容研究.蘇州大學(xué)， 2015.endprint