电动汽车整车EMC性能攻关

张欢欢，吴兵兵

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

电动汽车整车EMC性能攻关

张欢欢，吴兵兵

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

电动汽车产生的电磁环境相当于传统车与电驱动系统耦合后的电磁叠加，其电磁骚扰频域范围扩展，骚扰强度增加。尤其是电驱动系统峰值功率较大，驱动系统产生的传导与辐射骚扰不但严重干扰车辆内部电子设备的运行，还向周围环境辐射强烈的电磁干扰。文章结合实车测试案例，针对性的从整车角度实施优化措施并验证，使车辆满足GB 14023和GB/T18387标准的电磁场发射限值要求。

电动汽车；电磁兼容性；高压

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-87-05

引言

电磁兼容性能，Electro Magnetic Capability，简称EMC，是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电动汽车的电磁兼容性设计虽然是非功能性设计，却可以影响产品性能，如电磁兼容性能不达标，有的会引起CAN通讯错误帧超标，严重的会导致整车电驱动系统失去动力。近年来，电动车产业在国家政策引导和推动下，快速发展，已由技术探索的导入期进入技术逐渐成熟的发展期。随着国家对电动汽车的监管力度加大，以及行业内标准与法规与国际的逐渐接轨，电动汽车整车EMC性能的要求越来越高。由于电动汽车存在大量的高电压、大功率电力电子器件，其产生的电磁环境相当于传统车与电驱动系统耦合与叠加，电磁兼容环境十分复杂，整车电磁兼容性能的达成需要重点攻关。

本文结合实车测试案例，对整车电磁兼容与GB/T 18387/GB14023符合性提出具体的整改措施，并形成整车EMC开发过程的设计需求。

1 电动汽车电磁兼容设计

1.1 电动汽车主要电磁骚扰源

1.1.1 电驱动系统

电驱动系统是电动车的主要骚扰源。电驱动系统主要由电机控制器与驱动电机组成，见图1，其中电机控制器通常集成IGBT模块，控制单元，电源模块等。驱动电机由定子、转子、传感器等构成。IGBT 功率管的骚扰为严重的窄带骚扰源，同时，还会直接导致骚扰的整体抬升。电机中的传感器，也是常见的窄带骚扰源；定子和转子通过交变磁场进行电能与机械能的转换，则为主要的宽带骚扰源。

图1 电机控制器和电机结构原理

1.1.2 电池系统

电池系统中的骚然源主要有电池管理系统和电池冷却系统。电池管理系统（BMS）实时采集各电池单体的电压、温度等信号，同时调节控制各单体的均衡并控制电池冷却启动或停止工作。BMS是一个明显的窄带骚扰源。电池冷却系统使用的冷却风扇一般都采用有刷电机，是典型宽带骚扰源。

1.1.3 DCDC

DC/DC是电动车高压电气系统中的转换模块，它将高压小电流转换为低压12V大电流输出，由功率器件及控制模块组成，都是窄带骚扰源。

1.2 电动汽车常见的电磁骚扰模式

1.2.1 高压系统共模电流骚扰

电驱动系统的存在，导致电动汽车长期运行在高电压、大电流的模式。电池的直流电源与电驱动的交流系统产生共模辐射，对整车EMC性能有很大的影响。

图2 共模辐射场模型

系统产生的共模辐射场模型如图2所示，共模辐射场可用下列公式表示：

由公式（1）可知，L越小，谐波次数越少，共模辐射越小，因此，抑制电驱动系统的共模骚扰，对整车EMC性能有很好的效果。

1.2.2 高压系统差模电流骚扰

电动汽车高压系统产生的差模骚扰也不容忽视。

图3 差模辐射场模型

高压系统产生的差模辐射场模型如图3所示，差模辐射场可用下列公式表示：

1.2.3 “天线”耦合机理

车辆高低压导线回路载有交变电流，一旦回路存在开路现象，电路上的电流就变成了电力线，继续保持电路，就构成了电磁骚扰发射天线。

图4 电磁骚扰发射天线模型

发射功率如下表示：

由于高压线束通常采取屏蔽的方式，同时交变电流的存在使得屏蔽层中存在骚扰电流，因此屏蔽层接地阻抗匹配，屏蔽层的屏蔽效能，以及系统布线的方式等都是EMC设计中重点考虑的方案。低压电气架构设计时，除考虑使用双绞方式外，接地点的选取及接地方案设计需要重点考虑。

2 电动汽车整车EMC性能测试

2.1 电动汽车电磁骚扰测试及分析

经过多次整车EMC试验，发现现阶段研发的电动汽车整车EMC性能测试，一次通过率很低，GB 14023与GB/T 18387均有不同程度的超出标准限值。

按照测试频谱分类，超标类型主要有单频点超标、谐波超标、包络超标，见图5。

图5 测试频谱超标

按照测试标准分类，超标类型见图6：

图6 测试标准超标

试验结果显示大部分电动汽车整车EMC超标都集中在9-150kHz，5-30MHz，30-75MHz，100-200MHz频段。根据经验，从整车的角度看，GB/T 18387电场不合格，通常屏蔽、接地以及电缆布置措施不合理；GB/T 18387磁场不合格，通常电流回路、屏蔽措施不合理；9-150kHz不合格，通常是IGBT的脉冲调制方式及IGBT的滤波方式不合理；150KHz-30MHz不合格，通常是电机控制器及高压主回路影响；30-1000MHz不合格，一般由DC-DC滤波、BMS、高压线束、低压部件引起。

2.2 GB/T 18387实车测试案例分析

以某电动汽车EMC测试为例，存在以下四个超标工况，见图7。

图7 某电动车GB/T18387 EMC超标工况

（1）数据分析

观察并分析频谱数据，均为5-30MHz之间的包络超标。整车拓扑架构见图8。

图8 某电动车整车拓扑架构

经分析，该频段超标很有可能是驱动系统引起，同时应考虑整车屏蔽与接地措施是否设计合理。

（2）定位分析

首先，通过频谱分析仪扫描，确认辐射最大位置。

图9 频谱分析仪

经过测试，发现电机控制器三相线位置，电机控制器母线位置以及整车高压线束主干接口部位场强较大。

第二步，检查整车高压回路是否有屏蔽措施，并且是否为全包裹360°屏蔽。

第三步，各连接器接头位置是否与零部件箱体接地，箱盖部位是否正常接触，同时检查接地电阻是否＜0.2Ω。

第四步，检查高压线束布置是否合理，因尽量避免环形走线。

2.3 GB14023实车测试案例分析

仍以该电动汽车测试为例，超标工况见图10。

图10 某电动汽车GB14023 EMC超标工况

（1）数据分析，观察并分析频谱数据，均为30-50MHz之间的包络超标，116.4MHz的单频点超标。

（2）定位分析，首先，通过排除法，进行包络超标定位。通过测量得到ST/OFF/ACC状态下的频谱数据，见图11、12。

图11 车辆左侧，天线垂直极化窄带测试

图12 车辆右侧，天线垂直极化窄带测试

经过测试分析，初步确认30MHz附近的包络超标影响因素是低压部件和高压部件，116.4MHz的单频点超标影响因素是低压部件。

第二步，通过开启关闭用电器，确认具体的超标部件。

第三步，对于单频点超标，使用频谱分析仪，确定源头。

3 电动汽车整车EMC性能攻关

整车EMC性能攻关达标，通常有接地优化，屏蔽优化及滤波3种措施。

3.1 整车接地方案优化

良好的接地设计是解决EMC问题最有效和最廉价的方法。但是车辆的接地设计非常复杂，必须考虑车体结构与车辆电气电子部件的配置，接地系统如果设计不合理，将可能直接和间接影响已符合试验标准规范的车辆电气电子部件。因为接地阻抗的变化可能造成其EMI特性的改变，以致影响车辆电气电子部件之间的电磁兼容性，造成邻近、较敏感装备的误动作，或是通信设备的噪声干扰，甚至影响行车安全。因此采用铜丝编织或镀锡铜编织的接地线束，是较好的选择。

对于低频(低速)电路、设备(频率低于1MHz)，例如音频电路、模拟装置。优先选择混合接地的方案。

图13 混合接地示意图

车辆中用来当做“地”的部件包括车身、驱动装置金属表面及低压蓄电池负极。

（1）车身金属面积大，与其它金属设备、配件或线路间会形成大电容，对高频噪声有不错的去耦合效果。可以作为电流回路、等电位参考面、屏蔽、静电。

（2）驱动装置金属表面，可作为模拟/数字信号的回路，为避免产生噪声电压，低频时须注意搭接电阻是否过高，注意搭接螺栓材质与搭接表面处理；高频时须注意搭接线的高频阻抗(感抗)，因为噪声电压可能会产生辐射干扰与传导干扰，造成车内电子设备误动作。

（3）低压蓄电池负极，电容特性为1~2F/100Ah，电瓶的电容可有效地减少车辆充电电路产生的低频噪声，也就是可提供充电电路的噪声电流旁路作用。

（4）整车高压部件壳体均需接地处理，且需保证接地电阻＜1Ω。

3.2 线缆及屏蔽优化

汽车线束设计需遵循“避免线与线之间的相互窜扰”的原则。由于电动汽车高压回路电压纹波较大，高压线束之间会产生严重的电磁骚扰。因此需对整车高压回路进行屏蔽与接地。

部件之间的线束需遵循图14所示线缆连接和接地模型。

图14 连接和接地模型

需要注意的是，屏蔽层需360°接地，整车高压线束屏蔽编制密度需≥85%，连接器屏蔽层最好采用压接或焊接的方式，以减小接触电阻；尽量减小屏蔽系统的接地阻抗。

3.3 滤波优化

滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络，可以插入传输线中，抑制不需要的频率进行传播。电动车上的骚扰很多是经过线束及端口发射出来，所以滤波技术对于电动车的电磁兼容优化作用很重要。

电动汽车整车EMC整改过程中滤波器主要有两种类型：

（1）反射式滤波器

由于电动汽车电源是直流或者50Hz交流，所以应当使用的是低通滤波器。一般由电感、电容等器件组成，在滤波器阻带内提供了高的串联阻抗和低的并联阻抗，使它与噪声源的阻抗和负载阻抗严重不匹配，从而把不希望的频率反射回噪声源。如：电机三相线增加Y电容，直流母线增加共模电感/差模电感，均可有效降低整车EMC辐射水平。

（2）吸收式滤波器

吸收式滤波器是目前发展很快的一种低通滤波器，已广泛应用于各种电路中。一般由有耗器件构成的，在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。

整车EMC优化中，驱动控制器低压电源线束、电机旋变信号线束、DCDC输出正负极线束、压缩机低压线束等位置增加磁环，均可以有效减低整车辐射。具体位置可根据实际车辆进行选择。

3.4 优化后测试结果

（1）GB 14023测试结果

图15 GB14023EMC测试结果

（2）GB/T 18387测试结果

按上述方法后，该电动汽车整车EMC测试合格，满足标准发射限值要求。

4 总结

本文从电动车整车EMC耦合机理的角度分析，结合实际测试案例，从整车的角度优化，使车辆满足GB/T 18387与GB 14023标准要求，验证了优化方法的有效性。

[1] GB/T 18387-2008 电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法,宽带,9kHz～30MHz.

[2] GB 14023-2011车辆、船和由内燃机驱动的装置无线电骚扰特性限值和测量方法.

[3] GB 18655-2002用于保护车栽接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法.

[4] GB／T 19951-2005道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法.

EMC performance of electric vehicle

Zhang Huanhuan, Wu Bingbing
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The electromagnetic environment generated by electric vehicles is equivalent to the electromagnetic superposition of the traditional vehicle and the electric drive system. The range of electromagnetic disturbance will expand and the harassment intensity will increase, which is more likely to cause electromagnetic pollution to the environment. The peak power of the system is large, and the conduction and radiation disturbances generated by the drive system not only seriously interfere with the vehicle's internal electronic equipment, but also radiate strong electromagnetic interference to the surrounding environment. In this paper, from the vehicle point of view，some measures are implemented to make the vehicle EMC meet GB 14023 and GB / T18387 standards.

electric vehicle; Electro Magnetic Capability ( EMC); High Voltage

U472 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-87-05

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.030

张欢欢，(1983-)，研究生，就职于江淮汽车集团股份有限公司技术中心。新能源汽车研究院院长助理，负责整车系统集成业务及纯电动车平台产品开发工作。吴兵兵，（1985-），就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。新能源汽车研究院系统集成部整车电气技术经理，负责整车电气架构、高压电气系统、电动空调系统、EMC等开发工作。