某电动汽车低频电场发射分析与优化

刘 典，杭 州，王子龙，鲍 宇，李 蝶

（1. 上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545000；2. 中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300；3. 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；4. 中汽数据有限公司，天津 300300）

为了适应绿色可持续的发展理念，电动汽车低碳节能的特点使得电动汽车在生活中快速普及，随之而来的电磁兼容EMC问题也日益严重［1］。为了保护通信设备通信品质不受车辆发出的电磁场的影响，国家汽车行业主管机构规定，电动汽车的电场发射和磁场发射需要满足GB/T 18387—2017《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》的限值要求。GB/T 18387—2017规定，在车辆以40km/h匀速行驶时，确定车辆电场和磁场的最大发射侧面。然后车辆分别以16km/h和70km/h匀速行驶，在最大发射侧面测量车辆向空间发射的电场和磁场。标准规定，电场和磁场测试频段为150kHz～30MHz。

1 摸底测试结果

按照标准要求，对车辆电磁场发射进行测试。摸底测试结果显示，车辆电场的测试值超过了GB/T 18387—2017的电场限值，典型测试结果（车辆左侧，16km/h）如图1所示。

从测试结果可以看出，电场在16～25MHz范围内超标，峰值频点为25MHz，最大超标约20dB。

图1 典型测试结果

2 定位排查

常用的定位排查方法有近场扫描法和排除法。近场扫描法是使用便携式接收机和近场扫描探头在车辆零部件或线束附近寻找最大辐射点的方法，这种方法的优势是使用方便、定位准确、成本较低。

通过近场扫描发现，车辆是否上高压 （Ready状态）对测试结果影响较大，当车辆处于Ready状态时，会产生明显的峰值。而且，通过扫描，电机控制器、三合一（高压配电盒、DCDC、车载充电机）附近场强较大，波形特征与标准测试相似。由此初步判定，高压系统是导致车辆电场发射超标的原因。电机控制器扫描波形如图2所示。

将排查范围明确在高压系统后，采用排除法确定干扰源和传播路径。车辆高压系统结构如图3所示。

图3 车辆高压系统架构

电池包是高压系统的核心，电气部件主要由电池模组和BMS组成，通过高压线束分别与快充插座、电机控制器和三合一连接。三合一分别与PTC、压缩机、慢充插座以及蓄电池正极连接。除了电源连接，车辆高压系统设计了高压互锁系统（Hazardous Voltage Interlock Loop，HVIL），通过使用电气小信号来确认整个高压产品、导线、连接器及护盖的电气完整性，只有当互锁回路形成了一个完整的闭环时，车辆的高压部件状态才能认为是正常的，此时方可允许接入高压电源［2］。因此，在使用排除法插拔高压线束，隔离特定部件时，应短接部件的高压互锁引脚，确保高压系统可以正常工作。

2.1 定位干扰源

通过排除法，在电池包正常供电情况下，分别测试车辆在Ready状态、三合一负载 （PTC、压缩机）不工作、三合一不工作、驱动系统工作 （16km/h）4种情形下的车辆的电场发射。这4种工况中，可以逐步排除相应高压部件的影响。测试结果如图4所示。

从图4a可以看出，在车辆Ready状态时，测试结果已经超标，因为此时干扰高压部件内部功率器件已经处于工作状态，并向外发出电磁干扰［3］。图4b，4c表明三合一负载及三合一正常工作情况下，不会提高整车电场发射的强度，因此可以认为三合一、PTC、压缩机不是干扰源。图4d表明，当以16km/h匀速运动时，车辆的电场发射强度增加，大于Ready状态的电场强度，且与标准状态下的测试结果相似，说明电驱动系统对整车辐射发射的影响较大。进一步采用近场扫描方法，发现驱动电机和电池包壳体附近发射强度远低于电机控制器，因此可以判定电机控制器是干扰源。

图4 测试结果

参考GB/T 18655—2018 的测试布置和GB/T 18387—2017限值以及工况要求，在暗室内测试电机控制器及电机系统的电场发射，驱动系统模拟整车测试时的工作状态，测试结果如图5所示。

图5 电驱动系统测试

从测试结果可以看出，电驱动系统的电场发射在整车超标频段存在类似的峰值，且峰值频点与整车峰值频点接近，进一步证明电机控制器是干扰源的结论。

2.2 查找传播路径

形成EMC问题需要有3要素，除干扰源之外，还应找到干扰的传播路径。因为电机控制器是干扰源，因此重点排查与电机控制器连接的线束。通过近场扫描，快充线、三相线的电场发射强度较低，排除是主要传播路径的可能性。慢充线和BMS通信线的电场发射强度较大，分别对慢充线和BMS通信线采取措施，对比前后的差异。

针对慢充线，分别测试电池包连接和不连接慢充线的电场发射。结果表明，电池包接上慢充线的测试结果比电池包不接慢充高5dB左右，测试结果如图6所示。

图6 慢充线的影响

针对BMS通信线，选用工作频段在20MHz附近的磁环套在线束上，对比使用磁环前后的测试结果。结果表明，使用磁环可以将电场强度降低5dB左右，测试结果如图7所示。

图7 BMS通信线的影响

通过以上分析，可以确认电机控制器是干扰源。控制器发出的一部分干扰通过高压母线进入电池包，再由慢充线向外发射，另一部分干扰在电池包内部，通过电路耦合，从高压电路传导至低压电路，然后通过BMS通信线发射出去。

2.3 整车EMC设计风险点

通过进一步排查，发现测试车辆上存在EMC设计问题（图8），主要有以下3点。

图8 整车EMC不良设计

1）慢充线为屏蔽线，但是屏蔽层只在三合一侧搭接，慢充口无搭铁搭接。慢充线屏蔽层为单端搭铁，这种搭铁方式仅适用于干扰频率在1MHz以下的场景，显然对20MHz左右的干扰不能起到屏蔽作用。

2）旋变线中的搭铁线断开。旋变线搭铁线断开会导致旋变信号的畸变，降低对干扰的抵抗能力，严重情况下会导致驱动系统故障。

3）BMS壳体和电池包内部搭铁点有绝缘涂层，BMS壳体搭铁不良。由于有绝缘涂层的存在，导致BMS浮地，高压侧的干扰无法通过搭铁导入车身，从而传导至BMS通信线束。

3 整改

针对排查过程中发现的问题，采取针对性的整改措施。

1）电机控制器。前期排查发现，干扰存在于高压母线，在三相线上较少。因此在电机控制器输入端设计滤波电路滤除干扰。在高压母线输入端线与线之间加2.2uF的X电容，在线与搭铁之间加47nF和470nF的Y电容。

2）车辆EMC设计。将慢充线屏蔽层电池包一端与电池包外壳连接，保证屏蔽层双端搭铁［5］。将旋变线搭铁线连接好，保证电气连接性。

打磨BMS外壳以及电池包上相应搭铁点的绝缘涂层，保证较低的搭铁电阻。

将优化后的车辆重新测试，测试结果满足GB/T 18387—2017电场限值要求。如图9所示。

图9 优化后的测试结果

4 结论

通过近场扫描法和排除法确定电机控制器是干扰源，同时发现车辆存在多处不合理的搭铁、屏蔽设计，采取增加滤波器、优化搭铁等措施改善车辆EMC设计，最终车辆低频电场发射满足GB/T 18387—2017的要求。