電動汽車常見電磁兼容問題與解決方法

張浩，劉桂彬，徐梟，胡建，周榮

（1.河北工業(yè)大學，天津 300130；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，政府對新能源汽車的支持力度不斷加大，電動汽車憑借其自身節(jié)能環(huán)保的特性也越來越受到消費者的青睞。同時，世界各大汽車制造廠商在不斷優(yōu)化改良現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上，紛紛推出混合動力汽車、純電動汽車等車型。相比于傳統(tǒng)汽車，電動汽車所配備的高壓電氣元件會對周圍環(huán)境產(chǎn)生更強的電磁干擾。同時，隨著網(wǎng)聯(lián)化和智能化的發(fā)展，更多低壓電氣元件得到應用，這些部件本身對復雜電磁環(huán)境的承受能力較弱，降低了電動汽車的抗干擾程度。因此，與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車的電磁兼容問題更為復雜。

1 電磁兼容介紹

電磁干擾的來源主要有車體靜電干擾、車外電磁干擾以及車內(nèi)電磁干擾。車體靜電干擾是指汽車在高速行駛過程中，車體與空氣不斷摩擦產(chǎn)生靜電，當電荷積累到一定數(shù)量且外在條件合適，就會發(fā)生放電現(xiàn)象，同時產(chǎn)生高頻輻射。車外電磁干擾主要發(fā)生在某些特定環(huán)境下，例如無線電發(fā)射基站和變電站等強輻射源附近。據(jù)報道，某抗電磁干擾設(shè)計有嚴重缺陷的汽車，由于高速路口收費站產(chǎn)生的電磁輻射，發(fā)生了其安全氣囊在正常狀況下炸開的故障[1]。車內(nèi)電磁干擾是指汽車內(nèi)部的電子電氣設(shè)備在正常工作時產(chǎn)生的電磁干擾，是目前電動汽車電磁兼容主要的研究對象。無論哪種干擾都嚴重影響著電動汽車行駛的安全性和可靠性。

針對電磁兼容問題三大要素，如圖1所示，常依據(jù)隔離騷擾源和敏感部件、發(fā)現(xiàn)并阻斷耦合途徑的原則，在實踐中采用接地、濾波和屏蔽的方法解決相關(guān)問題。

圖1 電磁兼容三要素

2 高壓電氣元件

動力電池以及電驅(qū)動系統(tǒng)等強電設(shè)備，在其運行過程中會產(chǎn)生強烈的電磁輻射，并對車內(nèi)其他部件會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，這是車內(nèi)電磁干擾的主要來源。

2.1 動力電池

動力電池以及與之相連接的動力線纜一般載有較高的電壓和較大的電流，車輛在不同運行工況下電流和電壓必然會產(chǎn)生波動，進而產(chǎn)生強烈的電磁干擾。對此，可以在線纜以及其他可能有電磁泄露的地方覆蓋鋁箔以屏蔽干擾，在連接處要選用如圖2所示的專用電纜，以進一步保證屏蔽效果[2]。

圖2 帶屏蔽接頭的專用線纜

屏蔽與接地密切相關(guān)，在加強屏蔽層設(shè)計的同時，還要注意屏蔽的接地方式以達到滿意的屏蔽效果。實踐中，用作屏蔽內(nèi)電場的屏蔽體一定要良好接地，如圖3所示，使其對外電場強度為零。用于保護通信線纜的屏蔽層有與之類似的結(jié)構(gòu)。

圖3 靜電屏蔽原理

接地時，相較于所有電路共同使用一條公用地線的單點接地而言，多點接地可以突破單點接地在高頻段范圍內(nèi)的限制，同時可以縮短各接地線路進而能夠減少電線的天線效應。

在工程實踐中可以發(fā)現(xiàn)，很多電磁兼容問題都是屏蔽與接地設(shè)計不當引起的，優(yōu)化屏蔽接地設(shè)計，尤其是優(yōu)化強電部分電磁兼容性的設(shè)計，對車輛電磁環(huán)境的改善至關(guān)重要。

2.2 電源系統(tǒng)組件

2.2.1 電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池管理系統(tǒng)主要進行電池相關(guān)信號的處理和傳遞，較低的工作電壓與電流決定其較弱的抗干擾能力。車內(nèi)電磁干擾對 BMS的耦合有兩種主要途徑：一是車內(nèi)的低頻瞬態(tài)和各種干擾直接通過 BMS的電源線以共模或差模干擾的形式耦合進 BMS，二是車內(nèi)的各種輻射干擾場把能量耦合在BMS的連接線束上，形成共模干擾電流耦合進BMS[3]。所以BMS一般采用金屬鋁質(zhì)外殼以盡量隔離外界干擾，同時，在保證功能及安裝需求的條件下盡量縮短 BMS與電池之間的線路長度。

圖4 某電動車BMS示意圖

2.2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器是電動車高壓電氣系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊，它將高壓小電流轉(zhuǎn)換為低壓大電流輸出到車燈等低壓部件，是一個大功率振蕩器，運行時電壓隨時間會有很大的波動。對于DC/DC變換器，首先在設(shè)計之初就要考慮電磁干擾問題，在電路設(shè)計等方面進行電磁兼容優(yōu)化設(shè)計。其次，在輸入端加接電源濾波器，這樣既可以無衰減地輸送直流功率，還可以大大衰減高頻干擾信號[4]。需要注意的是，作為電池的外部設(shè)備，電池冷卻系統(tǒng)一般會選用有刷電機，運行時也會產(chǎn)生一定的騷擾。

2.3 電驅(qū)動系統(tǒng)

電驅(qū)動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機、變速器以及功率變換器。其中驅(qū)動電機和功率變換器是該部分產(chǎn)生電磁騷擾的主要源頭。

2.3.1 驅(qū)動電機

目前驅(qū)動電機種類較多，均是利用電流與磁場之間相互作用的原理將電能轉(zhuǎn)化為機械能，是典型的寬帶騷擾源。一方面，驅(qū)動電機在高速運轉(zhuǎn)的過程中，內(nèi)部線圈會通過空間和導線產(chǎn)生強烈的電磁騷擾，擾亂周圍電磁環(huán)境[5]；另一方面，電機內(nèi)部線圈是電感元件，在電機啟動和停車階段會有不同程度的電流波動，形成浪涌效應。同樣地，在逆變器啟動瞬間也會產(chǎn)生類似的瞬態(tài)干擾。對于浪涌沖擊、靜電以及電快速脈沖群等瞬態(tài)干擾，可以加裝合適的瞬態(tài)干擾吸收元件，如瞬變電壓抑制管、壓敏電阻以及氣體放電管等。另外，為了能及時了解電機運行狀況而安裝在電機上的傳感器也是常見的窄帶騷擾源，同時它也是抗干擾能力較弱的易感元器件，此類電氣元件在電動車輛中應用較多，必要時需要關(guān)注排查。

除此了上面提到的方法，改進電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計也可以達到對整車電磁兼容優(yōu)化的效果。例如，為了減少電纜引起的天線效應，可以將電機控制器盡量靠近電機；為防止傳導耦合影響正常通信，整車控制器要盡可能遠離電機等高壓設(shè)備。

2.3.2 逆變器

逆變器電路中的 IGBT 開關(guān)管動作時產(chǎn)生的電壓、電流突變會通過動力線纜產(chǎn)生強烈的電磁干擾，信號線與動力電纜會之間會產(chǎn)生互感，底盤與動力電纜之間產(chǎn)生也會產(chǎn)生共模干擾[6]。可以采用下文的方法通過屏蔽和接地以降低對外界的干擾。最后，還要把逆變器作為一個整體進行屏蔽，同時將屏蔽體外殼良好接地。

3 整車設(shè)計

實際上，不同類型車輛的主要強電零部件外形設(shè)計與安放位置不盡相同，但從整車設(shè)計角度來看，有一些通用方法可以在一定程度上提高整車的電磁兼容性能。

3.1 線纜布置

線束電纜在瞬變的電流作用下可以看作是一個個輻射天線，即使在平行傳輸途中也存在著導線之間的互感，導致信號的串擾。因而整車線纜布局設(shè)計顯得尤為重要。一般來說，線纜在布局設(shè)計上要遵循的基本原則是：盡可能避免線束之間發(fā)生干擾。

3.1.1 動力線纜

動力線纜高電壓、大電流以及其較大的波動特性決定著其會產(chǎn)生很強的電磁干擾，尤其是對低壓通信控制線纜的干擾尤為明顯。一般來講，高壓導線可以與低壓導線鋪設(shè)在一起，但是不能與低壓通信控制線鋪設(shè)在一起。同時，高壓線纜與信號線要并行布置，避免環(huán)形布線，以減小高壓脈沖對信號脈沖的干擾。

3.1.2 通信線纜

圖5 雙絞線示意圖

通信線纜一般選用屏蔽雙絞線，如圖5所示，并盡量將其絞緊，布線緊貼在底盤上。雙絞方式使得感應的磁場相互抵消，可以降低外接電磁場對絞線的干擾以及絞線之間的互相干擾，降低衰減。而屏蔽層可以減少自身對外界的電磁干擾，也可以降低自身信號的衰減和噪音的引入，因而可以提供更潔凈的電信號和更長的線纜長度。雖然屏蔽雙絞線價格更加昂貴，安裝也更加復雜，但其電磁兼容特性優(yōu)越，所以應用廣泛[7]。

3.2 孔縫

受限于工藝與設(shè)計等原因，某些箱體上會留有用于散熱或線纜進出孔洞，汽車殼體拼接處也會留有縫隙，這些都是可能會引起電磁輻射泄露的隱患。在留有縫隙或空洞的地方加裝導電泡棉墊或金屬絲網(wǎng)，可以有效隔離泄露。在某些不方便加裝導電泡棉墊或金屬絲網(wǎng)的地方，可以應用衍射的原理，進行結(jié)構(gòu)性加深縫隙深度。

3.3 其他

對于高壓回路的屏蔽，可以在機箱與連接器之間加裝導電襯墊，減小屏蔽導體的接地阻抗，在芯線外面包裹屏蔽層，接線時屏蔽層要全角度接地，避免“豬尾巴效應”。一般來講，編織屏蔽密度越高，屏蔽效果越好，但成本會升高，編織網(wǎng)的柔韌性也會下降。對于某些電磁要求更為嚴格或者有其他限制的地方，可以在線纜外側(cè)套加金屬屏蔽管以充分隔離。

4 總結(jié)

本文對電動汽車電磁兼容常見問題進行了討論，并著重分析了高壓電氣部件與整車電磁兼容的優(yōu)化原理與方法。目前，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)方興未艾，電動汽車電磁兼容設(shè)計正朝著系統(tǒng)化和定量化的方向快速發(fā)展，加強車輛電磁兼容研究對于提高車輛安全性與可靠性具有重要意義。

參考文獻

[1] 陳立輝.電磁兼容(EMC)設(shè)計與測試之汽車電子產(chǎn)品(電磁兼容EMC工程技術(shù)叢[M].電子工業(yè)出版社, 2014:10-12.

[2] 齊蒙.電動汽車電磁兼容性能分析與優(yōu)化研究[D].導師:周榮.河北工業(yè)大學,2014.

[3] 李旭,肖利華,王麗芳,等.電動汽車電池管理系統(tǒng)抗電磁干擾技術(shù)研究[J].汽車工程學報, 2012, 2(6):417-423.

[4] 張小林,馬洪江.DC/DC電源中的電磁干擾及其對策[J].微電子學,2004, 34(2):110-115.

[5] 段瑞昌,徐國卿,吳志紅.車用電機驅(qū)動器的電磁兼容性設(shè)計[J].電工技術(shù), 2003(10):40-42.

[6] 張歡歡,吳兵兵.電動汽車整車 EMC性能攻關(guān)[J].汽車實用技術(shù),2017(19):87-91.

[7] 歐陽杰.電動汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容研究[D].導師:李輝萍蘇州大學,2015.