電動(dòng)汽車(chē)智能高壓配電箱電磁兼容性能研究

楊杰，劉青松，覃延明，李彬, 翟建鵬，曹鐘，張俊東，牛偉，陳一高，胡俊

(重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心重慶市電磁兼容工程技術(shù)研究中心，重慶 401122)

0 引言

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池電源電壓多為幾百伏的直流高壓,車(chē)載用電設(shè)備如空調(diào)、電機(jī)和組合儀表等若直接與動(dòng)力電池相連則會(huì)造成供電線(xiàn)束雜亂,即增加成本又占用整車(chē)空間，故電動(dòng)車(chē)需要增加高壓配電箱對(duì)動(dòng)力電池電源進(jìn)行高壓分配[1]。高壓配電箱一般由高壓到低壓的直流變換DC/DC 模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)DC/AC交流逆變和高壓直流輸出三部分構(gòu)成。其中，DC/DC和DC/AC模塊在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，會(huì)對(duì)車(chē)載電子設(shè)備以及周?chē)碾姶怒h(huán)境造成嚴(yán)重的電磁干擾。

針對(duì)道路車(chē)輛及其車(chē)內(nèi)通過(guò)傳導(dǎo)和耦合引起的電磁騷擾，為減少汽車(chē)電子部件或系統(tǒng)的電磁輻射騷擾，我國(guó)制定了GB/T 18655-2010《車(chē)輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無(wú)線(xiàn)電騷擾特性用于保護(hù)車(chē)載接收機(jī)的限制和測(cè)量方法》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了從150 kHz～2 500 MHz內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電騷擾限值和測(cè)量方法[2]。作者基于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，研究了某型號(hào)的智能高壓配電箱的電磁輻射發(fā)射性能，針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中該高壓配電箱出現(xiàn)的輻射發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象，詳細(xì)分析了其產(chǎn)生的原因，并給出了相應(yīng)的整改措施，最后對(duì)整改后的高壓配電箱進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，整改后的高壓配電箱符合GB/T 18655-2010關(guān)于輻射發(fā)射限值要求。

1 智能高壓配電箱輻射發(fā)射測(cè)量

按GB/T 18655-2010關(guān)于零部件輻射發(fā)射的ALSE(Absorber Lined Shielded Enclosure)測(cè)試方法，在國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心10 m法半電波暗室對(duì)某型智能高壓配電箱進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)[3]。

輻射發(fā)射試驗(yàn)的頻率測(cè)量范圍為0.15 MHz～2.5 GHz，分別采用棒天線(xiàn)、雙錐天線(xiàn)、對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)和喇叭天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)要求在對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)量時(shí)，應(yīng)在典型負(fù)載和產(chǎn)生最大電磁發(fā)射工作條件下進(jìn)行[4]。測(cè)試過(guò)程中，智能高壓配電箱的DC/DC輸出連接24 V蓄電池、DC/AC輸出連接功率電阻、高壓直流輸出接型號(hào)為WSTF-LDZ90K-750V的負(fù)載箱；所有線(xiàn)束放置在無(wú)導(dǎo)電性、低相對(duì)介電常數(shù)材料上，距接地平面上方(50±5) mm的位置；它與負(fù)載模擬器之間的試驗(yàn)線(xiàn)束的總長(zhǎng)不應(yīng)該超過(guò)2 000 mm，且試驗(yàn)線(xiàn)束平行于接地平面邊緣部分的長(zhǎng)度應(yīng)該為(1 500±75) mm。輻射發(fā)射連接圖如圖1所示。

圖1 輻射發(fā)射連接示意圖

輻射發(fā)射實(shí)際測(cè)試照片如圖2所示。

當(dāng)用雙錐天線(xiàn)對(duì)智能高壓配電箱進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)，在水平、垂直極化方向，其測(cè)量值均超出GB/T 18655-2010規(guī)定的限值。水平、垂直極化方向測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 雙錐天線(xiàn)輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

從圖3可以看出：在30～250 MHz頻率范圍內(nèi)，水平、垂直極化方向測(cè)量時(shí)，智能高壓配電箱均存在嚴(yán)重的超標(biāo)現(xiàn)象。

2 零部件輻射發(fā)射超標(biāo)原因分析

對(duì)于智能高壓配電箱輻射發(fā)射在30～250 MHz超標(biāo)的問(wèn)題，必須找出輻射發(fā)射源頭且對(duì)癥下藥、采取有效的抑制措施，才能使產(chǎn)品滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求[5-7]。

智能高壓配電箱主要包含直流輸出為24 V的DC/DC、交流輸出為380 V的DC/AC、幅值大小為550 V的高壓直流輸出，高壓直流輸出由輸入端經(jīng)繼電器再直接輸出，可以首先排除它為輻射發(fā)射源，因此需要判斷DC/DC模塊和DC/AC模塊誰(shuí)是主要發(fā)射源。測(cè)試時(shí)，采用分離試驗(yàn)法來(lái)判斷輻射發(fā)射超標(biāo)源頭。先拔掉DC/DC模塊，若測(cè)試曲線(xiàn)明顯降低，那么可以確定智能高壓配電箱輻射發(fā)射超標(biāo)的主要原因是由DC/DC模塊；若測(cè)試曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的變化，那么可以確定輻射發(fā)射超標(biāo)的主要原因是DC/AC模塊[8]。基于以上思路，分別進(jìn)行了兩組對(duì)比試驗(yàn)，圖4為拔掉DC/DC模塊的測(cè)試曲線(xiàn)，圖5為拔掉DC/AC模塊的測(cè)試曲線(xiàn)。

圖4 拔掉DC/DC模塊的測(cè)試曲線(xiàn)

圖5 拔掉DC/AC模塊的測(cè)試曲線(xiàn)

對(duì)比圖4和圖5，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)：拔掉DC/AC模塊后，輻射發(fā)射測(cè)試曲線(xiàn)大幅降低且平均值和峰值均在限值以下，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；拔掉DC/DC模塊后，輻射發(fā)射測(cè)試曲線(xiàn)明顯降低，在40～70 MHz仍有超標(biāo)的現(xiàn)象，因此，可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：(1)DC/AC模塊是輻射發(fā)射超標(biāo)的主要原因；(2)DC/DC模塊是輻射發(fā)射的次要原因。DC/AC模塊和DC/DC模塊均需要進(jìn)行整改。

3 電磁兼容整改設(shè)計(jì)

針對(duì)DC/AC模塊和DC/DC模塊輻射發(fā)射超標(biāo)的問(wèn)題，通過(guò)認(rèn)真分析DC/AC模塊和DC/DC模塊電路結(jié)構(gòu)[9-11]，提出以下幾點(diǎn)整改建議：

(1)增加EMI(Electro Magnetic Interference)濾波電路。EMI 濾波器的基本原理是用并聯(lián)電容來(lái)為干擾電流提供旁路，用串聯(lián)電感來(lái)阻止干擾電流。常用的EMI濾波器電路拓?fù)溆蠰C低通濾波器來(lái)衰減高頻干擾信號(hào)，或是帶阻濾波器來(lái)衰減某一頻率段的干擾信號(hào)。EMI濾波器設(shè)計(jì)的基本原則是阻抗失配原則，其設(shè)計(jì)原則是：EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于或者遠(yuǎn)小于干擾源的輸出阻抗；EMI濾波器的輸出阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于或者遠(yuǎn)小于負(fù)載的輸入阻抗。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在DC/AC模塊輸入端的線(xiàn)之間增加兩組聯(lián)濾波電容，如圖6所示。

圖6 DC/AC輸入端加濾波電容

(2)在DC/DC模塊接關(guān)鍵元器件每個(gè)引腳處增加適當(dāng)容量的去耦電容,使旁路外部高頻信號(hào)耦合,將干擾源的影響消除在進(jìn)入元器件前。因?yàn)镈C/DC模塊內(nèi)部連接各種傳感器和執(zhí)行器,外界電磁干擾信號(hào)很容易耦合到DC/DC模塊內(nèi)部,從而對(duì)DC/DC模塊的正常工作產(chǎn)生干擾。

(3)重新對(duì)DC/AC模塊和DC/DC模塊進(jìn)行屏蔽。由于DC/AC模塊和DC/DC模塊接縫處理并不理想,屏蔽效果有限,重新處理時(shí),在模塊上下外殼接縫處增加銅箔,以減小孔縫的電磁泄漏。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)DC/AC模塊和DC/DC模塊按上述措施進(jìn)行整改后，其電磁兼容性能不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，還必須重新進(jìn)行磁兼容性試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明：整改后的高壓配電箱其輻射發(fā)射符合國(guó)標(biāo)要求，且輻射發(fā)射降低的效果明顯，DC/AC模塊和DC/DC模塊的諧波發(fā)射被極大地抑制。整改后測(cè)試曲線(xiàn)如圖7、圖8所示。

圖7 整改后雙錐天線(xiàn)輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)(水平極化)

圖8 整改后雙錐天線(xiàn)輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)(垂直極化)

5 結(jié)束語(yǔ)

以某型號(hào)智能高壓配電箱為對(duì)象，對(duì)其樣品的電磁輻射進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)分析，找到輻射源，并對(duì)其進(jìn)行了整改。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，輻射源定位準(zhǔn)確，抑制措施簡(jiǎn)單有效，為企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員在研究電動(dòng)汽車(chē)的高壓配電箱電磁兼容問(wèn)題提供了參考。