電動汽車自兼容分析與實(shí)驗(yàn)

方明壯，張光亞，湯宇，王芳佑，譚文錚

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電動汽車自兼容分析與實(shí)驗(yàn)

方明壯1，張光亞1，湯宇2，王芳佑2，譚文錚2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展與用戶對舒適度要求的不斷提高，車內(nèi)前裝電子設(shè)備的數(shù)量大幅增加，其中不乏影響汽車安全的功能部件。本文基于整車設(shè)計(jì)圖紙，對樣車進(jìn)行電磁兼容理論分析，獲得存在自兼容風(fēng)險(xiǎn)的零部件為DC-DC、BMS、鼓風(fēng)機(jī)、EPS、雨刮電機(jī)、喇叭；進(jìn)一步的，基于自兼容實(shí)驗(yàn)，對理論分析結(jié)果論證篩選，提出DC-DC、雨刮電機(jī)、喇叭風(fēng)險(xiǎn)較大；最后通過與標(biāo)準(zhǔn)測試對標(biāo)，驗(yàn)證了自兼容測試方法的有效性。

電磁兼容；自兼容；風(fēng)險(xiǎn)；對標(biāo)

前言

電動汽車高壓零部件將對環(huán)境及整車自身產(chǎn)生電磁騷擾，布滿全車的敏感零部件及天線能否穩(wěn)定正常運(yùn)行，關(guān)乎乘車人的行車體驗(yàn)甚至人身安全。全球多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對電動汽車的EMC性能提出了評估辦法。GB/T 18387標(biāo)準(zhǔn)對車輛電磁場輻射發(fā)射提出了強(qiáng)制要求，ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)對車輛及車內(nèi)電子元器件在復(fù)雜電磁環(huán)境騷擾下的性能提出了評級，GB 8702-2014標(biāo)準(zhǔn)對車內(nèi)電磁輻射影響人體健康提出了安全限值要求。但各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中暫無對車輛自兼容性能的評判方法，測試方案同樣缺失。

本文基于整車設(shè)計(jì)圖紙對車輛布置、線束、接地進(jìn)行理論分析，進(jìn)一步的，提出了一種基于開闊場的車輛EMC自兼容實(shí)驗(yàn)方法。通過參考國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證測試，對自兼容實(shí)驗(yàn)方法的有效性作出評估。

1 基于整車設(shè)計(jì)圖紙的電磁兼容理論研究

整車的自兼容問題屬于由內(nèi)部騷擾導(dǎo)致的問題，通常在一些特定工況下出現(xiàn)某些電氣功能異常或性能降級。車內(nèi)常見的騷擾源包括高壓零部件、高壓線束、各種電機(jī)、喇叭等，常見敏感源包括安全氣囊、VCU、BMS、BCM、ESC、儀表、車載主機(jī)、天線、攝像頭等。騷擾源將通過電源、地、傳導(dǎo)、輻射干擾敏感設(shè)備正常工作。基于整車設(shè)計(jì)圖紙，針對零部件布置、線束布線，可初步分析整車自兼容性能。

樣車高壓零部件布置及線束布線如圖1（a-f）所示，（a）圖中DC-DC高壓線束與低壓信號線束接口同側(cè)貼近，且存在200mm以上共線長度，存在高低壓耦合風(fēng)險(xiǎn)；（b）圖中電池包高壓母線、快充線與BMS控制信號線接口較為靠近，且控制信號線與母線有超過500mm的共線長度，存在高低壓耦合風(fēng)險(xiǎn)；（c-f）圖分別為車載主機(jī)線束與鼓風(fēng)機(jī)、EPS、雨刮電機(jī)、喇叭電源線的共線圖，作為敏感零部件的車載主機(jī)內(nèi)含有AM/FM收音模塊、倒車影像、影音系統(tǒng)等多媒體設(shè)備，由于同騷擾零部件共同走線且距離較長，存在被干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于開闊場的自兼容實(shí)驗(yàn)研究

基于理論分析結(jié)果，選取騷擾源DC-DC高壓線束與敏感源DC-DC控制信號線束，騷擾源電池包直流母線與敏感源BMS控制信號線束進(jìn)行高低壓線束耦合測試；選取鼓風(fēng)機(jī)、EPS、雨刮電機(jī)、喇叭電源線束進(jìn)行感性負(fù)載瞬態(tài)發(fā)射測試。

2.1 整車環(huán)境下的高低壓線束耦合

整車環(huán)境下的高低壓線束耦合實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示，將電流探頭（R&S EZ-17）依次布置在走線貼近并共線的高壓線束及敏感信號線束上，經(jīng)優(yōu)質(zhì)同軸線纜連接至頻譜分析儀（Agilent N9913A）輸入接口。

圖2 整車環(huán)境下的高低壓線束耦合實(shí)驗(yàn)布置圖

分別選取DC-DC高壓線束及控制線束、BMS高壓線束及控制線束進(jìn)行分析。分別測量得到頻譜曲線如圖3-4所示。其中，圖3為DC-DC高低壓線束耦合測試曲線，對比（a）、（b）圖中標(biāo)記點(diǎn)，表明高壓線束及控制線束在對應(yīng)頻段騷擾均較大，高壓線束騷擾信號通過輻射方式耦合至其控制線束。

圖3 DC-DC高低壓線束耦合測試曲線

圖4為BMS高低壓耦合測試曲線，對比（a）、（b）圖中頻譜信號，各頻段信號強(qiáng)度趨勢相近，BMS高壓線束由于具有良好的屏蔽及接地性能，即使其與控制線束貼近走線且共線距離超過500mm，控制信號線束依然表現(xiàn)出良好的輻射發(fā)射水平。

圖4 BMS高低壓線束耦合測試曲線

對比測試結(jié)果，DC-DC高低壓線束布線過近，且DC-DC高壓線束自身屏蔽接地性能較差，其產(chǎn)生的騷擾信號可能導(dǎo)致控制信號出現(xiàn)誤碼，影響零部件正常工作。BMS高低壓線束雖布線接近，但直流母線具有良好的屏蔽接地性能，因此控制信號受影響概率較小。

2.2 整車感性負(fù)載瞬態(tài)發(fā)射

整車感性負(fù)載瞬態(tài)發(fā)射實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示，將測試探針分別置于感性負(fù)載正負(fù)兩極線束上，通過優(yōu)質(zhì)測試線纜連接至示波器（Tek DPO7104）輸入接口，打開被測感性負(fù)載開關(guān)進(jìn)行啟動狀態(tài)實(shí)驗(yàn)。

圖5 整車感性負(fù)載瞬態(tài)發(fā)射實(shí)驗(yàn)布置圖

圖6（a-d）分別為鼓風(fēng)機(jī)、EPS、雨刮電機(jī)、喇叭的瞬態(tài)發(fā)射測試曲線，設(shè)備開啟瞬間，各零部件均出現(xiàn)了電壓過沖導(dǎo)致的上升沿信號，鼓風(fēng)機(jī)、EPS電壓上升沿較低，整車低壓12V系統(tǒng)過沖最高達(dá)到24V；雨刮電機(jī)和喇叭上升沿較高，其中雨刮電機(jī)電壓上升沿為63V，喇叭電壓瞬態(tài)波動超過300V。

對比測試結(jié)果，鼓風(fēng)機(jī)、EPS瞬態(tài)發(fā)射騷擾強(qiáng)度較低，對車內(nèi)敏感源騷擾較小；雨刮電機(jī)、喇叭瞬態(tài)發(fā)射騷擾強(qiáng)度較高，可能在一定程度上影響車內(nèi)敏感源正常工作。

3 基于暗室環(huán)境的電磁兼容測試驗(yàn)證

圖7 電動汽車電磁場輻射發(fā)射測試曲線（70km/h）

根據(jù)GB/T 18387-2017標(biāo)準(zhǔn)要求測試方法，對被測車輛進(jìn)行整車高低壓線束耦合驗(yàn)證測試，測試結(jié)果如圖7所示，車輛在70km/h滿載運(yùn)行工況下，電場與磁場在20-30MHz頻段均出現(xiàn)了較大程度的超標(biāo)現(xiàn)象。通過斷開接插件、線束添加磁環(huán)等方法對騷擾源定位，確定20-30MHz頻段騷擾源于DC-DC高壓線束及其控制線束，將該兩組線束貼近DC-DC接口端添加RFC-20型號納米晶磁環(huán)，該頻段騷擾信號強(qiáng)度顯著降低。可確定被測樣車DC-DC為主要騷擾源，其騷擾通過線束輻射的方式耦合至其控制信號線束。

根據(jù)GB/T 18655-2010標(biāo)準(zhǔn)要求測試方法，對被測車輛進(jìn)行整車感性負(fù)載瞬態(tài)發(fā)射驗(yàn)證測試，車輛置于10米法暗室環(huán)境中，將車載FM天線通過優(yōu)質(zhì)同軸線纜連接至接收機(jī)。分別打開鼓風(fēng)機(jī)、EPS、雨刮電機(jī)、喇叭，獲得車載天線接收到的發(fā)射信號，測試結(jié)果如圖8所示。鼓風(fēng)機(jī)、EPS騷擾接近底噪水平，對天線接收性能并無影響；雨刮電機(jī)、喇叭工作時(shí)騷擾信號強(qiáng)度較大并超過限值要求，可能對天線正常工作產(chǎn)生一定影響，可通過優(yōu)化零部件EMC性能、改變布線方式等方法，減小此類感性負(fù)載零部件對車輛自身敏感零部件的干擾。

圖8 車載天線接收到的發(fā)射測量曲線

4 結(jié)論

本文基于整車設(shè)計(jì)圖紙對樣車零部件布置、布線、接地情況進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，通過將騷擾源與敏感源進(jìn)行合理分類，獲得可能影響整車自兼容性能的零部件，如DC-DC、BMS、鼓風(fēng)機(jī)、EPS、雨刮電機(jī)、喇叭。進(jìn)一步的，提出一種基于開闊場的自兼容實(shí)驗(yàn)方法，包括整車高低壓線束耦合與感性負(fù)載瞬態(tài)發(fā)射，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DC-DC高壓線束將騷擾信號通過線束輻射的方式耦合至其控制線束，雨刮電機(jī)與喇叭將在開啟瞬間產(chǎn)生較大的電磁騷擾。通過參照國標(biāo)對自兼容實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確定DC-DC、雨刮電機(jī)、喇叭在布置與布線上存在優(yōu)化必要。

基于整車設(shè)計(jì)圖紙的EMC風(fēng)險(xiǎn)分析與基于自由場的自兼容試驗(yàn)可作為傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測試的有效輔助手段，便捷、廉價(jià)的分析與實(shí)驗(yàn)方法有利于指導(dǎo)主機(jī)廠及供應(yīng)商對整車與零部件進(jìn)行有效的電磁兼容分析，并盡早對暴露的EMC缺陷采取措施，避免車輛在自兼容方面出現(xiàn)問題。

[1] 中國汽車技術(shù)研究中心. GB/T 18655-2010 車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無線電騷擾特性用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[2] 中國汽車技術(shù)研究中心.GB/T 18387-2008 電動車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度的限值和測量方法,帶寬,9 kHz~30 MHz[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] CISPR 25: 2008Vehicle, boats and internal combustion engines- Radio disturbance characteristics - Limits and methods of measurem -ent for the protection of on-board receivers [S].2008.

[4] 黃雪梅,雷劍梅,賴志達(dá),陳立東.30MHz以下電動汽車的輻射發(fā)射抑制[J].安全與電磁兼容, 2013(4):28-30.

Electric vehicle electromagnetic compatibility analysis and experiment

Fang Mingzhuang1, Zhang Guangya1, Tang Yu2, Wang Fangyou2, Tan Wenzheng2

( 1. SAIC General Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007; 2. Guangxi Aisheng Creation Technology Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

With the development of automotive electronic technology and the increasing demand for comfort, the number of electronic equipment in the car has increased greatly, among which there are many functional components that affect the safety of the car. Based on the design drawings of the whole vehicle, the electromagnetic compatibility of the model car is analyzed, and the self compatibility risk components are DC-DC, BMS, blower, EPS, wiper motor and horn. Further, based on the self compatibility experiment, the theoretical analysis results are proved and screened, and the risk of DC-DC, wiper motor and horn is higher. Finally, the validity of the self compatible test method is verified by benchmarking with the standard test.

electromagnetic compatibility; self compatibility; risk; benchmarking

B

1671-7988(2018)20-07-04

U469.72

B

1671-7988(2018)20-07-04

U469.72

湯宇，就職于廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，本科、新能源汽車EMC分析工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.003