電動汽車EMC騷擾超標問題分析及優化

戎 輝，郭加加，王子龍，趙明麗，汪春華，張廣玉

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

隨著汽車電子系統的日益復雜，電磁兼容問題變得日益突出和嚴重。對于電動汽車來說，汽車行駛主要靠電機系統來進行驅動，其中最主要的干擾源就是電機控制器，由于其工作過程中的瞬變電壓和電流會產生較大的電磁騷擾，不但影響車輛的行車安全，同時也會影響周圍環境的電氣裝置。汽車在行駛過程中主要依靠輪速傳感器檢測各個車輪的轉速，并將檢測到的信號輸送到ABS電子控制器，此過程中傳感器也會產生嚴重電磁輻射，導致汽車防抱死制動系統處于非正常工作狀態，嚴重威脅電動汽車的安全運行。

車外低頻電磁場發射試驗是針對整車系統而言，并且試驗結果不能超過標準規定的限值。由于外界存在著復雜的電磁環境，所以車外低頻電磁場發射試驗通常在電波暗室中進行，使用天線分別進行磁場和電場的測試，兩種情況都滿足標準要求才算達標。整車車外低頻電磁場發射試驗在國內的標準是GB／T 18387-2017《電動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法》，本文以GB／T 18387-2017為標準對國內某車輛進行整車國家強檢項測試，從干擾源、耦合路徑、受擾源3個方面對該車出現的EMC問題進行系統分析，從而提出對應的整改措施。

1 試驗標準及結果分析

1.1 試驗標準

由于外界復雜的電磁環境，為保證測試的可靠性，車外低頻電磁場發射測試需要在半電波暗室中進行，如圖1所示。測試系統和實驗室的背景噪聲應至少比規定的限值低2dB以上。

圖1 10m法半電波暗室

整車車外低頻電磁場發射包括電場和磁場兩部分。進行電場測試時，采用帶有天線匹配單元的1m垂直單極子棒天線。棒狀天線的布置應距離車輛最近部分3m±0.03m。需要測試車輛前后左右4個面，車前、后部位，天線布置在車輛中心線上；車左、右側，天線布置在車輛前后輪之間的中線上。進行磁場測試時，采用60cm靜電屏蔽環天線。環狀天線的中心離地高度應為1m±0.05m，距離車身最近部位3m±0.03m。需要測試車輛前后左右4個面，每個面要測天線相對于車輛的X、Y兩個方向。

1.2 試驗結果分析

通過對10m法半電波暗室內摸底測試數據進行分析，整車磁場測試時，10~20MHz之間發射量超出標準限值，20~30MHz之間存在超標的尖峰，測試結果如圖2所示。

圖2 磁場終掃描測試

造成這種情況的原因主要有：一是某些電子器件自身發出的輻射騷擾過大；二是線束的屏蔽層屏蔽效能過低，屏蔽效果不佳，致使電動汽車的電子設備在同時進行工作時產生的輻射騷擾強度超出國家標準限值；三是線束走向及長度設計不合理，導致線束產生輻射騷擾。將該電動汽車按照標準測試工況要求結合摸底測試數據的分析進行近場掃描并排查定位，查找出10~20MHz頻段超標的干擾源是電機控制器。其中電機控制器的高壓線束和低壓單元中的電源線設計存在EMC缺陷；20~30MHz頻段超標的干擾源為輪速傳感器。

2 電機控制器的整改

2.1 工作原理

電機系統作為電動汽車動力的產生及輸出單元，在車輛正常行駛過程中，起著至關重要的作用。電機控制器是控制主牽引電源與電機之間能量傳輸的裝置，是由外界控制信號接口電路、電機控制電路和驅動電路組成，其原理圖如圖3所示。

圖3 電機控制器原理

電機控制器作為整個動力系統的控制中心，它主要由逆變器和控制器兩部分組成。逆變器接收高壓電池輸送過來的直流電能，逆變成三相交流電給電機提供電源。電機控制器中存在許多高頻率開關器件和高低壓控制端口，這些組件會產生嚴重的電磁騷擾，從而會干擾電動汽車正常工作，甚至危及人身安全。

2.2 整改措施

解決電磁兼容問題常用的3種方法：搭鐵、濾波、屏蔽，其中搭鐵技術是提高設備電磁兼容性的手段之一。電磁場作用在殼體上，形成電荷累積，通過良好的搭鐵可以為累積的電荷提供泄放通路，從而有效地減小騷擾量，同時保護設備和人身安全。而工程應用中搭鐵技術往往要和濾波、屏蔽一起進行。進行濾波搭鐵，在電源線和信號線上需要接入濾波器，消除干擾雜訊以便得到純凈的電源和信號。

結合摸底試驗結果進行整車的排查定位，利用頻譜儀對整車各零部件單獨進行騷擾量測試，發現電機控制器高壓端線束和低壓單元電源線束在10~20MHz之間存在超標現象。分析電動汽車電機控制器的結構原理可得電機控制器內的IGBT擁有高頻率的開關動作，使得IGBT開關管的瞬變電壓過高和瞬變電流過大，最終對外輻射出干擾。由電機控制器的設計原理圖及結構分析得知高壓線束輸入端口未進行濾波措施，如圖4所示。

采用電容進行濾波的原理是電抗會隨頻率變化而變化，電容值的大小和需要濾除頻率的平方成反比。計算容值的方法見公式 （1）。

圖4 電控高壓線束輸入端口

根據濾波搭鐵電路的連接方法，在高壓線束的輸入端口處加入濾波電容，構成一個搭鐵濾波電路。其設計原理圖及實物圖如圖5所示。

1）高壓正、負線束之間：加47nF的電容。

2）高壓正、負與搭鐵之間：加470nF的電容。

圖5 整改原理

在電機控制器低壓單元中，線束分為：12V電源線、旋變線。通過近場掃描結果比較發現，電源線+、-線束上的騷擾量是最大的，且最大發射峰值頻段與實驗室內測試時超標頻點相同。因此，確定電機控制器低壓單元中的電源+、-線束為干擾源。通過研究整車線束原理圖發現，電機控制器低壓單元中電源的12V電壓是來自于蓄電池，在未經過濾波處理的情況下直接進入電機控制系統，其原理如圖6所示。12V電源+、-之間的干擾為差模干擾，在低壓單元電源線束+、-之間加0.1nF的電容，由于電容對低頻率的信號有很強的阻礙作用，對高頻率的信號有很強的導通作用及低阻抗作用，所以當10~20MHz之間的低頻交流信號通過電容兩端時，由于電容的阻抗極大，電容不起作用，相當于沒有這個電容。當差模信號 （一般是高頻無用信號）通過時，電容表現為通路，阻抗很小，在高頻信號下，電容相當于將后面的負載短路，這樣負載就不受高頻信號的干擾。其整改措施原理圖如圖7所示。

圖7 整改措施原理圖

綜合考慮整車的工程化問題，將1nF的差模電容由電機控制器低壓單元12V電源+、-線束之間轉移到電機系統內部，集成到電機控制器的12V低壓驅動板上，如圖8所示。

圖8 低壓驅動板

3 輪速傳感器的整改

3.1 工作原理

輪速傳感器主要是用來監測汽車車輪轉速的設備，汽車的動態控制系統、電子穩定程序、防抱死制動系統、自動變速器的控制系統都需要車輪轉速信號。該電動汽車使用的是霍爾式輪速傳感器，其主要由傳感頭和齒圈兩大部分組成。與其他傳感器不同的是輪速傳感器主要是通過半導體的兩端進行電流的控制，還要在薄片的垂直方向上增加磁場，這時會在兩端產生感應電流。輪速傳感器主要依靠電流強度進行信號的輸出，通過進行放大、整形、功放等功效反映車輪旋轉的快慢。

3.2 整改措施

由摸底試驗數據可得整車在20~30MHz之間存在嚴重的騷擾超標問題。利用頻譜儀對整車各零部件單獨進行騷擾量測試發現輪速傳感器在20~30MHz頻段會產生1MHz的倍頻尖峰，如圖9所示。進一步分析可知，此問題是由于輪速傳感器所致。

在產品設計定型后，在解決電磁兼容性問題時，主要從干擾源、敏感設備和干擾路徑3個要素入手。針對輪速傳感器超標問題采取干擾路徑整改措施，線束的選型 （雙絞線、屏蔽線、雙絞屏蔽線）可以有效改善電磁騷擾問題，但是線束的走向對此影響同樣很大。

圖9 1MHz倍頻測試數據

經實車觀察，發現左后輪速傳感器的線束走向由左后車輪輪轂引出，經后備廂左側進入駕駛室到前艙ABS；右后側輪速傳感器同樣從右后車輪輪轂引出經后備廂右側進入駕駛室，并穿過擋位開關再到前艙ABS，線束走向示意圖如圖10所示。

輪速傳感器要將信號傳輸到前艙ABS，線束布線就要貫穿全車，且通過的電流較強。在對輪速傳感器進行重新布線時，將該大電流線束與其他的信號線區分開，左后輪速傳感器從左后車輪輪轂引出沿車底左側凹槽直接到ABS；右后側輪速傳感器從右后車輪輪轂引出到后備廂右側，經駕駛室且繞過擋位開關到前艙ABS。整改后線束走向示意圖如圖11所示。

圖10 輪速傳感器線束走向示意圖

圖11 整改后輪速傳感器線束走向

4 整車干擾問題驗證

經在10m法半電波暗室進行整改回歸驗證，電控高壓單元出線端加入濾波電容和在電控低壓單元電源線加入1nF的差模電容后，10~20MHz頻段的超標包絡全部消失。對輪速傳感器進行線束走向整改后，20~30MHz頻段間的超標尖峰消失。測試結果符合國家標準GB／T 18387-2017《電動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法》的限值要求，測試通過。測試結果如圖12~圖15所示。

圖12 16km／h磁場掃描X方向

圖13 16km／h磁場掃描Y方向

圖14 70km／h磁場掃描X方向

圖15 70km／h磁場掃描Y方向

5 結束語

本文通過對電機控制器及輪速傳感器磁場超標問題進行研究分析，從干擾源、敏感設備及線束布置多方面出發，綜合考慮，提出了切實可行且有效的整改措施。

同時，在電動汽車EMC的研發設計階段中，前期的設計資料審核至關重要，不能僅僅只考慮單獨電器件的技術資料，應將全部設計資料作為一個整體統一審核。避免忽略線束之間、零部件之間的影響。在解決EMC騷擾問題時，要全面考慮，既要滿足測試結果相對應的標準，也要符合廠家對于整改措施的認可度。所進行的整改必須要綜合考慮生產成本、生產工藝等工程化問題。