車載電源的電磁兼容性（EMC）設計

張保國

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

車載電源一般應用于特殊車輛裝備，為特殊車輛供電。車載電源的交直流充電中采用電源轉換器作為主要功率器件，而電源轉換器的應用將導致產生不同類型的電磁干擾信號。不僅相對復雜，而且直接會影響車載電源的正常運行。因此，有必要加強對車載電源電磁兼容性的相關研究，加強車載電源電磁兼容性（EMC）。

1 車載電源系統及電磁兼容設計概述

1.1 車載電源系統

車載電源系統主要分為蓄電池和發電機兩大部分，主要包括底盤電系統、中控系統、電源系統以及打火電系統等[1]，如圖1所示。

圖1 車載電氣系統

車載電源系統通過并聯方式進行連接，由發電機或蓄電池為車載電源供能。實際應用中，發電機和蓄電池的運行會受到溫度和操作狀態等眾多因素的影響，可能會產生電壓不穩的情形。目前，車載電源供電的電壓主要有12 V、24 V以及48 V共3種。以24 V車載電源為例，蓄電池的輸出電壓在車輛點火過程時，會瞬間被拉低至5～6 V，啟動結束時會出現負載突降，引發浪涌電壓激增，實際操作數據可能超過50 V。電壓突然激增會影響設備的正常運行和工作，情況嚴重時甚至會損壞設備。車載電源為適應車載電氣系統寬范圍的電壓變化，有效保障車載電氣系統和特種設備系統正常工作的電壓，需在車載電源設計時，充分考慮電池供電能力與車載電氣系統和特種設備系統間的協調配合。車載電源的優劣會直接影響車載電氣系統和特種設備系統的正常運行。目前，車載電源和車載電氣系統的設計向著輕量化、高效率以及小體積的方向發展[2]。

1.2 電磁兼容（EMC）簡介

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC），一般又稱作“電磁兼容性”。近年來對電磁兼容的研究逐漸增多，理論不斷完善，相關內容不斷豐富。對電子系統和電子設備而言，電磁兼容性指其在運行過程中不會受到外部環境和外部設備的影響，具有較強的抗電磁干擾能力[3]。

電磁兼容的電磁環境是可預期的或直接給定的。電磁兼容對電子設備和系統的電磁干擾強度有直接要求，必須保證在標準范圍內。電磁干擾的直接引發因素是電磁干擾源。電磁兼容要求電子系統或電子設備能抵抗一定范圍內的電磁干擾強度，即在一定電磁干擾強度的影響下，電子系統和電子設備仍能正常穩定運行，可認為電磁兼容的實質是抗干擾能力的延伸。電磁兼容研究是通過補救或防范的方式，實現電子系統和電子設備的主動預測分析和主動抵抗防護。

2 電磁兼容（EMC）特點

電磁兼容性不足的直接體現是電磁干擾。電磁干擾是指干擾源向空間和其他電子設備釋放電磁等有害能量的過程。在進行車載電源電磁兼容設計時，應該綜合考慮干擾源和電子設備中可能引發干擾的敏感器件以及傳遞干擾的耦合途徑等。要想提升車載電源的電磁兼容水平，首先要對干擾源進行必要干涉，盡可能采取有效手段移出或處理掉干擾源。若干擾源得不到有效處理，需要優化和處理耦合路徑，通過切斷等措施有效實現電磁兼容。電磁兼容設計是為了提高設備的抗干擾能力，從而提高設備的電磁兼容性能。車載電源在工作中會受到較為嚴重的電磁干擾問題，尤其是車載電源啟動、點火或負載突然消失的情況下，可能瞬間產生較大的電壓和電流波動而引發故障。車載電源的主要干擾源包括車載電源散熱器和高頻變壓器等，受到的干擾和輻射以傳導干擾為主[4]。

3 車載電源的EMC設計

3.1 傳導干擾與EMC設計

車載電源受到干擾的主要形式是傳導，包括差模干擾和共模干擾。差模干擾針對的主要對象是電源線和車載電源中的信號線，共模干擾主要指的是信號線、電源線以及大地間的干擾。在車載電源的電磁兼容設計中分析輸入濾波器，采用差模電感和共模電感有效抑制或消除共模干擾及差模干擾。共模、差模干擾抑制原理如圖2所示。

圖2 共模、差模干擾抑制原理圖

經過發展，濾波器已被完美引入車載電源中進行信號處理。針對電磁干擾來說，濾波器的引入能起到一定的抑制作用，還能影響并阻礙電磁干擾信號的傳輸過程和路徑。在引入濾波器時，需要考慮體系中的差模/共模元件及其電化學參量，并在應用過程中根據實際運行情況進行反復調試，保證濾波器的設計滿足車載電源電磁兼容設計的要求[5]。

3.2 輻射干擾與EMC設計

車載電源變換器中，輻射干擾和電路回路面積、開關頻率以及電路布線電流等因素息息相關。車載電源變換器中的電磁輻射主要以天線方式進行。解析后級高頻變壓器原副邊回路，在車載電源啟動和開關管快速通斷的情況下，變壓器繞組、原邊開關管以及電容會形成高頻環路，即環形天線。環形天線會向周圍電子設備發射磁場產生電磁干擾。另外，車載電源中的整流二極管、次級線圈以及電容器能夠形成電流回路，在車載電源啟動或高度通斷的情況下也會產生電磁輻射，產生較強的電磁干擾。

3.2.1 主回路布線處理

分析表明，在車載電源的兼容設計中必須著重考慮高頻回路因素的影響，通過優化處理縮小高頻回路。后級電流回路如圖3所示，其中It1和Ip1分別是拓撲電流和高頻回路，4個回路作為主要的輻射源。提高車載電源的電磁兼容性能，考慮優化縮小回路面積，以此實現電磁輻射水平的控制，對高抗輻射能力至關重要。

圖3 后級電流回路示意圖

3.2.2 控制回路布線處理

為進一步提高車載電源的電磁兼容性能，引入模擬芯片，實現對主電路開關管動作的控制。但是，模擬芯片中的傳輸線極易受到外界因素干擾，可能出現延時，嚴重時可能引發誤觸而燒毀元器件。此外，模擬芯片中的電路會產生一定的電磁干擾，影響車載電源中的其他電子設備。綜合分析，建議優化模擬芯片，采用最小化處理。比如，盡可能縮短被控開關器件和芯片脈沖輸出端間的線程，有效加快車載電源的驅動速度，提高模擬芯片的電磁抗干擾能力。

3.2.3 接地處理

車載電源的電磁兼容設計中要考慮接地問題，設計科學的接地中心，建議采用“單點接地”的方法。如果在接地處理中采用多點接地方式，會導致出現接地回路，從而影響系統運行和開關管開斷。

3.2.4 屏蔽處理

切斷傳播途徑是電磁屏蔽有效的方式之一。通過切斷傳播途徑，能有效防止電源向外界發出電磁輻射干擾，也能保證外界的電磁干擾不被傳入車載電源設備。車載電源設計中，采用外殼屏蔽方式，外殼材料采用鋁金屬材料，同時結合內部電源情況和輻射源，合理選擇設計的開口位置，以此保證實現最佳的電磁屏蔽效果。開口設計需要充分考慮尺寸問題，一般要保證其尺寸小于波長的1/100。

3.3 整車EMC設計

干擾源和干擾源線束應遠離敏感裝置而獨立布置。如果無法避免，應盡可能將兩者垂直交叉布置；如果也無法做到交叉布置，則要求兩者平行，且平行間距不小于400 mm。線束一般在金屬車身的凹槽和夾角內進行布置。EMC設計應該注重整車的線束設計，面對電磁干擾強度較大的環境時，一般采用雙絞線加強信號線。高壓電纜設計時，應采用帶屏蔽層的高壓電纜，且屏蔽層需要可靠接地。屏蔽設計和接地設計等可以有效去耦，提高EMC性能。

3.4 車載綜合電源供電設計

在電磁兼容基礎上提出了車載綜合電源供電設計，車載綜合電源供電設計如圖4所示。

蓄電池中的儲電經過逆變器后，以220 V交流電的方式輸出。為優化車載綜合電源的供電設計，在車載電源中引入車輛底盤發電機和風能等綠色發電能源系統。建議在車載電源中引入外接交流電源供電模式，多種供電模式組合應用于車載供電和蓄電池組充電。目前，車載電源開發中不僅要配備必要的主車蓄電池，還應結合車輛的具體用電和設備功率等需求，為其配備鉛酸蓄電池組。將鉛酸蓄電池和主車蓄電池協調配合使用，結合智能電池分離系統實現車載電源的完美供電。

圖4 車載綜合電源供電設計圖

圖4中提出的綜合供電設計模型，總輸出功率超過1 000 W，基本能實現4 000 W以下的供電。與傳統的車載電源相比，該模型系統的空間占用面積更小、持續供電時間更長且適用車輛范圍更廣。另外，該模型設計實現了主車蓄電池和鉛酸蓄電池的智能協調配合，有效實現了交流/直流電源的有效供電，能有效滿足車載電源中用電設備的電源供應。

4 結 論

車載電源的電磁兼容性設計十分關鍵，是一項重要的綜合性應用技術。在進行車載電源的電磁兼容設計時，必須將多種理論和實際設計相結合，在深入分析理論的基礎上，引入新材料、新技術以及新工藝，從而實現車載電源電磁兼容的科學性和先進性設計。