新能源車輛電磁兼容失效案例及建議措施

陸 超

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

智能網(wǎng)聯(lián)不斷深化過程中，電器架構(gòu)變化帶來控制器的更新迭代，而在新能源車輛應用過程中，單一控制器以及整車如何應對解決日益嚴峻的電磁干擾，如何保證自身電磁輻射符合國標要求，需要從整車設(shè)計開發(fā)提供最優(yōu)解。

車輛電磁兼容作為國標要求的必須滿足項，一般涉及零部件層面試驗及整車層面試驗。電磁兼容性具體指應用設(shè)備系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求工作運行，并且不對其所在環(huán)境中的其他任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，電磁兼容包括兩個方面的要求：一方面指設(shè)備系統(tǒng)在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定限值；另一方面是指設(shè)備系統(tǒng)對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

2 電磁輻射試驗設(shè)置及失效模式

2.1 整車電磁輻射試驗設(shè)置

進行整車電磁輻射試驗時，車輛及其電器/電子部件的設(shè)計、制造和安裝應使車輛在正常使用條件下滿足輻射發(fā)射試驗，采用10m法實驗進行車輛寬帶電磁輻射發(fā)射試驗，寬帶發(fā)射試驗應使用準峰值或峰值檢波器進行實驗[1]。圖1為10m法試驗設(shè)備設(shè)置安裝說明，車輛引擎與天線軸中心對齊放置于10m處，車輛準備狀態(tài)要求發(fā)動機應處于運行狀態(tài)，應打開長時工作的、能產(chǎn)生寬帶發(fā)射的所有設(shè)備（例如刮水電機和冷卻風扇），使其工作在最大負載狀態(tài)，短時工作的設(shè)備（如喇叭和玻璃升降器電機等）除外。如果試驗結(jié)果超過限值，應進行分析，以保證所測輻射發(fā)射來自于車輛而不是背景噪聲[1]。依循GB 34660，即本文主要試驗標準要求，采用的是遠場測試方式。

圖1 10m法試驗設(shè)備安裝說明

電磁干擾機構(gòu)使用電磁干擾接收機和經(jīng)過校準的天線來測試3m或者10m距離上的測試設(shè)備，這種測試方式稱為遠場測量。電磁場的特性主要由被測設(shè)備及其與接收機和天線間的距離所決定。遠場輻射發(fā)射測量可以準確地給出被測器件是否符合對應電磁兼容標準，但也有其局限性，即嚴重輻射問題來源方無法明確。使用近場探頭測試與遠場測試是電磁兼容輻射發(fā)射預兼容測試中一個重要組成。采用頻譜分析儀和近場探頭，通過近場測試來定位嚴重輻射問題發(fā)射源。近場測試是一種相對量測試，測試中需要把被測器件測試結(jié)果與基準器件測試結(jié)果進行比較，預測被測器件通過一致性實驗的可能性。

2.2 可替代試驗測試方式

GB 34660對標歐洲經(jīng)濟委員會規(guī)定ECE R10，車輛寬帶電磁輻射發(fā)射限值10m法采用準峰值檢波器（帶寬120kHz）進行掃全頻試驗。也可以采用替代試驗方法，具體測試手法為：第1步，先用峰值檢波器進行全頻掃頻段；第2步，將頻率范圍分為14個頻段，分別為：30~34MHz、34~45MHz、45~60MHz、60~80MHz、80~100MHz、100~130MHz、130~170MHz、170~225MHz、225~300MHz、300~400MHz、400~525MHz、525~700MHz、700~850MHz、850~1000MHz[1]，將天線位于車輛的左側(cè)和右側(cè)，分別以水平極化和垂直極化在14個子頻段的最大讀數(shù)應進行記錄，作為所測頻率的特征值；第3步，采用準峰值檢波器再次在每個特征頻點進行掃頻測試，獲得準峰值結(jié)果。圖2為采用車輛進行模擬試驗獲得數(shù)據(jù)，圖2中深藍色波段為使用峰值檢波器進行全頻掃頻段后獲得車輛寬帶電磁輻射發(fā)射狀態(tài)，深藍色星星點為特征頻點。在特征頻點采用準峰值檢波器再次進行掃頻，獲得準峰值結(jié)果，通過準峰值結(jié)果與GB 34660—2017車輛寬帶電磁輻射發(fā)射限值進行對比，并進行評判。

圖2 峰值檢波器全頻掃描試驗結(jié)果

2.3 失效模式介紹說明

對新能源車輛進行整車電磁輻射寬帶頻段試驗時，在31.38MHz頻段輻射超標2.312dB，測試結(jié)果如圖3所示。具體實驗參數(shù)設(shè)置方法為通過全頻掃描儀，采用準峰值掃頻30~1000MHz全頻段，以帶寬120kHz、步長30kHz、掃描時間1s為掃描參數(shù)進行試驗。根據(jù)試驗結(jié)果分析，車輛正常工作情況下，對所在環(huán)境中其他設(shè)備控制器，在32MHz頻段會造成一定干擾，影響其他控制器設(shè)備正常使用。基于風險頻段32MHz進行計算C=λf，C速度等于光速每秒3×108m，f是頻率，目前在31.38MHz失效，λ是長度，換算得λ=C/f=3×108/（31.38×106）=9.56m。推測最大能量影響為1/4λ=2.4m長度，大致與整車長度類比。即，可能造成相關(guān)輻射發(fā)射超標信號源通過整車車身或者類似長度整車線束進行對外影響。

圖3 車輛10m法試驗30MHz頻段超標

3 風險分析及優(yōu)化方案

基于風險頻段32MHz進行計算，頻率無線電對應10m短波，短波的波長短，沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭ɡ@射能力差，傳播的有效距離短。短波容易受環(huán)境、天饋、設(shè)備3方面影響。城市里信號干擾較為嚴重，一般國內(nèi)使用短波需要置辦天線收放設(shè)備并考取對應使用證書。短波段底噪信號59+20，理想情況下應為0，即使在深山中仍有很大底噪。故在實際應用場合，車輛進入空曠場所如草原、沙漠，可能會對使用短波天線無線電設(shè)備進行干擾影響。

根據(jù)四驅(qū)車輛與后驅(qū)車輛進行同等條件測試，然后進行對比試驗，僅在四驅(qū)車輛的右后側(cè)垂直極化方向上發(fā)現(xiàn)32MHz頻段超標，基于上述測算影響因素，優(yōu)化措施從后驅(qū)電機優(yōu)化發(fā)射輻射角度進行解決，車上能主動產(chǎn)生輻射干擾的控制器為電機，即電機產(chǎn)生輻射擾動通過整車車架及線束進行對外發(fā)散。根據(jù)分析對整車車架及線束進行可行措施優(yōu)化，具體措施如下，并采用對比試驗進行實驗參數(shù)對標，匯總見表1。

表1 措施實施及試驗對比

措施1：車身中央通道增加搭鐵金屬板及更改對應塑料蓋板。

措施2：縮短后驅(qū)電機搭鐵通道。

措施3：后驅(qū)電機低壓線束上增加鐵氧體。

措施4：前驅(qū)電機低壓線束上增加鐵氧體。

基于風險頻段32MHz進行計算可能造成相關(guān)輻射發(fā)射超標信號源通過整車車身或者類似長度整車線束進行對外影響，第1步優(yōu)化措施從車身中央通道增加搭鐵金屬板開始，圖4為從車上方向下看涉及零件圖，將前后電機支架都改為金屬支架，并適應更改后金屬支架設(shè)計新的底部塑料支架。

圖4 車身中央通道增加搭鐵金屬板及更改對應塑料蓋

圖5所示的紅線為利用后驅(qū)電機增加近地搭鐵線束，幫助將電機端電流信號盡快通過搭鐵方式進行釋放，避免電流信號擾動竄入整車線束。由于搭鐵端在車架上，電機振動會隨搭鐵線束傳導至車架上，從而對駕駛室內(nèi)乘員聲學感受有所影響。聲學影響具體體現(xiàn)為乘車人員可能會聽到嘯叫聲，當振動隨整車進行傳動時，當信息娛樂系統(tǒng)沒有開啟進行音頻播放，車身上揚聲器線圈在行進過程中被切割磁感線產(chǎn)生電流導通。通過實車聲學評價，當車速為40~45km/h時，聲學表現(xiàn)效果最差，需要采用柔性更好的線束，幫助在傳導過程中將一部分振動能量消耗。針對線束尺寸及規(guī)格選型，需要根據(jù)電機接搭鐵螺栓。根據(jù)電機端到車身搭鐵端測量數(shù)據(jù)大致為455mm，線長370mm，搭鐵端口采用35mm2M8型號，35mm2橫截面導線阻值為0.23mΩ，從而達到更低的線阻抗。

圖5 縮短高壓電機搭鐵通道示意圖

對于線束另一個更改優(yōu)化方案為在前后電機低壓線束上增加鐵氧體，切斷無效磁通路，圖6為前驅(qū)電機低壓線束增加鐵氧體示意圖。這部分措施直接將電機端產(chǎn)生切割磁感線進行切斷，但由于在線束段增加鐵氧體，車輛工作溫度較高，隨著溫升，陶瓷鐵氧體接近飽和，可能發(fā)生工作條件下失效，即無法正常起到切斷無效磁通路功能，故模擬設(shè)計車輛45°爬坡試驗，在120km/h車輛行駛速度下進行模擬試驗，然后測算合適鐵氧體。根據(jù)四驅(qū)車輛和后驅(qū)車輛試驗對比，四驅(qū)車輛的右后側(cè)垂直極化方向上發(fā)現(xiàn)32MHz頻段超標，為整體降低電磁輻射發(fā)射，在前后電機低壓線束插口端都增加鐵氧體。

圖6 前驅(qū)電機低壓線束上增加鐵氧體示意圖