電動汽車整車EMI分析定位與整改技術

韓超超 ，雷劍梅 ，陳立東 ，王維

（1.汽車噪聲、振動與安全技術國家重點實驗室，重慶 401122；2.重慶市汽車電磁兼容性能開發工程技術研究中心，重慶 401122）

目前，汽車在向著電動化、智能化、網聯化的方向發展。智能網聯汽車的發展將涉及到感知技術、信息融合技術、車載自組織網絡技術、全輔助駕駛技術、無線通信技術、海量數據處理技術[1-3]。這些技術的實現對傳感器采集精度、控制器的處理速度、執行器的執行準確度、通信的時延性及誤碼率等指標有著嚴苛的要求。以上器件受到外界電磁干擾，可能會引起車的功能、性能不同等級降級，嚴重的將會出現控制失控、通信中斷等問題從而造成安全事故[4]。目前汽車所受到的電磁干擾一方面來自車外各種電子、電氣、通訊設備電磁輻射；一方面來自汽車電器設備工作時自身所產生的電磁干擾（EMI），包括傳導騷擾、輻射騷擾以及耦合騷擾。尤其是電動汽車的三電系統[5-6]：高壓電池包、電機控制器、驅動電機帶來了高壓大電流問題，包括車載充電機（on board charger，OBC）、直流-直流（direct current-direct current，DC-DC）電源等這些部件都會使得整車的電磁環境更加復雜、自兼容問題以及對外騷擾問題比較嚴重。

目前解決這些問題的思路主要從整車和零部件兩個層面考慮，整車方面要在整車電子電氣架構設計初期，從電器布局、電源和接地分配設計、線束設計選擇方面來考慮電磁兼容（EMC）風險因素并進行相應設計。零部件方面從電路原理圖和印制電路板（PCB）、結構、接口等方面來考慮EMC風險因素并進行相應設計。為了能夠解決這些問題，使整車EMC性能通過法規及相應標準要求，很多車企都已經引入整車EMC正向開發方法，包括整車和零部件2個層面，并引入計算機仿真技術手段進行風險預測分析。從目前來看，正向開發方法的應用，在很大程度上能夠把整車裝車后EMC不合格風險降到最低、節約時間成本，但不一定能夠保證整車EMC測試項目（法規和非法規項）全部一次性通過，測試不合格項還是需要問題定位和問題整改。本文將針對電動汽車整車EMI問題定位和整改技術進行分析研究，主要包括相關標準分析、問題定位分析及整改技術3部分。

1 電動汽車整車EMI國內外標準梳理與分析

表1為目前電動車整車EMI類國內外標準[7-10]。

表1 整車EMI類國內外標準Tab.1 Domestic and foreign standards of EMI for complete vehicles

如表1所示，EMI包含輻射發射和傳導發射兩大類。

涉及到整車輻射發射的標準有GB14023—2011，GB/T18387—2017，GB34660—2017（整車發射部分）及ECE R10.05，由于GB14023—2011公告項目已經被GB34660—2017取代，因此GB14023—2011可不再關注。GB/T18387—2017，GB34660—2017兩個公告項目前超標問題較多。

涉及到傳導發射的標準有GB/T18655—2018，ECER10.05。GB/T18655—2018是測量整車電器工作時對車載接收機天線影響，可歸到整車電器自兼容問題當中，車載接收機天線類型有：全球定位系統（GPS）、調幅/調頻（AM/FM）、無線連接（WIFI）、藍牙等。ECER10.05中整車充電狀態下輻射發射、諧波發射、電壓變化波動與閃爍測試問題一般較少，整車交流充電傳導發射超標問題較多。

2 電動汽車整車EMI問題分析定位

2.1 GB/T18387—2017電磁場輻射發射問題分析定位

GB/T18387—2017電磁場輻射發射問題分析定位流程圖如圖1所示。

圖1 GB/T18387—2017測試問題分析定位方法流程Fig.1 The process of GB/T18387—2017 test problem analysis and positioning method

圖1中，虛線框內內容要根據實車狀態具體分析，如果ON和READY狀態無大的差異或者不好確定，可以直接跳過，進行后邊的分析。

GB/T18387—2017測量點為車輛前、后、左、右4個位置，包括電場、磁場2個方面。首先車輛以40 km/h進行預測試，從預測結果中選出電場值、磁場值最大的位置點，再分別以16 km/h，70 km/h在最大值位置點進行電場、磁場測試，最后記錄下數據，以上為1個完整的測試流程[7]。

綜上，可以看出車輛上READY后保持在特定速度值下測試，并未對其他電器工況進行要求，如果測試結果不滿足標準限值要求，通過分析以上測試工況中有哪些電器在工作，再結合驅動電機控制器（MCU）、DC-DC等高壓器件拓撲結構及其工作頻率特性，大多數超標原因與高壓器件有關系。

2.2 GB34660—2017整車輻射發射

GB34660—2017整車輻射發射測試包括窄帶測試與寬帶測試。

對于電動汽車來說，窄帶測試車輛應處于READY檔位、車輛靜止且應開啟所有內部振蕩器信號頻率大于9 kHz或者具有重復信號的長時工作設備，使其正常工作。

對于電動汽車來說，寬帶測試車輛驅動裝置應處于整車運行狀態，車速為40 km/h，且長時間工作、能夠產生寬帶騷擾的部件處于正常工作狀態[8]。

由上可以看到，寬帶、窄帶測試工況對相應的車載電器件工作狀態都有一定要求，最大區別在于電機是否運轉在40 km/h。在問題分析定位時，寬帶測試問題分析比窄帶分析多出內容也在于此，可先進行窄帶分析然后再進行寬帶分析，后者也可以借鑒前者結論。

GB34660—2017整車輻射發射窄帶測試問題分析定位方法流程圖如圖2所示。GB34660—2017整車輻射發射寬帶測試問題分析定位方法流程圖如圖3所示。圖2、圖3中，虛線框內的內容是要根據整車的狀態進行具體分析的，如果測試車輛在ON和READY狀態下，車輛各電器運行狀態無大的差異或者不好確定，可以直接跳過此步，進行后邊的分析。

在以上分析中，對于不確定的或者潛在的騷擾器件，可以借助近場設備進行近場探測，來輔助定位。

圖2 GB34660—2017窄帶測試問題分析定位方法流程Fig.2 The process of GB34660—2017 narrowband test problem analysis and location method

圖3 GB34660—2017寬帶測試問題分析定位方法流程Fig.3 The process of GB34660—2017 broadband test problem analysis and positioning method

2.3 其他測試項目EMI問題分析定位

對于GB/T18655—2018中整車測試部分，主要是測試整車各個電器工作時對車載接收機的影響。測試結果超標，一般為操作的各個電器及其線束產生輻射、傳導騷擾所致。表1中整車充電傳導類項目，一般超標原因是充電槍或者OBC導致。IEC61000—6—3整車充電傳導發射項目是騷擾類項目，IEC61000—3—2電快速瞬變脈沖群（electrical fast transient，EFT）及 IEC61000—3—3浪涌（Surge）項目是2個抗擾類項目。

對于測試超標分析定位如下：1）首先通過實際電路判斷充電槍、OBC是否具備了相應的EMC措施及其參數是否選擇正確；考慮整個充電系統搭鐵、線束連接是否存在問題。2）若設計上符合要求，可對充電槍做單個零部件試驗，其負載可使用大功率阻性負載。3）充電槍測試如果有問題，對充電槍電路進行再次分析，并對內部EMC關鍵電路進行相關測量：濾波電路及防護電路、芯片供電電壓、芯片地線等。4）充電槍測試如果無問題，需要復查OBC電路，確認無問題，可選擇從車上拆下單獨做零部件試驗或者多拿幾個測試通過的充電槍與其配套做試驗。

3 電動汽車整車EMI測試整改技術

3.1 電動汽車EMI傳播及抑制原理

圖4為電動汽車EMI傳播及抑制原理圖。

圖4 電動汽車EMI傳播及抑制原理圖Fig.4 Schematic diagram of electric vehicle EMI propagation and suppression

從EMC三要素[11]來對圖4進行分析。首先，車內包括 A1，A2，...，An等多個騷擾源器件：高壓器件、低壓器件中電機和大功率電源類器件。其次是 B1，B2，...，Bn等多個敏感源器件，包括普通低壓敏感器件、雷達和天線類等射頻器件。最后，騷擾源器件通過對外輻射、耦合（器件為金屬外殼或者帶有金屬散熱器與金屬車體之間）形成干擾；騷擾源線束通過傳導、近場耦合、容性耦合等方式形成干擾，這些干擾被施加在敏感源設備及其線束中，同時沒有被車體吸收的能量在車外空間形成輻射干擾。

解決以上這些問題，同樣從EMC三要素入手，抑制騷擾源、切斷傳播途徑、提高敏感源抗擾能力。對騷擾源采取端口濾波、屏蔽等措施，針對特殊敏感信號線束采用雙絞、屏蔽等方式。對敏感源采取端口濾波與防護、屏蔽等措施，其中有無線模塊的敏感源不能采用屏蔽措施。對于外殼是金屬的器件要合理設計與車身的搭鐵點。

3.2 電動汽車整車EMI測試超標整改技術

在定位到問題器件后，需要根據器件的工作頻率、電壓、電流等電特性以及外殼結構特點，將3.1小節中提到的解決方法轉化為實車上對應的措施。

具體在整車上可采取的措施如下所示：

1）器件端口及線束的共模濾波，可以首先采用一定參數磁環加在端口線束位置等效測試。如果效果不明顯，可以進一步自制Y電容濾波器、共模電感等加在相應端口位置。

2）器件端口及線束的差模濾波，一般采用自制的X電容濾波器、差模電感加在相應端口位置；信號線上可串聯相應參數的磁珠濾波。

3）對于器件或者線束需要屏蔽的，一般采用銅箔或者一定密度的編織網進行包裹測試，屏蔽層高頻雙端接地，低頻可以采用單端接地。

4）金屬外殼器件尤其是高壓器件，要注意其接地點位置及其電連續性，盡量保證其接地回路最小。

5）針對EFT測試項目超標時，在充電槍或者充電機內部電路上的電源線、信號線是否受到干擾影響問題，可在問題電路管腳增加電容濾波、電感濾波等來進行監測。

6）針對Surge測試項目超標，在充電槍或者OBC端口電路上考察其過壓防護是否完善，一般采用TVS、壓敏電阻、氣體放電管等器件進行端口電路設計，同時應注意參數選型。

另外，除在器件端口外的其它內部電路需要變更的地方，提出相應的優化設計方案后，要同主機廠及其供應商商討后共同進行，以免損壞器件。

3.3 電動汽車EMI測試超標整改案例

某款電動車GB34660—2017測試結果如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，電動汽車EMI窄帶、寬帶測試結果均超標，窄帶主要超標頻點為58.6 MHz，118.8 MHz，137.4 MHz；寬帶超標頻點為118.8 MHz，137.35 MHz。

圖5 窄帶左側垂直Fig.5 Narrowband-left vertical

圖6 寬帶左側垂直Fig.6 Broadband-left vertical

按照圖2流程進行窄帶問題分析，分析結果如下：118.8 MHz頻點超標為大屏幕導致；58.6 MHz，137.4 MHz頻點超標為電機驅動控制器導致。

按照圖3流程進行寬帶問題分析，再結合窄帶分析結果，得到如下結論：118.8 MHz頻點超標為大屏幕導致；137.5 MHz頻點超標為電機驅動控制器導致；58.6 MHz頻點寬帶限值高于窄帶，該頻點未超標。

針對超標頻點可以定位到問題器件，在采取措施之前，要進一步對相應器件進行分析。

3.3.1 大屏整改措施分析

以薄膜晶體管-液晶顯示器（thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD）為例，分析其內部電路結構，如圖7所示。由圖7可知，內部電路時鐘信號、圖像數字高頻信號都會導致EMI的產生，最終會通過接口及線束形成對外的輻射、傳導干擾。

圖7 TFT-LCD大屏內部電路框圖Fig.7 Block diagram of internal circuit of TFT-LCD large screen

為了解決上述問題，在大屏接口線束增加北川工業RFC-20型號磁環，磁環參數如圖8所示。實物整改示意圖如圖9所示，虛線框處為所增加的磁環。

圖8 RFC-20磁環參數Fig.8 The parameters of RFC-20 magnetic ring

圖9 大屏接插口套磁環Fig.9 Large screen connector sleeve magnetic ring

驗證增加磁環措施有作用后，進行內部電路設計優化。控制集成電路輸出串行時鐘（serial clock，SCLK）信號、紅綠藍（red green blue，RGB）信號、時間脈沖（time pulse，TP）、數據極性反轉信號（polarity，POL）到源極驅動電路。工作原理為：SCLK信號上升沿時，1個RGB信號像素數據傳輸到源極驅動電路，當一行像素傳送完成后，輸出TP脈沖，源極驅動器內部將全部數據轉換為灰度電壓后輸出到顯示屏。其中RGB信號最大頻率可達370 MHz，信號線上目前電阻值為33 Ω，為了降低信號輻射能量，把電路RGB信號線上電阻換成220 Ω/100 MHz的磁珠，TFT排線用吸波紙包裹，測試通過。

3.3.2 MCU整改措施分析

電機驅動控制器（MCU）電路原理框圖如圖10所示，主要由控制電路、PWM驅動電路、全橋功率電路3部分組成。

圖10 電機驅動控制器原理框圖Fig.10 Block diagram of motor drive controller principle

圖10中，全橋功率電路是產生EMI的主要部分，旋變信號、數字電路、電源變換也都會產生EMI[6]，這些EMI既有共模信號也有差模信號（它們產生的機理不在本文中做具體闡述，具體可查閱文獻[9]中分析），最終都以傳導、輻射的形式傳播，因而屬于輻射發射超標。

干擾傳播途徑主要有如下3個：

1）從MCU低壓控制電路接口及其線束輻射出去。

2）從U，V，W三相高壓電源線輻射出去，高壓電源線束及接口屏蔽層與金屬外殼采用360°環接方式且接觸良好，同時屏蔽效能滿足設計要求。

3）從殼體縫隙輻射出去，經現場檢查縫隙與螺孔間距均滿足要求。

由上述分析可知，低壓控制電路接口及線束是要重點關注的位置。在MCU控制電路端口線束上首先采用套磁環方式，數據有大幅改善。同時發現電機驅動控制器金屬外殼通過電機后與車身形成搭鐵——非直接搭鐵方式，更改搭鐵點為最近位置，縮短“臟”信號流動路徑和減小發射環路面積，并對MCU的4個螺栓固定點打磨。

綜上，MCU采取了以下整改措施：

1）MCU低壓控制線增加KGS磁環RFC-20，在50～200 MHz時磁環電阻為200～300 Ω。

2）MCU增加一處接地線，搭接到車身。

3）將MCU中4個固定螺絲孔接觸面進行打磨，改善接地電連續性。

電機驅動控制器實物整改示意圖如圖11所示。圖12為MCU整改后的窄帶左側垂直測試結果波形圖，圖13為寬帶左側垂直測試結果波形圖。由圖12、圖13可知，測試結果符合限值要求。

圖11 電機驅動控制器整改示意圖Fig.11 Schematic of motor drive controller rectification

圖12 窄帶左側垂直Fig.12 Narrowband-left vertical

圖13 寬帶左側垂直Fig.13 Broadband-left vertical

4 結論

結合工程實際經驗，對電動汽車整車EMI問題定位設計了一套流程化的方法，通過對電動汽車EMI傳播及抑制技術理論分析后，提出了一套能夠應用在工程上的快速、便捷整改技術方法，將此整改技術進行了電動汽車整車EMI測試，測試結果符合限值要求。在做整車EMI問題定位與整改時，方法流程不是一成不變的，需要結合實際情況靈活運用。

本文提到的整改技術是基于對車載電器件原則上不做過多改動而設計，最終工程化需要把這些措施轉化到器件相應電路上，例如3.3小節大屏整改措施，這需要去研究器件的電路拓撲結構及EMC關鍵電路。