燃料電池汽車的輻射騷擾試驗(yàn)研究

黃雪梅，鐘川東，劉慶鑫

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

引言

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，燃料電池汽車具有效率高、污染小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世界汽車工業(yè)的希望[1]。隨著汽車電子設(shè)備的增多，車內(nèi)電氣裝置的電磁兼容（EMC）性問題日益突出。因此電磁兼容性問題研究成為了燃料電池汽車研究的一個(gè)重要方面。

燃料電池汽車屬于電動(dòng)汽車的一種，它采用了電動(dòng)機(jī)及電子控制單元以及更多電氣零部件，電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些部件本身就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁騷擾，同時(shí)還會(huì)相互干擾，尤其電動(dòng)機(jī)及其電源逆變器的電磁騷擾[2-5]，不但會(huì)影響汽車周圍的無線電設(shè)備，而且會(huì)影響車內(nèi)電子控制單元的工作可靠性，直接關(guān)系到車輛的運(yùn)行安全。燃料電池汽車的電磁騷擾形式非常復(fù)雜，騷擾頻率不僅包括各種電子電氣零部件的工作頻率，還包括豐富的諧波頻率，頻譜范圍覆蓋廣泛，而且傳播路徑多樣化。因此，開展燃料電池汽車的輻射騷擾試驗(yàn)研究勢(shì)在必行，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和整改相結(jié)合的方法改善燃料電池汽車的電磁兼容性能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前，國際標(biāo)準(zhǔn)CISPR 12[6]和國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14023[7]、GB 34660[8]對(duì)30 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)的輻射騷擾水平提出了要求；國際標(biāo)準(zhǔn)CISP 36[9]和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18387[10]對(duì)150 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)的電磁場輻射騷擾水平提出了要求。基于以上現(xiàn)狀，本文選取典型的燃料電池樣車，實(shí)踐了燃料電池汽車的輻射騷擾試驗(yàn)方法，包括150 kHz～30 MHz的磁場輻射發(fā)射試驗(yàn)、150 kHz～30 MHz的電場輻射發(fā)射試驗(yàn)和30 MHz～1 GHz的電場輻射發(fā)射試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果分析了燃料電池汽車的騷擾來源，剖析了在燃料電池汽車的開發(fā)階段考慮電磁兼容設(shè)計(jì)的必要性。

1 試驗(yàn)方法研究

1.1 試驗(yàn)環(huán)境

由于本試驗(yàn)需要多次測試，為了盡量避免測試環(huán)境帶來的影響，測量場地采用十米法半電波暗室( Absorber lined shielded enclosure)，簡稱ALSE，相較OTS（Outdoor test site）測試場，ALSE測試場保證了試驗(yàn)環(huán)境的可控性、一致性、以及可重復(fù)性，且本底噪聲滿足至少低于限值6 dB。由于新能源車需要跑速度進(jìn)行測試，因此暗室內(nèi)配備測功機(jī)，能夠提供典型持續(xù)的道路負(fù)載扭矩。測功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓應(yīng)為金屬材質(zhì)，軸承支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)和暗室地板接地。

1.2 接收機(jī)設(shè)置

測量接收機(jī)應(yīng)滿足GB/T 6113.101[11]的要求，接收機(jī)的本底噪聲應(yīng)滿足6 dB要求。掃描接收機(jī)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 接收機(jī)設(shè)置

1.3 測試布置

1.3.1 150 kHz～30 MHz電場測試布置

頻率在150 kHz～30 MHz內(nèi)，電場輻射發(fā)射測試推薦使用1 m長的單級(jí)天線，垂直于地面安裝，配有天線匹配單元。

單極天線置于地面上，距地面的最近部分（3±0.05）m，如圖1所示，測量時(shí)天線的四個(gè)位置如下：

圖1 150 kHz～30 MHz電場測試布置

——車前和車后位置，并位于車輛的中心線上；

——車輛左、右兩側(cè)位置，并位于前后之間的中心線上。

1.3.2 150 kHz～30 MHz磁場測試布置

頻率在150 kHz～30 MHz內(nèi)，磁場輻射發(fā)射測試推薦使用60 cm靜電屏蔽環(huán)天線，環(huán)天線性能應(yīng)滿足GB/T 6113.101[12]的要求。天線與接收機(jī)之間應(yīng)該良好匹配，最大駐波比（SWR）為2:1。

環(huán)天線的中心離地面高度為（1.3±0.05）m，測量距離為環(huán)天線中心與車輛的最近部分沿著測量軸（即用于前后天線位置沿著車身的縱向軸線，以及用于左右天線位置沿著車身的橫向軸線）的水平投影距離，為（3±0.05）m。需要將天線擺放在4個(gè)位置進(jìn)行測量，在同一個(gè)位置應(yīng)分別測量環(huán)天線的兩個(gè)極化方向，測量時(shí)天線的四個(gè)位置如下：車前和車后位置，環(huán)天線中心位于車身縱軸上，并位于車輛的中心線上；車輛左側(cè)和右側(cè)位置，環(huán)天線中心位于車身橫軸上，并位于前、后軸之間的中線上，如圖2所示。

圖2 磁場天線位置圖

1.3.3 30 MHz～1 GHz電場測試布置

30 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)通常使用復(fù)合線，也可以使用分段天線——雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線。天線參考點(diǎn)到車輛側(cè)面的金屬部分的水平距離優(yōu)先選用（10.0±0.2）m，此時(shí)天線中心離地高度為（3.00±0.05）m；也可以選用三米測距代替，測量距離為（3.00±0.05）m時(shí)，高度為（1.80±0.05）m，具體的測試布置圖如圖3所示，測試過程需分別測試車輛左右兩側(cè)，天線分別置于水平極化與垂直極化進(jìn)行測試，并且天線中點(diǎn)的法線需置于車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中點(diǎn)位置，測試布置詳見圖3。

圖3 車輛輻射騷擾測試布置圖（示意圖）

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 電磁場輻射騷擾試驗(yàn)方法（150 kHz～30 MHz）

測量過程中道路負(fù)荷按照車輛滿載情況設(shè)置，電氣設(shè)備不用開啟。預(yù)掃描過程中，以40 km/h的穩(wěn)定車速運(yùn)行，對(duì)車輛的四個(gè)側(cè)面分別進(jìn)行測量。磁場測量時(shí)，每個(gè)側(cè)面都要對(duì)環(huán)天線的徑向和橫向兩個(gè)極化方向進(jìn)行測試，經(jīng)過重復(fù)測試，確定最大發(fā)射面和最大發(fā)射極化方向；電場采用垂直極化分別在車輛的四個(gè)側(cè)面進(jìn)行測試。最終在最大發(fā)射側(cè)面，分別以16 km/h和70 km/h的穩(wěn)定車速進(jìn)行電場峰值終測掃描和磁場峰值終測掃描。

1.4.2 寬窄帶輻射騷擾試驗(yàn)方法（30 MHz～1 GHz）

燃料電池汽車進(jìn)行寬帶騷擾試驗(yàn)時(shí)，車輛在空載的底盤測功機(jī)上，以40 km/h的穩(wěn)定車速運(yùn)行。采用峰值檢波器和平均值檢波器進(jìn)行預(yù)掃，采用準(zhǔn)峰值檢波器進(jìn)行終測。

進(jìn)行窄帶騷擾試驗(yàn)時(shí)，車輛處于上電且發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)模式，即點(diǎn)火開關(guān)打開，發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，車輛的電氣系統(tǒng)處于正常運(yùn)行模式。燃料料電池汽車打開READY檔，即高壓上電。采用平均值檢波器進(jìn)行測量。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

分別選取一輛燃料電池貨車進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，測試寬帶發(fā)射時(shí)處于40 km/h的恒定車速；測試窄帶發(fā)射時(shí)，樣車保持READY狀態(tài)，所有電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行；30 MHz以下的電磁場終測在16 km/h和70 km/h的恒定車速下進(jìn)行，實(shí)際的測試布置見圖4（a）～4（c），典型的測試結(jié)果詳見圖5（a）～5（f）。

圖4 測試布置圖

從圖5（a）～5（d）可以看出在距離車身3 m處測得的電場和磁場輻射整改前均有不同程度的超標(biāo)。其中，在（15～30）MHz，電場輻射最大處超出限值10 dB；從圖5（e）和圖5（f）可以看出30 MHz以上的遠(yuǎn)場輻射發(fā)射都有不同程度的超標(biāo)，寬帶測試中，準(zhǔn)峰值和峰值超標(biāo)，窄帶發(fā)射也出現(xiàn)幾處隆起。通過分析和診斷，燃料電池汽車的騷擾源主要來自燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池堆高壓系統(tǒng)、DC/DC。主要來自于電壓電流的快速瞬態(tài)變化帶來的傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。這些騷擾勢(shì)必會(huì)對(duì)車外接收機(jī)造成干擾，對(duì)于這類騷擾，通過后期整改效果均不明顯，很難實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。建議主機(jī)廠在車輛研發(fā)階段引進(jìn)電磁兼容設(shè)計(jì)，減少后期整改成本。

圖5 測試結(jié)果（續(xù)）

圖5 測試結(jié)果

2 結(jié)論

本文研究了燃料電池汽車的輻射騷擾試驗(yàn)方法，包括150 kHz～30 MHz的磁場輻射發(fā)射試驗(yàn)、150 kHz～30 MHz的電場輻射發(fā)射試驗(yàn)和30 MHz～1 GHz的電場輻射發(fā)射試驗(yàn)，選取典型燃料電池汽車進(jìn)行了系列驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，燃料電池汽車會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射騷擾，三電系統(tǒng)是主要騷擾源，為了限制整車的輻射發(fā)射對(duì)其他車外接收機(jī)產(chǎn)生干擾，有效提升燃料電池汽車的電磁兼容性能，必須在在燃料電池汽車的開發(fā)階段考慮電磁兼容設(shè)計(jì)。