新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)EMC特性分析及抗干擾設計

EMC Characteristics Analysis and Anti-interference Design of High-voltage Interconnection System in New Energy Vehicles

Zhou Wentao Guo Lingxiang Xinyang Vocational College of Art，Xinyang 4640oo，China

Abstract：Thehigh-voltage interconectionsystemofnewenergyvehicles integrateskeycomponents suchaspowerbateriesand motorontroes.Itissuseptibletoaroselctromageticinterferenes.ereforesearhrseedtoductipthalyisf itsEMCcharacteristics.Tispaperfirstoutlinestheigvoltageinterconetionsystemofnewenergyvehiclesandanalyzsitsain electromagneticiteferecesourcsadssitiveompoents.nfrospctsofstmardwarentiteferecedigd temcontrolaitefereedsig，itproposanti-terfereedsignutiostotielysuppressomoodeade tial-mode interference and improve the system's EMC performance.

Key words：New energy vehicles;High-voltage interconnection system;Anti-interference design

1前言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)（High Voltage Interconnection System，HVIS）作為車載動力總成的核心部件，其電磁兼容性（Electro-magneticCompatibility，EMC）性能越來越受到重視。新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)集成了動力電池組、電機控制器、高壓配電單元等，工作電壓高達數(shù)百伏直流，且存在大電流脈沖和高頻開關噪聲，極易產(chǎn)生強電磁干擾[1]。因此，對新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)的EMC特性開展深入分析評估，對確保新能源汽車的電磁兼容性、提高車輛的可靠性和安全性具有重要意義。

2新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)EMC特性分析

新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)的主要電磁干擾來源包括高壓大電流傳輸、高頻開關噪聲以及環(huán)路寄生參數(shù)影響。這些因素共同作用，使得系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生強烈的電磁輻射，并通過導體耦合、空間輻射等方式影響其他電子設備[2-3]。高壓大電流傳輸導致的電磁干擾是HVIS的主要干擾源之一。在新能源汽車的動力系統(tǒng)中，動力電池組通過高壓線束向電機控制器（MCU）和其他高壓部件供電，工作電壓通常在 300～800V 之間。而電機驅動過程中，系統(tǒng)內的大電流脈沖變化可達數(shù)百安培，根據(jù)安培定律和電磁感應定律，快速變化的大電流會在周圍空間產(chǎn)生強磁場，進而引發(fā)電磁輻射干擾（Ra-diated EMI）[4-5]。

在高壓線束和連接器中，由于電流傳輸過程中存在阻抗不匹配問題，容易形成電磁波反射和諧振效應，進一步增強了系統(tǒng)的干擾強度。高頻開關噪聲對系統(tǒng)EMC特性的影響也較大，新能源汽車的電機控制器、DC/DC變換器、車載充電器等功率電子設備普遍采用PWM（脈寬調制）控制的逆變器，其工作頻率通常在數(shù)十千赫至數(shù)百千赫范圍。

由于開關器件（如IGBT、SiCMOSFET等）在高頻開關過程中會產(chǎn)生陡峭的電壓和電流變化（du/dt和di/dt，導致系統(tǒng)內部產(chǎn)生強烈的高頻諧波分量，這些高頻諧波通過導線傳播到其他部件，形成傳導干擾（Conduct-edEMI），并可能通過電磁感應或輻射耦合的方式影響整車的低壓控制系統(tǒng)，如BMS、電機控制單元、車載信息娛樂系統(tǒng)等[6]。

3新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)抗干擾設計

針對新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)存在的電磁干擾問題，研究人員提出了多種有效的抗干擾設計方案，從系統(tǒng)硬件和控制算法兩個層面著手，旨在最大限度地抑制共模和差模干擾，從而為新能源汽車的可靠性和安全性提供堅實保障，下面將針對這兩個層面的抗干擾設計策略展開詳細闡述。

3.1系統(tǒng)硬件抗干擾設計

為了提高電磁兼容性，系統(tǒng)硬件抗干擾設計至關重要，研究人員從電磁屏蔽與接地優(yōu)化和濾波與抗干擾元器件選擇兩方面人手，可以有效抑制共模和差模干擾，減少電磁輻射，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，具體如表1所示。

表1新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)硬件抗干擾設計策略

在高壓互聯(lián)系統(tǒng)中，電磁屏蔽和合理的接地設計是降低電磁干擾的關鍵，屏蔽主要用于阻止電磁輻射向外傳播或外部干擾信號進人系統(tǒng)，而接地則用于提供穩(wěn)定的電位基準，減少寄生電流對系統(tǒng)的影響。HVIS的高壓線束長度較長，易形成天線效應，導致電磁輻射增加，因此采用雙層屏蔽高壓線束（內層屏蔽減少差模干擾，外層屏蔽抑制共模干擾），并確保屏蔽層在單點接地，避免形成地環(huán)路[7]。電機控制器和DC/DC變換器的屏蔽外殼，用于減弱功率開關管（IGBT、SiCMOSFET）高速開關引起的電磁輻射，建議使用高導電性金屬外殼并連接至整車，以形成良好的屏蔽效應。

新能源汽車采用浮地系統(tǒng)（IT系統(tǒng)），高壓系統(tǒng)通常使用單點接地，而低壓系統(tǒng)采用多點接地方式，合理的接地拓撲結構（如星形接地和多層接地網(wǎng)設計）可減少地電位差，降低干擾傳播路徑。濾波電路和抗干擾元器件的合理應用，可以有效抑制系統(tǒng)內部的高頻干擾，防止其耦合至其他電子設備[8]。對于HVIS中的高壓DC/DC變換器和OBC（車載充電器），共模電流和差模電流是主要干擾源，研究人員應在輸人輸出端設計LC濾波器、 π 型濾波器，并使用共模扼流圈以削弱高頻噪聲，在高壓母線和地之間連接 X 電容（抑制差模干擾）和Y電容（抑制共模干擾），并確保其耐壓能力符合系統(tǒng)要求。

3.2系統(tǒng)控制抗干擾設計

在新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)的抗干擾設計中，系統(tǒng)控制的抗干擾設計是確保整車電磁兼容性和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵環(huán)節(jié)。為了提升系統(tǒng)對電磁干擾的抗擾能力，研究人員需要優(yōu)化控制策略，以確保在面對干擾時控制系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。這包括采用先進的控制算法如模型預測控制（MPC）或滑模控制（SMC），這些算法能夠預測系統(tǒng)的未來行為并實時調整控制輸入，從而避免由于電磁干擾引起的參數(shù)不確定性和外部擾動。使用模型預測控制時，控制目標可以表示為：

u（k）^TR_u（k）

式中， Δ_x（k|t） 為在時間 χ_t 下預測的未來狀態(tài); x_ref 為期望狀態(tài)； Q 和 R 為權重矩陣，用于平衡狀態(tài)誤差和控制力矩的成本。通過優(yōu)化這一性能指標，可以實現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下的動態(tài)調整和快速響應，從而保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在控制系統(tǒng)的軟件設計中，引入冗余設計和錯誤檢測機制是提高抗干擾能力的有效手段，包括采用多模冗余控制系統(tǒng)（如三模冗余控制系統(tǒng)），每一模塊運行相同或者相似的控制算法，通過投票機制來確定最終的控制輸出。這種方法可以在某一控制單元因干擾而失效時，由其他單元接替其功能，確保控制系統(tǒng)的持續(xù)運行。實施實時錯誤檢測和診斷系統(tǒng)也是關鍵，例如利用狀態(tài)觀測器或卡爾曼濾波器來估計系統(tǒng)狀態(tài)，并與實測值進行比較，以識別可能的干擾影響。一個簡單的卡爾曼濾波器可以表示為：

式中， 為估計狀態(tài)； _A，B 和 c 為系統(tǒng)矩陣； u_k 為控制輸人； y_k 為測量輸出； K_k 為卡爾曼增益，研究人員可根據(jù)系統(tǒng)的測量噪聲和過程噪聲進行動態(tài)調整。

3.3最終設計方案驗證

研究人員通過實驗測試平臺進行樣機級或整車級的EMC性能評估，驗證硬件抗干擾設計的有效性。在整車或子系統(tǒng)級EMC測試中，依據(jù)GB/T18655、GB/T36282、IS011452等國內外標準，通過傳導發(fā)射（Con-ductedEmission）輻射發(fā)射（RadiatedEmission）傳導抗擾度（ConductedImmunity）輻射抗擾度（RadiatedImmu-nity）等項目的測試，對所優(yōu)化的高壓互聯(lián)系統(tǒng)進行全面評估。測試采用電磁兼容暗室、傳導干擾分析儀、近場探頭、功率放大器等設備，在不同工況下（如加速、充電、急剎車等）采集干擾信號，并與限值標準對比，分析屏蔽線束、電磁濾波器、接地結構等硬件措施在抑制共模、差模干擾方面的實際效果。然后研究人員基于Simulink、ANSYS、Saber等仿真平臺，構建高壓互聯(lián)系統(tǒng)的電氣模型與控制策略模型，疊加不同類型的干擾信號（如高頻脈沖、尖峰電壓等）進行擾動仿真，觀察系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的控制精度、輸出響應和穩(wěn)定性變化，并對采用模型預測控制（MPC）冗余投票機制與卡爾曼濾波器的控制系統(tǒng)進行魯棒性仿真，通過設定擾動輸入與控制輸出的誤差容限，評估其對電磁干擾的適應能力與容錯能力。仿真結果應與實際測試數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證控制策略在不同擾動條件下是否能快速收斂、抑制振蕩、保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，抗干擾設計方案驗證的關鍵項目及結果如表2所示。

表2抗干擾設計方案驗證的關鍵項目及結果

4結語

本文針對新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)的電磁兼容性問題進行了深入研究，系統(tǒng)分析了其EMC特性及主要電磁干擾源，包括高壓大電流傳輸、高頻開關噪聲和環(huán)路寄生參數(shù)的影響。從系統(tǒng)硬件和控制兩個層面提出了有效的抗干擾設計方案：在硬件方面，通過優(yōu)化電磁屏蔽與接地設計、合理選擇濾波與抗干擾元器件等措施來抑制共模和差模干擾；在控制方面，采用先進的控制算法和冗余設計機制來提升系統(tǒng)的抗干擾能力。這些研究成果為新能源汽車高壓互聯(lián)系統(tǒng)的EMC設計提供了理論指導和技術支持，對提高整車電磁兼容性和運行可靠性具有重要意義。

參考文獻：

[1]楊保杰，羅丹，梁觀勝.新能源汽車電驅動系統(tǒng)加載EMC試驗平臺電力測功機系統(tǒng)的需求及選型[J].計量與測試技術，2024，51（7）：44-46.

[2]周宇奎，廖慧敏，葉廣森，等.新能源汽車高壓系統(tǒng)的典型EMC問題與挑戰(zhàn)[J].安全與電磁兼容，2024（2）：18-31.

[3]馬明宇，郭建東，姜成龍，等.新能源汽車動力電池及其管理系統(tǒng)的EMC測試與整改案例[J].中國汽車，2020（7）：30-33.

[4]李雅榮，尹倩，王榮煥.新能源汽車高壓不上電故障診斷與分析[J」.內燃機與配件，2024（12）：83-85.

[5]周宇奎，廖慧敏，葉廣森，等.新能源汽車高壓系統(tǒng)的典型EMC問題與挑戰(zhàn)[J].安全與電磁兼容，2024（2）：18-31.

[6]鄭開表.新能源汽車故障診斷與維修技術及其應用研究[J].專用汽車，2024（9）：113-115.

[7]王舉.新能源汽車核心技術的識別分析及戰(zhàn)略布局[J].專用汽車，2024（6）：4-6.

[8]姚均飛.新能源汽車零部件EMC設計分析[J].汽車測試報告，2023（16）：68-70.

作者簡介：

周文韜，男，1995年生，助理講師，研究方向為新能源汽車技術專業(yè)教學。