文/游元杰 武修英 馮依睿

【機動車專欄】

ISO 26262關(guān)于驗證電磁兼容安全性方法的運用研究
——以新能源車用DC-DC轉(zhuǎn)換器為例

文/游元杰 武修英 馮依睿

本文對如何運用ISO 26262“道路車輛—功能安全”系列國際標(biāo)準(zhǔn)中對直流—直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器電磁兼容安全方面評定方法進行了闡述，分析了在新能源汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾的危害特性，并提出了相應(yīng)的驗證檢測技術(shù)。

DC-DC轉(zhuǎn)換器 電磁兼容 ISO 26262

隨著電動車輛等新能源汽車的發(fā)展，越來越多的高壓零部件被運用于車輛上，這對車輛的電磁兼容性能提出了更高的要求。ISO 26262“道路車輛—功能安全”系列國際標(biāo)準(zhǔn)對車輛整體電子系統(tǒng)功能安全也提出了進一步要求。目前，各整車生產(chǎn)商基于此系列標(biāo)準(zhǔn)，對零部件供應(yīng)商在電子電器功能安全管控的能力加強了考察。

本研究目的在于確定如何根據(jù)ISO 26262對直流—直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性功能安全進行評定，并對驗證電磁兼容功能安全檢測技術(shù)方面加以探討。

一、DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理

電動車輛一般有兩個儲能設(shè)備為車上的電器進行供電，分別為高壓電池系統(tǒng)和低壓蓄電池系統(tǒng)。高壓電池系統(tǒng)輸出高壓直流電，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為適合車輛高壓零部件（如驅(qū)動電機和空調(diào)壓縮機）工作要求的直流電使其正常工作。低壓蓄電池系統(tǒng)則為車燈、車身控制模塊（BCM）等低壓電子電器設(shè)備輸送低電壓直流電，使其正常工作。由于電動車輛上沒有發(fā)電機，一般使用高壓電池包輸出高壓直流電，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器至低壓蓄電池，來滿足低壓蓄電池的充電功能。

同時，在DC-DC轉(zhuǎn)換器上，一般加裝監(jiān)控和控制模塊，來確保將高壓電池的電能以經(jīng)濟安全的策略供給電動車上的其他電器。

以此可見，DC-DC轉(zhuǎn)換器對于電動車輛來說非常重要，是整個電動車系統(tǒng)的核心部件。

DC-DC轉(zhuǎn)換器具有成本低、體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點。但電動車輛用DC-DC轉(zhuǎn)換器，自身會產(chǎn)生較強的電磁干擾（EMI）。EMI是隨著DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯增強。經(jīng)傳導(dǎo)和輻射，它會污染周圍電磁環(huán)境，對車輛上其他電子電器部件造成干擾，影響周圍電子設(shè)備的正常運行。例如，當(dāng)EMI竄入到車身控制系統(tǒng)、電子油門系統(tǒng)，電子剎車系統(tǒng)等車輛重要控制系統(tǒng)時，會使車輛出現(xiàn)失效或產(chǎn)生誤動作等，嚴(yán)重影響車輛行駛安全和人身安全。因此，只有提高DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容性，才能使DCDC轉(zhuǎn)換器真正運用于道路車輛上。

二、ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)概述

ISO 26262系列標(biāo)準(zhǔn)主要定位在汽車行業(yè)中特定的電氣器件、電子設(shè)備和可編程電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的部件，旨在提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全。

ISO 26262系列標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安全風(fēng)險程度對系統(tǒng)或系統(tǒng)某組成部分確定劃分由A到D的安全需求等級，即汽車安全完整性等級（ASIL）。其中，D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。伴隨著ASIL等級的增加，針對系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)流程的要求也隨之增強。對系統(tǒng)供應(yīng)商而言，除了需要滿足現(xiàn)有的高質(zhì)量要求外，還必須滿足這些因為安全等級增加而提出的更高要求。

三、DC-DC轉(zhuǎn)換器ASIL功能安全評級方法

依據(jù)ISO 26262系列標(biāo)準(zhǔn)進行DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性功能安全設(shè)計時，首先對DC-DC轉(zhuǎn)換器的各功能進行逐個分析，識別系統(tǒng)所有的危害，依據(jù)三個因子——嚴(yán)重度（S）、暴露率（E）和可控性（C），評估危害的風(fēng)險級別ASIL等級。其中，嚴(yán)重度是指對駕駛員、乘員或者行人等涉險人員的傷害程度；暴露率是指人員暴露在系統(tǒng)失效、能夠造成危害場景中的概率；可控性是指駕駛員或其他涉險人員能夠避免事故或傷害的可能性。這三個因子的分類在表1中給出。

表1 嚴(yán)重度、暴露率、可控性分類

ASIL等級的確定基于這三個影響因子，表2中給出了ASIL的確定方法。質(zhì)量管理（QM）表示按照質(zhì)量管理體系開發(fā)系統(tǒng)或功能。確定了危害的ASIL等級后，為每個危害確定至少一個安全目標(biāo)，作為功能和技術(shù)安全需求的基礎(chǔ)。

表2 ASIL等級確定

1. 危害分析和風(fēng)險評估

以DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性為例介紹如何進行危害分析和風(fēng)險評估。

DC-DC轉(zhuǎn)換器作為電動車輛的核心部件，除了轉(zhuǎn)換交直流電壓、電流功能，還有監(jiān)控高壓電池系統(tǒng)輸送電壓、電流波動情況，輸出交直流電壓、電流，為低壓蓄電池充電功能等。

當(dāng)電動車輛行駛時，駕駛員通過油門、剎車、使用車燈控制撥桿和使用空調(diào)旋鈕等發(fā)出請求，DC-DC轉(zhuǎn)換器分別啟動傳輸交直流高壓電流至驅(qū)動電機，傳輸?shù)蛪捍箅娏鳛榈蛪盒铍姵爻潆姷裙δ堋Ｓ捎谧陨鞥MI能力強，會引發(fā)電子剎車系統(tǒng)失效、電子油門失效、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速異常和車身控制系統(tǒng)失效等風(fēng)險，導(dǎo)致的危險如：非預(yù)期制動失效，非預(yù)期驅(qū)動失效、非預(yù)期驅(qū)動異常、非預(yù)期電器功能失效、非預(yù)期電器功能異常。

鑒于車輛行駛不同特性，相同危害在不同場景下的風(fēng)險是不一樣的。所以，我們要對不同的駕駛場景進行分析。在極端情況下，我們對“非預(yù)期制動失效”這種功能故障進行風(fēng)險評估。表3給出了DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性風(fēng)險評估。在該表中，我們考慮的駕駛場景是：車輛在高速公路上以80～120 km/h的速度高速行駛正常駕駛，發(fā)現(xiàn)由于DC-DC轉(zhuǎn)換器對外EMI，致使電子剎車系統(tǒng)失效。這種導(dǎo)致車輛制動力突然失效，使車輛異?；?，偏離車道等情況對道路車輛和人員造成嚴(yán)重傷害。

表3 DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性風(fēng)險評估

通過以上分析，得出DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性的安全目標(biāo)為：防止制動失效，ASIL等級為D。

由此可見，DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性在功能安全方面非常重要。DC-DC轉(zhuǎn)換器對外EMI是由于內(nèi)部的功率開關(guān)管、整流或續(xù)流二極管和主功率變壓器在高電壓、大電流和高頻開關(guān)的方式下工作，其電壓電流波形多為方波。所以，在高壓大電流的方波切換過程中，方波電壓電流會產(chǎn)生豐富的諧波電壓和諧波電流。這些諧波電壓和諧波電流可通過電源輸入線或開關(guān)電源的輸出線傳出，對同一車輛上供電的其他設(shè)備和車載電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

因DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性是在其內(nèi)部多功能部件交互產(chǎn)生的，故不能按照ISO 26262中分解原則對其進行分解，應(yīng)作為整體進行檢測驗證。

四、DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性驗證

目前，國內(nèi)汽車電磁兼容類標(biāo)準(zhǔn)，并沒有對DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性提出強制性標(biāo)準(zhǔn)?；谥鳈C廠對零部件電磁兼容特性愈發(fā)重視，各自針對國際通用標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25:2008《車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 18655-2010（CISPR 25:2008，IDT），用來確保DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI不會對車載接收機造成沖擊。

一般使用三種方法來考察DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI特性，分別為輻射騷擾測試、電源端傳導(dǎo)騷擾測試、控制信號線傳導(dǎo)騷擾測試。

輻射騷擾測試是從空間電磁輻射量上來考察DC-DC轉(zhuǎn)換器對外的輻射發(fā)射量，使用3 m法半電波暗室，并針對測試的頻率段不同，分別使用單極棒天線（0.15～30 MHz）、雙錐天線（30～200 MHz）、對數(shù)周期天線（200～1 000 MHz）、喇叭天線（1 000～2 500 MHz）在空間中接收DC-DC轉(zhuǎn)換器在工作時對外的輻射量。在1 000 MHz以下，天線正對樣品線束，1 000 MHz以上天線正對樣品。測試布置如圖1所示。

圖1 輻射騷擾測試布置圖

電源端傳導(dǎo)騷擾測試是在DC-DC轉(zhuǎn)換器工作時，通過對電源線的監(jiān)控騷擾數(shù)值，來考察是否會對車用電網(wǎng)造成沖擊，直接使用同軸線纜將測量接收機和人工電源網(wǎng)絡(luò)上的測量接口相連接，分別讀取輸入DC-DC轉(zhuǎn)換器的正極電源端和負極電源端騷擾量。測試布置如圖2所示。

圖2 信號控制傳導(dǎo)騷擾測布置圖

控制信號線傳導(dǎo)騷擾測試，是對DC-DC轉(zhuǎn)換器控制和信號線電流上對外騷擾量進行考察，一般使用電流鉗讀取控制信號線上的騷擾量，并對其進行考察。分別對靠近DC-DC轉(zhuǎn)換器和靠近線束中心這兩個位置進行讀取，測試布置如圖3所示。

圖3 電源端傳導(dǎo)騷擾測布置圖

在進行以上三項測試時，需要注意，人工電源應(yīng)選擇符合汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25《車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收的限值和測試方法》參數(shù)要求的高壓人工電源網(wǎng)絡(luò)，由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的特殊性和標(biāo)準(zhǔn)要求：在電源輸入端須接入帶屏蔽殼體的人工電源網(wǎng)絡(luò)，輸出端是否使用人工電源網(wǎng)絡(luò)并無強制要求，但為更加符合整車電網(wǎng)特性，一般都會使用，輸入至DC-DC轉(zhuǎn)換器控制模塊的低壓電源也應(yīng)使用低壓人工電源網(wǎng)絡(luò)。

不同主機廠根據(jù)自身情況并結(jié)合ISO 26262對于DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁兼容特性的功能安全判定，會要求DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI特性滿足不同的限值等級要求。由于EMI有一定的不確定性，一般在設(shè)計階段、硬件階段、軟件開發(fā)階段等很難預(yù)估。若要有效地控制EMI，需要大量的數(shù)據(jù)支持和驗證。在設(shè)計階段，應(yīng)考慮DC-DC轉(zhuǎn)換器的接地處理、屏蔽能力，必要時加裝濾波器。改良電路會使產(chǎn)品能更好地抑制EMI，以滿足客戶功能安全需求，并為消費者提供安全保障。

五、結(jié) 語

現(xiàn)在發(fā)展迅速的電動車輛和未來的智能網(wǎng)聯(lián)車輛，對車輛上的電子電器產(chǎn)品提出了更高的功能安全需求，以ISO 26262為基礎(chǔ)的安全功能評級越來越得到整車廠的重視，并向零部件制造企業(yè)提出了響應(yīng)的要求，電磁兼容特性無疑是其中重要的考察項。不同于性能驗證測試，電磁兼容特性更偏向于系統(tǒng)級的整體測量。對車輛安全來說，電磁兼容特性雖然充滿不確定性和隨機性，但卻非常重要。國際、國家標(biāo)準(zhǔn)也正在著手建立更加完善的車輛電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系，以期提高行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和安全保障。

（作者單位：上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司）

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海寧出臺扶持家紡產(chǎn)業(yè)品牌培育新政

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海寧市力爭通過強化質(zhì)量建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新、品牌培育、品牌發(fā)展與保護、質(zhì)量監(jiān)管、培訓(xùn)宣傳、平臺支撐、質(zhì)量誠信建設(shè)八大方面工作，使家紡企業(yè)質(zhì)量品牌意識顯著增強，質(zhì)量管理和質(zhì)量誠信水平明顯提高；家紡產(chǎn)品質(zhì)量整體水平穩(wěn)步提升；品牌、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)創(chuàng)新取得重大進展；品牌經(jīng)濟對家紡產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的拉動作用明顯增強，品牌建設(shè)取得成效。

This paper describes how to use the ISO 26262 Road Vehicles-Functional Safety series of international standards for DC-DC converter electromagnetic compatibility safety evaluation methods. The paper analyzes hazards of electromagnetic interference produced by DC-DC converter in the new energy vehicles, and then proposes some appropriate verification and detection technology.

DC-DC converter; Electromagnetic compatibility; ISO 26262