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淺析新能源汽車EMI騷擾源定位及整改方法

2019-03-05 04:00舒南翔陳磊徐濤
汽車實(shí)用技術(shù) 2019年3期
關(guān)鍵詞:單點(diǎn)示意圖濾波器

舒南翔,陳磊,徐濤

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淺析新能源汽車EMI騷擾源定位及整改方法

舒南翔,陳磊,徐濤

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 新能源汽車研究院,安徽 合肥 230601)

基于新能源純電動(dòng)汽車輻射發(fā)射產(chǎn)生機(jī)理,以整車輻射發(fā)射的實(shí)際檢測(cè)過(guò)程為基礎(chǔ),指出電磁兼容檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的選擇依據(jù)和試驗(yàn)中可能遇到的一些問(wèn)題,同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

新能源汽車;電磁兼容;輻射發(fā)射;共模輻射

引言

由于汽車上所選用的電氣電子設(shè)備逐漸增多,汽車電磁環(huán)境也日益復(fù)雜。首先,控制汽車所用的ECU越來(lái)越多;其次,車輛上配置的外圍GPS 電氣電子設(shè)備也大幅增加,例如智能網(wǎng)聯(lián),車載娛樂(lè)系統(tǒng)等;另外,隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的DC/AC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)等成為電動(dòng)車輛的新的干擾源。所有新增電子電氣系統(tǒng)對(duì)汽車電磁兼容性提出了更高的要求,汽車電磁兼容(Electromagnetic Compatibility,簡(jiǎn)稱EMC)成為汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重難點(diǎn),受到行業(yè)的重視。

1 EMC簡(jiǎn)介

電磁兼容指系統(tǒng)或設(shè)備在電磁環(huán)境中能正常工作,且不對(duì)環(huán)境中其它任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC包含兩個(gè)方面的要求:(1)指設(shè)備在正常工作過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)規(guī)定的限值,即電磁干擾(Electromagnetic Interference,簡(jiǎn)稱EMI);(2)指設(shè)備對(duì)環(huán)境中的電磁干擾具備一定程度的抗擾度,即電磁抗干擾(Electro Magnetic Susceptibility,簡(jiǎn)稱EMS)。

1.1 新能源汽車輻射發(fā)射騷擾源

圖1 某純電池汽車HV電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接圖

新能源汽車由于其動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性,使其電磁兼容性能和傳統(tǒng)燃油車有較大差別。以純電動(dòng)汽車為例,HV電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示。車內(nèi)的主要騷擾源包括[1]:(1)各個(gè)控制器電路;(2)直流高壓母線的浪涌;(3)大功率DC/DC高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的噪聲;(4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)PWM調(diào)制電路中的共模電壓。

1.2 新能源汽車輻射發(fā)射兩種騷擾形式

圖2為新能源汽車輻射發(fā)射示意圖,圖中存在共模輻射和差模輻射兩種形式的輻射發(fā)射騷擾:車內(nèi)高壓母線回路中存在差模電流而產(chǎn)生差模輻射;由于電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器和DC/DC同車體之間存在雜散電容,共模電壓通過(guò)雜散電容形成回路,從而產(chǎn)生共模輻射[2]。

圖2 新能源汽車輻射發(fā)射示意圖

2 騷擾源定位

GB/T18387--2017用于測(cè)量電動(dòng)車的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度[3],測(cè)試頻率范圍150kHz-30MHz;GB14023-2011可以用于測(cè)量傳統(tǒng)車輛和混合動(dòng)力汽車的輻射發(fā)射水平,測(cè)量頻率范圍(30-l000)MHz[4]。從頻率范圍上看,兩者可以配合使用,同時(shí)GB/T18387-2017也明確指出(30-1000)MHz頻率范圍的電磁騷擾測(cè)量采用GB14023的最新版本。

2.1 可疑頻率點(diǎn)分析

圖3為某純電動(dòng)汽車進(jìn)行GB/T18387-2017測(cè)試的結(jié)果,可以看到10kHz、20kHz和30kHz頻率點(diǎn)上,雖然沒(méi)有超過(guò)限值要求,但是輻射騷擾較其他位置強(qiáng)得多。通過(guò)分析,該車電機(jī)控制器IGBT模塊的開(kāi)關(guān)頻率為10kHz,顯然20kHz和30kHz是其諧波頻率。因此可以圍繞IGBT模塊及其外圍設(shè)備采取一些針對(duì)性的措施。

圖3 某純電動(dòng)汽車依據(jù)GB/T18387-2017的測(cè)試結(jié)果

圖4是某純電動(dòng)汽車基于GB/T18387-2017整車輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果,,同樣在30MHz有超標(biāo)的頻率點(diǎn)存在。由理論分析可知,30MHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為10m,根據(jù)天線理論,1/4波長(zhǎng)的天線具有很強(qiáng)的天線效應(yīng),而30MHz對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)為2.5m,加上介質(zhì)的影響,這個(gè)輻射發(fā)射的天線應(yīng)該是小于2.5m的,這就為定位騷擾源提供了很好的依據(jù)。

圖4 某純電動(dòng)汽車整車輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

2.2 檢測(cè)位置分析

圖6某純電動(dòng)汽車進(jìn)行GB18387--2017測(cè)試,都是在棒狀電場(chǎng)天線的條件下測(cè)量。

圖5 某純電動(dòng)汽車依據(jù)GB18387-2017的測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看到,在(10-30)MHz三者差距較大,車頭部位輻射騷擾水平明顯高于其他兩個(gè)側(cè)面,該車動(dòng)力總成位于車頭部位,因此很可能是這一頻率段的主要騷擾源,右側(cè)的騷擾強(qiáng)度較左側(cè)大,該車的電機(jī)控制器、壓縮機(jī)是偏右側(cè)布置的,即右側(cè)騷擾強(qiáng)于左側(cè),可以從電機(jī)控制器、壓縮機(jī)入手進(jìn)行分析。

3 整改方法

電磁輻射發(fā)射的三個(gè)要素:電磁騷擾源、傳播路徑以及敏感設(shè)備,電磁輻射發(fā)射整改可從濾波處理、接地優(yōu)化以及屏蔽處理三個(gè)方向開(kāi)展整車電磁輻射發(fā)射整改。

3.1 接地優(yōu)化

就車輛EMC設(shè)計(jì)而言,良好的接地設(shè)計(jì)是解決EMC問(wèn)題最有效和最廉價(jià)的方法。

3.1.1單點(diǎn)接地系統(tǒng)

串聯(lián)單點(diǎn)接地,效果最差,任何導(dǎo)線都會(huì)呈現(xiàn)DC電阻,流經(jīng)這些導(dǎo)線的電流會(huì)因電阻值過(guò)大而產(chǎn)生壓降,但省工省料,如圖6(a)。并聯(lián)單點(diǎn)接地,是低頻電路最佳接地方式,非常適合于低頻(低速)電路、設(shè)備(頻率低于1MHz),例如音頻電路、模擬裝置以及50Hz/DC電力系統(tǒng),如圖6(b)。

圖6 單點(diǎn)接地示意圖

3.1.2多點(diǎn)接地系統(tǒng)

關(guān)于《藝舟雙楫》,任國(guó)磊[21]指出,它是中國(guó)古代書(shū)論史上的一部經(jīng)典著作,是清代碑學(xué)思想的經(jīng)典之一?!端囍垭p楫》的論書(shū)部分用樸質(zhì)的語(yǔ)言敘述了一些關(guān)于碑帖考證、信札及書(shū)家個(gè)人傳記等的信息,為后人研究書(shū)史提供了寶貴的史料,也為書(shū)法美學(xué)、書(shū)法批評(píng)研究提供了可靠的理論依據(jù)。他的突出貢獻(xiàn)在于:一方面確立了以筆法為核心的書(shū)法理論體系,在書(shū)法的點(diǎn)畫(huà)、運(yùn)筆、章法等問(wèn)題上作了碑學(xué)闡述;另一方面,他是碑學(xué)思想的發(fā)揮者,使北朝摩崖、造像記刻石、墓志銘恣肆、遒勁、雄健、樸質(zhì)的審美價(jià)值趨向得以確立,為清代的書(shū)法藝術(shù)風(fēng)格道路找到了新的突破點(diǎn),為近代碑學(xué)熱潮作了鋪墊。

多點(diǎn)接地可以克服單點(diǎn)接地的問(wèn)題,使用的接地線較短,長(zhǎng)度小于λ/10時(shí),可降低高頻阻抗及天線效應(yīng),適用于高頻(高速)數(shù)字電路/設(shè)備,如圖7。其缺點(diǎn)是會(huì)有共地阻抗與地回路的問(wèn)題,會(huì)造成噪聲電壓耦合及電場(chǎng)、磁場(chǎng)干擾/耐受的問(wèn)題。

圖7 多點(diǎn)接地示意圖

3.1.3混合式接地系統(tǒng)

混合式接地系統(tǒng)是十分實(shí)用也是最常使用的低頻接地系統(tǒng),具備串聯(lián)單點(diǎn)接地與并聯(lián)單點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn),不僅合乎低噪聲的要求也可避免復(fù)雜的接線需求,如圖8。

圖8 混合式接地示意圖

3.1.4接地優(yōu)化案例

某電動(dòng)車在頻率16.728MHz附近超標(biāo)約3.5dB,經(jīng)過(guò)優(yōu)化過(guò)程的研究,對(duì)電動(dòng)車的接地進(jìn)行了研究,發(fā)覺(jué)其接地系統(tǒng)不合理,尤其是電機(jī)控制器的接地線會(huì)產(chǎn)生地回路的輻射,解決方法是更換電機(jī)控制器的搭鐵線,搭鐵線采用鍍錫銅編織網(wǎng),接地點(diǎn)選擇車身,如圖9所示。

圖9 某電動(dòng)車接地優(yōu)化示意圖

3.2 濾波處理

濾波器是由電容、電感、電阻或者鐵氧體器件組成的頻率選擇性二端口網(wǎng)絡(luò),可以連接傳輸線,抑制不需要的頻率傳播。電動(dòng)汽車上的騷擾很多是通過(guò)線束和端口發(fā)射出來(lái),所以濾波對(duì)于電動(dòng)汽車的電磁兼容優(yōu)化效果很明顯。

3.2.1反射式濾波器

共有低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器,但在電動(dòng)汽車中,應(yīng)該使用的低通濾波器,如下圖所示。

圖10 反射式濾波器電路圖

3.2.2吸收式濾波器

吸收式濾波器由有耗器件構(gòu)成,將在阻帶內(nèi)吸收噪聲的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗,從而實(shí)現(xiàn)濾波。目前,鐵氧體吸收型濾波器廣泛應(yīng)用于各種電路中。

3.2.3濾波處理案例

在某款電動(dòng)汽車上的在電機(jī)三相線、油泵三相線、直流輸入輸出線增加磁環(huán)。進(jìn)行濾波器,其濾波效果比較圖如圖11所示,在9kHz取得了良好的效果。

圖11 某電動(dòng)車濾波處理示意圖

3.3 屏蔽處理

利用屏蔽技術(shù)來(lái)抑制電磁噪聲在空間的傳播,即阻斷輻射電磁噪聲的傳播途徑。通常用磁性材料或金屬材料把所需屏蔽的空間包圍起來(lái),使屏蔽體內(nèi)部和外部的“場(chǎng)”隔離,如圖12所示。

圖12 屏蔽技術(shù)示意圖

屏蔽效能應(yīng)用于抑制噪聲源和敏感設(shè)備距離較遠(yuǎn)時(shí)由電磁場(chǎng)藕合所產(chǎn)生的干擾。電磁波在射入到金屬體表面時(shí)產(chǎn)生吸收和反射,電磁能量衰減較大,起到屏蔽作用,如圖13、14。

圖13 屏蔽前后示意圖

屏蔽作用的大小可以用屏蔽效能表示:

SE=20 lg(E1/ E2)

SH=20 lg(H1/ H2)dB

圖14 0.5mm厚鋁板綜合屏蔽效能圖

由圖14 曲線看出,厚度為0.5mm鋁板對(duì)低頻電場(chǎng)的屏蔽效能高于磁場(chǎng),對(duì)于高頻段電、磁場(chǎng)的屏蔽效能逐漸趨于一致。

4 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的共模輻射是純電動(dòng)汽車主要的輻射騷擾源,本文根據(jù)工作中的實(shí)例總結(jié)出適用于純電動(dòng)汽車輻射發(fā)射性能測(cè)試的全頻率范圍(150kHz~l.0GHz)的檢測(cè)、騷擾源定位以及整改方法,對(duì)新能源汽車的EMI性能提升具有一定的啟示意義。

[1] 韓利,溫旭輝,曾莉莉.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)[J].安全與電磁兼容,2006(1):81-84.

[2] Nobuyoshi Muwh,Mikiham Nakanishi,Masaki Kanesaki,ela1.Control Methods for EMI Noises Appearing in Electric Vehicle Drive syetems[C]∥Applied PowerElectronics Confer-enceand Exposition. Austin:APEC,2005.

[3] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.GB/T18387-2017電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2017.

[4] 上海電器科學(xué)研究所,中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.GB14023-2011車輛,船和內(nèi)燃機(jī)無(wú)線電騷擾特性用于保護(hù)車外接收機(jī)的限值和測(cè)量方法.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

The Location and Solution of EMI Disturbance Source on New Energy Automobiles

Shu Nanxiang, Chen Lei, Xu Tao

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. New Energy Automobile Research Institute, Anhui Hefei 230601 )

This paper introduces the radiation mechanism of new energy automobiles. Based on the testing examples of vehicle radiation emission of new energy automobiles, selection basis of the EMC Testing standards and some possible problems in the test are described. Then, the testing results are analyzed reasonably.

New energy automobile; EMC; radiation emission; common mode radiation

B

1671-7988(2019)03-18-04

U469.7

B

1671-7988(2019)03-18-04

U469.7

舒南翔(1988-),男,湖北荊門人,碩士研究生,就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 新能源汽車研究院,主要從事整車電氣架構(gòu)、整車EMC性能開(kāi)發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.005

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