趙延華 張榮 曹興盛

中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

隨著國(guó)家推行新能源政策的實(shí)施，城市中新能源公交車(chē)已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)的燃油公交車(chē)。新能源公交車(chē)從動(dòng)力上可劃為油電混合、純電動(dòng)和氫燃料電池三類(lèi)，它們都含有由電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)構(gòu)成的三電系統(tǒng)。和傳統(tǒng)公交車(chē)相比，新能源公交車(chē)的三電系統(tǒng)比內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的電磁環(huán)境更為復(fù)雜，包含了大量的高頻干擾與能量脈沖。與一般新能源小型汽車(chē)相比，新能源公交車(chē)車(chē)身較大，且含有較多特有的電氣部件（如電子刷卡器、監(jiān)控影像、報(bào)站器等），這使得新能源公交車(chē)更容易產(chǎn)生電磁騷擾。

現(xiàn)新能源公交車(chē)需要通過(guò)的電磁兼容強(qiáng)制性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，分別為GB 34660-2017和GB/T 18387-2017，其中GB 34660-2017于2020年正式列入強(qiáng)檢項(xiàng)目。從初次試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)上來(lái)看，新能源公交車(chē)的輻射發(fā)射類(lèi)檢驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)率不太理想，其中GB/T 18387-2017標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)率更低。通過(guò)對(duì)初次試驗(yàn)輻射發(fā)射超限值的新能源公交車(chē)診斷分析，結(jié)合新能源公交車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析常見(jiàn)騷擾源，整理出一套適用于診斷新能源公交車(chē)騷擾源的方法。

2 新能源公交車(chē)電氣系統(tǒng)與常見(jiàn)騷擾源

2.1 新能源公交車(chē)電氣系統(tǒng)

新能源公交車(chē)電氣系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地劃分為低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)兩部分。由動(dòng)力電池輸出的高壓直流電通過(guò)電機(jī)控制器（MCU）轉(zhuǎn)化成高壓三相交流電，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)空壓機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等提供電能，這構(gòu)成了新能源公交車(chē)的高壓電氣系統(tǒng)。動(dòng)力電池通過(guò)高低壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）將高壓直流電轉(zhuǎn)換為24 V低壓直流電，為儀表、照明和信號(hào)裝置等提供電能，并給輔助蓄電池充電，構(gòu)成了新能源公交車(chē)的低壓電氣系統(tǒng)。圖1為某純電動(dòng)公交車(chē)的電氣系統(tǒng)布置圖。

圖1 某純電動(dòng)公交車(chē)的電氣系統(tǒng)布置圖

2.2 新能源公交車(chē)常見(jiàn)騷擾源

新能源公交車(chē)上的騷擾源有很多，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、高低壓轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)（BMS）等。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)輻射發(fā)射超限值的新能源公交車(chē)診斷分析，發(fā)現(xiàn)最易引發(fā)車(chē)輛輻射發(fā)射超限值的電氣部件是電機(jī)控制器和高低壓轉(zhuǎn)換器。下面對(duì)這兩個(gè)電氣部件進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

電機(jī)控制器主要由逆變器、控制器和散熱器三部分組成[1]。動(dòng)力電池提供的高壓直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成一定基波頻率的三相正弦交流電，其電壓和電流中含有豐富的高次諧波（一般為IGBT開(kāi)關(guān)晶體管產(chǎn)生），這些諧波會(huì)通過(guò)線束或者空間耦合的方式影響到車(chē)輛其他電氣部件。

高低壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）是將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電的重要部件，一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)指揮開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和阻斷，控制輸出的電壓。PWM是一種保持開(kāi)關(guān)頻率不變，改變輸出脈沖電壓寬度的調(diào)制方式，DC/DC使用的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率越高，電流電壓的變化就越快，產(chǎn)生的電磁騷擾也就越大。新能源公交車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制器一般采用后置方式放置，而DC/DC常常會(huì)安裝在電機(jī)控制器附近（如圖1該車(chē)輛直接將DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器等直接整合到四合一控制器中）。這就使得DC/DC輸出的低壓電需要通過(guò)較長(zhǎng)的線束連接到電動(dòng)公交車(chē)的駕駛室的低壓部件，這樣很容易構(gòu)成一個(gè)較大的環(huán)路，DC/DC產(chǎn)生的電磁騷擾通過(guò)這個(gè)環(huán)路會(huì)對(duì)外產(chǎn)生強(qiáng)的輻射。

3 簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)的預(yù)測(cè)試方法

為了滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求，車(chē)輛的輻射發(fā)射試驗(yàn)通常需要在半電波暗室中進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)使用接收天線、前置放大器、接收機(jī)等設(shè)備對(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)，最終試驗(yàn)結(jié)果以場(chǎng)強(qiáng)-頻率圖表示。圖2為某電動(dòng)公交車(chē)進(jìn)行GB/T 18387-2017測(cè)試時(shí)車(chē)輛左側(cè)面磁場(chǎng)徑向的試驗(yàn)結(jié)果圖，圖3為某電動(dòng)公交車(chē)進(jìn)行GB 34660-2017試驗(yàn)時(shí)左側(cè)面寬帶垂直極化的試驗(yàn)結(jié)果圖。

圖2 某電動(dòng)公交車(chē)左側(cè)面磁場(chǎng)徑向的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 某電動(dòng)公交車(chē)左側(cè)面窄帶垂直極化的試驗(yàn)結(jié)果

不過(guò)，整車(chē)暗室的測(cè)試費(fèi)用昂貴，且資源較為緊張，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是一筆不小的開(kāi)支。因此對(duì)于前期的摸底和驗(yàn)證，我們建議可以采用由近場(chǎng)探頭與頻譜分析儀等設(shè)備組建的簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)[2]來(lái)對(duì)整車(chē)做預(yù)測(cè)試，如圖4所示（其中①處位置根據(jù)需要可以選擇加入前置放大器或限幅器）。

圖4 簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)

簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試環(huán)境沒(méi)有太高要求，其組建設(shè)備體積小、易攜帶且價(jià)格較低，能夠降低試驗(yàn)成本。同時(shí)由于掃描方式的不同，在掃描相同的頻段時(shí)，頻譜分析儀掃描速度比接收機(jī)更快，可以節(jié)省測(cè)試時(shí)間。

使用該簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，近場(chǎng)探頭一般選用磁場(chǎng)探頭，測(cè)試時(shí)需將探頭放在距被測(cè)處較近的位置進(jìn)行。應(yīng)該注意的是，由于簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)中使用的近場(chǎng)探頭測(cè)試區(qū)域較小，單次測(cè)量無(wú)法較完整地體現(xiàn)車(chē)輛的真實(shí)輻射狀態(tài)，若想對(duì)整個(gè)車(chē)輛的輻射發(fā)射情況有一個(gè)整體了解時(shí)需要進(jìn)行多次多位置測(cè)量。所以，使用人員應(yīng)對(duì)整車(chē)易產(chǎn)生電磁騷擾的部件有一定的了解，這樣在對(duì)車(chē)輛進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可以有方向地進(jìn)行。除此之外，該簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)還可以用來(lái)排查診斷車(chē)輛騷擾源（見(jiàn)本文4.3）。

4 診斷分析方法

對(duì)于輻射發(fā)射超限值新能源公交車(chē)的騷擾源診斷，我們可以通過(guò)其測(cè)試結(jié)果頻譜圖來(lái)分析。一般來(lái)說(shuō)，診斷分析方法有元件固有頻率分析法、排除法和頻譜分析儀頻率搜查法等，這些方法均可以幫助工程師快速地查找并定位到騷擾源。

4.1 元件固有頻率分析法

這種方法可以在測(cè)試結(jié)果的頻譜圖上直接看出或者通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得出產(chǎn)生騷擾的元件頻率，常見(jiàn)的就是頻譜圖上的倍頻現(xiàn)象和特殊頻點(diǎn)。倍頻現(xiàn)象其實(shí)是元件的工作頻率或其諧波頻率造成的，可以通過(guò)倍頻現(xiàn)象出現(xiàn)的高輻射頻點(diǎn)頻率間隔計(jì)算得出騷擾元件的工作頻率或者其諧波頻率（如圖3通過(guò)計(jì)算頻點(diǎn)5和4間的頻率差值，得出頻率約為64 MHz），以此可以快速地定位到騷擾元件。常見(jiàn)的這類(lèi)元件有MOS管、晶體振蕩器、IGBT[3]等。

特殊頻點(diǎn)如13.56 MHz（如圖2頻點(diǎn)2所示），它是高頻RFID讀卡器的工作頻率，常見(jiàn)于公交車(chē)的刷卡器系統(tǒng)，其有效距離可達(dá)到60 cm[4]，如圖5所示。產(chǎn)生的騷擾通過(guò)線束或者空間耦合的方式進(jìn)入車(chē)輛的電氣系統(tǒng)進(jìn)行了放大，就可導(dǎo)致車(chē)輛在該頻點(diǎn)的輻射發(fā)射超標(biāo)。掌握這一類(lèi)的特殊頻點(diǎn)就可以迅速找到產(chǎn)生電磁騷擾的部件。

圖5 某電動(dòng)公交車(chē)刷卡器

4.2 排除法

在試驗(yàn)結(jié)果頻譜圖上沒(méi)有明顯特征又暫時(shí)沒(méi)有排查方向時(shí)，可以采用排除法來(lái)進(jìn)行診斷分析。排除法是通過(guò)逐一將車(chē)輛電子電器部件斷電來(lái)尋找騷擾源的常用手段，可以通過(guò)拔保險(xiǎn)、拔線、分區(qū)工作等方式進(jìn)行，在不拆車(chē)的情況下可以對(duì)車(chē)輛做一個(gè)較為全面的排查診斷。當(dāng)無(wú)法通過(guò)拔保險(xiǎn)的方式進(jìn)行排查時(shí)，可以打開(kāi)車(chē)輛的外殼，用拔掉電氣部件電源線的方式來(lái)進(jìn)行。需要注意的是，無(wú)論拔保險(xiǎn)或是拔線尤其是拔除高壓線束時(shí)都需要斷電操作，以保證安全。通常通過(guò)排除法查找出來(lái)問(wèn)題部件，需要單獨(dú)使其工作來(lái)判斷其是否為真正的騷擾源。圖6為某純電動(dòng)公交車(chē)保險(xiǎn)盒布局圖。

圖6 某純電動(dòng)公交車(chē)保險(xiǎn)盒布局圖

當(dāng)通過(guò)簡(jiǎn)單的拔保險(xiǎn)、拔線方式無(wú)法做出準(zhǔn)確定位時(shí)（如拔掉某模塊保險(xiǎn)出現(xiàn)了互鎖現(xiàn)象，另一塊部件也停止了工作），可以采取分區(qū)工作的方式進(jìn)行排查，即單獨(dú)關(guān)掉或開(kāi)啟互聯(lián)的系統(tǒng)再進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，用這種方法來(lái)大致地判斷騷擾源位置。

4.3 頻譜分析儀頻率搜查法

前文提到，使用近場(chǎng)探頭與頻譜分析儀組合成的簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行初步的摸底。同時(shí)，這套系統(tǒng)也可以用來(lái)對(duì)超限值的頻點(diǎn)或頻段進(jìn)行騷擾源探測(cè)分析，這種方法一般配合排除法使用，在排除法排除到一定程度無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行時(shí)（如出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象），就可以使用頻譜分析儀頻率搜查法。

使用該方法時(shí)，一般要拆開(kāi)車(chē)體進(jìn)行排查，先調(diào)整好簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)頻譜分析儀的中心頻率和讀取帶寬，再依次探測(cè)可疑部件并相應(yīng)記錄頻譜分析儀顯示的電平，然后通過(guò)對(duì)比電平數(shù)值，可以更為精確地定位到騷擾源。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源車(chē)輛的電磁兼容性是整車(chē)廠商和零部件供應(yīng)商共同關(guān)注的熱點(diǎn)，未來(lái)汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，其診斷與整改是研發(fā)工程師需要持續(xù)關(guān)注和研究的方向。

本文對(duì)新能源公交車(chē)電氣系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單劃分，對(duì)電機(jī)控制器和高低壓轉(zhuǎn)換器兩個(gè)常見(jiàn)的騷擾源進(jìn)行了分析。搭建的簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)，既能用于預(yù)測(cè)試，也能用來(lái)排查診斷。筆者結(jié)合多年對(duì)輻射發(fā)射結(jié)果超限值的新能源公交車(chē)診斷分析經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了根據(jù)測(cè)試結(jié)果頻譜圖來(lái)判斷使用元件固有頻率分析法、排除法、頻譜分析儀頻率搜查法等常用方法，實(shí)踐證明使用這些方法可以快速地定位到騷擾源位置，節(jié)省測(cè)試成本，為相關(guān)從業(yè)者提供了解決問(wèn)題的思路與手段。