曾 博，鄧俊泳，林道祺，林 青，劉國榮

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510275）

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)工況的EMI測(cè)試技術(shù)需求與方案設(shè)計(jì)

曾 博，鄧俊泳，林道祺，林 青，劉國榮

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510275）

針對(duì)電動(dòng)汽車高度集成的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能帶來電磁兼容性問題，討論國際上現(xiàn)行電動(dòng)汽車電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中汽車工作狀況設(shè)置，指出動(dòng)態(tài)車輛工況設(shè)置及測(cè)試方法研究的必要性。并設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)車輛工況信息直接、間接測(cè)量方案，實(shí)時(shí)獲取車速νV、負(fù)載扭矩TV、制動(dòng)力FS參數(shù)信息；其次，提出在動(dòng)態(tài)車輛工況下特征頻率提取采用實(shí)時(shí)頻譜分析儀，最大發(fā)射值測(cè)量采用接收機(jī)的EMI測(cè)試方法；最后，提出讀寫時(shí)間戳法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)車輛工況信息、EMI測(cè)試數(shù)據(jù)匹配。該集成方案可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)工況下的EMI測(cè)試，且測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)間戳無累計(jì)誤差。

電動(dòng)汽車；動(dòng)態(tài)工況；特征頻率提?。话l(fā)射值測(cè)量

0 引 言

電動(dòng)汽車高度集成的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）測(cè)試帶來巨大挑戰(zhàn)。Guttowski S等[1]按照傳統(tǒng)汽車EMC測(cè)試方法測(cè)試電動(dòng)汽車，由于高壓電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果一致性差；余紹峰等[2]發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同功率下，電磁騷擾的絕對(duì)值及其對(duì)時(shí)間的變化率存在差別，在電磁兼容研究中應(yīng)該引起重視；Ruddle A R等[3]討論當(dāng)前汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為目前測(cè)試規(guī)范、方法對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)考慮不充分，需要進(jìn)一步發(fā)展；Iglesias M等[4]發(fā)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車EMC特性會(huì)影響其中控系統(tǒng)可靠性；文獻(xiàn)[5]基于低于30MHz頻段的電動(dòng)汽車EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析，指出國際上EMI測(cè)量手段一致，測(cè)量對(duì)象、評(píng)價(jià)指標(biāo)各有區(qū)別，SAE J551-5——2012還規(guī)定應(yīng)測(cè)量電動(dòng)汽車多種運(yùn)行狀況的電磁場要求[1]。本文將討論國際上現(xiàn)行電動(dòng)汽車EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中汽車工作狀況設(shè)置，進(jìn)一步指出電動(dòng)汽車EMI測(cè)試儀器的一些研究方向與熱點(diǎn)。

1 電動(dòng)汽車EMI測(cè)試工作狀況與流程

當(dāng)前，國際汽車整車EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化組織包括國際無線電干擾特別委員會(huì)（international special committee on radio interference，CISPR）、 聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（economic commission of Europe，ECE）、美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)（society of automotive engineers，SAE）、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)（standardization administration of China，SAC）等，其中 CISPR、ECE將電動(dòng)汽車作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛的一類，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速描述車輛工作狀況，規(guī)定了發(fā)動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)(巡航)、通電但不運(yùn)轉(zhuǎn)（N擋）2種工況，如ECE R10-04、CISPR 12——2009（GB/T 14023——2011）、CISPR 25——2008（GB/T 18655——2010）、CISPR 36(制定中)；SAE體系早期標(biāo)準(zhǔn)SAE J551-5——2004、GB/T 18387——2008以車輛速度描述其工作狀況，設(shè)定勻速巡航1種工況，在最新標(biāo)準(zhǔn)SAE J551-5——2012中，除巡航工況之外，又設(shè)置制動(dòng)（制動(dòng)壓力）、怠速（負(fù)載扭矩）2種工況。表1～表3分別為各標(biāo)準(zhǔn)、CISPR與ECE體系標(biāo)準(zhǔn)、SAE體系標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車輛工作狀況。

SAE J551-5——2012中規(guī)定的測(cè)試流程為[6]：

1）按照表中特征頻率提取的取值，設(shè)置車輛工作狀況，測(cè)試各頻率下的發(fā)射值。

2）根據(jù)第1）步掃描結(jié)果，計(jì)算發(fā)射場強(qiáng)度減去限值后的最大值（離限值線最近）所在頻率。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車輛工作狀況

表2 歐洲體系標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車輛工作狀況

表3 SAE體系規(guī)定的車輛工作狀況

3）依據(jù)第2）步所得的頻率，在最大發(fā)射值測(cè)量規(guī)定范圍內(nèi)選擇工況參數(shù)，測(cè)量最大射值。

4）重復(fù)步驟1）～3）進(jìn)行另外3個(gè)側(cè)面與其他場的測(cè)量。

可以看出，SAE J551-5——2012設(shè)置車輛制動(dòng)、怠速、巡航3種工況，采用控制變量的方式，較好地模擬常規(guī)駕駛時(shí)的各種情況，一定程度上保證電動(dòng)汽車在各種使用狀態(tài)下均不會(huì)出現(xiàn)輻射超標(biāo)現(xiàn)象。SAE J551-5——2012將“變化車輛工況”列為第5.4.4款，指出動(dòng)態(tài)車輛狀況的測(cè)試方法還在研究中。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)工況EMI測(cè)試技術(shù)需求分析與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)工況EMI測(cè)試，需分步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況下的特征頻率提取、最大發(fā)射值測(cè)量，這將會(huì)對(duì)底盤測(cè)功機(jī)、頻譜分析儀、掃描接收機(jī)等儀器設(shè)備的信息化程度提出更高的要求。

2.1 動(dòng)態(tài)工況下車輛信息獲取

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況的EMI測(cè)量，應(yīng)采集用以描述車輛工作狀況的參數(shù)[7-8]，如車速νV、負(fù)載扭矩TV、制動(dòng)力FS。需從車輛或底盤測(cè)功機(jī)，采用直接測(cè)量與間接測(cè)量的方法得到各種參數(shù)。

通過直接測(cè)量可在車輛對(duì)應(yīng)位置獲得車速νV、負(fù)載扭矩TV、制動(dòng)力FS。車速νV可以由車載診斷系統(tǒng)（the second on-board diagnostics，OBD II）中獲取，由OBD II系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)更新率約為10Hz。車輛負(fù)載扭矩TV可采用局部應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量、車輛外部載荷測(cè)量兩種方案；局部應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量方案直接在零部件的高應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)布置應(yīng)變片，測(cè)量準(zhǔn)確度高，但應(yīng)變片粘貼位置受車輛型號(hào)影響[9]；車輛外部載荷測(cè)量方案，一般采用車輪力傳感器測(cè)量作用于車輪軸頭的6個(gè)分力，經(jīng)合成得到車輛外部載荷[10]。制動(dòng)壓力FS則是在垂直力為0 N時(shí)的特殊情況，其傳感物理量與車輛負(fù)載扭矩TV相同。

實(shí)時(shí)獲取多車輪多參數(shù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，集成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)不同行駛狀況下車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)[11]。但直接測(cè)量方案需要針對(duì)車輛特性布置傳感器，在實(shí)際測(cè)試中的可行性較差。

間接測(cè)量方案在底盤測(cè)功機(jī)可獲得的物理量基礎(chǔ)上[12]，計(jì)算得車輛各參數(shù)。圖1為底盤測(cè)功機(jī)與車輛主動(dòng)輪的受力分析圖。

圖1 底盤測(cè)功機(jī)與車輛主動(dòng)輪受力分析圖

若車輪與轉(zhuǎn)鼓間無相對(duì)滑動(dòng)，底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速nT、半徑RT、固定位置拉力FTL、與車輪接觸面阻力FTS，前進(jìn)、后退防護(hù)裝置拉力分別為FVF、FVB，車輛輪胎半徑RV、主動(dòng)軸直徑DVF；車速νV、負(fù)載扭矩TV、制動(dòng)力FS分別為

2.2 動(dòng)態(tài)工況下特征頻率提取

在特征頻率提取階段，可以采用掃頻式頻譜分析儀、實(shí)時(shí)頻譜分析儀。

按標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-1-1——2010規(guī)定，采用準(zhǔn)峰值檢波器測(cè)試頻段 B（150 kHz～30 MHz，RBW=9 kHz）[13]，掃頻式頻譜分析儀至少需要耗時(shí)63.3s，而實(shí)時(shí)頻譜分析儀僅需1.0s。因此選用實(shí)時(shí)頻譜分析儀實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況特征頻率提取。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀利用有限長數(shù)據(jù)經(jīng)離散傅里葉變換（discrete fourier transform，DFT），計(jì)算其頻域特性。設(shè)信號(hào)X（t）的無限長離散序列為X（∞）={x（n）}（n∈Z）、N點(diǎn)序列為X（N）={x（n）}（0≤n＜N），則X（N）為

則其DFT[14]為

實(shí)際應(yīng)用中若采用快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT）進(jìn)行計(jì)算，由式（5）可知，變換兩端（時(shí)域和頻域上）的序列為有限長，信號(hào)截?cái)鄷?huì)產(chǎn)生能量泄漏。對(duì)有限長離散信號(hào)作DFT，會(huì)對(duì)其周期延拓變換，存在柵欄效應(yīng)，可選擇合適的窗函數(shù)抑制。不同窗函數(shù)對(duì)信號(hào)頻譜影響不同，如矩形窗主瓣窄、旁瓣大，頻率識(shí)別準(zhǔn)確度最高、幅值識(shí)別準(zhǔn)確度最低；布萊克曼窗主瓣寬、旁瓣小，頻率識(shí)別準(zhǔn)確度最低、幅值識(shí)別準(zhǔn)確度最高。

在特征頻率提取階段，頻率與幅值識(shí)別準(zhǔn)確度都會(huì)影響到特征頻率的提取，故需要針對(duì)電動(dòng)車動(dòng)態(tài)工況的信號(hào)設(shè)置窗函數(shù)，提高特征頻率提取準(zhǔn)確度。

設(shè)實(shí)時(shí)頻譜分析儀的原理誤差為u1、頻率讀數(shù)不確定度為u2，則儀器的合成不確定度uc為

降低實(shí)時(shí)頻譜分析儀原理誤差u1與頻率讀數(shù)不確定度u2，即可降低合成不確定度uc。

設(shè)儀器游標(biāo)頻率fc、頻率精準(zhǔn)不確定度u2_1、掃描帶寬特性ascan、分析帶寬特性arbw、掃描帶寬fscan、分析帶寬frbw、掃描點(diǎn)數(shù)N，則頻率讀數(shù)不確定度u2為

其中，fc、u2_1、ascan、arbw、frbw由儀器特性決定， 對(duì)于同一臺(tái)儀器，其值不變；fscan由測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)決定，對(duì)于同一項(xiàng)目測(cè)試，其值不變。因此，只能通過提高掃描點(diǎn)數(shù)N或設(shè)計(jì)最優(yōu)的窗函數(shù)，才能降低儀器的合成不確定度uc，提高特征頻率提取準(zhǔn)確度。

2.3 動(dòng)態(tài)工況下發(fā)射值測(cè)量

發(fā)射值測(cè)量采用接收機(jī)的固定頻率模式，在提取到的特征頻率fCi（i=1，2，3，…）下，測(cè)量得電磁場發(fā)射值ECi隨掃查時(shí)間tR的變化關(guān)系，并與規(guī)定的限值比較得出結(jié)論。在動(dòng)態(tài)工況下，汽車工況隨測(cè)試開始后的時(shí)間tT變化，應(yīng)將tT與tR對(duì)應(yīng)起來。時(shí)間對(duì)應(yīng)可以采用協(xié)同作業(yè)或讀寫時(shí)間戳2種方案。

若底盤測(cè)功機(jī)、EMI測(cè)試接收機(jī)的延時(shí)特性分別為tTC、tRC，則對(duì)于相等的相對(duì)時(shí)間戳t（i）T、t（j）R，系統(tǒng)誤差ΔtC為

系統(tǒng)誤差ΔtC可以利用軟件控制儀器多次測(cè)得平均值進(jìn)行補(bǔ)償。此外，采用采樣頻率與數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)計(jì)算相對(duì)時(shí)間的方法，存在累積誤差。

2）讀寫時(shí)間戳法在上位機(jī)獲取發(fā)出開始指令、收到數(shù)據(jù)的時(shí)間，則對(duì)于數(shù)據(jù)中各個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間，可以采用插值方法（如牛頓-萊布尼茨插值等）計(jì)算。圖2為基于讀寫時(shí)間戳的同步方案機(jī)理圖。

圖2 基于讀寫時(shí)間戳的同步方案

設(shè)上位機(jī)發(fā)出開始指令的時(shí)間Ts、儀器開始采集數(shù)據(jù)的時(shí)間TAs、儀器結(jié)束采集數(shù)據(jù)的時(shí)間TAe、上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)的時(shí)間Te，則數(shù)據(jù)時(shí)間戳的原理誤差uT為

可見，該方案沒有累積誤差；若儀器為頻譜分析儀，其檢波時(shí)間TD=TAe-TAs，則可計(jì)算得uT，再對(duì)插值方法進(jìn)行補(bǔ)償，即可抑制原理誤差。

另外，若能測(cè)得上位機(jī)與儀器的通信延遲、儀器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，再對(duì)插值方法進(jìn)行補(bǔ)償，可更加有效地抑制原理誤差。

3 結(jié)束語

1）分析當(dāng)前國際汽車整車EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化工作，指出研究動(dòng)態(tài)車輛狀況的EMI測(cè)試方法是未來趨勢(shì)且具有一定意義，并分析其對(duì)車輛信息獲取、電磁干擾值測(cè)試的技術(shù)需求。

2）明確動(dòng)態(tài)工況應(yīng)獲取的車輛信息為車速νV、負(fù)載扭矩TV、制動(dòng)力FS，設(shè)計(jì)通過實(shí)時(shí)獲取多參數(shù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的直接測(cè)量方案與根據(jù)底盤測(cè)功機(jī)獲得物理量計(jì)算車輛各參數(shù)的間接測(cè)量方案。

3）動(dòng)態(tài)工況下電磁干擾值測(cè)試，選用實(shí)時(shí)頻譜分析儀實(shí)現(xiàn)特征頻率提取，需研究專用窗函數(shù)，提高特征頻率提取準(zhǔn)確度；最大發(fā)射值測(cè)量可采用接收機(jī)的固定頻率模式。針對(duì)協(xié)同作業(yè)法對(duì)應(yīng)EMI測(cè)量值與車輛工況數(shù)據(jù)存在累積誤差的問題，提出無累積誤差的讀寫時(shí)間戳法。

[1]GUTTOWSKI S， WEBER S， HOENE E， et al.EMC issues in cars with electric drives[C]∥2003 IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility，2003.

[2]余紹峰，何金良，張波，等.燃料電池客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾源的統(tǒng)計(jì)分析[J].高電壓技術(shù)，2007，33（10）：45-48.

[3]RUDDLE A R，ARMSTRONG R.Review of current EMC standards in relation to vehicles with electric powertrains[C]∥2013 International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2013.

[4]IGLESIAS M， ECHEVERRIA I， ARTECHE F， et al.EMC mapping of a power train for fully electric 4-wheel drive vehicle[C]∥2014 International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2014.

[5]曾博，鄧俊泳，林道祺，等.電動(dòng)汽車低于30 MHz頻段EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析[J].中國測(cè)試，2016，42（9）：11-14.

[6]Performance levels and methods of measurement of magnetic and electric field strength from electric vehicles，150 kHz to 30MHz：SAE J551-5-2012[S].2012.

[7]汪玲燕，程耕國，鮑考明，等.OBD物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].自動(dòng)化儀表，2015，36（5）：52-56.

[8]黃瑞龍，劉桂雄，黃堅(jiān)，等.基于掃頻調(diào)諧預(yù)掃描的快速EMI測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2016，30（8）：1269-1274.

[9]王霄鋒，徐文，黃元毅，等.車輛道路行駛載荷測(cè)量方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2012（5）：666-671.

[10]李世武，姚雪萍，孫文財(cái)，等.體現(xiàn)懸架特性的車輛載荷狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，44（2）：335-342.

[11]張健偉，劉桂雄，潘夢(mèng)鷂.基于智能傳感的車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（18）：4268-4272.

[12]溫溢，田野，王建海，等.耐久底盤測(cè)功機(jī)隨使用時(shí)間的內(nèi)阻特性研究[J].中國測(cè)試，2013，39（4）：121-124.

[13]Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods——Part 1-1:Radio disturbance and immunity measuring apparatus——Measuring apparatus：CISPR 16-1-1:2010[S].2010.

[14]ARIF M.A novel approach for DFT computation[C]∥2015 International Conference on Circuits，Power and Computing Technologies（ICCPCT），2015.

（編輯：商丹丹）

Technology requirement and scheme design for electric vehicle EMI measurements in transient condition

ZENG Bo， DENG Junyong， LIN Daoqi， LIN Qing， LIU Guorong
（China National Electric Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510275，China）

Forhighly integrated electric drive system of electric vehicle could lead to the electromagnetic compatibility problem， the vehicle conditionspreceptsof currentinternational electric vehicle electromagnetic interference （EMI） measurements standard were discussed.It was necessary to study the transient condition of the vehicle design and test method.On this purpose，direct and indirect real-time measurement methods for transient vehicle conditions information were put forward， and the vehicle speed， load torque and braking force were acquired in real time.EMI measurements method for transient vehicle conditions was also proposed，which characteristic frequency was test by real-time spectrum analyzer and emission was measured by receiver.In order to matching transient vehicle conditions information and EMI measurement data，a read/write timestamp method was present.The discussion shows that integration scheme can realize electric vehicle EMI measurements in transient condition.There is no accumulated error from the read/write timestamp matching method.

electric vehicle； transientcondition； characteristic frequency extraction； emission measurement

A

1674-5124（2017）11-0008-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.002

2017-02-11；

2017-03-24

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201504010037）

曾 博（1981-），男，湖北公安縣人，工程師，碩士，主要從事電磁兼容檢測(cè)技術(shù)研究。