張浩，劉桂彬，徐梟，胡建，周榮

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，政府對新能源汽車的支持力度不斷加大，電動(dòng)汽車憑借其自身節(jié)能環(huán)保的特性也越來越受到消費(fèi)者的青睞。同時(shí)，世界各大汽車制造廠商在不斷優(yōu)化改良現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上，紛紛推出混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等車型。相比于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車所配備的高壓電氣元件會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁干擾。同時(shí)，隨著網(wǎng)聯(lián)化和智能化的發(fā)展，更多低壓電氣元件得到應(yīng)用，這些部件本身對復(fù)雜電磁環(huán)境的承受能力較弱，降低了電動(dòng)汽車的抗干擾程度。因此，與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車的電磁兼容問題更為復(fù)雜。

1 電磁兼容介紹

電磁干擾的來源主要有車體靜電干擾、車外電磁干擾以及車內(nèi)電磁干擾。車體靜電干擾是指汽車在高速行駛過程中，車體與空氣不斷摩擦產(chǎn)生靜電，當(dāng)電荷積累到一定數(shù)量且外在條件合適，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生高頻輻射。車外電磁干擾主要發(fā)生在某些特定環(huán)境下，例如無線電發(fā)射基站和變電站等強(qiáng)輻射源附近。據(jù)報(bào)道，某抗電磁干擾設(shè)計(jì)有嚴(yán)重缺陷的汽車，由于高速路口收費(fèi)站產(chǎn)生的電磁輻射，發(fā)生了其安全氣囊在正常狀況下炸開的故障[1]。車內(nèi)電磁干擾是指汽車內(nèi)部的電子電氣設(shè)備在正常工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，是目前電動(dòng)汽車電磁兼容主要的研究對象。無論哪種干擾都嚴(yán)重影響著電動(dòng)汽車行駛的安全性和可靠性。

針對電磁兼容問題三大要素，如圖1所示，常依據(jù)隔離騷擾源和敏感部件、發(fā)現(xiàn)并阻斷耦合途徑的原則，在實(shí)踐中采用接地、濾波和屏蔽的方法解決相關(guān)問題。

圖1 電磁兼容三要素

2 高壓電氣元件

動(dòng)力電池以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等強(qiáng)電設(shè)備，在其運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，并對車內(nèi)其他部件會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，這是車內(nèi)電磁干擾的主要來源。

2.1 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池以及與之相連接的動(dòng)力線纜一般載有較高的電壓和較大的電流，車輛在不同運(yùn)行工況下電流和電壓必然會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。對此，可以在線纜以及其他可能有電磁泄露的地方覆蓋鋁箔以屏蔽干擾，在連接處要選用如圖2所示的專用電纜，以進(jìn)一步保證屏蔽效果[2]。

圖2 帶屏蔽接頭的專用線纜

屏蔽與接地密切相關(guān)，在加強(qiáng)屏蔽層設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要注意屏蔽的接地方式以達(dá)到滿意的屏蔽效果。實(shí)踐中，用作屏蔽內(nèi)電場的屏蔽體一定要良好接地，如圖3所示，使其對外電場強(qiáng)度為零。用于保護(hù)通信線纜的屏蔽層有與之類似的結(jié)構(gòu)。

圖3 靜電屏蔽原理

接地時(shí)，相較于所有電路共同使用一條公用地線的單點(diǎn)接地而言，多點(diǎn)接地可以突破單點(diǎn)接地在高頻段范圍內(nèi)的限制，同時(shí)可以縮短各接地線路進(jìn)而能夠減少電線的天線效應(yīng)。

在工程實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，很多電磁兼容問題都是屏蔽與接地設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的，優(yōu)化屏蔽接地設(shè)計(jì)，尤其是優(yōu)化強(qiáng)電部分電磁兼容性的設(shè)計(jì)，對車輛電磁環(huán)境的改善至關(guān)重要。

2.2 電源系統(tǒng)組件

2.2.1 電池管理系統(tǒng)（BMS）

電池管理系統(tǒng)主要進(jìn)行電池相關(guān)信號的處理和傳遞，較低的工作電壓與電流決定其較弱的抗干擾能力。車內(nèi)電磁干擾對 BMS的耦合有兩種主要途徑：一是車內(nèi)的低頻瞬態(tài)和各種干擾直接通過 BMS的電源線以共模或差模干擾的形式耦合進(jìn) BMS，二是車內(nèi)的各種輻射干擾場把能量耦合在BMS的連接線束上，形成共模干擾電流耦合進(jìn)BMS[3]。所以BMS一般采用金屬鋁質(zhì)外殼以盡量隔離外界干擾，同時(shí)，在保證功能及安裝需求的條件下盡量縮短 BMS與電池之間的線路長度。

圖4 某電動(dòng)車BMS示意圖

2.2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器是電動(dòng)車高壓電氣系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊，它將高壓小電流轉(zhuǎn)換為低壓大電流輸出到車燈等低壓部件，是一個(gè)大功率振蕩器，運(yùn)行時(shí)電壓隨時(shí)間會(huì)有很大的波動(dòng)。對于DC/DC變換器，首先在設(shè)計(jì)之初就要考慮電磁干擾問題，在電路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)。其次，在輸入端加接電源濾波器，這樣既可以無衰減地輸送直流功率，還可以大大衰減高頻干擾信號[4]。需要注意的是，作為電池的外部設(shè)備，電池冷卻系統(tǒng)一般會(huì)選用有刷電機(jī)，運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的騷擾。

2.3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器以及功率變換器。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率變換器是該部分產(chǎn)生電磁騷擾的主要源頭。

2.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類較多，均是利用電流與磁場之間相互作用的原理將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是典型的寬帶騷擾源。一方面，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，內(nèi)部線圈會(huì)通過空間和導(dǎo)線產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁騷擾，擾亂周圍電磁環(huán)境[5]；另一方面，電機(jī)內(nèi)部線圈是電感元件，在電機(jī)啟動(dòng)和停車階段會(huì)有不同程度的電流波動(dòng)，形成浪涌效應(yīng)。同樣地，在逆變器啟動(dòng)瞬間也會(huì)產(chǎn)生類似的瞬態(tài)干擾。對于浪涌沖擊、靜電以及電快速脈沖群等瞬態(tài)干擾，可以加裝合適的瞬態(tài)干擾吸收元件，如瞬變電壓抑制管、壓敏電阻以及氣體放電管等。另外，為了能及時(shí)了解電機(jī)運(yùn)行狀況而安裝在電機(jī)上的傳感器也是常見的窄帶騷擾源，同時(shí)它也是抗干擾能力較弱的易感元器件，此類電氣元件在電動(dòng)車輛中應(yīng)用較多，必要時(shí)需要關(guān)注排查。

除此了上面提到的方法，改進(jìn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以達(dá)到對整車電磁兼容優(yōu)化的效果。例如，為了減少電纜引起的天線效應(yīng)，可以將電機(jī)控制器盡量靠近電機(jī)；為防止傳導(dǎo)耦合影響正常通信，整車控制器要盡可能遠(yuǎn)離電機(jī)等高壓設(shè)備。

2.3.2 逆變器

逆變器電路中的 IGBT 開關(guān)管動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流突變會(huì)通過動(dòng)力線纜產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，信號線與動(dòng)力電纜會(huì)之間會(huì)產(chǎn)生互感，底盤與動(dòng)力電纜之間產(chǎn)生也會(huì)產(chǎn)生共模干擾[6]?？梢圆捎孟挛牡姆椒ㄍㄟ^屏蔽和接地以降低對外界的干擾。最后，還要把逆變器作為一個(gè)整體進(jìn)行屏蔽，同時(shí)將屏蔽體外殼良好接地。

3 整車設(shè)計(jì)

實(shí)際上，不同類型車輛的主要強(qiáng)電零部件外形設(shè)計(jì)與安放位置不盡相同，但從整車設(shè)計(jì)角度來看，有一些通用方法可以在一定程度上提高整車的電磁兼容性能。

3.1 線纜布置

線束電纜在瞬變的電流作用下可以看作是一個(gè)個(gè)輻射天線，即使在平行傳輸途中也存在著導(dǎo)線之間的互感，導(dǎo)致信號的串?dāng)_。因而整車線纜布局設(shè)計(jì)顯得尤為重要。一般來說，線纜在布局設(shè)計(jì)上要遵循的基本原則是：盡可能避免線束之間發(fā)生干擾。

3.1.1 動(dòng)力線纜

動(dòng)力線纜高電壓、大電流以及其較大的波動(dòng)特性決定著其會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，尤其是對低壓通信控制線纜的干擾尤為明顯。一般來講，高壓導(dǎo)線可以與低壓導(dǎo)線鋪設(shè)在一起，但是不能與低壓通信控制線鋪設(shè)在一起。同時(shí)，高壓線纜與信號線要并行布置，避免環(huán)形布線，以減小高壓脈沖對信號脈沖的干擾。

3.1.2 通信線纜

圖5 雙絞線示意圖

通信線纜一般選用屏蔽雙絞線，如圖5所示，并盡量將其絞緊，布線緊貼在底盤上。雙絞方式使得感應(yīng)的磁場相互抵消，可以降低外接電磁場對絞線的干擾以及絞線之間的互相干擾，降低衰減。而屏蔽層可以減少自身對外界的電磁干擾，也可以降低自身信號的衰減和噪音的引入，因而可以提供更潔凈的電信號和更長的線纜長度。雖然屏蔽雙絞線價(jià)格更加昂貴，安裝也更加復(fù)雜，但其電磁兼容特性優(yōu)越，所以應(yīng)用廣泛[7]。

3.2 孔縫

受限于工藝與設(shè)計(jì)等原因，某些箱體上會(huì)留有用于散熱或線纜進(jìn)出孔洞，汽車殼體拼接處也會(huì)留有縫隙，這些都是可能會(huì)引起電磁輻射泄露的隱患。在留有縫隙或空洞的地方加裝導(dǎo)電泡棉墊或金屬絲網(wǎng)，可以有效隔離泄露。在某些不方便加裝導(dǎo)電泡棉墊或金屬絲網(wǎng)的地方，可以應(yīng)用衍射的原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性加深縫隙深度。

3.3 其他

對于高壓回路的屏蔽，可以在機(jī)箱與連接器之間加裝導(dǎo)電襯墊，減小屏蔽導(dǎo)體的接地阻抗，在芯線外面包裹屏蔽層，接線時(shí)屏蔽層要全角度接地，避免“豬尾巴效應(yīng)”。一般來講，編織屏蔽密度越高，屏蔽效果越好，但成本會(huì)升高，編織網(wǎng)的柔韌性也會(huì)下降。對于某些電磁要求更為嚴(yán)格或者有其他限制的地方，可以在線纜外側(cè)套加金屬屏蔽管以充分隔離。

4 總結(jié)

本文對電動(dòng)汽車電磁兼容常見問題進(jìn)行了討論，并著重分析了高壓電氣部件與整車電磁兼容的優(yōu)化原理與方法。目前，我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)方興未艾，電動(dòng)汽車電磁兼容設(shè)計(jì)正朝著系統(tǒng)化和定量化的方向快速發(fā)展，加強(qiáng)車輛電磁兼容研究對于提高車輛安全性與可靠性具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳立輝.電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)與測試之汽車電子產(chǎn)品(電磁兼容EMC工程技術(shù)叢[M].電子工業(yè)出版社, 2014:10-12.

[2] 齊蒙.電動(dòng)汽車電磁兼容性能分析與優(yōu)化研究[D].導(dǎo)師:周榮.河北工業(yè)大學(xué),2014.

[3] 李旭,肖利華,王麗芳,等.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)抗電磁干擾技術(shù)研究[J].汽車工程學(xué)報(bào), 2012, 2(6):417-423.

[4] 張小林,馬洪江.DC/DC電源中的電磁干擾及其對策[J].微電子學(xué),2004, 34(2):110-115.

[5] 段瑞昌,徐國卿,吳志紅.車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù), 2003(10):40-42.

[6] 張歡歡,吳兵兵.電動(dòng)汽車整車 EMC性能攻關(guān)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017(19):87-91.

[7] 歐陽杰.電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容研究[D].導(dǎo)師:李輝萍蘇州大學(xué),2015.