馬愛國，武云龍，王鵬鵬

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司 新能源技術(shù)部, 廣東 深圳 518000)

隨著政府補(bǔ)貼的退坡，電動車企業(yè)對電動客車的關(guān)注點(diǎn)放在兼顧客車性能的同時降低整車的設(shè)計(jì)成本，以及影響車輛電氣、電子設(shè)備正常運(yùn)行的車內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境的優(yōu)化上。本文以對電動客車運(yùn)行EMC影響較大的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為對象，研究其電機(jī)不同設(shè)計(jì)方案對整車EMC性能的影響情況。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EMC分析

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EMC概況

某款11 m長的客車，轉(zhuǎn)向電機(jī)后置(放在車輛后艙)時，油管長度約10 m，電機(jī)三相線長度約1.5 m。相比于轉(zhuǎn)向電機(jī)前置的方案，油管增長，導(dǎo)致沿程損失增大，所需液壓油量增加，但電機(jī)三相線成本更低；轉(zhuǎn)向電機(jī)前置(放在駕駛室下方附近)時，油管長度約1.5 m，電機(jī)三相線長度約12 m，但可取消25對管夾，油量從8 L降低至5 L，因此綜合成本可降低約500元[1-2]。

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過程中，轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器將動力電池傳過來的直流電經(jīng)降壓、逆變轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機(jī)的交流電。此交流電電壓由于IGBT的開關(guān)動作、續(xù)流二極管的作用以及電路的高頻寄生參數(shù)將導(dǎo)致紋波電壓的產(chǎn)生，該電壓具有較大的du/dt，能夠通過高壓線纜對其附近的低壓線束形成耦合干擾，即形成了以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器的開關(guān)電源作為噪聲源、轉(zhuǎn)向電機(jī)三相線為噪聲傳播途徑的EMC環(huán)境，導(dǎo)致對車內(nèi)的敏感源低壓電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，對整車EMC性能造成較大影響。本文從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，以轉(zhuǎn)向電機(jī)前置設(shè)計(jì)方案的EMC問題為研究對象，由于轉(zhuǎn)向電機(jī)前置的線纜較長，耦合風(fēng)險(xiǎn)較大，從而使得轉(zhuǎn)向電機(jī)前置的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EMC問題更嚴(yán)重。

1.2 線纜紋波電壓強(qiáng)度分析

紋波電壓是指整車上電器正常工作時，輸出的直流電壓中包含的交流分量，其電壓波形具備一定的周期，表現(xiàn)為上下振蕩，一般用示波器進(jìn)行測試。紋波電壓的大小意味著電能質(zhì)量的優(yōu)劣和干擾的風(fēng)險(xiǎn)性大小[3]。

圖1所示為某轉(zhuǎn)向前置車型轉(zhuǎn)向電機(jī)三相線對地的紋波電壓：在電機(jī)正常工作時，IGBT開關(guān)頻率約5 kHz，正常工作電壓峰峰值約550 V；紋波電壓峰峰值達(dá)1 010 V，尖峰處上升沿dt約0.2 us，對應(yīng)頻率5 MHz[4-6]。

圖1 轉(zhuǎn)向電機(jī)紋波電壓示意圖

理論和實(shí)踐證明，只要金屬體內(nèi)有交變的電流，該金屬體就會向空間輻射電磁波，當(dāng)其線束長度為電信號的1/4波長時，該段線束可看作一個發(fā)射天線，其輻射噪聲強(qiáng)度最高。該過程即是線束中交變的紋波電壓通過該段線束(發(fā)射天線)向外界輻射噪聲的方式。

對于前述電機(jī)三相線傳遞的電信號的兩個頻率，一個為IGBT模組工作的開關(guān)頻率5 kHz，另一個為正常工作產(chǎn)生的紋波電壓頻率5 MHz，主要與續(xù)流二極管、高頻寄生參數(shù)相關(guān)。當(dāng)線纜傳遞信號頻率為5 kHz時，波長λ=c/f=3×108÷(5×103)=60 000 m，即線纜長度等于15 000 m(波長的1/4)時，其發(fā)射強(qiáng)度最大。同理，當(dāng)線纜傳遞信號頻率為5 MHz，線纜長度等于15 m時，其發(fā)射強(qiáng)度最大。

即當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)三相線長度由1.5 m(轉(zhuǎn)向電機(jī)后置)增加至12 m(轉(zhuǎn)向電機(jī)前置)時，其紋波電壓產(chǎn)生的干擾已經(jīng)十分接近最大發(fā)射強(qiáng)度，這是導(dǎo)致前置電機(jī)系統(tǒng)對外輻射較強(qiáng)的根本原因。

1.3 線纜紋波電壓諧振分析

1.3.1 電壓諧振點(diǎn)理論分析

當(dāng)電路中由L、C參數(shù)組成的諧振頻率等于電路的固有工作頻率時，會導(dǎo)致諧振現(xiàn)象，此時電路的電壓或電流振幅將達(dá)到最大峰值。高壓線纜中的等效電感L和分布電容C會隨著線束的加長而增大[7]。

對于帶屏蔽層的高壓線纜，其電感值約 915.8 nH/m，當(dāng)線纜長度為12 m時，電感值約11.0 μH；當(dāng)線纜長度為1.5 m時，電感值約1.37 μH。下面對線芯和屏蔽層間的分布電容簡化為兩平行極板近似計(jì)算：

C=ε0εrS/d

(1)

式中：ε0為真空介質(zhì)的介電常數(shù)，取8.85×10-12；εr為材料的相對介電常數(shù)，取橡膠材料介電常數(shù)為4；d為線芯和屏蔽層間的間距，取1 mm；S為兩極板的相對面積。

1.3.2 紋波電壓實(shí)際測試

實(shí)車測試轉(zhuǎn)向三相線對地紋波電壓為：A車型(轉(zhuǎn)向前置)400 V(電機(jī)三相線長9.5 m)；A車型(轉(zhuǎn)向后置)280 V(電機(jī)三相線長1.5 m)；B車型(轉(zhuǎn)向前置)421 V(電機(jī)三相線長9.5 m)；X車型(轉(zhuǎn)向前置)390 V(電機(jī)三相線長7.1 m)；C車型(轉(zhuǎn)向前置)610 V(電機(jī)三相線長11.5 m)。

根據(jù)以上的實(shí)車測試結(jié)果可知，某A車型轉(zhuǎn)向電機(jī)前置方案的紋波電壓比轉(zhuǎn)向電機(jī)后置方案的紋波電壓大120 V。由4輛轉(zhuǎn)向前置車型的數(shù)據(jù)對比可知，轉(zhuǎn)向電機(jī)前置三相線長度與紋波電壓呈正相關(guān)性，每增長1 m，紋波電壓可增大20 V，對與該段三相線布置較近的其他高低系統(tǒng)耦合干擾的風(fēng)險(xiǎn)增大，整車EMC性能也隨之降低。

1.4 騷擾風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)

根據(jù)前述分析可知，轉(zhuǎn)向電機(jī)三相線趨近15 m時，可近似為發(fā)射天線，即輻射騷擾風(fēng)險(xiǎn)性增大；轉(zhuǎn)向電機(jī)前置之后，三相線中傳導(dǎo)的紋波電壓振幅變大，約為同車型后置方案的1.6倍，即傳導(dǎo)騷擾風(fēng)險(xiǎn)性增大。

2 電機(jī)前置干擾案例

某轉(zhuǎn)向前置車型監(jiān)控顯示屏?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的水波紋?，F(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該車啟動后，只要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于工作狀態(tài)(轉(zhuǎn)動方向盤或轉(zhuǎn)向電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中)，無論車輛處在OK+N擋或OK+D擋，顯示屏都會出現(xiàn)水波紋。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)停止工作，無論處于N擋還是D擋，水波紋都消失。初步判定騷擾源為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，敏感源為監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 騷擾源分析——轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器

現(xiàn)場排查時拔掉轉(zhuǎn)向電機(jī)側(cè)的三相線輸入接插件，此時監(jiān)控顯示屏處仍出現(xiàn)水波紋，故可確定騷擾來自于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊。該模塊工作時產(chǎn)生不必要的du/dt是騷擾的根本來源，其通過轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器端口線束、接地點(diǎn)等傳遞至其他模塊，當(dāng)線束加長后會加劇LC振蕩，帶來更大的du/dt。

由測試結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模塊工作后，攝像頭信號端的紋波騷擾由正常工作的1.3 V增加至4.98 V；而電源端的紋波騷擾電壓由正常工作的0.697 V增加至2.92 V。由于攝像頭信號線本身傳遞的工作信號電壓僅為1 V，當(dāng)其受到轉(zhuǎn)向控制模塊工作產(chǎn)生的3.98 V紋波騷擾電壓時，會導(dǎo)致傳輸?shù)男盘栯妷簱诫s著更大的騷擾信號，其傳輸至監(jiān)控主機(jī)運(yùn)算轉(zhuǎn)化后，就會導(dǎo)致水波紋的形成。

2.2 敏感源分析——監(jiān)控?cái)z像頭信號線

攝像頭中裝有由上百萬個感光二極管構(gòu)成的CMOS感光芯片，當(dāng)其感受外界環(huán)境不同光照強(qiáng)度后就會產(chǎn)生電荷，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳至DSP數(shù)字處理器。由于CMOS感光芯片自帶ADC放大器，但無法保障放大倍數(shù)的嚴(yán)格一致，導(dǎo)致輸出信號本身存在一定的噪聲。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時，騷擾通過攝像頭的地傳遞至信號線端，導(dǎo)致整個電路中出現(xiàn)大電壓紋波。且紋波值越大，對應(yīng)轉(zhuǎn)化的光照強(qiáng)度越大，那么就會在監(jiān)控顯示屏端觀察到帶白點(diǎn)的水波紋。

現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，將攝像頭的接插件拔掉后，監(jiān)控顯示屏沒有水波紋，把攝像頭接回去后又出現(xiàn)水波紋現(xiàn)象，即可判斷敏感源為監(jiān)控?cái)z像頭。監(jiān)控顯示屏工作原理如圖2所示。

圖2 監(jiān)控顯示屏工作原理

2.3 傳播途徑分析——耦合+地傳導(dǎo)

現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，只有斷開轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器輸出端的三相線接插件時干擾才會消失。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)啟動后，攝像頭信號端的紋波騷擾由1.63 V變?yōu)?.68 V，電源端的紋波騷擾由0.81 V變?yōu)?.84 V。即可判斷騷擾通過轉(zhuǎn)向電機(jī)三相線及其屏蔽層(約6 m)進(jìn)行傳遞。

對車頭和車尾的地電壓進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)向電機(jī)端的地和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器端的地間存在較大的紋波電壓，約34 V(由于測試引線長也加大了部分電壓值)。轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器端的地和整車的地間存在較小的紋波電壓，約2.8 V?？梢娹D(zhuǎn)向前置后電機(jī)三相線加長，等效電感L和分布電容C增大，導(dǎo)致騷擾電壓增大且騷擾范圍擴(kuò)大。

通過上述分析，得出如圖3所示的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干擾監(jiān)控顯示屏的傳播途徑。當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)工作后，由于三相線較長會增大IGBT開關(guān)對應(yīng)的振蕩電壓，此電壓通過線芯和屏蔽層之間的分布電容進(jìn)行耦合，最終通過屏蔽層接地點(diǎn)導(dǎo)入地，傳導(dǎo)至攝像頭的電源線和信號線端，增大其電壓值并形成白點(diǎn)信號，因而在監(jiān)控顯示屏上觀察到帶白點(diǎn)的水波紋。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干擾監(jiān)控顯示屏的傳播途徑

3 電機(jī)前置EMC優(yōu)化方案

由于底盤處敏感源較少，所以對于轉(zhuǎn)向電機(jī)前置的車型，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三相線建議優(yōu)先從底盤走線，主要考慮安全防護(hù)方面的問題。其次建議頂棚B柱走線的方案，由于B柱敏感源眾多，如攝像頭視頻線、雷達(dá)信號線等，主要考慮EMC電磁屏蔽的問題，需主要從騷擾源(轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器)、傳播途徑(高低壓線束和車身地)、敏感源(低壓電器件)3個方向采取優(yōu)化措施[8]。

3.1 底盤走線方案

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三相線采用底盤走線方案，則主要考慮線束的安全防護(hù)：①由于距離地面較近，尤其是低地板車型，存在與地面障礙物刮蹭、磨損的風(fēng)險(xiǎn)，所以需增加防磨布或者設(shè)計(jì)線槽。②由于所處環(huán)境惡劣、潮濕、氣溫高，存在許多腐蝕性的液體和氣體，所以必須增加波紋管，還可考慮設(shè)計(jì)線槽。③三相線通過的輪包處需開孔，且開孔空間大，可能影響底盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也存在相對位移摩擦的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取底部加強(qiáng)和過孔處增加護(hù)套的措施。④與低壓線束較近時易產(chǎn)生電磁干擾，要求高低壓線距應(yīng)≥300 mm。

3.2 頂棚B柱走線優(yōu)化方案

3.2.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器優(yōu)化

對騷擾源轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器中的電路進(jìn)行優(yōu)化，使其功率模塊的電磁屏蔽濾波效果更優(yōu)。在控制板24 V電源輸入端增加RC濾波電路，同時需將4.7 nF電容C101/C112與1 μF電容C100/C111位置對調(diào)。電源電路中變壓器改為屏蔽變壓器，變壓器的初、次級之間增加3 300 pF的電容，為次級共模電流提供回路。優(yōu)化CAN線和旋變信號電路濾波，共模電感前后增加X、Y電容，去掉箱內(nèi)低壓線纜中的屏蔽地線。轉(zhuǎn)向三相線增加屏蔽且單端接地，高壓直流輸入側(cè)增加共模納米晶磁環(huán)，箱內(nèi)低壓接插件C、D處增加鐵氧體磁環(huán)[9-13]。

3.2.2 線纜電磁屏蔽

對傳播途徑電機(jī)三相線進(jìn)行電磁屏蔽優(yōu)化。為評估屏蔽方案的優(yōu)化效果，本文運(yùn)用可測耦合衰減的網(wǎng)絡(luò)分析儀，并結(jié)合實(shí)車布線搭建了高低壓線纜耦合衰減的測試臺架。通過測試臺架對高壓線采用單層屏蔽接地，高壓線使用雙層屏蔽接地，高低壓線束間增加銅箔隔板，低壓線束使用雙絞線，低壓線束增加導(dǎo)電布這5種方案進(jìn)行評估，其衰減量結(jié)果如下：

1) 低壓線使用單絞線，高壓線使用屏蔽層接地，衰減量為11.1 V。

2) 將方案1)中的單層屏蔽接地改為雙層屏蔽接地，其余不變，衰減量為11.3 V。

3) 在方案1)的基礎(chǔ)上增加高低壓線束銅箔和隔板措施，衰減量為2.4 V。

4) 將方案1)中的單絞線低壓線束改為雙絞線，其余不變，衰減量為10.2 V。

5) 在方案1)的基礎(chǔ)上增加低壓線束包導(dǎo)電布的措施，衰減量為9.6 V。

由以上結(jié)果可知，高壓線使用雙層屏蔽層時衰減最大，高低壓線束間增加銅箔、隔板方案衰減不明顯。

4 結(jié)束語

從EMC角度來看，不建議車輛采取轉(zhuǎn)向電機(jī)前置的方案，因?yàn)檗D(zhuǎn)向電機(jī)前置后將導(dǎo)致紋波電壓增大且干擾范圍擴(kuò)大，對整車的高低壓電能質(zhì)量造成影響。若從經(jīng)濟(jì)性考慮采用轉(zhuǎn)向電機(jī)前置的方案，則需優(yōu)先考慮從底盤走線，但需做好線束的安全防護(hù)問題；其次考慮頂棚走線，需做好高低壓線束間的電磁屏蔽，高壓線束需使用雙層屏蔽類型，可在低壓線束端外層包裹導(dǎo)電布，同時保證轉(zhuǎn)向控制器滿足零部件EMC等級要求。