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        某電動(dòng)汽車低頻電場發(fā)射分析與優(yōu)化

        2021-05-07 12:47:48王子龍
        汽車電器 2021年4期

        劉 典,杭 州,王子龍,鮑 宇,李 蝶

        (1. 上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545000;2. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司,天津 300300;3. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300;4. 中汽數(shù)據(jù)有限公司,天津 300300)

        為了適應(yīng)綠色可持續(xù)的發(fā)展理念,電動(dòng)汽車低碳節(jié)能的特點(diǎn)使得電動(dòng)汽車在生活中快速普及,隨之而來的電磁兼容EMC問題也日益嚴(yán)重[1]。為了保護(hù)通信設(shè)備通信品質(zhì)不受車輛發(fā)出的電磁場的影響,國家汽車行業(yè)主管機(jī)構(gòu)規(guī)定,電動(dòng)汽車的電場發(fā)射和磁場發(fā)射需要滿足GB/T 18387—2017《電動(dòng)車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度的限值和測量方法》的限值要求。GB/T 18387—2017規(guī)定,在車輛以40km/h勻速行駛時(shí),確定車輛電場和磁場的最大發(fā)射側(cè)面。然后車輛分別以16km/h和70km/h勻速行駛,在最大發(fā)射側(cè)面測量車輛向空間發(fā)射的電場和磁場。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,電場和磁場測試頻段為150kHz~30MHz。

        1 摸底測試結(jié)果

        按照標(biāo)準(zhǔn)要求,對車輛電磁場發(fā)射進(jìn)行測試。摸底測試結(jié)果顯示,車輛電場的測試值超過了GB/T 18387—2017的電場限值,典型測試結(jié)果(車輛左側(cè),16km/h)如圖1所示。

        從測試結(jié)果可以看出,電場在16~25MHz范圍內(nèi)超標(biāo),峰值頻點(diǎn)為25MHz,最大超標(biāo)約20dB。

        圖1 典型測試結(jié)果

        2 定位排查

        常用的定位排查方法有近場掃描法和排除法。近場掃描法是使用便攜式接收機(jī)和近場掃描探頭在車輛零部件或線束附近尋找最大輻射點(diǎn)的方法,這種方法的優(yōu)勢是使用方便、定位準(zhǔn)確、成本較低。

        通過近場掃描發(fā)現(xiàn),車輛是否上高壓 (Ready狀態(tài))對測試結(jié)果影響較大,當(dāng)車輛處于Ready狀態(tài)時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的峰值。而且,通過掃描,電機(jī)控制器、三合一(高壓配電盒、DCDC、車載充電機(jī))附近場強(qiáng)較大,波形特征與標(biāo)準(zhǔn)測試相似。由此初步判定,高壓系統(tǒng)是導(dǎo)致車輛電場發(fā)射超標(biāo)的原因。電機(jī)控制器掃描波形如圖2所示。

        將排查范圍明確在高壓系統(tǒng)后,采用排除法確定干擾源和傳播路徑。車輛高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 車輛高壓系統(tǒng)架構(gòu)

        電池包是高壓系統(tǒng)的核心,電氣部件主要由電池模組和BMS組成,通過高壓線束分別與快充插座、電機(jī)控制器和三合一連接。三合一分別與PTC、壓縮機(jī)、慢充插座以及蓄電池正極連接。除了電源連接,車輛高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高壓互鎖系統(tǒng)(Hazardous Voltage Interlock Loop,HVIL),通過使用電氣小信號來確認(rèn)整個(gè)高壓產(chǎn)品、導(dǎo)線、連接器及護(hù)蓋的電氣完整性,只有當(dāng)互鎖回路形成了一個(gè)完整的閉環(huán)時(shí),車輛的高壓部件狀態(tài)才能認(rèn)為是正常的,此時(shí)方可允許接入高壓電源[2]。因此,在使用排除法插拔高壓線束,隔離特定部件時(shí),應(yīng)短接部件的高壓互鎖引腳,確保高壓系統(tǒng)可以正常工作。

        2.1 定位干擾源

        通過排除法,在電池包正常供電情況下,分別測試車輛在Ready狀態(tài)、三合一負(fù)載 (PTC、壓縮機(jī))不工作、三合一不工作、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作 (16km/h)4種情形下的車輛的電場發(fā)射。這4種工況中,可以逐步排除相應(yīng)高壓部件的影響。測試結(jié)果如圖4所示。

        從圖4a可以看出,在車輛Ready狀態(tài)時(shí),測試結(jié)果已經(jīng)超標(biāo),因?yàn)榇藭r(shí)干擾高壓部件內(nèi)部功率器件已經(jīng)處于工作狀態(tài),并向外發(fā)出電磁干擾[3]。圖4b,4c表明三合一負(fù)載及三合一正常工作情況下,不會(huì)提高整車電場發(fā)射的強(qiáng)度,因此可以認(rèn)為三合一、PTC、壓縮機(jī)不是干擾源。圖4d表明,當(dāng)以16km/h勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),車輛的電場發(fā)射強(qiáng)度增加,大于Ready狀態(tài)的電場強(qiáng)度,且與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的測試結(jié)果相似,說明電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對整車輻射發(fā)射的影響較大。進(jìn)一步采用近場掃描方法,發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池包殼體附近發(fā)射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于電機(jī)控制器,因此可以判定電機(jī)控制器是干擾源。

        圖4 測試結(jié)果

        參考GB/T 18655—2018 的測試布置和GB/T 18387—2017限值以及工況要求,在暗室內(nèi)測試電機(jī)控制器及電機(jī)系統(tǒng)的電場發(fā)射,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬整車測試時(shí)的工作狀態(tài),測試結(jié)果如圖5所示。

        圖5 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測試

        從測試結(jié)果可以看出,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電場發(fā)射在整車超標(biāo)頻段存在類似的峰值,且峰值頻點(diǎn)與整車峰值頻點(diǎn)接近,進(jìn)一步證明電機(jī)控制器是干擾源的結(jié)論。

        2.2 查找傳播路徑

        形成EMC問題需要有3要素,除干擾源之外,還應(yīng)找到干擾的傳播路徑。因?yàn)殡姍C(jī)控制器是干擾源,因此重點(diǎn)排查與電機(jī)控制器連接的線束。通過近場掃描,快充線、三相線的電場發(fā)射強(qiáng)度較低,排除是主要傳播路徑的可能性。慢充線和BMS通信線的電場發(fā)射強(qiáng)度較大,分別對慢充線和BMS通信線采取措施,對比前后的差異。

        針對慢充線,分別測試電池包連接和不連接慢充線的電場發(fā)射。結(jié)果表明,電池包接上慢充線的測試結(jié)果比電池包不接慢充高5dB左右,測試結(jié)果如圖6所示。

        圖6 慢充線的影響

        針對BMS通信線,選用工作頻段在20MHz附近的磁環(huán)套在線束上,對比使用磁環(huán)前后的測試結(jié)果。結(jié)果表明,使用磁環(huán)可以將電場強(qiáng)度降低5dB左右,測試結(jié)果如圖7所示。

        圖7 BMS通信線的影響

        通過以上分析,可以確認(rèn)電機(jī)控制器是干擾源??刂破靼l(fā)出的一部分干擾通過高壓母線進(jìn)入電池包,再由慢充線向外發(fā)射,另一部分干擾在電池包內(nèi)部,通過電路耦合,從高壓電路傳導(dǎo)至低壓電路,然后通過BMS通信線發(fā)射出去。

        2.3 整車EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

        通過進(jìn)一步排查,發(fā)現(xiàn)測試車輛上存在EMC設(shè)計(jì)問題(圖8),主要有以下3點(diǎn)。

        圖8 整車EMC不良設(shè)計(jì)

        1)慢充線為屏蔽線,但是屏蔽層只在三合一側(cè)搭接,慢充口無搭鐵搭接。慢充線屏蔽層為單端搭鐵,這種搭鐵方式僅適用于干擾頻率在1MHz以下的場景,顯然對20MHz左右的干擾不能起到屏蔽作用。

        2)旋變線中的搭鐵線斷開。旋變線搭鐵線斷開會(huì)導(dǎo)致旋變信號的畸變,降低對干擾的抵抗能力,嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。

        3)BMS殼體和電池包內(nèi)部搭鐵點(diǎn)有絕緣涂層,BMS殼體搭鐵不良。由于有絕緣涂層的存在,導(dǎo)致BMS浮地,高壓側(cè)的干擾無法通過搭鐵導(dǎo)入車身,從而傳導(dǎo)至BMS通信線束。

        3 整改

        針對排查過程中發(fā)現(xiàn)的問題,采取針對性的整改措施。

        1)電機(jī)控制器。前期排查發(fā)現(xiàn),干擾存在于高壓母線,在三相線上較少。因此在電機(jī)控制器輸入端設(shè)計(jì)濾波電路濾除干擾。在高壓母線輸入端線與線之間加2.2uF的X電容,在線與搭鐵之間加47nF和470nF的Y電容。

        2)車輛EMC設(shè)計(jì)。將慢充線屏蔽層電池包一端與電池包外殼連接,保證屏蔽層雙端搭鐵[5]。將旋變線搭鐵線連接好,保證電氣連接性。

        打磨BMS外殼以及電池包上相應(yīng)搭鐵點(diǎn)的絕緣涂層,保證較低的搭鐵電阻。

        將優(yōu)化后的車輛重新測試,測試結(jié)果滿足GB/T 18387—2017電場限值要求。如圖9所示。

        圖9 優(yōu)化后的測試結(jié)果

        4 結(jié)論

        通過近場掃描法和排除法確定電機(jī)控制器是干擾源,同時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛存在多處不合理的搭鐵、屏蔽設(shè)計(jì),采取增加濾波器、優(yōu)化搭鐵等措施改善車輛EMC設(shè)計(jì),最終車輛低頻電場發(fā)射滿足GB/T 18387—2017的要求。

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