趙延華 張榮 曹興盛

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

隨著國家推行新能源政策的實(shí)施，城市中新能源公交車已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)的燃油公交車。新能源公交車從動(dòng)力上可劃為油電混合、純電動(dòng)和氫燃料電池三類，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)公交車相比，新能源公交車的三電系統(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相比，新能源公交車車身較大，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更容易產(chǎn)生電磁騷擾。

現(xiàn)新能源公交車需要通過的電磁兼容強(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)上來看，新能源公交車的輻射發(fā)射類檢驗(yàn)項(xiàng)目通過率不太理想，其中GB/T 18387-2017標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目通過率更低。通過對(duì)初次試驗(yàn)輻射發(fā)射超限值的新能源公交車診斷分析，結(jié)合新能源公交車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析常見騷擾源，整理出一套適用于診斷新能源公交車騷擾源的方法。

2 新能源公交車電氣系統(tǒng)與常見騷擾源

2.1 新能源公交車電氣系統(tǒng)

新能源公交車電氣系統(tǒng)可以簡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)成了新能源公交車的高壓電氣系統(tǒng)。動(dòng)力電池通過高低壓轉(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)成了新能源公交車的低壓電氣系統(tǒng)。圖1為某純電動(dòng)公交車的電氣系統(tǒng)布置圖。

圖1 某純電動(dòng)公交車的電氣系統(tǒng)布置圖

2.2 新能源公交車常見騷擾源

新能源公交車上的騷擾源有很多，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。通過對(duì)試驗(yàn)輻射發(fā)射超限值的新能源公交車診斷分析，發(fā)現(xiàn)最易引發(fā)車輛輻射發(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開關(guān)晶體管產(chǎn)生），這些諧波會(huì)通過線束或者空間耦合的方式影響到車輛其他電氣部件。

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）來指揮開關(guān)管導(dǎo)通和阻斷，控制輸出的電壓。PWM是一種保持開關(guān)頻率不變，改變輸出脈沖電壓寬度的調(diào)制方式，DC/DC使用的開關(guān)管開關(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較長的線束連接到電動(dòng)公交車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)生的電磁騷擾通過這個(gè)環(huán)路會(huì)對(duì)外產(chǎn)生強(qiáng)的輻射。

3 簡易測(cè)試系統(tǒng)的預(yù)測(cè)試方法

為了滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求，車輛的輻射發(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)公交車進(jìn)行GB/T 18387-2017測(cè)試時(shí)車輛左側(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)公交車左側(cè)面窄帶垂直極化的試驗(yàn)結(jié)果

不過，整車暗室的測(cè)試費(fèi)用昂貴，且資源較為緊張，對(duì)企業(yè)來說是一筆不小的開支。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)備組建的簡易測(cè)試系統(tǒng)[2]來對(duì)整車做預(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 簡易測(cè)試系統(tǒng)

簡易測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試環(huán)境沒有太高要求，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)量無法較完整地體現(xiàn)車輛的真實(shí)輻射狀態(tài)，若想對(duì)整個(gè)車輛的輻射發(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)整車易產(chǎn)生電磁騷擾的部件有一定的了解，這樣在對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可以有方向地進(jìn)行。除此之外，該簡易測(cè)試系統(tǒng)還可以用來排查診斷車輛騷擾源（見本文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的騷擾源診斷，我們可以通過其測(cè)試結(jié)果頻譜圖來分析。一般來說，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簡單計(jì)算得出產(chǎn)生騷擾的元件頻率，常見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。常見的這類元件有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，常見于公交車的刷卡器系統(tǒng)，其有效距離可達(dá)到60 cm[4]，如圖5所示。產(chǎn)生的騷擾通過線束或者空間耦合的方式進(jìn)入車輛的電氣系統(tǒng)進(jìn)行了放大，就可導(dǎo)致車輛在該頻點(diǎn)的輻射發(fā)射超標(biāo)。掌握這一類的特殊頻點(diǎn)就可以迅速找到產(chǎn)生電磁騷擾的部件。

圖5 某電動(dòng)公交車刷卡器

4.2 排除法

在試驗(yàn)結(jié)果頻譜圖上沒有明顯特征又暫時(shí)沒有排查方向時(shí)，可以采用排除法來進(jìn)行診斷分析。排除法是通過逐一將車輛電子電器部件斷電來尋找騷擾源的常用手段，可以通過拔保險(xiǎn)、拔線、分區(qū)工作等方式進(jìn)行，在不拆車的情況下可以對(duì)車輛做一個(gè)較為全面的排查診斷。當(dāng)無法通過拔保險(xiǎn)的方式進(jìn)行排查時(shí)，可以打開車輛的外殼，用拔掉電氣部件電源線的方式來進(jìn)行。需要注意的是，無論拔保險(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。通常通過排除法查找出來問題部件，需要單獨(dú)使其工作來判斷其是否為真正的騷擾源。圖6為某純電動(dòng)公交車保險(xiǎn)盒布局圖。

圖6 某純電動(dòng)公交車保險(xiǎn)盒布局圖

當(dāng)通過簡單的拔保險(xiǎn)、拔線方式無法做出準(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)掉或開啟互聯(lián)的系統(tǒng)再進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，用這種方法來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)，一般要拆開車體進(jìn)行排查，先調(diào)整好簡易測(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

新能源車輛的電磁兼容性是整車廠商和零部件供應(yīng)商共同關(guān)注的熱點(diǎn)，未來汽車電子電氣系統(tǒng)會(huì)越來越復(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)新能源公交車電氣系統(tǒng)做了簡單劃分，對(duì)電機(jī)控制器和高低壓轉(zhuǎn)換器兩個(gè)常見的騷擾源進(jìn)行了分析。搭建的簡易測(cè)試系統(tǒng)，既能用于預(yù)測(cè)試，也能用來排查診斷。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)者提供了解決問題的思路與手段。