电动汽车常见的EMC问题与特性.pdf

1、2015 年第 3 期 安全与电磁兼容 electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; inter-system interference; intra-system interferenceI 与传统燃油汽车相比，电动汽车高压电气系统中的开关器件会在车内外产生更强的电磁噪声，而电动汽车内部的控制和传感网络又极易受到干扰，因此电动汽车的 EMC 问题更为严峻。本专题将向读者展示电动汽车试制阶段常见的EMC 问题，对问题产生原因进行细致分析，并从系统级角度讨论电动汽车开发流程中应有的 EMC 设计和质量管控方案。以期为电动

2、汽车的 EMC 设计、整改和管理提供完整的思路。 SAFETY & EMC No.3 2015&.$0&-&$53*$7&)*$-&2 电动汽车系统间干扰电动汽车系统间EMC主要考察车辆行驶时对周围环境的辐射发射以及充电时充电系统和充电站等与电网相连接的设备的 EMC 是否满足国家法规。目前，我国强制认 证（CCC ）业务中，与电动汽车相关的EMC认证项目包括两个标准，即 GB/T 18387-2008 和GB 14023-2011，其中 GB/T 18387 包括整车辐射发射测试和充电系统传导发射测 试，GB 14023 仅包括整车辐射发射测试。电动汽车整车满足 EMC 法规认证并不代表整车

3、系统内 EMC 设计非常好。(#5 ? kS某样车在 16 km/h 车速下， X 方向磁场辐射测试和电场辐射测试均不符合标准要求，磁场发射测试结果如图 2 所示。mXZ_H kTm 0#$ $& kTm mm 0#$& kmCE 测试结果如图 4 所示，可知在 1530 MHz 几乎整个测试频段均有超标现 象，OBC 工作时其内部MOSFET 的开关频率及其谐波导致低频段超标，特别在高频时，受 OBC 内部电子器件及连接线缆寄生参数影响，以及 OBC 存在接地、屏蔽等问题，导致高频段超标明显，且在 7 MHz 附近出现一个干扰最大值。磁场辐射发射超标频段主要集中在 9160 kHz, 根据不

4、同车型测试经验，MCU 工作时 IGBT 开关频率（810 kHz）及其谐波是导致测试超标的根源。 0#$.? kS由于GB/T 18387没有明确提出OBC传导发射 （CE）测试布置等细节，某款额定功率为 3.3 kW 的 OBC 按照 QC/T 895-2011 电动汽车用传导式车载充电机 6.7.1所规定的电磁骚扰性要求（对应 GB/T 18487.3-2001 中11.3.2 的要求）进行 CE 测试，测试的频率范围是 0.1530 MHz，测试布置如图 3 所示，车载充电机交流输入端通过线性阻抗稳定网络（LISN）连接到供电网上。(# ? kS图 5 为某样车执行 GB 14023-

5、2011“上电且发动机不运转”右侧垂直极化的测试结果，超标频点固定为81 MHz 和 459 MHz。文献 3 对干扰源进行了详细分析，车载仪表控制板上频率为 27 MHz 的高速时钟信号是导致该模式下测试超标的干扰源。3 电动汽车系统内干扰问题收音机、CAN 网络以及车速信号等受到干扰后，可能导致部分车载电器部件工作异常，甚至导致整车故障，且故障排查难度较大，导致车辆调试周期变长，车辆一致性、 可靠性、 安全性变差， 零部件 “故障率” 提高。 l“. ls开启某车型的收音机，在 AM 频段，整车高压上电前后听感差别较大，当移动收音天线远离前机舱盖时，听感变好。使用频谱仪搜索 500 kHz

6、2 MHz 范围内收音2015 年第 3 期 安全与电磁兼容 &.$m “d - l?Lq m m | &7#64oV $“/9L1 pm “d l?L 天线输入接口附近的 EMI 情况，高压上电前后差别很大，图 6、图 7 分别为高压系统上电前后收音天线附件测得的干扰频谱。由图 7 可知，高压上电后，在 500700 kHz、0.81.1 MHz、1.151.4 MHz、以及 1.4 MHz 以后频段，都有较明显干扰，主要由 MC U 和 DC/DC 变换器工作时高压线缆辐射发射所致。 RVop某试验样车行驶过程中经常出现 “掉高压” 的故障，导致此类故障发生的原因最有可能是动力蓄电池或电机

7、系统出现过温、过流等一级故障，为保护车辆及驾乘人员的安全性，VCU 采取强制措施断开整车高压供电。读取该车监控数据，并未发生上述情况，因此需考虑是否存在 EMI 问题。通过对该车换档手柄连接线束的近场诊断，发现其电源线、信号线周围均有较大骚扰信号。该车的换档手柄控制电路如图 10 所示，其输出信号 SW1SW4 为电平信号，不同 SW1SW4 的组合输出逻辑对应不 同（P、R、N、D）档位 ；其正常电平幅值为 4.55.0 V 。换档手柄和 VCU 之间采用较长的普通线缆连接，存在线缆耦合辐射干扰导致上述电平信号不稳定的可能性，但采用屏蔽防波套对该连接线缆屏蔽处理后，问题依然没有解决，后经排查

8、得出如下结论：DC/DC 变换器工作 时，12 V 电源线上有较大周期性电压尖峰（峰峰值较高），且档位手柄控制电路缺乏足够$“/ o| pCAN 网络是电动汽车控制的中枢神经，用于传输各种控制、反馈、故障等重要信 息。CAN 网络波形存在周期性电压尖峰是电动汽车试制过程中遇到的最普遍问题之一，一些重要信息的误报、漏报，直接影响整车的安全性。图 8 为某车型网络节点，其中 FCBUS、EVBUS 以及 VBUS 为电动汽车 CAN 网络。图8中EVBUS网络节点上CAN收发电路设计不当，以及受 EMI 影响，EVBUS 信号失真现象较明显，如图9 所示，CAN_H、CAN_L 及差分信号均出现较

9、大扰动，其中差分信号尖峰幅值超过 50.8 V ，且表现为周期性，总线上出现大量错误帧。我公司 CAN 总线节点电压幅值技术要求见表 1。 总线状态参数 符号最小值 /V标称值 /V最大值 /V隐性状态总线电压VCAN_H2.0 2.5 3.0VCAN_L2.0 2.5 3.0差分电压 Vdiff-0.5 0 0.05显性状态总线电压VCAN_H2.75 3.5 4.5VCAN_L0.5 1.5 2.25差分电压 Vdiff1.5 2.0 3.0备注 Vdiff= VCAN_H- VCAN_L SAFETY & EMC No.3 2015&.$0&-&$53*$7&)*$-&的抗扰度设计（缺乏

10、滤波电容、储能电容等），从而导致上述控制电路输出电平不稳定，当 VCU 无法正确识别档位信息 时，VCU 发出关闭高压主继电器的指令，从而产生“掉高压”故障。该款真空泵安装于某批次试验样车，当图 12（a）中所示 A 部件工作时，若此时踩下制动踏板，真空泵助力不足且伴有电机堵转声音，采用示波器采集其电源线上信号，波形如图 12（b）所示 ，以电压波形为例，12 V 电压上叠加了较多 EMI，导致电机电源线上电压时高时低，电机产生堵转。m mc e mm b,a# mm b, #La om F b “do p电动汽车电动真空助力制动系统，主要由控制器、电动真空泵、真空罐（带压力传感器输出信号）、

11、储气罐等构成，其工作可靠性关系到车辆的制动安全。某款旋片式电动真空泵，其外形结构如图 11（a）所示， 电源线输入为DC 12 V。 泵体内部为直流有刷电机，电机结构如图11 （b） 所示。 电气示意图如图11 （c） 所示，接地符号代表真空泵外壳。（a）真空泵外形图（a）真空泵安装位置（b）电机结构图（b）电机波形和电流波形（c）电机原理图8oVp某车型动力蓄电池在急加速和急减速阶段，频繁断高压，监控数据显示动力蓄电池 CAN 报告中有单体过电压一级故障。 乙产品电池包里有34个模组 （Module） ，模组布局如图 13 所示，整个模组组合中共计有 91 个电池单体（Cell），其中 Mo

12、dule 12 内有单体 Cell 27、Cell 28 和 Cell 29，Module 23 内有单体 Cell 56、Cell 57、Cell 58。出现“过电压”的电池单体包括 Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59，监控数据显示，Cell 56 单体“过电压”次数最多。某一工况下，采集 Cell 12、Cell 56 以及正常的 Cell 27（布局位置和 Cell 56 一致）单体电压波形，如图 14 所示。2015 年第 3 期 安全与电磁兼容 &.$由图 14 可知，Cell 12、Cell 56 电压波形中均带有较大“毛刺”，而 Cell 27 波形较

13、好。将正常的 Module 23 和 Module 12 位置互换后，Cell 27 单体电压波形和互换前 Cell 56 电压波形基本一致，这说明 Module 23 本身没有问题。排查发现互换前 Cell 56 和 Cell 27 单体电压采集存在较大差异，如图 15 所示， M12 电压采集电路直接连接在 Cell 27 单体两端，采集的电压值 V27 送电池管理系统处理。 M23 电压采集电路跨接了较长的铜排连接线（Bus-bar）， 该 Bus-bar 用 于 Module 23 和 Module 22之间的物理连接，因此 Cell 56 单体电压测试值（图 15 中 V56）包含两

14、部 分：Cell 56 单体真实电压值和 Bus-bar 上的电压降。对 Cell 12、Cell 40、Cell 59 进行排查，也发现同样问题，这说明 Cell 单体“过电压”与 Bus-bar 上的电压降有关系。动力母线上 d i/dt 均较大，且含有高频分量。经排查，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59 电压采集时跨接的Bus-bar 大概长度分别为 39 cm、42 cm、59 cm、49 cm。在高频环境下较长的 Bus-bar 上的等效 电感分量不能忽略，会在 Bus-bar 上产生较大的电压波动，导致 Cell 单体“过电压”。4 结语EMC 影响信号

15、质量，有可能引发整车行驶安全问题， 是我国电动汽车产业化不得不面临的一个共性问题，应该引起各电动汽车生产厂家的重视。研究电动汽车系统级 EMC 设计可降低因 EMI 问题导致试制车辆试验周期变长、产品上市时间推迟的风险。m $FMM8om 8“s1 中国汽车技术研究中心. GB/T 18387-2008 电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法,宽带, 9 kHz30 MHzS. 北京 : 中国标准出版社 , 2008.2 上海电器科学研究院, 中国汽车技术研究中心. GB 14023-2011 车辆 、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车外接收机的限值和测量方法 S. 北京 : 中国标准出

16、版社, 2011.3 高新杰 , 张洪超 , 吴俊 , 等 . 电动汽车仪表电磁辐射干扰分析 J. 安全与电磁兼容 , 2013(4): 24-26+43.I E-mail: ID若该动力蓄电池输出端接纯电阻性负载，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59 单体电压正常，说明 Bus-bar上等效电阻产生的电压降可以接受，车上动力系统工作后，电压波形有较大变化，说明 Bus-bar 上可能有来自整车的传导性 EMI。车辆急加速、减速阶段，动力蓄电池分别处于“急速放电”和“急速充电”状态，在上述两状态，容向召开“第二届电磁兼容测试与设计技术研讨会”2015 年 6 月 57 日容向公司召开的“第二届电磁兼容测试与设计技术研讨会”由总经理沈学其、实验室主任章霞、区域经理邢立文主讲，他们将几十年的EMC 设计经验融入到讲座中，根据客户产品在实验室检测中遇到的问题，讲解具体的整改案例以及零部件产品在 EMC 测试中较为通用的问题。会议现场还搭建了多套 EMC 系统，容向工程师现场演示，重现各种 EMC现象，让用户更加直观地“看到”电磁兼容的情况。本次研讨会汇聚了宇通客车、北京汽车研究总院、航盛、朗高电机、跃博汽车、宇晟汽车、海康威视、远洋车灯、南瑞、航天一院等几十家著名企业的近百名硬件设计工程师。通过与参会代表面对面交流，容向更加坚定了集成与测试两手抓的信心。