电动汽车的系统级EMC设计_高新杰.pdf

1、2015 年第 3 期 安全与电磁兼容 development process; plan review; product quality SAFETY & EMC No.3 2015&.$0&-&$53*$7&)*$-&m J.J&7 /L 置工程师、结构工程师、测试工程师以及各电器部件供应商等协作参与，共同完成。2 电动汽车系统级 EMC 设计开发流程&.$?本阶段工作内容是在分析整车技术规 范（Vehicle Technical Specification，简称 VTS ）初稿的基础上，对表 1 中列举的内容进行研究，重点掌握现有电器部件EMC特性，并编写整车EMC设计指导书等报告，为E

2、MC 系统架构布局提供重要依据。m “121mV &.$? 1T = 序号 研究内容 输出内容1 根据市场定位，研究对应的 EMC 符合性法规。 XX 车型 EMC 符合性法规分析报告2预配置高压零部件高压部件已有 EMC 测试报告研究。 高压部件 EMC 设计分析报告高压部件壳体屏蔽效能研究。 高压部件壳体屏蔽效能评估报告高压部件电气特性研究。高压部件布局布置指导性设计报告高压部件物理连接关联性研究。高压部件接地点需求研究。 高压部件接地点需求分析报告3预配置低压零部件低压部件已有 EMC 测试报告研究。低压部件 EMC 设计分析报告高频低压部件 EMI 风险评估报告高频低压部件布局布置指导

3、性设计报告关键信号电平分类研究。 信号完整性需求分析报告CAN 网络节点分布研究。 CAN 网络线束布局布置指导性设计规范4 调研各电器部件供应商 EMC 设计、测试水平能力。 电器部件供应商 EMC 设计、测试能力分析报告5 EMC 测试方案、资源、费用、周期等预研究。 EMC 测试需求分析报告6 EMC 设计指标体系研究。 EMC 指标体系分析报告7 整车 EMC 设计风险点研究。 整车电气系统 EMC 设计风险评估报告8 系统 EMC 设计技术研究。 XX 车型系统级 EMC 设计指导书9 零部件及整车 EMC 预开发周期。 XX 车型系统级 EMC 设计开发周期评审报告&.$“dO 本

4、阶段是整车系统级 EMC 开发流程中最为关键的一步，其核心工作内容可归结为“先由面建点，再由点连线”。“面”即为由车身、车身支 架、12 V 蓄电池负极等建立的参考地。“点”为车载电器部件，以规划阶段编写的高压部件布局布置指导性设计报告 、CAN 网络线束布局布置指导性设计规范等报告为指导，综合考虑车身数模及电器零部件初版数模，对车载关键电器部件进行布局。优先进行动力蓄电池布置；根据驱动方式、冷却系统、可安装位置、质心坐标等确定电机本体大致布置；结合功能性要求、碰撞安全性法规要求、IP 防护、安装便利性、美观等，确定其它电器部件布局。“点”还包括抽象的接地点，随着电器部件布局位置确认而确定。接

5、地点的选取应以就近接地、系统接地网络的合理、可维护为原则。“线”即为前面建立的各“点”之间的互连线缆，是整车电气系统的重要组成部分。线缆布置的基本原则：尽量短、避免交叉、走向美观、安装固定方便。以i-MiEV 车底盘下线缆布局（见图 2）为例，其线缆短、线缆无交叉的特点显而易见。2015 年第 3 期 安全与电磁兼容 &.$优先考虑系统布局这一策略是成本最划算的一种EMC 设计方法，对系统进行布局划分，使对干扰电流的控制成为可能。整车 EMC 架构布局需要综合考虑各种技术要求，并将 EMC 技术融入到产品架构设计中去。图 3 为某型号电动汽车布局差异对比图，与图 3（a）相比，图 3（b）所示

6、布局方案更合理，线缆走向更规范，整车碰撞安全性也更高。两种布置方案下电器部件壳体设计、连接器选型等均存在较大差异，说明若布局阶段“点”规划不合理，会导致整车电气系统架构布局的变更，其对整车设计成本、上市周期等均带来较大变化。整车设计初期，不建议所有电器部件都做出开模计划，同时从整车设计角度，“点”也应该符合“面”的规划，即使一些电器部件前期已开模且适用于一些车型，也应该根据本车型布置要求，在评审后重新制定开模计划。布局合理最基础，其经济性也最高。车内电子通信设备的日益增多使互连系统的排布密度大幅度增加，加上车载系统狭小的内部空间，因而对前期系统架构布局提出了更高的要求。 表2列举了本阶段主要输

7、出报告。 m | s1 m ? M mV &.$“dO 1 m - “d m（b）布局整齐（a）布局凌乱图 4 为某车型不合理的电机系统（电机和电机控制器）布局图，该布局导致 U、V、W 线缆过长，根据设计经验，该方案存在辐射发射超标风 险，EMC 评审不通过，该布局方案未获批准。序号 输出报告名称1 EMC 系统架构布局符合性评审报告2 高低压线缆布置评审报告3 高低压连接器位置优化设计分析报告4 高压部件可用接地点评审方案5 接地工艺设计需求分析报告&.$ !9EMC 设计虽然不是什么新鲜技术，但其需要大量专业设计、制造工艺以及管理等知识的支撑，并要参考一切可以指导团队和员工决策或行动的信

8、息、标准、规范、法则及经验，最终形成用于指导生产的设计知识体系，研发过程中知识流动和转换框图3如图 5 所示。EMC 设计阶段主要围绕 EMC 三个措施（即接地、屏蔽和滤波）展开，本阶段主要的设计输出报告如表 3所示。V &.$ !9 1 序号 输出报告名称1 整车电气系统电磁兼容控制技术方案2 接地点变更、优化评审报告3接地设计（含接地线、接地螺栓及螺母、接地标识）设计方案评审报告4 高压线束（含连接器）选型方案评审报告5 高压线缆屏蔽效能测试分析报告6 电器部件壳体屏蔽效能评审报告7 某电器部件壳体全新开模设计方案评审报告8 关键电器部件滤波器设计方案评审报告9 EMC 系统设计符合性评审

9、及优化报告 SAFETY & EMC No.3 2015&.$0&-&$53*$7&)*$-&接地设计主要包括接地线的工艺、接地螺栓和螺母选型、接地点防腐蚀处理工艺设计等。图 6 为某型号电动汽车接地设计细节，可作为参考。必须在标准的试验环境下进行。根据自身条件建立相应测试环境或选择测试机构，都是不错的选择，为节省测试费用而牺牲零部件或整车 EMC 性能的做法必将付出沉重的代价。若脱离整车测试验证环节，零部件 EMC 设计很可能出现设计不足或过设计问 题。EMC 系统测试是系统级 EMC 设计流程中重要的环节，既用于验证整车 EMC设计的合理性，又为设计方案优化、评审及冻结提供依据。在验证各电

10、器部件 EMC 设计符合性的前提下，验证零部件 EMC 测试数据和整车测试数据的关联性，根据整车测试中暴露出来的问题，首先对整车系统内接地措施进行尝试性优化整改，在整改效果难以满足整车测试需求的前提下，对零部件 EMC 指标进行有针对性的更改，根据整改便利性、成本、可靠性、开发周期等因素确认零部件更改比重，并保证足够的裕量，从而降低因不确定性等因素带来的误差， 保证整车测试的一致性。m | !9 m 7 T8 m | “d !9 （b）接地线和接地螺母（b）线缆端连接夹具（a）电机本体 （b）电机及集成控制器（a）接地线和接地螺栓（a）线缆屏蔽层和壳体端接屏蔽设计的关键之一在于高低压电器部件壳

11、体设计，如何将工业设计等技术和壳体屏蔽设计技术巧妙结合在一起，体现 EMC 设计技术和艺术的完美结合，是本部分的难点。由于壳体开模成本较高，建议全新开模在评审通过后确定。应当指出，在选用屏蔽线缆时，不仅要考虑其屏蔽性能，还要考虑成本、机械强度等特性。当整个电缆受到过多的机械、天气和潮湿的影响时，影响最严重的屏蔽部分就是连接处，通常使用 5 年之后性能将下降一个数量级（20 dB）3。对于多电缆入口的机箱壳体，为保证屏蔽连接的连续性，电缆屏蔽连接方法可参考图 7。若考虑成本，部件屏蔽设计难以做到完美，可考虑系统级解决措施。图 8 为某型号电动汽车电机系统设计，为降低 U 、V、W 线缆可能带来的

12、辐射发射问题，其在电机端增加一金属屏蔽盒，在提高 EMC 设计的同时提高了 IP 防护等级。&.$“d k# 系统电磁兼容试验技术包括：试验规范制定、标准制定、项目选择、实施方法、场地建设、误差处理等技术和过程1。为保证 EMC 测试的一致性，系统测试2015 年第 3 期 安全与电磁兼容 &.$状态冻结阶段，需要随机抽样同一批次各电器部件多台进行测试，在测试数据一致性评审通过后，冻结零部件 EMC 设计。同样，只有整车测试具有足够的一致性和裕量，整车 EMC 设计数据才能冻结。本阶段主要输出报告有：电器部件 EMC 测试分析报告、整车测试分析报告、系统设计优化分析报告、 XX 零部件 EMC

13、 优化设计分析报告、 接地线 （含接地螺栓、 螺母） 盐雾等试验分析报告） 、 接地线阻抗测试报告、接地点防腐处理工艺设计评审报告、接地点可维护性评审报告、电器部件壳体数模冻结报告 、电器部件EMC设计方案冻结报告 、XX 车型 EMC 设计方案冻结报告等。&.$ a ,本阶段贯穿于系统级 EMC 设计的整个流程中，每个阶段的评估、评审和优化，必须保证零部件设计和整车设计具有一定的同步性。评估、评审时既要考虑功能完整性、技术先进性、可靠性、安全性等设计因素，还需要 EMC 专家的技术指导，同时又要综合考虑设计美观度、可维护性、可工程化、成本等其它因素。简单合理的设计是最好的设计，这无疑在节约成

14、本，提高产品良品率，加快上市时间的同时，让电动汽车 EMC 设计的风险降至最低，所以评估、评审阶段还应坚持简单的原则。电动汽车功率部件越来越呈现出小型化、集成化的技术趋势，功率部件的 EMC 设计仍将是整车 EMC 设计的重要内容之一。为提高续航里程而增大电池结构，从而使整车电器系统布局更紧凑，部件间 EMI 问题更突出。智能化、高频化等电子电器的安装加剧了整车通过GB 14023 测试的难度，所以，评估、评审阶段还应坚持与时俱进的原则。3 结语本文从工程应用设计的角度，对整车系统级 EMC设计流程做了详细描述，而对设计细节以及 EMC 指标的量化未做具体描述， 但整个设计流程还是非常清晰的。

15、采用系统方法，按照特定的逻辑来组织研发过程中模糊的、相互纠缠在一起的各种研发活动，最大程度地减少研发活动的反复和耦合，使复杂、模糊、混乱的 EMC研发活动流程化，从而提高了 EMC 设计工作的效率和质量，缩短了开发周期，减少了研发成本及产品生命周期的总成本。1 苏东林, 雷 军, 王冰切. 系统电磁兼容技术综述与展望J. ID宇航计测技术 , 2007, (21): 34-38.2 荆宁宁. 提升新产品研发过程有效性和效率的路径与方法基于质量策划与知识过程管理的视角 M. 北京 : 科学出版社 , 2011.3 高攸纲. 屏蔽与接地M.北京: 北京邮电大学出版社, 2004.I E-mail:

16、（上接第 24 页）1 中国 汽车技术研究中心 , 上海电器科学研究所 ( 集团 ) 有限公司 . GB/T 186552010 车辆 、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法 S. 北京 :中国标准出版社，2011.2 柳海明 , 丁一夫 , 张志国 . 电动汽车屏蔽问题分析及实例 J. 安全与电磁兼容 , 2014(1): 22-25.3 张逸成,韦华,朱学军,等.开关 电源输入滤波器的阻抗匹配 J. 低压电器 , 2006(12): 3-6.I E-mail: ID在设计和选用电源滤波器的过程中，系统工程师发现，加了滤波器以后作用不大，甚至会发生某些频段的噪声变大。O

17、BC 内部均设计了滤波单元，但由于滤波单元设计不专业（包括滤波器输出阻抗和 OBC 输入阻抗相互匹配、滤波器拓扑结构设计不合理等）或受布局空间所限安装位置不合理等原因，滤波器实际抑制干扰能力较差，传导发射超标现象较明显。实际上图14中所示滤波器加装在OBC内部后，CE 测试结果和图 15 所示测试结果还存在差异，根据测试结果重新调整滤波器内部参数并制作了一款安装于OBC 内部的滤波器，CE 测试满足要求。4 结语本文所述示例说明了接地、屏蔽以及滤波措施正确合理设计的重要性。目前电动汽车电子电器零部件越来越多，整车电气系统（包括各电器部件、互连线缆以及车身架构等）建立的电磁环境也越来越复杂，如何根据各电器部件自身EMC特性以及所处的电磁环境等因素，将 EMC 措施合理体现在整车设计中应是研究的重点和关键。