纯电动汽车电磁兼容分析与电磁干扰抑制

裴春松

（河南少林汽车股份有限公司，河南 荥阳 450100）

近年来，电动汽车受到世界各国政府的高度重视，被普遍确立为保障能源安全和转型低碳经济的重要途径。中国政府更是高度关注电动汽车的研发和产业化，国家有关部门为支持电动汽车产业的发展创造了良好的政策环境，发展电动汽车已成为国家战略。2009年11月，国务院总理温家宝指出，电动汽车已成为全球汽车工业的发展方向［1］。纯电动汽车由于在使用阶段零排放、综合能源利用效率高，能够彻底摆脱对石油的依赖，是解决我国汽车能源和环境问题的根本途径，也是我国电动汽车发展的战略重点和主要方向。

纯电动汽车中高压大功率的电力电子装置和驱动电机在工作时会产生严重的电磁干扰，同时电动汽车比传统汽车增加了更多的高压线束和CAN通信线束，干扰会通过电缆和底盘对CAN通信线束造成影响，而CAN总线系统用来完成电动汽车三大系统之间的通信，直接关系到电动汽车的安全，因此，电动汽车的电磁兼容问题更为复杂、严重。如何解决纯电动汽车的电磁兼容问题，提高电动汽车的可靠性和安全性，是纯电动汽车设计的重要方面。

1 电磁兼容概述

1.1 电磁兼容术语

文献［2］对电磁兼容各术语定义如下。

电磁兼容 （Electromagnetic Compatibility， 简写为EMC）——设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

电磁环境——存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

电磁骚扰——任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对生物或非生物产生不良影响的电磁现象。

电磁干扰 （Electromagnetic Interference， 简写为EMI）——电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

电磁发射——从源向外发出电磁能的现象。发射不仅指电磁能量向外界空间进行的电磁辐射，也包括以电流的形式在电导体中进行的电磁能量的传导。

1.2 电磁兼容的三要素

电磁兼容三要素是干扰源、传播途径和敏感源。所谓干扰源是指任何产生电磁干扰的元件、器件设备、分系统、系统或自然现象。干扰的传播途径是指干扰通过任何媒介，以任何方式 （包括传导、辐射）送至接收器。敏感源是指一切易受到电磁干扰的元件、器件、设备、分系统或系统。电磁兼容三要素如图1所示。

电动汽车处于十分复杂的电磁环境中，车上电子电气设备种类繁多，电磁干扰途径多种多样，设备的电磁敏感度也各不相同。为达到电磁兼容性的设计要求，就要分析各种电磁干扰源的特性和技术参数，确定干扰路径和耦合方式，根据具体参数采取抑制干扰、消除干扰的措施。

1.3 汽车电磁兼容的标准

欧美发达国家十分重视对汽车电磁兼容性的研究，世界各国和相关国际性组织，制定了众多的标准和法规来限制汽车的电磁兼容问题。我国自从1983年发布第1个电磁兼容国家标准GB3907—1983以来，已经发布了多个有关电磁兼容的国家标准，但还很不健全，有待进一步研究改善。目前发布的有关车辆电磁兼容性的标准见表1。

表1 车辆电磁兼容性标准

2 纯电动汽车电磁兼容分析

2.1 纯电动汽车动力系统

电动汽车由于动力系统结构的特殊性，使得其电磁兼容性能同传统车有较大的差异。以少林牌SLG6105EV型纯电动城市客车为例，动力系统如图2所示。该车主要由驱动电机、减速箱、电机控制器、 整车控制器 （Vehicle Control Unit， 简写为VCU）、储能系统、辅助系统等部件构成。其中，动力系统主要由驱动电机及其控制器、减速箱、储能系统（含电池管理系统）组成。

图2中粗实线代表高压线，用来实现能量的流动。细实线代表通信线，实现信号的传递。整车控制器VCU通过采集驾驶员踏板 （包括牵引踏板、制动踏板），判断驾驶员的驾驶意图，确认牵引 （或制动）模式，并计算出目标牵引 （或制动）力矩，将相关控制指令通过CAN总线发送给电机控制器，电机控制器根据控制命令控制电机工作于驱动 （或制动）工况。同时，电机控制器将电机转速、直流电压、直流电流等信息，通过CAN总线发送给整车控制器和仪表。储能系统中的电池管理系统 （Battery Management System，简写为BMS）对电池组的各单体电池电压和电池包温度进行测量，并进行电量计算，将电池信息通过CAN总线发送给整车控制器和仪表。可见，CAN总线系统是电动汽车的神经网络，涉及电动汽车安全的信息必须实时无误地传递。

2.2 纯电动汽车系统电磁干扰问题分析

电动汽车的电磁兼容性应从电磁兼容的三要素来分析，三要素中任何一个条件的消弱或缺失，电磁干扰都将得到改善和解决。

电动汽车的电磁干扰源大致可以分为3类，即车载干扰源、自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰，人为干扰源是指由汽车外部人工装置产生的电磁干扰。大多数情况下这2种电磁噪声非常复杂，并且对汽车的干扰影响可以忽略。下面主要从车载干扰源来分析。

车载干扰源主要是指车上各种电气系统产生的电磁干扰，车载干扰源主要有电机、动力电池、电力电子装置、电动辅助系统。电压和电流的快速暂态会产生辐射和噪声，特别是电力电子装置的快速整流、电机起动、高压辐射更会引起较高场强的传导及辐射骚扰。车载干扰源主要分为差模干扰源和共模干扰源，其电磁传播模式很复杂，有传导干扰和辐射干扰2种形式。

差模干扰是将母线作为往返路线的干扰，其通过母线、电池和逆变器形成回路。由三相逆变器高频等效电路得出，控制器IGBT开关动作时形成差模干扰源，使母线中存在差模电流［3］，通过母线、动力电池、控制器形成回路。差模干扰源及其传播途径如图3所示。

共模IGBT开关动作不仅会形成差模干扰电压，而且同时也诱发共模干扰电压，由于电动机、电机控制器同车体之间存在杂散电容，共模电压通过杂散电容形成回路，从而形成共模干扰［4］。共模干扰源及其传播途径如图4所示。

驱动系统开关元件动作引起的噪声通过共模和差模回路进行传播，动力电池和逆变器相连的直流母线或电缆，以及连接交流电机和逆变器的交流电缆中流过较大的瞬变电流，电流流动时，可通过长导线向外发送辐射，或通过串扰对相邻导线进行干扰。在电动汽车的辐射干扰中，由天线理论很容易得知，共模干扰占主导地位。

由于电动汽车空间及结构的原因，电动汽车高压导线和低压控制线 （通信线）不可避免地会出现耦合和串扰，这是对电磁辐射比较敏感的CAN通信系统易受到干扰的主要原因。

3 电动汽车抑制电磁干扰的措施

通常抑制电磁干扰的措施有屏蔽、滤波和搭铁。

屏蔽是利用屏蔽材料阻止或减少电磁能量在空间传输的一种措施。屏蔽的效能用屏蔽有效度标示，它不仅与屏蔽材料有关，而且与材料的厚度、应用频率、辐射源到屏蔽层的距离及屏蔽层不连续的形状和数量有关。

屏蔽主要是为了解决辐射干扰，而滤波主要是解决传导干扰。完成滤波作用的部件称为滤波器。滤波器主要抑制通过电路通路直接进入的干扰。根据信号与干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。

搭铁就是在两点之间建立导电通路，其中的一点通常是系统的电气元件，而另一点则是参考点。一个搭铁系统的有效性取决于在多大程度上减小搭铁系统的电位差和减小搭铁电流。

结合纯电动汽车的结构和对电动汽车电磁兼容分析，可通过下面几个方面来抑制电磁干扰。

3.1 纯电动汽车的布置

电动汽车在有限的空间中集成了大功率电力电子元件及多个电动机，电动汽车的结构设计对整车电磁兼容的影响很大。由前面分析得知，共模干扰在电磁干扰中占主导地位，因此在电动汽车布置中，电机控制器应尽可能靠近电机布置，使电机控制器和电机之间的连线尽可能缩短 （一般不超过1.5m）。整车控制器VCU作为电动汽车的控制核心，是整个CAN网络的网关，它作为敏感源，整车布置时要远离电机和电机控制器等高压电气部件。

3.2 电动汽车用线束的走向及选材

在电动汽车电磁兼容问题的因素中，线束 （高压电缆、低压线束）占有重要地位，这是因为线束电缆是一根根高效的接收和辐射天线。另外线束中的导线平行传输的距离最长，因此导线之间存在较大的分部电容和互电感，这会导致导线之间发生信号的串扰。

由于电动汽车上安装空间的限制，不可能使所有导线都保持起码的间距。我们将电动汽车上的线束分为3类，将具有相同潜在的干扰和大致相同灵敏度的导线综合在一起，并分开布线。表2是电动汽车用导线分类。为达到充分的退耦，电动汽车各类导线之间应保持最小间距。电池间连线、电池箱连接线与低压导线应保持的最小间距为0.1 m，与CAN总线、信号线应保持的最小间距为0.2m。电机控制器与电机之间连接线和低压导线应保持的最小间距为0.2m，和CAN总线、信号线应保持的最小间距为0.3m。

表2 电动汽车用导线分类

电动汽车布线及选材的规则:①各类电缆要分开铺设，并保持相互之间的最小间距；②在各类不同电缆的情况下，如果不能保持最小间距，尤其是相对B2类电缆的间距，应使用附加的屏蔽物 （如金属屏蔽管等），并充分隔离；③在长度小于1 m的导线一起铺设时，A类可以和B1铺设在一起，但不能与B2铺设在一起；④各种不同类型的导线垂直交叉时，不需最小间距；⑤A2类电缆为合适电压等级的带屏蔽层电缆，B2类应为带屏蔽层双绞线。

3.3 电力电子装置箱体设计中的屏蔽

电磁干扰沿空间的传播是以 “场”的方式进行的，可以通过屏蔽箱体对电磁场的反射损耗及吸收损耗，来减弱或者消除电磁干扰对系统内外设备的干扰。

3.3.1 模块屏蔽

将控制器内一些辐射大或抗干扰能力差的单板或模块，单独安装在屏蔽盒中。通常将IGBT模块、电源板等功率模块用金属网罩屏蔽，变压器、电抗器通过铁心环路和绕组线圈外面包一层或多层金属短路环以减少漏磁通。

3.3.2 壳体屏蔽

通过金属壳体把整个系统屏蔽起来，利用金属外壳对电磁干扰反射和吸收损耗，切断机箱内外干扰信号的传播。比较常用的屏蔽材料有钢板、铝板、铝箔铜板、铜箔等。

在屏蔽设计时，应该根据屏蔽效能的具体要求和场合来选择屏蔽材料。在选用屏蔽材料时，应遵循以下原则。

1）当外界干扰电磁场的频率比较高时，用低电阻率、高电导率的材料。

2）当外界干扰电磁场的频率比较低时，应该用高磁导率的材料。

3.3.3 箱体上孔缝对屏蔽的影响

电力电子装置箱体上有通风孔、进出线孔、安装孔及箱盖与箱体之间的连接缝等孔缝，这些都可能造成电磁波的严重泄漏，改善孔缝屏蔽有下面几种方法。

1）加装导电衬垫 导电衬垫具有良好的导电性和弹性，用于两块金属的连接处，可以减小缝隙，保证金属板之间的电连续性，从而增加屏蔽效能。导电衬垫通常有软金属、金属编织丝线、导电橡胶、螺旋弹簧等。把盖板安装在电机控制器箱上时，各种导电衬垫及其安装方法如图5所示。

2）加装金属丝网 在电机控制器的通风口上经常覆盖一层金属丝网，使之既能保持通风又能起到屏蔽作用。由于网孔太多，金属网的吸收损耗很小，主要靠反射损耗。对于同样的金属线径，目数越多即网孔越小，屏蔽效能就越高。对于确定的目数，线径越大即网孔越小，屏蔽效能越高。

3）增加孔缝隙深度 利用波导原理，增加孔缝隙的深度，可以改善盖板与箱体间接缝的屏蔽。增加缝隙深度的结构示意图如图6所示。

3.3.4 铁氧体磁环的应用

电动汽车总装结束后，电缆上产生的共模电压也就一定了。这时，减小电缆上的共模电流的方法就是增加共模电流回路的阻抗。实用且有效的方法是在电缆上增加铁氧体磁环，将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈。共模扼流圈不需要搭铁，可以直接加到电缆上，根据需要，也可以将电缆在磁环上绕几匝。为了工程方便，很多厂家提供分体式的磁环，这种磁环可以很容易地卡在电缆上。铁氧体磁环实物如图7所示。

在使用铁氧体磁环时，需要注意以下问题。

1）铁氧体材料的选择 根据要抑制干扰的频率不同，选择不同材料成分和磁导率的铁氧体材料。电动汽车上采用的磁环应具有较高的高频磁导率。常用的高频磁性材料有锰锌氧磁体和镍锌氧磁体。因镍锌氧磁体磁导率的频率稳定性较好，在高频情况下磁导率仍保持基本不变，一般经常采用。

2）铁氧体磁环的尺寸 磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在磁环内径包紧电缆的前提下，尽量使用体积较大的磁环。

3）铁氧体磁环的安装位置 一般尽量靠近干扰源或敏感源。在电动汽车上，磁环要尽量靠近电机控制器的电缆进出口、充电插口、整车控制器接线口。

3.4 搭铁设计

电动汽车中沿电缆和底盘传导的共模电流是电动汽车产生电磁干扰的重要原因。采用恰当的搭铁电阻，可以衰减流向底盘的共模干扰电流及其引发的电磁辐射。电动汽车只有轮胎和地面接触，整个车身对地是绝缘的，共模干扰电流经电机控制器底座流向底盘，产生的共模电压很有可能危及乘客的安全。因此电机控制器底座、电机外壳必须搭铁。另外，搭铁阻抗必须恰当，从而最大程度衰减共模干扰电流。电阻R、电容C、电感L的值可以通过（1）式、 （2）式求得

式中:i′——流入底盘的尖峰共模干扰电流；E——共模电压；T——尖峰电流的时间常数，大小为R／2L；fC——尖峰电流i′的频率［5］。

通过式 （1）、式 （2）同时考虑安全电压上限，可以得出电阻值。

电动汽车CAN通信网络采用屏蔽双绞线。双绞线绞环中感应的电磁场相互抵消，从而降低了外界电磁场对绞线的干扰以及绞线间的干扰，同时双绞线还可以降低导线间的非平衡性互电容，可以降低衰减。屏蔽双绞线上的屏蔽层不仅防止外部干扰进入绞线，同时又控制自身信号对外辐射干扰。

双绞线绞合节距一般在15 mm以下，可以通过增加单位长度内的绞合数来增强抗干扰效能。若屏蔽层不搭铁，则有可能造成比不用屏蔽线更大的电场耦合，因为屏蔽线的屏蔽层比一般导线的面积要大得多，所以与其他线路的耦合电容也就大，耦合也就更强。根据文献［6］、［7］的研究，屏蔽层采用单端搭铁会取得较好效果，实践也证明这一点。

4 试验结果

图8为CAN通信波形，可以看出在附加抗干扰措施后，波形品质得到明显改善。通过分析，采取抗干扰措施后通信误码率减少2个数量级。

图9为SLG6105EV型纯电动城市客车在定远试验场做电磁场骚扰特性时的照片。图10为国家汽车质量监督检验中心对SLG6105EV型纯电动城市客车的检验报告 （部分）。

5 结论

本文分析了电动汽车的电磁兼容，并提出一些抑制电磁干扰的具体措施。实践证明措施有效，提高了电动汽车的电磁兼容性，满足车辆安全、可靠运行的要求。

［1］王文伟，毕荣华.电动汽车技术基础［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］GB／T4365—2003， 电磁兼容术语［S］.

［3］Chingchi Chen， Xingyi Xu.Modeling the Conducted EMI Emission of an Electric Vehicle Traction Drive［C］.IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Colorado: IEEE， 1998: 796-801.

［4］Mutoh N， Nakanishi M， Kanesaki M， etc.Control Methods for EMI Noises Appearing in Electric Vehicle Drive Systems［C］.Proc.IEEE Applied Power Electronics Conf.Austin:APEC 2005: 1022-1028.

［5］王 伟，周雅夫，王 健.电动汽车电磁兼容性研究［J］.汽车工程， 2008， 30 （5）: 399-402.

［6］马 明，杨志仁，张小青.屏蔽双绞线抗电磁干扰研究及其在城轨车辆上的应用［J］.电力机车与城轨车辆，2006， 30 （5）: 14-17.

［7］杨龙山，王丽芬.屏蔽双绞线在车用CAN总线中的抗干扰能力研究［J］.汽车技术， 2006， （12）: 9-12.