ISO 26262关于验证电磁兼容安全性方法的运用研究——以新能源车用DC-DC转换器为例

文/游元杰 武修英 冯依睿

【机动车专栏】

ISO 26262关于验证电磁兼容安全性方法的运用研究
——以新能源车用DC-DC转换器为例

文/游元杰 武修英 冯依睿

本文对如何运用ISO 26262“道路车辆—功能安全”系列国际标准中对直流—直流（DC-DC）转换器电磁兼容安全方面评定方法进行了阐述，分析了在新能源汽车中DC-DC转换器电磁干扰的危害特性，并提出了相应的验证检测技术。

DC-DC转换器 电磁兼容 ISO 26262

随着电动车辆等新能源汽车的发展，越来越多的高压零部件被运用于车辆上，这对车辆的电磁兼容性能提出了更高的要求。ISO 26262“道路车辆—功能安全”系列国际标准对车辆整体电子系统功能安全也提出了进一步要求。目前，各整车生产商基于此系列标准，对零部件供应商在电子电器功能安全管控的能力加强了考察。

本研究目的在于确定如何根据ISO 26262对直流—直流（DC-DC）转换器电磁兼容特性功能安全进行评定，并对验证电磁兼容功能安全检测技术方面加以探讨。

一、DC-DC转换器工作原理

电动车辆一般有两个储能设备为车上的电器进行供电，分别为高压电池系统和低压蓄电池系统。高压电池系统输出高压直流电，经过DC-DC转换器转换为适合车辆高压零部件（如驱动电机和空调压缩机）工作要求的直流电使其正常工作。低压蓄电池系统则为车灯、车身控制模块（BCM）等低压电子电器设备输送低电压直流电，使其正常工作。由于电动车辆上没有发电机，一般使用高压电池包输出高压直流电，经过DC-DC转换器至低压蓄电池，来满足低压蓄电池的充电功能。

同时，在DC-DC转换器上，一般加装监控和控制模块，来确保将高压电池的电能以经济安全的策略供给电动车上的其他电器。

以此可见，DC-DC转换器对于电动车辆来说非常重要，是整个电动车系统的核心部件。

DC-DC转换器具有成本低、体积小、重量轻和效率高的优点。但电动车辆用DC-DC转换器，自身会产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI是随着DC-DC转换器开关频率的提高、输出功率的增大而明显增强。经传导和辐射，它会污染周围电磁环境，对车辆上其他电子电器部件造成干扰，影响周围电子设备的正常运行。例如，当EMI窜入到车身控制系统、电子油门系统，电子刹车系统等车辆重要控制系统时，会使车辆出现失效或产生误动作等，严重影响车辆行驶安全和人身安全。因此，只有提高DC-DC转换器电磁兼容性，才能使DCDC转换器真正运用于道路车辆上。

二、ISO 26262标准概述

ISO 26262系列标准主要定位在汽车行业中特定的电气器件、电子设备和可编程电子器件等专门用于汽车领域的部件，旨在提高汽车电子、电气产品功能安全。

ISO 26262系列标准根据安全风险程度对系统或系统某组成部分确定划分由A到D的安全需求等级，即汽车安全完整性等级（ASIL）。其中，D级为最高等级，需要最苛刻的安全需求。伴随着ASIL等级的增加，针对系统硬件和软件开发流程的要求也随之增强。对系统供应商而言，除了需要满足现有的高质量要求外，还必须满足这些因为安全等级增加而提出的更高要求。

三、DC-DC转换器ASIL功能安全评级方法

依据ISO 26262系列标准进行DC-DC转换器电磁兼容特性功能安全设计时，首先对DC-DC转换器的各功能进行逐个分析，识别系统所有的危害，依据三个因子——严重度（S）、暴露率（E）和可控性（C），评估危害的风险级别ASIL等级。其中，严重度是指对驾驶员、乘员或者行人等涉险人员的伤害程度；暴露率是指人员暴露在系统失效、能够造成危害场景中的概率；可控性是指驾驶员或其他涉险人员能够避免事故或伤害的可能性。这三个因子的分类在表1中给出。

表1 严重度、暴露率、可控性分类

ASIL等级的确定基于这三个影响因子，表2中给出了ASIL的确定方法。质量管理（QM）表示按照质量管理体系开发系统或功能。确定了危害的ASIL等级后，为每个危害确定至少一个安全目标，作为功能和技术安全需求的基础。

表2 ASIL等级确定

1. 危害分析和风险评估

以DC-DC转换器电磁兼容特性为例介绍如何进行危害分析和风险评估。

DC-DC转换器作为电动车辆的核心部件，除了转换交直流电压、电流功能，还有监控高压电池系统输送电压、电流波动情况，输出交直流电压、电流，为低压蓄电池充电功能等。

当电动车辆行驶时，驾驶员通过油门、刹车、使用车灯控制拨杆和使用空调旋钮等发出请求，DC-DC转换器分别启动传输交直流高压电流至驱动电机，传输低压大电流为低压蓄电池充电等功能。由于自身EMI能力强，会引发电子刹车系统失效、电子油门失效、驱动电机转速异常和车身控制系统失效等风险，导致的危险如：非预期制动失效，非预期驱动失效、非预期驱动异常、非预期电器功能失效、非预期电器功能异常。

鉴于车辆行驶不同特性，相同危害在不同场景下的风险是不一样的。所以，我们要对不同的驾驶场景进行分析。在极端情况下，我们对“非预期制动失效”这种功能故障进行风险评估。表3给出了DC-DC转换器电磁兼容特性风险评估。在该表中，我们考虑的驾驶场景是：车辆在高速公路上以80～120 km/h的速度高速行驶正常驾驶，发现由于DC-DC转换器对外EMI，致使电子刹车系统失效。这种导致车辆制动力突然失效，使车辆异常滑行，偏离车道等情况对道路车辆和人员造成严重伤害。

表3 DC-DC转换器电磁兼容特性风险评估

通过以上分析，得出DC-DC转换器电磁兼容特性的安全目标为：防止制动失效，ASIL等级为D。

由此可见，DC-DC转换器电磁兼容特性在功能安全方面非常重要。DC-DC转换器对外EMI是由于内部的功率开关管、整流或续流二极管和主功率变压器在高电压、大电流和高频开关的方式下工作，其电压电流波形多为方波。所以，在高压大电流的方波切换过程中，方波电压电流会产生丰富的谐波电压和谐波电流。这些谐波电压和谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出，对同一车辆上供电的其他设备和车载电网产生干扰。

因DC-DC转换器电磁兼容特性是在其内部多功能部件交互产生的，故不能按照ISO 26262中分解原则对其进行分解，应作为整体进行检测验证。

四、DC-DC转换器电磁兼容特性验证

目前，国内汽车电磁兼容类标准，并没有对DC-DC转换器电磁兼容特性提出强制性标准。基于主机厂对零部件电磁兼容特性愈发重视，各自针对国际通用标准CISPR 25:2008《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》制定相关标准，如GB/T 18655-2010（CISPR 25:2008，IDT），用来确保DC-DC转换器EMI不会对车载接收机造成冲击。

一般使用三种方法来考察DC-DC转换器EMI特性，分别为辐射骚扰测试、电源端传导骚扰测试、控制信号线传导骚扰测试。

辐射骚扰测试是从空间电磁辐射量上来考察DC-DC转换器对外的辐射发射量，使用3 m法半电波暗室，并针对测试的频率段不同，分别使用单极棒天线（0.15～30 MHz）、双锥天线（30～200 MHz）、对数周期天线（200～1 000 MHz）、喇叭天线（1 000～2 500 MHz）在空间中接收DC-DC转换器在工作时对外的辐射量。在1 000 MHz以下，天线正对样品线束，1 000 MHz以上天线正对样品。测试布置如图1所示。

图1 辐射骚扰测试布置图

电源端传导骚扰测试是在DC-DC转换器工作时，通过对电源线的监控骚扰数值，来考察是否会对车用电网造成冲击，直接使用同轴线缆将测量接收机和人工电源网络上的测量接口相连接，分别读取输入DC-DC转换器的正极电源端和负极电源端骚扰量。测试布置如图2所示。

图2 信号控制传导骚扰测布置图

控制信号线传导骚扰测试，是对DC-DC转换器控制和信号线电流上对外骚扰量进行考察，一般使用电流钳读取控制信号线上的骚扰量，并对其进行考察。分别对靠近DC-DC转换器和靠近线束中心这两个位置进行读取，测试布置如图3所示。

图3 电源端传导骚扰测布置图

在进行以上三项测试时，需要注意，人工电源应选择符合汽车电磁兼容标准CISPR 25《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收的限值和测试方法》参数要求的高压人工电源网络，由于DC-DC转换器的特殊性和标准要求：在电源输入端须接入带屏蔽壳体的人工电源网络，输出端是否使用人工电源网络并无强制要求，但为更加符合整车电网特性，一般都会使用，输入至DC-DC转换器控制模块的低压电源也应使用低压人工电源网络。

不同主机厂根据自身情况并结合ISO 26262对于DC-DC转换器电磁兼容特性的功能安全判定，会要求DC-DC转换器EMI特性满足不同的限值等级要求。由于EMI有一定的不确定性，一般在设计阶段、硬件阶段、软件开发阶段等很难预估。若要有效地控制EMI，需要大量的数据支持和验证。在设计阶段，应考虑DC-DC转换器的接地处理、屏蔽能力，必要时加装滤波器。改良电路会使产品能更好地抑制EMI，以满足客户功能安全需求，并为消费者提供安全保障。

五、结 语

现在发展迅速的电动车辆和未来的智能网联车辆，对车辆上的电子电器产品提出了更高的功能安全需求，以ISO 26262为基础的安全功能评级越来越得到整车厂的重视，并向零部件制造企业提出了响应的要求，电磁兼容特性无疑是其中重要的考察项。不同于性能验证测试，电磁兼容特性更偏向于系统级的整体测量。对车辆安全来说，电磁兼容特性虽然充满不确定性和随机性，但却非常重要。国际、国家标准也正在着手建立更加完善的车辆电磁兼容标准体系，以期提高行业标准和安全保障。

（作者单位：上海机动车检测认证技术研究中心有限公司）

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This paper describes how to use the ISO 26262 Road Vehicles-Functional Safety series of international standards for DC-DC converter electromagnetic compatibility safety evaluation methods. The paper analyzes hazards of electromagnetic interference produced by DC-DC converter in the new energy vehicles, and then proposes some appropriate verification and detection technology.

DC-DC converter; Electromagnetic compatibility; ISO 26262