电动汽车电磁辐射问题研究

张胤+刘方磊+张富忠+丁亚平+程绪行

摘 要：相对传统汽车而言，电动汽车采用了很多高压大功率部件以及系统集成度高的电子控制单元，会产生较为严重的电磁辐射。从电动汽车标准、试验及优化整改的角度，分析了电动汽车的电磁干扰源、形成机理及其传播途径，结合实际试验，分析了电磁兼容整改技术，并针对案例进行了整改与试验验证。

关键词：电动汽车；电磁干扰；干扰源；试验；整改

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）05-0008-04

Study on Electromagnetic Radiation of Electric Vehicle

ZHANG Yin， LIU Fang-lei， ZHANG Fu-zhong， DING Ya-ping， CHENG Xu-hang

（ National Automobile Quality Supervision and Test Center[Xiangyang]， Xiangyang 441004， China ）

Abstract： Compared with the traditional automobile ，many high-voltage ， high-power components and electronic control units with high system integration are applied to the electric vehicles ，which can cause more serious electromagnetic radiation. This article analyzes the electromagnetic interference source， the formation mechanism and the transmission way of the electric vehicle from the angle of electric vehicle standard， test and optimization rectification. Based on the actual test， the electromagnetic compatibility rectification technology is analyzed and the rectification and verification of the case are carried out.

Key Words： electric vehicle； electromagnetic interference； interference source； test； rectification

1 前言

近几年，由于国家政策的鼓励，不少汽车厂商纷纷展开了电动汽车技术的研究，但尚处于起步阶段，许多厂商主要还是着眼于电机及其控制系统、电池等关键部件或系统的功能性实现上，而对于各个系统以及整车的电磁骚扰抑制和抗干扰问题不够重视，造成电动汽车的电磁兼容性（EMC）水平不高。电动汽车的主要干扰源来自于高压大功率电器部件以及系统集成度和电磁敏感度高的电子控制单元，由此产生的电磁干扰不仅会影响车辆周围的无线电设备， 还会影响车辆内部电气设备的正常工作，如果涉及控制和安全的电子电气设备受到影响而无法正常工作，会直接影响车辆行驶的安全性。

目前国内生产的电动汽车能一次性通过GB 14023-2011无线电骚扰特性和GB/T 18387-2008电磁场发射强度测试的不多，大部分车型都是经过多次整改才能够达标。随着国家对电動汽车EMC问题的不断重视，电动汽车电磁兼容技术以及检测机构的检测水平将进一步提高，原有标准将不断被修订和完善，今后在加强整车电磁兼容技术研发的同时，也会积极开展电器零部件的电磁兼容性的研究与测试。对电动汽车电磁兼容性能的分析与研究，就是要从根本上弄清影响电动汽车的电磁兼容性的原因，并提出具有建设性的改进措施，来提高电动汽车电磁兼容性的检验合格率，促进电动汽车行业的健康发展。

2 电动汽车主要试验标准与试验项目

经过各个国家和地区的不断努力，电磁兼容技术及标准体系得到了不断的发展和完善，各个汽车制造商们也制定了相较于外部标准更为严格的内部标准，以此来提高自身产品的电磁兼容性能。电磁兼容标准分为国际标准（如ISO，IEC/CISPR）、国家标准（如欧盟汽车法规ECE、美国SAE体系、日本JASO体系）和企业标准（如福特、丰田、通用、大众等标准）。

3 电动汽车电磁干扰源分析

3.1 电磁干扰要素

电动汽车内部有许多高低压线束和通信线束以及大量的高低压电子电器部件，会产生大的电磁干扰，造成辐射超标，影响车辆本身的性能并对外部环境造成辐射干扰。电磁干扰源、传播途径与敏感设备，是形成电磁干扰的三要素，只要缺失其中任何一个要素，电磁干扰便不会发生。

电磁干扰源是产生电磁干扰的用电设备或自然现象。传播途径又称耦合路径，是电磁能量通过介质耦合传输的过程，包括传导耦合和辐射耦合。敏感设备包括单个设备或者分系统，或者是产品内部的电路或部件。有时候电磁干扰源与敏感设备可能是同一元件或设备。

传导耦合是指电磁波需要通过完整的电路才能使干扰源的电磁能量耦合到敏感设备。辐射耦合是指电磁能量通过空间介质在干扰源与敏感设备之间传递的过程。

3.2 电动汽车主要电磁干扰源

电动汽车的电气系统相对于传统汽车而言比较复杂，既有传统12V蓄电池供电的电气系统（简称低压电气系统），又有高压动力蓄电池供电的电气系统（简称高压电气系统），还有许多高压大功率的汽车电子部件，如驱动电机、电机控制器、直流/直流转换器（DC/DC）、高压动力电池，同时电动汽车较传统汽车采用了更多的控制、监控、显示和无线电等各种电子设备，如电动助力转向系统、真空泵、水泵等。高压电力电子开关器件非常容易通过传导、耦合或辐射产生电磁干扰。典型的电动汽车电驱动系统，常由蓄电池组、驱动电机、电机控制器以及相关动力连接线等组成。蓄电池组作为能量供给系统，为整个电动汽车提供动力源；电机控制器是一种DC/AC逆变器，主要用于动力源的交直流转换；驱动电机将电能转换为电动汽车的动能，以上设备通过控制线缆及动力连接线连接，共同组成了电动汽车典型的电驱动系统，也构成了电动汽车复杂多变的电磁环境。图2所示为典型的电动汽车电驱动系统的简图。endprint

3.2.1电机控制器

对于电机控制器，需要采集电机的相电流、转速、电压、温度等信号对电机进行控制和保护，其中电流检测和电压检测传感器都是霍尔原理，容易产生干扰，控制器内部还有许多IGBT模块，IGBT的开关动作会造成电压或电流的快速变化，造成干扰。图3是电机控制器的典型模型。

3.2.2 DC/DC变换器

DC/DC变换器利用电容、电感的储能特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作提供能量，使电源和负载功率实现平衡。图4为DC/DC电路结构。电动汽车一般使用DC/DC降压变换器，将动力电池的高压转换成低压给低压电器供电，这一过程通过Buck电路（降压式变换电路）实现。连接线路和元件通常存在寄生参数，寄生元件易形成高频谐振回路，换流单元的换流过程向这个谐振回路引入瞬态宽频带能量，如果回路谐振频率落在这个频带中，便会发生高频谐振，放大干扰效果，从以上分析可知，DC/DC变换器中换流单元的周期性换流动作是干扰产生的根本原因，而电路的寄生元件会增强高频干扰。

3.2.3 动力电池组

由于电动汽车仿真技术的需要，研究人员设计了大量电池性能的等效电路模型。电池首先装在电池箱里再安装到汽车上，每块电池的负极对车身都可以产生一个寄生电容Cs，当所有电池串联起来的时候，其等效模型如图5所示。其分布参数跟电池的布置有很大关系，分布参数产生的影响跟电池组的电流波形有很大关系，当电池组中电流变化率较大时，各单体电池负极电位变化也较大，这时在电池组跟底盘之间就会由于分布电容的存在产生对底盘的共模电流，极易产生辐射干扰。

3.2.4 驱动系统的差模干扰和共模干扰

IGBT开关动作时会产生差模干扰源，经母线流回电池，此外，当高频电流作用在电机上，会在电机定子线圈上产生电压尖峰，经过母线生成另一个差模电压，如图6所示。路径1是由开关造成的干扰，路径2是工作时有用电流产生的干扰。

当逆变器正常工作时，桥臂的两个开关互换开通，其中点电位会随之发生阶跃变化。每个开关动作时都会对IGBT与散热片之间寄生电容进行充、放电，形成共模电流，造成干扰。在电机驱动系统中，存在较大对地寄生电容的地方主要包括功率开关器件的管脚与散热片之间的寄生电容，电机绕组与外壳之间的寄生电容，电机轴承与外壳之间的寄生电容和直流母线及交流线与地之间形成的寄生电容等。共模干扰的两条回路为1：IGBT→IGBT对散热器的寄生电容→底盘→电池组对底盘的分布电容→电池组→直流母线→逆变器，2：IGBT→IGBT对散热器的寄生电容→底盘→动力电缆对底盘的分布电容→动力电缆→逆变器。

4 实际案例分析与整改

4.1 测试案例分析

对国内某款纯电动样车，以电磁场发射强度测试为例，依据GB/T 18387-2008，找到最大发射方向，以16km/h和64km/h的稳定车速，分别测量电场和磁场的三个正交方向，选取16km/h电场和磁场Y方向超标结果，如图7、图8。

根据该车的测试结果，超标频段集中在10M-30MHz。根据试验室积累的其他车辆的测试结果，超标频段主要集中在：9k-150kHz，5M-30MHz，30M-50MHz，100M-200MHz，对于少数车辆，2M-5MHz也出现了超标的情况。进行电磁场发射强度测试时，驱动电机、电机控制器、DC/DC变换器等高压部件处于正常工作状态。根据3的的分析，我们怀疑这些高压部件是造成测试结果超标的干扰源，可针对这些部件进行优化整改。

4.2 整改方案及措施

高压部件的控制电路、驱动电路以及功率电路集成于有限壳体内，且外部接插件已固定，短期内难以进行部件级整改，只有从分系统级层面提出整改方案。基于3的分析，制定的分系统级整改方案可归纳为：电磁屏蔽，滤波吸收，接地优化。

4.2.1 电磁屏蔽

电磁屏蔽是利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程中的损耗来降低电磁能量，抑制电磁干扰的一种措施。

实际的屏蔽机箱都有必要的穿孔、孔洞和缝隙，引起导电不连续性，产生电磁泄漏，通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。电磁场屏蔽必须同时屏蔽电场和磁场，空间电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被大大衰减，从而起到屏蔽作用。一般选择电阻率小的良导体材料，如：箔带、导电织物、导电涂层及镀层。

4.2.2 滤波

滤波是根据信号频率特性，将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。电动车的电源是直流电源或者50Hz的交流电源，所以使用低通滤波器。通常在电源线输入端使用安规电容（X电容和Y电容）可以降低电磁干扰。X电容用来抑制差摸干扰，Y电容用来抑制共摸干扰，电动车的高压电路中，既有共模电流存在，又有差模电流存在，所以一般同时使用X电容和Y电容。图11，图12为两种安规电容，薄膜电容一般用作X电容，瓷片电容一般用作Y电容。

动力线束上安装滤波器可吸收部分高频传导干扰，从而降低辐射骚扰水平。安装滤波器需要破坏动力线束，电机控制器输入输出电流都较大，相应滤波器尺寸较大，无安装空间，仅在DC/DC变换器高压直流输入端和电机控制器进出线等位置，选择安装纳米晶材料、锰锌材料吸收磁环，将干扰噪声转化为热损耗，可降低共模干扰。铁氧体吸收型滤波器（铁氧体磁环）是目前应用较多的一种低通滤波器，根据材料种类分为镍锌磁环、锰锌磁环、非晶磁环等，一般高频使用镍锌磁环，低频使用锰锌磁环。

4.2.3 接地

接地就是在电路、设备或系统与某个电位基准地之間建立低阻抗的导电通路，分为“安全地”和“型号地”，与电磁干扰有关的主要是信号地。良好的接地可以使流经设备或系统接地回路的电流产生的电磁干扰最低，同时保证人身和设备的安全。接地方式的选取应遵循以下原则：低频电路（频率低于1MHz或地线长度小于λ/20）建议采用单点接地；高频电路（频率高于10MHz或地线长度大于λ/20）建议采用多点接地；高低频混合电路，建议采用混合接地。endprint

4.3 案例整改

针对样车测试的结果，查看样车部件架构及布线情况，从电磁兼容的角度分析，发现存在以下不合理之处：1、高压动力线束过长，且屏蔽层与接插件屏蔽端搭接不良；2、电机控制器壳体喷涂绝缘漆，壳体上下盒盖固定螺钉孔间距过大；3、DC/DC变换器及高压控制盒壳体拼接处喷绝缘漆，整个壳体屏蔽效能降低；4、电机壳体未接地；5、高低压线束之间相隔较近，易产生耦合干扰。针对样车部件架构和布线的不合理之处，进行以下整改：1、将动力蓄电池和高压配电盒连接的高压线缆用铜编织带包裹并缠绕铜箔带，并进行接地处理；2、U、V、W动力线束上分别套上铜编织带并缠绕铜箔带，并用扎带将此三线扎紧，在U、V、W三线的两端（电机控制器的输入线、输出线，驱动电机的输入线）套几个锰锌磁环和非晶磁环，将线缆在磁环上多绕几圈，增加匝数；3、在高压配电盒的直流输入端的直流母线上增加X电容和Y电容；4、去掉电机控制器壳体盒盖连接处的绝缘漆，用铜箔带连接上下盒盖，并将壳体用编织带接地；5、DC/DC变换器的的直流输入母线用铜编织带包裹并缠绕铜箔带，并将壳体接地；6、电机壳体用铜编织带接地。下图展示了处理后的局部状态：

对样车整改处理之后，可使用近场探头和接收机对处理后的部件或者线缆进行探查测试，以确定整改效果，探查测试的位置主要包括驱动电机、电机控制器、DC/DC接插头部分、壳体缝隙处以及相关动力连接线。在样车处理之前，也可使用近场探头进行干扰源的初步定位，之后采取相应的措施进行针对性的整改处理。

通过对测试案例中的样车进行整改处理后，再依据GB/T 18387-2008进行电磁场发射强度的测试，选取16km/h电场和磁场Y方向测试结果，如下图所示。

通过整改前后测试结果比对，可以看出整改后测试结果有明显改善，说明整改措施是有效的。

5 结语

电动汽车由于其自身构造，电磁环境复杂，电磁干扰问题比较严重。本文着重分析了电动汽车的电磁干扰源，并根据实际案例从屏蔽、滤波、接地三个方面，提出了一系列的优化措施，对电动汽车样车进行优化整改，最后，经过试验验证，证明采取的整改措施是有效的。虽然整改措施有效，但在部件装车后再进行整改无疑成本高，费时耗力，所以应该在部件、电气系统设计之初就考虑电磁兼容问题，采取严格的电磁骚扰抑制措施，进行板级、系统级优化设计，从而提高量产车辆的电磁兼容水平。

参考文献：

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