电动汽车常见电磁兼容问题与解决方法

2018-05-26张浩刘桂彬徐枭胡建周荣

汽车实用技术 2018年8期

张浩，刘桂彬，徐枭，胡建，周荣

（1.河北工业大学，天津 300130；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

随着能源与环境问题的日益突出，政府对新能源汽车的支持力度不断加大，电动汽车凭借其自身节能环保的特性也越来越受到消费者的青睐。同时，世界各大汽车制造厂商在不断优化改良现有传统汽车的基础上，纷纷推出混合动力汽车、纯电动汽车等车型。相比于传统汽车，电动汽车所配备的高压电气元件会对周围环境产生更强的电磁干扰。同时，随着网联化和智能化的发展，更多低压电气元件得到应用，这些部件本身对复杂电磁环境的承受能力较弱，降低了电动汽车的抗干扰程度。因此，与传统汽车相比，电动汽车的电磁兼容问题更为复杂。

1 电磁兼容介绍

电磁干扰的来源主要有车体静电干扰、车外电磁干扰以及车内电磁干扰。车体静电干扰是指汽车在高速行驶过程中，车体与空气不断摩擦产生静电，当电荷积累到一定数量且外在条件合适，就会发生放电现象，同时产生高频辐射。车外电磁干扰主要发生在某些特定环境下，例如无线电发射基站和变电站等强辐射源附近。据报道，某抗电磁干扰设计有严重缺陷的汽车，由于高速路口收费站产生的电磁辐射，发生了其安全气囊在正常状况下炸开的故障[1]。车内电磁干扰是指汽车内部的电子电气设备在正常工作时产生的电磁干扰，是目前电动汽车电磁兼容主要的研究对象。无论哪种干扰都严重影响着电动汽车行驶的安全性和可靠性。

针对电磁兼容问题三大要素，如图1所示，常依据隔离骚扰源和敏感部件、发现并阻断耦合途径的原则，在实践中采用接地、滤波和屏蔽的方法解决相关问题。

图1 电磁兼容三要素

2 高压电气元件

动力电池以及电驱动系统等强电设备，在其运行过程中会产生强烈的电磁辐射，并对车内其他部件会产生严重的电磁干扰，这是车内电磁干扰的主要来源。

2.1 动力电池

动力电池以及与之相连接的动力线缆一般载有较高的电压和较大的电流，车辆在不同运行工况下电流和电压必然会产生波动，进而产生强烈的电磁干扰。对此，可以在线缆以及其他可能有电磁泄露的地方覆盖铝箔以屏蔽干扰，在连接处要选用如图2所示的专用电缆，以进一步保证屏蔽效果[2]。

图2 带屏蔽接头的专用线缆

屏蔽与接地密切相关，在加强屏蔽层设计的同时，还要注意屏蔽的接地方式以达到满意的屏蔽效果。实践中，用作屏蔽内电场的屏蔽体一定要良好接地，如图3所示，使其对外电场强度为零。用于保护通信线缆的屏蔽层有与之类似的结构。

图3 静电屏蔽原理

接地时，相较于所有电路共同使用一条公用地线的单点接地而言，多点接地可以突破单点接地在高频段范围内的限制，同时可以缩短各接地线路进而能够减少电线的天线效应。

在工程实践中可以发现，很多电磁兼容问题都是屏蔽与接地设计不当引起的，优化屏蔽接地设计，尤其是优化强电部分电磁兼容性的设计，对车辆电磁环境的改善至关重要。

2.2 电源系统组件

2.2.1 电池管理系统（BMS）

电池管理系统主要进行电池相关信号的处理和传递，较低的工作电压与电流决定其较弱的抗干扰能力。车内电磁干扰对 BMS的耦合有两种主要途径：一是车内的低频瞬态和各种干扰直接通过 BMS的电源线以共模或差模干扰的形式耦合进 BMS，二是车内的各种辐射干扰场把能量耦合在BMS的连接线束上，形成共模干扰电流耦合进BMS[3]。所以BMS一般采用金属铝质外壳以尽量隔离外界干扰，同时，在保证功能及安装需求的条件下尽量缩短 BMS与电池之间的线路长度。

图4 某电动车BMS示意图

2.2.2 DC/DC变换器

DC/DC变换器是电动车高压电气系统中的转换模块，它将高压小电流转换为低压大电流输出到车灯等低压部件，是一个大功率振荡器，运行时电压随时间会有很大的波动。对于DC/DC变换器，首先在设计之初就要考虑电磁干扰问题，在电路设计等方面进行电磁兼容优化设计。其次，在输入端加接电源滤波器，这样既可以无衰减地输送直流功率，还可以大大衰减高频干扰信号[4]。需要注意的是，作为电池的外部设备，电池冷却系统一般会选用有刷电机，运行时也会产生一定的骚扰。

2.3 电驱动系统

电驱动系统主要包括驱动电机、变速器以及功率变换器。其中驱动电机和功率变换器是该部分产生电磁骚扰的主要源头。

2.3.1 驱动电机

目前驱动电机种类较多，均是利用电流与磁场之间相互作用的原理将电能转化为机械能，是典型的宽带骚扰源。一方面，驱动电机在高速运转的过程中，内部线圈会通过空间和导线产生强烈的电磁骚扰，扰乱周围电磁环境[5]；另一方面，电机内部线圈是电感元件，在电机启动和停车阶段会有不同程度的电流波动，形成浪涌效应。同样地，在逆变器启动瞬间也会产生类似的瞬态干扰。对于浪涌冲击、静电以及电快速脉冲群等瞬态干扰，可以加装合适的瞬态干扰吸收元件，如瞬变电压抑制管、压敏电阻以及气体放电管等。另外，为了能及时了解电机运行状况而安装在电机上的传感器也是常见的窄带骚扰源，同时它也是抗干扰能力较弱的易感元器件，此类电气元件在电动车辆中应用较多，必要时需要关注排查。

除此了上面提到的方法，改进电驱动系统的设计也可以达到对整车电磁兼容优化的效果。例如，为了减少电缆引起的天线效应，可以将电机控制器尽量靠近电机；为防止传导耦合影响正常通信，整车控制器要尽可能远离电机等高压设备。

2.3.2 逆变器

逆变器电路中的 IGBT 开关管动作时产生的电压、电流突变会通过动力线缆产生强烈的电磁干扰，信号线与动力电缆会之间会产生互感，底盘与动力电缆之间产生也会产生共模干扰[6]。可以采用下文的方法通过屏蔽和接地以降低对外界的干扰。最后，还要把逆变器作为一个整体进行屏蔽，同时将屏蔽体外壳良好接地。

3 整车设计

实际上，不同类型车辆的主要强电零部件外形设计与安放位置不尽相同，但从整车设计角度来看，有一些通用方法可以在一定程度上提高整车的电磁兼容性能。

3.1 线缆布置

线束电缆在瞬变的电流作用下可以看作是一个个辐射天线，即使在平行传输途中也存在着导线之间的互感，导致信号的串扰。因而整车线缆布局设计显得尤为重要。一般来说，线缆在布局设计上要遵循的基本原则是：尽可能避免线束之间发生干扰。

3.1.1 动力线缆

动力线缆高电压、大电流以及其较大的波动特性决定着其会产生很强的电磁干扰，尤其是对低压通信控制线缆的干扰尤为明显。一般来讲，高压导线可以与低压导线铺设在一起，但是不能与低压通信控制线铺设在一起。同时，高压线缆与信号线要并行布置，避免环形布线，以减小高压脉冲对信号脉冲的干扰。

3.1.2 通信线缆

图5 双绞线示意图

通信线缆一般选用屏蔽双绞线，如图5所示，并尽量将其绞紧，布线紧贴在底盘上。双绞方式使得感应的磁场相互抵消，可以降低外接电磁场对绞线的干扰以及绞线之间的互相干扰，降低衰减。而屏蔽层可以减少自身对外界的电磁干扰，也可以降低自身信号的衰减和噪音的引入，因而可以提供更洁净的电信号和更长的线缆长度。虽然屏蔽双绞线价格更加昂贵，安装也更加复杂，但其电磁兼容特性优越，所以应用广泛[7]。

3.2 孔缝

受限于工艺与设计等原因，某些箱体上会留有用于散热或线缆进出孔洞，汽车壳体拼接处也会留有缝隙，这些都是可能会引起电磁辐射泄露的隐患。在留有缝隙或空洞的地方加装导电泡棉垫或金属丝网，可以有效隔离泄露。在某些不方便加装导电泡棉垫或金属丝网的地方，可以应用衍射的原理，进行结构性加深缝隙深度。

3.3 其他

对于高压回路的屏蔽，可以在机箱与连接器之间加装导电衬垫，减小屏蔽导体的接地阻抗，在芯线外面包裹屏蔽层，接线时屏蔽层要全角度接地，避免“猪尾巴效应”。一般来讲，编织屏蔽密度越高，屏蔽效果越好，但成本会升高，编织网的柔韧性也会下降。对于某些电磁要求更为严格或者有其他限制的地方，可以在线缆外侧套加金属屏蔽管以充分隔离。