新能源客车EMI防治

【摘" 要】随着人们对汽车安全性与可靠性要求的持续提升，EMI（电磁干扰）问题日益受到广泛关注。文章通过介绍电磁兼容基础，对比分析电磁干扰中共模干扰与差模干扰的产生机理及防治方法，并结合实际案例，在满足整车绝缘要求的前提下，对电驱动系统进行整改，以满足认证要求。

【关键词】EMI；共模干扰；差模干扰；Y电容

中图分类号：U469.72"""" 文献标识码：A""" 文章编号：1003-8639（2025）01-0019-04

New Energy Bus EMI Prevention

LAI Xingcheng，WANG Jiayu，WANG Hailong，ZHOU Enfei，LI Xun，PAN Lianbo

（Beiqi Foton Motor Co.，Ltd.，Beijing Ouhui Bus Branch，Beijing 102206，China）

【Abstract】With the continuous improvement of vehicle safety and reliability requirements，EMI has been paid more and more attention. This paper introduces the basis of electromagnetic compatibility，compares and analyzes the generation mechanism and prevention methods of common mode interference and differential mode interference in electromagnetic interference，and combined with practical cases，on the premise of meeting the vehicle insulation requirements，the electric drive system is modified to meet the certification requirements.

【Key words】EMI；common mode interference；differential mode interference；Y-capacitance

当今汽车朝着电动化、智能化、网联化迅猛发展，应用于汽车中的电子设备日益增多，电磁兼容EMC问题在汽车研发的过程中受到国内外越来越多的关注[1-5]。随着脉冲宽带调制（PWM）技术的广泛应用，作为主要动力来源的电驱动系统因其自身会产生高频共模dv/dt（电压变化率）的特点，成为新能源车中的主要电磁干扰源[6-7]，严重影响着整车的安全可靠性。

按相关要求，客车整车电磁兼容认证需进行充电和非充电状态下的宽带和窄带电磁辐射发射测试及电磁抗扰测试，若测试结果超过法规限值，则需进行排查整改。同时，Y电容值会对驱动系统和整车的绝缘性能产生影响。本文通过将驱动电机控制器Y电容值调整至合理范围内，最终使得电驱动系统满足GB/T 36282—2018[3]和企业标准[8]的EMC性能要求，整车满足企业绝缘监测功能的要求[9]。

1" EMI产生机理及防治原则

EMC在GB/T 29259—2012《道路车辆电磁兼容术语》中被定义为：车辆、电气电子系统/部件在车辆电磁环境中能正常工作且不影响其他车辆、系统/部件正常工作的能力[10]。其包含两个方面：EMI和EMS。电磁干扰EMI指自身干扰其它电器产品的电磁干扰量；电磁敏感性EMS也称为电磁敏感度，指能忍受其它电器产品干扰的程度。本文主要介绍EMI的产生及防治。

1.1" EMI产生及防治概述

EMI的产生必须具备干扰源、耦合途径和敏感设备这3个要素，缺少其中任何一个都不能引起EMI问题。干扰源造成敏感设备不能正常工作的干扰耦合途径一般分为两种：传导干扰和辐射干扰。传导干扰主要通过导体传播，由于开关电源中调频开关的开通与关断，使得开关电源在交流输入端产生较大共模干扰和差模干扰，频谱主要为30MHz以下。导体中电流的变化会在周围产生交变磁场，变化的磁场又产生交变的电场，这些交变的磁场或电场便形成辐射干扰。辐射干扰通过空间把信号耦合到另一个部件，其频率范围比传导干扰高很多，大概在30MHz～30GHz。根据产生机理不同，EMI分为两类：差模干扰和共模干扰。

EMI的防治一方面要滤除从电源线上引入的电磁干扰（辐射+传导），另一方面还要避免设备本身向外发出干扰信号，从而避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

1.2" 差模干扰产生与防治

差模干扰是相线间的干扰，主要由开关器件脉动电流引起。图1中，驱动系统内部的差模电流IDM所在回路中形成的干扰就是差模干扰。差模干扰起源于同一电源线路之中，直接作用在设备两端，影响甚至破坏设备。其引起的辐射电场的强度示意如图2所示。强度公式见式（1）。

EDM = （IDM × f 2 × S） / r （1）

式中：IDM——差模电流，μA；f——频率，MHz；S——回路面积大小，cm2；r——离噪声源距离，m；EDM——电场强度，μV/m。

防治差模干扰的方法是通过在设备内部回路中设置大小合适的差模电容（X电容）。X电容为金属薄膜电容，跨接在电子设备内部两线之间。电容的特性为低频高阻抗、高频低阻抗，可利用此特性来减弱差模干扰。电容工作原理如式（2）～式（5）所示。

U电容 = U负载 = UDM （2）

IDM = I电容 + I负载 （3）

I电容 × Z电容 = I负载 × Z负载 = U负载 （4）

I负载 = IDM（[Z电容Z负载+Z电容]） （5）

当X电容阻抗Z电容趋近于0时，负载电流I负载趋近于0。根据电容特性，频率低时电容的阻抗Z电容趋近于无穷大，相当于短路起不到任何作用；当频率高时，电容的阻抗Z电容很小，根据式（5）可知负载处电流趋近于0，根据式（3）可知此时电路中的差模电流几乎全部被电容分走，负载上几乎没有差模电流，根据式（1）辐射电场的强度减弱，负载处的差模干扰减弱。

1.3" 共模干扰产生与防治

共模干扰主要由共模电压与寄生电容引起，它通过相线与地线形成回路，如图1中在驱动系统内部共模电流IC所在信号回路与地形成的干扰就是共模干扰，其流过地线将会对外造成干扰。由于电路引线的阻抗不平衡，相同幅值的共模电压会在信号线和接地线上产生不同幅度的共模电流，从而转化成差模电流并产生EMI问题。共模干扰引起的辐射电场强度如图3所示，其计算公式见式（6）。

EC = （IC × f × L） / r （6）

式中：IC——共模电流，μA；f ——频率，MHz；L——传输线缆长度，cm；r ——离噪声源距离，m；EC——电场强度，μV/m。

防治共模干扰主要通过在设备内部回路中设置大小合适的共模电容（Y电容）。Y电容一般成对出现，跨接在电子设备内部两线和地之间，可以滤除高次谐波。共模电容和差模电容的工作原理相同，都是利用电容的高频低阻抗的特性使高频信号短路、低频信号不受影响。当电容阻抗Z电容趋近于0时，负载电流I负载趋近于0。根据电容特性，频率低时电容的阻抗Z电容趋近于无穷大，相当于短路。当频率高时，电容的阻抗Z电容很小，根据式（5）可知负载处电流I负载趋近于0。根据式（3），电路中存在的所有共模电流几乎都被电容分走，负载上几乎没有共模电流，根据式（6）辐射电场的强度减弱，负载处的共模干扰减弱。

共模电容和差模电容工作原理的区别在于差模电容是在两极之间的短路，共模电容是线对地的短路。

2" EMI整改实例

2.1" 案例描述

某新能源客车在进行UN ECE R10.6电磁兼容认证测试过程中，在非充电状态下，车辆的宽带电磁辐射发射超过法规要求限值，测试不通过。

本文根据国标GB 34660—2017[1]采用宽带电磁辐射发射试验10m天线法进行测试。具体测试方法为天线距离车身10m，天线高度为3m，测试布置如图4所示。驱动电机处于运行状态，测试位置包括车头左侧、车头右侧、车尾左侧、车尾右侧，接收天线的方向包括垂直和水平，测试频段为30～1000MHz。

电磁干扰（EMI）宽带辐射测试采用准峰值法，发射限值如表1、图5所示[1]。以蓝色测试光标点不超过红色QP实线为满足法规标准，超过则为不满足标准。测试设备的不确定度约为5dB。

经过多次测试，结果发现在保持其他测试条件不变的情况下启动驱动电机导致测试超标，具体为：车尾左侧30.25MHz处超标，车头右侧47.55MHz处超标，车尾右侧32.05MHz和37.05MHz处于临界值，如图6～图8所示。因此，考虑通过优化驱动系统来解决辐射发射值超标问题。

2.2" 问题解决

驱动系统内部主回路中，直流高压电源经过铜排、磁环、Y电容、X电容等滤波器件后输送到驱动电机控制器的功率模块上。其中薄膜电容相当于一个大的X电容，容值为540μF，两个Y电容均为90nF，PE为驱动电机控制器外壳。从干扰信号的频率上来看，差模干扰的频率一般较低，主要集中在1MHz以下；共模干扰的频率主要集中在1MHz以上[11]。上述测试结果发现，辐射发射超标点都在30MHz以上，考虑共模干扰为主要的干扰原因，从零部件本身上通过更改Y电容值来解决EMI测试不通过问题。

Y电容值不仅影响整车的EMC性能，同时还会对零部件甚至整车的绝缘性能产生影响[12]：①Y电容容值大，充放电时间较长，电流增大，从而导致电容充放电过程中产生绝缘问题；②Y电容稳态漏电流较大，设备产生漏电问题，影响绝缘性能。我司新能源客车明确规定整车绝缘电阻小于500kΩ，整车声光一级报警；整车绝缘电阻小于100kΩ，整车二级报警，执行整车断高压电操作[9]。根据经验，一般整车可接受的Y电容值范围为0～2μF。

明确直流母线上各高压部件Y电容的分配原则。根据GJB 151B—2013关于滤波的要求，对于海军直流电源供电设备规定各极性电源线对地的电容量应不超过所连负载的0.075μF/kW[13]。考虑根据各高压零部件功率大小按照比例分配电容值，且各零部件Y电容值总和不超过2μF。同时，GB/T 18384.3—2015中规定：任何带电的B级电压带电部件和电平台之间的总电容在其最大工作电压时所存储的能量应小于0.2J[14]，将此作为Y电容大小的边界条件。

最后，结合实际情况考虑当前客车驱动系统的普遍水平，将整改电机控制器Y电容大小的范围确定为0～1μF。

3" 驱动系统EMI整改

在产品设计过程中对各零部件进行合理布局、良好接地等操作能够增强产品的抗干扰能力。在调整Y电容值基础上其他整改措施包括以下几点。

1）将高压线束包裹铜箔并增加屏蔽层磁环。磁环一般由铁氧材料制作，在低频时阻抗很小，信号频率升高时磁环阻抗急剧升高，电源线在磁环作用下有用信号顺利通过，高频干扰信号被抑制。图9为电机控制器高压线束包裹磁环。

2）增加驱动电机控制器直流母线滤波磁环的电感量。电感量越大，抑制高频的能力越强。图10为电机控制器高压线磁环增大电感量示意图。

3）将驱动系统高压线缆屏蔽层密度由原来的不小于80%提升至不小于85%，提升屏蔽性能。图11为电机控制器高压线束屏蔽层优化示意图。

4）调整Y电容位置，使其更接近直流电源入口处。

采用以上整改措施并将驱动电机控制器Y电容值增大到0.8μF后进行多次宽带辐射发射复测，结果满足测试要求，如图12～图14所示。

在EMC问题定位和整改过程中，零部件厂和主机厂往往花费大量的时间成本、人力成本和费用成本，因此，正向设计显得尤为关键。综合考虑各电器部件的性能及功能完整性，合理布局能够有效减少内部零部件之间、内部和外部零部件之间相互干扰。合理线束布局能有效减少内部线束之间相互干扰。零部件安装接地能够使零部件的共模电磁噪声得到有效泄放，搭接屏蔽层能够有效减小共模回路的面积。

4" 总结

本文通过对共模干扰与差模干扰产生机理的不同进行总结，从实际EMI测试案例入手，在满足整车绝缘要求的基础上确定驱动控制器直流母线侧Y电容值范围，通过增大电机控制器Y电容值、控制器外包裹滤波磁环、控制器内部磁环增加电感量、增加高压线缆屏蔽层密度、调整Y电容位置等方法对电驱动系统进行EMC问题整改工作。同时对整车EMC正向开发思路进行了总结，为整车EMC开发与防治提供了一定的参考。

参考文献

[1]" GB 34660—2017，道路车辆电磁兼容性要求和试验方法[S].

[2]" GB/T 18387—2017，电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法[S].

[3]" GB/T 36282—2018，电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法[S].

[4]" CISPR 25—2021，Vehicles，boats and internal combustion engines-Radio disturbance characteristic-Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers[S].

[5]" ECE R10 Rev.5，Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to electromagnetic compatibility[S].2014.

[6]" 田丽媛，王庆年，田晓川.电动汽车电机驱动系统的共模电磁干扰[J].北京理工大学学报，2014，34（10）：1028-1033.

[7]" 王举闲.PWM逆变器共模传导电磁干扰及其抑制方法研究[D].长春：吉林大学，2016.

[8]" Q/FT T163—2020，客车零部件电磁兼容性（EMC）试验规范[S].

[9]" 北汽福田欧辉客车技术中心新能源所.福田欧辉纯电动客车绝缘监测模块通讯协议（V1.1）[Z].

[10] GB/T 29259—2012，道路车辆电磁兼容术语[S].

[11] 赵金奎.共模干扰和差模干扰及其抑制技术[J].电子质量，2006（10）：72-76.

[12] 宋芳，张宇鹏，张天强. Y电容对电动汽车电气安全的影响分析[J].汽车文摘，2021（4）：27-31.

[13] GJB 151B—2013，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].

[14] GB/T 18384.3—2015，电动汽车安全要求 第3部分：人员触电防护[S].

（编辑" 凌" 波）