電動(dòng)汽車常見的EMC 問題與特性

1、電動(dòng)汽車常見的EMC 問題與特性摘要：本文闡述了電動(dòng)汽車電磁環(huán)境的復(fù)雜性。從系統(tǒng)間干擾和系統(tǒng)內(nèi)干擾兩個(gè)層次描述了電動(dòng)汽車試制階段遇到的一些與EMC相關(guān)的問題，包括整車輻射發(fā)射超標(biāo)、車載充電機(jī)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)、收音機(jī)AM頻段接收異常、CAN信號(hào)失真、“掉高壓”故障、助力轉(zhuǎn)向器失效、電池單體過電壓等情況，并概括了這些問題的典型特征。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電磁兼容；電磁干擾；系統(tǒng)間干擾；系統(tǒng)內(nèi)干擾1電動(dòng)汽車電磁環(huán)境的復(fù)雜性傳統(tǒng)燃油轎車采用12 V蓄電池供電，發(fā)展初期車內(nèi)產(chǎn)生干擾的裝置主要有點(diǎn)火系統(tǒng)、雨刮電機(jī)、暖風(fēng)機(jī)等，工作時(shí)影響車載收音機(jī)的正常工作。隨著上述零部件及整車EMC技術(shù)的發(fā)展，整車EMC設(shè)計(jì)性能普

2、遍滿足設(shè)計(jì)要求。純電動(dòng)汽車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力蓄電池作為主要儲(chǔ)能裝置。圖1為某車型高壓（HV）電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接圖，HV系統(tǒng)包括動(dòng)力蓄電池（其控制單元為電池管理系統(tǒng)，簡稱BMS）、高壓控制盒、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器（MCU）、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)控制器、DC/DC變換器等部件，同時(shí)還增加了車載充電機(jī)（OBC）以及直流快充口，用于給動(dòng)力蓄電池充電。整車控制器（VCU）是整車的控制大腦，通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各工況優(yōu)化控制。MCU、DC/DC變換器等部件大多采用電力電子開關(guān)器件，工作時(shí)產(chǎn)生較大EMI噪聲，是重要的干擾源，電氣線束分布較廣，電磁耦合路徑復(fù)雜，CAN網(wǎng)絡(luò)、傳感器信號(hào)線等敏感裝置極易受到干擾。圖

3、1某車型HV電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接圖隨著車載智能化、娛樂化設(shè)備的不斷增加，且這些設(shè)備具有高頻、高速、高靈敏度、多功能、小型化的特點(diǎn)，導(dǎo)致這些設(shè)備產(chǎn)生EMI和受到EMI影響的概率大大增加，使得電動(dòng)汽車EMC環(huán)境更加復(fù)雜。從而給國內(nèi)眾多新能源汽車廠家在試制階段解決EMI問題帶來了很大難題。2電動(dòng)汽車系統(tǒng)間干擾電動(dòng)汽車系統(tǒng)間EMC主要考察車輛行駛時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的輻射發(fā)射以及充電時(shí)充電系統(tǒng)和充電站等與電網(wǎng)相連接的設(shè)備的EMC是否滿足國家法規(guī)。目前，我國強(qiáng)制認(rèn)證（CCC）業(yè)務(wù)中，與電動(dòng)汽車相關(guān)的EMC認(rèn)證項(xiàng)目包括兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 18387-2008和GB 14023-2011，其中GB/T 183

4、87包括整車輻射發(fā)射測試和充電系統(tǒng)傳導(dǎo)發(fā)射測試，GB 14023僅包括整車輻射發(fā)射測試。電動(dòng)汽車整車滿足EMC法規(guī)認(rèn)證并不代表整車系統(tǒng)內(nèi)EMC設(shè)計(jì)非常好。2.1 GB/T 18387輻射發(fā)射測試超標(biāo)某樣車在16 km/h車速下，X方向磁場輻射測試和電場輻射測試均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，磁場發(fā)射測試結(jié)果如圖2所示。圖2 X方向磁場輻射測試結(jié)果磁場輻射發(fā)射超標(biāo)頻段主要集中在9160 kHz,根據(jù)不同車型測試經(jīng)驗(yàn)，MCU工作時(shí)IGBT開關(guān)頻率（810 kHz）及其諧波是導(dǎo)致測試超標(biāo)的根源。2.2某款OBC傳導(dǎo)發(fā)射測試超標(biāo)由于GB/T 18387沒有明確提出OBC傳導(dǎo)發(fā)射（CE）測試布置等細(xì)節(jié)，某款額定功率為

5、3.3 kW的OBC按照QC/T 895-2011電動(dòng)汽車用傳導(dǎo)式車載充電機(jī)6.7.1所規(guī)定的電磁騷擾性要求（對(duì)應(yīng)GB/T 18487.3-2001中11.3.2的要求）進(jìn)行CE測試，測試的頻率范圍是0.1530 MHz，測試布置如圖3所示，車載充電機(jī)交流輸入端通過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）連接到供電網(wǎng)上。圖3某款OBC的CE測試布置圖CE測試結(jié)果如圖4所示，可知在1530 MHz幾乎整個(gè)測試頻段均有超標(biāo)現(xiàn)象，OBC工作時(shí)其內(nèi)部MOSFET的開關(guān)頻率及其諧波導(dǎo)致低頻段超標(biāo)，特別在高頻時(shí)，受OBC內(nèi)部電子器件及連接線纜寄生參數(shù)影響，以及OBC存在接地、屏蔽等問題，導(dǎo)致高頻段超標(biāo)明顯，且在7 M

6、Hz附近出現(xiàn)一個(gè)干擾最大值。圖4某款OBC其CE測試結(jié)果2.3 GB 14023輻射發(fā)射測試超標(biāo)圖5為某樣車執(zhí)行GB 14023-2011“上電且發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)”右側(cè)垂直極化的測試結(jié)果，超標(biāo)頻點(diǎn)固定為81 MHz和459 MHz。圖5右側(cè)垂直極化測試結(jié)果對(duì)干擾源進(jìn)行了詳細(xì)分析，車載儀表控制板上頻率為27 MHz的高速時(shí)鐘信號(hào)是導(dǎo)致該模式下測試超標(biāo)的干擾源。3電動(dòng)汽車系統(tǒng)內(nèi)干擾問題收音機(jī)、CAN網(wǎng)絡(luò)以及車速信號(hào)等受到干擾后，可能導(dǎo)致部分車載電器部件工作異常，甚至導(dǎo)致整車故障，且故障排查難度較大，導(dǎo)致車輛調(diào)試周期變長，車輛一致性、可靠性、安全性變差，零部件“故障率”提高。3.1收音機(jī)AM頻段收音異常

7、開啟某車型的收音機(jī)，在AM頻段，整車高壓上電前后聽感差別較大，當(dāng)移動(dòng)收音天線遠(yuǎn)離前機(jī)艙蓋時(shí)，聽感變好。使用頻譜儀搜索500 kHz2 MHz范圍內(nèi)收音天線輸入接口附近的EMI情況，高壓上電前后差別很大，圖6、圖7分別為高壓系統(tǒng)上電前后收音天線附件測得的干擾頻譜。由圖7可知，高壓上電后，在500700 kHz、0.81.1 MHz、1.151.4 MHz、以及1.4 MHz以后頻段，都有較明顯干擾，主要由MCU和DC/DC變換器工作時(shí)高壓線纜輻射發(fā)射所致。圖6高壓系統(tǒng)上電前收音天線附件干擾頻譜圖7高壓系統(tǒng)上電后收音天線附近干擾頻譜3.2 CAN網(wǎng)絡(luò)“信號(hào)失真”CAN網(wǎng)絡(luò)是電動(dòng)汽車控制的中樞神經(jīng)，

8、用于傳輸各種控制、反饋、故障等重要信息。CAN網(wǎng)絡(luò)波形存在周期性電壓尖峰是電動(dòng)汽車試制過程中遇到的最普遍問題之一，一些重要信息的誤報(bào)、漏報(bào)，直接影響整車的安全性。圖8為某車型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中FCBUS、EVBUS以及VBUS為電動(dòng)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)。圖8中EVBUS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上CAN收發(fā)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，以及受EMI影響，EVBUS信號(hào)失真現(xiàn)象較明顯，如圖9所示，CAN_H、CAN_L及差分信號(hào)均出現(xiàn)較大擾動(dòng)，其中差分信號(hào)尖峰幅值超過50.8 V，且表現(xiàn)為周期性，總線上出現(xiàn)大量錯(cuò)誤幀。我公司CAN總線節(jié)點(diǎn)電壓幅值技術(shù)要求見表1。圖8某車型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖9信號(hào)失真的EVBUS波形表1 CAN總線電壓幅值要求總線

9、狀態(tài)參數(shù)符號(hào)最小值/V標(biāo)稱值/V最大值/V隱性狀態(tài)總線電壓VCAN_H2.02.53.0VCAN_L2.02.53.0差分電壓Vdiff-0.500.05顯性狀態(tài)總線電壓VCAN_H2.753.54.5VCAN_L0.51.52.25差分電壓Vdiff1.52.03.0備注Vdiff= VCAN_H - VCAN_L3.3車輛行駛過程中“掉高壓”某試驗(yàn)樣車行駛過程中經(jīng)常出現(xiàn)“掉高壓”的故障，導(dǎo)致此類故障發(fā)生的原因最有可能是動(dòng)力蓄電池或電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)過溫、過流等一級(jí)故障，為保護(hù)車輛及駕乘人員的安全性，VCU采取強(qiáng)制措施斷開整車高壓供電。讀取該車監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并未發(fā)生上述情況，因此需考慮是否存在EMI問

10、題。通過對(duì)該車換檔手柄連接線束的近場診斷，發(fā)現(xiàn)其電源線、信號(hào)線周圍均有較大騷擾信號(hào)。該車的換檔手柄控制電路如圖10所示，其輸出信號(hào)SW1SW4為電平信號(hào)，不同SW1SW4的組合輸出邏輯對(duì)應(yīng)不同（P、R、N、D）檔位；其正常電平幅值為4.55.0 V。換檔手柄和VCU之間采用較長的普通線纜連接，存在線纜耦合輻射干擾導(dǎo)致上述電平信號(hào)不穩(wěn)定的可能性，但采用屏蔽防波套對(duì)該連接線纜屏蔽處理后，問題依然沒有解決，后經(jīng)排查得出如下結(jié)論：DC/DC變換器工作時(shí)，12 V電源線上有較大周期性電壓尖峰（峰峰值較高），且檔位手柄控制電路缺乏足夠的抗擾度設(shè)計(jì)（缺乏濾波電容、儲(chǔ)能電容等），從而導(dǎo)致上述控制電路輸出電平不

11、穩(wěn)定，當(dāng)VCU無法正確識(shí)別檔位信息時(shí)，VCU發(fā)出關(guān)閉高壓主繼電器的指令，從而產(chǎn)生“掉高壓”故障。圖10換檔手柄控制電路圖3.4電動(dòng)真空助力制動(dòng)系統(tǒng)“助力不足”電動(dòng)汽車電動(dòng)真空助力制動(dòng)系統(tǒng)，主要由控制器、電動(dòng)真空泵、真空罐（帶壓力傳感器輸出信號(hào)）、儲(chǔ)氣罐等構(gòu)成，其工作可靠性關(guān)系到車輛的制動(dòng)安全。某款旋片式電動(dòng)真空泵，其外形結(jié)構(gòu)如圖11（a）所示，電源線輸入為DC 12 V。泵體內(nèi)部為直流有刷電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖11（b）所示。電氣示意圖如圖11（c）所示，接地符號(hào)代表真空泵外殼。（a）真空泵外形圖（b）電機(jī)結(jié)構(gòu)圖（c）電機(jī)原理圖圖11某真空泵外形、電機(jī)結(jié)構(gòu)及電機(jī)原理框圖該款真空泵安裝于某批次試驗(yàn)樣

12、車，當(dāng)圖12（a）中所示A部件工作時(shí)，若此時(shí)踩下制動(dòng)踏板，真空泵助力不足且伴有電機(jī)堵轉(zhuǎn)聲音，采用示波器采集其電源線上信號(hào)，波形如圖12（b）所示，以電壓波形為例，12 V電壓上疊加了較多EMI，導(dǎo)致電機(jī)電源線上電壓時(shí)高時(shí)低，電機(jī)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。（a）真空泵安裝位置（b）電機(jī)波形和電流波形圖12真空泵安裝位置及電源線電壓、電流波形3.5電池單體“過電壓”某車型動(dòng)力蓄電池在急加速和急減速階段，頻繁斷高壓，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示動(dòng)力蓄電池CAN報(bào)告中有單體過電壓一級(jí)故障。乙產(chǎn)品電池包里有34個(gè)模組（Module），模組布局如圖13所示，整個(gè)模組組合中共計(jì)有91個(gè)電池單體（Cell），其中Module 12內(nèi)有單體C

13、ell 27、Cell 28和Cell 29，Module 23內(nèi)有單體Cell 56、Cell 57、Cell 58。圖13模組布局出現(xiàn)“過電壓”的電池單體包括Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，Cell 56單體“過電壓”次數(shù)最多。某一工況下，采集Cell 12、Cell 56以及正常的Cell 27（布局位置和Cell 56一致）單體電壓波形，如圖14所示。圖14 Cell單體電壓波形由圖14可知，Cell 12、Cell 56電壓波形中均帶有較大“毛刺”，而Cell 27波形較好。將正常的Module23和Module 12位置互換后，Cell

14、 27單體電壓波形和互換前Cell 56電壓波形基本一致，這說明Module 23本身沒有問題。排查發(fā)現(xiàn)互換前Cell 56和Cell 27單體電壓采集存在較大差異，如圖15所示，M12電壓采集電路直接連接在Cell 27單體兩端，采集的電壓值V27送電池管理系統(tǒng)處理。M23電壓采集電路跨接了較長的銅排連接線（Bus-bar），該Bus-bar用于Module 23和Module22之間的物理連接，因此Cell 56單體電壓測試值（圖15中V56）包含兩部分：Cell 56單體真實(shí)電壓值和Bus-bar上的電壓降。對(duì)Cell 12、Cell 40、Cell 59進(jìn)行排查，也發(fā)現(xiàn)同樣問題，這說明Cell單體“過電壓”與Bus-bar上的電壓降有關(guān)系。圖15單體電壓采集差異若該動(dòng)力蓄電池輸出端接純電阻性負(fù)載，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59單體電壓正常，說明Bus-bar上等效電阻產(chǎn)生的電壓降可以接受，車上動(dòng)力系統(tǒng)工作后，電壓波形有較大變化，說明Bus-bar上可能有來自整車的傳導(dǎo)性EMI。車輛急加速、減速階段，動(dòng)力蓄電池分別處于“急速放電”和“急速充電”狀態(tài)，在上述兩狀態(tài)，動(dòng)力母線上di/dt均較大，且含有高頻分量。經(jīng)排查，Cell 12、Cell 40、Cell