純電動汽車電磁兼容問題分析與研究

摘要：本文針對純電動汽車電磁兼容問題進行分析，并重點對電驅系統和整車電磁干擾之間的聯系進行分析和研究。純電動汽車的電驅系統是主要的電磁干擾源，通過對主要干擾源的分析，提出對于解決整車EMC問題，從零部件和整車兩個方面同時考慮的解決思路。并對未來電驅系統的EMC設計進行了總結和展望。

    近幾年在國家政策的大力扶植和推動下，新能源電動汽車異軍突起，2015國內新能源電動汽車銷售量達33萬輛，但問題也隨之出現，之前在傳統汽油車、柴油車上被忽略的電磁干擾問題在純電動汽車上極其突出地顯現出來。純電動汽車既有汽車屬性更有電氣屬性，相比傳統車輛12V或24 V供電系統，純電動汽車動輒上百伏甚至近千伏的高壓產生電磁波強度被數倍放大，強電磁輻射可能干擾車載電子設備間CAN通信的正常運行，干擾周圍環境和車輛的電子設備，直接關系到電動汽車的**。
    因此，如何解決純電動汽車的電磁兼容問題，提高電動汽車的可靠性和**性，是純電動汽車設計的重要方面。

    1 純電動汽車電磁兼容問題概述
    純電動汽車與傳統汽車的不同主要在于：使用電池箱取代了油箱，使用驅動電機和電機控制器取代了發動機。以東風EQ5023BEV型純電動物流車電氣連接示意圖（圖1）為例，該車電氣系統主要由驅動電機及其控制器、電池包及電池管理系統BMS，DC-DC轉換器、整車控制器VCU和儀表等構成。圖1中紅色粗實線代表高壓線，用來實現能量的流動。藍色細實線代表通信線，實現信號的傳遞。整車控制器VCU通過采集踏板信號和換擋信號來判斷駕駛員的駕駛意圖，確認牽引模式并計算出目標牽引扭矩，并將相關控制指令通過CAN總線發送給電機控制器。電機控制器根據控制命令控制電機工作于驅動工況。同時，電機控制器將電機轉速、直流電壓、直流電流等信息，通過CAN總線發送給整車控制器和儀表。儲能系統中的電池管理系統BMS對電池組的各單體電池電壓和電池包溫度進行測量，并進行電量計算，將電池信息通過CAN總線發送給整車控制器和儀表。可以看到，CAN總線系統如同電動汽車的神經系統，所有汽車的運行、**信息都需通過CAN總線準確傳遞，如果車輛電磁兼容性差，電磁輻射將導致CAN總線信息的延誤、錯誤甚至無法傳輸，將引起電動汽車**事故。因此對純電動汽車的電磁兼容問題進行分析和研究是十分必要的。

  2 純電動汽車電磁千擾源分析

  2.2電驅系統干擾原因分析
    電驅系統是純電動汽車的重要組成部分，是公認的整車*大干擾源。一般電驅系統EMC干擾大的主要原因有以下3個方面：①工作電壓高，現有車載驅動系統大部分工作電壓在300 V以上；②開關變化時dU/d，大，一般在1～3 GV/s的范圍；③UVW輸出共模電流大，一般峰值在10～30 A之間。
    2.3電驅系統對外干擾路徑
    電驅系統本身干擾大，并不意味著一定對外有很大的干擾，必須要有合適的干擾路徑，在整車系統中，主要原因有：①直流供電部分屏蔽線纜的編織率不夠；②直流部件連接端子為非屏蔽端子，或是屏蔽端子沒有處理好（目前整車*難處理的環節）。圖3為屏蔽端子對輻射大小的影響。

 2.4電驅系統對外干擾方式
    1）輻射輻射主要通過功率線纜和信號線纜對外輻射，經車載設備接收天線接收后，引起設備信號品質降低。整車上一般表現為：收音機雜音和CPS定位變差。圖4為不同頻段的干擾對車載設備的影響。

  2）傳導傳導干擾的原因主要是設計過程中沒有考慮高頻信號的隔離，導致IGBT開關噪聲禍合到低壓側，引起干擾。在整車上一般表現為：CAN通信故障和旋變故障。圖5為高低壓藕合干擾CAN網絡示意圖。

3 解決方案
    對于解決整車EMC問題，需要從零部件和整車兩個方面同時考慮。
    3.1零部件方面
    1）EMC等級class3以上。

    2）抗干擾試驗模擬整車實際工況及負載。
    3.2整車方面
    1）高、低壓線束需要獨立走線，高、低壓線束之間間距至少20 cm以上，防止相互禍合。
    2）高壓線束采用屏蔽線，編制率）85%。
    3）屏蔽端子必須能夠保證屏蔽線束到金屬機殼的面接觸連接。
    4）零部件必須有搭鐵線接到底盤或車身，長度建議不超過20 cm，線徑滿足安規。

    4 電驅系統EMC設計趨勢分析
    4.1驅動系統未來發展趨勢—高功率密度
    目前主要的方案如圖6所示，高功率密度趨勢帶來了更嚴重的電磁干擾。

 1）電控①提高電池電壓；②提高開關載頻，例如開關頻率可達20 kHz以上。
    2）電機高轉速，例如16 000 r/min。
    4.2純電動汽車控制系統未來發展趨勢—智能化
    隨著自動駕駛技術以及車聯網的逐步普及，汽車智能化將會是未來的又一個趨勢，如圖7所示。車輛智能化引入了更多的傳感器及通信設備，對系統的電磁干擾要求更嚴格。

 4.3電驅系統EMC設計趨勢
    1）系統化系統化的EMC設計將會是一個趨勢，例如：同一個驅動器搭配2個不同的電機對外輻射差異很大，對于EMC問題，如果僅從驅動來考慮，相應的解決方案成本會很高。但是，如果從電機方面進行很小的優化，就有可能利用極低的成本解決問題。
    2）定量化EMC問題之所以看起來很“玄乎”，除了前面提到的系統問題以外，對器件的頻率阻抗特性缺乏了解也是主要原因之一。
    例如：3種不同類型的電容，從功能角度看，它們的容值等特性沒有大的差異，但是在更高的頻率下，電容并非是理想電容，而是由如圖8所示電感、電阻、電容串聯起來的，不同電容的ESR和ESL有差異。

   4.4未來EMC設計平臺方案
    基于以上的分析和研究，對未來的EMC設計平臺方案可進行總結和展望，具體如圖9所示，即從動力總成的選型和設計到整車的系統仿真再到試驗平臺的驗證，以保證零部件和整車的高一致性以及動力系統的性能更優和成本更優。

  5 總結

    本文對純電動汽車的電磁兼容性問題進行了探討，重點對電驅系統為主要干擾源進行了具體的分析和研究，并提出一些抑制電磁干擾的具體措施。*后，對未來純電動汽車的EMC設計平臺方案進行了總結和展望。