新能源汽車EMC測試與設計研究

汽車電磁兼容問題由來已久。傳統汽車由于點火系統、發電系統、直流電機驅動系統等會產生電磁干擾，干擾不但影響車外接收機的正常使用，也會影響到車內接收機的使用和零部件的工作。純電動、混合動力、燃料電池等新能源汽車由于電驅動系統、高壓附件（DC/DC，DC/AC 等）的使用，其電磁干擾問題更為嚴重，整車 EMC 性能更難以通過國家認證測試。針對這些問題，本文對新能源汽車所需要做的 EMC 測試進行了梳理，然后從整車角度對 EMC 設計提出了一些具體的建議和措施。

汽車 EMC 性能是指汽車在電磁環境下能夠滿足功能并不對其它設備或系統產生不能忍受的電磁干擾的能力 。?

它主要分為:電磁干擾和電磁抗擾。

電磁干擾是指由電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的降低。電磁抗擾是指裝置、設備或系統面臨電磁騷擾時不降低運行性能的能力。

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針對電磁干擾，國際標準化組織（ISO），國際電工委員會（IEC），無線電特別委員會（CISPR），美國汽車工程師協會（SAE），歐洲經濟委員會（ECE）等都制定了相關的技術標準（見表 1）。我國根據自身的特點， 以 ISO、IEC、CISPR、SAE、ECE 等法規為基礎制定了自己的標準。目前針對汽車整車，我國強制實行或推薦執行的 EMC 標準主要有：

1） GB14023-2006：車 輛、船 和 由 內 燃 機 驅 動的裝置無線電騷擾特性限值和測量方法

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GB 14023-2006 屬強制標準， 等同國際無線電特別委員會標準 CISPR12：2005《車輛、船和由內燃機驅動的裝置 無線電騷擾特性 限值和測量方法》。此標準應用于由內燃機驅動或/和電驅動車輛發出的可以導致無線電干擾的寬帶和窄帶電磁能量輻射，對車外廣播接收機提供 30~1000MHz的保護。經驗表明滿足該標準即使是那些無線電發射頻率不在指定范圍內的民用發射設備的接收機，也可以對接收設備提供有效保護。

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2） GB/T18387-2008 電動車輛的電 磁 場 發 射強度的限值和測量方法，寬帶，9kHz~30MHz[3]GB/T 18387-2008 屬推薦標準， 修改采用美國汽車工程協會標準 SAE J551-5 Jan 2004《電動車輛的電場和磁場強的測量方法及執行電平》。

該標準規定了電動車輛在頻率范圍 9kHz~30MHz 的磁場和電場的輻射發射的限制和測量方法， 以及在 450kHz~30MHz 傳導發射的限值和測量方法。傳導發射測量僅適用于車載電池充電系統， 其開關頻率在 9kHz 以上，能量通過金屬導體傳輸。傳導發射的技術要求僅適用于通過交流電源線對電池充電過程期間。GB/T18387 與 GB14023 相協調，聯合對車外接收機提供 9kHz~1000MHz 頻段范圍內的保護。

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3） GB 18655-2002：用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法[4]GB 18655-2002 本屬強制標準， 下一步擬修訂為推薦標準，該標準等同采用國際電工委員會/無線電干擾特別委員會標準 IEC/CISPR 25:1995《用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的測量方法及限值》。?

該標準規定了 150 kHz~1000 MHz頻率范圍內的無線電騷擾限值和測量方法?？梢詫囕v上的接收機免受車上零部件/模塊所產生的騷擾的影響。保護接收機類型有：聲音和電視接收機、地面移動通訊、無線電話、業余愛好者和民用無線電設備。

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4）GB/T 19951-2005：道路車輛靜電放電產生的電騷擾試驗方法 GB/T 19951-2005 屬推薦標準， 等同采用國際標準 ISO10605-2001 《道路車輛 靜電放電產生的電騷擾試驗方法》。

?該標準規定了安裝在道路車輛內的電子模塊和系統的靜電放電的試驗方法，包括在臺架和整車兩種狀態下評價電子模塊的程序。對于整車廠來說，主要是在整車狀態下，模擬測量駕駛員和乘客能夠觸及的全部電器開關和控制器件、正常操作時使用的按鈕、拉桿、手柄等。GB 14023 和 GB/T18387 一起對車外接收機提供保護， 其中 GB/T18387 是專門針對電動車而制定的。GB/T 18655 對車外接收機提供保護。?

這三項標準都是對外騷擾方面的標準，GB/T 19951是電磁抗擾方面的標準。除此之外，目前國際上對窄帶電磁輻射能的抗擾方面已有明確 要 求 ，ISO11451：道路車輛-窄帶輻射電磁能產生的電磁騷擾的車輛試驗方法， 規定了道路車輛在 10 kHzto 1.8 GHz 范圍內抵抗窄帶輻射電磁能的能力。今后，我國將進行該標準的國內轉化工作，整機廠需要做好相關的準備。

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了解了 EMC 的法規要求，就需要在設計中注意正確的設計方法。汽車 EMC 主要從零部件和整車兩個角度處理，零件的 EMC 要求及設計方法將另文闡述。本文主要論述整車 EMC 要求及相關的設計方法。

任何一個電磁干擾的發生必須具備三個基本條件：首先應該具有騷擾源；其次有傳播干擾能量的途徑和通道；第三還必須有被干擾對象的響應。 三個條件只要有一個不成立，那么干擾也不會發生。

對于騷擾源的抑制措施主要是精心設計電路及電路板從而控制電磁場輻射的大小。對于被干擾對象來說，要提高抗干擾能力，抑制干擾的措施主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法。切斷這兩個條件主要從零部件設計角度出發。對于整車廠來說， 除要求零部件廠嚴格按照要求設計、生產合格的產品外，整機廠主要從切斷干擾的傳播路徑入手。

電磁騷擾的路徑一般有以下幾種：

1）電流耦合

又稱公共阻抗耦合， 這是常見的一種耦合方式。常發生在兩個電路的電流有共同通路的情況。

公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。

圖 1 是其中一種情況，公共地阻抗。由于公共阻抗 Z 的存在，設備 1 工作時，會影響到設備 2 上的運行。特別是公共阻抗 Z 隨著工作頻率的升高，一般大于 10kHz 時，Z 的阻抗將顯著增加，而導致設備 2 影響嚴重。防止這種耦合應使耦合阻抗趨近于零、 使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。

2）電容耦合

又稱電場耦合或靜電耦合， 是由于分布電容的存在而產生的一種耦合方式。

從圖 2 可以看出， 干擾源的高頻工作會感應電壓到控制單元的傳感器線路上， 從導致傳感器電壓失真。耦合電壓與工作頻率的關系可從圖 3看出，頻率升高，耦合電壓變大，最終會穩定于一恒定值。

電容耦合的抑制措施有：使導線盡量短，使耦合電容盡量小， 線間距離盡量大， 并避免平行走線。對感染源和被感染對象進行電屏蔽。

3）電感耦合

電感耦合又稱電磁感應耦合或磁場耦合。是由于內部或外部空間電磁場感應的一種耦合方式。

電感耦合和電容耦合有類似通道。其抑制措施也相似：使導線盡量短，線間距離盡量大，并避免平行走線并縮小電流回路面積，使互感量小。

被干擾的導線環在干擾場中的放置位置方位應使它對感染磁場的磁力線最小。對感染源和被感染對象進行屏蔽。將一個電流的回路線間繞成極性交錯的若干局部耦合環， 使之沿導線長度方向的符合交變的局部耦合信號彼此相抵消。

4）輻射耦合

電磁場的輻射也會造成干擾耦合， 是一種無規則的干擾。這種干擾很容易通過電源線傳到系統中去。另當信號傳輸線較長時，它們能輻射干擾波和接收干擾波，稱為大線效應。特別是當線長是λ/4 波長的整數倍時，會產生諧振，耦合最嚴重。因此線長應避免是 λ/4 波長的整數倍。圖 6 中傳感器電路就會受到外部發生器的輻射耦合的干擾。

輻射型耦合的抑制有 3 種基本形式：電子濾波、機械屏蔽和干擾源抑制。根據以上電磁耦合的方式，在整車設計中，需要注意以下事項：

• 信號線與電源線分離或滿足最小距離要求或垂直成 90°；

• 信號線長度避免是防護頻率波長.λ/4 的整數倍；

• 采用低阻值電線；

• 信號線間避免絞接；

• 下列信號線采用雙絞線：安全氣囊傳感器；ABS 傳感器（輪速傳感器）；總線系統（動力總成 CAN，低速 CAN）診斷線；LF 信號線（收音機到放大器或揚聲器）。

• 下列信號線采用屏蔽線：；AM/FM HF 線（天線放大器到收音機）；GSM 電話天線;TV 天線；GPS；導航系統；AUX-In 系統；USB 線；藍牙天線；PKE 天線；克風天線；LCD 屏到收音機線（RGB 信號）。

• 采用光纖；

• 采用正確接地方式；將模擬地與電源地、數字地等分開；；將騷擾系統可靠接地；;在底盤上正確選擇接地點；；屏蔽線要可靠接地；；接地連接最好是星型連接、樹形其次，避免環形連接，（參見圖 7）；采用專用接地線接地，減小接地電阻。

本公司在開發一款油電強混型混合動力客車碰到一些電磁干擾問題?，F通過油門信號受干擾一例介紹處理干擾時的一些措施。該混合動力客車，由發動機、ISG（Integrated Starter Generator）電機、 主電機等構成。?

油門踏板信號送給整車控制器，整車控制器根據油門踏板開度、車速等信息綜合判斷后，給發動機、ISG 電機、主電機發出控制信號。發動機油門信號包括發動機接收到的整車控制器輸出的油門電壓及發動機油門怠速開關狀態信號。而發動機油門信號是 0~5V 的弱電信號，在整車控制器給發動機傳輸油門信號的線束途徑上，油門電壓信號很容易受到外部電機、電機控制器等強電部件工作時的電磁輻射的影響。實際路試中，發動機經常報油門故障，即怠速開關信號和發動機油門信號電壓值不匹配。?

該款客車配置的發動機 ECU 接收油門信號和怠速開關信號，油門信號和怠速開關信號必須匹配。如果 ECU 接收到的怠速開關為怠速狀態， 但接收到的電壓是非怠速電壓，則 ECU 會認為油門信號和怠速開關信號不匹配，繼而會報油門故障；同理，如果 ECU 接收到的是非怠速開關信號， 而接收到的是怠速油門電壓，則兩者也不匹配，發動機 ECU 也會報油門錯誤故障。

整車控制器發出油門電壓和怠速開關信號給發動機 ECU，它們是匹配的，但由于整車控制器到發動機 ECU 的油門線束會受到干擾的影響，發動機油門信號將被抬高或降低，這樣到發動機 ECU 的油門信號就有可能和怠速開關信號不匹配，導致發動機 ECU 報故障。

實際上，該油門線束是屏蔽線，且單點接地，但測量后發現油門信號受到較強的電磁干擾。圖8 是 通 過 發 動 機 OBD （On-Board Diagnostics）軟件，采集的發動機油門電壓，可以看出油門信號有許多毛刺，期間發動機會報油門 10012 故障。

后來發現， 電機控制器用絕緣子和車架隔離了，電機控制器沒有和車架直接連接。原來，電機控制器與車身骨架采用了二級絕緣， 以保證高壓安全（控制器高壓部分有 600V 直流電），但這和EMC 的設計正好相悖。

在通過高壓電整車安全測試后，采取取消絕緣子，讓電機控制器直接和車架直接相連， 高壓電安全可以通過控制器本身的絕緣和絕緣監測系統來保證。圖 9 是控制器外殼接地后的效果，可以看到，油門信號已經比較穩定。

本文從整車角度討論了整車開發中需做的 EMC 試驗，并分析了電磁耦合的 4 種方式，給出了整車 EMC 設計中需要注意的問題，最后給出了一個混合動力發動機油門干擾的工程實例。該例表明，EMC 措施使用恰當， 有效解決了發動機油門干擾的問題。