电动汽车EMC骚扰超标问题分析及优化

戎 辉，郭加加，王子龙，赵明丽，汪春华，张广玉

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

随着汽车电子系统的日益复杂，电磁兼容问题变得日益突出和严重。对于电动汽车来说，汽车行驶主要靠电机系统来进行驱动，其中最主要的干扰源就是电机控制器，由于其工作过程中的瞬变电压和电流会产生较大的电磁骚扰，不但影响车辆的行车安全，同时也会影响周围环境的电气装置。汽车在行驶过程中主要依靠轮速传感器检测各个车轮的转速，并将检测到的信号输送到ABS电子控制器，此过程中传感器也会产生严重电磁辐射，导致汽车防抱死制动系统处于非正常工作状态，严重威胁电动汽车的安全运行。

车外低频电磁场发射试验是针对整车系统而言，并且试验结果不能超过标准规定的限值。由于外界存在着复杂的电磁环境，所以车外低频电磁场发射试验通常在电波暗室中进行，使用天线分别进行磁场和电场的测试，两种情况都满足标准要求才算达标。整车车外低频电磁场发射试验在国内的标准是GB／T 18387-2017《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》，本文以GB／T 18387-2017为标准对国内某车辆进行整车国家强检项测试，从干扰源、耦合路径、受扰源3个方面对该车出现的EMC问题进行系统分析，从而提出对应的整改措施。

1 试验标准及结果分析

1.1 试验标准

由于外界复杂的电磁环境，为保证测试的可靠性，车外低频电磁场发射测试需要在半电波暗室中进行，如图1所示。测试系统和实验室的背景噪声应至少比规定的限值低2dB以上。

图1 10m法半电波暗室

整车车外低频电磁场发射包括电场和磁场两部分。进行电场测试时，采用带有天线匹配单元的1m垂直单极子棒天线。棒状天线的布置应距离车辆最近部分3m±0.03m。需要测试车辆前后左右4个面，车前、后部位，天线布置在车辆中心线上；车左、右侧，天线布置在车辆前后轮之间的中线上。进行磁场测试时，采用60cm静电屏蔽环天线。环状天线的中心离地高度应为1m±0.05m，距离车身最近部位3m±0.03m。需要测试车辆前后左右4个面，每个面要测天线相对于车辆的X、Y两个方向。

1.2 试验结果分析

通过对10m法半电波暗室内摸底测试数据进行分析，整车磁场测试时，10~20MHz之间发射量超出标准限值，20~30MHz之间存在超标的尖峰，测试结果如图2所示。

图2 磁场终扫描测试

造成这种情况的原因主要有：一是某些电子器件自身发出的辐射骚扰过大；二是线束的屏蔽层屏蔽效能过低，屏蔽效果不佳，致使电动汽车的电子设备在同时进行工作时产生的辐射骚扰强度超出国家标准限值；三是线束走向及长度设计不合理，导致线束产生辐射骚扰。将该电动汽车按照标准测试工况要求结合摸底测试数据的分析进行近场扫描并排查定位，查找出10~20MHz频段超标的干扰源是电机控制器。其中电机控制器的高压线束和低压单元中的电源线设计存在EMC缺陷；20~30MHz频段超标的干扰源为轮速传感器。

2 电机控制器的整改

2.1 工作原理

电机系统作为电动汽车动力的产生及输出单元，在车辆正常行驶过程中，起着至关重要的作用。电机控制器是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置，是由外界控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成，其原理图如图3所示。

图3 电机控制器原理

电机控制器作为整个动力系统的控制中心，它主要由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收高压电池输送过来的直流电能，逆变成三相交流电给电机提供电源。电机控制器中存在许多高频率开关器件和高低压控制端口，这些组件会产生严重的电磁骚扰，从而会干扰电动汽车正常工作，甚至危及人身安全。

2.2 整改措施

解决电磁兼容问题常用的3种方法：搭铁、滤波、屏蔽，其中搭铁技术是提高设备电磁兼容性的手段之一。电磁场作用在壳体上，形成电荷累积，通过良好的搭铁可以为累积的电荷提供泄放通路，从而有效地减小骚扰量，同时保护设备和人身安全。而工程应用中搭铁技术往往要和滤波、屏蔽一起进行。进行滤波搭铁，在电源线和信号线上需要接入滤波器，消除干扰杂讯以便得到纯净的电源和信号。

结合摸底试验结果进行整车的排查定位，利用频谱仪对整车各零部件单独进行骚扰量测试，发现电机控制器高压端线束和低压单元电源线束在10~20MHz之间存在超标现象。分析电动汽车电机控制器的结构原理可得电机控制器内的IGBT拥有高频率的开关动作，使得IGBT开关管的瞬变电压过高和瞬变电流过大，最终对外辐射出干扰。由电机控制器的设计原理图及结构分析得知高压线束输入端口未进行滤波措施，如图4所示。

采用电容进行滤波的原理是电抗会随频率变化而变化，电容值的大小和需要滤除频率的平方成反比。计算容值的方法见公式 （1）。

图4 电控高压线束输入端口

根据滤波搭铁电路的连接方法，在高压线束的输入端口处加入滤波电容，构成一个搭铁滤波电路。其设计原理图及实物图如图5所示。

1）高压正、负线束之间：加47nF的电容。

2）高压正、负与搭铁之间：加470nF的电容。

图5 整改原理

在电机控制器低压单元中，线束分为：12V电源线、旋变线。通过近场扫描结果比较发现，电源线+、-线束上的骚扰量是最大的，且最大发射峰值频段与实验室内测试时超标频点相同。因此，确定电机控制器低压单元中的电源+、-线束为干扰源。通过研究整车线束原理图发现，电机控制器低压单元中电源的12V电压是来自于蓄电池，在未经过滤波处理的情况下直接进入电机控制系统，其原理如图6所示。12V电源+、-之间的干扰为差模干扰，在低压单元电源线束+、-之间加0.1nF的电容，由于电容对低频率的信号有很强的阻碍作用，对高频率的信号有很强的导通作用及低阻抗作用，所以当10~20MHz之间的低频交流信号通过电容两端时，由于电容的阻抗极大，电容不起作用，相当于没有这个电容。当差模信号 （一般是高频无用信号）通过时，电容表现为通路，阻抗很小，在高频信号下，电容相当于将后面的负载短路，这样负载就不受高频信号的干扰。其整改措施原理图如图7所示。

图7 整改措施原理图

综合考虑整车的工程化问题，将1nF的差模电容由电机控制器低压单元12V电源+、-线束之间转移到电机系统内部，集成到电机控制器的12V低压驱动板上，如图8所示。

图8 低压驱动板

3 轮速传感器的整改

3.1 工作原理

轮速传感器主要是用来监测汽车车轮转速的设备，汽车的动态控制系统、电子稳定程序、防抱死制动系统、自动变速器的控制系统都需要车轮转速信号。该电动汽车使用的是霍尔式轮速传感器，其主要由传感头和齿圈两大部分组成。与其他传感器不同的是轮速传感器主要是通过半导体的两端进行电流的控制，还要在薄片的垂直方向上增加磁场，这时会在两端产生感应电流。轮速传感器主要依靠电流强度进行信号的输出，通过进行放大、整形、功放等功效反映车轮旋转的快慢。

3.2 整改措施

由摸底试验数据可得整车在20~30MHz之间存在严重的骚扰超标问题。利用频谱仪对整车各零部件单独进行骚扰量测试发现轮速传感器在20~30MHz频段会产生1MHz的倍频尖峰，如图9所示。进一步分析可知，此问题是由于轮速传感器所致。

在产品设计定型后，在解决电磁兼容性问题时，主要从干扰源、敏感设备和干扰路径3个要素入手。针对轮速传感器超标问题采取干扰路径整改措施，线束的选型 （双绞线、屏蔽线、双绞屏蔽线）可以有效改善电磁骚扰问题，但是线束的走向对此影响同样很大。

图9 1MHz倍频测试数据

经实车观察，发现左后轮速传感器的线束走向由左后车轮轮毂引出，经后备厢左侧进入驾驶室到前舱ABS；右后侧轮速传感器同样从右后车轮轮毂引出经后备厢右侧进入驾驶室，并穿过挡位开关再到前舱ABS，线束走向示意图如图10所示。

轮速传感器要将信号传输到前舱ABS，线束布线就要贯穿全车，且通过的电流较强。在对轮速传感器进行重新布线时，将该大电流线束与其他的信号线区分开，左后轮速传感器从左后车轮轮毂引出沿车底左侧凹槽直接到ABS；右后侧轮速传感器从右后车轮轮毂引出到后备厢右侧，经驾驶室且绕过挡位开关到前舱ABS。整改后线束走向示意图如图11所示。

图10 轮速传感器线束走向示意图

图11 整改后轮速传感器线束走向

4 整车干扰问题验证

经在10m法半电波暗室进行整改回归验证，电控高压单元出线端加入滤波电容和在电控低压单元电源线加入1nF的差模电容后，10~20MHz频段的超标包络全部消失。对轮速传感器进行线束走向整改后，20~30MHz频段间的超标尖峰消失。测试结果符合国家标准GB／T 18387-2017《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》的限值要求，测试通过。测试结果如图12~图15所示。

图12 16km／h磁场扫描X方向

图13 16km／h磁场扫描Y方向

图14 70km／h磁场扫描X方向

图15 70km／h磁场扫描Y方向

5 结束语

本文通过对电机控制器及轮速传感器磁场超标问题进行研究分析，从干扰源、敏感设备及线束布置多方面出发，综合考虑，提出了切实可行且有效的整改措施。

同时，在电动汽车EMC的研发设计阶段中，前期的设计资料审核至关重要，不能仅仅只考虑单独电器件的技术资料，应将全部设计资料作为一个整体统一审核。避免忽略线束之间、零部件之间的影响。在解决EMC骚扰问题时，要全面考虑，既要满足测试结果相对应的标准，也要符合厂家对于整改措施的认可度。所进行的整改必须要综合考虑生产成本、生产工艺等工程化问题。