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２０１４ＣＧ￣ＶＥ０１０基于电流钳法的整车ＥＭＣ性能预测试研究袁正萍ꎬ张靖ꎬ徐贤ꎬ何华强ꎬ陈伟东风商用车技术中心【摘要】 介绍了基于电流钳法的整车ＥＭＣ预测试的原理ꎬ测试方案ꎬ测试方法ꎬ以及测试结果的分析和验证ꎬ能够对整车ＥＭＣ性能进行预测ꎬ并定位ＥＭＣ的问题来源ꎬ从而为ＥＭＣ整改提供依据ꎮ【关键词】 电流钳ꎬＥＭＣꎬ预测试ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｅｈｉｃｌｅＥＭＣＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＰｒｅｔｅｓｔＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｕｒｒｅｎｔＣｌａｍｐＹｕａｎＺｈｅｎｇｐｉｎｇꎬＺｈａｎｇＪｉｎｇꎬＸｕＸｉａｎꎬＨｅＨｕａｑｉａｎｇꎬＣｈｅｎＷｅｉＤｏｎｇｆｅｎｇＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬｔｅｓｔｓｃｈｅｍｅꎬｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆＶｅｈｉｃｌｅＥＭＣｐｒｅｔｅｓｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｃｌａｍｐꎬａｎｄｈｏｗｔｏａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔＩｔｃａｎｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅＥＭＣｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬａｎｄｆｉｎｄｔｈｅＳｏｕｒｃｅｏｆＥＭＣｐｒｏｂｌｅｍꎬｓｏｔｈａｔｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒＥＭＣｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｕｒｒｅｎｔｃｌａｍｐꎬＥＭＣꎬｐｒｅｔｅｓｔ引 言随着汽车电子技术的发展ꎬ汽车电子系统拓扑结构越来越复杂ꎬ尤其是混合动力等新能源汽车引入了电驱动系统、高压附件(ＤＣ/ＤＣ等)的使用ꎬ使得汽车电磁环境更加复杂ꎬ汽车电磁兼容问题越来越不容忽视ꎮ电磁兼容标准测试是在整车开发后期ꎬ在电磁兼容实验室ꎬ验证整车ＥＭＣ性能是否满足标准要求ꎮ其试验费用高ꎬ且无法定位引发ＥＭＣ问题的干扰源部件ꎬ为后续ＥＭＣ整改提供明确的依据ꎮ基于此背景下ꎬ本文研究了一种整车ＥＭＣ性能预测试方法ꎬ在整车研发阶段ꎬ采用电流钳法在整车上对电子电气部件/子系统进行ＥＭＣ发射测试ꎬ并通过对测试结果的处理和分析ꎬ预测整车ＥＭＣ性能ꎬ并能定位ＥＭＣ问题来源ꎬ从而有针对性的整改ꎮ该电流钳法预测试方法ꎬ无需预约实验室ꎬ成本低ꎬ容易实施ꎬ为整车ＥＭＣ测试及整改提供了一个低成本且便利的选择ꎮ１ 电流钳法预测试原理电流钳法预测试的基本原理ꎬ是通过测量产生干扰部件的源电流ꎬ来预测由此产生的整车对外辐射发射ꎬ如图１所示ꎮ辐射发射的本质是干扰电流产生电磁场测试位置一般选择在被测对象的线束上ꎮ因为线缆的尺寸远远大于部件本体ꎬ是一个效率大得多的辐射发射载体ꎮ在线束上测量反映了造成辐射发射的最主要来源ꎬ如图２所示ꎮＥＭＣ辐射发射测试最终关注的是干扰源对外发射的电磁场强度ꎬ它是正比于源电流大小的ꎮ源电流对外产生的电磁场强度为Ｅｍａｘ＝６２８×１０－７ＩｐｒｏｂｅｆＬＲＨｍａｘ＝６２８×１０－７ＩｐｒｏｂｅｆＬＲη(１)图１ 电流钳法预测试基本原理图２ 通过线缆和电子电气部件本身发射的电磁场对比式中ꎬｆ为关注的频率ꎻＬ为线缆长度或电子电气部件/子系统尺寸(一般线缆长度远大于部件尺寸)ꎻＲ为产生电磁场的距离ꎻη为自由空间波阻抗ꎬ３７７Ωꎮ因此ꎬ只要测得干扰源电流的大小ꎬ便可以通过计算、仿真等后期处理方法来预测辐射发射测试结果ꎮ电流钳法预测试是每次激活单个电子电气部件/子系统ꎬ通过测试其干扰电流的大小来预测整车对外的辐射发射ꎮ由于可以对整车电子电气部件/子系统进行定位测试ꎬ故可以定位干扰的主要来源ꎬ有利于发现问题并进行有针对性的整改ꎮ３０５ ２０１４中国汽车工程学会年会论文集２０１４ＣＧ￣ＶＥ０１０３ 电流钳法预测试方案由于整车上电子电气部件/子系统较多ꎬ对每一个部件都进行详细的测试是非常耗时的ꎮ并且ꎬ不同工况下每个部件的ＥＭＣ特性也不一样ꎬ因此ꎬ为了在测试过程中加快测试进度ꎬ采用人为的从控制器工作原理和零部件的试验报告相结合的方法对控制器按干扰源类型进行分类ꎮ并在一个方案中尽量避免同类干扰源的存在ꎬ以此来实现不同控制器间的同类干扰的解耦ꎮ因此ꎬ在方案设计过程中首先需要根据部件的工作原理对零部件干扰类型进行分类ꎮ比如:有刷电机为宽带电场干扰和低频磁场干扰源、ＰＷＭ调制类电源或驱动为低频窄带电场干扰源、大电流驱动设备为磁场干扰源、ＭＣＵ或晶振产生的高频窄带干扰[１]源ꎮ以某型混合动力汽车为例ꎬ在进行电流钳法预测试之前ꎬ根据整车电子电气架构ꎬ对车内的主要干扰来源进行了分析ꎬ发动机ＥＥＣＵ为窄带电场干扰源ꎬ高压电机工作过程中高压电机控制器为窄带电场干扰源和磁场干扰源ꎬ为了对窄带干扰噪声进行区分ꎬ需要设计发动机单独工作工况ꎬ保证发动机的干扰满足要求后再判断高压电机的发射情况ꎮ为了确认干扰的主要来源ꎬ需要对每次测试的工况和干扰类型进行仔细规划ꎬ在满足测试要求的条件下尽量减小测试工作量ꎮ根据对整车电子电气部件/子系统的结构及干扰源特性的分析ꎬ制定测试方案见表１ꎮ表１ 电流钳法测试方案测 试 域测试内容测试位置工况设置Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ发动机ＥＥＣＵ发动机单独工作ꎬ转速１５００ｒ/ｍｉｎ高压电机和发动机联合工作ꎬ车速４０ｋｍ/ｈＯＮ档变速器ＴＣＵＯＮ档模拟或手动连续在Ｎ—Ｄ位之间切换车身低压车身控制刮水器高速模式鼓风机８０％载额工作前照灯前照灯开综合报警器综合报警器开驾驶室仪表组合仪表系统工作ꎬ所有灯亮ꎬ所有指示在中间位置底盘高压高压电池电池管理器高压电机单独工作ꎬ转速１５００ｒ/ｍｉｎ上电高压电机电机控制器上电高压电机和发动机联合工作ꎬ车速４０ｋｍ/ｈ高压电机单独工作ꎬ转速１５００ｒ/ｍｉｎ高压电机高压电机和发动机联合工作ꎬ车速４０ｋｍ/ｈ高压电机单独工作ꎬ转速１５００ｒ/ｍｉｎ上电电压转换ＤＣ/ＤＣ车辆运转ꎬ高压电机单独工作ꎬ低压用电器工作ＤＣ/ＤＣ车辆不运转ꎬ低压用电器工作３ 电流钳法预测试方法整车应该按照实车布置状态进行测试ꎬ并且确保没有额外的接地连接ꎮ测试中ꎬ电流钳的位置应该选择在车上距离被测对象接插件５０ｍｍ左右的线束上ꎮ如果被测对象具有金属外壳的接插件ꎬ则电流钳应该放置于紧挨金属外壳接插件的线束位置ꎬ但不能把金属外壳接插件卡到电流钳之中[２]ꎮ每个被测部件的典型工况都应该进行测试ꎬ且还应设置一些对比的工况ꎬ用以定位干扰信号来源ꎬ见表１ꎮ测试中把电流钳的输出通过同轴线缆接至频谱仪ꎬ记录测试数据ꎮ测试设备如图３所示ꎮ以电机控制器的发射测试为例ꎬ图４所示为测试布置ꎮ电流钳卡在电机控制器的输入线束上ꎬ另一端接频谱分析仪记录测试结果ꎮ电机控制器测试的对比工况为:①上电ꎬ电机不工作ꎻ②上电ꎬ高压电机单独工作ꎬ转速１５００ｒ/ｍｉｎꎮ其中ꎬ在工况１模式下ꎬ电机控制器内部的各种控制电路工作并产生噪声ꎬ但没有驱动信号引起的噪声ꎻ在工况２模式下ꎬ电机控制器的ＩＧＢＴ电路、ＰＷＭ驱动等高压大电流信号开始运行ꎬ产生的干扰会沿电源线传播到整个高压电源网络ꎬ其他线缆上也有耦合到噪声ꎮ通过对比这两个工况的测试结果ꎬ可以分析干扰信号的大致来源ꎮ４０５２０１４中国汽车工程学会年会论文集 ２０１４ＣＧ￣ＶＥ０１０图３ 电流钳及频谱分析仪图４ 电机控制器的测试布置４ 电流钳法预测试结果分析与验证４１ 预测试结果分析一般来说ꎬＥＭＣ性能的评价是通过标准测试方法下的测试结果与标准限值进行比较来评估的ꎮ这里电流钳法预测试方法测试结果是干扰部件的电流源ꎬ而标准测试方法测试结果是部件在１０ｍ处用天线测得的辐射发射强度ꎮ故这里需要将测试结果转化为对应标准测试方法的测试结果ꎬ再进行评估ꎬ具体实现流程如下ꎮ１)用电流探头测量某个或某几个电子电气部件/子系统线缆上的电流ꎬ用频谱分析仪记录ꎮ２)将频谱分析仪记录的数据通过计算推导转化为线缆上的电流ꎮ３)通过源电流的大小计算车外电磁场发射强度ꎬ并与标准限值进行对比ꎮ线缆上的电流在电流钳上产生感应电压ꎬ被频谱分析仪记录ꎮ电流钳的最重要参数是转移阻抗ＺＴꎬ它反映的是电流钳上产生的感应电压与被测电流的比值ꎬ即ＺＴ＝ＶＳＡＩｐｒｏｂｅ(２)因此ꎬ线缆上电流的计算式为(其中ＰＳＡｄＢｍ是频谱仪读数)ＩｐｒｏｂｅｄＢμＡ＝ＰＳＡｄＢｍ＋１０７＋电缆损耗－ＺＴｄＢΩ(３)因为电子电气部件/子系统是安装于车内而并非放置于自由空间ꎬ所以其对外产生的电磁场强度还需要在式(１)式的基础上加一个由于车身金属的反射和散射作用以及地面反射作用而需要增加的修正因子ＦｖｅｈꎮＦｖｅｈ通过仿真方法得到ꎮ在ＥＭＣ仿真程序中建立一般的货车模型ꎬ计算车内电子电气部件/子系统及线束流过单位电流时在１０ｍ处的电磁场强度修正因子Ｆｖｅｈꎮ由于电子电气部件/子系统可能安装在车内各个不同位置(驾驶座、中控台、底盘)ꎬ因此需要对各个位置的修正因子进行仿真计算ꎬ最终的修正因子Ｆｖｅｈ是所有仿真计算结果的统计平均[３]ꎮ仿真模型如图５所示ꎬ车内电子电气部件/子系统及线束流过单位电流时车身金属上的感应电流分布如图６所示ꎮ图５ 整车辐射发射仿真模型图６ 整车车身金属感应电流分布结合式(１)可得源电流实际对外产生的电磁场计算式为Ｅｍａｘ＝６２８×１０－７ＩｐｒｏｂｅｆＬＲＦ＾ｖｅｈＨｍａｘ＝６２８×１０－７ＩｐｒｏｂｅｆＬＲηＦ＾ｖｅｈ(４)４２ 预测试结果验证通过式(４)就可以将电流钳法预测试结果转化为标准测试方法下的测试结果进行评估ꎮ还是以电机控制器为例ꎬ测试工况为高压电机单独工作ꎬ车速４０ｋｍ/ｈꎬ对应的电流钳法预测试结果和整车标准测试结果分别如图７和图８所示ꎮ其中整车标准测试下ꎬ仅激活高压电机系统ꎬ并在靠近电机控制器一侧１０ｍ处进行测试ꎮ预测试和标准测试结果中主要峰值对应频点和发射强度量化对比结果见表２ꎮ分析预测结果与标准测试结果可知ꎬ电流钳法预测试方法很好地预测了在高压电机系统工作时ꎬ整车对外辐射发射的趋势和发射水平ꎮ５０５ ２０１４中国汽车工程学会年会论文集２０１４ＣＧ￣ＶＥ０１０图７ 高压电机单独工作模式￣预测结果图８ 高压电机单独工作模式￣标准测试结果表２ 预测试结果和标准测试结果量化对比峰值发射强度峰值发射强度峰值发射强度峰值发射强度(频点１)(频点１)(频点２)(频点２)(频点３)(频点３)(频点４)(频点４)预测试结果４１ＭＨｚ４２ｄＢｕＶ/ｍ５４ＭＨｚ３８ｄＢｕＶ/ｍ９２ＭＨｚ３７ｄＢｕＶ/ｍ１６０ＭＨｚ４２ｄＢｕＶ/ｍ标准测试结果４０ＭＨｚ３６ｄＢｕＶ/ｍ５４ＭＨｚ３５ｄＢｕＶ/ｍ１１０ＭＨｚ３５ｄＢｕＶ/ｍ１５０ＭＨｚ４２ｄＢｕＶ/ｍ５ 结束语本文研究了一种整车ＥＭＣ性能预测试方法ꎬ即电流钳法预测试ꎮ通过对整车电子部件及子系统进行电流钳法预测试ꎬ可以对整车的ＥＭＣ性能进行预测ꎬ并且可以定位ＥＭＣ问题来源ꎮ在整车研发阶段引入电流钳法预测试方法ꎬ可以尽早发现问题并采取解决措施ꎬ避免把风险遗留到后期ꎬ以缩短研发周期ꎬ并降低开发成本ꎮ参考文献[１] 刘骞车载电子设备的电磁兼容研究[Ｄ].长沙:中南大学ꎬ２００４:２３￣２７[２] 朱德康汽车电子电器电磁兼容测试研究[Ｊ].硅谷.２００９(１４):３０￣３２.[３] 余召锋ꎬ徐鸣谦ꎬ吴伟.汽车电磁兼容性及其仿真预测技术[Ｊ].汽车研究与开发ꎬ２００３(２):３８￣４１.６０５２０１４中国汽车工程学会年会论文集