电动汽车常见的EMC-问题与特性

电动汽车常见的EMC问题与特性摘要：本文阐述了电动汽车电磁环境的复杂性。从系统间干扰和系统内干扰两个层次描述了电动汽车试制阶段遇到的一些与EMC相关的问题，包括整车辐射发射超标、车载充电机传导发射超标、收音机AM频段接收异常、CAN信号失真、“掉高压”故障、助力转向器失效、电池单体过电压等情况，并概括了这些问题的典型特征。关键词：电动汽车；电磁兼容；电磁干扰；系统间干扰；系统内干扰1电动汽车电磁环境的复杂性传统燃油轿车采用12V蓄电池供电，发展初期车内产生干扰的装置主要有点火系统、雨刮电机、暖风机等，工作时影响车载收音机的正常工作。随着上述零部件及整车EMC技术的发展，整车EMC设计性能普遍满足设计要求。纯电动汽车采用电机驱动，动力蓄电池作为主要储能装置。图1为某车型高压（HV）电气系统及CAN网络连接图，HV系统包括动力蓄电池（其控制单元为电池管理系统，简称BMS）、高压控制盒、驱动电机、电机控制器（MCU）、电动空调压缩机控制器、DC/DC变换器等部件，同时还增加了车载充电机（OBC）以及直流快充口，用于给动力蓄电池充电。整车控制器（VCU）是整车的控制大脑，通过CAN网络实现各工况优化控制。MCU、DC/DC变换器等部件大多采用电力电子开关器件，工作时产生较大EMI噪声，是重要的干扰源，电气线束分布较广，电磁耦合路径复杂，CAN网络、传感器信号线等敏感装置极易受到干扰。图1某车型HV电气系统及CAN网络连接图随着车载智能化、娱乐化设备的不断增加，且这些设备具有高频、高速、高灵敏度、多功能、小型化的特点，导致这些设备产生EMI和受到EMI影响的概率大大增加，使得电动汽车EMC环境更加复杂。从而给国内众多新能源汽车厂家在试制阶段解决EMI问题带来了很大难题。2电动汽车系统间干扰电动汽车系统间EMC主要考察车辆行驶时对周围环境的辐射发射以及充电时充电系统和充电站等与电网相连接的设备的EMC是否满足国家法规。目前，我国强制认证（CCC）业务中，与电动汽车相关的EMC认证项目包括两个标准，即GB/T18387-2008和GB14023-2011，其中GB/T18387包括整车辐射发射测试和充电系统传导发射测试，GB14023仅包括整车辐射发射测试。电动汽车整车满足EMC法规认证并不代表整车系统内EMC设计非常好。2.1GB/T18387辐射发射测试超标某样车在16km/h车速下，X方向磁场辐射测试和电场辐射测试均不符合标准要求，磁场发射测试结果如图2所示。图2X方向磁场辐射测试结果磁场辐射发射超标频段主要集中在9~160kHz,根据不同车型测试经验，MCU工作时IGBT开关频率（8~10kHz）及其谐波是导致测试超标的根源。2.2某款OBC传导发射测试超标由于GB/T18387没有明确提出OBC传导发射（CE）测试布置等细节，某款额定功率为3.3kW的OBC按照QC/T895-2011电动汽车用传导式车载充电机6.7.1所规定的电磁骚扰性要求（对应GB/T18487.3-2001中11.3.2的要求）进行CE测试，测试的频率范围是0.15~30MHz，测试布置如图3所示，车载充电机交流输入端通过线性阻抗稳定网络（LISN）连接到供电网上。图3某款OBC的CE测试布置图CE测试结果如图4所示，可知在15~30MHz几乎整个测试频段均有超标现象，OBC工作时其内部MOSFET的开关频率及其谐波导致低频段超标，特别在高频时，受OBC内部电子器件及连接线缆寄生参数影响，以及OBC存在接地、屏蔽等问题，导致高频段超标明显，且在7MHz附近出现一个干扰最大值。图4某款OBC其CE测试结果2.3GB14023辐射发射测试超标图5为某样车执行GB14023-2011“上电且发动机不运转”右侧垂直极化的测试结果，超标频点固定为81MHz和459MHz。图5右侧垂直极化测试结果对干扰源进行了详细分析，车载仪表控制板上频率为27MHz的高速时钟信号是导致该模式下测试超标的干扰源。3电动汽车系统内干扰问题收音机、CAN网络以及车速信号等受到干扰后，可能导致部分车载电器部件工作异常，甚至导致整车故障，且故障排查难度较大，导致车辆调试周期变长，车辆一致性、可靠性、安全性变差，零部件“故障率”提高。3.1收音机AM频段收音异常开启某车型的收音机，在AM频段，整车高压上电前后听感差别较大，当移动收音天线远离前机舱盖时，听感变好。使用频谱仪搜索500kHz~2MHz范围内收音天线输入接口附近的EMI情况，高压上电前后差别很大，图6、图7分别为高压系统上电前后收音天线附件测得的干扰频谱。由图7可知，高压上电后，在500~700kHz、0.8~1.1MHz、1.15~1.4MHz、以及1.4MHz以后频段，都有较明显干扰，主要由MCU和DC/DC变换器工作时高压线缆辐射发射所致。图6高压系统上电前收音天线附件干扰频谱图7高压系统上电后收音天线附近干扰频谱3.2CAN网络“信号失真”CAN网络是电动汽车控制的中枢神经，用于传输各种控制、反馈、故障等重要信息。CAN网络波形存在周期性电压尖峰是电动汽车试制过程中遇到的最普遍问题之一，一些重要信息的误报、漏报，直接影响整车的安全性。图8为某车型网络节点，其中FCBUS、EVBUS以及VBUS为电动汽车CAN网络。图8中EVBUS网络节点上CAN收发电路设计不当，以及受EMI影响，EVBUS信号失真现象较明显，如图9所示，CAN_H、CAN_L及差分信号均出现较大扰动，其中差分信号尖峰幅值超过50.8V，且表现为周期性，总线上出现大量错误帧。我公司CAN总线节点电压幅值技术要求见表1。图8某车型网络节点图9信号失真的EVBUS波形表1CAN总线电压幅值要求总线状态参数符号最小值/V标称值/V最大值/V隐性状态总线电压VCAN_H2.02.53.0VCAN_L2.02.53.0差分电压Vdiff-0.500.05显性状态总线电压VCAN_H2.753.54.5VCAN_L0.51.52.25差分电压Vdiff1.52.03.0备注Vdiff=VCAN_H-VCAN_L3.3车辆行驶过程中“掉高压”某试验样车行驶过程中经常出现“掉高压”的故障，导致此类故障发生的原因最有可能是动力蓄电池或电机系统出现过温、过流等一级故障，为保护车辆及驾乘人员的安全性，VCU采取强制措施断开整车高压供电。读取该车监控数据，并未发生上述情况，因此需考虑是否存在EMI问题。通过对该车换档手柄连接线束的近场诊断，发现其电源线、信号线周围均有较大骚扰信号。该车的换档手柄控制电路如图10所示，其输出信号SW1~SW4为电平信号，不同SW1~SW4的组合输出逻辑对应不同（P、R、N、D）档位；其正常电平幅值为4.5~5.0V。换档手柄和VCU之间采用较长的普通线缆连接，存在线缆耦合辐射干扰导致上述电平信号不稳定的可能性，但采用屏蔽防波套对该连接线缆屏蔽处理后，问题依然没有解决，后经排查得出如下结论：DC/DC变换器工作时，12V电源线上有较大周期性电压尖峰（峰峰值较高），且档位手柄控制电路缺乏足够的抗扰度设计（缺乏滤波电容、储能电容等），从而导致上述控制电路输出电平不稳定，当VCU无法正确识别档位信息时，VCU发出关闭高压主继电器的指令，从而产生“掉高压”故障。图10换档手柄控制电路图3.4电动真空助力制动系统“助力不足”电动汽车电动真空助力制动系统，主要由控制器、电动真空泵、真空罐（带压力传感器输出信号）、储气罐等构成，其工作可靠性关系到车辆的制动安全。某款旋片式电动真空泵，其外形结构如图11（a）所示，电源线输入为DC12V。泵体内部为直流有刷电机，电机结构如图11（b）所示。电气示意图如图11（c）所示，接地符号代表真空泵外壳。（a）真空泵外形图（b）电机结构图（c）电机原理图图11某真空泵外形、电机结构及电机原理框图该款真空泵安装于某批次试验样车，当图12（a）中所示A部件工作时，若此时踩下制动踏板，真空泵助力不足且伴有电机堵转声音，采用示波器采集其电源线上信号，波形如图12（b）所示，以电压波形为例，12V电压上叠加了较多EMI，导致电机电源线上电压时高时低，电机产生堵转。（a）真空泵安装位置（b）电机波形和电流波形图12真空泵安装位置及电源线电压、电流波形3.5电池单体“过电压”某车型动力蓄电池在急加速和急减速阶段，频繁断高压，监控数据显示动力蓄电池CAN报告中有单体过电压一级故障。乙产品电池包里有34个模组（Module），模组布局如图13所示，整个模组组合中共计有91个电池单体（Cell），其中Module12内有单体Cell27、Cell28和Cell29，Module23内有单体Cell56、Cell57、Cell58。图13模组布局出现“过电压”的电池单体包括Cell12、Cell40、Cell56、Cell59，监控数据显示，Cell56单体“过电压”次数最多。某一工况下，采集Cell12、Cell56以及正常的Cell27（布局位置和Cell56一致）单体电压波形，如图14所示。图14Cell单体电压波形由图14可知，Cell12、Cell56电压波形中均带有较大“毛刺”，而Cell27波形较好。将正常的Module23和Module12位置互换后，Cell27单体电压波形和互换前Cell56电压波形基本一致，这说明Module23本身没有问题。排查发现互换前Cell56和Cell27单体电压采集存在较大差异，如图15所示，M12电压采集电路直接连接在Cell27单体两端，采集的电压值V27送电池管理系统处理。M23电压采集电路跨接了较长的铜排连接线（Bus-bar），该Bus-bar用于Module23和Module22之间的物理连接，因此Cell56单体电压测试值（图15中V56）包含两部分：Cell56单体真实电压值和Bus-bar上的电压降。对Cell12、Cell40、Cell59进行排查，也发现同样问题，这说明Cell单体“过电压”与Bus-bar上的电压降有关系。图15单体电压采集差异若该动力蓄电池输出端接纯电阻性负载，Cell12、Cell40、Cell56、Cell59单体电压正常，说明Bus-bar上等效电阻产生的电压降可以接受，车上动力系统工作后，电压波形有较大变化，说明Bus-bar上可能有来自整车的传导性EMI。车辆急加速、减速阶段，动力蓄电池分别处于“急速放电”和“急速充电”状态，在上述两状态，动力母线上di/dt均较大，且含有高频分量。经排查，Cell12、Cell40、Cell56、Cell59电压采集时跨接的Bus-bar大概长度分别为39cm、42cm、59cm、49cm。在高频环境下较长的Bus-bar上的等效电感分量不能忽略，会在Bus-bar上产生较大的电压波动，导致Cell单体“过电压”。4结语EMC影响信号质量，有可能引发整车行驶安全问题，是我国电动汽车产业化不得不面临的一个共性问题，应该引起各电动汽车生产厂家的重视。研究电动汽车系统级EMC设计可降低因EMI问题导致试制车辆试验周期变长、产品上市时间推迟的风险。