電動(dòng)汽車(chē)的系統級EMC設計

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電器部件要滿(mǎn)足相應 EMC 技術(shù)要求，就應考慮其內部元器件和導線(xiàn)的合理布排，并做相應的測試及優(yōu)化工作。由于整車(chē)電氣系統為各電器部件及連接線(xiàn)纜的集成體，設備之間的相互影響加劇了電磁環(huán)境的復雜性，部件級EMC測試和整車(chē)EMC測試關(guān)聯(lián)解析難度大。同時(shí)各車(chē)型在功能、市場(chǎng)定位、系統架構與布局、零部件電磁特性、集成度等方面可能存在較大差異，很難給出一個(gè)或一組統一的定量化指標去適合于所有電動(dòng)汽車(chē)。

在EMC設計、管理等方面，國內電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)普遍存在以下幾方面問(wèn)題：

① EMC工作主要由EMC工程師開(kāi)展，缺乏系統內協(xié)作；

② EMC工作主要圍繞電器部件及整車(chē)的EMC 測試展開(kāi)，EMC設計不足；

③電器部件EMC設計和整車(chē)EMC設計脫節，EMC問(wèn)題幾乎 全部由車(chē)載電器部件承擔責任；

④ 企業(yè)歷史短，缺乏專(zhuān)業(yè)的EMC設計經(jīng)驗，缺乏規范的 EMC研發(fā)、管理流程。

本文參考系統級電磁兼容設計思想，并借鑒國外電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)秀EMC設計方法，提出一種電動(dòng)汽車(chē)系統級EMC開(kāi)發(fā)方法，該方法建立的系統開(kāi)發(fā)流程貫穿實(shí)施于車(chē)輛開(kāi)發(fā)各流程中，整車(chē)一次性通過(guò)EMC法規測試，并做到了系統內的良好兼容性。

1、電動(dòng)汽車(chē)系統級 EMC 設計思想

系統電磁兼容問(wèn)題在分析方法、設計方法、試驗方法方面，均為系統工程問(wèn)題。

電動(dòng)汽車(chē)系統級EMC設計思想：綜合考慮電器部件性能及功能完整性、可靠性、技術(shù)成本、車(chē)身輕量化、產(chǎn)品上市周期等各種因素，確定布局和技術(shù)控制狀態(tài)，選取材料、結構和工藝，在車(chē)輛研發(fā)的各階段，以最.低的成本、最.有.效的方式將接地、屏蔽及濾波等設計思想及具體措施實(shí)施到產(chǎn)品或系統中，在測試階段做出詳細的EMC測試評價(jià)、優(yōu)化及管理，最終形成一套可行性高的正向開(kāi)發(fā)設計方法或流程。

在產(chǎn)品質(zhì)量前期策劃（advanced product quality planning，簡(jiǎn)稱(chēng) APQP）過(guò)程中，新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程一般由5個(gè)階段組成：計劃定義和項目、產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)驗證、過(guò)程設計和開(kāi)發(fā)驗證、產(chǎn)品和過(guò)程確認，以及反饋、評估和糾正措施，APQP 進(jìn)度圖如圖 1 所示。

圖 1 APQP 進(jìn)度圖

借鑒APQP流程，電動(dòng)汽車(chē)系統級EMC開(kāi)發(fā)流程 可包括：EMC規劃階段、EMC系統架構布局階段、EMC設計階段、EMC系統測試及狀態(tài)凍結階段以及EMC評估、評審和優(yōu)化階段。

上述各階段需要車(chē)型設計總師、項目經(jīng)理、EMC專(zhuān)家、EMC工程師、電氣工程師、線(xiàn)束工程師、總布置工程師、結構工程師、測試工程師以及各電器部件供應商等協(xié)作參與，共同完成。

2、電動(dòng)汽車(chē)系統級EMC設計開(kāi)發(fā)流程

2.1 EMC 規劃階段

本階段工作內容是在分析整車(chē)技術(shù)規范（Vehicle Technical Specification，簡(jiǎn)稱(chēng)VTS）初稿的基礎上，對表1中列舉的內容進(jìn)行研究，重點(diǎn)掌握現有電器部件EMC特性，并編寫(xiě)整車(chē)EMC設計指導書(shū)等報告，為EMC系統架構布局提供重要依據。

表1 EMC 規劃階段主要工作內容

2.2 EMC 系統架構布局階段

本階段是整車(chē)系統級EMC 開(kāi)發(fā)流程中最為關(guān)鍵的一步，其核心工作內容可歸結為“先由面建點(diǎn)，再由點(diǎn)連線(xiàn)"。

“面"即為由車(chē)身、車(chē)身支架、12 V 蓄電池負極等建立的參考地。

“點(diǎn)"為車(chē)載電器部件，以規劃階段編寫(xiě)的《高壓部件布局布置指導性設計報告》、《CAN 網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)束布局布置指導性設計規范》等報告為指導，綜合考慮車(chē)身數模及電器零部件初版數模，對車(chē)載關(guān)鍵電器部件進(jìn)行布局。優(yōu)先進(jìn)行動(dòng)力蓄電池布置；根據驅動(dòng)方式、冷卻系統、可安裝位置、質(zhì)心坐標等確定電機本體大致布置；結合功能性要求、碰撞安全性法規要求、IP 防護、安裝便利性、美觀(guān)等，確定其它電器部件布局?！包c(diǎn)"還包括抽象的接地點(diǎn)，隨著(zhù)電器部件布局位置確認而確定。接地點(diǎn)的選取應以就近接地、系統接地網(wǎng)絡(luò )的合理、可維護為原則。

“線(xiàn)"即為前面建立的各“點(diǎn)"之間的互連線(xiàn)纜，是整車(chē)電氣系統的重要組成部分。線(xiàn)纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉、走向美觀(guān)、安裝固定方便。以i-MiEV 車(chē)底盤(pán)下線(xiàn)纜布局（見(jiàn)圖2）為例，其線(xiàn)纜短、線(xiàn)纜無(wú)交叉的特點(diǎn)顯而易見(jiàn)。

圖2 i-MiEV 車(chē)底盤(pán)下線(xiàn)纜布局（網(wǎng)絡(luò )資料）

優(yōu)先考慮系統布局這一策略是成本最.劃.算.的一種EMC設計方法，對系統進(jìn)行布局劃分，使對干擾電流的控制成為可能。

整車(chē)EMC架構布局需要綜合考慮各種技術(shù)要求，并將EMC技術(shù)融入到產(chǎn)品架構設計中去。圖3為某型號電動(dòng)汽車(chē)布局差異對比圖，與圖3（a）相比，圖3（b）所示布局方案更合理，線(xiàn)纜走向更規范，整車(chē)碰撞安全性也更高。兩種布置方案下電器部件殼體設計、連接器選型等均存在較大差異，說(shuō)明若布局階段“點(diǎn)"規劃不合理，會(huì )導致整車(chē)電氣系統架構布局的變更，其對整車(chē)設計成本、上市周期等均帶來(lái)較大變化。整車(chē)設計初期，不建議所有電器部件都做出開(kāi)模計劃，同時(shí)從整車(chē)設計角度，“點(diǎn)"也應該符合“面"的規劃，即使一些電器部件前期已開(kāi)模且適用于一些車(chē)型，也應該根據本車(chē)型布置要求，在評審后重新制定開(kāi)模計劃。

（a）布局凌亂

（b）布局整齊

圖3 某型號電動(dòng)汽車(chē)布局差異對比（網(wǎng)絡(luò )資料）

圖4為某車(chē)型不合理的電機系統（電機和電機控制器）布局圖，該布局導致U、V、W 線(xiàn)纜過(guò)長(cháng)，根據設計經(jīng)驗，該方案存在輻射發(fā)射超標風(fēng)險，EMC評審不通過(guò)，該布局方案未獲批準。

圖4 某車(chē)型前期不合理的電機系統布局圖

布局合理最基礎，其經(jīng)濟性也最高。車(chē)內電子通信設備的日益增多使互連系統的排布密度大幅度增加， 加上車(chē)載系統狹小的內部空間，因而對前期系統架構布 局提出了更高的要求。表2列舉了本階段主要輸出報告。

表 2 EMC 系統架構布局階段主要輸出報告

2.3 EMC 設計階段

EMC設計雖然不是什么新鮮技術(shù)，但其需要大量專(zhuān)業(yè)設計、制造工藝以及管理等知識的支撐，并要參考一切可以指導團隊和員工決策或行動(dòng)的信息、標準、規范、法則及經(jīng)驗，最終形成用于指導生產(chǎn)的設計知識體系，研發(fā)過(guò)程中知識流動(dòng)和轉換框圖如圖 5 所示。

圖5 新產(chǎn)品研發(fā)中知識的流動(dòng)和轉換框圖

EMC設計階段主要圍繞EMC三個(gè)措施（即接地、屏蔽和濾波）展開(kāi)，本階段主要的設計輸出報告如表3所示。

表 3 EMC 設計階段主要輸出報告

接地設計主要包括接地線(xiàn)的工藝、接地螺栓和螺母選型、接地點(diǎn)防腐蝕處理工藝設計等。圖 6為某型號電動(dòng)汽車(chē)接地設計細節，可作為參考。

（a）接地線(xiàn)和接地螺栓

（b）接地線(xiàn)和接地螺母

圖6 某型號電動(dòng)汽車(chē)接地設計（網(wǎng)絡(luò )資料）

屏蔽設計的關(guān)鍵之一在于高低壓電器部件殼體設計，如何將工業(yè)設計等技術(shù)和殼體屏蔽設計技術(shù)巧妙結合在一起，體現 EMC 設計技術(shù)和藝術(shù)的完.美結合，是本部分的難點(diǎn)。由于殼體開(kāi)模成本較高，建議全新開(kāi)模在評審通過(guò)后確定。

應當指出，在選用屏蔽線(xiàn)纜時(shí)，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考慮成本、機械強度等特性。當整個(gè)電纜受到過(guò)多的機械、天氣和潮濕的影響時(shí)，影響最嚴重的屏蔽部分就是連接處，通常使用5年之后性能將下降一個(gè)數量級（20 dB）。

對于多電纜入口的機箱殼體，為保證屏蔽連接的連續性，電纜屏蔽連接方法可參考圖 7。

（a）線(xiàn)纜屏蔽層和殼體端接

（b）線(xiàn)纜端連接夾具

圖 7 多電纜屏蔽層和殼體電連接（網(wǎng)絡(luò )資料）

（a）電機本體 （b）電機及集成控制器

圖8 某型號電動(dòng)汽車(chē)電機系統設計（網(wǎng)絡(luò )資料）

若考慮成本，部件屏蔽設計難以做到完.美，可考慮系統級解決措施。圖8為某型號電動(dòng)汽車(chē)電機系統設計，為降低 U、V、W 線(xiàn)纜可能帶來(lái)的輻射發(fā)射問(wèn)題，其在電機端增加一金屬屏蔽盒，在提高 EMC設計的同時(shí)提高了IP防護等級。

2.4 EMC 系統測試及狀態(tài)凍結階段

系統電磁兼容試驗技術(shù)包括：試驗規范制定、標準制定、項目選擇、實(shí)施方法、場(chǎng)地建設、誤差處理等技術(shù)和過(guò)程。為保證EMC測試的一致性，系統測試必須在標準的試驗環(huán)境下進(jìn)行。根據自身條件建立相應測試環(huán)境或選擇測試機構，都是不錯的選擇，為節省測試費用而犧牲零部件或整車(chē)EMC性能的做法必將付出沉重的代價(jià)。

若脫離整車(chē)測試驗證環(huán)節，零部件EMC設計很可能出現設計不足或過(guò)設計問(wèn)題。EMC 系統測試是系統級EMC設計流程中重要的環(huán)節，既用于驗證整車(chē) EMC 設計的合理性，又為設計方案優(yōu)化、評審及凍結提供依據。在驗證各電器部件EMC設計符合性的前提下，驗證零部件EMC測試數據和整車(chē)測試數據的關(guān)聯(lián)性，根據整車(chē)測試中暴露出來(lái)的問(wèn)題，首先對整車(chē)系統內接地措施進(jìn)行嘗試性?xún)?yōu)化整改，在整改效果難以滿(mǎn)足整車(chē)測試需求的前提下，對零部件EMC指標進(jìn)行有針對性的更改，根據整改便利性、成本、可靠性、開(kāi)發(fā)周期等因素確認零部件更改比重，并保證足夠的裕量，從而降低因不確定性等因素帶來(lái)的誤差，保證整車(chē)測試的一致性。

狀態(tài)凍結階段，需要隨機抽樣同一批次各電器部件多臺進(jìn)行測試，在測試數據一致性評審通過(guò)后，凍結零部件EMC設計。同樣，只有整車(chē)測試具有足夠的一致性和裕量，整車(chē)EMC 設計數據才能凍結。

本階段主要輸出報告有：《電器部件 EMC 測試分 析報告》、《整車(chē)測試分析報告》、《系統設計優(yōu)化分 析報告》、《XX 零部件EMC優(yōu)化設計分析報告》、《接地線(xiàn)（含接地螺栓、螺母）鹽霧等試驗分析報告）》、《接地線(xiàn)阻抗測試報告》、《接地點(diǎn)防腐處理工藝設計評審 報告》、《接地點(diǎn)可維護性評審報告》、《電器部件殼體數模凍結報告》、《電器部件EMC設計方案凍結報告》、《XX 車(chē)型EMC設計方案凍結報告》等。

2.5 EMC 評估、評審和優(yōu)化階段

本階段貫穿于系統級EMC設計的整個(gè)流程中，每個(gè)階段的評估、評審和優(yōu)化，必須保證零部件設計和整車(chē)設計具有一定的同步性。評估、評審時(shí)既要考慮功能完整性、技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、安全性等設計因素，還需要 EMC 專(zhuān)家的技術(shù)指導，同時(shí)又要綜合考慮設計美 觀(guān)度、可維護性、可工程化、成本等其它因素。

簡(jiǎn)單合理的設計是最.好.的設計，這無(wú)疑在節約成本，提高產(chǎn)品良品率，加快上市時(shí)間的同時(shí)，讓電動(dòng)汽車(chē)EMC設計的風(fēng)險降至最.低，所以評估、評審階段還應堅持簡(jiǎn)單的原則。

電動(dòng)汽車(chē)功率部件越來(lái)越呈現出小型化、集成化的技術(shù)趨勢，功率部件的EMC設計仍將是整車(chē)EMC設計的重要內容之一。為提高續航里程而增大電池結構，從而使整車(chē)電器系統布局更緊湊，部件間EMI問(wèn)題更突出。智能化、高頻化等電子電器的安裝加劇了整車(chē)通過(guò)GB 14023測試的難度，所以，評估、評審階段還應堅持與時(shí)俱進(jìn)的原則。

3、結語(yǔ)

本文從工程應用設計的角度，對整車(chē)系統級EMC設計流程做了詳細描述，而對設計細節以及EMC 指標的量化未做具體描述，但整個(gè)設計流程還是非常清晰的。采用系統方法，按照特定的邏輯來(lái)組織研發(fā)過(guò)程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發(fā)活動(dòng)，最.大.程.度地減少研發(fā)活動(dòng)的反復和耦合，使復雜、模糊、混亂的EMC研發(fā)活動(dòng)流程化，從而提高了EMC設計工作的效率和質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期，減少了研發(fā)成本及產(chǎn)品生命周期的總成本。

在設計和選用電源濾波器的過(guò)程中，系統工程師發(fā)現，加了濾波器以后作用不大，甚至會(huì )發(fā)生某些頻段的噪聲變大。

OBC 內部均設計了濾波單元，但由于濾波單元設計不專(zhuān)業(yè)（包括濾波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹配、濾波器拓撲結構設計不合理等）或受布局空間所限安裝位置不合理等原因，濾波器實(shí)際抑制干擾能力較差，傳導發(fā)射超標現象較明顯。

4、總結

本文所述示例說(shuō)明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性。目前電動(dòng)汽車(chē)電子電器零部件越來(lái)越多，整車(chē)電氣系統（包括各電器部件、互連線(xiàn)纜以及車(chē)身架構等）建立的電磁環(huán)境也越來(lái)越復雜，如何根據各電器部件自身EMC特性以及所處的電磁環(huán)境等因素，將EMC措施合理體現在整車(chē)設計中應是研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

（文章來(lái)自電動(dòng)車(chē)資源網(wǎng)）