【導(dǎo)讀】燃料電池汽車電磁兼容測(cè)試的主要目的是要達(dá)到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性，從而分析電磁干擾的發(fā)生機(jī)理，解決騷擾源及切斷干擾傳播通道。針對(duì)燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進(jìn)行機(jī)理分析、設(shè)計(jì)分析、理論研究，詳細(xì)介紹了汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。
汽車電器的電磁兼容環(huán)境應(yīng)是一個(gè)設(shè)備共存、互不干擾的環(huán)境, 這就要求系統(tǒng)
具備良好的EMI和EMS 特性。造成電器功能降級(jí)或失效的電磁干擾的發(fā)生必須同時(shí)具備3個(gè)要素: 干擾源、耦合途徑以及敏感設(shè)備，而要從根本上解決電磁兼容問題就必須采取各種方式抑制干擾源、阻斷耦合途徑以及提高敏感設(shè)備的抗擾度。下面將對(duì) 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進(jìn)行分析研究；介紹汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
1 燃料電池汽車電磁兼容性分析
燃料電池汽車（FCV-Fuel Cell Vehicle）其車載騷擾源為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池堆高壓系統(tǒng)、DC/DC、輔助電池充放電、動(dòng)力傳動(dòng)等。電壓和電流的快速暫態(tài)會(huì)產(chǎn)生輻射和噪音，距離這些設(shè)備較近的電子設(shè)備有可能產(chǎn)生故障，特別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的快速整流、電機(jī)啟動(dòng)、高壓輻射更會(huì)引起較高場(chǎng)強(qiáng)的傳導(dǎo)及輻射騷擾。因此對(duì)燃料電池汽車進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)電磁場(chǎng)的產(chǎn)生和傳播原理對(duì)主干擾源、敏感元及傳遞途徑進(jìn)行理論研究，建立汽車環(huán)境中的EMC數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)模型研究和仿真分析，提供實(shí)際汽車系統(tǒng)的EMC預(yù)期指標(biāo)。
汽車環(huán)境中的EMC數(shù)學(xué)模型
根據(jù)電磁場(chǎng)的特性、Maxwell方程、汽車外形等，建立空間電磁場(chǎng)分布數(shù)學(xué)方程，并以此為基礎(chǔ)，建立汽車EMC數(shù)學(xué)模型。模型要求可方便改變汽車外形參數(shù)，干擾源的數(shù)量、位置（汽車內(nèi)部位置、外部位置）及各自的頻段和強(qiáng)度，模型要考慮汽車外殼的局部電磁屏蔽功能和多次反射折射（透射）的影響。
汽車EMC的仿真分析
根據(jù)汽車EMC數(shù)學(xué)模型，對(duì)主干擾源、敏感元件等進(jìn)行仿真分析，顯示空間電磁場(chǎng)的分布，定點(diǎn)頻率幅值曲線。研究汽車工作環(huán)境的EMC各種預(yù)防方法的優(yōu)缺點(diǎn)，抑制騷擾產(chǎn)生和傳播的措施等，輸出各種方法的對(duì)比曲線。
建立的數(shù)學(xué)模型，必須經(jīng)過3 個(gè)以上實(shí)際系統(tǒng)的仿真分析，仿真分析結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果要有一致性，具體點(diǎn)最大誤差不超過±5dB。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行FCV的電磁兼容設(shè)計(jì)。初期電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行以下研究：
- 干擾源的分析（干擾的產(chǎn)生、性質(zhì)、特征）
- 干擾信號(hào)的傳播方式和傳播途徑
- 干擾效應(yīng)（干擾信號(hào)與設(shè)備之間相應(yīng)的響應(yīng)特征）
- 限制干擾的方法和措施
- 干擾的測(cè)量和計(jì)算
- 干擾模擬（包括干擾條件再現(xiàn)、干擾機(jī)理模擬）
- 預(yù)計(jì)的抗干擾試驗(yàn)（包括相應(yīng)的干擾限值、測(cè)試方法、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)）
車輛在行駛過程中，干擾源有兩種，一種是車外輻射騷擾源，另一種是車載騷擾源。其表現(xiàn)形式主要依據(jù)干擾源的頻譜特性，如無線電臺(tái)、接收機(jī)、工業(yè)高頻發(fā)生器等窄頻帶干擾源；平行駛過的內(nèi)燃機(jī)汽車、高空（地下）高壓線、整流馬達(dá)等間歇性寬帶干擾源；靜電放電、雷電電磁脈沖等瞬態(tài)寬帶干擾源。
對(duì)于車外干擾源，無法采取主動(dòng)的防護(hù)措施，所以電磁兼容對(duì)于整車所要設(shè)計(jì)的是被動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)，即從傳播方式和增強(qiáng)防護(hù)能力考慮。對(duì)于車載干擾源，可采用屏蔽、緩沖器、軟開關(guān)的方式來抑制干擾。
電磁耦合的途徑主要有：以阻性、容性為特性的電耦合；以感性為特征的磁耦合；以高頻輻射為特征的射線耦合。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及加速、輔助電源的充放電、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等會(huì)以電耦合的方式干擾附近器件或發(fā)出傳導(dǎo)騷擾，干擾電源線以及車載無線電等通訊、娛樂部件。燃料電池堆高壓系統(tǒng)、DC/DC等器件在工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的射頻輻射，超出標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)外界造成射線污染。
在燃料電池汽車上，一些無線電裝置、音頻/聲頻娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航及一些低壓、微信號(hào)控制部件都屬于電磁敏感器件，暫態(tài)干擾及靜電放電都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損壞性，根據(jù)干擾源的特點(diǎn)，可采取屏蔽、擴(kuò)頻、共地等方法，增強(qiáng)電磁防護(hù)能力。
2 燃料電池汽車整車控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)
整車控制器（VMS，vehicle management Syetem），即動(dòng)力總成控制器。作為汽車的指揮管理中心，動(dòng)力總成控制器主要功能包括：驅(qū)動(dòng)力矩控制、制動(dòng)能量的優(yōu)化控制、整車的能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視等，它起著控制車輛運(yùn)行的作用。
由于整車控制器應(yīng)用環(huán)境干擾嚴(yán)重，存在多種噪聲和耦合方式；因此除了完善的功能外，還應(yīng)該有較強(qiáng)的抗干擾能力?？梢赃\(yùn)用下述電磁兼容設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行 干擾抑制。
（1）接地
整車控制器的接地以抗外界干擾為主要目的，屬于信號(hào)接地。它采用了“滿接地”方式，即在除傳輸導(dǎo)線及元器件所占用的地方以外，全部接地，這樣既減少了地阻抗，同時(shí)也起到了屏蔽作用。由于信號(hào)線與地線之間的距離僅為線路板層間距離。高頻電路總是選擇環(huán)路面積最小的路徑流動(dòng)，因此，實(shí)際的電流總是在信號(hào)線正下方的地線面上流動(dòng)。這樣，自然就形成了最小的信號(hào)環(huán)路面積，從而減小了差模輻射。
（2）隔離
整車控制器的電磁隔離采用了輸入、輸出全光電隔離。光電耦合器的輸入阻抗很低（一般為100 ～1000Ω），干擾很大，因此傳輸?shù)焦怆婑詈掀鞯母蓴_電壓就變得很小了；并且干擾源的內(nèi)阻都很大，雖然可以產(chǎn)生一定的干擾電壓，但能量較小，只能形成微弱的電流，而光電耦合器的發(fā)光二級(jí)管只有通過一定的電流才發(fā)光，因此，即使是電壓的幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，也不能使二級(jí)管發(fā)光，干擾就被抑制了；光電耦合器是在一個(gè)密封的管殼內(nèi)進(jìn)行的，不受外界的影響。
（3）濾波
傳感器故障和外部信號(hào)干擾是引起整車控制器工作失常的重要因素。對(duì)于模擬信號(hào)，由于正常工作時(shí)所輸出的信號(hào)都有一定范圍，因此在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，常對(duì)模擬量采用低通濾波器，阻止高頻信號(hào)通過。當(dāng)存在高速跳變的數(shù)字信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻抗噪聲，在整車控制器電磁兼容設(shè)計(jì)中，常采取在控制器電源端口加入濾波器的方式來抑制電源端的噪聲，其中大容量的電容負(fù)責(zé)進(jìn)行高通濾波，小容量的電容負(fù)責(zé)進(jìn)行低通濾波。
（4）PCB設(shè)計(jì)
整車控制器的電路模板采用了六層電路板的設(shè)計(jì)，相對(duì)于雙面 PCB 而言，多了地線層和電源層，電源平面應(yīng)靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣接地平面可以對(duì)電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。電源層、以及排列緊密的信號(hào)線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合。兩層信號(hào)走線之間的串?dāng)_小；電源層 和地線層之間距離較小，因此阻抗很小，適合于電源噪聲解耦。
（5）其他方法
選用集成度高的元器件能夠減少電路板上元器件的數(shù)目，可以減少故障率和受干擾的概率。元器件的降額使用。降額設(shè)計(jì)就是使元件在低于其額定應(yīng)力下工作。影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的應(yīng)力有：電應(yīng)力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)工作應(yīng)力高于額定應(yīng)力時(shí)，失效率就會(huì)增加。合理的降額是提高元器件和零部件可靠性的有效方式。
3 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性試驗(yàn)
3.1 騷擾電壓發(fā)射試驗(yàn)
根據(jù)騷擾電壓的傳播途徑分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。
兩項(xiàng)試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)均為GB 18655—2004或CISPR25∶2004，即《 保護(hù)車載接收機(jī)的無線電騷擾特性的限值與測(cè)量方法》。
3.1.1 傳導(dǎo)騷擾電壓發(fā)射試驗(yàn)
- 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐雇ㄟ^同一供電回路對(duì)其它車載電子零部件產(chǎn)生限值以外的干擾。
- 試驗(yàn)條件：傳導(dǎo)騷擾電壓限值的測(cè)量頻率為0.15~108 MHz。
- 試驗(yàn)布置： 該測(cè)試將控制器外圍線路連接好，使控制器滿足于測(cè)試條件，電源線長(zhǎng)度0.2m，其余按標(biāo)準(zhǔn)布置見圖1。
注：1為ECU;2為測(cè)試反饋線;3為風(fēng)扇負(fù)載;4為人工電源網(wǎng)絡(luò);5為蓄電池;6為N 線（數(shù)據(jù)線連接）。
圖1 圖傳導(dǎo)騷擾電壓試驗(yàn)布置
根據(jù)GB 18655—2004第一部分第四章《對(duì)車輛和零部件/模塊發(fā)射測(cè)量的一般要求》、第6章《僅用于零部件/模塊試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備》和第三部分第11章《零部件/模塊的傳導(dǎo)發(fā)射》、第三部分第12章《零部件傳導(dǎo)騷擾限值》的內(nèi)容，該試驗(yàn)用于測(cè)量ECU電源線上產(chǎn)生的傳導(dǎo)電場(chǎng)干擾的強(qiáng)度，保證其不超過規(guī)定的限值(表1)。
表1 表傳導(dǎo)騷擾電壓限值
試驗(yàn)結(jié)果如2圖所示，在500kHz左右的低頻率段有部分超出等級(jí)2的限值，在50MHz到100MHz高頻段超出等級(jí)2限值。
3.1.2 輻射騷擾電壓發(fā)射試驗(yàn)
- 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐管囕d無線電通訊和其它車載電子儀器受到輻射騷擾電壓干擾。
- 試驗(yàn)條件：輻射騷擾電壓限值的測(cè)量頻率為0.15~960MHz。
- 試驗(yàn)布置：將控制器外圍線路連接好，使控制器滿足于測(cè)試條件，電源線，信號(hào)線都長(zhǎng)度1.5m，其余按標(biāo)準(zhǔn)布置見圖3。
圖2 圖傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)結(jié)果
注：1為ECU;2為2m電源線;3為接受天線;4為吸波屏蔽室;5為人工電源網(wǎng)絡(luò)。（a）高頻段
注：1為柱狀接收天線。（b）低頻段
圖3 圖輻射騷擾電壓試驗(yàn)布置
根據(jù)GB 18655—2004第一部分第四章《概述之對(duì)車輛和零部件/模塊發(fā)射測(cè)量的一般要求》、第六章《概述之僅用于零部件/模塊試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備》和第三部分第13章《車輛零部件和模塊的測(cè)量之零部件/模塊的輻射發(fā)射》、第14章《車輛零部件和模塊的測(cè)量之零部件輻射騷擾限值》的內(nèi)容，該試驗(yàn)用于測(cè)量ECU輻射的電場(chǎng)干擾的強(qiáng)度，保證其不超過規(guī)定的限值(表2)，同時(shí)不影響車輛內(nèi)的其他電子系統(tǒng)。
表2 表輻射騷擾電壓限值
試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示，被測(cè)設(shè)備ECU在低頻段符合限值標(biāo)準(zhǔn)，在高頻段垂直極化40MHz和70MHz左右的位置超過等級(jí)2的限值。
圖4 圖低頻段輻射騷擾試驗(yàn)結(jié)果（0.15~6.2MHz）
圖5 圖高頻段輻射騷擾試驗(yàn)結(jié)果（30~1000MHz，水平極化）
圖6 圖高頻段輻射騷擾試驗(yàn)結(jié)果（30~1000MHz，垂直極化）
3.2 大電流注入試驗(yàn)
- 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐管囕d其它控制器放電或強(qiáng)磁輻射而造成被測(cè)體性能降低或失效。
- 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISO 11452《 道路車輛-窄帶輻射電磁能量產(chǎn)生的電氣干擾-零部件測(cè)試法》
- 試驗(yàn)條件：頻率范圍：1~400 MHz, CW連續(xù)波，1 kHz80% 。正弦波調(diào)制；停留時(shí)間≥1s。
① 1~10MHz時(shí)步長(zhǎng)為1MHz
② 10~200MHz時(shí)步長(zhǎng)為2MHz
③ 200~400MHz時(shí)步長(zhǎng)為20MHz
- 測(cè)試距離：1.5m
- 試驗(yàn)布置：利用電流注入探頭直接感應(yīng)在控制器連接線束上，用規(guī)定的電流等級(jí)通過增加感應(yīng)信號(hào)的頻率來進(jìn)行抗擾性試驗(yàn)見圖7。
圖7 圖大電流注入試驗(yàn)布置
控制器采用金屬外殼封裝，對(duì)外界電磁場(chǎng)輻射起到較強(qiáng)的抗干擾作用，因此，最大的干擾可能是各種反饋連接線上通過輻射或傳導(dǎo)的方式對(duì)控制器產(chǎn)生的干擾。本項(xiàng)試驗(yàn)利用電流注入探頭直接感應(yīng)在連接線束上對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行抗擾性試驗(yàn)。
根據(jù)ISO 11452∶2004第四部分《大中電流注入》的內(nèi)容，該試驗(yàn)用于檢驗(yàn)當(dāng)線束由輻射電磁場(chǎng)產(chǎn)生共模電流時(shí)ECU的抵抗能力。試驗(yàn)結(jié)果見表3 。
表3 表大電流注入試驗(yàn)結(jié)果
3.3 電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗(yàn)
- 試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證同一供電回路中各種控制器工作時(shí)可能出現(xiàn)的多種瞬態(tài)脈沖的抗干擾能力,如:電源充放電;大功率電機(jī)開啟;引擎啟動(dòng)等多種情形。
- 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISO 7637《 道路車輛—由傳導(dǎo)和耦合造成的電氣干擾》
- 試驗(yàn)布置：見圖8?？刂破鳚M足于測(cè)試條件，模擬汽車現(xiàn)場(chǎng)干擾的多種狀況分別進(jìn)行如下試驗(yàn)：
① 針對(duì)電源線試驗(yàn)，按ISO 7637的1，2a，2b，4，5等5種方式進(jìn)行試驗(yàn)；
② 針對(duì)CAN和I/O端口線進(jìn)行試驗(yàn)，按ISO 7637的3a，3b方式進(jìn)行試驗(yàn)。
注：1為波形發(fā)生器；2為波形控制終端；3為電源線；4為被測(cè)設(shè)備；5為被測(cè)設(shè)備監(jiān)控終端。
圖8 圖電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗(yàn)布置
由于同一供電回路中其他電器（或設(shè)備）在工作過程中會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾脈沖群，而某些大功率電機(jī)（如空調(diào)，風(fēng)扇）在開啟或閉合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾脈沖浪涌， 從而引起整個(gè)電路系統(tǒng)的供電電壓的降低，這些干擾會(huì)影響控制器的正常工作。另外發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電機(jī)勵(lì)磁時(shí)候，會(huì)引起整個(gè)供電系統(tǒng)電壓的降低，也對(duì)控制器造成直接干擾，因此必須進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，來驗(yàn)證統(tǒng)一供電回路中各種控制器工作時(shí)有可能出現(xiàn)的多種瞬態(tài)脈沖的抗干擾能力。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637∶2004第二部分《針對(duì)電源線的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾》的內(nèi)容，該試驗(yàn)項(xiàng)目用于檢驗(yàn)ECU抵抗瞬變傳導(dǎo)電磁場(chǎng)干擾能力。
圖9為測(cè)試波形脈沖3b時(shí)的電壓瞬變干擾波形，測(cè)試結(jié)果見表4。
圖9 圖電壓瞬變干擾波形
表4 表電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗(yàn)結(jié)果
3.4 靜電放電抗擾度試驗(yàn)
- 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐褂捎谌梭w接觸或鄰近物體的放電產(chǎn)生的大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品造成的損壞。
- 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISO 10605∶2002《 道路車輛—靜電放電產(chǎn)生的電氣干擾》
- 試驗(yàn)條件：測(cè)試電壓:±15kV，放電次數(shù)3次。每二次放電時(shí)間間隔為5s。
- 試驗(yàn)布置：該測(cè)試控制器不帶電狀態(tài)下進(jìn)行，試驗(yàn)中，采用間接放電，用放電槍對(duì)被試驗(yàn)對(duì)象附近的耦合板實(shí)施放電，見圖10。
圖10 圖靜電放電試驗(yàn)布置
由于人體或其它物體接近或接觸電器裝置的表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)靜電高壓放電所產(chǎn)生的大電流、高電壓和強(qiáng)磁場(chǎng)，從而引起對(duì)電器功能的影響甚至使其功能喪失，因此對(duì)于車載總成控制器必需進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見表5。
表5 表靜電放電抗擾度試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)ISO 10605第五部分《電子模塊的試驗(yàn)方法》的內(nèi)容，該試驗(yàn)用于檢驗(yàn)ECU抵抗人身體產(chǎn)生靜電放電的能力。本文的試驗(yàn)項(xiàng)目中采用的是非接觸放電。
參考文獻(xiàn)
1、Henry W.Ott.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)[M].2版，John Wiley & Sons, Inc.1998.中文版.
2、Tim Williams. EMC for PRODUCT Designers[M], 3thed. Elsevier Science Ltd，2001.英文版.
3、王幸之. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[ M ] . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.
4、高攸綱. 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證[ M ] . 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.
5、林國(guó)榮. 電磁干擾及控制[ M ] . 北京：電子工業(yè)出版社，2003.
6、陳淑鳳, 馬蔚宇, 馬曉慶. 電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)[ M ] . 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.
7、童衛(wèi)東. 汽車的電磁環(huán)境與兼容[ J ] . 輕型汽車技術(shù)．2002.（3）：12-16.
8、林艷萍.汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)[J].安全與電磁兼容，2002．（4）：10-20.
9、劉新亮.汽車電器的電磁兼容[J].汽車電器，2001．（6）：2-7.
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