电动汽车常见的EMC问题及特性

1、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；系统内干扰电动汽车电磁环境的复杂性传统燃油轿车采用 12 V 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

2、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

3、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。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

4、车相关的 EMC认 证项目包括两个标准， 即 GB/T 18387-2008 和 GB 14023-2011 ， 其中 GB/T 18387 包括整车辐射发射测试和充电系统传导发射测试，GB 14023 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。GB/T 18387 辐射发射测试超标某样车在 16 km/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。磁场辐射发射超标频段主要集中在 9160 kHz, 根据不同车型测试经验， MCU 工作时 IGBT 开关频率( 810 kHz )及其谐波

5、是导致测试超标的根源。某款 OBC 传导发射测试超标由于 GB/T 18387 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 3.3 kW 的 OBC 按照 QC/T 895-2011 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/T 18487.3-2001 中 11.3.2 的要求）进行 CE 测试，测试的频率范围 是 0.1530 MHz，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 1530 MHz 几乎

6、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 7 MHz 附近出现一个干扰最大值。图4 某款 OBC 其CE 测试结果GB 14023 辐射发射测试超标图 5 为某样车执行 GB1 4023-2011 “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81 MHz 和 459 MHz。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 27 MHz 的高速时钟信号是导致该 模式

7、下测试超标的干扰源。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500 kHz2 MHz 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 50

8、0700 kHz、0.81.1 MHz、1.151.4 MHz、 以及 1.4 MHz 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3.2 CAN 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

9、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 50.8 V ，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 某车型网络节点表 1 CAN 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_L0.51.5

10、2.25差分电压Vdiff1.52.03.0备注Vdiff= VCAN_H - VCAN_L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 SW1SW4为 电平信号， 不同 SW1SW4的 组合输出逻 辑对应不同（

11、P、R、N、D）档位；其正常电平幅值为 4.55.0 V。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， 12 V 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 电路图电动真空助力制动系

12、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 DC 12 V。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

13、，以电压波形为例， 12 V 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 Module 12 内有单体 Cell 27、 Cell 28 和 Cell 29 ，Module 23 内有单体 Cell 56 、Cel

14、l 57 、Cell 58 。图 13 模组布局出现“过电压”的电池单体包括 Cell 12 、Cell 40 、Cell 56 、Cell 59 ，监控数据显 示， Cell 56 单体“过电压”次数最多。某一工况下，采集Cell 12 、Cell 56 以及正常的Cell 27 （布局位置和 Cell 56 一致）单体电压波形，如图 14 所示。图 14 Cell 单体电压波形由图 14 可知， Cell 12 、Cell 56 电压波形中均带有较大“毛刺”，而Cell 27 波形较好。将正常的 Module23 和 Module 12 位置互换后， Cell 27 单体电压波形和互换前

15、Cell 56 电压波形基本一致，这说明 Module 23 本身没有问题。排查发现互换前 Cell 56 和 Cell 27 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 Cell 27 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 Module 23 和 Module22 之间的物理连接， 因此 Cell 56 单体电压测试值（图 15 中 V56）包含两部分： Cell 56 单体真实电压值和 Bus-bar 上的电压降。对 Cell 12、 Cel

16、l 40、 Cell 59 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，Cell 12 、Cell 40 、Cell 56 、Cell 59 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， Cell 12 、Cell 40 、 Cell