電動汽車的系統(tǒng)級EMC設計

　　作者：高新杰 李燕俠 李國珍 李興華 朱光福 鄒明 北京新能源汽車股份有限公司;北京中石偉業(yè)科技股份有限公司;北京強度環(huán)境研究所;

　　摘要：本文在分析整車EMC設計現(xiàn)狀的基礎上，以大量部件和整車的設計、測試經(jīng)驗為支撐，借鑒學習國外一些車型的先進設計思路，從EMC工程設計角度，提出了一種電動汽車系統(tǒng)級EMC開發(fā)方法。該方法成功應用于各研發(fā)車型，改變了以往樣車難以順利通過EMC法規(guī)的局面，同時保證了系統(tǒng)內EMC。

　　引言

　　電動汽車車載電器部件要滿足相應EMC技術要求，就應考慮其內部元器件和導線的合理布排，并做相應的測試及優(yōu)化工作。由于整車電氣系統(tǒng)為各電器部件及連接線纜的集成體，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EMC測試關聯(lián)解析難度大。同時各車型在功能、市場定位、系統(tǒng)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，很難給出一個或一組統(tǒng)一的定量化指標去適合于所有電動汽車。

　　在EMC設計、管理等方面，國內電動汽車廠普遍存在以下幾方面問題：

　?、貳MC工作主要由EMC工程師開展，缺乏系統(tǒng)內協(xié)作；

　?、贓MC工作主要圍繞電器部件及整車的EMC測試展開，EMC設計不足；

　?、垭娖鞑考﨓MC設計和整車EMC設計脫節(jié)，EMC問題幾乎全部由車載電器部件承擔責任；

　?、芷髽I(yè)歷史短，缺乏專業(yè)的EMC設計經(jīng)驗，缺乏規(guī)范的EMC研發(fā)、管理流程。

　　本文參考系統(tǒng)級電磁兼容設計思想，并借鑒國外電動汽車的優(yōu)秀EMC設計方法，提出一種電動汽車系統(tǒng)級EMC開發(fā)方法，該方法建立的系統(tǒng)開發(fā)流程貫穿實施于車輛開發(fā)各流程中，整車一次性通過EMC法規(guī)測試，并做到了系統(tǒng)內的良好兼容性。

　　1、電動汽車系統(tǒng)級EMC設計思想

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

　　電動汽車系統(tǒng)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、技術成本、車身輕量化、產(chǎn)品上市周期等各種因素，確定布局和技術控制狀態(tài)，選取材料、結構和工藝，在車輛研發(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施到產(chǎn)品或系統(tǒng)中，在測試階段做出詳細的EMC測試評價、優(yōu)化及管理，最終形成一套可行性高的正向開發(fā)設計方法或流程。

　　在產(chǎn)品質量前期策劃（advancedproductqualityplanning，簡稱APQP）過程中，新產(chǎn)品研發(fā)過程一般由5個階段組成：計劃定義和項目、產(chǎn)品設計和開發(fā)驗證、過程設計和開發(fā)驗證、產(chǎn)品和過程確認，以及反饋、評估和糾正措施，APQP進度圖如圖1所示。

　　圖1APQP進度圖

　　借鑒APQP流程，電動汽車系統(tǒng)級EMC開發(fā)流程可包括：EMC規(guī)劃階段、EMC系統(tǒng)架構布局階段、EMC設計階段、EMC系統(tǒng)測試及狀態(tài)凍結階段以及EMC評估、評審和優(yōu)化階段。

　　上述各階段需要車型設計總師、項目經(jīng)理、EMC專家、EMC工程師、電氣工程師、線束工程師、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、電動汽車系統(tǒng)級EMC設計開發(fā)流程

　　2.1 EMC規(guī)劃階段

　　本階段工作內容是在分析整車技術規(guī)范（VehicleTechnicalSpecificaTIon，簡稱VTS）初稿的基礎上，對表1中列舉的內容進行研究，重點掌握現(xiàn)有電器部件EMC特性，并編寫整車EMC設計指導書等報告，為EMC系統(tǒng)架構布局提供重要依據(jù)。

　　表1 EMC 規(guī)劃階段主要工作內容

　　2.2 EMC 系統(tǒng)架構布局階段

　　本階段是整車系統(tǒng)級EMC 開發(fā)流程中最為關鍵的一步，其核心工作內容可歸結為“先由面建點，再由點連線”。

　　“面”即為由車身、車身支架、12 V 蓄電池負極等建立的參考地。

　　“點”為車載電器部件，以規(guī)劃階段編寫的《高壓部件布局布置指導性設計報告》、《CAN 網(wǎng)絡線束布局布置指導性設計規(guī)范》等報告為指導，綜合考慮車身數(shù)模及電器零部件初版數(shù)模，對車載關鍵電器部件進行布局。優(yōu)先進行動力蓄電池布置；根據(jù)驅動方式、冷卻系統(tǒng)、可安裝位置、質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(guī)要求、IP 防護、安裝便利性、美觀等，確定其它電器部件布局。“點”還包括抽象的接地點，隨著電器部件布局位置確認而確定。接地點的選取應以就近接地、系統(tǒng)接地網(wǎng)絡的合理、可維護為原則。

　　“線”即為前面建立的各“點”之間的互連線纜，是整車電氣系統(tǒng)的重要組成部分。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉、走向美觀、安裝固定方便。以i-MiEV 車底盤下線纜布局（見圖2）為例，其線纜短、線纜無交叉的特點顯而易見。

　　圖2 i-MiEV車底盤下線纜布局（網(wǎng)絡資料）

　　優(yōu)先考慮系統(tǒng)布局這一策略是成本最劃算的一種EMC設計方法，對系統(tǒng)進行布局劃分，使對干擾電流的控制成為可能。

　　整車EMC架構布局需要綜合考慮各種技術要求，并將EMC技術融入到產(chǎn)品架構設計中去。圖3為某型號電動汽車布局差異對比圖，與圖3（a）相比，圖 3（b）所示布局方案更合理，線纜走向更規(guī)范，整車碰撞安全性也更高。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，說明若布局階段 “點”規(guī)劃不合理，會導致整車電氣系統(tǒng)架構布局的變更，其對整車設計成本、上市周期等均帶來較大變化。整車設計初期，不建議所有電器部件都做出開模計劃，同時從整車設計角度，“點”也應該符合“面”的規(guī)劃，即使一些電器部件前期已開模且適用于一些車型，也應該根據(jù)本車型布置要求，在評審后重新制定開模計劃。

　　（a）布局凌亂

　?。╞）布局整齊

　　圖3某型號電動汽車布局差異對比（網(wǎng)絡資料）

　　圖4為某車型不合理的電機系統(tǒng)（電機和電機控制器）布局圖，該布局導致U、V、W線纜過長，根據(jù)設計經(jīng)驗，該方案存在輻射發(fā)射超標風險，EMC評審不通過，該布局方案未獲批準。

　　布局合理最基礎，其經(jīng)濟性也最高。車內電子通信設備的日益增多使互連系統(tǒng)的排布密度大幅度增加，加上車載系統(tǒng)狹小的內部空間，因而對前期系統(tǒng)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。

　　2.3 EMC設計階段

　　EMC設計雖然不是什么新鮮技術，但其需要大量專業(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的信息、標準、規(guī)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)過程中知識流動和轉換框圖如圖5所示。

　　圖5新產(chǎn)品研發(fā)中知識的流動和轉換框圖

　　EMC設計階段主要圍繞EMC三個措施（即接地、屏蔽和濾波）展開，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

　　圖4某車型前期不合理的電機系統(tǒng)布局圖

　　布局合理最基礎，其經(jīng)濟性也最高。車內電子通信設備的日益增多使互連系統(tǒng)的排布密度大幅度增加，加上車載系統(tǒng)狹小的內部空間，因而對前期系統(tǒng)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。

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

　?。╝）接地線和接地螺栓

　?。╞）接地線和接地螺母

　　圖6 某型號電動汽車接地設計（網(wǎng)絡資料）

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

　　應當指出，在選用屏蔽線纜時，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考慮成本、機械強度等特性。當整個電纜受到過多的機械、天氣和潮濕的影響時，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數(shù)量級（20dB）。

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

　　（a）線纜屏蔽層和殼體端接

　?。╞）線纜端連接夾具

　　圖 7 多電纜屏蔽層和殼體電連接（網(wǎng)絡資料）

　?。╝）電機本體 （b）電機及集成控制器

　　圖8 某型號電動汽車電機系統(tǒng)設計（網(wǎng)絡資料）

　　若考慮成本，部件屏蔽設計難以做到完美，可考慮系統(tǒng)級解決措施。圖8為某型號電動汽車電機系統(tǒng)設計，為降低 U、V、W 線纜可能帶來的輻射發(fā)射問題，其在電機端增加一金屬屏蔽盒，在提高 EMC 設計的同時提高了IP防護等級。

　　2.4 EMC 系統(tǒng)測試及狀態(tài)凍結階段

　　系統(tǒng)電磁兼容試驗技術包括：試驗規(guī)范制定、標準制定、項目選擇、實施方法、場地建設、誤差處理等技術和過程。為保證EMC測試的一致性，系統(tǒng)測試必須在標準的試驗環(huán)境下進行。根據(jù)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(jié)省測試費用而犧牲零部件或整車EMC性能的做法必將付出沉重的代價。

　　若脫離整車測試驗證環(huán)節(jié)，零部件EMC設計很可能出現(xiàn)設計不足或過設計問題。EMC 系統(tǒng)測試是系統(tǒng)級EMC設計流程中重要的環(huán)節(jié)，既用于驗證整車 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(jù)。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(shù)據(jù)和整車測試數(shù)據(jù)的關聯(lián)性，根據(jù)整車測試中暴露出來的問題，首先對整車系統(tǒng)內接地措施進行嘗試性優(yōu)化整改，在整改效果難以滿足整車測試需求的前提下，對零部件EMC指標進行有針對性的更改，根據(jù)整改便利性、成本、可靠性、開發(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的誤差，保證整車測試的一致性。

　　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行測試，在測試數(shù)據(jù)一致性評審通過后，凍結零部件EMC設計。同樣，只有整車測試具有足夠的一致性和裕量，整車EMC 設計數(shù)據(jù)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》、《整車測試分析報告》、《系統(tǒng)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（含接地螺栓、螺母）鹽霧等試驗分析報告）》、《接地線阻抗測試報告》、《接地點防腐處理工藝設計評審 報告》、《接地點可維護性評審報告》、《電器部件殼體數(shù)模凍結報告》、《電器部件EMC設計方案凍結報告》、《XX 車型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(tǒng)級EMC設計的整個流程中，每個階段的評估、評審和優(yōu)化，必須保證零部件設計和整車設計具有一定的同步性。評估、評審時既要考慮功能完整性、技術先進性、可靠性、安全性等設計因素，還需要 EMC 專家的技術指導，同時又要綜合考慮設計美 觀度、可維護性、可工程化、成本等其它因素。

　　簡單合理的設計是最好的設計，這無疑在節(jié)約成本，提高產(chǎn)品良品率，加快上市時間的同時，讓電動汽車EMC設計的風險降至最低，所以評估、評審階段還應堅持簡單的原則。

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

　　3、結語

　　本文從工程應用設計的角度，對整車系統(tǒng)級EMC設計流程做了詳細描述，而對設計細節(jié)以及EMC 指標的量化未做具體描述，但整個設計流程還是非常清晰的。采用系統(tǒng)方法，按照特定的邏輯來組織研發(fā)過程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發(fā)活動，最大程度地減少研發(fā)活動的反復和耦合，使復雜、模糊、混亂的EMC研發(fā)活動流程化，從而提高了EMC設計工作的效率和質量，縮短了開發(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程中，系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)，加了濾波器以后作用不大，甚至會發(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，濾波器實際抑制干擾能力較差，傳導發(fā)射超標現(xiàn)象較明顯。

　　4、總結

　　本文所述示例說明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性。目前電動汽車電子電器零部件越來越多，整車電氣系統(tǒng)（包括各電器部件、互連線纜以及車身架構等）建立的電磁環(huán)境也越來越復雜，如何根據(jù)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(xiàn)在整車設計中應是研究的重點和關鍵。