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纯电动汽车电磁兼容问题分析与研究


摘要:本文针对纯电动汽车电磁兼容问题进行分析,并重点对电驱系统和整车电磁干扰之间的联系进行分析和研究。电动汽车的电驱系统是主要的电磁干扰源,通过对主要干扰源的分析,提出对于解决整车EMC问题,从零部件和整车两个方面同时考虑的解决思路。并对未来电驱系统的EMC设计进行了总结和展望。

    近几年在国家政策的大力扶植和推动下,新能源电动汽车异军突起,2015国内新能源电动汽车销售量达33万辆,但问题也随之出现,之前在传统汽油车、柴油车上被忽略的电磁干扰问题在纯电动汽车上极其突出地显现出来。电动汽车既有汽车属性更有电气属性,相比传统车辆12V或24 V供电系统,纯电动汽车动辄上百伏甚至近千伏的高压产生电磁波强度被数倍放大,强电磁辐射可能干扰车载电子设备间CAN通信的正常运行,干扰周围环境和车辆的电子设备,直接关系到电动汽车的安全。
    因此,如何解决纯电动汽车的电磁兼容问题,提高电动汽车的可靠性和安全性,是纯电动汽车设计的重要方面。

    1 纯电动汽车电磁兼容问题概述
    纯
电动汽车与传统汽车的不同主要在于:使用电池箱取代了油箱,使用驱动电机和电机控制器取代了发动机。以东风EQ5023BEV型纯电动物流车电气连接示意图(图1)为例,该车电气系统主要由驱动电机及其控制器、电池包及电池管理系统BMS,DC-DC转换器、整车控制器VCU和仪表等构成。图1中红色粗实线代表高压线,用来实现能量的流动。蓝色细实线代表通信线,实现信号的传递。整车控制器VCU通过采集踏板信号和换挡信号来判断驾驶员的驾驶意图,确认牵引模式并计算出目标牵引扭矩,并将相关控制指令通过CAN总线发送给电机控制器。电机控制器根据控制命令控制电机工作于驱动工况。同时,电机控制器将电机转速、直流电压、直流电流等信息,通过CAN总线发送给整车控制器和仪表。储能系统中的电池管理系统BMS对电池组的各单体电池电压和电池包温度进行测量,并进行电量计算,将电池信息通过CAN总线发送给整车控制器和仪表。可以看到,CAN总线系统如同电动汽车的神经系统,所有汽车的运行、安全信息都需通过CAN总线准确传递,如果车辆电磁兼容性差,电磁辐射将导致CAN总线信息的延误、错误甚至无法传输,将引起电动汽车安全事故。因此对纯电动汽车的电磁兼容问题进行分析和研究是十分必要的。

  2 纯电动汽车电磁千扰源分析

    2.1整车的主要干扰源
    整车的EMC干扰主要来自于:电控主驱、DC-DC、辅驱等电气设备,从实际项目中的经验及EMC试验测试结果来看,目前整车系统的EMC干扰问题,90%都来源于电驱系统。因此本文主要对电驱系统和整车EMC之间的关系进行分析和研究。图2为新能源汽车电气系统拓扑以及各部件对整车的EMC干扰。


  2.2电驱系统干扰原因分析
    电驱系统是纯电动汽车的重要组成部分,是公认的整车*大干扰源。一般电驱系统EMC干扰大的主要原因有以下3个方面:①工作电压高,现有车载驱动系统大部分工作电压在300 V以上;②开关变化时dU/d,大,一般在1~3 GV/s的范围;③UVW输出共模电流大,一般峰值在10~30 A之间。
    2.3电驱系统对外干扰路径
    电驱系统本身干扰大,并不意味着一定对外有很大的干扰,必须要有合适的干扰路径,在整车系统中,主要原因有:①直流供电部分屏蔽线缆的编织率不够;②直流部件连接端子为非屏蔽端子,或是屏蔽端子没有处理好(目前整车*难处理的环节)。图3为屏蔽端子对辐射大小的影响。

 2.4电驱系统对外干扰方式
    1)辐射辐射主要通过功率线缆和信号线缆对外辐射,经车载设备接收天线接收后,引起设备信号品质降低。整车上一般表现为:收音机杂音和CPS定位变差。图4为不同频段的干扰对车载设备的影响。

  2)传导传导干扰的原因主要是设计过程中没有考虑高频信号的隔离,导致IGBT开关噪声祸合到低压侧,引起干扰。在整车上一般表现为:CAN通信故障和旋变故障。图5为高低压藕合干扰CAN网络示意图。

3 解决方案
    对于解决整车EMC问题,需要从零部件和整车两个方面同时考虑。

    3.1零部件方面
    1)EMC等级class3以上。

    2)抗干扰试验模拟整车实际工况及负载。
    3.2整车方面
    1)高、低压线束需要独立走线,高、低压线束之间间距至少20 cm以上,防止相互祸合。
    2)高压线束采用屏蔽线,编制率)85%。
    3)屏蔽端子必须能够保证屏蔽线束到金属机壳的面接触连接。
    4)零部件必须有搭铁线接到底盘或车身,长度建议不超过20 cm,线径满足安规。

    4 电驱系统EMC设计趋势分析
    4.1驱动系统未来发展趋势—高功率密度

    目前主要的方案如图6所示,高功率密度趋势带来了更严重的电磁干扰。

 1)电控①提高电池电压;②提高开关载频,例如开关频率可达20 kHz以上。
    2)电机高转速,例如16 000 r/min。
    4.2纯电动汽车控制系统未来发展趋势—智能化
    随着自动驾驶技术以及车联网的逐步普及,汽车智能化将会是未来的又一个趋势,如图7所示。车辆智能化引入了更多的传感器及通信设备,对系统的电磁干扰要求更严格。

 4.3电驱系统EMC设计趋势
    1)系统化系统化的EMC设计将会是一个趋势,例如:同一个驱动器搭配2个不同的电机对外辐射差异很大,对于EMC问题,如果仅从驱动来考虑,相应的解决方案成本会很高。但是,如果从电机方面进行很小的优化,就有可能利用极低的成本解决问题。
    2)定量化EMC问题之所以看起来很“玄乎”,除了前面提到的系统问题以外,对器件的频率阻抗特性缺乏了解也是主要原因之一。
    例如:3种不同类型的电容,从功能角度看,它们的容值等特性没有大的差异,但是在更高的频率下,电容并非是理想电容,而是由如图8所示电感、电阻、电容串联起来的,不同电容的ESR和ESL有差异。

   4.4未来EMC设计平台方案
    基于以上的分析和研究,对未来的EMC设计平台方案可进行总结和展望,具体如图9所示,即从动力总成的选型和设计到整车的系统仿真再到试验平台的验证,以保证零部件和整车的高一致性以及动力系统的性能更优和成本更优。

  5 总结

    本文对纯电动汽车的电磁兼容性问题进行了探讨,重点对电驱系统为主要干扰源进行了具体的分析和研究,并提出一些抑制电磁干扰的具体措施。*后,对未来纯电动汽车的EMC设计平台方案进行了总结和展望。

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