【導(dǎo)讀】燃料電池汽車電磁兼容測試的主要目的是要達到測量結(jié)果的準確性、可重復(fù)性，從而分析電磁干擾的發(fā)生機理，解決騷擾源及切斷干擾傳播通道。針對燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進行機理分析、設(shè)計分析、理論研究，詳細介紹了汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗，并對相關(guān)試驗結(jié)果進行了分析。
汽車電器的電磁兼容環(huán)境應(yīng)是一個設(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。造成電器功能降級或失效的電磁干擾的發(fā)生必須同時具備3個要素: 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 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進行分析研究；介紹汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗，并對相關(guān)試驗結(jié)果進行分析。
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)動機、燃料電池堆高壓系統(tǒng)、DC/DC、輔助電池充放電、動力傳動等。電壓和電流的快速暫態(tài)會產(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，特別是電機驅(qū)動模塊的快速整流、電機啟動、高壓輻射更會引起較高場強的傳導(dǎo)及輻射騷擾。因此對燃料電池汽車進行EMC設(shè)計時，可以根據(jù)電磁場的產(chǎn)生和傳播原理對主干擾源、敏感元及傳遞途徑進行理論研究，建立汽車環(huán)境中的EMC數(shù)學(xué)模型，通過對模型研究和仿真分析，提供實際汽車系統(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)電磁場的特性、Maxwell方程、汽車外形等，建立空間電磁場分布數(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，對主干擾源、敏感元件等進行仿真分析，顯示空間電磁場的分布，定點頻率幅值曲線。研究汽車工作環(huán)境的EMC各種預(yù)防方法的優(yōu)缺點，抑制騷擾產(chǎn)生和傳播的措施等，輸出各種方法的對比曲線。
建立的數(shù)學(xué)模型，必須經(jīng)過3 個以上實際系統(tǒng)的仿真分析，仿真分析結(jié)果與實際檢測的結(jié)果要有一致性，具體點最大誤差不超過±5dB。在此基礎(chǔ)上，再進行FCV的電磁兼容設(shè)計。初期電磁兼容設(shè)計應(yīng)進行以下研究：
- 干擾源的分析（干擾的產(chǎn)生、性質(zhì)、特征）
- 干擾信號的傳播方式和傳播途徑
- 干擾效應(yīng)（干擾信號與設(shè)備之間相應(yīng)的響應(yīng)特征）
- 限制干擾的方法和措施
- 干擾的測量和計算
- 干擾模擬（包括干擾條件再現(xiàn)、干擾機理模擬）
- 預(yù)計的抗干擾試驗（包括相應(yīng)的干擾限值、測試方法、評定標(biāo)準）
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、接收機、工業(yè)高頻發(fā)生器等窄頻帶干擾源；平行駛過的內(nèi)燃機汽車、高空（地下）高壓線、整流馬達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。
對于車外干擾源，無法采取主動的防護措施，所以電磁兼容對于整車所要設(shè)計的是被動防護設(shè)計，即從傳播方式和增強防護能力考慮。對于車載干擾源，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)動機的啟動及加速、輔助電源的充放電、動力傳動系統(tǒng)的電機驅(qū)動器等會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)換時會產(chǎn)生很強的射頻輻射，超出標(biāo)準限值，對外界造成射線污染。
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對其產(chǎn)生損壞性，根據(jù)干擾源的特點，可采取屏蔽、擴頻、共地等方法，增強電磁防護能力。
2 燃料電池汽車整車控制器的電磁兼容設(shè)計
整車控制器（VMS，vehicle management Syetem），即動力總成控制器。作為汽車的指揮管理中心，動力總成控制器主要功能包括：驅(qū)動力矩控制、制動能量的優(yōu)化控制、整車的能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)的維護和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視等，它起著控制車輛運行的作用。
由于整車控制器應(yīng)用環(huán)境干擾嚴重，存在多種噪聲和耦合方式；因此除了完善的功能外，還應(yīng)該有較強的抗干擾能力?？梢赃\用下述電磁兼容設(shè)計方法對其進行 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，同時也起到了屏蔽作用。由于信號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，因此，實際的電流總是在信號線正下方的地線面上流動。這樣，自然就形成了最小的信號環(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，也不能使二級管發(fā)光，干擾就被抑制了；光電耦合器是在一個密封的管殼內(nèi)進行的，不受外界的影響。
（3）濾波
傳感器故障和外部信號干擾是引起整車控制器工作失常的重要因素。對于模擬信號，由于正常工作時所輸出的信號都有一定范圍，因此在電磁兼容設(shè)計時，常對模擬量采用低通濾波器，阻止高頻信號通過。當(dāng)存在高速跳變的數(shù)字信號時，會產(chǎn)生阻抗噪聲，在整車控制器電磁兼容設(shè)計中，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責(zé)進行高通濾波，小容量的電容負責(zé)進行低通濾波。
（4）PCB設(shè)計
整車控制器的電路模板采用了六層電路板的設(shè)計，相對于雙面 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線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合。兩層信號走線之間的串?dāng)_??；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)計就是使元件在低于其額定應(yīng)力下工作。影響系統(tǒng)運行可靠性的應(yīng)力有：電應(yīng)力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機械應(yīng)力。當(dāng)工作應(yīng)力高于額定應(yīng)力時，失效率就會增加。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
3.1 騷擾電壓發(fā)射試驗
根據(jù)騷擾電壓的傳播途徑分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。
兩項試驗參考標(biāo)準均為GB 18655—2004或CISPR25∶2004，即《 保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值與測量方法》。
3.1.1 傳導(dǎo)騷擾電壓發(fā)射試驗
- 試驗?zāi)康模悍乐雇ㄟ^同一供電回路對其它車載電子零部件產(chǎn)生限值以外的干擾。
- 試驗條件：傳導(dǎo)騷擾電壓限值的測量頻率為0.15~108 MHz。
- 試驗布置： 該測試將控制器外圍線路連接好，使控制器滿足于測試條件，電源線長度0.2m，其余按標(biāo)準布置見圖1。
注：1為ECU;2為測試反饋線;3為風(fēng)扇負載;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)騷擾電壓試驗布置
根據(jù)GB 18655—2004第一部分第四章《對車輛和零部件/模塊發(fā)射測量的一般要求》、第6章《僅用于零部件/模塊試驗的試驗設(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，該試驗用于測量ECU電源線上產(chǎn)生的傳導(dǎo)電場干擾的強度，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
試驗結(jié)果如2圖所示，在500kHz左右的低頻率段有部分超出等級2的限值，在50MHz到100MHz高頻段超出等級2限值。
3.1.2 輻射騷擾電壓發(fā)射試驗
- 試驗?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。
- 試驗條件：輻射騷擾電壓限值的測量頻率為0.15~960MHz。
- 試驗布置：將控制器外圍線路連接好，使控制器滿足于測試條件，電源線，信號線都長度1.5m，其余按標(biāo)準布置見圖3。
圖2 圖傳導(dǎo)騷擾試驗結(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布置
根據(jù)GB 18655—2004第一部分第四章《概述之對車輛和零部件/模塊發(fā)射測量的一般要求》、第六章《概述之僅用于零部件/模塊試驗的試驗設(shè)備》和第三部分第13章《車輛零部件和模塊的測量之零部件/模塊的輻射發(fā)射》、第14章《車輛零部件和模塊的測量之零部件輻射騷擾限值》的內(nèi)容，該試驗用于測量ECU輻射的電場干擾的強度，保證其不超過規(guī)定的限值(表2)，同時不影響車輛內(nèi)的其他電子系統(tǒng)。
表2 表輻射騷擾電壓限值
試驗結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示，被測設(shè)備ECU在低頻段符合限值標(biāo)準，在高頻段垂直極化40MHz和70MHz左右的位置超過等級2的限值。
圖4 圖低頻段輻射騷擾試驗結(jié)果（0.15~6.2MHz）
圖5 圖高頻段輻射騷擾試驗結(jié)果（30~1000MHz，水平極化）
圖6 圖高頻段輻射騷擾試驗結(jié)果（30~1000MHz，垂直極化）
3.2 大電流注入試驗
- 試驗?zāi)康模悍乐管囕d其它控制器放電或強磁輻射而造成被測體性能降低或失效。
- 試驗標(biāo)準：ISO 11452《 道路車輛-窄帶輻射電磁能量產(chǎn)生的電氣干擾-零部件測試法》
- 試驗條件：頻率范圍：1~400 MHz, CW連續(xù)波，1 kHz80% 。正弦波調(diào)制；停留時間≥1s。
① 1~10MHz時步長為1MHz
② 10~200MHz時步長為2MHz
③ 200~400MHz時步長為20MHz
- 測試距離：1.5m
- 試驗布置：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)定的電流等級通過增加感應(yīng)信號的頻率來進行抗擾性試驗見圖7。
圖7 圖大電流注入試驗布置
控制器采用金屬外殼封裝，對外界電磁場輻射起到較強的抗干擾作用，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)的方式對控制器產(chǎn)生的干擾。本項試驗利用電流注入探頭直接感應(yīng)在連接線束上對被測設(shè)備進行抗擾性試驗。
根據(jù)ISO 11452∶2004第四部分《大中電流注入》的內(nèi)容，該試驗用于檢驗當(dāng)線束由輻射電磁場產(chǎn)生共模電流時ECU的抵抗能力。試驗結(jié)果見表3 。
表3 表大電流注入試驗結(jié)果
3.3 電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗
- 試驗?zāi)康模候炞C同一供電回路中各種控制器工作時可能出現(xiàn)的多種瞬態(tài)脈沖的抗干擾能力,如:電源充放電;大功率電機開啟;引擎啟動等多種情形。
- 試驗標(biāo)準：ISO 7637《 道路車輛—由傳導(dǎo)和耦合造成的電氣干擾》
- 試驗布置：見圖8。控制器滿足于測試條件，模擬汽車現(xiàn)場干擾的多種狀況分別進行如下試驗：
① 針對電源線試驗，按ISO 7637的1，2a，2b，4，5等5種方式進行試驗；
② 針對CAN和I/O端口線進行試驗，按ISO 7637的3a，3b方式進行試驗。
注：1為波形發(fā)生器；2為波形控制終端；3為電源線；4為被測設(shè)備；5為被測設(shè)備監(jiān)控終端。
圖8 圖電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗布置
由于同一供電回路中其他電器（或設(shè)備）在工作過程中會產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾脈沖群，而某些大功率電機（如空調(diào)，風(fēng)扇）在開啟或閉合時，會產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾脈沖浪涌， 從而引起整個電路系統(tǒng)的供電電壓的降低，這些干擾會影響控制器的正常工作。另外發(fā)動機起動電機勵磁時候，會引起整個供電系統(tǒng)電壓的降低，也對控制器造成直接干擾，因此必須進行此項試驗，來驗證統(tǒng)一供電回路中各種控制器工作時有可能出現(xiàn)的多種瞬態(tài)脈沖的抗干擾能力。
根據(jù)標(biāo)準ISO 7637∶2004第二部分《針對電源線的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾》的內(nèi)容，該試驗項目用于檢驗ECU抵抗瞬變傳導(dǎo)電磁場干擾能力。
圖9為測試波形脈沖3b時的電壓瞬變干擾波形，測試結(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)電瞬變干擾試驗結(jié)果
3.4 靜電放電抗擾度試驗
- 試驗?zāi)康模悍乐褂捎谌梭w接觸或鄰近物體的放電產(chǎn)生的大電流和強磁場對產(chǎn)品造成的損壞。
- 試驗標(biāo)準：ISO 10605∶2002《 道路車輛—靜電放電產(chǎn)生的電氣干擾》
- 試驗條件：測試電壓:±15kV，放電次數(shù)3次。每二次放電時間間隔為5s。
- 試驗布置：該測試控制器不帶電狀態(tài)下進行，試驗中，采用間接放電，用放電槍對被試驗對象附近的耦合板實施放電，見圖10。
圖10 圖靜電放電試驗布置
由于人體或其它物體接近或接觸電器裝置的表面時，會出現(xiàn)靜電高壓放電所產(chǎn)生的大電流、高電壓和強磁場，從而引起對電器功能的影響甚至使其功能喪失，因此對于車載總成控制器必需進行靜電放電抗擾度試驗。測試結(jié)果見表5。
表5 表靜電放電抗擾度試驗結(jié)果
根據(jù)ISO 10605第五部分《電子模塊的試驗方法》的內(nèi)容，該試驗用于檢驗ECU抵抗人身體產(chǎn)生靜電放電的能力。本文的試驗項目中采用的是非接觸放電。
參考文獻
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