電動汽車電磁兼容性(EMC)剖析

2021-01-21 汽車電器雜誌社

EMC（Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行並不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁幹擾的能力。

簡單來說，EMC包括了EMI（ElectroMagnetic Interference，電磁幹擾)和EMS（Electro Magnetic Susceptibility，電磁敏感性)。EMI是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁幹擾；EMS是指器具對所在環境中存在的電磁幹擾所具有的一定程度的抗擾度。EMI是主動性的，即對外界產生的幹擾，EMS是被動性的，即抵抗外界的幹擾。所以對設備的EMC要求就是：減少對別人的幹擾，同時自身能抵抗相當程度的外界幹擾。

EMC的歷史背景

17世紀，英國礦井工人發現，金絲雀對瓦斯這種氣體十分敏感。空氣中哪怕有極其微量的瓦斯，金絲雀也會停止歌唱；而當瓦斯含量超過一定限度時，雖然魯鈍的人類毫無察覺，金絲雀卻早已毒發身亡。當時在採礦設備相對簡陋的條件下，工人們每次下井都會帶上一隻金絲雀作為「瓦斯檢測指標」，以便在危險狀況下緊急撤離。

20世紀20年代末開始普及的車載收音機，也在汽車的電磁環境中扮演著「礦井裡的金絲雀」的角色。眾所周知的早期警告稱：汽車電磁兼容將是一個持續的挑戰。到了20世紀30年代已經出現許多商業無線電品牌。早期的典範是AM(調幅)電臺，它很容易受到點火噪音和汽車輪胎靜態壓力恢復的影響。這兩種幹擾源都是被迅速克服。起初由電阻電纜和電阻插頭實現對火花塞的抑制，並且對最佳火花塞抑制的研究一直持續到20世紀70年代，導電碳也被用於添加到汽車輪胎中有效地防止靜電電荷積累，工程師的頭腦就這樣勝過了電磁幹擾。

20世紀70年代開始，第一代數字電子和微處理器被引進到汽車上，車載電子設備盛行，帶來了更大的電磁兼容挑戰，與此同時也有著屏蔽、接地以及濾波等電磁兼容技術和不斷更新汽車電磁兼容標準來與之抗衡，整車EMC設計性能普遍滿足設計要求。現階段，順應節能環保以及車聯網趨勢的需求，電動汽車的崛起不可阻擋。電動汽車上大量採用高壓和低壓的電力電子器件，比如電機控制器、DC/DC轉換器、電機、電池、高壓線束、車載大屏等，都是涉及到整車運行的重要器件，而這些器件都與EMC有著非常重要的聯繫。電動汽車EMC技術又將會怎樣應對這些挑戰呢？

電動汽車EMC措施

1.EMC標準

汽車行業對車輛制定了嚴格的電磁兼容方面的標準和測試規範，首先零部件本身必須通過電磁兼容性測試，集成到整車後，整車也要通過電磁兼容性全面考核。電磁兼容性具有一票否決權，如果電磁兼容性不能滿足相應法規測試要求，將導致產品不能上市，所以電磁兼容測試標準顯得尤為重要，它對於電動汽車EMC具有把關作用。歐美發達國家十分重視對汽車電磁兼容性的研究，世界各國和相關國際性組織制定了眾多的標準和法規來限制汽車的電磁兼容問題。

我國自從l983年發布第1個電磁兼容國家標準GB39O7一l983以來，也已經發布了多個有關電磁兼容的國家標準，見下表。從表中不難得出，隨著汽車電子工業的發展，對於EMC的要求不斷增加，電磁兼容標準也在不斷更新完善。2008年最新發布的GB/T18387一2008已經開始針對電動汽車做出的測試規範。相信隨著電動汽車產業的發展，會有越來越多的標準出臺。更嚴格的標準也會推動在電動汽車開發過程中車企對電磁兼容工作重視，為了保證合乎標準而更早期、更大量地投入到電磁兼容性開發過程中。

▲我國電磁兼容標準 

2.零部件EMC

零部件電磁兼容性是整車電磁兼容性的基礎和前提，用於電動車上的零部件不僅應滿足零部件電磁兼容性要求，同時在整車電磁兼容性出現問題時，零部件供應商也有義務支持並進行相關整改。

理論與實踐證明，任何電磁騷擾的發生必須具備3 個條件: 騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設備。作為電動汽車的零部件應該從兩個方面儘可能地優化: 一是儘量降低騷擾的強度；二是儘可能地提高抗騷擾的能力。對於各控制單元（ECU）主要是通過濾波電路、 PCB布局、布線、多層板設計控制發射源，同時加強設備的屏蔽，必要時通過金屬殼體，將控制單元外殼形成一個連續密封的導電體，使耦合到內部電路的電磁場被反射和吸收。對於潛在電磁騷擾源的電機控制器、直流/直流轉換器、高壓線束、高壓蓄電池，可將外殼形成一個良好的密封體實現屏蔽完整性，防止電磁洩露，再通過多點接地的方式將電機外殼與整車可靠接地，降低電磁輻射的水平。 

▲金屬外殼屏蔽保護的ECU

3.整車系統EMC

整車範圍內首先保證零部件的EMC符合標準要求，通過線束將各個控制單元聯繫在一起。電動汽車整車級屏蔽設計的重點應是高壓系統的布局、屏蔽設計以及CAN通信網絡的抗幹擾處理。首先儘量要求高壓線束沿著車身布置，優化整車電磁輻射的環路，同時利用車身形成封閉的屏蔽艙。同時屏蔽高壓電纜和連接器也是一種減少不必要的電磁幹擾經濟有效的方法，通過一系列標準的實驗顯示了屏蔽電纜和連接器能夠有效減少在100 kHz到200 MHz頻率範圍內的不必要的幹擾。

▲各種帶屏蔽的高壓線纜和連接器

CAN總線系統用來完成電控、電機和電池三大系統之間的通信，直接關係到電動汽車的安全。對於電動汽車中的CAN通信網絡，採用屏蔽雙絞線，雙絞線絞環中感應的電磁場相互抵消，從而降低了外界電磁場對絞線的幹擾以及絞線間的幹擾。同時東京電氣化學公司（TDK）還提出使用Common Mode Filter（共模濾波）以及Split termination（分裂式終端）來改善CAN通信網絡的EMC。

▲Common Mode Filter和Split termination的應用及作用

電動汽車的開發受到社會各界的重視和歡迎。相對傳統汽車，電動車更加節能、排放更低，但也面臨一些新的EMC問題的挑戰。對此，不斷規範標準，從零部件到整車全方位提高電磁兼容性，最終達到標準並推向市場的電動汽車肯定會具備良好電磁兼容性。

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