电动汽车常见的EMC 问题与特性

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

1 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。

2 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。

2.1 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。

图2 X 方向磁场辐射测试结果

磁场辐射发射超标频段主要集中在9~160 kHz, 根据不同车型测试经验，MCU 工作时IGBT 开关频率（8~10 kHz）及其谐波是导致测试超标的根源。

2.2 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0.15~30 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15~30 MHz 几乎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

2.3 GB 14023 辐射发射测试超标

图5 为某样车执行GB 14023-2011“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下测试超标的干扰源。

3 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 kHz~2 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500~700 kHz、0.8~1.1 MHz、1.15~1.4 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。