電動汽車的係統級EMC設計

電動汽車車（chē）載電器部件要滿（mǎn）足相應 EMC 技術要求，就應考慮其（qí）內部元器件和導線的合理布排，並做相應的測試及（jí）優化工作（zuò）。由於整（zhěng）車電氣係統（tǒng）為各電器部件及連接線纜的集成體，設備（bèi）之間的相互影響加劇了電磁環（huán）境的複雜性，部件級EMC測試和整車（chē）EMC測試關聯解析難度大。同時各車型在（zài）功能、市場定位（wèi）、係（xì）統架構與布局、零（líng）部（bù）件電磁特性、集成度等方（fāng）麵可能存在較大差異，很難給出（chū）一個或一組（zǔ）統一的定量化（huà）指標去適合於所有電動汽車。

在EMC設計（jì）、管理等方麵，國內電動汽車廠普遍（biàn）存（cún）在以下幾方麵問題：

① EMC工作主要由EMC工程師開展，缺乏係統內協作；

② EMC工作主要圍繞電器部件及整車的EMC 測試展開，EMC設計不足；

③電器部件EMC設計和整車EMC設計脫節（jiē），EMC問題幾乎 全部由車載電器部件承擔責任；

④ 企（qǐ）業曆史短，缺（quē）乏專業（yè）的EMC設計經驗（yàn），缺乏規範的 EMC研發、管理流程。

本文參（cān）考係統級電磁兼容設（shè）計思想，並借鑒（jiàn）國外電動汽車的優秀EMC設計方法，提（tí）出一種電動汽車係統級EMC開發方法，該方法建立的（de）係統開（kāi）發流程貫穿實施於車輛開發各流程中，整車一次性通過EMC法規測試，並做到了係統內的（de）良好兼容性。

1、電動汽車係統級 EMC 設計思（sī）想（xiǎng）

係統（tǒng）電磁兼容問（wèn）題在分析方法、設計方法、試驗（yàn）方法方麵，均為係（xì）統工程（chéng）問題。

電動汽車係統級（jí）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（chē）身輕量化、產品上（shàng）市周期等各種因素，確定布局和技術控（kòng）製狀態，選取材料、結構和工藝，在車輛研發的各階段，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（jù）體措施實（shí）施到（dào）產品或係統中，在測試階段做出詳細的EMC測試評價、優化及（jí）管理，最終形成一套可行性高的（de）正向開發（fā）設計方法或流程。

在（zài）產品質量前期策劃（advanced product quality planning，簡稱 APQP）過程中，新產品研發過程一般由5個階段組成：計劃定義和項目、產品設計（jì）和開發驗證、過（guò）程設計和開發（fā）驗證、產品和過程確認，以及反饋、評估和糾正措施，APQP 進度圖如圖 1 所示。

圖 1 APQP 進度（dù）圖

借鑒APQP流程，電動汽車係統級EMC開發流程 可包括：EMC規劃階段、EMC係統架構布局階段、EMC設計階段、EMC係統測試及狀態凍結階段以（yǐ）及（jí）EMC評估、評審（shěn）和（hé）優化階段。

上述各階段需要車型設計總師、項目經理、EMC專家、EMC工程師、電氣工程師、線束工程（chéng）師、總（zǒng）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作參（cān）與，共同完成。

2、電動汽車係統級（jí）EMC設計開發流程

2.1 EMC 規劃階段

本（běn）階段工作內容是在分析整（zhěng）車技術規（guī）範（fàn）（Vehicle Technical Specification，簡稱VTS）初稿的基礎上（shàng），對表1中列舉（jǔ）的內容進行研（yán）究，重點掌握現有電（diàn）器部件EMC特性，並編（biān）寫整（zhěng）車EMC設計指導書等報告，為EMC係統架構布局提供重（chóng）要依（yī）據。

表1 EMC 規劃階段主要工作內容

2.2 EMC 係統架構布局階段

本階段是整車（chē）係統級EMC 開發（fā）流程中最（zuì）為關鍵的一步（bù），其（qí）核心工作（zuò）內容可歸結為“先由麵建點，再由點連線"。

“麵"即為由車身、車身支架、12 V 蓄電池負極等建立的（de）參考地。

“點"為車載（zǎi）電器（qì）部件，以規劃階段編寫的《高壓部件布局布置指導性設計報告》、《CAN 網絡線束布局布置指導（dǎo）性設計規範（fàn）》等報告為指導，綜合考慮車（chē）身數模及電器零部件初版數模，對車載關鍵（jiàn）電器部件進行（háng）布局。優先進行動（dòng）力蓄電池布置；根據驅動方式、冷（lěng）卻係（xì）統、可安裝位置、質心坐標等確定（dìng）電機本體大致布置（zhì）；結合功能性要求、碰撞安全性法規要求、IP 防護、安裝便（biàn）利性、美（měi）觀等，確定其它電器部件布局。“點"還包括抽象（xiàng）的接地點（diǎn），隨著電器（qì）部（bù）件布局位置確認而確定。接地點的選取應以就（jiù）近接（jiē）地、係統（tǒng）接地（dì）網絡的合理、可維護為原則。

“線"即為前麵（miàn）建立的各“點"之間的互連線（xiàn）纜，是整車電氣係（xì）統的（de）重要組成部分（fèn）。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉、走向美觀、安裝固（gù）定方便。以i-MiEV 車底盤下線（xiàn）纜布局（見（jiàn）圖2）為例，其線纜短（duǎn）、線纜無（wú）交叉的特點（diǎn）顯而易見。

圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布局（網絡資料）

優先考慮係（xì）統布局這一策略是成本最.劃.算.的一種（zhǒng）EMC設計方法，對係統進行布局劃分，使對幹擾電流的控製（zhì）成為可（kě）能。

整（zhěng）車EMC架構布局需要綜合（hé）考（kǎo）慮各種技術要求（qiú），並將EMC技（jì）術融入到產品架構設計中去。圖3為某型（xíng）號電動汽車布局（jú）差異對比圖，與圖3（a）相比，圖3（b）所示布局方案更合理，線纜走向更規範（fàn），整車碰撞安全性也更高。兩種布置方案下（xià）電器部件殼體（tǐ）設計（jì）、連接器選型等均存在較大（dà）差異，說明若布局階段“點"規劃不合理，會導致整車電氣係統架構布局的變更，其對整車設計成本、上市周期等（děng）均帶來較大變化。整車設計初期，不建（jiàn）議所（suǒ）有電器部件都做出開模計劃，同時從整車設計角度，“點（diǎn）"也應該符合“麵"的規劃，即使一些電器部件前期已開模且適用於一些車型，也應該根據本車型布置要求，在評（píng）審後重新製定（dìng）開模計劃。

（a）布局淩亂

（b）布局整齊

圖3 某型號電（diàn）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係統（電（diàn）機和電機控製器（qì））布局（jú）圖，該布局導致U、V、W 線纜過長，根據設計經（jīng）驗，該方案存在輻射發射超標風險，EMC評審不通過，該布局方案未獲批（pī）準。

圖4 某車型前期不合理的（de）電（diàn）機係統布局圖

布局合理最基礎，其經濟性也最高。車內電子通信（xìn）設備的日益增多使互連係統的排布密度大幅度增加， 加上車載係統狹小的內部空間，因而對前期係（xì）統架構布 局提出了更高的（de）要（yào）求。表2列舉了本階段（duàn）主要輸出報告（gào）。

表（biǎo） 2 EMC 係統架構布局（jú）階段主要輸出報告

2.3 EMC 設（shè）計階段

EMC設計雖（suī）然不是什麽新鮮技術，但其（qí）需要大量專業設計、製造工藝以及管理等知識的（de）支撐，並要參考一切可（kě）以指導團隊和員工決策或行動的信息、標（biāo）準、規範、法則及經驗，最終形成用於指導生產的設計知（zhī）識體係，研發過程中知識流動（dòng）和轉（zhuǎn）換框圖如圖（tú） 5 所示。

圖5 新產品研發中知識的（de）流動和轉換框圖

EMC設（shè）計階段主要圍繞EMC三個措施（shī）（即接地、屏蔽和濾（lǜ）波）展開，本階（jiē）段主要的（de）設計輸出報告（gào）如表3所示。

表（biǎo） 3 EMC 設計階段主要輸出報告

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

（a）接地線和接地螺栓

（b）接地線和接（jiē）地螺母

圖6 某型號電動（dòng）汽車接地設（shè）計（網絡資料）

屏蔽設計的關（guān）鍵之一在於高低壓電器部件殼（ké）體設計，如何將工業設計等技術和殼體屏蔽（bì）設計技術巧妙結合在一起，體（tǐ）現 EMC 設計技術和藝術的完.美結合，是本部分的難點。由於殼體開模成（chéng）本較高，建議（yì）全新開模在評審通過後確定。

應當指出，在（zài）選用屏蔽線纜時，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考（kǎo）慮（lǜ）成本、機械強度等特性。當整個（gè）電纜（lǎn）受到過多的機械、天氣和潮濕的影響時（shí），影響最（zuì）嚴重的屏蔽部分就是連接處，通常使（shǐ）用5年之後性能將下（xià）降一個（gè）數量級（20 dB）。

對於多電（diàn）纜入口的機箱（xiāng）殼體，為保（bǎo）證屏蔽連接的（de）連續性，電纜屏蔽連接方法可參考圖 7。

（a）線纜屏蔽層（céng）和殼體（tǐ）端（duān）接（jiē）

（b）線纜端（duān）連接夾（jiá）具

圖 7 多電纜屏蔽層和（hé）殼體電連接（網（wǎng）絡資料（liào））

（a）電機本（běn）體 （b）電機及集成控製器

圖8 某型號電動（dòng）汽車電機係統設計（網（wǎng）絡資料）

若考慮成本，部件屏蔽設計難以做到完.美，可（kě）考慮係統級解決措施。圖8為（wéi）某型號電動汽車電機係統設計，為降低 U、V、W 線纜可能帶來的輻射發射問題，其在電機端增加一金屬（shǔ）屏（píng）蔽盒（hé），在提高 EMC設計的同時（shí）提（tí）高了IP防護（hù）等級。

2.4 EMC 係統測試及狀態凍結階段（duàn）

係統電磁兼容試驗技術包括：試（shì）驗規範製定、標準製定、項目選擇、實施方法、場地建設（shè）、誤差處（chù）理等技術（shù）和過程。為（wéi）保（bǎo）證EMC測（cè）試的一致性，係統測（cè）試必須在標（biāo）準的試驗環境下進行。根據自身條件（jiàn）建立相應測試環境或選擇測試機構，都是不錯的選擇，為（wéi）節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（zhěng）車（chē）測試驗（yàn）證環節，零（líng）部件EMC設計（jì）很可能出現設計不足或過設計問題。EMC 係統測試（shì）是係統級EMC設計流程（chéng）中重要的環節，既用於驗證整車 EMC 設（shè）計的合（hé）理性，又為設計方案優化、評審及凍結提供依據（jù）。在（zài）驗證（zhèng）各（gè）電器部件EMC設（shè）計符合性的前提下（xià），驗證零部件（jiàn）EMC測試數據（jù）和整車測試（shì）數據的關聯性，根據整車測試中暴露出來的問題，首先對整車係統內接地措施進（jìn）行嚐試性優化整改，在整（zhěng）改效果難（nán）以（yǐ）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（de）更改，根據整改便利性、成本、可靠性、開（kāi）發周期等因素（sù）確認零部件更改（gǎi）比重，並（bìng）保證足夠的裕量，從（cóng）而降低因不確定性等因素帶來的誤差，保證（zhèng）整車測試的一致性。

狀態凍結（jié）階段，需要隨機抽樣（yàng）同一批次各電器部件多台進行測試，在測試數（shù）據一致性評審通過後，凍結零部件EMC設計。同樣，隻有（yǒu）整車測試具有足夠的一致性（xìng）和裕量，整車EMC 設計數據才能（néng）凍結。

本階段主要（yào）輸出報告有：《電器部件 EMC 測試分 析報告》、《整車測試分析報（bào）告（gào）》、《係統設計優化分（fèn） 析報告》、《XX 零部件EMC優化設計分析報告》、《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（shè）計評審 報告》、《接地點可維護性評審報告》、《電器部件殼（ké）體數模（mó）凍結報告》、《電器部件EMC設計（jì）方案凍結報告》、《XX 車（chē）型EMC設計方案凍結（jié）報告》等。

2.5 EMC 評估、評（píng）審和優化階段

本階段貫（guàn）穿於係統級EMC設計的整個流程中，每個階段的評估、評（píng）審和優化，必須保證零部件設計和整車設計具有一定的（de）同步性。評估、評審時既（jì）要考慮功能完（wán）整性、技（jì）術先進性、可靠性、安（ān）全性等設計因素，還需要 EMC 專家的（de）技（jì）術指導（dǎo），同時又要（yào）綜合考慮設計美 觀（guān）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（de）設計，這無疑在節約成本，提高產品良品率，加快上（shàng）市時間的同時，讓電動汽車EMC設計的風險降至最.低（dī），所以評估（gū）、評（píng）審階段還應堅持簡單的原則。

電動汽車（chē）功率部件越來越呈（chéng）現出（chū）小型化、集成化的技術趨（qū）勢，功率部件的EMC設計仍將是（shì）整車EMC設計的重要內容之一。為提高（gāo）續航裏程而（ér）增大電池結構，從而使整車電器係統布局更緊湊，部件間（jiān）EMI問題更突出（chū）。智能化（huà）、高頻化等電子（zǐ）電器的安裝加劇了整車通過GB 14023測試的難度（dù），所以，評估（gū）、評審（shěn）階段（duàn）還（hái）應堅持與時俱進的原則。

3、結語

本文從工程應（yīng）用設計的角度，對整車係統級EMC設計流程做了詳細描述（shù），而對設（shè）計細節以及EMC 指標（biāo）的量化未做具體描述，但整個設計流程還（hái）是（shì）非常清晰的。采用係統（tǒng）方法，按照特定的（de）邏輯來組織研發過程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發活動，最.大.程.度（dù）地減（jiǎn）少研發活動的反複（fù）和耦合，使複雜、模糊、混亂的（de）EMC研發活動（dòng）流程化，從而提高了EMC設計工作的效率（lǜ）和質量（liàng），縮短了開發周期，減少了研發成本及（jí）產品生命（mìng）周期的總成本。

在設計和選用電源濾波器的過程中，係統工程師發現，加了濾波器以後（hòu）作用不大，甚至會發生（shēng）某些頻段（duàn）的噪聲變（biàn）大。

OBC 內部均設計了濾波單元，但由於濾（lǜ）波單元設（shè）計不專業（yè）（包括濾波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹（pǐ）配、濾波器拓撲結構設計不合理（lǐ）等（děng））或（huò）受布局空間（jiān）所限安裝位（wèi）置不合理等原因，濾波器實際抑製幹擾能力較差，傳導發射超標現象較明（míng）顯。

4、總結

本文所述示例（lì）說明（míng）了接地（dì）、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性（xìng）。目前電動汽車電（diàn）子電器零部（bù）件越來越多，整車（chē）電氣係統（tǒng）（包括（kuò）各電器部件、互連線纜以及車身架構等）建立的電（diàn）磁環境也越來越複雜，如何根據各（gè）電器部件自身EMC特性以及所處的電磁環境等因素，將EMC措施合理體現在整車設計中應是（shì）研究的重點和關鍵。

（文（wén）章來自電動車資源網）