電動汽車的係統級EMC設計

電動（dòng）汽車車載電（diàn）器（qì）部件要滿足相應 EMC 技術要求，就應考慮其（qí）內部元器件和導線（xiàn）的合（hé）理布排，並做相應的測試及優化工作。由於整車電氣係統為各電器部件及連接線纜的集成體，設備（bèi）之間的相（xiàng）互影響加劇了電磁環境的複雜性，部件級EMC測試（shì）和整車EMC測試關（guān）聯解析難度大。同時（shí）各車型在功能、市（shì）場定位、係統架構與布局、零部件電磁特性、集成度等方麵（miàn）可能存在較大差異，很難給出一個或一組統一的定量（liàng）化指標去適（shì）合於所有電動汽車。

在EMC設計、管理等方（fāng）麵，國內電動（dòng）汽車廠普遍存在以下幾方麵（miàn）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（zhǔ）要圍（wéi）繞電器部件及整車（chē）的EMC 測（cè）試展開，EMC設（shè）計不足（zú）；

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

④ 企業曆（lì）史短，缺乏專業的EMC設計經驗，缺乏（fá）規範的 EMC研發、管理流程。

本文參考係統級電磁兼容設計思想，並借鑒國外電動（dòng）汽車的優秀EMC設計方法，提（tí）出（chū）一（yī）種電動汽車係統級EMC開發方法，該方法建立的係統開發流程貫（guàn）穿實施於車輛開（kāi）發各流（liú）程中，整車一次性通過EMC法（fǎ）規測試，並做（zuò）到了係統內的良好兼容性。

1、電動（dòng）汽（qì）車係統級 EMC 設計（jì）思（sī）想

係統電磁兼容問題在分析方法、設計方法、試驗方法方麵，均為係統工程問題。

電（diàn）動汽車係統級EMC設計思想：綜（zōng）合考慮電器部件性（xìng）能（néng）及功能完整（zhěng）性、可靠性、技術成本、車身輕量化、產品上市周期等各種因素，確（què）定布局和技術控製狀態，選取材料、結（jié）構和工藝，在車輛（liàng）研發的各階段，以最.低的（de）成本、最.有.效的（de）方式將接地、屏蔽（bì）及濾波等（děng）設計思想及具體措施實施到產品或係統中（zhōng），在測試階段做出詳細的EMC測試評價、優化及管理，最終形成一套可行性高的正（zhèng）向開發設計方法或流程（chéng）。

在產品質量前（qián）期策劃（advanced product quality planning，簡稱（chēng） APQP）過程中，新產品研發過程（chéng）一般由5個階段組成：計（jì）劃定義和項目、產品設計和開發驗證、過程設計和開（kāi）發驗證、產品（pǐn）和過程確認，以及反（fǎn）饋、評估和糾正措施，APQP 進度圖如圖 1 所示。

圖 1 APQP 進度圖

借鑒APQP流程，電（diàn）動（dòng）汽車係統級EMC開發流程（chéng） 可包括（kuò）：EMC規劃階（jiē）段、EMC係統架構布局階段、EMC設計階段、EMC係統測試及（jí）狀態凍結階段以及（jí）EMC評估、評審和優化階段。

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（qì）工程師、線束工程師、總布置工程（chéng）師、結（jié）構工程師、測試工程師以及各電器部件供應商等協作參與，共同完成。

2、電動汽車係統（tǒng）級EMC設（shè）計開發流程

2.1 EMC 規劃階段

本階（jiē）段工作內容是在分析整車技術規範（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（háng）研究，重點掌握現有電器部件EMC特性，並編寫整車EMC設（shè）計指導書等報告，為EMC係統架構布局提供重要依據。

表1 EMC 規（guī）劃階段主要工作內容

2.2 EMC 係統架構布局階段

本階（jiē）段是整車係統級EMC 開發流程中最（zuì）為關鍵的一步，其核心（xīn）工作內容（róng）可歸結為“先由麵（miàn）建點，再由點連（lián）線"。

“麵"即為由車身、車身支架、12 V 蓄電池負極等建立的參考地（dì）。

“點"為車載電器部件，以規劃階（jiē）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（bù）局布置指導性設計規範》等（děng）報告為（wéi）指導，綜合考慮車身數模及電器零部件初版數模，對車載關鍵電（diàn）器部件進行布局。優先進行動力蓄電池布置；根據驅動方式（shì）、冷卻係統、可安裝位置、質心（xīn）坐標等（děng）確定電機本體大致布置（zhì）；結合功能性要求（qiú）、碰撞安全性法規要求、IP 防護、安裝便利性、美觀等，確定（dìng）其它電器部件布局。“點（diǎn）"還包括抽象的接地點，隨著電器部件布局位置確認而確（què）定。接地點的選取應以就近接地、係統接地網絡（luò）的合理、可維護為原則。

“線"即為前麵建立的各“點"之間的互連線纜，是整車電氣係統的重要組成部分（fèn）。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉（chā）、走向美觀、安裝固定方便。以i-MiEV 車（chē）底盤下線纜布（bù）局（見圖2）為例，其線纜短（duǎn）、線纜無交叉的特點（diǎn）顯（xiǎn）而易見。

圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布局（網絡資料（liào））

優先考慮係統布局這一策略是成本最.劃.算（suàn）.的一種EMC設計方法，對係統進（jìn）行布局劃分，使對幹擾電流的控（kòng）製成為可能。

整車EMC架構（gòu）布局需要綜合考慮各種技（jì）術要（yào）求，並將EMC技術融入（rù）到產品架（jià）構設計中去。圖3為某型號電動汽車布局（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（gèng）規範，整車碰撞安全性也更高。兩種布置方案下電器部件殼體設計、連接器選型等均存在較大差異，說明若布（bù）局階段“點"規劃不合理，會導致整車電氣係（xì）統架構（gòu）布局（jú）的變更，其對整車（chē）設計成本、上市周期等均（jun1）帶來較大（dà）變化。整車設計初期，不（bú）建議所（suǒ）有電器部件都做出開模計（jì）劃，同時從整車設計角度，“點"也（yě）應該符合“麵"的規劃，即使一些（xiē）電器部件前（qián）期已開模且適用於一些車型，也應該根（gēn）據（jù）本車型布（bù）置要求，在評審後重新製定開模計劃。

（a）布局淩亂

（b）布局（jú）整齊

圖（tú）3 某型（xíng）號電動汽車布局差異對比（網絡資料）

圖4為某車（chē）型不合理的電機係統（電機和電機控製器）布（bù）局圖，該布局導致U、V、W 線纜過長，根據設計經驗，該方案存在輻射發射（shè）超標風險，EMC評審不通過，該布局方案未獲批準。

圖4 某車（chē）型前期不合理的電（diàn）機（jī）係統布局圖（tú）

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

表 2 EMC 係統架構布局階段主要輸出報告

2.3 EMC 設計階段

EMC設（shè）計雖然不是什麽新（xīn）鮮（xiān）技術，但其需（xū）要大量專業設計、製造工藝以及管理（lǐ）等知識的支（zhī）撐，並要參考一切可以指導團隊和員工（gōng）決（jué）策或行動的信息、標準、規範、法則及（jí）經（jīng）驗，最終形成用於指導生產的設計知識（shí）體係，研發過（guò）程中知識流動和轉換框圖如圖 5 所示。

圖5 新產品（pǐn）研發中知識的（de）流動和（hé）轉換框圖

EMC設計階段主要圍繞EMC三個措施（即接地、屏（píng）蔽和濾波（bō））展開，本階（jiē）段主要的設計輸出報（bào）告如表3所示。

表 3 EMC 設計階段主要輸出報（bào）告

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

（a）接地線和接地螺栓

（b）接地線和接地螺母

圖6 某型號電動汽（qì）車接地設計（網絡資料）

屏蔽（bì）設計的關鍵之一在於高低壓電器部件殼體設計，如何將工業設計等技術和殼體屏（píng）蔽設計（jì）技術（shù）巧妙結合在一起（qǐ），體現 EMC 設計技（jì）術和藝術的完.美結合，是（shì）本部（bù）分的難點。由於殼（ké）體開模成本較高，建議全新開模（mó）在評審通過後確定。

應當指出，在選用屏蔽線纜時，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考慮成本、機械強度等特性。當整個電纜受到過多的機械、天氣和潮（cháo）濕的影響時，影響最嚴重的屏蔽部分就是（shì）連接處，通常使用5年之後性能將下降一個數量級（20 dB）。

對於多電纜入口的機箱殼體，為保證屏蔽連接的連（lián）續性，電纜屏蔽連接方法可參考圖（tú） 7。

（a）線纜屏蔽層和殼體端接

（b）線纜端連接夾具（jù）

圖 7 多電纜屏蔽層和（hé）殼體（tǐ）電連接（網絡資料）

（a）電機（jī）本體（tǐ） （b）電機及集成控製器

圖8 某型號電動汽車電（diàn）機係統設（shè）計（網絡（luò）資料）

若考慮（lǜ）成本，部件屏蔽設計難（nán）以做到完.美，可考（kǎo）慮係統級解決措施（shī）。圖8為某型號電動汽（qì）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屏蔽盒，在提高 EMC設計的同時（shí）提高（gāo）了IP防護等級。

2.4 EMC 係統（tǒng）測試及狀態凍結階段

係統電（diàn）磁兼容試驗技術包括：試（shì）驗規範製定、標準製定（dìng）、項目選擇、實施方法、場（chǎng）地建設、誤差處理等技術和過程。為保證EMC測試的一致性，係統測試必（bì）須在標準的試（shì）驗環境下進行。根據自身條件建立相應（yīng）測試環境或選（xuǎn）擇測試機構，都（dōu）是不（bú）錯的選擇，為節省測（cè）試費用而犧（xī）牲零部（bù）件或整車EMC性能的做法（fǎ）必將付出沉重（chóng）的代價。

若脫（tuō）離整車測試驗證（zhèng）環節，零部件EMC設計很可能出現設計不足或過設計問題。EMC 係統測試是係統級（jí）EMC設計流程中重（chóng）要的環（huán）節，既用於驗證整車 EMC 設計的合理性（xìng），又為設計方案優化、評審及凍結提（tí）供依據。在驗證各電器部件EMC設計符合性的前提下（xià），驗證零部件EMC測試數（shù）據和整車測試數據的關聯性，根據整車測試中暴（bào）露出來的問題（tí），首先對整車係統內接地措施進行嚐試性優化整改（gǎi），在整改效果難以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更改，根（gēn）據整改（gǎi）便利性、成本、可（kě）靠性、開發周期等因素確認零部件更改比重，並保證（zhèng）足夠的裕量，從而（ér）降（jiàng）低因不確定性等因素帶來（lái）的誤差，保證整車測試的一致性。

狀態凍結階段，需要隨機抽（chōu）樣同一批次各電器（qì）部件多台進（jìn）行測（cè）試，在測試數據一致性評審通過後，凍結零部件（jiàn）EMC設計。同（tóng）樣，隻有（yǒu）整（zhěng）車測試（shì）具有足夠的一致性和裕量，整（zhěng）車EMC 設計數（shù）據才能凍（dòng）結。

本階段主要（yào）輸出報告有：《電器部件 EMC 測（cè）試分（fèn） 析報告》、《整車測試分（fèn）析報告》、《係（xì）統設計優化分 析（xī）報告》、《XX 零部件EMC優（yōu）化設計分析報告》、《接地線（含接地螺栓、螺母）鹽（yán）霧（wù）等（děng）試驗分析報告）》、《接地線阻抗測試（shì）報告》、《接地點防腐處（chù）理工藝設計評審 報告》、《接地點（diǎn）可維護性評審報告》、《電（diàn）器部件殼體數模凍結報告》、《電器（qì）部件EMC設計方案凍結報告》、《XX 車型EMC設計方案凍結報告》等。

2.5 EMC 評估、評審（shěn）和優化階段

本階段貫穿於係統級EMC設計的整個流程中，每個階段的評估、評審和優化，必須保證零部件設計和整車設計具有一（yī）定的同步性。評估、評審時既要考慮功能（néng）完整性、技術先進性、可靠性、安全性等設計因素，還需要 EMC 專家的技術指導，同時又要綜合考慮設計美 觀度、可維護性、可工程化、成本等其它因素。

簡單合理的（de）設計是最.好（hǎo）.的設計，這無疑在節約成本，提高產品良（liáng）品率，加快上（shàng）市時間（jiān）的同時，讓電動汽車EMC設計的風險（xiǎn）降至最.低，所以評估、評審階段還應堅持簡單的原則。

電動汽（qì）車功率部件越來越呈現（xiàn）出小型化、集成（chéng）化的技（jì）術趨勢，功率部件的EMC設計仍（réng）將是整車EMC設計的重要內（nèi）容之一。為提高續（xù）航裏程而增大電池結（jié）構，從而使整車電器係統布局更緊湊，部件間EMI問題更突出。智能化、高頻化（huà）等電子電（diàn）器的安裝加劇了整車通過GB 14023測試的難度，所以，評估（gū）、評審階段還應（yīng）堅（jiān）持與時（shí）俱進的原則。

3、結語

本文從工程應用設計的角度，對（duì）整車係統級EMC設計流程做了詳細描述，而對（duì）設計細節以及EMC 指標的量化未做具體（tǐ）描述，但整個設計流程還是非常清晰（xī）的。采用係統（tǒng）方法，按照特（tè）定的（de）邏輯來組織研發過程（chéng）中模糊（hú）的、相（xiàng）互糾（jiū）纏在一起的各種研發活動，最.大.程.度（dù）地減少研發活動（dòng）的反複和耦合，使複（fù）雜、模糊、混亂（luàn）的EMC研發活動流程化，從而提（tí）高了EMC設計工（gōng）作的效率和質量，縮短（duǎn）了開發（fā）周期，減少了研（yán）發成本及產品生命周期（qī）的總（zǒng）成本。

在設計和選用電源濾波器的過程（chéng）中，係（xì）統（tǒng）工（gōng）程師發現，加了濾波（bō）器（qì）以後作用不大，甚至會發生某些頻段的噪聲變大。

OBC 內部均（jun1）設計了濾波單元，但由於濾波單元設計（jì）不專業（包括濾（lǜ）波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹配、濾波器拓撲結構設計（jì）不合理等）或受布局空間（jiān）所限安裝位置不合理等原因，濾波器實際抑製幹擾能力較差，傳導發射超標現象較明顯。

4、總結

本文所述示例說明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計（jì）的重要性。目前電動汽車電子電（diàn）器零部件越來（lái）越多（duō），整車電氣係統（包（bāo）括各電器部件、互連線纜以及車身（shēn）架構等）建立的（de）電磁（cí）環境也越來越（yuè）複雜，如何根（gēn）據各電器部件自身EMC特（tè）性以及所處的電（diàn）磁環境等因素，將EMC措施合理體現在整車設計中應是研究的重點和關鍵。

（文章來自電動車資源網）