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广汽-非屏蔽高压快充线对电动汽车EMC的影响

2021-11-27 19:58:28·  来源：电动学堂  作者：覃宝山等  
　
文章来源：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院随着新能源电动车的发展和国家经济政策的扶持，各个车企都在大力开发新能源车，由于高压部件的电磁干扰普遍偏
文章来源：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院
随着新能源电动车的发展和国家经济政策的扶持，各个车企都在大力开发新能源车，由于高压部件的电磁干扰普遍偏高，各个厂商的水平参差不齐，新能源电动车的电磁兼容问题表现尤为突出，为保证车辆电磁兼容性能，减少电磁兼容问题给整车带来不可预知的影响，电动汽车上的高压线束采用屏蔽高压线将干扰屏蔽起来，使得新能源车能够满足国家的EMC相关法规要求。
电动汽车的高压充电线束是车辆高压电池充电的路径，高压充电线束只在汽车充电期间处于通电状态，在汽车行驶以及使用期间，处于非通电状态，因此，从整车降低成本上提出了高压充电线束使用非屏蔽设计的可能性。本文将从整车设计和测试验证的角度论证高压快充线束使用非屏蔽设计的可行性以及它对整车EMC的影响。
1电动车电磁兼容法规
目前中国新能源电动汽车要求满足GB34660和GB/T18387，这两份法规分别从不同辐射方式和频率范围对新能源电动汽车的电磁兼容性能提出了要求，确保企业上市的新能源电动汽车的电磁兼容技术性能。
1.1整车辐射发射测试要求
GB34660-2017《道路车辆电磁兼容性要求和试验方法》法规中，关于保护车外接收机辐射发射测试提出了其测试方法以及相对应的限值要求。满足条件的新能源电动车辆应在40km/h的恒速运行下测试车辆宽带辐射发射，而窄带的测试仅仅要求车辆处于上电状态，车辆所有电气系统正常运行；宽带和窄带的限值要求如表1所示。整车辐射发射测试示意如图1所示。
1.2整车电磁场发射测试要求
符合GB/T18387-2017《电动汽车电磁场发射强度限值及测量方法》规定条件的新能源电动汽车，应测试车辆在16km/h和70km/h恒速行驶时的电磁场发射，其中电场和磁场限值要求如表2所示。

2新能源电动汽车高压系统工作原理
新能源电动汽车以高压电池为动力能源为全车所有电气部件提供能量，依靠电驱总成输出扭矩驱动车辆运行，并搭配了快充系统和慢充系统为高压电池进行充电，车辆的电气工作原理如图2所示。在行车驱动状态下充电开关断开：高压电池—集成配电—电驱总成—动力传动系统—驱动汽车行驶；在快充状态下充电开关闭合，车辆电气工作原理：快充系统—充电开关—高压电池。

2.1新能源电动汽车的EMC干扰分析
新能源电动汽车在进行整车电磁兼容的相关法规试验时，不管是整车辐射发射测试还是整车电磁场发射测试，对于新能源电动汽车都有要求车辆处于行驶状态下进行相关的试验，车内的高压系统在强电压和大电流的状态下工作时，很容易产生强烈的电磁干扰。
以电驱系统为例，电驱系统的IGBT开关速度很快，IG－BT的上升沿和下降沿在100ns到200ns之间，开通和关断过程中伴随着较大的电压变化和电流变化，从而产生强烈的电磁干扰。如图3所示，高压电池组和线缆对搭铁、开关器件IG－BT对散热器、电机绕组对机壳等，都会在整个系统中产生寄生电容，见图3C1，C2，C3，C4，C5寄生电容，从而形成了共模EMI耦合路径。
同时电机系统的开关器件在开通和关断过程中产生的急速电流变化与系统中的杂散电感相互耦合形成了差模EMI干扰路径，如图4所示；因此新能源电动汽车的电驱动系统通过共模干扰路径和差模干扰路径会对外界产生较大的电磁干扰。

电动车上还存在空调压缩机、PTC和DCDC逆变器等各类高压部件，这些产品在行车过程中也会对外产生一定量的电磁干扰，因此新能源电动汽车在高压线束系统上采用屏蔽设计，从而将整车对外部的电磁干扰控制在合理范围内。
从新能源电动汽车的电器原理上可知道，行车模式下，充电开关断开，在快充正极线束上并无高压电。如果在高压电池充电端口设计增加滤波模块，如图2所示，高压充电线束取消屏蔽设计是存在可行性的。
2.2高压线束设计方案
2.2.1快充线束设计方案
当前新能源电动汽车的高压快充线束均采用屏蔽设计方案，如图5所示。

如果新能源电动汽车高压快充线设计为非屏蔽线束，从物料上会减少屏蔽连接器、线束屏蔽层、屏蔽防水结构以及接搭铁线，如图6所示。

从成本上综合对比，以实车上2m长的高压充电线束总成为例，可以减少屏蔽连接器设计、线束屏蔽层设计、防水结构设计以及搭铁线束设计，而需要增加的是高压电池端口滤波模块设计以及电池包在开模时需要预留的滤波模块固定结构。通过对比物料成本，如表3所示，预计非屏蔽设计大约能够省成本120元左右。

2.2.2快充端口滤波方案
倘若考虑低成本方案，将快充线束设计为非屏蔽状态，则会对整车EMC产生一定的影响；而从高压电气系统原理上分析采用高压快充线束的非屏蔽设计，需要考虑两个问题。
1）高压快充线束的高压负极始终连接在高压系统中，形成了天线效应，将高压系统的电磁干扰对外辐射出来。
2）高压快充线束的正极和负极并行布线，形成耦合效应，也会泄露高压系统的电磁干扰。
因此需要在电池包的快充端口或者高压线束上增加滤波模块的方案，本次验证选择了实施更为简便的在高压线束端口增加磁环方案来验证效果，而工程量化上考虑，则需要在电池包快充端口设计滤波模块，并加以支架固定，如图7。

3整车EMC测试验证
为验证采用非屏蔽高压快充线束的可行性，我们选用了一款在研车型进行了实车测试，通过实车改制，更换非屏蔽线的快充线束，对快充线增加磁环前后的车辆进行GB34660和GBT18387两项法规的验证。测试结果如表4、表5所示。
通过试验数据对比我们发现，该车型的高压零部件在满足国标GB/T18655辐射发射三级的条件下，整车取消高压快充线束的屏蔽设计，整车电磁兼容依然存在不通过法规测试的风险。而在快充线上增加磁环后，整车测试结果可以满足法规的要求，且余量充足。

4总结
本文通过实际项目开发和测试验证，有效评估了非屏蔽高压快充线束对整车电磁兼容法规的影响，并且给出了有效措施。通过实际的测试得出：非屏蔽快充线束设计方案是可行的，并且能够节约整车成本，但是需要注意的是开发非屏蔽快充线束设计方案时，需要着重关注快充端口的屏蔽模块的设计，避免直接采用非屏蔽快充线设计带来的整车EMC风险。
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