氢燃料电池系统电磁兼容性能提升解决方案及实践

氢燃料电池汽车相比纯电动车和燃油车在替代燃料与零排放方面具有无可比拟的优势。近两年，国内对于氢能和燃料电池汽车的关注度极大的提升，目前已发布多个工作规划，系统推进氢燃料电池汽车的研发与生产。氢燃料电池作为车内的电气部件，与氢燃料电池汽车的续驶里程、安全性息息相关，车企同样会要求其EMC性能，如何进行EMC设计，成为了氢燃料电池电气工程师必须考虑的问题。

1、 氢燃料电池系统分析

燃料电池系统与传统车相比，主要特点是零部件比较多且整体布置复杂紧凑，为了使得系统中各零部件互不干扰，尽量在零部件设计源头上就要充分做好相应的电磁兼容措施。当电磁干扰产生时，首先排除干扰源来自哪里，然后分析接地、滤波、屏蔽等是否可以优化以及是否能将干扰隔离等，其次再考虑被干扰设备抗扰能力。

1.1 大功率DC/DC类开关部件

燃料电池系统内含高压DC/AC和高压DC/DC转换器，以及动力控制单元FCU内的DC/DC转换器，IGBT功率管的高速切换导致高速变化的电压（dv/dt）和电流（di/dt）以及浪涌电流和尖峰电压，这会引起大量的辐射干扰。另外功率开关管开通和关断瞬间，由于分布电感和分布电容的存在，电感电流容易发生高频振荡，系统内控制单元内部的时钟晶振频率也会产生高频噪声，这些因素都会产生强大的电磁干扰，这种电磁干扰处理不好会严重影响整车控制器与CAN通信，导致CAN通讯频繁报错，无法正常通讯。

1.2 空压机、水泵、氢循环泵等电机、电控类零部件

直流电机换向器的电流换向时会引起电流瞬间的大幅波动，产生强烈的电磁干扰。高频干扰噪声沿着电源线传播，影响其他设备正常工作，形成传导干扰。一定长度的电源线存在天线效应，能量通过线缆发射到周围空间，形成辐射发射，对周边电磁敏感设备造成影响。同时电机有线圈绕组，呈现感性，电机开启与关停会引起电流突变，在感性线路中会产生剧烈的电压脉冲，这种瞬间电压突变会影响某些敏感器件正常工作，甚至具有破坏性。

1.3 FCU、CVM等控制类以及组合阀、背压阀等阀类零部件

控制器内都是采用单片机为核心的处理电路，处理各种数字电路，这些电路均工作于开关状态或者利用脉冲宽度调制(PWM)进行控制，这种数字脉冲电压和电流中包含了许多高次谐波干扰，这种干扰会通过空间或者公共电源或者公共地干扰其他设备。

零部件是干扰源，但干扰信号也会通过与零部件相连的电缆线束直接耦合传导或者通过空间耦合发射出来，此时，线束作为天线。系统设备使用的低压供电线束为非屏蔽线束，非屏蔽线会导致干扰通过电源线和信号线（虽然信号线屏蔽但其两端未接地，且无法实施整根信号线屏蔽，并无屏蔽效果）向外耦合。高压屏蔽线也不能实现360°可靠接地且接地阻抗较大，导致本该起屏蔽效果的屏蔽线成为驱动天线，且对外通过空间耦合方式产生辐射干扰。

2、案例分析

某氢燃料电池系统进行辐射发射测试，产品状态为：低压DC24V，高压DC450V，不涉氢，系统处于点火状态，上位机通过CAN光隔与产品进行连接监控，燃料电池系统不发电；测试方法依据参考GB/T 18655-2010，测试限值采用GB/T 18655-2010等级3要求。测试数据结果发现：在低频段，峰值与平均值为宽频带鼓起，无单个频点突起，数据特点呈现宽带噪声；在高频段（主要矛盾），峰值与平均值超出限值为固定频率，单个频点突起，数据特点呈现窄带噪声。超标数量：0.1MHz~2500MHz超出限值，低频超标较为严重，最大超标三十多dB。

0.15~30MHz

30~200MHz

200~1000MHz

1000~2500MHz
3、整改措施
3.1 整改分析通过频谱仪以及辐射天线的有效长度，判断出24V电源线（包含使能线）带出很强的干扰，结合减少滤波器的方针，针对0.15-30MHz，选择在靠近燃料系统端加低压滤波器，并且使所有24V电源线通过此滤波器。1-30MHz有显著改善，但10MHz左右依旧超标，通过简单的频谱分析仪测量，发现燃料系统和DC/AC之间的通讯线导致10MHz超标，采用磁环增加阻抗，降低该频点的辐射量。
0.15-1MHz采用低压滤波器仍没有较大改善。初步排查实验室高压电源底噪远远满足要求后，最后锁定在高压输入线上，分析判断出干扰是由DC/AC耦合到高压输入线上，最终导致0.15-1MHz严重超标。由于干扰在低频段，即选择在靠近DC/AC端剥开屏蔽层加上针对该频段的高压滤波器，并且使滤波器外壳和屏蔽层尽可能完整连接。    低压滤波器对30-200MHz和1000-2500MHz频段也起到了有效的干扰抑制，但仍有倍频点超标。通过现场试验确认，最终锁定FCU带出来的倍频干扰。关掉与此次测试非相关的功能，只留下与燃料系统相关功能，30-200MHz和1000-25000MHz的倍频点超标问题得以解决。
3.2 性能提升方案在FCU DC/DC输入端加上103X电容，从源头减少流入24V电源线上的干扰，使得1-30MHZ测试余量进一步改善。
200-1000MHz，总体趋势在限值以下且余量充足。但倍频点超标点严重，尤其375MHz等频点，进一步分析过程如下：低压不上电，且CAN通讯关闭。高压上电，只要拔掉燃料系统和DC/AC通讯线的接插件，测试结果就可以满足要求，由此把带出干扰的天线锁定在此通讯线上。处理措施如下：发现该接插件中只有两根通讯线有用，其余5-7根线束并无用处（不影响燃料系统正常工作），为了避免串扰，将其余无用线束去掉，同时把剩下的两根通讯线束双绞。发现超标的频点依旧存在。该通讯线加上屏蔽层，但由于无法做到整条通讯线束屏蔽且无法实现360°低阻抗接地，屏蔽效果几乎没有而且有可能起反作用。
DC/AC的PCB板串扰路径多，综合整改难度大，需要在该接插件端口做处理。进一步整改措施如下：基于200-1000MHz属于高频率段，其有效辐射天线为1/2-1/4波长，有效辐射天线长度很短，共模干扰的可能性极大。所以在紧贴接插件端口加上滤波措施即共模电感（375MHz处阻抗约为1300左右），为了增大插入耗损，5个共模电感紧密串联。200-1000MHz频段测试结果满足要求，并且此时为解决10MHz低频超标点，将缠绕的磁环取消（375MHz的5个共模电感取而代之，兼具低频和高频滤波作用），10MHz处结果也符合要求。自此RE所有频段整改符合要求（3db余量）。

3.3 整改效果电磁兼容整改原则是：降低干扰源发射的能量，即降低各个零部件对外的干扰能量；切断干扰源与敏感设备之间的耦合；提高敏感设备的抗干扰能力。
整改后测试数据如下表所示，0.15~2500MHz全频段都能满足标准限值要求，达到电磁兼容准则。

0.15~30MHz

30~200MHz

200~1000MHz

1000~2500MHz
4、总结
由于燃料电池发动机系统，相对于传统零部件，其内部增加了高压功率元件，具有高频率、宽频带和大功率密度，它自身就是一个强大的电磁干扰（EMI）源， EMC问题主要有如下几个特点：DC-DC和DC-AC转换器作为工作于开关状态的能量转换装置，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的铝基板和高频变压器；由于DC-DC和DC-AC转换器与其它电子电路相连紧凑，部件内部同时含有高压低压电路，内部的电磁环境更加复杂，产生的EMI很容易造成不良影响。严重时会导致周围的电子设备功能紊乱，使通信系统传输数据错误、出现异常的停机和报警等，造成不可弥补的后果，采取滤波、接地、屏蔽等有效措施，可以解决产品后期电磁兼容问题，提高产品性能。