新能源汽车EMC测试与设计研究

汽车电磁兼容问题由来已久。传统汽车由于点火系统、发电系统、直流电机驱动系统等会产生电磁干扰，干扰不但影响车外接收机的正常使用，也会影响到车内接收机的使用和零部件的工作。纯电动、混合动力、燃料电池等新能源汽车由于电驱动系统、高压附件（DC/DC，DC/AC 等）的使用，其电磁干扰问题更为严重，整车 EMC 性能更难以通过国家认证测试。针对这些问题，本文对新能源汽车所需要做的 EMC 测试进行了梳理，然后从整车角度对 EMC 设计提出了一些具体的建议和措施。

EMC 测试要求

汽车 EMC 性能是指汽车在电磁环境下能够满足功能并不对其它设备或系统产生不能忍受的电磁干扰的能力 。 

它主要分为:电磁干扰和电磁抗扰。

电磁干扰是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的降低。电磁抗扰是指装置、设备或系统面临电磁骚扰时不降低运行性能的能力。

针对电磁干扰，国际标准化组织（ISO），国际电工委员会（IEC），无线电特别委员会（CISPR），美国汽车工程师协会（SAE），欧洲经济委员会（ECE）等都制定了相关的技术标准（见表 1）。我国根据自身的特点， 以 ISO、IEC、CISPR、SAE、ECE 等法规为基础制定了自己的标准。目前针对汽车整车，我国强制实行或推荐执行的 EMC 标准主要有：

1） GB14023-2006：车 辆、船 和 由 内 燃 机 驱 动的装置无线电骚扰特性限值和测量方法

GB 14023-2006 属强制标准， 等同国际无线电特别委员会标准 CISPR12：2005《车辆、船和由内燃机驱动的装置 无线电骚扰特性 限值和测量方法》。此标准应用于由内燃机驱动或/和电驱动车辆发出的可以导致无线电干扰的宽带和窄带电磁能量辐射，对车外广播接收机提供 30~1000MHz的保护。经验表明满足该标准即使是那些无线电发射频率不在指定范围内的民用发射设备的接收机，也可以对接收设备提供有效保护。

2） GB/T18387-2008 电动车辆的电 磁 场 发 射强度的限值和测量方法，宽带，9kHz~30MHz[3]GB/T 18387-2008 属推荐标准， 修改采用美国汽车工程协会标准 SAE J551-5 Jan 2004《电动车辆的电场和磁场强的测量方法及执行电平》。

该标准规定了电动车辆在频率范围 9kHz~30MHz 的磁场和电场的辐射发射的限制和测量方法， 以及在 450kHz~30MHz 传导发射的限值和测量方法。传导发射测量仅适用于车载电池充电系统， 其开关频率在 9kHz 以上，能量通过金属导体传输。传导发射的技术要求仅适用于通过交流电源线对电池充电过程期间。GB/T18387 与 GB14023 相协调，联合对车外接收机提供 9kHz~1000MHz 频段范围内的保护。

3） GB 18655-2002：用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法[4]GB 18655-2002 本属强制标准， 下一步拟修订为推荐标准，该标准等同采用国际电工委员会/无线电干扰特别委员会标准 IEC/CISPR 25:1995《用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的测量方法及限值》。 

该标准规定了 150 kHz~1000 MHz频率范围内的无线电骚扰限值和测量方法。可以对车辆上的接收机免受车上零部件/模块所产生的骚扰的影响。保护接收机类型有：声音和电视接收机、地面移动通讯、无线电话、业余爱好者和民用无线电设备。

4）GB/T 19951-2005：道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法 GB/T 19951-2005 属推荐标准， 等同采用国际标准 ISO10605-2001 《道路车辆 静电放电产生的电骚扰试验方法》。

 该标准规定了安装在道路车辆内的电子模块和系统的静电放电的试验方法，包括在台架和整车两种状态下评价电子模块的程序。对于整车厂来说，主要是在整车状态下，模拟测量驾驶员和乘客能够触及的全部电器开关和控制器件、正常操作时使用的按钮、拉杆、手柄等。GB 14023 和 GB/T18387 一起对车外接收机提供保护， 其中 GB/T18387 是专门针对电动车而制定的。GB/T 18655 对车外接收机提供保护。 

这三项标准都是对外骚扰方面的标准，GB/T 19951是电磁抗扰方面的标准。除此之外，目前国际上对窄带电磁辐射能的抗扰方面已有明确 要 求 ，ISO11451：道路车辆-窄带辐射电磁能产生的电磁骚扰的车辆试验方法， 规定了道路车辆在 10 kHzto 1.8 GHz 范围内抵抗窄带辐射电磁能的能力。今后，我国将进行该标准的国内转化工作，整机厂需要做好相关的准备。

EMC 设计要点

了解了 EMC 的法规要求，就需要在设计中注意正确的设计方法。汽车 EMC 主要从零部件和整车两个角度处理，零件的 EMC 要求及设计方法将另文阐述。本文主要论述整车 EMC 要求及相关的设计方法。

任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：首先应该具有骚扰源；其次有传播干扰能量的途径和通道；第三还必须有被干扰对象的响应。 三个条件只要有一个不成立，那么干扰也不会发生。

对于骚扰源的抑制措施主要是精心设计电路及电路板从而控制电磁场辐射的大小。对于被干扰对象来说，要提高抗干扰能力，抑制干扰的措施主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法。切断这两个条件主要从零部件设计角度出发。对于整车厂来说， 除要求零部件厂严格按照要求设计、生产合格的产品外，整机厂主要从切断干扰的传播路径入手。

电磁骚扰的路径一般有以下几种：

1）电流耦合

又称公共阻抗耦合， 这是常见的一种耦合方式。常发生在两个电路的电流有共同通路的情况。

公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。

图 1 是其中一种情况，公共地阻抗。由于公共阻抗 Z 的存在，设备 1 工作时，会影响到设备 2 上的运行。特别是公共阻抗 Z 随着工作频率的升高，一般大于 10kHz 时，Z 的阻抗将显著增加，而导致设备 2 影响严重。防止这种耦合应使耦合阻抗趋近于零、 使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

2）电容耦合

又称电场耦合或静电耦合， 是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。

从图 2 可以看出， 干扰源的高频工作会感应电压到控制单元的传感器线路上， 从导致传感器电压失真。耦合电压与工作频率的关系可从图 3看出，频率升高，耦合电压变大，最终会稳定于一恒定值。

电容耦合的抑制措施有：使导线尽量短，使耦合电容尽量小， 线间距离尽量大， 并避免平行走线。对感染源和被感染对象进行电屏蔽。

3）电感耦合

电感耦合又称电磁感应耦合或磁场耦合。是由于内部或外部空间电磁场感应的一种耦合方式。

电感耦合和电容耦合有类似通道。其抑制措施也相似：使导线尽量短，线间距离尽量大，并避免平行走线并缩小电流回路面积，使互感量小。

被干扰的导线环在干扰场中的放置位置方位应使它对感染磁场的磁力线最小。对感染源和被感染对象进行屏蔽。将一个电流的回路线间绕成极性交错的若干局部耦合环， 使之沿导线长度方向的符合交变的局部耦合信号彼此相抵消。

4）辐射耦合

电磁场的辐射也会造成干扰耦合， 是一种无规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。另当信号传输线较长时，它们能辐射干扰波和接收干扰波，称为大线效应。特别是当线长是λ/4 波长的整数倍时，会产生谐振，耦合最严重。因此线长应避免是 λ/4 波长的整数倍。图 6 中传感器电路就会受到外部发生器的辐射耦合的干扰。

辐射型耦合的抑制有 3 种基本形式：电子滤波、机械屏蔽和干扰源抑制。根据以上电磁耦合的方式，在整车设计中，需要注意以下事项：

• 信号线与电源线分离或满足最小距离要求或垂直成 90°；

• 信号线长度避免是防护频率波长.λ/4 的整数倍；

• 采用低阻值电线；

• 信号线间避免绞接；

• 下列信号线采用双绞线：安全气囊传感器；ABS 传感器（轮速传感器）；总线系统（动力总成 CAN，低速 CAN）诊断线；LF 信号线（收音机到放大器或扬声器）。

• 下列信号线采用屏蔽线：；AM/FM HF 线（天线放大器到收音机）；GSM 电话天线;TV 天线；GPS；导航系统；AUX-In 系统；USB 线；蓝牙天线；PKE 天线；克风天线；LCD 屏到收音机线（RGB 信号）。

• 采用光纤；

• 采用正确接地方式；将模拟地与电源地、数字地等分开；；将骚扰系统可靠接地；;在底盘上正确选择接地点；；屏蔽线要可靠接地；；接地连接最好是星型连接、树形其次，避免环形连接，（参见图 7）；采用专用接地线接地，减小接地电阻。

设计案例

本公司在开发一款油电强混型混合动力客车碰到一些电磁干扰问题。现通过油门信号受干扰一例介绍处理干扰时的一些措施。该混合动力客车，由发动机、ISG（Integrated Starter Generator）电机、 主电机等构成。 

油门踏板信号送给整车控制器，整车控制器根据油门踏板开度、车速等信息综合判断后，给发动机、ISG 电机、主电机发出控制信号。发动机油门信号包括发动机接收到的整车控制器输出的油门电压及发动机油门怠速开关状态信号。而发动机油门信号是 0~5V 的弱电信号，在整车控制器给发动机传输油门信号的线束途径上，油门电压信号很容易受到外部电机、电机控制器等强电部件工作时的电磁辐射的影响。实际路试中，发动机经常报油门故障，即怠速开关信号和发动机油门信号电压值不匹配。 

该款客车配置的发动机 ECU 接收油门信号和怠速开关信号，油门信号和怠速开关信号必须匹配。如果 ECU 接收到的怠速开关为怠速状态， 但接收到的电压是非怠速电压，则 ECU 会认为油门信号和怠速开关信号不匹配，继而会报油门故障；同理，如果 ECU 接收到的是非怠速开关信号， 而接收到的是怠速油门电压，则两者也不匹配，发动机 ECU 也会报油门错误故障。

整车控制器发出油门电压和怠速开关信号给发动机 ECU，它们是匹配的，但由于整车控制器到发动机 ECU 的油门线束会受到干扰的影响，发动机油门信号将被抬高或降低，这样到发动机 ECU 的油门信号就有可能和怠速开关信号不匹配，导致发动机 ECU 报故障。

实际上，该油门线束是屏蔽线，且单点接地，但测量后发现油门信号受到较强的电磁干扰。图8 是 通 过 发 动 机 OBD （On-Board Diagnostics）软件，采集的发动机油门电压，可以看出油门信号有许多毛刺，期间发动机会报油门 10012 故障。

后来发现， 电机控制器用绝缘子和车架隔离了，电机控制器没有和车架直接连接。原来，电机控制器与车身骨架采用了二级绝缘， 以保证高压安全（控制器高压部分有 600V 直流电），但这和EMC 的设计正好相悖。

在通过高压电整车安全测试后，采取取消绝缘子，让电机控制器直接和车架直接相连， 高压电安全可以通过控制器本身的绝缘和绝缘监测系统来保证。图 9 是控制器外壳接地后的效果，可以看到，油门信号已经比较稳定。

总结

本文从整车角度讨论了整车开发中需做的 EMC 试验，并分析了电磁耦合的 4 种方式，给出了整车 EMC 设计中需要注意的问题，最后给出了一个混合动力发动机油门干扰的工程实例。该例表明，EMC 措施使用恰当， 有效解决了发动机油门干扰的问题。