電動汽車的係統級EMC設計

電動汽（qì）車車載電（diàn）器部件要滿（mǎn）足相（xiàng）應 EMC 技術要求，就應考慮其內部元器件和導（dǎo）線的合理布排（pái），並做相（xiàng）應的測試及優化工作。由於（yú）整車電氣係統為各電（diàn）器（qì）部件及連接線纜的集成（chéng）體，設備之間的相互影響加劇了電磁（cí）環（huán）境的複雜性，部件級EMC測試和整車EMC測試關聯解析難度大（dà）。同（tóng）時各車型在功能、市場（chǎng）定位（wèi）、係統架（jià）構與布局（jú）、零部件電磁特性、集成度等方麵可能存（cún）在較大差異，很（hěn）難給出一個或一組統（tǒng）一（yī）的定量化指標去適合於所有電動汽車。

在EMC設計、管理等方麵，國內電（diàn）動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（quē）乏係統內協（xié）作；

② EMC工作主要圍（wéi）繞電器部件及整車的EMC 測試（shì）展開，EMC設計不足；

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

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

本文參考（kǎo）係統級電磁兼容設（shè）計思想，並借鑒國外電動汽（qì）車的優秀EMC設計方法，提出（chū）一種（zhǒng）電動汽車係統級EMC開發（fā）方法，該方（fāng）法建立的係統開（kāi）發流程貫穿實施於車輛開發各流程中（zhōng），整車一（yī）次性通（tōng）過EMC法規（guī）測試，並做到了係統內的良（liáng）好（hǎo）兼容（róng）性。

1、電（diàn）動汽車係統（tǒng）級 EMC 設計思（sī）想

係統（tǒng）電磁兼容問題在分析方法、設計方法（fǎ）、試驗（yàn）方法方麵，均為（wéi）係統工程問題。

電動汽車係統級EMC設計思想：綜合考（kǎo）慮電器部（bù）件性能及功能完整性、可靠性、技術成本、車身輕量（liàng）化、產品上市周期等各種因素，確定布局和技術控製狀態，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（xiào）的方式將接地（dì）、屏蔽及濾波等（děng）設計思想及具體措（cuò）施實施到產品或係統中，在測（cè）試階（jiē）段做出詳（xiáng）細的EMC測試評價、優化及管理，最終形成一套可（kě）行性高的正向開發設計方法或流程。

在產品（pǐn）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（jiē）段組成：計劃定義和項目、產品設計和開發驗證、過程設計和開發驗證、產品和過程確認，以及反饋（kuì）、評（píng）估和糾正措（cuò）施，APQP 進度圖如圖 1 所示。

圖 1 APQP 進度圖

借鑒APQP流程，電動汽車係統級EMC開發流程（chéng） 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（tài）凍結階段以（yǐ）及EMC評（píng）估、評審和（hé）優化階段。

上述各階段（duàn）需要車型設計總師、項目經理、EMC專家（jiā）、EMC工程（chéng）師、電氣工程師、線束工程師、總（zǒng）布置工程（chéng）師、結構工程師（shī）、測試工程（chéng）師以及各電器部件供應商等協作參與，共同完成。

2、電動（dòng）汽車係（xì）統級EMC設計開發流程

2.1 EMC 規劃（huá）階（jiē）段

本階段工作內容是在分析整（zhěng）車技（jì）術規範（Vehicle Technical Specification，簡稱（chēng）VTS）初稿（gǎo）的基礎上，對表1中列舉的內容進行研究，重點掌握現有電（diàn）器部件EMC特性，並編寫整車（chē）EMC設計指導書等報告，為EMC係統架構布局提供（gòng）重要依據。

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（jiē）段是整車係統級EMC 開（kāi）發流程中最為關鍵的一步，其核心工作內容（róng）可歸結為“先由麵建點，再由點連線"。

“麵"即為由（yóu）車身、車身支架、12 V 蓄電池負極等建立的參考地。

“點"為車（chē）載電器部件，以規劃階段編寫的《高壓部件布局（jú）布置指導（dǎo）性設計報告》、《CAN 網絡線束布局布置指導性設計規範》等（děng）報告（gào）為指導，綜合考（kǎo）慮車身數模及電器零部件初（chū）版數模，對車載關鍵電器部件（jiàn）進行布局（jú）。優先進（jìn）行動力蓄電池布置；根據驅動方式、冷（lěng）卻係統、可安裝位（wèi）置、質心（xīn）坐（zuò）標等確定電機本（běn）體大致布置；結合功能性要（yào）求、碰撞安（ān）全性法規要求、IP 防護、安裝便利性、美（měi）觀等，確定其它電器（qì）部件布局。“點"還包括抽象的接地點，隨著電器（qì）部件布局位置確認而確定。接地點的選取應以就近接地、係統接地網絡的合理、可維護為原（yuán）則。

“線"即為前麵建立的各“點"之（zhī）間的互連線纜，是整車電氣係統的（de）重要組成部分。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交（jiāo）叉、走向美觀、安裝固定方便。以i-MiEV 車（chē）底盤（pán）下線纜布局（見圖2）為例（lì），其線纜短、線纜無交叉的特點顯而易見。

圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布（bù）局（網絡資料）

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

整車EMC架（jià）構布局需要（yào）綜合考慮各種技術（shù）要求，並將EMC技術融入到產品（pǐn）架構設計中去。圖3為某型號電動汽車布局差異對比圖，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，整車（chē）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（jiē）器（qì）選型等均存在較大差異，說明若布局階段“點"規劃不合（hé）理，會導致整車（chē）電氣係（xì）統架構布局的變更，其對整車設計成本、上（shàng）市周期等（děng）均帶來（lái）較大變化。整車設（shè）計（jì）初（chū）期（qī），不建議所有電器（qì）部件都做出開模計劃，同時從整車設（shè）計角度，“點"也應該符合“麵"的規劃，即（jí）使一些電器部件前期已開模且適用（yòng）於一些（xiē）車型，也應該根（gēn）據本（běn）車型布置要求，在評審後重新製定開模計劃。

（a）布局淩亂（luàn）

（b）布局整齊

圖3 某型號（hào）電動汽車布局差異對比（網絡資料）

圖4為（wéi）某車型不合理的電（diàn）機係統（電機和電（diàn）機（jī）控製器）布局圖，該布局導致U、V、W 線纜過長，根（gēn）據設計經驗，該方案存在輻射（shè）發射超標風險，EMC評審不通過，該布局方案未獲批準。

圖4 某車型前期不合理的電機係統布局圖

布局合（hé）理最基礎，其經濟性也（yě）最高（gāo）。車內電子通信（xìn）設備（bèi）的日益增多使（shǐ）互連係統的排布密度大（dà）幅度增加， 加上車載係統狹小的內部空間，因而對（duì）前期係統架構布 局提出了更高的要（yào）求。表2列舉了本（běn）階（jiē）段主要輸出報告。

表 2 EMC 係統（tǒng）架構布局（jú）階段主要輸（shū）出報（bào）告

2.3 EMC 設計（jì）階段

EMC設計雖（suī）然不是什麽新鮮技術，但其需要大量專業設計、製造工藝（yì）以及管理等知識的支撐，並要參考一切可以指導團隊和員工決策或行動的信息、標準、規範、法則及經驗，最終形成用於指（zhǐ）導生產的設計知識體係，研發（fā）過（guò）程中知識流動和轉換框圖如圖 5 所示。

圖5 新產品研發中（zhōng）知識的流動和（hé）轉換框（kuàng）圖

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

表 3 EMC 設計階段（duàn）主要輸出報告

接地設計主要包括接（jiē）地線的工藝、接地（dì）螺栓和螺母選型、接地點防腐蝕（shí）處理工藝（yì）設計等。圖 6為某型號（hào）電動（dòng）汽車（chē）接地設計細節，可作為參考。

（a）接地（dì）線和接地螺栓

（b）接地線和接地螺母（mǔ）

圖6 某型號電動汽車接地設計（網絡資料）

屏蔽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蔽設計技（jì）術巧妙結（jié）合在一起，體現 EMC 設（shè）計技術和藝術的完.美結合，是（shì）本部分的難點。由於殼體（tǐ）開模成（chéng）本較高（gāo），建議全新開模（mó）在評（píng）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，還要考慮成本、機械強度（dù）等（děng）特性（xìng）。當整個電纜（lǎn）受到過多的機（jī）械、天氣和潮濕的影響時，影響最嚴重的屏蔽部分（fèn）就是（shì）連接處（chù），通常（cháng）使用5年之後性（xìng）能將下降一個數量級（20 dB）。

對於多（duō）電纜（lǎn）入（rù）口的機箱殼體，為保證屏蔽連接的（de）連續性，電纜屏蔽連接方法可參考圖 7。

（a）線纜屏蔽層和殼（ké）體端接

（b）線纜（lǎn）端連接（jiē）夾具

圖（tú） 7 多電（diàn）纜屏蔽層和殼體電（diàn）連接（網絡（luò）資料（liào））

（a）電機本體 （b）電機及集成控製（zhì）器

圖（tú）8 某（mǒu）型號電動汽車電機（jī）係統（tǒng）設計（網絡資料）

若考慮成本（běn），部件屏蔽設計難以做到完.美，可考慮係（xì）統級解決措施。圖8為某型號電動汽車電機係統設計，為降低 U、V、W 線纜（lǎn）可能帶來的輻射發射問題，其在電機端增加一金屬屏蔽盒（hé），在提高（gāo） EMC設計的同時提（tí）高了（le）IP防（fáng）護等級。

2.4 EMC 係統測試及狀態凍結階段

係統電磁兼容試驗技術包括：試驗規範製定（dìng）、標準製定、項目選擇、實施方法、場地建（jiàn）設、誤差（chà）處理等技術和過程。為保證EMC測試的一致性，係統測試必須在標準的試驗環境下進行（háng）。根據自身條件建立相應測試環境或選擇測試機（jī）構，都是不錯的選擇（zé），為節省測試費用而犧牲零部件或整車EMC性能的做法必（bì）將付出沉重的（de）代價。

若脫離整車測試驗證環節，零部件EMC設計很可能出現設計（jì）不足或過設計問（wèn）題。EMC 係統測試是（shì）係統級（jí）EMC設計流程中重要的（de）環節（jiē），既用於驗證整車 EMC 設計（jì）的合理性，又為設計方案優化（huà）、評審及凍（dòng）結提供依據。在驗（yàn）證（zhèng）各電器（qì）部件EMC設計符（fú）合性的前提下，驗證零部件EMC測試數據和整車測試數據（jù）的關聯性，根據（jù）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行嚐試性優化整改，在整改效果（guǒ）難以滿足整車測試（shì）需求的前提下，對零部件EMC指（zhǐ）標進行有針對性的更（gèng）改，根據整改便利性、成本、可靠性、開（kāi）發周期等因（yīn）素確認零部件更改比重，並（bìng）保證足（zú）夠的（de）裕（yù）量，從而降低因不確定性等因素帶來的誤差（chà），保證整車測試的一致性（xìng）。

狀（zhuàng）態凍結階段（duàn），需要隨機抽樣同一批次各電器（qì）部件多台進行測試，在測試數據一致（zhì）性（xìng）評（píng）審通過後，凍結零部件EMC設計。同樣，隻有整（zhěng）車測試具有足夠的一致性和裕量（liàng），整車（chē）EMC 設計數據才（cái）能凍結。

本階段主要輸出報告有：《電器部件 EMC 測試分 析報告》、《整車測試分析報告》、《係統設計優化分 析報告》、《XX 零（líng）部件EMC優化設計分析報告》、《接地線（含（hán）接地（dì）螺栓、螺母）鹽霧等試驗分析報告）》、《接地線阻抗測（cè）試報告》、《接地點防腐處理工藝設（shè）計評審 報告》、《接（jiē）地點可維護性評審報（bào）告》、《電器部件殼體數模凍結報告》、《電器部件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（píng）審（shěn）和優化階段

本階段（duàn）貫（guàn）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（shè）計和整（zhěng）車設計具有一定的同步性。評估、評審時既要考慮功能完（wán）整性、技（jì）術先進性、可靠性（xìng）、安全性等設計因素，還需要 EMC 專家的技術（shù）指導，同時又要綜合考（kǎo）慮設計美 觀度、可（kě）維護性、可工（gōng）程（chéng）化、成本等其它（tā）因（yīn）素。

簡單合（hé）理的（de）設計是最.好.的設計，這無疑（yí）在節約成本，提高產品良品率，加快上市時間的同時，讓（ràng）電動汽車EMC設計的風險降（jiàng）至最.低，所以評估、評審階段還應（yīng）堅持簡單的原則（zé）。

電動汽車功率部件（jiàn）越來越呈現出小型化、集成化的技術趨（qū）勢（shì），功率（lǜ）部件的EMC設計仍將是整車EMC設（shè）計（jì）的重要內容之一。為提高續航裏程而增大電（diàn）池（chí）結（jié）構，從而使（shǐ）整車電器係統布局更緊湊，部件間EMI問題更突出。智能化、高（gāo）頻化等電子電器的安裝加劇了整車通（tōng）過GB 14023測試的難度，所以，評估、評審階段（duàn）還應堅持與時俱進（jìn）的原則。

3、結語

本文從工程應用設計的角度，對整車係統級EMC設計流程做了詳細描述，而對設計細節以及EMC 指標的（de）量（liàng）化未做具（jù）體描述，但整（zhěng）個設計（jì）流程還是非常清晰的。采用係統方法，按照特定的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（dòng），最.大.程.度地減少研發活動的反（fǎn）複和耦合，使複雜、模（mó）糊、混亂的EMC研發活動流程（chéng）化，從而提高了EMC設計工作的效率和質量，縮短了開發周期，減少了研（yán）發成本及產品生命周期的總成本。

在設計和選用電源濾波（bō）器的過程中，係統工程師發現（xiàn），加（jiā）了濾波器以後作用不大，甚至會發生某些頻段的噪聲變大。

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

4、總結

本文所述示例說明（míng）了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性。目前（qián）電動汽車電子電器零部件越來越多，整車電氣（qì）係統（包括各電器部件、互連線纜以及車身架構等）建立的電磁環境也越來越複雜，如何根據各電器部件自身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研究的重點和關鍵。

（文章來自（zì）電（diàn）動車資源網）