【導讀】燃料電池汽車電磁兼容測試的主要目的是要達到測量結果的準確性、可重復性，從而分析電磁干擾的發生機理，解決騷擾源及切斷干擾傳播通道。針對燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進行機理分析、設計分析、理論研究，詳細介紹了汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗，并對相關試驗結果進行了分析。
汽車電器的電磁兼容環境應是一個設備共存、互不干擾的環境, 這就要求系統
具備良好的EMI和EMS 特性。造成電器功能降級或失效的電磁干擾的發生必須同時具備3個要素: 干擾源、耦合途徑以及敏感設備，而要從根本上解決電磁兼容問題就必須采取各種方式抑制干擾源、阻斷耦合途徑以及提高敏感設備的抗擾度。下面將對 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進行分析研究；介紹汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗，并對相關試驗結果進行分析。
1 燃料電池汽車電磁兼容性分析
燃料電池汽車（FCV-Fuel Cell Vehicle）其車載騷擾源為燃料電池發動機、燃料電池堆高壓系統、DC/DC、輔助電池充放電、動力傳動等。電壓和電流的快速暫態會產生輻射和噪音，距離這些設備較近的電子設備有可能產生故障，特別是電機驅動模塊的快速整流、電機啟動、高壓輻射更會引起較高場強的傳導及輻射騷擾。因此對燃料電池汽車進行EMC設計時，可以根據電磁場的產生和傳播原理對主干擾源、敏感元及傳遞途徑進行理論研究，建立汽車環境中的EMC數學模型，通過對模型研究和仿真分析，提供實際汽車系統的EMC預期指標。
汽車環境中的EMC數學模型
根據電磁場的特性、Maxwell方程、汽車外形等，建立空間電磁場分布數學方程，并以此為基礎，建立汽車EMC數學模型。模型要求可方便改變汽車外形參數，干擾源的數量、位置（汽車內部位置、外部位置）及各自的頻段和強度，模型要考慮汽車外殼的局部電磁屏蔽功能和多次反射折射（透射）的影響。
汽車EMC的仿真分析
根據汽車EMC數學模型，對主干擾源、敏感元件等進行仿真分析，顯示空間電磁場的分布，定點頻率幅值曲線。研究汽車工作環境的EMC各種預防方法的優缺點，抑制騷擾產生和傳播的措施等，輸出各種方法的對比曲線。
建立的數學模型，必須經過3 個以上實際系統的仿真分析，仿真分析結果與實際檢測的結果要有一致性，具體點最大誤差不超過±5dB。在此基礎上，再進行FCV的電磁兼容設計。初期電磁兼容設計應進行以下研究：
- 干擾源的分析（干擾的產生、性質、特征）
- 干擾信號的傳播方式和傳播途徑
- 干擾效應（干擾信號與設備之間相應的響應特征）
- 限制干擾的方法和措施
- 干擾的測量和計算
- 干擾模擬（包括干擾條件再現、干擾機理模擬）
- 預計的抗干擾試驗（包括相應的干擾限值、測試方法、評定標準）
車輛在行駛過程中，干擾源有兩種，一種是車外輻射騷擾源，另一種是車載騷擾源。其表現形式主要依據干擾源的頻譜特性，如無線電臺、接收機、工業高頻發生器等窄頻帶干擾源；平行駛過的內燃機汽車、高空（地下）高壓線、整流馬達等間歇性寬帶干擾源；靜電放電、雷電電磁脈沖等瞬態寬帶干擾源。
對于車外干擾源，無法采取主動的防護措施，所以電磁兼容對于整車所要設計的是被動防護設計，即從傳播方式和增強防護能力考慮。對于車載干擾源，可采用屏蔽、緩沖器、軟開關的方式來抑制干擾。
電磁耦合的途徑主要有：以阻性、容性為特性的電耦合；以感性為特征的磁耦合；以高頻輻射為特征的射線耦合。燃料電池發動機的啟動及加速、輔助電源的充放電、動力傳動系統的電機驅動器等會以電耦合的方式干擾附近器件或發出傳導騷擾，干擾電源線以及車載無線電等通訊、娛樂部件。燃料電池堆高壓系統、DC/DC等器件在工作模式轉換時會產生很強的射頻輻射，超出標準限值，對外界造成射線污染。
在燃料電池汽車上，一些無線電裝置、音頻/聲頻娛樂系統、導航及一些低壓、微信號控制部件都屬于電磁敏感器件，暫態干擾及靜電放電都會對其產生損壞性，根據干擾源的特點，可采取屏蔽、擴頻、共地等方法，增強電磁防護能力。
2 燃料電池汽車整車控制器的電磁兼容設計
整車控制器（VMS，vehicle management Syetem），即動力總成控制器。作為汽車的指揮管理中心，動力總成控制器主要功能包括：驅動力矩控制、制動能量的優化控制、整車的能量管理、CAN網絡的維護和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態監視等，它起著控制車輛運行的作用。
由于整車控制器應用環境干擾嚴重，存在多種噪聲和耦合方式；因此除了完善的功能外，還應該有較強的抗干擾能力?？梢赃\用下述電磁兼容設計方法對其進行 干擾抑制。
（1）接地
整車控制器的接地以抗外界干擾為主要目的，屬于信號接地。它采用了“滿接地”方式，即在除傳輸導線及元器件所占用的地方以外，全部接地，這樣既減少了地阻抗，同時也起到了屏蔽作用。由于信號線與地線之間的距離僅為線路板層間距離。高頻電路總是選擇環路面積最小的路徑流動，因此，實際的電流總是在信號線正下方的地線面上流動。這樣，自然就形成了最小的信號環路面積，從而減小了差模輻射。
（2）隔離
整車控制器的電磁隔離采用了輸入、輸出全光電隔離。光電耦合器的輸入阻抗很低（一般為100 ～1000Ω），干擾很大，因此傳輸到光電耦合器的干擾電壓就變得很小了；并且干擾源的內阻都很大，雖然可以產生一定的干擾電壓，但能量較小，只能形成微弱的電流，而光電耦合器的發光二級管只有通過一定的電流才發光，因此，即使是電壓的幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，也不能使二級管發光，干擾就被抑制了；光電耦合器是在一個密封的管殼內進行的，不受外界的影響。
（3）濾波
傳感器故障和外部信號干擾是引起整車控制器工作失常的重要因素。對于模擬信號，由于正常工作時所輸出的信號都有一定范圍，因此在電磁兼容設計時，常對模擬量采用低通濾波器，阻止高頻信號通過。當存在高速跳變的數字信號時，會產生阻抗噪聲，在整車控制器電磁兼容設計中，常采取在控制器電源端口加入濾波器的方式來抑制電源端的噪聲，其中大容量的電容負責進行高通濾波，小容量的電容負責進行低通濾波。
（4）PCB設計
整車控制器的電路模板采用了六層電路板的設計，相對于雙面 PCB 而言，多了地線層和電源層，電源平面應靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣接地平面可以對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。電源層、以及排列緊密的信號線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合。兩層信號走線之間的串擾小；電源層 和地線層之間距離較小，因此阻抗很小，適合于電源噪聲解耦。
（5）其他方法
選用集成度高的元器件能夠減少電路板上元器件的數目，可以減少故障率和受干擾的概率。元器件的降額使用。降額設計就是使元件在低于其額定應力下工作。影響系統運行可靠性的應力有：電應力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機械應力。當工作應力高于額定應力時，失效率就會增加。合理的降額是提高元器件和零部件可靠性的有效方式。
3 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性試驗
3.1 騷擾電壓發射試驗
根據騷擾電壓的傳播途徑分為傳導騷擾和輻射騷擾。
兩項試驗參考標準均為GB 18655—2004或CISPR25∶2004，即《 保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值與測量方法》。
3.1.1 傳導騷擾電壓發射試驗
- 試驗目的：防止通過同一供電回路對其它車載電子零部件產生限值以外的干擾。
- 試驗條件：傳導騷擾電壓限值的測量頻率為0.15~108 MHz。
- 試驗布置： 該測試將控制器外圍線路連接好，使控制器滿足于測試條件，電源線長度0.2m，其余按標準布置見圖1。
注：1為ECU;2為測試反饋線;3為風扇負載;4為人工電源網絡;5為蓄電池;6為N 線（數據線連接）。
圖1 圖傳導騷擾電壓試驗布置
根據GB 18655—2004第一部分第四章《對車輛和零部件/模塊發射測量的一般要求》、第6章《僅用于零部件/模塊試驗的試驗設備》和第三部分第11章《零部件/模塊的傳導發射》、第三部分第12章《零部件傳導騷擾限值》的內容，該試驗用于測量ECU電源線上產生的傳導電場干擾的強度，保證其不超過規定的限值(表1)。
表1 表傳導騷擾電壓限值
試驗結果如2圖所示，在500kHz左右的低頻率段有部分超出等級2的限值，在50MHz到100MHz高頻段超出等級2限值。
3.1.2 輻射騷擾電壓發射試驗
- 試驗目的：防止車載無線電通訊和其它車載電子儀器受到輻射騷擾電壓干擾。
- 試驗條件：輻射騷擾電壓限值的測量頻率為0.15~960MHz。
- 試驗布置：將控制器外圍線路連接好，使控制器滿足于測試條件，電源線，信號線都長度1.5m，其余按標準布置見圖3。
圖2 圖傳導騷擾試驗結果
注：1為ECU;2為2m電源線;3為接受天線;4為吸波屏蔽室;5為人工電源網絡。（a）高頻段
注：1為柱狀接收天線。（b）低頻段
圖3 圖輻射騷擾電壓試驗布置
根據GB 18655—2004第一部分第四章《概述之對車輛和零部件/模塊發射測量的一般要求》、第六章《概述之僅用于零部件/模塊試驗的試驗設備》和第三部分第13章《車輛零部件和模塊的測量之零部件/模塊的輻射發射》、第14章《車輛零部件和模塊的測量之零部件輻射騷擾限值》的內容，該試驗用于測量ECU輻射的電場干擾的強度，保證其不超過規定的限值(表2)，同時不影響車輛內的其他電子系統。
表2 表輻射騷擾電壓限值
試驗結果如圖4、圖5和圖6所示，被測設備ECU在低頻段符合限值標準，在高頻段垂直極化40MHz和70MHz左右的位置超過等級2的限值。
圖4 圖低頻段輻射騷擾試驗結果（0.15~6.2MHz）
圖5 圖高頻段輻射騷擾試驗結果（30~1000MHz，水平極化）
圖6 圖高頻段輻射騷擾試驗結果（30~1000MHz，垂直極化）
3.2 大電流注入試驗
- 試驗目的：防止車載其它控制器放電或強磁輻射而造成被測體性能降低或失效。
- 試驗標準：ISO 11452《 道路車輛-窄帶輻射電磁能量產生的電氣干擾-零部件測試法》
- 試驗條件：頻率范圍：1~400 MHz, CW連續波，1 kHz80% 。正弦波調制；停留時間≥1s。
① 1~10MHz時步長為1MHz
② 10~200MHz時步長為2MHz
③ 200~400MHz時步長為20MHz
- 測試距離：1.5m
- 試驗布置：利用電流注入探頭直接感應在控制器連接線束上，用規定的電流等級通過增加感應信號的頻率來進行抗擾性試驗見圖7。
圖7 圖大電流注入試驗布置
控制器采用金屬外殼封裝，對外界電磁場輻射起到較強的抗干擾作用，因此，最大的干擾可能是各種反饋連接線上通過輻射或傳導的方式對控制器產生的干擾。本項試驗利用電流注入探頭直接感應在連接線束上對被測設備進行抗擾性試驗。
根據ISO 11452∶2004第四部分《大中電流注入》的內容，該試驗用于檢驗當線束由輻射電磁場產生共模電流時ECU的抵抗能力。試驗結果見表3 。
表3 表大電流注入試驗結果
3.3 電源線傳導電瞬變干擾試驗
- 試驗目的：驗證同一供電回路中各種控制器工作時可能出現的多種瞬態脈沖的抗干擾能力,如:電源充放電;大功率電機開啟;引擎啟動等多種情形。
- 試驗標準：ISO 7637《 道路車輛—由傳導和耦合造成的電氣干擾》
- 試驗布置：見圖8。控制器滿足于測試條件，模擬汽車現場干擾的多種狀況分別進行如下試驗：
① 針對電源線試驗，按ISO 7637的1，2a，2b，4，5等5種方式進行試驗；
② 針對CAN和I/O端口線進行試驗，按ISO 7637的3a，3b方式進行試驗。
注：1為波形發生器；2為波形控制終端；3為電源線；4為被測設備；5為被測設備監控終端。
圖8 圖電源線傳導電瞬變干擾試驗布置
由于同一供電回路中其他電器（或設備）在工作過程中會產生瞬態騷擾脈沖群，而某些大功率電機（如空調，風扇）在開啟或閉合時，會產生瞬態騷擾脈沖浪涌， 從而引起整個電路系統的供電電壓的降低，這些干擾會影響控制器的正常工作。另外發動機起動電機勵磁時候，會引起整個供電系統電壓的降低，也對控制器造成直接干擾，因此必須進行此項試驗，來驗證統一供電回路中各種控制器工作時有可能出現的多種瞬態脈沖的抗干擾能力。
根據標準ISO 7637∶2004第二部分《針對電源線的瞬態傳導干擾》的內容，該試驗項目用于檢驗ECU抵抗瞬變傳導電磁場干擾能力。
圖9為測試波形脈沖3b時的電壓瞬變干擾波形，測試結果見表4。
圖9 圖電壓瞬變干擾波形
表4 表電源線傳導電瞬變干擾試驗結果
3.4 靜電放電抗擾度試驗
- 試驗目的：防止由于人體接觸或鄰近物體的放電產生的大電流和強磁場對產品造成的損壞。
- 試驗標準：ISO 10605∶2002《 道路車輛—靜電放電產生的電氣干擾》
- 試驗條件：測試電壓:±15kV，放電次數3次。每二次放電時間間隔為5s。
- 試驗布置：該測試控制器不帶電狀態下進行，試驗中，采用間接放電，用放電槍對被試驗對象附近的耦合板實施放電，見圖10。
圖10 圖靜電放電試驗布置
由于人體或其它物體接近或接觸電器裝置的表面時，會出現靜電高壓放電所產生的大電流、高電壓和強磁場，從而引起對電器功能的影響甚至使其功能喪失，因此對于車載總成控制器必需進行靜電放電抗擾度試驗。測試結果見表5。
表5 表靜電放電抗擾度試驗結果
根據ISO 10605第五部分《電子模塊的試驗方法》的內容，該試驗用于檢驗ECU抵抗人身體產生靜電放電的能力。本文的試驗項目中采用的是非接觸放電。
參考文獻
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