電動(dòng)汽車系統(tǒng)級(jí)EMC開(kāi)發(fā)方法

引言

電動(dòng)汽車車載電器部件要滿足相應(yīng)EMC技術(shù)要求，就應(yīng)考慮其內(nèi)部元器件和導(dǎo)線的合理布排，并做相應(yīng)的測(cè)試及優(yōu)化工作。由于整車電氣系統(tǒng)為各電器部件及連接線纜的集成體，設(shè)備之間的相互影響加劇了電磁環(huán)境的復(fù)雜性，部件級(jí)EMC測(cè)試和整車EMC測(cè)試關(guān)聯(lián)解析難度大。同時(shí)各車型在功能、市場(chǎng)定位、系統(tǒng)架構(gòu)與布局、零部件電磁特性、集成度等方面可能存在較大差異，很難給出一個(gè)或一組統(tǒng)一的定量化指標(biāo)去適合于所有電動(dòng)汽車。

在EMC設(shè)計(jì)、管理等方面，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車廠普遍存在以下幾方面問(wèn)題：①EMC工作主要由EMC工程師開(kāi)展，缺乏系統(tǒng)內(nèi)協(xié)作；②EMC工作主要圍繞電器部件及整車的EMC測(cè)試展開(kāi)，EMC設(shè)計(jì)不足；③電器部件EMC設(shè)計(jì)和整車EMC設(shè)計(jì)脫節(jié)，EMC問(wèn)題幾乎全部由車載電器部件承擔(dān)責(zé)任；④企業(yè)歷史短，缺乏專業(yè)的EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，缺乏規(guī)范的EMC研發(fā)、管理流程。

本文參考系統(tǒng)級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)思想，并借鑒國(guó)外電動(dòng)汽車的優(yōu)秀EMC設(shè)計(jì)方法，提出一種電動(dòng)汽車系統(tǒng)級(jí)EMC開(kāi)發(fā)方法，該方法建立的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程貫穿實(shí)施于車輛開(kāi)發(fā)各流程中，整車一次性通過(guò)EMC法規(guī)測(cè)試，并做到了系統(tǒng)內(nèi)的良好兼容性。

1、電動(dòng)汽車系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題在分析方法、設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)方法方面，均為系統(tǒng)工程問(wèn)題。

電動(dòng)汽車系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)思想：綜合考慮電器部件性能及功能完整性、可靠性、技術(shù)成本、車身輕量化、產(chǎn)品上市周期等各種因素，確定布局和技術(shù)控制狀態(tài)，選取材料、結(jié)構(gòu)和工藝，在車輛研發(fā)的各階段，以最低的成本、最有效的方式將接地、屏蔽及濾波等設(shè)計(jì)思想及具體措施實(shí)施到產(chǎn)品或系統(tǒng)中，在測(cè)試階段做出詳細(xì)的EMC測(cè)試評(píng)價(jià)、優(yōu)化及管理，最終形成一套可行性高的正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法或流程。

在產(chǎn)品質(zhì)量前期策劃（advanced product quality planning，簡(jiǎn)稱APQP）過(guò)程中，新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程一般由5個(gè)階段組成：計(jì)劃定義和項(xiàng)目、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)驗(yàn)證、過(guò)程設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)驗(yàn)證、產(chǎn)品和過(guò)程確認(rèn)，以及反饋、評(píng)估和糾正措施，APQP進(jìn)度圖如圖1所示。

圖1 APQP進(jìn)度圖

借鑒APQP流程，電動(dòng)汽車系統(tǒng)級(jí)EMC開(kāi)發(fā)流程可包括：EMC規(guī)劃階段、EMC系統(tǒng)架構(gòu)布局階段、EMC設(shè)計(jì)階段、EMC系統(tǒng)測(cè)試及狀態(tài)凍結(jié)階段以及EMC評(píng)估、評(píng)審和優(yōu)化階段。

上述各階段需要車型設(shè)計(jì)總師、項(xiàng)目經(jīng)理、EMC專家、EMC工程師、電氣工程師、線束工程師、總布置工程師、結(jié)構(gòu)工程師、測(cè)試工程師以及各電器部件供應(yīng)商等協(xié)作參與，共同完成。

2、電動(dòng)汽車系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

2.1 EMC規(guī)劃階段

本階段工作內(nèi)容是在分析整車技術(shù)規(guī)范（Vehicle Technical Specification，簡(jiǎn)稱VTS）初稿的基礎(chǔ)上，對(duì)表1中列舉的內(nèi)容進(jìn)行研究，重點(diǎn)掌握現(xiàn)有電器部件EMC特性，并編寫整車EMC設(shè)計(jì)指導(dǎo)書等報(bào)告，為EMC系統(tǒng)架構(gòu)布局提供重要依據(jù)。

表1 EMC規(guī)劃階段主要工作內(nèi)容

2.2 EMC系統(tǒng)架構(gòu)布局階段

本階段是整車系統(tǒng)級(jí)EMC開(kāi)發(fā)流程中最為關(guān)鍵的一步，其核心工作內(nèi)容可歸結(jié)為“先由面建點(diǎn)，再由點(diǎn)連線”。

“面”即為由車身、車身支架、12 V蓄電池負(fù)極等建立的參考地。

“點(diǎn)”為車載電器部件，以規(guī)劃階段編寫的《高壓部件布局布置指導(dǎo)性設(shè)計(jì)報(bào)告》、《CAN網(wǎng)絡(luò)線束布局布置指導(dǎo)性設(shè)計(jì)規(guī)范》等報(bào)告為指導(dǎo)，綜合考慮車身數(shù)模及電器零部件初版數(shù)模，對(duì)車載關(guān)鍵電器部件進(jìn)行布局。優(yōu)先進(jìn)行動(dòng)力蓄電池布置；根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式、冷卻系統(tǒng)、可安裝位置、質(zhì)心坐標(biāo)等確定電機(jī)本體大致布置；結(jié)合功能性要求、碰撞安全性法規(guī)要求、IP防護(hù)、安裝便利性、美觀等，確定其它電器部件布局?！包c(diǎn)”還包括抽象的接地點(diǎn)，隨著電器部件布局位置確認(rèn)而確定。接地點(diǎn)的選取應(yīng)以就近接地、系統(tǒng)接地網(wǎng)絡(luò)的合理、可維護(hù)為原則。

“線”即為前面建立的各“點(diǎn)”之間的互連線纜，是整車電氣系統(tǒng)的重要組成部分。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉、走向美觀、安裝固定方便。以i-MiEV車底盤下線纜布局（見(jiàn)圖2）為例，其線纜短、線纜無(wú)交叉的特點(diǎn)顯而易見(jiàn)。

圖2 i-MiEV車底盤下線纜布局（網(wǎng)絡(luò)資料）

優(yōu)先考慮系統(tǒng)布局這一策略是成本最劃算的一種EMC設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行布局劃分，使對(duì)干擾電流的控制成為可能。

整車EMC架構(gòu)布局需要綜合考慮各種技術(shù)要求，并將EMC技術(shù)融入到產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)中去。圖3為某型號(hào)電動(dòng)汽車布局差異對(duì)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(guī)范，整車碰撞安全性也更高。兩種布置方案下電器部件殼體設(shè)計(jì)、連接器選型等均存在較大差異，說(shuō)明若布局階段“點(diǎn)”規(guī)劃不合理，會(huì)導(dǎo)致整車電氣系統(tǒng)架構(gòu)布局的變更，其對(duì)整車設(shè)計(jì)成本、上市周期等均帶來(lái)較大變化。整車設(shè)計(jì)初期，不建議所有電器部件都做出開(kāi)模計(jì)劃，同時(shí)從整車設(shè)計(jì)角度，“點(diǎn)”也應(yīng)該符合“面”的規(guī)劃，即使一些電器部件前期已開(kāi)模且適用于一些車型，也應(yīng)該根據(jù)本車型布置要求，在評(píng)審后重新制定開(kāi)模計(jì)劃。

（a）布局凌亂

（b）布局整齊

圖3某型號(hào)電動(dòng)汽車布局差異對(duì)比（網(wǎng)絡(luò)資料）

圖4為某車型不合理的電機(jī)系統(tǒng)（電機(jī)和電機(jī)控制器）布局圖，該布局導(dǎo)致U、V、W線纜過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該方案存在輻射發(fā)射超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，EMC評(píng)審不通過(guò)，該布局方案未獲批準(zhǔn)。

圖4某車型前期不合理的電機(jī)系統(tǒng)布局圖

布局合理最基礎(chǔ)，其經(jīng)濟(jì)性也最高。車內(nèi)電子通信設(shè)備的日益增多使互連系統(tǒng)的排布密度大幅度增加，加上車載系統(tǒng)狹小的內(nèi)部空間，因而對(duì)前期系統(tǒng)架構(gòu)布局提出了更高的要求。表2列舉了本階段主要輸出報(bào)告。

表2 EMC系統(tǒng)架構(gòu)布局階段主要輸出報(bào)告

2.3 EMC設(shè)計(jì)階段

EMC設(shè)計(jì)雖然不是什么新鮮技術(shù)，但其需要大量專業(yè)設(shè)計(jì)、制造工藝以及管理等知識(shí)的支撐，并要參考一切可以指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)和員工決策或行動(dòng)的信息、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法則及經(jīng)驗(yàn)，最終形成用于指導(dǎo)生產(chǎn)的設(shè)計(jì)知識(shí)體系，研發(fā)過(guò)程中知識(shí)流動(dòng)和轉(zhuǎn)換框圖如圖5所示。

圖5新產(chǎn)品研發(fā)中知識(shí)的流動(dòng)和轉(zhuǎn)換框圖

EMC設(shè)計(jì)階段主要圍繞EMC三個(gè)措施（即接地、屏蔽和濾波）展開(kāi)，本階段主要的設(shè)計(jì)輸出報(bào)告如表3所示。

表3 EMC設(shè)計(jì)階段主要輸出報(bào)告

接地設(shè)計(jì)主要包括接地線的工藝、接地螺栓和螺母選型、接地點(diǎn)防腐蝕處理工藝設(shè)計(jì)等。圖6為某型號(hào)電動(dòng)汽車接地設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，可作為參考。

（a）接地線和接地螺栓

（b）接地線和接地螺母

圖6某型號(hào)電動(dòng)汽車接地設(shè)計(jì)（網(wǎng)絡(luò)資料）

屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一在于高低壓電器部件殼體設(shè)計(jì)，如何將工業(yè)設(shè)計(jì)等技術(shù)和殼體屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)巧妙結(jié)合在一起，體現(xiàn)EMC設(shè)計(jì)技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合，是本部分的難點(diǎn)。由于殼體開(kāi)模成本較高，建議全新開(kāi)模在評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后確定。

應(yīng)當(dāng)指出，在選用屏蔽線纜時(shí)，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考慮成本、機(jī)械強(qiáng)度等特性。當(dāng)整個(gè)電纜受到過(guò)多的機(jī)械、天氣和潮濕的影響時(shí)，影響最嚴(yán)重的屏蔽部分就是連接處，通常使用5年之后性能將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)（20 dB）。

對(duì)于多電纜入口的機(jī)箱殼體，為保證屏蔽連接的連續(xù)性，電纜屏蔽連接方法可參考圖7。

（a）線纜屏蔽層和殼體端接

（b）線纜端連接夾具

圖7多電纜屏蔽層和殼體電連接（網(wǎng)絡(luò)資料）

（a）電機(jī)本體（b）電機(jī)及集成控制器

圖8某型號(hào)電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（網(wǎng)絡(luò)資料）

若考慮成本，部件屏蔽設(shè)計(jì)難以做到完美，可考慮系統(tǒng)級(jí)解決措施。圖8為某型號(hào)電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為降低U、V、W線纜可能帶來(lái)的輻射發(fā)射問(wèn)題，其在電機(jī)端增加一金屬屏蔽盒，在提高EMC設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了IP防護(hù)等級(jí)。

2.4 EMC系統(tǒng)測(cè)試及狀態(tài)凍結(jié)階段

系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)包括：試驗(yàn)規(guī)范制定、標(biāo)準(zhǔn)制定、項(xiàng)目選擇、實(shí)施方法、場(chǎng)地建設(shè)、誤差處理等技術(shù)和過(guò)程。為保證EMC測(cè)試的一致性，系統(tǒng)測(cè)試必須在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行。根據(jù)自身?xiàng)l件建立相應(yīng)測(cè)試環(huán)境或選擇測(cè)試機(jī)構(gòu)，都是不錯(cuò)的選擇，為節(jié)省測(cè)試費(fèi)用而犧牲零部件或整車EMC性能的做法必將付出沉重的代價(jià)。

若脫離整車測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)，零部件EMC設(shè)計(jì)很可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)不足或過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題。EMC系統(tǒng)測(cè)試是系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)流程中重要的環(huán)節(jié)，既用于驗(yàn)證整車EMC設(shè)計(jì)的合理性，又為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、評(píng)審及凍結(jié)提供依據(jù)。在驗(yàn)證各電器部件EMC設(shè)計(jì)符合性的前提下，驗(yàn)證零部件EMC測(cè)試數(shù)據(jù)和整車測(cè)試數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)整車測(cè)試中暴露出來(lái)的問(wèn)題，首先對(duì)整車系統(tǒng)內(nèi)接地措施進(jìn)行嘗試性優(yōu)化整改，在整改效果難以滿足整車測(cè)試需求的前提下，對(duì)零部件EMC指標(biāo)進(jìn)行有針對(duì)性的更改，根據(jù)整改便利性、成本、可靠性、開(kāi)發(fā)周期等因素確認(rèn)零部件更改比重，并保證足夠的裕量，從而降低因不確定性等因素帶來(lái)的誤差，保證整車測(cè)試的一致性。

狀態(tài)凍結(jié)階段，需要隨機(jī)抽樣同一批次各電器部件多臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試數(shù)據(jù)一致性評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，凍結(jié)零部件EMC設(shè)計(jì)。同樣，只有整車測(cè)試具有足夠的一致性和裕量，整車EMC設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)才能凍結(jié)。

本階段主要輸出報(bào)告有：《電器部件EMC測(cè)試分析報(bào)告》、《整車測(cè)試分析報(bào)告》、《系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析報(bào)告》、《XX零部件EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)分析報(bào)告》、《接地線（含接地螺栓、螺母）鹽霧等試驗(yàn)分析報(bào)告）》、《接地線阻抗測(cè)試報(bào)告》、《接地點(diǎn)防腐處理工藝設(shè)計(jì)評(píng)審報(bào)告》、《接地點(diǎn)可維護(hù)性評(píng)審報(bào)告》、《電器部件殼體數(shù)模凍結(jié)報(bào)告》、《電器部件EMC設(shè)計(jì)方案凍結(jié)報(bào)告》、《XX車型EMC設(shè)計(jì)方案凍結(jié)報(bào)告》等。

2.5 EMC評(píng)估、評(píng)審和優(yōu)化階段

本階段貫穿于系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)的整個(gè)流程中，每個(gè)階段的評(píng)估、評(píng)審和優(yōu)化，必須保證零部件設(shè)計(jì)和整車設(shè)計(jì)具有一定的同步性。評(píng)估、評(píng)審時(shí)既要考慮功能完整性、技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、安全性等設(shè)計(jì)因素，還需要EMC專家的技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)又要綜合考慮設(shè)計(jì)美觀度、可維護(hù)性、可工程化、成本等其它因素。

簡(jiǎn)單合理的設(shè)計(jì)是最好的設(shè)計(jì)，這無(wú)疑在節(jié)約成本，提高產(chǎn)品良品率，加快上市時(shí)間的同時(shí)，讓電動(dòng)汽車EMC設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，所以評(píng)估、評(píng)審階段還應(yīng)堅(jiān)持簡(jiǎn)單的原則。

電動(dòng)汽車功率部件越來(lái)越呈現(xiàn)出小型化、集成化的技術(shù)趨勢(shì)，功率部件的EMC設(shè)計(jì)仍將是整車EMC設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。為提高續(xù)航里程而增大電池結(jié)構(gòu)，從而使整車電器系統(tǒng)布局更緊湊，部件間EMI問(wèn)題更突出。智能化、高頻化等電子電器的安裝加劇了整車通過(guò)GB 14023測(cè)試的難度，所以，評(píng)估、評(píng)審階段還應(yīng)堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)的原則。

3、結(jié)語(yǔ)

本文從工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的角度，對(duì)整車系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)流程做了詳細(xì)描述，而對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及EMC指標(biāo)的量化未做具體描述，但整個(gè)設(shè)計(jì)流程還是非常清晰的。采用系統(tǒng)方法，按照特定的邏輯來(lái)組織研發(fā)過(guò)程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發(fā)活動(dòng)，最大程度地減少研發(fā)活動(dòng)的反復(fù)和耦合，使復(fù)雜、模糊、混亂的EMC研發(fā)活動(dòng)流程化，從而提高了EMC設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期，減少了研發(fā)成本及產(chǎn)品生命周期的總成本。

在設(shè)計(jì)和選用電源濾波器的過(guò)程中，系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)，加了濾波器以后作用不大，甚至?xí)l(fā)生某些頻段的噪聲變大。

OBC內(nèi)部均設(shè)計(jì)了濾波單元，但由于濾波單元設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等）或受布局空間所限安裝位置不合理等原因，濾波器實(shí)際抑制干擾能力較差，傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象較明顯。

4、總結(jié)

本文所述示例說(shuō)明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設(shè)計(jì)的重要性。目前電動(dòng)汽車電子電器零部件越來(lái)越多，整車電氣系統(tǒng)（包括各電器部件、互連線纜以及車身架構(gòu)等）建立的電磁環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，如何根據(jù)各電器部件自身EMC特性以及所處的電磁環(huán)境等因素，將EMC措施合理體現(xiàn)在整車設(shè)計(jì)中應(yīng)是研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

審核編輯 ：李倩