電動(dòng)汽車用電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

0引言

新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，促使電驅(qū)系統(tǒng)得到進(jìn)一步的發(fā)展，結(jié)合國家新能源汽車重點(diǎn)科研專項(xiàng)情況看，電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)是新能源車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。電驅(qū)系統(tǒng)是車輛動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其技術(shù)路線多樣，從功能劃分為發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、48V輔助電機(jī)等；從集成程度劃分為一體化動(dòng)力總成、分離式系統(tǒng)、輪轂電機(jī)系統(tǒng)等；從功率模塊形式劃分為IGBT、MOSFET、單管、橋臂等。無論是哪一種形式的電驅(qū)系統(tǒng)，其都將面臨電磁兼容性問題，就電磁騷擾度而言，電機(jī)控制器的功率模塊一般為高壓系統(tǒng)，其開關(guān)工作產(chǎn)生的騷擾較強(qiáng)，是影響車輛電磁騷擾的主要來源；就電磁抗擾度而言，由于電驅(qū)系統(tǒng)故障將直接影響車輛行駛安全性，因此其電磁抗擾度的嚴(yán)酷等級(jí)往往是車輛要求的最高等級(jí)。從技術(shù)角度出發(fā)，電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容性相比其他車載零部件更為突出，其本身控制電路的晶振、驅(qū)動(dòng)電路的電源芯片、MOSFET、功率模塊的IGBT是影響汽車EMI的典型部件，且由于其直接控制車輛行駛，其EMS特性要求也比較高；根據(jù)部件劃分，電驅(qū)系統(tǒng)屬于對(duì)車輛操控和控制起決定性作用，且失效后可能影響到車輛行駛安全的關(guān)鍵部件。

根據(jù)中汽中心電磁兼容室測(cè)試數(shù)據(jù)分析，電驅(qū)系統(tǒng)導(dǎo)致整車公告不合格的比例高達(dá)48%。由于電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容暫時(shí)沒有公告等強(qiáng)制性檢驗(yàn)，電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容以企業(yè)研發(fā)測(cè)試為主，目前國內(nèi)針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容研究多數(shù)停留在整改優(yōu)化層面，部分企業(yè)逐步開始電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容正向開發(fā)的探索，但整體而言電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容性對(duì)實(shí)驗(yàn)室的依賴性比較強(qiáng)。

1電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1國際標(biāo)準(zhǔn)概況

國際上目前沒有專門針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)電磁兼容的CISPR25以及ECER10均提出了相關(guān)電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試的項(xiàng)目，其中：

CISPR25第四版《車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無線電騷擾特性用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測(cè)量方法》中第一次提出高壓系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試方法，且標(biāo)準(zhǔn)中明確給出電驅(qū)臺(tái)架測(cè)試的布置示例（參考CISPR25：2016圖I.10）；但目前CISPR25中關(guān)于電驅(qū)系統(tǒng)測(cè)試僅給出示例圖，關(guān)于測(cè)試工況沒有詳細(xì)描述，且對(duì)測(cè)試布置的接地條件、工裝形式等沒有明確規(guī)定。CISPR25第五版已經(jīng)發(fā)布，但其關(guān)于電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目仍然沒有大的變化。CISPR25僅是保護(hù)車載接收機(jī)的騷擾度測(cè)試項(xiàng)目，并無抗擾度測(cè)試。

ECER10是歐盟提出來的關(guān)于車輛電磁兼容性能認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定，目前最新版為ECER10第七版，ECRR10的測(cè)試項(xiàng)目涵蓋騷擾度、抗擾度、瞬態(tài)等，針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)參考ECER10中規(guī)定的DC供電零部件測(cè)試項(xiàng)目。

另外，電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容性測(cè)試還有ISO7637、ISO11452、ISO10605等國際標(biāo)準(zhǔn)。

1.2國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)概況

相對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)以轉(zhuǎn)化為主，例如GB/T18655—2018依據(jù)CISPR25：2016進(jìn)行轉(zhuǎn)化并在頻段上參考我國國情進(jìn)行調(diào)整，除國際標(biāo)準(zhǔn)一致的項(xiàng)目外，關(guān)于電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容性有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T18488和GB/T36282。

GB/T18488《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)》，其主要規(guī)定的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)測(cè)試限值和方法，涵蓋振動(dòng)、環(huán)境、電磁兼容等多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，GB/T18488經(jīng)歷兩次修訂，第三次修訂工作正在進(jìn)行中，其中，GB/T18488.2—2001規(guī)定了電騷擾性應(yīng)滿足GB14023—2000中輻射騷擾的要求，電磁抗擾度應(yīng)滿足GB/T17619—1998中輻射抗擾度的要求；GB/T18488.2—2006針對(duì)電磁兼容性項(xiàng)目沒有變化，仍然以GB14023和GB/T17619的方法為主；第二次標(biāo)準(zhǔn)修訂版本為GB/T18488.2—2015，由于GB14023和GB/T17619僅規(guī)定了電磁兼容性相關(guān)的測(cè)試限值和方法，標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確電驅(qū)系統(tǒng)如何測(cè)試和布局，GB/T18488.2—2015針對(duì)電磁兼容性的要求為：電磁輻射騷擾試驗(yàn)和電磁輻射抗擾度試驗(yàn)應(yīng)按照制造商或者用戶提供的試驗(yàn)方法進(jìn)行；GB/T18488已經(jīng)啟動(dòng)第三次修訂，目前EMC方法和限值正在討論中。

GB/T36282—2018是專門針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容限值和方法的標(biāo)準(zhǔn)［2］。其針對(duì)騷擾度測(cè)試要求工況為：EUT應(yīng)處于正常工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的50%，扭矩為額定扭矩的50%，機(jī)械輸出負(fù)載達(dá)到持續(xù)功率25%，其中25%功率是反映電驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的車輛典型工況。GB/T36282—2018明確規(guī)定了測(cè)試工況、測(cè)試布置，是滿足電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

2電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1電磁兼容測(cè)試技術(shù)概述

電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容測(cè)試形式多樣，一般分為加載測(cè)試和空載測(cè)試，其中加載測(cè)試比較常見，通常以穿墻軸式電波暗室為主要測(cè)試方式，另外還有移動(dòng)加載方式，被動(dòng)加載方式。圖1所示為穿墻軸式電波暗室加載電磁兼容測(cè)試布局圖。表1所示為不同形式加載實(shí)驗(yàn)室。

從實(shí)際工作原理角度出發(fā)，主動(dòng)加載模式與車輛電驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)模式保持一致，均是電驅(qū)系統(tǒng)提供扭矩；因此主動(dòng)加載方式更加適合電驅(qū)加載電磁兼容測(cè)評(píng)，另外主動(dòng)加載轉(zhuǎn)速和扭矩可調(diào)，且控制精度較高，是目前行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的測(cè)試設(shè)備，但其缺點(diǎn)是價(jià)格較高，投入較大；被動(dòng)臺(tái)架由于其成本較低逐步被一些實(shí)驗(yàn)室使用，其多數(shù)用于摸底研發(fā)測(cè)試。

電驅(qū)系統(tǒng)中影響電磁兼容性的關(guān)鍵部件為逆變器，其電機(jī)及減速器在電磁兼容性方面特征不明顯，因此除去上述使用測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載之外，部分實(shí)驗(yàn)室使用電感負(fù)載模擬電機(jī)進(jìn)行加載測(cè)試。另外，電機(jī)及減速器雖然不會(huì)主動(dòng)影響電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容性，但因其屬于電驅(qū)系統(tǒng)的一部分，采用替代方式會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在一定差異。

除硬件設(shè)備之外，各實(shí)驗(yàn)室也逐步去解決電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試問題，例如軸電流問題導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果較差，可以采用軸接地或者絕緣軸的方式改變軸電流的低阻抗流向，從而改變騷擾度測(cè)試結(jié)果。

電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容性隨著電驅(qū)技術(shù)的發(fā)展發(fā)生變化，2018年以前國內(nèi)乘用車配套電驅(qū)系統(tǒng)均以電機(jī)、電控、減速器的形式出現(xiàn)，其電控通過AC交流線束連接電機(jī)，現(xiàn)在一體化動(dòng)力總成幾乎成為乘用車電驅(qū)系統(tǒng)的必然選擇。一體化動(dòng)力總成減少了三相線束的使用，同步減少了控制器和電機(jī)模具的開孔，因此其電磁兼容特性優(yōu)于分離式系統(tǒng)。另外，多合一控制器逐步成為趨勢(shì)，相較之前電機(jī)控制器、DC/DC控制器、車載充電機(jī)、壓縮機(jī)等系統(tǒng)分別獨(dú)立設(shè)置，現(xiàn)階段七合一控制器涵蓋除動(dòng)力電池之外的所有新能源關(guān)鍵部件；多合一控制器集成高壓、低壓多個(gè)電路板，其串?dāng)_更加嚴(yán)重，因此其面臨的電磁兼容挑戰(zhàn)更大。

2.2電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試水平概述

中汽中心于2013年建立echamber電波暗室實(shí)現(xiàn)電驅(qū)加載EMC測(cè)評(píng)，其見證了國內(nèi)電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的進(jìn)步。

實(shí)驗(yàn)室等硬件設(shè)施的建設(shè)是電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)，近幾年滿足電機(jī)加載電磁兼容的實(shí)驗(yàn)室逐漸增多，如圖2所示，截至2022年底國內(nèi)有31個(gè)電驅(qū)加載EMC實(shí)驗(yàn)室在用。

測(cè)試嚴(yán)酷等級(jí)逐漸提升，2016年多數(shù)企業(yè)摸底測(cè)試僅能通過GB/T18655規(guī)定的等級(jí)1，整改優(yōu)化后可通過等級(jí)2；近幾年國內(nèi)主機(jī)廠逐漸提升其電子部件的電磁兼容性，多數(shù)樣機(jī)測(cè)試滿足等級(jí)3的要求，部分樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)整體通過等級(jí)4或者部分頻段通過等級(jí)5。

3電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)評(píng)發(fā)展趨勢(shì)

3.1一體化動(dòng)力總成電磁兼容測(cè)評(píng)

一體化動(dòng)力總成是乘用車電驅(qū)發(fā)展的趨勢(shì)，目前測(cè)試一體化動(dòng)力總成的方式是將差速器單端焊死，此類單端輸出的加載方式存在一個(gè)弊端：焊死部分堵轉(zhuǎn)會(huì)引起不同程度的機(jī)械結(jié)構(gòu)共振，而此類共振在測(cè)試過程中會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，因此建立一體化動(dòng)力總成暗室并應(yīng)用于加載測(cè)試成為行業(yè)趨勢(shì)。

據(jù)研究分析一體化動(dòng)力總成擁有完整的模具，相對(duì)分離式系統(tǒng)其開孔更少，無須使用三相線束，其整個(gè)殼體具有更好的屏蔽效能，其在電磁兼容性方面將更具優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)于單電機(jī)系統(tǒng)，動(dòng)力總成系統(tǒng)經(jīng)過一級(jí)減速輸出，減速器速比介于8~12之間，其輸出的扭矩較大，轉(zhuǎn)速減小。實(shí)驗(yàn)室采用兩個(gè)穿墻軸式測(cè)功機(jī)對(duì)稱同軸布置臺(tái)架。為了更好地模擬電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)車工況下的測(cè)試，可搭載原車半軸進(jìn)行加載測(cè)試。

且可以在對(duì)線束和對(duì)樣品兩端實(shí)現(xiàn)3m法測(cè)試。如圖3所示一體化動(dòng)力總成加載測(cè)試布置。

3.2雙電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)評(píng)

雙電機(jī)是增程式混合動(dòng)力汽車的典型布置，一般是指在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)布置兩個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)，一個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)連接發(fā)動(dòng)機(jī)用于發(fā)電，一個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)連接減速箱用于驅(qū)動(dòng)。

目前電驅(qū)加載電磁兼容行業(yè)僅可以實(shí)現(xiàn)單軸加載測(cè)試，雙電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試需要一臺(tái)加載，一臺(tái)空載，無法滿足同時(shí)加載測(cè)試的要求。

實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)評(píng)要利用穿墻軸臺(tái)架和移動(dòng)臺(tái)架的組合測(cè)試，利用穿墻臺(tái)架模擬測(cè)功機(jī)對(duì)拖發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，利用移動(dòng)臺(tái)架對(duì)拖驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用電池模擬器提供DC電源或負(fù)載。此方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和發(fā)電工況，模擬雙電機(jī)系統(tǒng)的真實(shí)工況。如圖4所示為雙電機(jī)加載測(cè)試布置。

3.3瞬態(tài)工況電磁兼容測(cè)評(píng)

現(xiàn)階段汽車電磁兼容多數(shù)以穩(wěn)態(tài)工況為條件，例如整車公告項(xiàng)目GB/T18387和GB34660，其要求的工況40km/h、70km/h均是穩(wěn)態(tài)。

與整車瞬態(tài)工況測(cè)評(píng)有關(guān)的是GB/T37130標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了車輛的行駛狀態(tài)，包括勻速狀態(tài)、加速狀態(tài)、減速狀態(tài)。

電驅(qū)系統(tǒng)通常以穩(wěn)態(tài)勻速工況進(jìn)行測(cè)試，但有時(shí)候瞬態(tài)條件下引起的騷擾更加強(qiáng)烈。如圖5所示，圖5（a）車輛勻速40km/h運(yùn)行，在FM頻段99.6MHz接收值為-84.6dBm；圖5（b）車輛加速運(yùn)行，在FM頻段99.6MHz接收值為-75.5dBm；車輛在瞬態(tài)工況下車載收音機(jī)的背景噪聲明顯提升。

現(xiàn)階段電驅(qū)加載電磁兼容實(shí)驗(yàn)室大多無法滿足動(dòng)態(tài)加載電磁兼容測(cè)試需求，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)功機(jī)系統(tǒng)和樣品系統(tǒng)需要獨(dú)立控制。中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司、中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司籌建的超高動(dòng)態(tài)電機(jī)加載EMC分析平臺(tái)項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20000rpm、3500Nm的測(cè)試工況，可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工況測(cè)試條件，且測(cè)功機(jī)支持CAN?analyzer等功能，可以導(dǎo)入樣品DBC文件，實(shí)現(xiàn)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)與樣品系統(tǒng)的協(xié)同控制。

另外針對(duì)騷擾度測(cè)試，可使用頻譜模式記錄騷擾數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)級(jí)電磁兼容測(cè)評(píng)

4.1系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)

從智能汽車技術(shù)的發(fā)展角度出發(fā)，汽車域控制成為關(guān)鍵技術(shù)手段，圖6是汽車模塊劃分簡圖。在整車EMC開發(fā)的過程中，部件、系統(tǒng)、整車是連續(xù)的過程，為了降低整車EMC風(fēng)險(xiǎn)，有必要增加系統(tǒng)級(jí)電磁兼容測(cè)試。

新能源汽車關(guān)鍵部件構(gòu)成的子系統(tǒng)可憑借雙測(cè)功機(jī)加載臺(tái)架實(shí)現(xiàn)。如圖7，在電波暗室內(nèi)，搭建新能源汽車關(guān)鍵子系統(tǒng)，主要包括原車線束、動(dòng)力電池、電驅(qū)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及多合一控制器，尤其是多合一控制器逐步成為現(xiàn)在乘用車發(fā)展趨勢(shì)，也讓其系統(tǒng)級(jí)測(cè)試相對(duì)簡易化。

在電波暗室內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)模擬車頭、車身左側(cè)兩個(gè)位置，可實(shí)現(xiàn)3m法測(cè)試。另外系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中可以驗(yàn)證系統(tǒng)接地（偏向GB/T18655部件要求的接地）、系統(tǒng)浮地（偏向GB14023整車測(cè)試要求）對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。提供系統(tǒng)級(jí)測(cè)試預(yù)判了新能源關(guān)鍵部件裝車前的EMC水平，有助于降低整車EMC風(fēng)險(xiǎn)。

4.2系統(tǒng)級(jí)測(cè)試挑戰(zhàn)

系統(tǒng)級(jí)測(cè)試是介于部件級(jí)與整車級(jí)測(cè)試的中間環(huán)節(jié)，其意義在于建立部件、系統(tǒng)、整車的關(guān)聯(lián)性，完善汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系。目前系統(tǒng)級(jí)測(cè)試面臨較大挑戰(zhàn)，例如：系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的定義不明確；系統(tǒng)級(jí)測(cè)試尚處于發(fā)展階段，測(cè)試技術(shù)不夠成熟，測(cè)試前期準(zhǔn)備投入較大，測(cè)試中存在的不確定性較大；系統(tǒng)級(jí)測(cè)試過渡到整車級(jí)測(cè)試，如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試結(jié)果也是一個(gè)比較關(guān)鍵的問題。另外，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試需要一定的試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)積累，需要配套的硬件設(shè)施支持。

5結(jié)束語

電驅(qū)系統(tǒng)仍然是新能源汽車典型的騷擾源和敏感體，尤其是新技術(shù)碳化硅的應(yīng)用，為其帶來更大的挑戰(zhàn)。針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的雙電機(jī)、一體化動(dòng)力總成系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試同樣依據(jù)GB/T18655—2018要求的方法進(jìn)行測(cè)試，但在測(cè)試布局上有所調(diào)整。未來電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容測(cè)試將多元化發(fā)展，不局限于部件標(biāo)準(zhǔn)，逐漸地采用系統(tǒng)級(jí)方式測(cè)評(píng)驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)。現(xiàn)階段系統(tǒng)級(jí)測(cè)試可以做到定性分析測(cè)試結(jié)果，未來系統(tǒng)級(jí)測(cè)試發(fā)展成熟，不局限于定性結(jié)果分析，可以做到定量指標(biāo)分析。
責(zé)任編輯：彭菁