鐵路與汽車行業(yè)EMC管理比較分析

王艷琴 郝明遠(yuǎn) 高峰 汪星華 張秋敏

摘要：文章介紹了鐵路和汽車行業(yè)EMC管理方法，針對(duì)我國鐵路行業(yè)EMC發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問題，試圖從完善鐵路行業(yè)EMC標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)鐵路行業(yè)EMC管理，建立合理的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、供應(yīng)商管理模式等方面入手，找到提高機(jī)車車輛廠的EMC水平的現(xiàn)實(shí)方案，為加速我國鐵路行業(yè)EMC發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：EMC；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)方法；機(jī)車車輛廠；供應(yīng)商管理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：F274 文章編號(hào)：1009-2374（2016）10-0167-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.082

1 概述

鐵路和汽車是人們生活出行的兩大交通工具，每天都有數(shù)以億計(jì)的人們乘坐這兩種交通工具出行。因此，鐵路車輛和汽車行駛運(yùn)行的安全性與可靠性對(duì)保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

機(jī)車車輛安全性涉及機(jī)車車輛各個(gè)系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)安全、動(dòng)力學(xué)安全、防火安全、電氣安全等。其中與車輛電氣安全相關(guān)的EMC性能尤為重要，它能夠保證車輛及其電氣設(shè)備之間相互不受影響地可靠工作。隨著車輛的電氣化程度及車載電氣設(shè)備的復(fù)雜集成度越來越高，加上車內(nèi)外電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，對(duì)車輛的EMC性能也提出了更高的要求。

2 鐵路和汽車行業(yè)EMC概述

2.1 相似性

第一，二者的主管部門通常都是交通部。以美國為例，美國交通部下屬聯(lián)邦鐵路管理局和聯(lián)邦公路交通安全管理局。聯(lián)邦鐵路管理局負(fù)責(zé)加強(qiáng)鐵路安全方面的立法，雇用專業(yè)人員監(jiān)測鐵路運(yùn)營，使其符合強(qiáng)制性的聯(lián)邦安全標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)邦公路交通安全局負(fù)責(zé)制定和實(shí)施汽車及其設(shè)備安全性能標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查與之有關(guān)的缺陷找出最有效的改善安全的方法。

第二，機(jī)車車輛的生產(chǎn)管理模式與汽車行業(yè)也較為接近。它們都有大量的零部件供應(yīng)商，各供應(yīng)商都會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施EMC試驗(yàn)測試。而整車廠負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成，做好子系統(tǒng)接口的EMC管理，保證整車的EMC性能。

第三，機(jī)車車輛的配置與汽車也有部分的相似之處。它們都由動(dòng)力單元、控制單元、空調(diào)、乘客信息系統(tǒng)等電子電氣部件組成，因此二者的EMC管理有可以相互借鑒的方面。

2.2 差異性

汽車行業(yè)的EMC管理工作開展的較早，特別是一些跨國汽車廠商，如大眾、福特等，都有自己獨(dú)立的EMC標(biāo)準(zhǔn)及管理方案。汽車廠商非常重視EMC管理，通常都有專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)EMC的技術(shù)研究和管理。該技術(shù)團(tuán)隊(duì)一般隸屬于技術(shù)研發(fā)中心，獨(dú)立于具體的項(xiàng)目組，由集團(tuán)的首席EMC技術(shù)專家統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)。他們都具有豐富的EMC和電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，定期接受EMC培訓(xùn)，跟蹤EMC新技術(shù)發(fā)展。EMC問題的研究領(lǐng)域也不局限于現(xiàn)有EMC標(biāo)準(zhǔn)，而是更主動(dòng)的基于EMC實(shí)際問題的解決和預(yù)防。

鐵路行業(yè)的EMC管理是隨著車輛電氣化程度的提高逐步發(fā)展的，其歷史不過二三十年。與汽車行業(yè)相比較，鐵路行業(yè)的EMC管理研究還相對(duì)被動(dòng)，主要是為了滿足標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)主的要求或是車輛遇到EMC問題時(shí)才著手研究分析。國內(nèi)各整車廠往往沒有配屬專職的EMC技術(shù)人員，同時(shí)缺乏專業(yè)的EMC技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)積累。

借鑒先進(jìn)汽車廠商的EMC管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于提升鐵路行業(yè)的EMC管理，保證車輛EMC性能，控制風(fēng)險(xiǎn)有積極的意義。

3 鐵路和汽車行業(yè)EMC比較分析

EMC是一門試驗(yàn)科學(xué)，絕大多數(shù)EMC問題都是通過試驗(yàn)測試來驗(yàn)證和解決的。

汽車廠商一般都有完善的EMC實(shí)驗(yàn)室，廠商建立實(shí)驗(yàn)室的目的是為了技術(shù)研究和方案驗(yàn)證，是產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)過程中投入的成本。許多車輛上出現(xiàn)的EMC故障都能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)現(xiàn)，并進(jìn)行研究，找出解決方案。

借鑒汽車廠商的經(jīng)驗(yàn)，目前國內(nèi)鐵路行業(yè)生產(chǎn)廠商正逐步建立自己的EMC試驗(yàn)測試體系和供應(yīng)商管理方案。其中株洲時(shí)代電氣、鐵科院縱橫公司以及常州新譽(yù)等企業(yè)已經(jīng)建成自己的EMC電波暗室，形成完整的EMC實(shí)驗(yàn)室測試能力，其他主機(jī)廠商也正在著手自己的EMC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。另外，整車主機(jī)廠也陸續(xù)投入了一些EMC儀器設(shè)備，主要是用于整車對(duì)外輻射的試驗(yàn)測試、車廂電磁環(huán)境監(jiān)測、EMC故障復(fù)現(xiàn)定位等用途。以上工作將成為企業(yè)深入開展EMC研究管理的硬件基礎(chǔ)保障。

3.1 測試標(biāo)準(zhǔn)比較

汽車行業(yè)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)電氣產(chǎn)品的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有較大的區(qū)別，汽車零部件的標(biāo)準(zhǔn)主要是參照ISO11452和ISO7637系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，具有自身的特點(diǎn)。例如，試驗(yàn)時(shí)被測零部件都是放置在參考金屬板上，用5cm的絕緣材料支撐，線束展開分布，如圖1。這樣零部件安裝在車上與車體金屬板之間的分布耦合電容以及由線束產(chǎn)生的耦合問題都可以進(jìn)行較好的模擬。另外，汽車零部件的發(fā)射試驗(yàn)是在1m距離下進(jìn)行的，這也主要是考慮到車上各零部件和線束的分布都比較近，需要進(jìn)行近場測試分析。

同時(shí)，汽車廠商是根據(jù)車上零部件的具體特性來制定試驗(yàn)要求的，他們會(huì)把車上的部件進(jìn)行分類，分類時(shí)會(huì)考慮到部件的功能、布局、EMC特性和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等要素，對(duì)不同類別的零部件會(huì)有不同的等級(jí)要求。這樣的細(xì)分一方面可以更加細(xì)致地控制零部件間的EMC風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可以為零部件廠商減負(fù)，因?yàn)檐嚿系挠行┎考鋵?shí)并沒有太大的EMC風(fēng)險(xiǎn)，比如給水系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)鐵路行業(yè)的EMC標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T24338系列，它是參照IEC62236和EN50121系列標(biāo)準(zhǔn)建立的。鐵路行業(yè)招標(biāo)書中的EMC條款也基本都是按照GB/T24338或EN50121來規(guī)定的，零部件主要是參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T24338.4或EN50121-3-2來測試驗(yàn)證的。主要的測試內(nèi)容包括：輻射發(fā)射、傳到發(fā)射等發(fā)射試驗(yàn)；浪涌、快速瞬變脈沖群、靜電放電、輻射、傳導(dǎo)、電源電壓暫斷變化等抗擾度試驗(yàn)測試。

借鑒汽車行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)車車輛的主機(jī)廠商也紛紛建立了更嚴(yán)格的廠級(jí)零部件EMC測試標(biāo)準(zhǔn)，更好地保證車載電氣設(shè)備的性能。在強(qiáng)調(diào)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，對(duì)零部件設(shè)備的試驗(yàn)等級(jí)也進(jìn)行了詳細(xì)區(qū)分，如表1所示：

表1中主要功率設(shè)備放棄了抗擾性要求，因?yàn)楣β试O(shè)備雖然是主要的干擾發(fā)射源，但是其不容易受到其他設(shè)備干擾，同時(shí)對(duì)信號(hào)設(shè)備、人機(jī)界面等增加了更高等級(jí)的靜電放電測試要求，提高其可靠性。

3.2 測試方法比較

試驗(yàn)方法的問題也是造成運(yùn)行中故障無法在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中被檢查出來的原因。例如，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測試時(shí)，零部件都是單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)測試的，并按照要求良好接地；其EMC模型相對(duì)來說比較簡單，而且良好的接地對(duì)提高EMC性能十分有幫助。然而，在實(shí)際列車上EMC模型要復(fù)雜得多，車上所有電氣零部件都是在車體上接地的，有的零部件之間還通過線纜相互連接，車體通過輪對(duì)接地，其間也有一定的接地電阻。這樣就會(huì)造成一個(gè)地環(huán)路，造成各零部件之間的共模干擾，如圖2所示。這種EMC問題使用現(xiàn)有的試驗(yàn)方法是無法在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)的。

圖2 地環(huán)路示意圖

而汽車零部件除了傳導(dǎo)輻射等標(biāo)準(zhǔn)化測試以外，還有一些特定的測試，如大電流測試、ISO7637測試等。大電流測試就是模擬線纜的耦合干擾電流對(duì)小信號(hào)電纜造成的影響。ISO 7637是模擬汽車在發(fā)動(dòng)或行駛中會(huì)出現(xiàn)的各種脈沖信號(hào)對(duì)車輛零部件的影響，比如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)時(shí)或突然開空調(diào)時(shí)，由于大電流的感性或容性負(fù)載的投入，在電源中會(huì)產(chǎn)生一定的脈沖，而各種脈沖的波形和能量都不相同，具有隨機(jī)性。也就是說，很多車上的故障就是由隨機(jī)產(chǎn)生的干擾而引起的。要避免這種隨機(jī)干擾的影響，就需要在車上各部件處捕捉這些可能產(chǎn)生的脈沖波形，并記錄下來，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中復(fù)現(xiàn)。

目前，鐵路行業(yè)也在借鑒汽車行業(yè)的做法，在車輛上記錄實(shí)際的干擾波形，用于實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)測試。例如，如受電弓升弓上電時(shí)，由于有大容量的電抗器或電容，在電源系統(tǒng)或接地回流系統(tǒng)中會(huì)有能量很大的脈沖干擾存在。圖3和圖4是實(shí)際測到的升弓和降弓時(shí)車體上產(chǎn)生的回流脈沖信號(hào)。在有些部位脈沖幅值可高達(dá)上千伏，當(dāng)從地線饋流回至零部件必定會(huì)對(duì)部件造成影響。

除了升降弓外，軌道車輛上還有很多大負(fù)荷的繼電器開關(guān)設(shè)備，在開關(guān)通斷時(shí)也會(huì)產(chǎn)生各種脈沖干擾，而且這種脈沖干擾也具有一定的隨機(jī)性，很多車上的故障就是由這種隨機(jī)產(chǎn)生的干擾而引起的。要避免此類隨機(jī)干擾的影響，就必須在車上各部件處捕捉這些可能產(chǎn)生的脈沖波形，并在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)測試。

3.3 供應(yīng)商管理比較

無論是汽車行業(yè)，還是鐵路行業(yè)，都有大量的零部件供應(yīng)商，整車廠作為系統(tǒng)集成商對(duì)供應(yīng)商的管理顯得尤為重要，對(duì)保證整車最終的EMC性能有積極的意義。

目前，汽車廠商在供應(yīng)商管理中擁有絕對(duì)的主導(dǎo)地位，零部件供應(yīng)商必須按照整車廠制定的標(biāo)準(zhǔn)要求提供設(shè)計(jì)文件和測試報(bào)告。整車廠的采購合同中通常會(huì)包含EMC的研發(fā)和測試費(fèi)用，所以在汽車行業(yè)，實(shí)際上第三方實(shí)驗(yàn)室是對(duì)汽車整車廠負(fù)責(zé)而不是對(duì)零部件供應(yīng)商負(fù)責(zé)的。汽車廠商有一套非常嚴(yán)格的許可程序，通過EMC技術(shù)專家的審核評(píng)估來決定哪些第三方實(shí)驗(yàn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)入備選實(shí)驗(yàn)室名單，而不是所有符合ISO17025或有CNAS認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室都可以成為整車廠的認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室。

相比之下，鐵路行業(yè)主機(jī)廠對(duì)供應(yīng)商管理還需要進(jìn)一步的加強(qiáng)。目前，國內(nèi)各大鐵路行業(yè)的主機(jī)廠，也都在建立自己的供應(yīng)商和第三方認(rèn)證許可體系，通過健全的準(zhǔn)入制度來保證零部件的可靠性。另外，鐵路行業(yè)零部件供應(yīng)商除了受到主機(jī)廠約束外，還需要滿足車輛業(yè)主客戶的要求，業(yè)主通常會(huì)在零部件采購中扮演重要的角色，如牽引系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)的采購要求。這就需要車輛主機(jī)廠，具備良好的接口管理水平和溝通能力，平衡業(yè)主、供應(yīng)商、主機(jī)廠三方的EMC技術(shù)需求。

當(dāng)機(jī)車車輛的主機(jī)廠自身能力不足時(shí)，借助有經(jīng)驗(yàn)的第三方機(jī)構(gòu)協(xié)助進(jìn)行設(shè)計(jì)方案審核及供應(yīng)商管理，也是一個(gè)解決自身短板的有效方法。

4 結(jié)語

綜上所述，國內(nèi)鐵路行業(yè)建設(shè)水平發(fā)展迅猛，在國際市場上已具有一定的競爭力，其EMC管理技術(shù)水平和風(fēng)險(xiǎn)控制能力也需要有相應(yīng)的提高。EMC管理作為鐵路行業(yè)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)管理不可或缺的一部分，雖然目前還有待完善，但通過借鑒汽車行業(yè)的成熟經(jīng)驗(yàn)，從試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、人員水平及供應(yīng)商管理等多方面入手，必定會(huì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)EMC管理的重視，制定出適應(yīng)現(xiàn)代高速鐵路、適應(yīng)現(xiàn)代無線通信飛速發(fā)展情況下的EMC標(biāo)準(zhǔn)，從而促進(jìn)國內(nèi)整個(gè)鐵路行業(yè)EMC管理水平的提高。

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作者簡介：王艷琴（1984-），女，中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心工程師，工學(xué)碩士，研究方向：軌道車輛電氣仿真。

（責(zé)任編輯：小 燕）