基于空曠場地的純電動客車電磁兼容摸底測試

李志強(qiáng)

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

與傳統(tǒng)客車相比，純電動客車以高壓部件為主，核心部件都由高功率、大電流組件構(gòu)成，由此帶來的電磁兼容(EMC)問題也日益突出。GB 14023-2011[1]是整車EMC測試的重要標(biāo)準(zhǔn)，客車產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中都要考慮EMC這一要素。

由于客車外形長6～18 m，對電波暗室的空間要求較高，而且暗室造價(jià)高昂，國內(nèi)滿足客車整車試驗(yàn)要求的只有少數(shù)幾家，試驗(yàn)費(fèi)用高昂。因此，對大部分客車廠來說，在暗室試驗(yàn)室進(jìn)行摸底測試不現(xiàn)實(shí)。項(xiàng)目組選用一輛8 m中型試制車，進(jìn)行廠內(nèi)空曠場地的EMC摸底測試，找出該車主要超標(biāo)部件和超標(biāo)頻率，提出對應(yīng)的整改措施。

1 測試準(zhǔn)備

1.1 場地的選擇

受自然環(huán)境(溫度、濕度等)、地理環(huán)境以及電磁環(huán)境的制約，選擇一個(gè)合適的戶外試驗(yàn)場地的要求比較苛刻。GB 14023要求用于車輛戶外試驗(yàn)的場地，應(yīng)是一個(gè)以車輛與測量天線之間連線的中點(diǎn)為圓心、最小半徑為30 m的圓形區(qū)域內(nèi)沒有電磁波反射物的空曠場地[1]。為了保證沒有能夠影響測量值的外界噪聲或信號，應(yīng)在測量之前和測量之后，在車輛沒有運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下測量環(huán)境噪聲。這2次測量到的環(huán)境噪聲應(yīng)比規(guī)定的騷擾限值至少低6 dB，背景中FM調(diào)頻廣播(87 MHz～108 MHz)、手機(jī)信號(800 MHz以上)等干擾無法避免，不做處理。

1.2 測試主要設(shè)備與設(shè)置

測試的主要設(shè)備包括：對數(shù)周期天線、EMI接收機(jī)和手持式頻譜分析儀。EMI接收機(jī)為羅德&施瓦茨生產(chǎn)的 ESL3型號接收機(jī)，接收頻率9 kHz～2.75 GHz，符合 CISPR16-1-1標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。手持式頻譜分析儀也是羅德&施瓦茨生產(chǎn)， 型號是FSH4，頻率9 kHz～3.6 GHz。用來近距離查找超標(biāo)部位，精準(zhǔn)定位超標(biāo)點(diǎn)，具有攜帶方便的特點(diǎn)。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻段和檢波方式，調(diào)整掃描接收機(jī)的駐留時(shí)間，同時(shí)應(yīng)選擇合適的掃描接收機(jī)帶寬，使儀器的本地噪聲至少比限值低6 dB。因場地限制，天線距離車身的水平測量距離為3.00 m±0.05 m,天線垂直高度為1.80 m±0.05 m。

1.3 測試車輛狀態(tài)要求

1) 上電且驅(qū)動電機(jī)不工作運(yùn)行狀態(tài)。點(diǎn)火開關(guān)打開，驅(qū)動電機(jī)不工作，車輛上所有電器處于正常運(yùn)行狀態(tài)。所有可連續(xù)運(yùn)行的含有大于9 kHz內(nèi)置振蕩器或重復(fù)信號的設(shè)備，都應(yīng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2) 驅(qū)動電機(jī)工作狀態(tài)。使用2個(gè)小型舉重機(jī)把車輛驅(qū)動輪架起，測試過程車輛以40 km/h 的恒速運(yùn)行。

2 測試過程與分析

測試過程中，首先掃一遍背景，保存背景測試結(jié)果，以便測試比對，然后高低壓電氣設(shè)備全開，測試整車左側(cè)水平尾部電磁輻射情況。從測試結(jié)果來看，30 MHz～80 MHz、130 MHz附近和200 MHz～400 MHz這些頻段的輻射容易超限值。通過逐步斷開高壓部件，判斷干擾的來源。關(guān)掉空調(diào)后，30 MHz～80 MHz，100 MHz～200 MHz輻射下降明顯；70 MHz和135 MHz，200 MHz～400 MHz輻射仍然超標(biāo)。這說明空調(diào)開啟后在30 MHz～80 MHz，100 MHz～200 MHz電磁輻射較大。

根據(jù)以上同樣的思路，繼續(xù)逐斷高壓部件，一個(gè)一個(gè)排查，最后找到各個(gè)頻率超標(biāo)的干擾源。如表1，各個(gè)部件超標(biāo)頻率會重疊，相互影響。

表1 主要超標(biāo)部件和超標(biāo)點(diǎn)

超標(biāo)的主要是高壓部件，因?yàn)榭照{(diào)控制模塊、電機(jī)控制器和電輔件核心部件是由DC/DC變換器和DC/AC逆變器組成，這些大功率變換器和逆變器通常選用IGBT管。IGBT管開關(guān)的通斷瞬間會產(chǎn)生很高的du/dt，以及逆變后交流電存在大量的諧波成分，這是其對外產(chǎn)生強(qiáng)大輻射的最根本原因[3]。逆變器將動力電池直流電壓變換成脈寬調(diào)制的電壓波形(PWM電壓)，這是一種脈寬變化的脈沖波形，PWM調(diào)制會產(chǎn)生大量的尖峰電壓。高壓部件與汽車殼體(接地端)之間形成分布電容(CY1、CY2和CY3)，尖峰電壓不斷對電容充放電產(chǎn)生共模電流，同時(shí)高壓部件之間還存在著差模電流(如圖1)。共模與差模電流產(chǎn)生的電磁輻射通過空間輻射、傳導(dǎo)和耦合方式干擾其他部件的正常工作。另外，導(dǎo)線上共模電流和差模電流產(chǎn)生輻射，當(dāng)電機(jī)控制器等設(shè)備屏蔽外殼密封不嚴(yán)時(shí)，在縫隙處形成發(fā)射天線，向外發(fā)射輻射。

圖1 共模和差模電流示意圖

3 整改措施及效果

從EMC三要素：干擾來源、傳播途徑以及敏感設(shè)備來看，解決EMC問題就是要找到干擾源，加強(qiáng)屏蔽和處理好接地，抑制輻射在最小的范圍內(nèi)或者合理引導(dǎo)共模和差模電流流向[4-7]。本文整改的具體措施如下：

1) 接地措施。接地方式和接地位置很關(guān)鍵，本文通過單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地(其中單點(diǎn)又包括并聯(lián)和串聯(lián)接地)對設(shè)備接地重新設(shè)計(jì)。對工作頻率低于1 MHz的設(shè)備，優(yōu)選單點(diǎn)接地，對工作頻率大于10 MHz的設(shè)備，地線阻抗變得很大，采用就近多點(diǎn)接地。對樣車電機(jī)控制器殼體進(jìn)行處理，增大其同整車的接觸面積，間接增加接地平面。四合一控制器使用編織帶代替單點(diǎn)接地，加強(qiáng)接地效果[8-9]。

2) 濾波措施。對于電機(jī)控制器等使用DC/DC變換器和DC/AC逆變器的部件，在電機(jī)控制器直流母線輸入與四合一輸出之間加濾波電路，構(gòu)建CLC濾波電路，減小輻射發(fā)射(如圖2)。通過匹配設(shè)計(jì)，最終確定濾波電路參數(shù)：CX1=10 μF，CY1=0.33 μF，L1≈2 μH&10 kHz，CY2=0.1 μF。

3) 屏蔽措施。提高高壓部件外殼屏蔽效果，項(xiàng)目組也獲取了一些經(jīng)驗(yàn)。保持接觸面清潔，減小接觸電阻；保證上蓋和殼體的接觸面積，減小電阻、增加電容；使用電磁密封襯墊，消除縫隙上的未接觸點(diǎn)；使用合適的緊固螺釘加強(qiáng)緊固力，減小電阻、增加電容；保持接觸面較好的平整度，減小電阻、增加電容。

圖2 電機(jī)控制器濾波電路

通過項(xiàng)目組摸底測試查找超標(biāo)點(diǎn)，制定以上整改措施。最終，車輛在重慶車輛檢測研究院通過了GB 14023的測試要求。

4 結(jié)束語

本文基于空曠場地對純電動客車進(jìn)行電磁兼容摸底測試，不受暗室的限制，也不用花費(fèi)高昂的測試費(fèi)用，可以反復(fù)測試，便于工程師在客車廠區(qū)內(nèi)摸底測試。但是，也存在著不足之處：因FM調(diào)頻廣播頻段、手機(jī)信號頻段等頻段干擾，這些頻段里的超標(biāo)部分測不出來。