新能源公交車輻射發(fā)射預(yù)測試與診斷分析

趙延華 張榮 曹興盛

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430056

1 前言

隨著國家推行新能源政策的實施，城市中新能源公交車已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)的燃油公交車。新能源公交車從動力上可劃為油電混合、純電動和氫燃料電池三類，它們都含有由電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電控系統(tǒng)構(gòu)成的三電系統(tǒng)。和傳統(tǒng)公交車相比，新能源公交車的三電系統(tǒng)比內(nèi)燃機系統(tǒng)的電磁環(huán)境更為復(fù)雜，包含了大量的高頻干擾與能量脈沖。與一般新能源小型汽車相比，新能源公交車車身較大，且含有較多特有的電氣部件（如電子刷卡器、監(jiān)控影像、報站器等），這使得新能源公交車更容易產(chǎn)生電磁騷擾。

現(xiàn)新能源公交車需要通過的電磁兼容強制性檢驗標(biāo)準(zhǔn)有兩個，分別為GB 34660-2017和GB/T 18387-2017，其中GB 34660-2017于2020年正式列入強檢項目。從初次試驗結(jié)果統(tǒng)計上來看，新能源公交車的輻射發(fā)射類檢驗項目通過率不太理想，其中GB/T 18387-2017標(biāo)準(zhǔn)檢驗項目通過率更低。通過對初次試驗輻射發(fā)射超限值的新能源公交車診斷分析，結(jié)合新能源公交車結(jié)構(gòu)特點，分析常見騷擾源，整理出一套適用于診斷新能源公交車騷擾源的方法。

2 新能源公交車電氣系統(tǒng)與常見騷擾源

2.1 新能源公交車電氣系統(tǒng)

新能源公交車電氣系統(tǒng)可以簡單地劃分為低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)兩部分。由動力電池輸出的高壓直流電通過電機控制器（MCU）轉(zhuǎn)化成高壓三相交流電，為驅(qū)動電機、電動空壓機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動電機等提供電能，這構(gòu)成了新能源公交車的高壓電氣系統(tǒng)。動力電池通過高低壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）將高壓直流電轉(zhuǎn)換為24 V低壓直流電，為儀表、照明和信號裝置等提供電能，并給輔助蓄電池充電，構(gòu)成了新能源公交車的低壓電氣系統(tǒng)。圖1為某純電動公交車的電氣系統(tǒng)布置圖。

圖1 某純電動公交車的電氣系統(tǒng)布置圖

2.2 新能源公交車常見騷擾源

新能源公交車上的騷擾源有很多，如驅(qū)動電機、電機控制器、高低壓轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)（BMS）等。通過對試驗輻射發(fā)射超限值的新能源公交車診斷分析，發(fā)現(xiàn)最易引發(fā)車輛輻射發(fā)射超限值的電氣部件是電機控制器和高低壓轉(zhuǎn)換器。下面對這兩個電氣部件進行簡單分析。

電機控制器主要由逆變器、控制器和散熱器三部分組成[1]。動力電池提供的高壓直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成一定基波頻率的三相正弦交流電，其電壓和電流中含有豐富的高次諧波（一般為IGBT開關(guān)晶體管產(chǎn)生），這些諧波會通過線束或者空間耦合的方式影響到車輛其他電氣部件。

高低壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）是將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電的重要部件，一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來指揮開關(guān)管導(dǎo)通和阻斷，控制輸出的電壓。PWM是一種保持開關(guān)頻率不變，改變輸出脈沖電壓寬度的調(diào)制方式，DC/DC使用的開關(guān)管開關(guān)頻率越高，電流電壓的變化就越快，產(chǎn)生的電磁騷擾也就越大。新能源公交車驅(qū)動電機與控制器一般采用后置方式放置，而DC/DC常常會安裝在電機控制器附近（如圖1該車輛直接將DC/DC變換器、驅(qū)動電機控制器等直接整合到四合一控制器中）。這就使得DC/DC輸出的低壓電需要通過較長的線束連接到電動公交車的駕駛室的低壓部件，這樣很容易構(gòu)成一個較大的環(huán)路，DC/DC產(chǎn)生的電磁騷擾通過這個環(huán)路會對外產(chǎn)生強的輻射。

3 簡易測試系統(tǒng)的預(yù)測試方法

為了滿足標(biāo)準(zhǔn)對測試環(huán)境的要求，車輛的輻射發(fā)射試驗通常需要在半電波暗室中進行。試驗時使用接收天線、前置放大器、接收機等設(shè)備對車輛進行檢測，最終試驗結(jié)果以場強-頻率圖表示。圖2為某電動公交車進行GB/T 18387-2017測試時車輛左側(cè)面磁場徑向的試驗結(jié)果圖，圖3為某電動公交車進行GB 34660-2017試驗時左側(cè)面寬帶垂直極化的試驗結(jié)果圖。

圖2 某電動公交車左側(cè)面磁場徑向的試驗結(jié)果

圖3 某電動公交車左側(cè)面窄帶垂直極化的試驗結(jié)果

不過，整車暗室的測試費用昂貴，且資源較為緊張，對企業(yè)來說是一筆不小的開支。因此對于前期的摸底和驗證，我們建議可以采用由近場探頭與頻譜分析儀等設(shè)備組建的簡易測試系統(tǒng)[2]來對整車做預(yù)測試，如圖4所示（其中①處位置根據(jù)需要可以選擇加入前置放大器或限幅器）。

圖4 簡易測試系統(tǒng)

簡易測試系統(tǒng)對測試環(huán)境沒有太高要求，其組建設(shè)備體積小、易攜帶且價格較低，能夠降低試驗成本。同時由于掃描方式的不同，在掃描相同的頻段時，頻譜分析儀掃描速度比接收機更快，可以節(jié)省測試時間。

使用該簡易測試系統(tǒng)時，近場探頭一般選用磁場探頭，測試時需將探頭放在距被測處較近的位置進行。應(yīng)該注意的是，由于簡易測試系統(tǒng)中使用的近場探頭測試區(qū)域較小，單次測量無法較完整地體現(xiàn)車輛的真實輻射狀態(tài)，若想對整個車輛的輻射發(fā)射情況有一個整體了解時需要進行多次多位置測量。所以，使用人員應(yīng)對整車易產(chǎn)生電磁騷擾的部件有一定的了解，這樣在對車輛進行預(yù)測時可以有方向地進行。除此之外，該簡易測試系統(tǒng)還可以用來排查診斷車輛騷擾源（見本文4.3）。

4 診斷分析方法

對于輻射發(fā)射超限值新能源公交車的騷擾源診斷，我們可以通過其測試結(jié)果頻譜圖來分析。一般來說，診斷分析方法有元件固有頻率分析法、排除法和頻譜分析儀頻率搜查法等，這些方法均可以幫助工程師快速地查找并定位到騷擾源。

4.1 元件固有頻率分析法

這種方法可以在測試結(jié)果的頻譜圖上直接看出或者通過簡單計算得出產(chǎn)生騷擾的元件頻率，常見的就是頻譜圖上的倍頻現(xiàn)象和特殊頻點。倍頻現(xiàn)象其實是元件的工作頻率或其諧波頻率造成的，可以通過倍頻現(xiàn)象出現(xiàn)的高輻射頻點頻率間隔計算得出騷擾元件的工作頻率或者其諧波頻率（如圖3通過計算頻點5和4間的頻率差值，得出頻率約為64 MHz），以此可以快速地定位到騷擾元件。常見的這類元件有MOS管、晶體振蕩器、IGBT[3]等。

特殊頻點如13.56 MHz（如圖2頻點2所示），它是高頻RFID讀卡器的工作頻率，常見于公交車的刷卡器系統(tǒng)，其有效距離可達到60 cm[4]，如圖5所示。產(chǎn)生的騷擾通過線束或者空間耦合的方式進入車輛的電氣系統(tǒng)進行了放大，就可導(dǎo)致車輛在該頻點的輻射發(fā)射超標(biāo)。掌握這一類的特殊頻點就可以迅速找到產(chǎn)生電磁騷擾的部件。

圖5 某電動公交車刷卡器

4.2 排除法

在試驗結(jié)果頻譜圖上沒有明顯特征又暫時沒有排查方向時，可以采用排除法來進行診斷分析。排除法是通過逐一將車輛電子電器部件斷電來尋找騷擾源的常用手段，可以通過拔保險、拔線、分區(qū)工作等方式進行，在不拆車的情況下可以對車輛做一個較為全面的排查診斷。當(dāng)無法通過拔保險的方式進行排查時，可以打開車輛的外殼，用拔掉電氣部件電源線的方式來進行。需要注意的是，無論拔保險或是拔線尤其是拔除高壓線束時都需要斷電操作，以保證安全。通常通過排除法查找出來問題部件，需要單獨使其工作來判斷其是否為真正的騷擾源。圖6為某純電動公交車保險盒布局圖。

圖6 某純電動公交車保險盒布局圖

當(dāng)通過簡單的拔保險、拔線方式無法做出準(zhǔn)確定位時（如拔掉某模塊保險出現(xiàn)了互鎖現(xiàn)象，另一塊部件也停止了工作），可以采取分區(qū)工作的方式進行排查，即單獨關(guān)掉或開啟互聯(lián)的系統(tǒng)再進行測試對比，用這種方法來大致地判斷騷擾源位置。

4.3 頻譜分析儀頻率搜查法

前文提到，使用近場探頭與頻譜分析儀組合成的簡易測試系統(tǒng)可以對產(chǎn)品進行初步的摸底。同時，這套系統(tǒng)也可以用來對超限值的頻點或頻段進行騷擾源探測分析，這種方法一般配合排除法使用，在排除法排除到一定程度無法繼續(xù)進行時（如出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象），就可以使用頻譜分析儀頻率搜查法。

使用該方法時，一般要拆開車體進行排查，先調(diào)整好簡易測試系統(tǒng)內(nèi)頻譜分析儀的中心頻率和讀取帶寬，再依次探測可疑部件并相應(yīng)記錄頻譜分析儀顯示的電平，然后通過對比電平數(shù)值，可以更為精確地定位到騷擾源。

5 結(jié)語

新能源車輛的電磁兼容性是整車廠商和零部件供應(yīng)商共同關(guān)注的熱點，未來汽車電子電氣系統(tǒng)會越來越復(fù)雜，其診斷與整改是研發(fā)工程師需要持續(xù)關(guān)注和研究的方向。

本文對新能源公交車電氣系統(tǒng)做了簡單劃分，對電機控制器和高低壓轉(zhuǎn)換器兩個常見的騷擾源進行了分析。搭建的簡易測試系統(tǒng)，既能用于預(yù)測試，也能用來排查診斷。筆者結(jié)合多年對輻射發(fā)射結(jié)果超限值的新能源公交車診斷分析經(jīng)驗，詳細介紹了根據(jù)測試結(jié)果頻譜圖來判斷使用元件固有頻率分析法、排除法、頻譜分析儀頻率搜查法等常用方法，實踐證明使用這些方法可以快速地定位到騷擾源位置，節(jié)省測試成本，為相關(guān)從業(yè)者提供了解決問題的思路與手段。