新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)電磁兼容性能影響因素研究

王建利 劉力 龔曉琴 白麗

（一汽奔騰轎車(chē)有限公司，長(zhǎng)春 130012）

主題詞：電磁兼容性 影響因素 開(kāi)發(fā)流程 新能源汽車(chē) 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)

縮略語(yǔ)

EMC Electro Magnetic Compatibility

NEV New Energy Vehicle

ICV Intelligent and Connected Vehicle

ECU Engine Control Unit

PCB Printed Circuit Board

PTC Positive Temperature Coefficient

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

1 前言

隨著汽車(chē)的智能網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化的快速發(fā)展，車(chē)輛與道路交通設(shè)施、其它車(chē)輛、其它電磁環(huán)境越來(lái)越緊密地融合在一起。車(chē)輛系統(tǒng)內(nèi)部、車(chē)輛和外界電磁環(huán)境交互過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的電磁干擾問(wèn)題，影響汽車(chē)的功能安全和用戶體驗(yàn)[1-2]。電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）設(shè)計(jì)是非功能性設(shè)計(jì)，卻可以影響產(chǎn)品性能。汽車(chē)EMC 性能的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不僅是一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，也是一個(gè)開(kāi)發(fā)管控過(guò)程和測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程，同時(shí)需要利用濾波、屏蔽、接地整改措施來(lái)提高和保證EMC性能。為了提高汽車(chē)EMC性能，在進(jìn)行汽車(chē)EMC 性能設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮傳統(tǒng)的電磁干擾3 要素，還要考慮原理設(shè)計(jì)、管理流程、測(cè)試驗(yàn)證、整改方法各方面的因素，將車(chē)輛電磁干擾產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

本文首先闡述了新能源技術(shù)和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)對(duì)EMC 性能的影響，然后詳細(xì)分析了汽車(chē)電磁干擾3 要素的具體構(gòu)成，最后從技術(shù)層面和開(kāi)發(fā)流程闡述汽車(chē)EMC 性能影響因素，并提出了正向EMC 開(kāi)發(fā)流程、標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)驗(yàn)證建議。

2 汽車(chē)新技術(shù)對(duì)EMC性能的影響

隨著汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化和體驗(yàn)化的快速發(fā)展，感知部件、通信部件、高壓部件在車(chē)輛上的搭載呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，車(chē)內(nèi)外的電磁環(huán)境也愈加復(fù)雜，進(jìn)而產(chǎn)生更多的新的電磁干擾問(wèn)題，影響汽車(chē)的功能安全和用戶體驗(yàn)。

純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、氫燃料電池汽車(chē)這些新能源汽車(chē)技術(shù)具有高電壓、大電流、大功率和高能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，給電磁兼容性能帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。在電磁干擾源方面增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、高壓動(dòng)力電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、車(chē)載充電機(jī)、DCDC轉(zhuǎn)換器、逆變器、高壓配電盒、正溫系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器、空調(diào)壓縮機(jī)、高壓部件，以及48 V系統(tǒng)和氫燃料能源系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率管、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、傳感器均是較強(qiáng)的騷擾源，也是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)。電池包管理系統(tǒng)中的控制器、冷卻風(fēng)扇是較強(qiáng)的騷擾源。車(chē)載充電機(jī)在充電整流過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量窄帶干擾信號(hào)。DCDC轉(zhuǎn)換器重的功率器件及控制模塊均為較強(qiáng)的騷擾源。空調(diào)系統(tǒng)中PTC 加熱器和電動(dòng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多種功能模式，其EMC性能非常重要。新能源汽車(chē)的EMC 特性存在電磁騷擾形式復(fù)雜、頻譜范圍覆蓋廣泛、發(fā)射功率大、干擾能量大、騷擾問(wèn)題嚴(yán)峻和傳播路徑多樣化的特點(diǎn)。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)包括智能控制、智能預(yù)警、智能決策、復(fù)雜環(huán)境感知、現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)搭載先進(jìn)的車(chē)載傳感器、控制器、執(zhí)行器、互聯(lián)終端、通信天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在干擾源和敏感設(shè)備方面增加了毫米波雷達(dá)、智能攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、紅外測(cè)距器、自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)、360 全景系統(tǒng)、車(chē)身智能控制系統(tǒng)這些智能駕駛系統(tǒng)部件，以及車(chē)載互聯(lián)終端、C-V2X 終端、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、車(chē)載發(fā)射和接收天線這些網(wǎng)聯(lián)部件。毫米波雷達(dá)作為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要包括24 GHz 頻段、77 GHz頻段、和76～81 GHz 頻段3 種類別，具有高頻率、大帶寬、探測(cè)距離長(zhǎng)、工作場(chǎng)景復(fù)雜的特點(diǎn)，是一個(gè)會(huì)直接影響車(chē)輛安全的電磁敏感設(shè)備。其它智能部件或系統(tǒng)的EMC 特性與毫米波雷達(dá)基本類似，作為敏感設(shè)備也會(huì)直接或間接影響車(chē)輛行駛安全。網(wǎng)聯(lián)通信技術(shù)如衛(wèi)星導(dǎo)航、蜂窩通信、無(wú)線電廣播、藍(lán)牙、WiFi、V2X 通信、車(chē)載以太網(wǎng)通信，具有通信頻段范圍廣、空間輻射強(qiáng)、外界干擾源多的特點(diǎn)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的EMC 特性存在電磁環(huán)境復(fù)雜、高頻輻射強(qiáng)度大、窄帶干擾特征明顯、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不成熟、工作場(chǎng)景和用戶體驗(yàn)多樣化的特點(diǎn)，直接影響車(chē)輛行駛安全和舒適性。

3 汽車(chē)電磁干擾3要素

電磁干擾3 要素包括干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備3 部分。汽車(chē)電磁干擾3 要素基本構(gòu)成如表1 所示。電磁干擾源不僅包括汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火線圈、高壓部件這些車(chē)內(nèi)干擾源，還應(yīng)包括廣播電視臺(tái)、手持便攜設(shè)備、充電電網(wǎng)這些車(chē)外干擾源，隨著汽車(chē)智能化、電動(dòng)化、集成化的快速發(fā)展，車(chē)內(nèi)和車(chē)外的干擾源的數(shù)量也日益增多。汽車(chē)耦合路徑分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。敏感設(shè)備不僅包括各種電子模塊、數(shù)顯系統(tǒng)車(chē)內(nèi)敏感設(shè)備，也包括廣播電視臺(tái)、充電電網(wǎng)這些車(chē)外敏感設(shè)備。

表1 汽車(chē)電磁干擾3要素構(gòu)成

4 汽車(chē)EMC性能影響因素與提升措施

影響汽車(chē)EMC性能的因素有很多，僅從傳統(tǒng)電磁干擾3 要素原理的角度分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，比如復(fù)雜的車(chē)內(nèi)干擾源和車(chē)外干擾源、零部件機(jī)械架構(gòu)、PCB電路與布線、汽車(chē)電子電氣類別和機(jī)械架構(gòu)的設(shè)計(jì)、全面系統(tǒng)的EMC測(cè)試驗(yàn)證等，可以將這些影響因素分為技術(shù)設(shè)計(jì)層面和開(kāi)發(fā)流程2個(gè)方面（圖1）。

圖1 汽車(chē)EMC性能影響因素構(gòu)成

4.1 技術(shù)設(shè)計(jì)層面

技術(shù)設(shè)計(jì)層面對(duì)EMC 性能影響因素主要包括整車(chē)、系統(tǒng)、零部件的機(jī)械架構(gòu)和印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）與布局2個(gè)方面[3-4]。

4.1.1 機(jī)械架構(gòu)

機(jī)械架構(gòu)影響因素可分為線束屬性、電磁屏蔽、電磁濾波、接地、殼體和PCB共6個(gè)方面，如圖2所示。

提升措施與建議：盡量減少噪聲信號(hào)線數(shù)量，施加濾波、屏蔽、接地措施來(lái)降低噪聲信號(hào)電平。做好接口屏蔽、屏蔽層與金屬外殼和塑料外殼接口的360°搭接；從騷擾和抗擾2 個(gè)方面做好線纜和系統(tǒng)的濾波防護(hù)設(shè)計(jì)，相關(guān)器件參數(shù)合理。合理設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)，控制孔縫尺寸，避免輻射泄漏。盡可能減小輻射回路面積，降低輻射干擾風(fēng)險(xiǎn)。做好PCB 板關(guān)鍵控制模塊的屏蔽、接地和濾波設(shè)計(jì)，降低輻射和傳導(dǎo)干擾風(fēng)險(xiǎn)。

4.1.2 PCB電路與布線

PCB 電路影響因素包括：電路中的濾波電容器件、開(kāi)關(guān)型功率電路的濾波設(shè)計(jì)、特殊敏感信號(hào)和電路的濾波與防護(hù)電路、信號(hào)與電路區(qū)域的接地處理方面。PCB 布局布線影響因素包括PCB 完整地平面阻抗、不同屬性的信號(hào)線之間的串?dāng)_、信號(hào)線和電源線與參考地之間的寄生電容方面。

PCB 電路相關(guān)建議：分別在“臟”信號(hào)、敏感信號(hào)、內(nèi)部噪聲信號(hào)、特殊信號(hào)和干凈信號(hào)線之間盡可能施加濾波防護(hù)設(shè)計(jì)，且濾波參數(shù)合理，提高電磁抗擾性能，降低電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，不能影響信號(hào)質(zhì)量；做好信號(hào)和電路區(qū)域的接地設(shè)計(jì)，避免共地串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)。

PCB 布局布線相關(guān)建議：盡量使PCB 地平面阻抗最小，避免不同屬性信號(hào)線間串?dāng)_，降低信號(hào)線和電源線與參考地之間的寄生電容。

4.2 開(kāi)發(fā)流程

汽車(chē)EMC 開(kāi)發(fā)流程分為EMC 正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和EMC 性能開(kāi)發(fā)驗(yàn)證2 大部分[5]，一般呈V 字形分布，如圖3 所示。按照研究對(duì)象不同可以分為4 個(gè)層級(jí)，整車(chē)級(jí)EMC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證、系統(tǒng)級(jí)EMC 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、零部件EMC開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和板層級(jí)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，其中整車(chē)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和零部件級(jí)EMC開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證一般由主機(jī)廠主導(dǎo)完成，板層級(jí)EMC開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證一般由相關(guān)供應(yīng)商主導(dǎo)完成。EMC 的開(kāi)發(fā)需要EMC 專家、EMC工程師、電氣架構(gòu)工程師、測(cè)試工程師、電氣工程師以及電氣零部件供應(yīng)商協(xié)作共同完成。EMC 技術(shù)專家和工程團(tuán)隊(duì)需要具備全面的EMC 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力和豐富的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)、具備EMC 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能力、具備EMC問(wèn)題分析及整改能力[6]。

圖3 整車(chē)-系統(tǒng)-零部件-板層級(jí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證V字形開(kāi)發(fā)流程

整車(chē)EMC 設(shè)計(jì)主要包括整車(chē)EMC 性能目標(biāo)設(shè)定、汽車(chē)EMC 仿真分析預(yù)測(cè)及優(yōu)化、整車(chē)電源和接地方案設(shè)計(jì)、整車(chē)電氣架構(gòu)方案設(shè)計(jì)、整車(chē)線束設(shè)計(jì)、整車(chē)EMC 測(cè)試計(jì)劃、汽車(chē)EMC 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面內(nèi)容。系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì)包括汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)級(jí)EMC 試驗(yàn)大綱和EMC 測(cè)試計(jì)劃方面內(nèi)容。零部件EMC 設(shè)計(jì)包括汽車(chē)零部件EMC 試驗(yàn)大綱和EMC 測(cè)試計(jì)劃方面內(nèi)容。板層級(jí)EMC 設(shè)計(jì)包括PCB 板層級(jí)電路原理圖和布局布線等內(nèi)容。板層級(jí)EMC 試驗(yàn)包括EMC摸底、整改和工程化樣品測(cè)試等內(nèi)容。零部件EMC試驗(yàn)包括零部件EMC 摸底試驗(yàn)、分析整改、整改驗(yàn)證和工程化驗(yàn)證等內(nèi)容。系統(tǒng)級(jí)EMC 試驗(yàn)包括系統(tǒng)級(jí)EMC 摸底試驗(yàn)、分析整改、整改驗(yàn)證和工程化驗(yàn)證等內(nèi)容。整車(chē)EMC 試驗(yàn)包括摸底試驗(yàn)、EMC 分析整改、整改驗(yàn)證、工程化回歸驗(yàn)證，以及整車(chē)EMC 型式認(rèn)證等內(nèi)容。

目前，汽車(chē)EMC 性能主要還是依據(jù)EMC 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，EMC 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和和試驗(yàn)過(guò)程的好壞直接影響著汽車(chē)EMC 性能。本文以試驗(yàn)要求和過(guò)程更為復(fù)雜的零部件EMC 試驗(yàn)為例，從試驗(yàn)室和樣件2 個(gè)方面進(jìn)行影響因素分析，如圖4 所示。EMC 實(shí)驗(yàn)室方面包括樣件布置、線束布置、接地方式、負(fù)載連接、測(cè)試計(jì)劃等試驗(yàn)方法因素和測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備計(jì)量、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)自檢等試驗(yàn)設(shè)備因素。被測(cè)樣件方面包括樣件功能、軟硬件版本和生產(chǎn)一致性等因素。

圖4 EMC試驗(yàn)影響因素

提升建議：為了滿足整車(chē)及電子電器類零部件電磁兼容性能，需要明確項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)相關(guān)專業(yè)工作內(nèi)容、輸入和輸出物，實(shí)現(xiàn)電磁兼容開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

（1）要做好車(chē)型整車(chē)、系統(tǒng)和零部件EMC 開(kāi)發(fā)目標(biāo)設(shè)定，用以指導(dǎo)整車(chē)EMC開(kāi)發(fā)方案、測(cè)試方案制定、系統(tǒng)及零部件測(cè)試方案、零部件技術(shù)描述書(shū)的編制。

（2）要做好整車(chē)EMC 設(shè)計(jì)評(píng)審和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避方案，主要包括整車(chē)電氣架構(gòu)、整車(chē)線束布置、整車(chē)電源及接地分配、整車(chē)EMC 仿真、電氣系統(tǒng)部件特性的設(shè)計(jì)評(píng)審與檢查，并形成整車(chē)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告和系統(tǒng)部件EMC 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，對(duì)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行整改，提前規(guī)避EMC風(fēng)險(xiǎn)。

（3）嚴(yán)格按照EMC 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試計(jì)劃和試驗(yàn)大綱開(kāi)展驗(yàn)證工作，針對(duì)不合格問(wèn)題利用濾波、屏蔽、接地措施進(jìn)行分析、排查、整改和回歸驗(yàn)證。

（4）針對(duì)開(kāi)發(fā)流程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行完善、改進(jìn)和總結(jié)，不斷完善汽車(chē)EMC正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)EMC性能是汽車(chē)電氣性能重要指標(biāo)之一，影響著汽車(chē)的安全和用戶體驗(yàn)。為了提高和保證車(chē)輛EMC性能，不僅要從技術(shù)層面進(jìn)行機(jī)械架構(gòu)和PCB電路原理圖設(shè)計(jì)，還要從開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和全面系統(tǒng)性能驗(yàn)證，也需要應(yīng)對(duì)新能源和智能網(wǎng)聯(lián)新技術(shù)對(duì)EMC性能帶來(lái)的重要影響。