电动汽车常见的EMC 问题与特性

¹ 北京新能源汽车股份有限公司 ² 北京强度环境研究所 ³ 北京中石伟业科技股份有限公司

高新杰¹ 李国珍² 李燕侠³ 李兴华¹ 尹文龙¹ 朱光福³

摘要：本文阐述了电动汽车电磁环境的复杂性。从系统间干扰和系统内干扰两个层次描述了电动汽车试制阶段遇到的一些与EMC 相关的问题，包括整车辐射发射超标、车载充电机传导发射超标、收音机AM 频段接收异常、CAN 信号失真、“掉高压”故障、助力转向器失效、电池单体过电压等情况，并概括了这些问题的典型特征。

关键词：电动汽车；电磁兼容；电磁干扰；系统间干扰；系统内干扰

1 电动汽车电磁环境的复杂性

传统燃油轿车采用12 V 蓄电池供电，发展初期车内产生干扰的装置主要有点火系统、雨刮电机、暖风机等，工作时影响车载收音机的正常工作。随着上述零部件及整车EMC 技术的发展，整车EMC 设计性能普遍满足设计要求。

纯电动汽车采用电机驱动，动力蓄电池作为主要储能装置。图1 为某车型高压（HV）电气系统及CAN网络连接图，HV 系统包括动力蓄电池（其控制单元为电池管理系统，简称BMS）、高压控制盒、驱动电机、电机控制器（MCU）、电动空调压缩机控制器、DC/DC变换器等部件，同时还增加了车载充电机（OBC）以及直流快充口，用于给动力蓄电池充电。整车控制器（VCU）是整车的控制大脑，通过CAN 网络实现各工况优化控制。MCU、DC/DC 变换器等部件大多采用电力电子开关器件，工作时产生较大EMI 噪声，是重要的干扰源，电气线束分布较广，电磁耦合路径复杂，CAN 网络、传感器信号线等敏感装置极易受到干扰。

图1 某车型HV 电气系统及CAN 网络连接图

随着车载智能化、娱乐化设备的不断增加，且这些设备具有高频、高速、高灵敏度、多功能、小型化的特点，导致这些设备产生EMI 和受到EMI 影响的概率大大增加，使得电动汽车EMC 环境更加复杂。从而给国内众多新能源汽车厂家在试制阶段解决EMI 问题带来了很大难题。

2 电动汽车系统间干扰

电动汽车系统间EMC 主要考察车辆行驶时对周围环境的辐射发射以及充电时充电系统和充电站等与电网相连接的设备的EMC 是否满足国家法规。目前，我国强制认证（CCC）业务中，与电动汽车相关的EMC 认证项目包括两个标准，即GB/T 18387-2008 和GB 14023-2011，其中GB/T 18387 包括整车辐射发射测试和充电系统传导发射测试，GB 14023 仅包括整车辐射发射测试。电动汽车整车满足EMC 法规认证并不代表整车系统内EMC 设计非常好。

2.1 GB/T 18387 辐射发射测试超标

某样车在16 km/h 车速下，X 方向磁场辐射测试和电场辐射测试均不符合标准要求，磁场发射测试结果如图2 所示。

图2 X 方向磁场辐射测试结果

磁场辐射发射超标频段主要集中在9~160 kHz, 根据不同车型测试经验，MCU 工作时IGBT 开关频率（8~10 kHz）及其谐波是导致测试超标的根源。

2.2 某款OBC 传导发射测试超标

由于GB/T 18387 没有明确提出OBC 传导发射（CE）测试布置等细节，某款额定功率为3.3 kW 的OBC 按照QC/T 895-2011 电动汽车用传导式车载充电机6.7.1所规定的电磁骚扰性要求（对应GB/T 18487.3-2001 中11.3.2 的要求）进行CE 测试，测试的频率范围是0.15~30 MHz，测试布置如图3 所示，车载充电机交流输入端通过线性阻抗稳定网络（LISN）连接到供电网上。

图3 某款OBC 的CE 测试布置图

CE 测试结果如图4 所示，可知在15~30 MHz 几乎整个测试频段均有超标现象，OBC 工作时其内部MOSFET 的开关频率及其谐波导致低频段超标，特别在高频时，受OBC 内部电子器件及连接线缆寄生参数影响，以及OBC 存在接地、屏蔽等问题，导致高频段超标明显，且在7 MHz 附近出现一个干扰最大值。

图4 某款OBC 其CE 测试结果

2.3 GB 14023 辐射发射测试超标

图5 为某样车执行GB 14023-2011“上电且发动机不运转”右侧垂直极化的测试结果，超标频点固定为81 MHz 和459 MHz。

图5 右侧垂直极化测试结果

对干扰源进行了详细分析，车载仪表控制板上频率为27 MHz 的高速时钟信号是导致该模式下测试超标的干扰源。

3 电动汽车系统内干扰问题

收音机、CAN 网络以及车速信号等受到干扰后，可能导致部分车载电器部件工作异常，甚至导致整车故障，且故障排查难度较大，导致车辆调试周期变长，车辆一致性、可靠性、安全性变差，零部件“故障率”提高。

3.1 收音机AM 频段收音异常

开启某车型的收音机，在AM 频段，整车高压上电前后听感差别较大，当移动收音天线远离前机舱盖时，听感变好。使用频谱仪搜索500 kHz~2 MHz 范围内收音天线输入接口附近的EMI 情况，高压上电前后差别很大，图6、图7 分别为高压系统上电前后收音天线附件测得的干扰频谱。由图7 可知，高压上电后，在500~700 kHz、0.8~1.1 MHz、1.15~1.4 MHz、以及1.4 MHz 以后频段，都有较明显干扰，主要由MCU 和DC/DC 变换器工作时高压线缆辐射发射所致。

图6 高压系统上电前收音天线附件干扰频谱

图7 高压系统上电后收音天线附近干扰频谱

3.2 CAN 网络“信号失真”

CAN 网络是电动汽车控制的中枢神经，用于传输各种控制、反馈、故障等重要信息。CAN 网络波形存在周期性电压尖峰是电动汽车试制过程中遇到的最普遍问题之一，一些重要信息的误报、漏报，直接影响整车的安全性。图8 为某车型网络节点，其中FCBUS、EVBUS 以及VBUS 为电动汽车CAN 网络。

图8 中EVBUS 网络节点上CAN 收发电路设计不当，以及受EMI 影响，EVBUS 信号失真现象较明显，如图9 所示，CAN_H、CAN_L 及差分信号均出现较大扰动，其中差分信号尖峰幅值超过50.8 V ，且表现为周期性，总线上出现大量错误帧。我公司CAN 总线节点电压幅值技术要求见表1。

图8 某车型网络节点

图9 信号失真的EVBUS 波形

表1 CAN 总线电压幅值要求

3.3 车辆行驶过程中“掉高压”

某试验样车行驶过程中经常出现“掉高压”的故障，导致此类故障发生的原因最有可能是动力蓄电池或电机系统出现过温、过流等一级故障，为保护车辆及驾乘人员的安全性，VCU 采取强制措施断开整车高压供电。

读取该车监控数据，并未发生上述情况，因此需考虑是否存在EMI 问题。通过对该车换档手柄连接线束的近场诊断，发现其电源线、信号线周围均有较大骚扰信号。该车的换档手柄控制电路如图10 所示，其输出信号SW1~SW4 为电平信号，不同SW1~SW4 的组合输出逻辑对应不同（P、R、N、D）档位；其正常电平幅值为4.5~5.0 V。换档手柄和VCU 之间采用较长的普通线缆连接，存在线缆耦合辐射干扰导致上述电平信号不稳定的可能性，但采用屏蔽防波套对该连接线缆屏蔽处理后，问题依然没有解决，后经排查得出如下结论：DC/DC 变换器工作时，12 V 电源线上有较大周期性电压尖峰（峰峰值较高），且档位手柄控制电路缺乏足够的抗扰度设计（缺乏滤波电容、储能电容等），从而导致上述控制电路输出电平不稳定，当VCU 无法正确识别档位信息时，VCU 发出关闭高压主继电器的指令，从而产生“掉高压”故障。

图10 换档手柄控制电路图

3.4 电动真空助力制动系统“助力不足”

电动汽车电动真空助力制动系统，主要由控制器、电动真空泵、真空罐（带压力传感器输出信号）、储气罐等构成，其工作可靠性关系到车辆的制动安全。

某款旋片式电动真空泵，其外形结构如图11（a）所示，电源线输入为DC 12 V。泵体内部为直流有刷电机，电机结构如图11（b）所示。电气示意图如图11（c）所示，接地符号代表真空泵外壳。

（a）真空泵外形图

（b）电机结构图

（c）电机原理图

图11 某真空泵外形、电机结构及电机原理框图

该款真空泵安装于某批次试验样车，当图12（a）中所示A 部件工作时，若此时踩下制动踏板，真空泵助力不足且伴有电机堵转声音，采用示波器采集其电源线上信号，波形如图12（b）所示，以电压波形为例，12 V 电压上叠加了较多EMI，导致电机电源线上电压时高时低，电机产生堵转。

（a）真空泵安装位置

（b）电机波形和电流波形

图12 真空泵安装位置及电源线电压、电流波形

3.5 电池单体“过电压”

某车型动力蓄电池在急加速和急减速阶段，频繁断高压，监控数据显示动力蓄电池CAN 报告中有单体过电压一级故障。乙产品电池包里有34 个模组（Module），模组布局如图13 所示，整个模组组合中共计有91 个电池单体（Cell），其中Module 12 内有单体Cell 27、Cell 28 和Cell 29，Module 23 内有单体Cell 56、Cell 57、Cell 58。

图13 模组布局

出现“过电压”的电池单体包括Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59，监控数据显示，Cell 56 单体“过电压”次数最多。某一工况下，采集Cell 12、Cell 56 以及正常的Cell 27（布局位置和Cell 56 一致）单体电压波形，如图14 所示。

图14 Cell 单体电压波形

由图14 可知，Cell 12、Cell 56 电压波形中均带有较大“毛刺”，而Cell 27 波形较好。将正常的Module23 和Module 12 位置互换后，Cell 27 单体电压波形和互换前Cell 56 电压波形基本一致，这说明Module 23 本身没有问题。

排查发现互换前Cell 56 和Cell 27 单体电压采集存在较大差异，如图15 所示， M12 电压采集电路直接连接在Cell 27 单体两端，采集的电压值V27 送电池管理系统处理。 M23 电压采集电路跨接了较长的铜排连接线（Bus-bar）， 该Bus-bar 用于Module 23 和Module22 之间的物理连接， 因此Cell 56 单体电压测试值（图15 中V56）包含两部分：Cell 56 单体真实电压值和Bus-bar 上的电压降。对Cell 12、Cell 40、Cell 59 进行排查，也发现同样问题，这说明Cell 单体“过电压”与Bus-bar 上的电压降有关系。

图15 单体电压采集差异

若该动力蓄电池输出端接纯电阻性负载，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59 单体电压正常，说明Bus-bar上等效电阻产生的电压降可以接受，车上动力系统工作后，电压波形有较大变化，说明Bus-bar 上可能有来自整车的传导性EMI。

车辆急加速、减速阶段，动力蓄电池分别处于“急速放电”和“急速充电”状态，在上述两状态，动力母线上di/dt 均较大，且含有高频分量。经排查，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59 电压采集时跨接的Bus-bar 大概长度分别为39 cm、42 cm、59 cm、49 cm。在高频环境下较长的Bus-bar 上的等效电感分量不能忽略，会在Bus-bar 上产生较大的电压波动，导致Cell 单体“过电压”。

4 结语

EMC 影响信号质量，有可能引发整车行驶安全问题，是我国电动汽车产业化不得不面临的一个共性问题，应该引起各电动汽车生产厂家的重视。研究电动汽车系统级EMC 设计可降低因EMI 问题导致试制车辆试验周期变长、产品上市时间推迟的风险。