高压电磁兼容性设计专场一

来源：线束世界•作者：线束世界-Jimmy•2022-05-05 09:18

作者：Slight

编辑：Jimmy

与传统汽车相比，新能源车中的高压动力驱动系统、信息化和智能化设备等多种类型的电力、电气、电子设备集中布置，构成极其恶劣的电磁环境。

一方面车辆系统外部环境恶劣，频谱范围、能量密度及干扰类型成倍增加；另一方面车内高压/高功率系统、信息化智能化设备的高度集成，其电气特征和功能特性都与电磁干扰（EMI）紧密相关。

电磁兼容在上升为电动汽车关键技术和瓶颈技术的同时，也成为保证汽车安全行驶及系统可靠性的一个巨大挑战。

在本推文中，笔者将分享有关整车电磁兼容的信息，包括电磁兼容的定义、分类、电磁兼容干扰等级、干扰源分类、针对高压电驱动系统的电磁干扰和干扰特性。

电磁兼容的定义及分类

A. 电磁兼容的定义

电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility)是一门关于电磁能量的产生、传输和接受的学科，是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备(分系统、系统、广义的还包括生物体)可以按设计要求正常工作并共存的一门科学。

从电动车角度而言，EMC（Electro magnetic compatibility，电磁兼容）是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。

包括EMI和EMS以及系统或设备工作的电磁环境（外境）三方面的内容。

B. 电磁兼容分类

电磁兼容包括EMI(Electro Magnetic Interference/电磁干扰)和EMS(Electro Magnetic Susceptibility/电磁耐受性)两部分。

(1) EMI电磁干扰

指的是电器件本身在执行应有功能的过程中所产生的不利于其他系统的电磁噪声。

电磁干扰测试是测量被测设备在正常工作状态下产生并向外发射的电磁波信号的大小来反应对周围电子设备干扰的强弱。EMI是主动性的，即对外界产生的干扰。

对EMI再进行细分，可分为从电源线、信号线或控制线传导出来的传导骚扰(CE/Conducted emission)和从产品壳体辐射出来的辐射骚扰(RE/Radiated emission)。

(2) EMS电磁耐受性

指的是电器件在执行应有功能的过程中，不受周围电磁环境影响的能力。

电磁敏感度测试是测量被测设备对电磁骚扰的抗干扰的能力强弱。EMS是被动性的，即抵抗外界的干扰。

EMS包括如下细分内容：

a) 壳体静电放电抗扰度(ESD/Electrostatic discharge);

b) 电源线、信号线的电快速脉冲群抗扰度(EFT/Electrical fast transient burst);

c) 壳体辐射抗扰度(RS/Radiated Susceptibility);

d) 电源线/信号线的传导抗扰度(CS/Conducted Susceptibility)；

电磁兼容骚扰等级

随着汽车电动化、智能化、网联化的发展，以及车载无线通信系统技术等应用越来越广泛，电动汽车与复杂电磁环境间的相容性将成为未来电动汽车电磁兼容性测试评价的一个重要趋势，这种测试评价技术需要汽车行业和电磁兼容测试评价机构紧密配合，共同研究外界电磁环境对车内、车外系统的电磁兼容性问题产生机理及解决方案。其中，对配置了高等级自动驾驶功能的车型，如何对其在复杂电磁环境下的安全性进行测试与评价，又将成为未来若干年中汽车电磁兼容发展的重中之重。

对于车辆而言，电磁兼容骚扰等级共分为4个等级。

骚扰等级定义

针对车辆的电磁干扰主要来源有车辆内部电气部件之间的相互影响、车辆作为一个整体，受到车外广播电视、无线通信、电网设备等人为设置的干扰源的影响、以及由自然现象带来的干扰。

电动车的电磁干扰源分类

A. 车载干扰源

主要指的是车上各种电子电气系统产生的电磁干扰。车载干扰源主要有驱动系统、动力电池、功率变换器、继电器、电动辅助系统、开关、通讯设备以及微处理器等电子设备。车载干扰源的电磁传播模式有传导干扰和辐射干扰两种形式。

B. 自然干扰源

自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰。比较典型的自然界电磁现象产生的电磁噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声以及静电放电等。大多数情况下，这种电磁噪声非常复杂，并且对汽车的干扰影响可以忽略。但是，闪电和静电放电可能会产生很大的瞬变场强。

C. 人为干扰源

人为干扰源是指由汽车外部人工装置产生的电磁干扰。主要有其他车辆的辐射干扰，车外的雷达、无线电台发射机、移动通讯设备等发射的电磁波干扰，以及高压输电线的放电等。

高压电驱动系统的电磁干扰

高压电驱动技术是顺应能量流产生与分配新模式下的技术革新，其在新能源车上的集成与应用可满足国家节能减排、排放环保的硬性要求。该系统由高功率驱动电机、非线性逆变器、高压动力电池及控制软件等组成，具有高电压、大功率、控制复杂等现代电力电子特征。

高压电驱动系统中的控制器、电机等部件带来的电磁干扰具有干扰强度高、耦合路径复杂、与运行工况密切相关的特点，对整车电网及用电负载的可靠运行、通信系统的信号传输质量产生严重威胁。

从车辆电磁兼容性的角度分析，这是一个潜在的强电磁干扰源，其集成安装在车辆内部，可能导致车辆内部电磁环境严重恶化，特别是对低压电子电气设备的正常工作产生不可忽视的影响。

新能源车集成了更多的电子系统、传感器和执行机构，以适应自动化、智能化的需求。

由于动力系统的变革及高低压电子器件的混合应用，控制系统成为安全关键系统。而混合动力系统的能量转换模式与其动力驱动密切相关，形成独特的多路径耦合干扰特性，将带来更加复杂的电磁干扰问题。随着高压电驱系统的广泛应用，无论是基础理论、系统设计还是试验标准都有待加强研究。

高压电驱系统的干扰特性

高压电驱动系统采用脉宽调制（PWM）变换技术，其中大电流绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在高压偏置的情况下不断（频率高达上百千赫兹）关断（硬关断）和开启，会产生很大的开关损耗和噪声，降低整车系统的电磁兼容性。

高压电驱动系统中，电源变换单元的非线性特性、大功率电机负载的动态阻抗失配特性将引发瞬态强电磁干扰、谐波干扰和浪涌，并以辐射和传导的方式进行传播。

其中，传导干扰发射会导致整车电网电能质量的恶化，造成其它车载仪器和设备工作失常、失效甚至损坏。辐射干扰发射将引起车载通信系统、低压控制系统等传输信号受扰，影响设备正常协同工作。

特别是混合驱动车辆，共模干扰随着功率器件开关频率和系统工作电压等级的提高，干扰强度也在加大；不但涉及电子系统，而且与机械连接结构密切相关，解决电磁干扰问题需要从设计、工艺集成、实验、成本等方面全面考虑。综合近年来国内外相关资料和文章，混合动力车辆的电磁兼容问题不仅是关键技术，还将成为广泛应用中的技术瓶颈。

不论是低压的燃油车还是高低压兼有的电动车，都会受到电磁兼容的影响。

对于电动汽车而言，既有汽车属性更有电气属性，相比传统燃油车的低压供电系统，高压大功率转换装置和驱动电机的使用，更多高压与低压控制线束的使用，会产生比传统燃油车更为严重的电磁干扰噪声，强电磁辐射还可能干扰车载电子设备间CAN通信的正常运行，干扰周围环境和车辆的电子设备，直接关系到电动汽车的安全。