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电磁兼容性的影响因素

在一个特定的环境中,电磁兼容性可以分成三部分考虑:干扰源,传播途径和敏感源。干扰源是指任何产生电磁干扰的元件,可以是环境中的任何电器也可以是人活着自然环境。干扰的传播途径是指干扰通过可能的方式触达敏感源的全过程,其传播方式只有传导和辐射两种,但路径可以有很多种。敏感源是指一切易受到电磁干扰的元件或者系统。

干扰源

电动汽车的电磁干扰源大致可以分为两类,自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰,包括静电放电、闪电等。人为干扰源是指由人工装置产生的电磁干扰。

自然干扰源,对于电动汽车来说,主要是静电放电和雷雨天气的闪电。静电放电,在电动汽车已经组装完成的状态,并不会给整车带来太大影响。但在电气组装阶段,电气元件没有接地,如果组装操作人员没有静电去除措施,就直接触摸电路板等敏感元件,极高电压的静电放电,就可能直接造成元件损坏。

人为干扰源,指的主要是电动汽车上所有电气设备。理论上,他们都可以发射干扰,或者被其他电磁信号所干扰。车载干扰源主要有电机、动力电池、电力电子装置、电动辅助系统等等。电压和电流的剧烈波动,产生电磁场的变化,感生电磁场和电流、电压,对环境里的其他电气产生影响。设备的功率越大,频率越高,则产生的传导和辐射的干扰信号就越强烈,影响的范围和程度就越大。

按照干扰信号的存在模式不同,车载干扰源主要分为差模干扰源和共模干扰源;按照告饶信号的传播方式分, 有传导干扰和辐射干扰两种形式。

传播路径

在连接电机控制器和动力电池及车上其他用电设备的直流母线和高低压电缆上,驱动电机控制器,电动转向泵控制器、刹车助力控制器等具备逆变功能的电气产生的噪声以传导的形式将噪声传至远端。

电机控制器等电气参数波动频繁的设备,中间如果以长导线形式连接,则设备本身加上导线的天线作用,把辐射干扰散播到周围空间。

敏感源

电动汽车上的敏感源很多。高压系统,每一个依靠波形控制的高压电器,如果受到电磁干扰,可能输出错误的控制信号。低压系统,比如整车控制器VCU、CAN通讯系统、电池管理系统BMS(尤其开关触发电路和传感器),能量管理单元,制动控制器等等,几乎每一个具备控制调节功能的电气都是敏感源。电磁兼容设计在电动汽车上的重要性可见一斑。

2 电磁干扰抑制噪声的方法

总体上看,电动汽车的电磁兼容性可以从电磁兼容的三要素来分析,干扰源、传播途径和敏感源, 三要素中任何一个条件被控制, 系统的抗电磁干扰性能都将得到改善。

通常的抑制干扰方法有三类:屏蔽,滤波和搭铁

屏蔽,主要解决辐射干扰,防止干扰源向周围环境传播干扰或者被环境中的电磁信号干扰。屏蔽的效果与屏蔽层材料,屏蔽层厚度,环境中的信号类型、信号强度,屏蔽层的完整性等因素有关。

滤波,主要解决传导干扰,通过电路传导的干扰,无法依靠屏蔽手段避免,只有在电路中设置滤波装置。滤波器的参数设置与被保护回路及干扰源的频率有直接关系,可以根据两者之间的差距选择滤波器类型和参数。动力系统中的导线,具有很强的天线特性,既可以接收外来干扰信号,也可以发射干扰信号到环境中。

搭铁,是针对共模干扰采取的抑制措施,联通干扰源与系统地,可以减小干扰信号的电流或者电压。但并不是直接使用导线连接就能完全起到抗干扰的作用,接地的效果与接地模式密切相关。不合适的接地,反而会将汽车搭铁系统中的干扰信号传输给原本屏蔽措施非常完善的系统。

屏蔽,同时实现阻断传播通道和消灭干扰源或者敏感源的目的;滤波,基于阻断传播通道的理论;搭铁,基于消灭干扰源理论。

电动汽车抗电磁干扰的设计原则

首先,敏感源必须布置在远离主要干扰源的位置,电动汽车上最大的干扰源就是电机和电机控制器,功率大,频率高。整车控制器、制动控制器等关键控制系统,必须远离电机系统;并且电机和电机控制器之间,尽量靠近摆置,避免扩大骚扰范围,降低连接导线的发射能力。

第二,注意线束走线方式和尽量选用适当的线束类型。线束本身具有天线的性质,导线的长度尽量短,最好不要大于干扰信号波长的0.1倍;高压线束和低压线束不能密集固定在一起,必须保持一定的距离;平行走线方式,是导线之间影响最大的方式,如果无法保证可靠的距离,则尽量垂直布置;在条件允许的情况下,选择屏蔽线和双绞线。

第三,对强干扰源采取屏蔽措施,加强对大功率高频率的IGBT模块及变压器等的屏蔽措施,可以单独对这些模块先施加一层屏蔽层,再在电机控制器外部整体屏蔽一次;注意屏蔽层的小的缝隙和孔洞,使用导电衬垫填补缝隙,用金属丝网遮蔽较大的窗口,避免电磁波泄漏;

第四,差模干扰在电动汽车上的比例较小, 可以在信号线和电源线上串差模扼流圈,或者干扰源和敏感源之间并联电感,组成低通滤波器。对于共模干扰,可以在工作电路中串联共模扼流圈,或者在地与导线之间并联电容,组成LC滤波电路,过滤掉共模干扰噪声。

第五,如果系统已经组装文成,无法轻易做进一步的改动,而电磁干扰检测无法通过时,可以考虑在整个线束上增加一个共模扼流环。

第六,合理设计电动汽车整个电气系统的搭铁,常见的接地方式有:单点接地,多点接地,混合接地和悬浮地。接地需要注意以下几点。

1) 根据不同的工作信号频率范围选择接地方式;

2) 接地线的种类对接地效果有很大影响,一般选用扁平线;

3) 设计的接地点尽量靠近接地电气,缩短接地线长度。

PS: 名词解释

电磁环境,存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

电磁骚扰, 任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对生物或非生物产生不良影响的电磁现象。

电磁干扰,电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

电磁发射,从源向外发出电磁能的现象。发射不仅指电磁能量向外界空间进行的电磁辐射,也包括以电流的形式在电导体中进行的电磁能量的传导。

差模干扰和共模干扰,在电源或者信号回路中,一般至少具有两条线路,一去一回形成回路。无论是否有人为的接地,参考地在电气系统中都存在。干扰信号在这三条线路中的两种不同存在形式,构成了差模干扰共模干扰。

差模干扰(Differential-mode Interference)定义为任何两个载流导体之间的干扰信号,干扰信号可以用电压或者电流的形式表示。

共模干扰(Common- mode Interference)定义为任何载流导体与参考地之间的干扰信号;


举例说明,如上面图中所示,L、N为载流导线,E作为地线。U3电压为差模干扰信号对应的电压,而U1和U2是共模干扰信号对应的电压。

耦合,一个系统的输出受到输入信号的影响,这种关系就叫做输入与输出是耦合关系。应用到电磁干扰部分,电磁干扰信号,作为一种输入,影响了另一个系统的输出,就是电磁干扰信号以耦合的形式作用于另外一个系统。进一步拓展,温度场、电场、磁场同时作用于一个系统,叫做三种物理场的耦合。

串扰,指两条电源线或者信号线之间的耦合作用,耦合的类型,分为容性耦合和感性耦合。容性耦合产生耦合电流;感性耦合产生耦合电压。

参考文献:

1赵金奎,共模干扰和差模干扰及其抑制技术;

2刘晴,纯电动汽车动力系统的电磁兼容性分析与评估;

3裴春松,纯电动汽车电磁兼容分析与电磁干扰抑制;

4许响林,纯电动城市客车电磁兼容性试验;

5张广玉,电池包传导发射测试方法研究;

6龙海清,电动汽车PWM驱动电机系统EMC研究;

7张梅,电动汽车充电桩电磁兼容测试现状及分析;


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