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廣汽-非屏蔽高壓快充線對(duì)電動(dòng)汽車EMC的影響

2021-11-27 19:58:28·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：覃寶山等  
　
文章來(lái)源：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院隨著新能源電動(dòng)車的發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的扶持，各個(gè)車企都在大力開(kāi)發(fā)新能源車，由于高壓部件的電磁干擾普遍偏
文章來(lái)源：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
隨著新能源電動(dòng)車的發(fā)展和國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的扶持，各個(gè)車企都在大力開(kāi)發(fā)新能源車，由于高壓部件的電磁干擾普遍偏高，各個(gè)廠商的水平參差不齊，新能源電動(dòng)車的電磁兼容問(wèn)題表現(xiàn)尤為突出，為保證車輛電磁兼容性能，減少電磁兼容問(wèn)題給整車帶來(lái)不可預(yù)知的影響，電動(dòng)汽車上的高壓線束采用屏蔽高壓線將干擾屏蔽起來(lái)，使得新能源車能夠滿足國(guó)家的EMC相關(guān)法規(guī)要求。
電動(dòng)汽車的高壓充電線束是車輛高壓電池充電的路徑，高壓充電線束只在汽車充電期間處于通電狀態(tài)，在汽車行駛以及使用期間，處于非通電狀態(tài)，因此，從整車降低成本上提出了高壓充電線束使用非屏蔽設(shè)計(jì)的可能性。本文將從整車設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證的角度論證高壓快充線束使用非屏蔽設(shè)計(jì)的可行性以及它對(duì)整車EMC的影響。
1電動(dòng)車電磁兼容法規(guī)
目前中國(guó)新能源電動(dòng)汽車要求滿足GB34660和GB/T18387，這兩份法規(guī)分別從不同輻射方式和頻率范圍對(duì)新能源電動(dòng)汽車的電磁兼容性能提出了要求，確保企業(yè)上市的新能源電動(dòng)汽車的電磁兼容技術(shù)性能。
1.1整車輻射發(fā)射測(cè)試要求
GB34660-2017《道路車輛電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》法規(guī)中，關(guān)于保護(hù)車外接收機(jī)輻射發(fā)射測(cè)試提出了其測(cè)試方法以及相對(duì)應(yīng)的限值要求。滿足條件的新能源電動(dòng)車輛應(yīng)在40km/h的恒速運(yùn)行下測(cè)試車輛寬帶輻射發(fā)射，而窄帶的測(cè)試僅僅要求車輛處于上電狀態(tài)，車輛所有電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行；寬帶和窄帶的限值要求如表1所示。整車輻射發(fā)射測(cè)試示意如圖1所示。
1.2整車電磁場(chǎng)發(fā)射測(cè)試要求
符合GB/T18387-2017《電動(dòng)汽車電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度限值及測(cè)量方法》規(guī)定條件的新能源電動(dòng)汽車，應(yīng)測(cè)試車輛在16km/h和70km/h恒速行駛時(shí)的電磁場(chǎng)發(fā)射，其中電場(chǎng)和磁場(chǎng)限值要求如表2所示。

2新能源電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)工作原理
新能源電動(dòng)汽車以高壓電池為動(dòng)力能源為全車所有電氣部件提供能量，依靠電驅(qū)總成輸出扭矩驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，并搭配了快充系統(tǒng)和慢充系統(tǒng)為高壓電池進(jìn)行充電，車輛的電氣工作原理如圖2所示。在行車驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下充電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)：高壓電池—集成配電—電驅(qū)總成—?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)—驅(qū)動(dòng)汽車行駛；在快充狀態(tài)下充電開(kāi)關(guān)閉合，車輛電氣工作原理：快充系統(tǒng)—充電開(kāi)關(guān)—高壓電池。

2.1新能源電動(dòng)汽車的EMC干擾分析
新能源電動(dòng)汽車在進(jìn)行整車電磁兼容的相關(guān)法規(guī)試驗(yàn)時(shí)，不管是整車輻射發(fā)射測(cè)試還是整車電磁場(chǎng)發(fā)射測(cè)試，對(duì)于新能源電動(dòng)汽車都有要求車輛處于行駛狀態(tài)下進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，車內(nèi)的高壓系統(tǒng)在強(qiáng)電壓和大電流的狀態(tài)下工作時(shí)，很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。
以電驅(qū)系統(tǒng)為例，電驅(qū)系統(tǒng)的IGBT開(kāi)關(guān)速度很快，IG－BT的上升沿和下降沿在100ns到200ns之間，開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中伴隨著較大的電壓變化和電流變化，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。如圖3所示，高壓電池組和線纜對(duì)搭鐵、開(kāi)關(guān)器件IG－BT對(duì)散熱器、電機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼等，都會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生寄生電容，見(jiàn)圖3C1，C2，C3，C4，C5寄生電容，從而形成了共模EMI耦合路徑。
同時(shí)電機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的急速電流變化與系統(tǒng)中的雜散電感相互耦合形成了差模EMI干擾路徑，如圖4所示；因此新能源電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)共模干擾路徑和差模干擾路徑會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生較大的電磁干擾。

電動(dòng)車上還存在空調(diào)壓縮機(jī)、PTC和DCDC逆變器等各類高壓部件，這些產(chǎn)品在行車過(guò)程中也會(huì)對(duì)外產(chǎn)生一定量的電磁干擾，因此新能源電動(dòng)汽車在高壓線束系統(tǒng)上采用屏蔽設(shè)計(jì)，從而將整車對(duì)外部的電磁干擾控制在合理范圍內(nèi)。
從新能源電動(dòng)汽車的電器原理上可知道，行車模式下，充電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，在快充正極線束上并無(wú)高壓電。如果在高壓電池充電端口設(shè)計(jì)增加濾波模塊，如圖2所示，高壓充電線束取消屏蔽設(shè)計(jì)是存在可行性的。
2.2高壓線束設(shè)計(jì)方案
2.2.1快充線束設(shè)計(jì)方案
當(dāng)前新能源電動(dòng)汽車的高壓快充線束均采用屏蔽設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

如果新能源電動(dòng)汽車高壓快充線設(shè)計(jì)為非屏蔽線束，從物料上會(huì)減少屏蔽連接器、線束屏蔽層、屏蔽防水結(jié)構(gòu)以及接搭鐵線，如圖6所示。

從成本上綜合對(duì)比，以實(shí)車上2m長(zhǎng)的高壓充電線束總成為例，可以減少屏蔽連接器設(shè)計(jì)、線束屏蔽層設(shè)計(jì)、防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及搭鐵線束設(shè)計(jì)，而需要增加的是高壓電池端口濾波模塊設(shè)計(jì)以及電池包在開(kāi)模時(shí)需要預(yù)留的濾波模塊固定結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比物料成本，如表3所示，預(yù)計(jì)非屏蔽設(shè)計(jì)大約能夠省成本120元左右。

2.2.2快充端口濾波方案
倘若考慮低成本方案，將快充線束設(shè)計(jì)為非屏蔽狀態(tài)，則會(huì)對(duì)整車EMC產(chǎn)生一定的影響；而從高壓電氣系統(tǒng)原理上分析采用高壓快充線束的非屏蔽設(shè)計(jì)，需要考慮兩個(gè)問(wèn)題。
1）高壓快充線束的高壓負(fù)極始終連接在高壓系統(tǒng)中，形成了天線效應(yīng)，將高壓系統(tǒng)的電磁干擾對(duì)外輻射出來(lái)。
2）高壓快充線束的正極和負(fù)極并行布線，形成耦合效應(yīng)，也會(huì)泄露高壓系統(tǒng)的電磁干擾。
因此需要在電池包的快充端口或者高壓線束上增加濾波模塊的方案，本次驗(yàn)證選擇了實(shí)施更為簡(jiǎn)便的在高壓線束端口增加磁環(huán)方案來(lái)驗(yàn)證效果，而工程量化上考慮，則需要在電池包快充端口設(shè)計(jì)濾波模塊，并加以支架固定，如圖7。

3整車EMC測(cè)試驗(yàn)證
為驗(yàn)證采用非屏蔽高壓快充線束的可行性，我們選用了一款在研車型進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，通過(guò)實(shí)車改制，更換非屏蔽線的快充線束，對(duì)快充線增加磁環(huán)前后的車輛進(jìn)行GB34660和GBT18387兩項(xiàng)法規(guī)的驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果如表4、表5所示。
通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，該車型的高壓零部件在滿足國(guó)標(biāo)GB/T18655輻射發(fā)射三級(jí)的條件下，整車取消高壓快充線束的屏蔽設(shè)計(jì)，整車電磁兼容依然存在不通過(guò)法規(guī)測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)。而在快充線上增加磁環(huán)后，整車測(cè)試結(jié)果可以滿足法規(guī)的要求，且余量充足。

4總結(jié)
本文通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證，有效評(píng)估了非屏蔽高壓快充線束對(duì)整車電磁兼容法規(guī)的影響，并且給出了有效措施。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試得出：非屏蔽快充線束設(shè)計(jì)方案是可行的，并且能夠節(jié)約整車成本，但是需要注意的是開(kāi)發(fā)非屏蔽快充線束設(shè)計(jì)方案時(shí)，需要著重關(guān)注快充端口的屏蔽模塊的設(shè)計(jì)，避免直接采用非屏蔽快充線設(shè)計(jì)帶來(lái)的整車EMC風(fēng)險(xiǎn)。
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