汽車研發：電動汽車EMC設計與開發！
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電動汽車EMC設計與開發
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一、什麼是EMC？
EMC（電磁兼容性）的全稱是Electro Magnetic Compatibility，其定義為「設備和系統在其電磁環境中能正常工作且不對環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力」，該定義包含兩個方面的意思：
1）首先，該設備應能在一定的電磁環境下正常工作，即該設備應具備一定的電磁抗擾度（EMS）。
2）其次，該設備自身產生的電磁騷擾不能對其他電子產品產生過大的影響，即電磁騷擾（EMI）。
可以這樣簡單理解：即產品的抗干擾能力和自身的干擾壓制能力。
二、電動汽車電磁環境的複雜性
傳統燃油轎車採用12V蓄電池供電，發展初期車內產生干擾的裝置主要有點火系統、雨刮電機、暖風機等，工作時影響車載收音機的正常工作。隨著上述零部件及整車EMC技術的發展，整車EMC設計性能普遍滿足設計要求。
純電動汽車採用電機驅動，動力蓄電池作為主要儲能裝置。下圖為某車型高壓（HV）電氣系統及CAN網路連接圖，HV系統包括動力蓄電池（其控制單元為電池管理系統，簡稱BMS）、高壓控制盒、驅動電機、電機控制器（MCU）、電動空調壓縮機控制器、DC/DC變換器等部件，同時還增加了車載充電機（OBC）以及直流快充口，用於給動力蓄電池充電。
整車控制器（VCU）是整車的控制大腦，通過CAN網路實現各工況優化控制。MCU、DC/DC變換器等部件大多採用電力電子開關器件，工作時產生較大EMI雜訊，是重要的干擾源，電氣線束分布較廣，電磁耦合路徑複雜，CAN網路、感測器信號線等敏感裝置極易受到干擾。
隨著車載智能化、娛樂化設備的不斷增加，且這些設備具有高頻、高速、高靈敏度、多功能、小型化的特點，導致這些設備產生EMI和受到EMI影響的概率大大增加，使得電動汽車EMC環境更加複雜。從而給國內眾多新能源汽車廠家在試製階段解決EMI問題帶來了很大難題。
三、EMC設計存在的問題
汽車電子產品的應用和發展日新月異，形成了一個比較龐大的產業鏈。而產業的高速發展，也暴露出一些技術基礎方面的薄弱環節，特別是在技術標準方面存在一些空白。作為產品生產的技術基礎之一的標準化工作的發展遠遠不能滿足實際需求。
第一是標準陳舊，第二是許多標準直接將家用產品標準轉化為車載設備標準，沒有充分考虐車載設備的特殊性；第三是標準內容互相引用，經常出現互相不協調的情況。而且在汽車電氣電子系統開發設計時，只重視系統功能開發與系統集成設計，僅考慮單體、單機設計，重視產品的功能設計，沒有從汽車整體的角度進行系統EMC設計，因此不能很好地解決汽車電氣電子系統電磁兼容問題。
1）由於通電的導線和電纜可視為等效天線，因此汽車電子設備的線束輻射干擾非常嚴重。
2）線束中互相平行的導線由於距離近，導線間存在很大的寄生電容和電感，這些都是導致串擾的主要原因。
3）線束連接的設備搭鐵電位不同，還有可能通過線束的屏蔽層引進搭鐵線干擾。
在印製電路板上的電磁兼容問題主要是公共阻抗的耦合、線間串擾、高頻載流導線的電磁輻射、印製線路板對高頻輻射的感應以及波形在長線傳輸中的畸變等。
3車內電磁干擾車內電磁干擾是汽車電子設備工作時內部的互相干擾，主要包括電子元器件產生的電子雜訊，電機運行中換向電刷產生的電磁干擾以及各種開關工作時的放電干擾，最嚴重的是汽車點火系統產生的高頻輻射，其干擾能量最大。
電動汽車系統間EMC主要考察車輛行駛時對周圍環境的輻射發射以及充電時充電系統和充電站等與電網相連接的設備的EMC是否滿足國家法規。目前，我國強制認證（CCC）業務中，與電動汽車相關EMC認證項目包括兩個標準，即GB/T18387-2008和GB14023-2011，其中GB/T18387包括整車輻射發射測試和充電系統傳導發射測試，GB14023僅包括整車輻射發射測試。電動汽車整車滿足EMC法規認證並不代表整車系統內EMC設計非常好。
1）GB/T18387輻射發射測試超標
某樣車在16km/h車速下，X方向磁場輻射測試和電場輻射測試均不符合標準要求，磁場發射測試結果如下圖所示。
磁場輻射發射超標頻段主要集中在9~160kHz，根據不同車型測試經驗，MCU工作時IGBT開關頻率（8~10kHz）及其諧波是導致測試超標的根源。
2）某款OBC傳導發射測試超標
由於GB/T18387沒有明確提出OBC傳導發射（CE）測試布置等細節，某款額定功率為3.3kW的OBC按照QC/T895-2011電動汽車用傳導式車載充電機6.7.1所規定的電磁騷擾性要求（對應GB/T18487.3-2001中11.3.2的要求）進行CE測試，測試的頻率範圍是0.15~30MHz，測試布置如下圖所示，車載充電機交流輸入端通過線性阻抗穩定網路（LISN）連接到供電網上。
CE測試結果如下圖所示，可知在15~30MHz幾乎整個測試頻段均有超標現象，OBC工作時其內部MOSFET的開關頻率及其諧波導致低頻段超標，特別在高頻時，受OBC內部電子器件及連接線纜寄生參數影響，以及OBC存在接地、屏蔽等問題，導致高頻段超標明顯，且在7MHz附近出現一個干擾最大值。
3）GB14023輻射發射測試超標
下圖為某樣車執行GB14023-2011「上電且發動機不運轉」右側垂直極化的測試結果，超標頻點固定為81MHz和459MHz。
車載儀錶控制板上頻率為27MHz的高速時鐘信號是導致該模式下測試超標的干擾源。
5電動汽車系統內干擾問題收音機、CAN網路以及車速信號等受到干擾後，可能導致部分車載電器部件工作異常，甚至導致整車故障，且故障排查難度較大，導致車輛調試周期變長，車輛一致性、可靠性、安全性變差，零部件「故障率」提高。
1）收音機AM頻段收音異常
開啟某車型的收音機，在AM頻段，整車高壓上電前後聽感差別較大，當移動收音天線遠離前機艙蓋時，聽感變好。使用頻譜儀搜索500kHz~2MHz範圍內收音天線輸入介面附近的EMI情況，高壓上電前後差別很大，高壓上電後，在500~700kHz、0.8~1.1MHz、1.15~1.4MHz、以及1.4MHz以後頻段，都有較明顯干擾，主要由MCU和DC/DC變換器工作時高壓線纜輻射發射所致。
2）CAN網路「信號失真」
CAN網路是電動汽車控制的中樞神經，用於傳輸各種控制、反饋、故障等重要信息。CAN網路波形存在周期性電壓尖峰是電動汽車試製過程中遇到的最普遍問題之一，一些重要信息的誤報、漏報，直接影響整車的安全性。
上圖為某車型網路節點，其中FCBUS、EVBUS以及VBUS為電動汽車CAN網路。圖中EVBUS網路節點上CAN收發電路設計不當，以及受EMI影響，EVBUS信號失真現象較明顯，CAN匯流排節點電壓幅值技術要求見下表。
3）車輛行駛過程中「掉高壓」
某試驗樣車行駛過程中經常出現「掉高壓」的故障，導致此類故障發生的原因最有可能是動力蓄電池或電機系統出現過溫、過流等一級故障，為保護車輛及駕乘人員的安全性，VCU採取強制措施斷開整車高壓供電。讀取該車監控數據，並未發生上述情況，因此需考慮是否存在EMI問題。通過對該車換檔手柄連接線束的近場診斷，發現其電源線、信號線周圍均有較大騷擾信號。
該車的換檔手柄控制電路如上圖所示，其輸出信號SW1~SW4為電平信號，不同SW1~SW4的組合輸出邏輯對應不同（P、R、N、D）檔位；其正常電平幅值為4.5~5.0V。換檔手柄和VCU之間採用較長的普通線纜連接，存在線纜耦合輻射干擾導致上述電平信號不穩定的可能性，但採用屏蔽防波套對該連接線纜屏蔽處理後，問題依然沒有解決，後經排查得出如下結論：DC/DC變換器工作時，12V電源線上有較大周期性電壓尖峰（峰峰值較高），且檔位手柄控制電路缺乏足夠的抗擾度設計（缺乏濾波電容、儲能電容等），從而導致上述控制電路輸出電平不穩定，當VCU無法正確識別檔位信息時，VCU發出關閉高壓主繼電器的指令，從而產生「掉高壓」故障。
4）電動真空助力制動系統「助力不足」
電動汽車電動真空助力制動系統的工作可靠性關係到車輛的制動安全。某款旋片式電動真空泵，其外形結構如下圖所示：
電源線輸入為DC12V，泵體內部為直流有刷電機。
真空泵安裝於某批次試驗樣車，工作時，若此時踩下制動踏板，真空泵助力不足且伴有電機堵轉聲音，採用示波器採集其電源線上信號，以電壓波形為例，12V電壓上疊加了較多EMI，導致電機電源線上電壓時高時低，電機產生堵轉。
5）電池單體「過電壓」
某車型動力蓄電池在急加速和急減速階段，頻繁斷高壓，監控數據顯示動力蓄電池CAN報告中有單體過電壓一級故障。乙產品電池包里有34個模組（Module），模組布局如下圖所示，整個模組組合中共計有91個電池單體（Cell），其中Module12內有單體Cell27、Cell28和Cell29，Module23內有單體Cell56、Cell57、Cell58。
出現「過電壓」的電池單體包括Cell12、Cell40、Cell56、Cell59，監控數據顯示，Cell56單體「過電壓」次數最多。某一工況下，採集Cell12、Cell56以及正常的Cell27（布局位置和Cell56一致）單體電壓波形，如下圖所示。
由圖可知，Cell12、Cell56電壓波形中均帶有較大「毛刺」，而Cell27波形較好。將正常的Module23和Module12位置互換後，Cell27單體電壓波形和互換前Cell56電壓波形基本一致，這說明Module23本身沒有問題。
排查發現互換前Cell56和Cell27單體電壓採集存在較大差異，如上圖所示，M12電壓採集電路直接連接在Cell27單體兩端，採集的電壓值V27送電池管理系統處理。M23電壓採集電路跨接了較長的銅排連接線（Bus-bar），該Bus-bar用於Module23和Module22之間的物理連接，因此Cell56單體電壓測試值（圖15中V56）包含兩部分：Cell56單體真實電壓值和Bus-bar上的電壓降。對Cell12、Cell40、Cell59進行排查，也發現同樣問題，這說明Cell單體「過電壓」與Bus-bar上的電壓降有關係。
若該動力蓄電池輸出端接純電阻性負載，Cell12、Cell40、Cell56、Cell59單體電壓正常，說明Bus-bar上等效電阻產生的電壓降可以接受，車上動力系統工作後，電壓波形有較大變化，說明Bus-bar上可能有來自整車的傳導性EMI。車輛急加速、減速階段，動力蓄電池分別處於「急速放電」和「急速充電」狀態，在上述兩狀態，動力母線上di/dt均較大，且含有高頻分量。經排查，Cell12、Cell40、Cell56、Cell59電壓採集時跨接的Bus-bar大概長度分別為39cm、42cm、59cm、49cm。在高頻環境下較長的Bus-bar上的等效電感分量不能忽略，會在Bus-bar上產生較大的電壓波動，導致Cell單體「過電壓」。
四、EMC設計原則
汽車電氣電子系統的電磁兼容設計首先應該解決的重要問題是汽車系統的EMC總體設計問題，然後解決單體，單機部件設計問題。
根據形成電磁干擾的三要素(電磁騷擾源、傳播途徑、敏感設備)可知，要實現產品的電磁兼容，須從三個方面著手：抑制電磁騷擾源；切斷電磁干擾傳播耦合途徑；提高電磁敏感設備的抗干擾能力。具體解決方案與實現方法有很多，從系統整體EMC綜合設計角度來看，主要應把握以下兩項基本原則：
實踐證明，系統的EMC問題必須從系統設計抓起，優良的EMC性能是靠周密有效地進行設計實現的。汽車電氣電子系統是一個複雜的「巨系統」，由許多大系統或子系統組成。在做功能設計時，不能只考慮單個系統的EMC設計，更需要從總體上進行系統性設計。
系統設計法是指在汽車電氣電子系統產品的初始設計階段對可能影響系統電磁兼容性的元器件、電路、模塊及部件建立數學模型，利用輔助分析設計工具對其電磁兼容性進行系統分析預測和控制分配，並在系統或設備產品設計的全過程中貫徹始終，不斷地對各階段設計進行評估檢驗和修改，從而為整車電磁兼容性能滿足要求打下良好基礎。
規範設計法是指在產品開發階段就按照有關電磁兼容標準規範的要求進行設計，使產品可能出現的問題得到早期解決。該方法以系統或設備遵循的標準所規定的極限值為計算基礎，由於各種標準和規範中的極限是以同類系統或設備中最嚴重的情況制訂的，因此可為系統總體EMC性能提供一定冗餘度。
五、電動汽車EMC設計開發流程
電動汽車系統級EMC設計思想：綜合考慮電器部件性能及功能完整性、可靠性、技術成本、車身輕量化、產品上市周期等各種因素，確定布局和技術控制狀態，選取材料、結構和工藝，在車輛研發的各階段，以最低的成本、最有效的方式將接地、屏蔽及濾波等設計思想及具體措施實施到產品或系統中，在測試階段做出詳細的EMC測試評價、優化及管理，最終形成一套可行性高的正向開發設計方法或流程。
在產品質量前期策劃（advanced product quality planning，簡稱APQP）過程中，新產品研發過程一般由5個階段組成：計劃定義和項目、產品設計和開發驗證、過程設計和開發驗證、產品和過程確認，以及反饋、評估和糾正措施，APQP進度圖如下圖：
電動汽車系統級EMC開發流程如下圖：
述各階段需要車型設計總師、項目經理、EMC專家、EMC工程師、電氣工程師、線束工程師、總布置工程師、結構工程師、測試工程師以及各電器部件供應商等協作參與，共同完成。
1EMC規劃階段本階段工作內容是在分析整車技術規範（Vehicle Technical Specification，簡稱VTS）初稿的基礎上，對下表中列舉的內容進行研究，重點掌握現有電器部件EMC特性，並編寫整車EMC設計指導書等報告，為EMC系統架構布局提供重要依據。
本階段是整車系統級EMC開發流程中最為關鍵的一步，其核心工作內容可歸結為「先由面建點，再由點連線」。「面」即為由車身、車身支架、12V蓄電池負極等建立的參考地。「點」為車載電器部件，以規劃階段編寫的《高壓部件布局布置指導性設計報告》、《CAN網路線束布局布置指導性設計規範》等報告為指導，綜合考慮車身數模及電器零部件初版數模，對車載關鍵電器部件進行布局。優先進行動力蓄電池布置；根據驅動方式、冷卻系統、可安裝位置、質心坐標等確定電機本體大致布置；結合功能性要求、碰撞安全性法規要求、IP防護、安裝便利性、美觀等，確定其它電器部件布局。
「點」還包括抽象的接地點，隨著電器部件布局位置確認而確定。接地點的選取應以就近接地、系統接地網路的合理、可維護為原則。「線」即為前面建立的各「點」之間的互連線纜，是整車電氣系統的重要組成部分。線纜布置的基本原則：盡量短、避免交叉、走向美觀、安裝固定方便。某車底盤下線纜布局如圖，其線纜短、線纜無交叉的特點顯而易見。
優先考慮系統布局這一策略是成本最划算的一種EMC設計方法，對系統進行布局劃分，使對干擾電流的控制成為可能。整車EMC架構布局需要綜合考慮各種技術要求，並將EMC技術融入到產品架構設計中去。
上圖為某型號電動汽車布局差異對比圖，下圖所示布局方案更合理，線纜走向更規範，整車碰撞安全性也更高。兩種布置方案下電器部件殼體設計、連接器選型等均存在較大差異，說明若布局階段「點」規劃不合理，會導致整車電氣系統架構布局的變更，其對整車設計成本、上市周期等均帶來較大變化。整車設計初期，不建議所有電器部件都做出開模計劃，同時從整車設計角度，「點」也應該符合「面」的規劃，即使一些電器部件前期已開模且適用於一些車型，也應該根據本車型布置要求，在評審後重新制定開模計劃。
布局合理最基礎，其經濟性也最高。車內電子通信設備的日益增多使互連繫統的排布密度大幅度增加，加上車載系統狹小的內部空間，因而對前期系統架構布局提出了更高的要求。下表列舉了本階段主要輸出報告。
EMC設計雖然不是什麼新鮮技術，但其需要大量專業設計、製造工藝以及管理等知識的支撐，並要參考一切可以指導團隊和員工決策或行動的信息、標準、規範、法則及經驗，最終形成用於指導生產的設計知識體系，研發過程中知識流動和轉換框圖如圖所示。
EMC設計階段主要圍繞EMC三個措施（即接地、屏蔽和濾波）展開，本階段主要的設計輸出報告如下表所示。
接地設計主要包括接地線的工藝、接地螺栓和螺母選型、接地點防腐蝕處理工藝設計等。下圖為某型號電動汽車接地設計細節，可作為參考。
屏蔽設計的關鍵之一在於高低壓電器部件殼體設計，如何將工業設計等技術和殼體屏蔽設計技術巧妙結合在一起，體現EMC設計技術和藝術的完美結合，是本部分的難點。由於殼體開模成本較高，建議全新開模在評審通過後確定。應當指出，在選用屏蔽線纜時，不僅要考慮其屏蔽性能，還要考慮成本、機械強度等特性。當整個電纜受到過多的機械、天氣和潮濕的影響時，影響最嚴重的屏蔽部分就是連接處，通常使用5年之後性能將下降一個數量級（20dB）。
對於多電纜入口的機箱殼體，為保證屏蔽連接的連續性，電纜屏蔽連接方法可參考下圖。
若考慮成本，部件屏蔽設計難以做到完美，可考慮系統級解決措施。下圖為某型號電動汽車電機系統設計，為降低U、V、W線纜可能帶來的輻射發射問題，其在電機端增加一金屬屏蔽盒，在提高EMC設計的同時提高了IP防護等級。
系統電磁兼容試驗技術包括：試驗規範制定、標準制定、項目選擇、實施方法、場地建設、誤差處理等技術和過程。為保證EMC測試的一致性，系統測試必須在標準的試驗環境下進行。根據自身條件建立相應測試環境或選擇測試機構，都是不錯的選擇，為節省測試費用而犧牲零部件或整車EMC性能的做法必將付出沉重的代價。
脫離整車測試驗證環節，零部件EMC設計很可能出現設計不足或過設計問題。EMC系統測試是系統級EMC設計流程中重要的環節，既用於驗證整車EMC設計的合理性，又為設計方案優化、評審及凍結提供依據。
在驗證各電器部件EMC設計符合性的前提下，驗證零部件EMC測試數據和整車測試數據的關聯性，根據整車測試中暴露出來的問題，首先對整車系統內接地措施進行嘗試性優化整改，在整改效果難以滿足整車測試需求的前提下，對零部件EMC指標進行有針對性的更改，根據整改便利性、成本、可靠性、開發周期等因素確認零部件更改比重，並保證足夠的裕量，從而降低因不確定性等因素帶來的誤差，保證整車測試的一致性。狀態凍結階段，需要隨機抽樣同一批次各電器部件多台進行測試，在測試數據一致性評審通過後，凍結零部件EMC設計。同樣，只有整車測試具有足夠的一致性和裕量，整車EMC設計數據才能凍結。
本階段主要輸出報告如圖：
本階段貫穿於系統級EMC設計的整個流程中，每個階段的評估、評審和優化，必須保證零部件設計和整車設計具有一定的同步性。評估、評審時既要考慮功能完整性、技術先進性、可靠性、安全性等設計因素，還需要EMC專家的技術指導，同時又要綜合考慮設計美
觀度、可維護性、可工程化、成本等其它因素。簡單合理的設計是最好的設計，這無疑在節約成本，提高產品良品率，加快上市時間的同時，讓電動汽車EMC設計的風險降至最低，所以評估、評審階段還應堅持簡單的原則。
電動汽車功率部件越來越呈現出小型化、集成化的技術趨勢，功率部件的EMC設計仍將是整車EMC設計的重要內容之一。為提高續航里程而增大電池結構，從而使整車電器系統布局更緊湊，部件間EMI問題更突出。智能化、高頻化等電子電器的安裝加劇了整車通過GB14023測試的難度，所以，評估、評審階段還應堅持與時俱進的原則。
六、結語
EMC影響信號質量，這就有可能引發整車行駛安全問題，是我國電動汽車產業化不得不面臨的一個共性問題，應該引起各電動汽車生產廠家的重視。研究電動汽車系統級EMC設計可降低因EMI問題導致試製車輛試驗周期變長、產品上市時間推遲的風險。
採用系統方法，按照特定的邏輯來組織研發過程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發活動，最大程度地減少研發活動的反覆和耦合，使複雜、模糊、混亂的EMC研發活動流程化，從而提高了EMC設計工作的效率和質量，縮短了開發周期，減少了研發成本及產品生命周期的總成本。
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