【重磅】電動汽車的系統級 EMC 設計

資源網訊：電動汽車的系統級 EMC 設計1 北京新能源汽車股份有限公司 2 北京中石偉業科技股份有限公司 3 北京強度環境研究所高新傑1 李燕俠2 李國珍3 李興華1 朱光福2 鄒明1摘要：本文在分析現狀的基礎上，以大量部件和整車的設計、測試經驗為支撐，借鑒學習國外一些車型的先進設計思路，從EMC工程設計角度，提出了一種級EMC開發方法。該方法成功應用於各研發車型，改變了以往樣車難以順利通過EMC法規的局面，同時保證了系統內EMC。關鍵詞：系統級設計；開發流程；方案評審；產品質量引言電動汽車車載電器部件要滿足相應 EMC 技術要求，就應考慮其內部元器件和導線的合理布排，並做相應的測試及優化工作。由於整車電氣系統為各電器部件及連接線纜的集成體，設備之間的相互影響加劇了電磁環境的複雜性，部件級EMC測試和整車EMC測試關聯解析難度大。同時各車型在功能、市場定位、系統架構與布局、零部件電磁特性、集成度等方面可能存在較大差異，很難給出一個或一組統一的定量化指標去適合於所有電動汽車。在EMC設計、管理等方面，國內電動汽車廠普遍存在以下幾方面問題：① EMC工作主要由EMC工程師開展，缺乏系統內協作；② EMC工作主要圍繞電器部件及整車的EMC 測試展開，EMC設計不足；③ 電器部件EMC設計和整車EMC設計脫節，EMC問題幾乎 全部由車載電器部件承擔責任；④ 企業歷史短，缺乏專業的EMC設計經驗，缺乏規範的 EMC研發、管理流程。本文參考系統級電磁兼容設計思想，並借鑒國外電動汽車的優秀EMC設計方法，提出一種電動汽車系統級EMC開發方法，該方法建立的系統開發流程貫穿實施於車輛開發各流程中，整車一次性通過EMC法規測試，並做到了系統內的良好兼容性。1、電動汽車系統級 EMC 設計思想系統電磁兼容問題在分析方法、設計方法、試驗方法方面，均為系統工程問題。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 進度圖如圖 1 所示。

圖 1 APQP 進度圖借鑒APQP流程，電動汽車系統級EMC開發流程 可包括：EMC規劃階段、EMC系統架構布局階段、EMC設計階段、EMC系統測試及狀態凍結階段以及EMC評估、評審和優化階段。上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。2、電動汽車系統級EMC設計開發流程2.1 EMC 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，對錶1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。表1 EMC 規劃階段主要工作內容序號研究內容輸出內容1根據市場定位，研究對應的 EMC 符合性法規。《XX 車型 EMC 符合性法規分析報告》2預配置高壓零部件高壓部件已有 EMC 測試報告研究。《高壓部件 EMC 設計分析報告》高壓部件殼體屏蔽效能研究。《高壓部件殼體屏蔽效能評估報告》高壓部件電氣特性研究。《高壓部件布局布置指導性設計報告》高壓部件物理連接關聯性研究。高壓部件接地點需求研究。《高壓部件接地點需求分析報告》3預配置低壓零部件低壓部件已有 EMC 測試報告研究。《低壓部件 EMC 設計分析報告》《高頻低壓部件 EMI 風險評估報告》《高頻低壓部件布局布置指導性設計報告》關鍵信號電平分類研究。《信號完整性需求分析報告》CAN 網路節點分布研究。《CAN 網路線束布局布置指導性設計規範》4調研各電器部件供應商 EMC 設計、測試水平能力。《電器部件供應商 EMC 設計、測試能力分析報告》5EMC 測試方案、資源、費用、周期等預研究。《EMC 測試需求分析報告》6EMC 設計指標體系研究。《EMC 指標體系分析報告》7整車 EMC 設計風險點研究。《整車電氣系統 EMC 設計風險評估報告》8系統 EMC 設計技術研究。《XX 車型系統級 EMC 設計指導書》9零部件及整車 EMC 預開發周期。《XX 車型系統級 EMC 設計開發周期評審報告》2.2 EMC 系統架構布局階段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、12 V 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。以i-MiEV 車底盤下線纜布局（見圖2）為例，其線纜短、線纜無交叉的特點顯而易見。

圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布局（網路資料）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。圖3為某型號電動汽車布局差異對比圖，與圖3（a）相比，圖3（b）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。

（a）布局凌亂

（b）布局整齊圖3 某型號電動汽車布局差異對比（網路資料）圖4為某車型不合理的（電機和）布局圖，該布局導致U、V、W 線纜過長，根據設計經驗，該方案存在輻射發射超標風險，EMC評審不通過，該布局方案未獲批准。

圖4 某車型前期不合理的電機系統布局圖布局合理最基礎，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。表2列舉了本階段主要輸出報告。表 2 EMC 系統架構布局階段主要輸出報告序號輸出報告名稱1《EMC 系統架構布局符合性評審報告》2《高低壓線纜布置評審報告》3《高低壓連接器位置優化設計分析報告》4《高壓部件可用接地點評審方案》5《接地工藝設計需求分析報告》2.3 EMC 設計階段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 5 所示。

圖5 新產品研發中知識的流動和轉換框圖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表3所示。表 3 EMC 設計階段主要輸出報告序號輸出報告名稱1《整車電氣系統電磁兼容控制技術方案》2《接地點變更、優化評審報告》3《接地設計（含接地線、接地螺栓及螺母、接地標識）設計方案評審報告》4《高壓線束（含連接器）選型方案評審報告》5《高壓線纜屏蔽效能測試分析報告》6《電器部件殼體屏蔽效能評審報告》7《某電器部件殼體全新開模設計方案評審報告》8《關鍵電器部件濾波器設計方案評審報告》9《EMC 系統設計符合性評審及優化報告》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。圖 6為某型號電動汽車接地設計細節，可作為參考。

（a）接地線和接地螺栓

（b）接地線和接地螺母圖6 某型號電動汽車接地設計（網路資料）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（20 dB）。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圖 7。

（a）線纜屏蔽層和殼體端接

（b）線纜端連接夾具圖 7 多電纜屏蔽層和殼體電連接（網路資料）

（a）電機本體 （b）電機及集成控制器圖8 某型號電動汽車電機系統設計（網路資料）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。圖8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。2.4 EMC 系統測試及狀態凍結階段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。若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有：《電器部件 EMC 測試分 析報告》、《整車測試分析報告》、《系統設計優化分 析報告》、《XX 零部件EMC優化設計分析報告》、《接地線（含接地螺栓、螺母）鹽霧等試驗分析報告）》、《接地線阻抗測試報告》、《接地點防腐處理工藝設計評審 報告》、《接地點可維護性評審報告》、《電器部件殼體數模凍結報告》、《電器部件EMC設計方案凍結報告》、《XX 車型EMC設計方案凍結報告》等。2.5 EMC 評估、評審和優化階段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GB 14023測試的難度，所以，評估、評審階段還應堅持與時俱進的原則。3、結語本文從工程應用設計的角度，對整車系統級EMC設計流程做了詳細描述，而對設計細節以及EMC 指標的量化未做具體描述，但整個設計流程還是非常清晰的。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。在設計和選用電源濾波器的過程中，系統工程師發現，加了濾波器以後作用不大，甚至會發生某些頻段的雜訊變大。OBC 內部均設計了濾波單元，但由於濾波單元設計不專業（包括濾波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹配、濾波器拓撲結構設計不合理等）或受布局空間所限安裝位置不合理等原因，濾波器實際抑制干擾能力較差，傳導發射超標現象較明顯。4、總結本文所述示例說明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性。目前電動汽車電子電器零部件越來越多，整車電氣系統（包括各電器部件、互連線纜以及車身架構等）建立的電磁環境也越來越複雜，如何根據各電器部件自身EMC特性以及所處的電磁環境等因素，將EMC措施合理體現在整車設計中應是研究的重點和關鍵。
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