混合动力车的EMC测试-上海电器科学研究所

混合动力车的EMC测试 2010-10-21 9:39:00 【文章字体：大 中 小】 推荐 收藏 打印 上海电器科学研究所（集团）有限公司 刘媛 一、前言 混合动力车由于其环保节能的优势，成为我国汽车科技创新主攻方向，混合动力车电动部分的电气结构是由大功率电动机和控制器构成的动力系统，对外存在辐射骚扰，也同时承受其他电器设备的干扰，因此其电磁兼容问题不容忽视。目前对于混合动力车整车的EMC测试标准的讨论逐渐增多，而对其零部件的测试尚少有相关讨论。 混合动力车保存了传统汽车的内燃机动力系统，因此应该满足所有传统汽车要求的测试，发射测试的标准依据通常为CISPR12和CISPR25，抗扰度测试的标准依据通常为ISO7637、ISO11451、ISO11452、ISO10605等系列标准。 混合动力车由于其增加了的电动力系统，因此和传统汽车相比，需要增加一部分测试内容。混合动力车的整车发射测试标准应该增加SAEJ551-5 JAN2004《电动车辆的电场和磁场强度的测量方法及执行电平》和CISPR12《车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车外接收机的限值和测量方法》的相关测试。 以上涉及标准均为整车测试标准，目前国际上对于混合动力车测试没有一个系统的规定，但是进入欧洲市场的车辆，一律照欧盟指令和普通汽车整车一样要求，都需要做E-MARK认证。而通用、大众等知名厂家，电动汽车或者混合动力车都是按照自己的标准，与其汽车整车要求一样。 二、整车发射测试 2.1 骚扰来源 混合动力车的除传统汽车点火噪声等骚扰之外，由于其电动力系统主要由发动机、DC/DC变换器、电池组、电机及电机控制器(变频器)，控制器，整车通信系统组成。如图1所示，整车发射的骚扰源类型有所增加。

图1 混合动力汽车电动力系统原理框图 电动力系统用DC/DC变换器通常选择IGBT为功率开关管。功率开关管IGBT工作过程中产生高的du /dt 和di /dt以及浪涌电流和尖峰电压，进而产生辐射。当混合动力车高速行驶时，其电驱动系统的功率增大，其驱动系统的功率变换电路辐射增强，由于逆变器的频率分量及其谐波的影响，可能会在9kHz～150 kHz产生骚扰。车中大量的数字电路设备，当数字信号电平从一个逻辑电平转变到另一个电平时，信号电平就会在所需的电平上发生震荡，这种效应称为振铃效应，该效应会在10MHz～20 MHz产生骚扰。数字信号的上升/下降时间会影响高频谱分量的含量，该高频分量会在30MHz～1000 MHz产生骚扰。同时，混合动力车配有充电系统，充电系统与公用电网连接，所以需考虑其对整个电网的传导骚扰。根据以上骚扰来源的分析，混合动力车测量9kHz～1000 MHz的辐射骚扰和9kHz～150 kHz传导骚扰是必要的。 2.2 9kHz～30MHz发射测试方法 混合动力的整车需要增加的9kHz～30MHz辐射发射和电动车电池充电系统测试标准为SAEJ551-5 JAN2004《电动车辆的电场和磁场强度的测量方法及执行电平》，国内测试标准为GB/T18387-2008《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法，宽带，9kHz～30MHz》，该标准修改采用SAE J551-5JAN2004。测试场地规定为开阔试验场地或者电波暗室。 整车9kHz～30MHz辐射发射测量时，车辆应在不带负载的测功机或以定速在轮轴支架上运行。电场测量时使用棒状天线，天线距离车辆的最近部分为3m±0.1m，如图2所示；磁场测量时使用环状天线，天线中心位于地面上方1m±0.05m，距车辆的最近部分为3m±0.2m，如图3所示。首先是预扫描，即在高速档时车速为40km/h的稳定条件下，对电场的垂直方向和磁场的3个正交方向测量，测量车辆的4个面，以确定最大辐射面。再将天线的放置和定向置于最大接收信号方向，车辆以16km/h和64km/h的稳定车速运行，再次对电场的垂直方向和磁场的3个正交方向测量。接收机采用峰值检波器进行测量，扫描速率、仪器带宽和限值在标准中均有明确规定。

图2. 9kHz～30MHz电场辐射测量布置 图3. 9kHz～30MHz磁场辐射测量布置 混合动力车车载充电系统的传导发射测试要求在最大连续补充充电等级上进行。如果设计有多个充电电源电压，在每个电压上均应对导线进行发射测量。测量时使用50μH/50Ω的人工电源网络，人工电源网络与车辆连接的电缆长度应为1.5m±0.05m，人工电源网络应与车辆所处的接地平板使用铜带线搭接，铜带线尽可能短，并且长宽比最大不能超过7。测试过程采用准峰值检波器进行，仪器带宽为9 kHz。传导发射限值标准中有明确规定。如果数字控制电路或者开关电路使用的频率超出1.705MHz时，应依据标准CISPR12再进行充电系统的30MHz～1000MHz辐射发射测试。 2.3 30MHz～1000MHz发射测试方法 混合动力车的整车30MHz～1000MHz测试按照CISPR12进行测试。该标准适用范围中写明适用于“由内燃机、电驱动或两者共同驱动的车辆”、“配备有内燃机或动力电池的装置”，但是“本标准不包括车辆连接到电源上充电的电磁骚扰测量”（该部分已包含在GB/T18387中）。但是传统测量只考虑了内燃机部分，而对于混合动力车的测试，车辆运行的状态有所不同。 试验要求在电波暗室或者户外试验场地进行，该户外试验场地应是一个以车辆或装置与测量天线之间连线的中点为圆心，最小半径为30m的圆形区域内没有电磁波反射物的空旷场地。测量设备、测量棚或装有测量设备的车辆可置于试验场地内，但只能处在标准中图4用交叉阴影线标示的允许区域内。 天线距离为10m时，天线中心离地面或地板(或水面)的高度为3.00m±0.05m；测量距离为3m时，高度为1.80m±0.05m。天线参考点到车辆或装置边缘的金属部分的水平距离优先选用10.0m±0.2m。如图4所示。在3m距离测量时，如果车辆或装置的长度大于3dB天线波束宽度值，就需要确定多个天线位置。对于每一位置均要进行水平极化和垂直极化测量。若辐射骚扰的测量值低于限值减去增益损耗后的值，可不必确定天线的多个位置。增益损耗由试验配置的几何尺寸和天线增益数据计算得到，计算方法见该标准的附录B。

图4. 30 MHz ～ 1 GHz 电磁场辐射发射测量布置 30 MHz ～ 1 GHz频率范围，整车应符合以下两种情况，两种状态都通过，即视为符合要求： （1）在“上电且发动机不运转（key on， Engine-off）”的模式下，即点火开关打开、发动机不运转、车辆的电气系统包括所有可连续运行的含有>9kHz内置振荡器或重复信号的设备，都处于正常运行的模式，该状态下要求使用平均值检波器进行测量，测得的结果符合标准要求的平均值限值。 （2）在“发动机运转(Engine-Running)”的模式下，由混合动力系统驱动的车辆，应在电机和内燃机共同作用下，使车辆以40km/h速度运行的状态下测试。如果不可能，则车辆需分别在单独由内燃机驱动下按表1规定转速运行，和单独由电动力系统驱动，以40km/h的速度运行，这两种状态下分别测试，如果最高车速低于40km/h，则以最大车速运行。该状态下要求使用准峰值检波器进行测量，测得的结果符合标准要求的准峰值限值。 表1 内燃机运转速度

缸 数 发动机转速（r/min） 单 缸 2500±250 多 缸 1500±150 三、整车抗扰度测试 混合动力车整车控制器通过传感器获取驾驶员的驾驶意图和车况参数，并结合CAN总线向电机发送转矩等操作指令。CAN总线系统非常重要，其节点覆盖整改车体，当局部辐射强度增大时，CAN就会受到强烈的电磁干扰，严重影响CAN总线系统的正常通信，因此，对于整车进行辐射抗干扰、大电流注入、静电放电测试是必要的。混合动力车整车抗扰度可参照普通汽车的测试方法，按照ISO11451-2、ISO11451-4和ISO10605进行。 对于混合动力车的充电系统，由于该充电系统和公用电网相连，可能会遭受公用电网上骚扰的影响，因此浪涌、脉冲群等测试对于混合动力车的充电系统是必要的，可按照相关充电电池标准或环境标准规定对其进行要求。 四、混合动力车零部件EMC测试方法预测 国际上混合动力车零部件测试方法尚未形成统一规范。原因是电动汽车的结构中主要关注元件为高压转低压控制器，低压侧基本都为12V，但高压侧电池的供电不统一，200v～500v不等，无法制定统一规范。但可以从现行汽车零部件标准的适用范围来预测。 关于混合动力车零部件的辐射发射可以参考的标准包括CISPR25和CISPR12，但是CISPR25的附录A中指明：(1) 对于双模式电动公交（比如由a.c./d.c.主控单元驱动和由内燃机驱动），车辆驱动系统的a.c./d.c.主控单元驱动部分不适用于本标准。(2) 由电源提供动力的设备是由另一个 CISPR 分会负责的。而CISPR12的适用范围包括了电动车及其装置， 因此对于混合动力车的传统部件可继续按照CISPR25进行测试，而电驱动系统部件CISPR12可以适用。 ISO7637-2、 ISO7637-3、ISO11452-2 、ISO11452-4标准适用范围中指明：“本部分适用于各种动力系统（例如火花点火发动机或柴油发动机，或电动机）的道路车辆。” 因此可以预测，如果混合动力车开始考核零部件传导抗扰度，可能会参照传统汽车零部件的抗扰度来考核。 此外，混合动力车内的DC/DC变换器产生的骚扰和普通汽车内的骚扰情况有所不同，需要增加对应的抗扰度测试规范。