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燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验

2017-04-14 来源:张戟,孙泽昌 [责任编辑:wenwei]
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5分
【导读】燃料电池汽车电磁兼容测试的主要目的是要达到测量结果的准确性、可重复性,从而分析电磁干扰的发生机理,解决骚扰源及切断干扰传播通道。针对燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性问题进行机理分析、设计分析、理论研究,详细介绍了汽车电子零部件必做的电磁兼容性试验,并对相关试验结果进行了分析。
 
汽车电器的电磁兼容环境应是一个设备共存、互不干扰的环境, 这就要求系统
具备良好的EMI和EMS 特性。造成电器功能降级或失效的电磁干扰的发生必须同时具备3个要素: 干扰源、耦合途径以及敏感设备,而要从根本上解决电磁兼容问题就必须采取各种方式抑制干扰源、阻断耦合途径以及提高敏感设备的抗扰度。下面将对 燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性问题进行分析研究;介绍汽车电子零部件必做的电磁兼容性试验,并对相关试验结果进行分析。
 
1 燃料电池汽车电磁兼容性分析 
 
燃料电池汽车(FCV-Fuel Cell Vehicle)其车载骚扰源为燃料电池发动机、燃料电池堆高压系统、DC/DC、辅助电池充放电、动力传动等。电压和电流的快速暂态会产生辐射和噪音,距离这些设备较近的电子设备有可能产生故障,特别是电机驱动模块的快速整流、电机启动、高压辐射更会引起较高场强的传导及辐射骚扰。因此对燃料电池汽车进行EMC设计时,可以根据电磁场的产生和传播原理对主干扰源、敏感元及传递途径进行理论研究,建立汽车环境中的EMC数学模型,通过对模型研究和仿真分析,提供实际汽车系统的EMC预期指标。
 
汽车环境中的EMC数学模型 
 
根据电磁场的特性、Maxwell方程、汽车外形等,建立空间电磁场分布数学方程,并以此为基础,建立汽车EMC数学模型。模型要求可方便改变汽车外形参数,干扰源的数量、位置(汽车内部位置、外部位置)及各自的频段和强度,模型要考虑汽车外壳的局部电磁屏蔽功能和多次反射折射(透射)的影响。 
 
汽车EMC的仿真分析 
 
根据汽车EMC数学模型,对主干扰源、敏感元件等进行仿真分析,显示空间电磁场的分布,定点频率幅值曲线。研究汽车工作环境的EMC各种预防方法的优缺点,抑制骚扰产生和传播的措施等,输出各种方法的对比曲线。 
 
建立的数学模型,必须经过3 个以上实际系统的仿真分析,仿真分析结果与实际检测的结果要有一致性,具体点最大误差不超过±5dB。在此基础上,再进行FCV的电磁兼容设计。初期电磁兼容设计应进行以下研究: 
 
  • 干扰源的分析(干扰的产生、性质、特征)
  • 干扰信号的传播方式和传播途径
  • 干扰效应(干扰信号与设备之间相应的响应特征)
  • 限制干扰的方法和措施
  • 干扰的测量和计算
  • 干扰模拟(包括干扰条件再现、干扰机理模拟)
  • 预计的抗干扰试验(包括相应的干扰限值、测试方法、评定标准) 
 
车辆在行驶过程中,干扰源有两种,一种是车外辐射骚扰源,另一种是车载骚扰源。其表现形式主要依据干扰源的频谱特性,如无线电台、接收机、工业高频发生器等窄频带干扰源;平行驶过的内燃机汽车、高空(地下)高压线、整流马达等间歇性宽带干扰源;静电放电、雷电电磁脉冲等瞬态宽带干扰源。 
 
对于车外干扰源,无法采取主动的防护措施,所以电磁兼容对于整车所要设计的是被动防护设计,即从传播方式和增强防护能力考虑。对于车载干扰源,可采用屏蔽、缓冲器、软开关的方式来抑制干扰。 
 
电磁耦合的途径主要有:以阻性、容性为特性的电耦合;以感性为特征的磁耦合;以高频辐射为特征的射线耦合。燃料电池发动机的启动及加速、辅助电源的充放电、动力传动系统的电机驱动器等会以电耦合的方式干扰附近器件或发出传导骚扰,干扰电源线以及车载无线电等通讯、娱乐部件。燃料电池堆高压系统、DC/DC等器件在工作模式转换时会产生很强的射频辐射,超出标准限值,对外界造成射线污染。
 
在燃料电池汽车上,一些无线电装置、音频/声频娱乐系统、导航及一些低压、微信号控制部件都属于电磁敏感器件,暂态干扰及静电放电都会对其产生损坏性,根据干扰源的特点,可采取屏蔽、扩频、共地等方法,增强电磁防护能力。
 
2 燃料电池汽车整车控制器的电磁兼容设计 
 
整车控制器(VMS,vehicle management Syetem),即动力总成控制器。作为汽车的指挥管理中心,动力总成控制器主要功能包括:驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等,它起着控制车辆运行的作用。 
 
由于整车控制器应用环境干扰严重,存在多种噪声和耦合方式;因此除了完善的功能外,还应该有较强的抗干扰能力。可以运用下述电磁兼容设计方法对其进行 干扰抑制。 
 
(1)接地 
整车控制器的接地以抗外界干扰为主要目的,属于信号接地。它采用了“满接地”方式,即在除传输导线及元器件所占用的地方以外,全部接地,这样既减少了地阻抗,同时也起到了屏蔽作用。由于信号线与地线之间的距离仅为线路板层间距离。高频电路总是选择环路面积最小的路径流动,因此,实际的电流总是在信号线正下方的地线面上流动。这样,自然就形成了最小的信号环路面积,从而减小了差模辐射。
 
(2)隔离 
 
整车控制器的电磁隔离采用了输入、输出全光电隔离。光电耦合器的输入阻抗很低(一般为100 ~1000Ω),干扰很大,因此传输到光电耦合器的干扰电压就变得很小了;并且干扰源的内阻都很大,虽然可以产生一定的干扰电压,但能量较小,只能形成微弱的电流,而光电耦合器的发光二级管只有通过一定的电流才发光,因此,即使是电压的幅值很高的干扰,由于没有足够的能量,也不能使二级管发光,干扰就被抑制了;光电耦合器是在一个密封的管壳内进行的,不受外界的影响。 
 
(3)滤波 
 
传感器故障和外部信号干扰是引起整车控制器工作失常的重要因素。对于模拟信号,由于正常工作时所输出的信号都有一定范围,因此在电磁兼容设计时,常对模拟量采用低通滤波器,阻止高频信号通过。当存在高速跳变的数字信号时,会产生阻抗噪声,在整车控制器电磁兼容设计中,常采取在控制器电源端口加入滤波器的方式来抑制电源端的噪声,其中大容量的电容负责进行高通滤波,小容量的电容负责进行低通滤波。 
 
(4)PCB设计 
 
整车控制器的电路模板采用了六层电路板的设计,相对于双面 PCB 而言,多了地线层和电源层,电源平面应靠近接地平面,并且安排在接地平面之下。这样接地平面可以对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用。电源层、以及排列紧密的信号线-地线间距能够减小共模阻抗和感性耦合。两层信号走线之间的串扰小;电源层 和地线层之间距离较小,因此阻抗很小,适合于电源噪声解耦。 
 
(5)其他方法 
 
选用集成度高的元器件能够减少电路板上元器件的数目,可以减少故障率和受干扰的概率。元器件的降额使用。降额设计就是使元件在低于其额定应力下工作。影响系统运行可靠性的应力有:电应力(电压、电流、功率和频率等)、温度、机械应力。当工作应力高于额定应力时,失效率就会增加。合理的降额是提高元器件和零部件可靠性的有效方式。
 
3 燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性试验 
 
3.1 骚扰电压发射试验 
 
根据骚扰电压的传播途径分为传导骚扰和辐射骚扰。 
 
两项试验参考标准均为GB 18655—2004或CISPR25∶2004,即《 保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值与测量方法》。 
 
3.1.1 传导骚扰电压发射试验
 
  • 试验目的:防止通过同一供电回路对其它车载电子零部件产生限值以外的干扰。
  • 试验条件:传导骚扰电压限值的测量频率为0.15~108 MHz。
  • 试验布置: 该测试将控制器外围线路连接好,使控制器满足于测试条件,电源线长度0.2m,其余按标准布置见图1。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
注:1为ECU;2为测试反馈线;3为风扇负载;4为人工电源网络;5为蓄电池;6为N 线(数据线连接)。 
图1 图传导骚扰电压试验布置 
 
根据GB 18655—2004第一部分第四章《对车辆和零部件/模块发射测量的一般要求》、第6章《仅用于零部件/模块试验的试验设备》和第三部分第11章《零部件/模块的传导发射》、第三部分第12章《零部件传导骚扰限值》的内容,该试验用于测量ECU电源线上产生的传导电场干扰的强度,保证其不超过规定的限值(表1)。 
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
表1 表传导骚扰电压限值
 
试验结果如2图所示,在500kHz左右的低频率段有部分超出等级2的限值,在50MHz到100MHz高频段超出等级2限值。 
 
3.1.2 辐射骚扰电压发射试验
 
  • 试验目的:防止车载无线电通讯和其它车载电子仪器受到辐射骚扰电压干扰。
  • 试验条件:辐射骚扰电压限值的测量频率为0.15~960MHz。
  • 试验布置:将控制器外围线路连接好,使控制器满足于测试条件,电源线,信号线都长度1.5m,其余按标准布置见图3。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图2 图传导骚扰试验结果
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
注:1为ECU;2为2m电源线;3为接受天线;4为吸波屏蔽室;5为人工电源网络。(a)高频段
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
注:1为柱状接收天线。(b)低频段 
图3 图辐射骚扰电压试验布置 
 
根据GB 18655—2004第一部分第四章《概述之对车辆和零部件/模块发射测量的一般要求》、第六章《概述之仅用于零部件/模块试验的试验设备》和第三部分第13章《车辆零部件和模块的测量之零部件/模块的辐射发射》、第14章《车辆零部件和模块的测量之零部件辐射骚扰限值》的内容,该试验用于测量ECU辐射的电场干扰的强度,保证其不超过规定的限值(表2),同时不影响车辆内的其他电子系统。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
表2 表辐射骚扰电压限值 
 
试验结果如图4、图5和图6所示,被测设备ECU在低频段符合限值标准,在高频段垂直极化40MHz和70MHz左右的位置超过等级2的限值。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图4 图低频段辐射骚扰试验结果(0.15~6.2MHz)
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图5 图高频段辐射骚扰试验结果(30~1000MHz,水平极化)
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图6 图高频段辐射骚扰试验结果(30~1000MHz,垂直极化) 
 
3.2 大电流注入试验
 
  • 试验目的:防止车载其它控制器放电或强磁辐射而造成被测体性能降低或失效。
  • 试验标准:ISO 11452《 道路车辆-窄带辐射电磁能量产生的电气干扰-零部件测试法》
  • 试验条件:频率范围:1~400 MHz, CW连续波,1 kHz80% 。正弦波调制;停留时间≥1s。
         ① 1~10MHz时步长为1MHz
         ② 10~200MHz时步长为2MHz
         ③ 200~400MHz时步长为20MHz
 
  • 测试距离:1.5m
  • 试验布置:利用电流注入探头直接感应在控制器连接线束上,用规定的电流等级通过增加感应信号的频率来进行抗扰性试验见图7。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图7 图大电流注入试验布置 
 
控制器采用金属外壳封装,对外界电磁场辐射起到较强的抗干扰作用,因此,最大的干扰可能是各种反馈连接线上通过辐射或传导的方式对控制器产生的干扰。本项试验利用电流注入探头直接感应在连接线束上对被测设备进行抗扰性试验。 
 
根据ISO 11452∶2004第四部分《大中电流注入》的内容,该试验用于检验当线束由辐射电磁场产生共模电流时ECU的抵抗能力。试验结果见表3 。 
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
表3 表大电流注入试验结果
 
3.3 电源线传导电瞬变干扰试验
 
  • 试验目的:验证同一供电回路中各种控制器工作时可能出现的多种瞬态脉冲的抗干扰能力,如:电源充放电;大功率电机开启;引擎启动等多种情形。
  • 试验标准:ISO 7637《 道路车辆—由传导和耦合造成的电气干扰》
  • 试验布置:见图8。控制器满足于测试条件,模拟汽车现场干扰的多种状况分别进行如下试验:
         ① 针对电源线试验,按ISO 7637的1,2a,2b,4,5等5种方式进行试验;
 
         ② 针对CAN和I/O端口线进行试验,按ISO 7637的3a,3b方式进行试验。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
注:1为波形发生器;2为波形控制终端;3为电源线;4为被测设备;5为被测设备监控终端。
图8 图电源线传导电瞬变干扰试验布置 
 
由于同一供电回路中其他电器(或设备)在工作过程中会产生瞬态骚扰脉冲群,而某些大功率电机(如空调,风扇)在开启或闭合时,会产生瞬态骚扰脉冲浪涌, 从而引起整个电路系统的供电电压的降低,这些干扰会影响控制器的正常工作。另外发动机起动电机励磁时候,会引起整个供电系统电压的降低,也对控制器造成直接干扰,因此必须进行此项试验,来验证统一供电回路中各种控制器工作时有可能出现的多种瞬态脉冲的抗干扰能力。 
 
根据标准ISO 7637∶2004第二部分《针对电源线的瞬态传导干扰》的内容,该试验项目用于检验ECU抵抗瞬变传导电磁场干扰能力。 
 
图9为测试波形脉冲3b时的电压瞬变干扰波形,测试结果见表4。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图9 图电压瞬变干扰波形 
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
表4 表电源线传导电瞬变干扰试验结果
 
3.4 静电放电抗扰度试验
 
  • 试验目的:防止由于人体接触或邻近物体的放电产生的大电流和强磁场对产品造成的损坏。
  • 试验标准:ISO 10605∶2002《 道路车辆—静电放电产生的电气干扰》
  • 试验条件:测试电压:±15kV,放电次数3次。每二次放电时间间隔为5s。
  • 试验布置:该测试控制器不带电状态下进行,试验中,采用间接放电,用放电枪对被试验对象附近的耦合板实施放电,见图10。
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
图10 图静电放电试验布置 
 
由于人体或其它物体接近或接触电器装置的表面时,会出现静电高压放电所产生的大电流、高电压和强磁场,从而引起对电器功能的影响甚至使其功能丧失,因此对于车载总成控制器必需进行静电放电抗扰度试验。测试结果见表5。 
 
燃料电池汽车整车控制器电磁兼容性研究与试验
表5 表静电放电抗扰度试验结果 
 
根据ISO 10605第五部分《电子模块的试验方法》的内容,该试验用于检验ECU抵抗人身体产生静电放电的能力。本文的试验项目中采用的是非接触放电。
 
参考文献 
 
1、Henry W.Ott.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].2版,John Wiley & Sons, Inc.1998.中文版. 
 
2、Tim Williams. EMC for PRODUCT Designers[M], 3thed. Elsevier Science Ltd,2001.英文版. 
 
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4、高攸纲. 电磁兼容标准与认证[ M ] . 北京:北京邮电大学出版社,2001. 
 
5、林国荣. 电磁干扰及控制[ M ] . 北京:电子工业出版社,2003. 
 
6、陈淑凤, 马蔚宇, 马晓庆. 电磁兼容试验技术[ M ] . 北京:北京邮电大学出版社,2001. 
 
7、童卫东. 汽车的电磁环境与兼容[ J ] . 轻型汽车技术.2002.(3):12-16. 
 
8、林艳萍.汽车电磁兼容标准[J].安全与电磁兼容,2002.(4):10-20. 
 
9、刘新亮.汽车电器的电磁兼容[J].汽车电器,2001.(6):2-7.
 
 
 
 
 
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关键字:整车控制器 电磁兼容 传到发射 辐射发射 
本文链接:http://www.cntronics.com/emc-art/80032437
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