你的位置:首頁 > EMC安規(guī) > 正文
如何設(shè)計(jì)電動汽車的系統(tǒng)級EMC?
發(fā)布時(shí)間:2017-01-11 來源:高新杰、李國珍等 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文在分析整車EMC設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,以大量部件和整車的設(shè)計(jì)、測試經(jīng)驗(yàn)為支撐,借鑒學(xué)習(xí)國外一些車型的先進(jìn)設(shè)計(jì)思路,從EMC工程設(shè)計(jì)角度,提出了一種電動汽車系統(tǒng)級EMC開發(fā)方法。該方法成功應(yīng)用于各研發(fā)車型,改變了以往樣車難以順利通過EMC法規(guī)的局面,同時(shí)保證了系統(tǒng)內(nèi)EMC。
引言
電動汽車車載電器部件要滿足相應(yīng) EMC 技術(shù)要求,就應(yīng)考慮其內(nèi)部元器件和導(dǎo)線的合理布排,并做相應(yīng)的測試及優(yōu)化工作。由于整車電氣系統(tǒng)為各電器部件及連接線纜的集成體,設(shè)備之間的相互影響加劇了電磁環(huán)境的復(fù)雜性,部件級EMC測試和整車EMC測試關(guān)聯(lián)解析難度大。同時(shí)各車型在功能、市場定位、系統(tǒng)架構(gòu)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(tǒng)一的定量化指標(biāo)去適合于所有電動汽車。
在EMC設(shè)計(jì)、管理等方面,國內(nèi)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(tǒng)內(nèi)協(xié)作;
② EMC工作主要圍繞電器部件及整車的EMC 測試展開,EMC設(shè)計(jì)不足;
③電器部件EMC設(shè)計(jì)和整車EMC設(shè)計(jì)脫節(jié),EMC問題幾乎 全部由車載電器部件承擔(dān)責(zé)任;
④ 企業(yè)歷史短,缺乏專業(yè)的EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),缺乏規(guī)范的 EMC研發(fā)、管理流程。
本文參考系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計(jì)思想,并借鑒國外電動汽車的優(yōu)秀EMC設(shè)計(jì)方法,提出一種電動汽車系統(tǒng)級EMC開發(fā)方法,該方法建立的系統(tǒng)開發(fā)流程貫穿實(shí)施于車輛開發(fā)各流程中,整車一次性通過EMC法規(guī)測試,并做到了系統(tǒng)內(nèi)的良好兼容性。
1、電動汽車系統(tǒng)級 EMC 設(shè)計(jì)思想
系統(tǒng)電磁兼容問題在分析方法、設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)方法方面,均為系統(tǒng)工程問題。
電動汽車系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)思想:綜合考慮電器部件性能及功能完整性、可靠性、技術(shù)成本、車身輕量化、產(chǎn)品上市周期等各種因素,確定布局和技術(shù)控制狀態(tài),選取材料、結(jié)構(gòu)和工藝,在車輛研發(fā)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(shè)計(jì)思想及具體措施實(shí)施到產(chǎn)品或系統(tǒng)中,在測試階段做出詳細(xì)的EMC測試評價(jià)、優(yōu)化及管理,最終形成一套可行性高的正向開發(fā)設(shè)計(jì)方法或流程。
在產(chǎn)品質(zhì)量前期策劃(advanced product quality planning,簡稱 APQP)過程中,新產(chǎn)品 研發(fā)過程一般由5個階段組成:計(jì)劃定義和項(xiàng)目、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)驗(yàn)證、過程設(shè)計(jì)和開發(fā)驗(yàn)證、產(chǎn)品和過程確認(rèn),以及反饋、評估和糾正措施,APQP 進(jìn)度圖如圖 1 所示。
圖 1 APQP 進(jìn)度圖
借鑒APQP流程,電動汽車系統(tǒng)級EMC開發(fā)流程 可包括:EMC規(guī)劃階段、EMC系統(tǒng)架構(gòu)布局階段、EMC設(shè)計(jì)階段、EMC系統(tǒng)測試及狀態(tài)凍結(jié)階段以及EMC評估、評審和優(yōu)化階段。
上述各階段需要車型設(shè)計(jì)總師、項(xiàng)目經(jīng)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(jié)構(gòu)工程師、測試工程師以及各電器部件供應(yīng)商等協(xié)作參與,共同完成。
2、電動汽車系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)開發(fā)流程
2.1 EMC 規(guī)劃階段
本階段工作內(nèi)容是在分析整車技術(shù)規(guī)范(Vehicle Technical Specification,簡稱VTS)初稿的基礎(chǔ)上,對表1中列舉的內(nèi)容進(jìn)行研究,重點(diǎn)掌握現(xiàn)有電器部件EMC特性,并編寫整車EMC設(shè)計(jì)指導(dǎo)書等報(bào)告,為EMC系統(tǒng)架構(gòu)布局提供重要依據(jù)。
表1 EMC 規(guī)劃階段主要工作內(nèi)容
2.2 EMC 系統(tǒng)架構(gòu)布局階段
本階段是整車系統(tǒng)級EMC 開發(fā)流程中最為關(guān)鍵的一步,其核心工作內(nèi)容可歸結(jié)為“先由面建點(diǎn),再由點(diǎn)連線”。
“面”即為由車身、車身支架、12 V 蓄電池負(fù)極等建立的參考地。
“點(diǎn)”為車載電器部件,以規(guī)劃階段編寫的《高壓部件布局布置指導(dǎo)性設(shè)計(jì)報(bào)告》、《CAN 網(wǎng)絡(luò)線束布局布置指導(dǎo)性設(shè)計(jì)規(guī)范》等報(bào)告為指導(dǎo),綜合考慮車身數(shù)模及電器零部件初版數(shù)模,對車載關(guān)鍵電器部件進(jìn)行布局。優(yōu)先進(jìn)行動力蓄電池布置;根據(jù)驅(qū)動方式、冷卻系統(tǒng)、可安裝位置、質(zhì)心坐標(biāo)等確定電機(jī)本體大致布置;結(jié)合功能性要求、碰撞安全性法規(guī)要求、IP 防護(hù)、安裝便利性、美觀等,確定其它電器部件布局。“點(diǎn)”還包括抽象的接地點(diǎn),隨著電器部件布局位置確認(rèn)而確定。接地點(diǎn)的選取應(yīng)以就近接地、系統(tǒng)接地網(wǎng)絡(luò)的合理、可維護(hù)為原則。
“線”即為前面建立的各“點(diǎn)”之間的互連線纜,是整車電氣系統(tǒng)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(diǎn)顯而易見。
圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布局(網(wǎng)絡(luò)資料)
優(yōu)先考慮系統(tǒng)布局這一策略是成本最劃算的一種EMC設(shè)計(jì)方法,對系統(tǒng)進(jìn)行布局劃分,使對干擾電流的控制成為可能。
整車EMC架構(gòu)布局需要綜合考慮各種技術(shù)要求,并將EMC技術(shù)融入到產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)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(guī)范,整車碰撞安全性也更高。兩種布置方案下電器部件殼體設(shè)計(jì)、連接器選型等均存在較大差異,說明若布局階段“點(diǎn)”規(guī)劃不合理,會導(dǎo)致整車電氣系統(tǒng)架構(gòu)布局的變更,其對整車設(shè)計(jì)成本、上市周期等均帶來較大變化。整車設(shè)計(jì)初期,不建議所有電器部件都做出開模計(jì)劃,同時(shí)從整車設(shè)計(jì)角度,“點(diǎn)”也應(yīng)該符合“面”的規(guī)劃,即使一些電器部件前期已開模且適用于一些車型,也應(yīng)該根據(jù)本車型布置要求,在評審后重新制定開模計(jì)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(wǎng)絡(luò)資料)
圖4為某車型不合理的電機(jī)系統(tǒng)(電機(jī)和電機(jī)控制器)布局圖,該布局導(dǎo)致U、V、W 線纜過長,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),該方案存在輻射發(fā)射超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),EMC評審不通過,該布局方案未獲批準(zhǔn)。
圖4 某車型前期不合理的電機(jī)系統(tǒng)布局圖
布局合理最基礎(chǔ),其經(jīng)濟(jì)性也最高。車內(nèi)電子通信設(shè)備的日益增多使互連系統(tǒng)的排布密度大幅度增加, 加上車載系統(tǒng)狹小的內(nèi)部空間,因而對前期系統(tǒng)架構(gòu)布 局提出了更高的要求。表2列舉了本階段主要輸出報(bào)告。
表 2 EMC 系統(tǒng)架構(gòu)布局階段主要輸出報(bào)告
2.3 EMC 設(shè)計(jì)階段
EMC設(shè)計(jì)雖然不是什么新鮮技術(shù),但其需要大量專業(yè)設(shè)計(jì)、制造工藝以及管理等知識的支撐,并要參考一切可以指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)和員工決策或行動的信息、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法則及經(jīng)驗(yàn),最終形成用于指導(dǎo)生產(chǎn)的設(shè)計(jì)知識體系,研發(fā)過程中知識流動和轉(zhuǎn)換框圖如圖 5 所示。
圖5 新產(chǎn)品研發(fā)中知識的流動和轉(zhuǎn)換框圖
EMC設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)輸出報(bào)告如表3所示。
表 3 EMC 設(shè)計(jì)階段主要輸出報(bào)告
接地設(shè)計(jì)主要包括接地線的工藝、接地螺栓和螺母選型、接地點(diǎn)防腐蝕處理工藝設(shè)計(jì)等。圖 6為某型號電動汽車接地設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),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(shè)計(jì)(網(wǎng)絡(luò)資料)
屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一在于高低壓電器部件殼體設(shè)計(jì),如何將工業(yè)設(shè)計(jì)等技術(shù)和殼體屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)巧妙結(jié)合在一起,體現(xiàn) EMC 設(shè)計(jì)技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合,是本部分的難點(diǎn)。由于殼體開模成本較高,建議全新開模在評審?fù)ㄟ^后確定。
應(yīng)當(dāng)指出,在選用屏蔽線纜時(shí),不僅要考慮其屏蔽性能,還要考慮成本、機(jī)械強(qiáng)度等特性。當(dāng)整個電纜受到過多的機(jī)械、天氣和潮濕的影響時(shí),影響最嚴(yán)重的屏蔽部分就是連接處,通常使用5年之后性能將下降一個數(shù)量級(20 dB)。
對于多電纜入口的機(jī)箱殼體,為保證屏蔽連接的連續(xù)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(wǎng)絡(luò)資料)
(a)電機(jī)本體 (b)電機(jī)及集成控制器
圖8 某型號電動汽車電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(網(wǎng)絡(luò)資料)
若考慮成本,部件屏蔽設(shè)計(jì)難以做到完美,可考慮系統(tǒng)級解決措施。圖8為某型號電動汽車電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),為降低 U、V、W 線纜可能帶來的輻射發(fā)射問題,其在電機(jī)端增加一金屬屏蔽盒,在提高EMC 設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了IP防護(hù)等級。
2.4 EMC 系統(tǒng)測試及狀態(tài)凍結(jié)階段
系統(tǒng)電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)包括:試驗(yàn)規(guī)范制定、標(biāo)準(zhǔn)制定、項(xiàng)目選擇、實(shí)施方法、場地建設(shè)、誤差處理等技術(shù)和過程。為保證EMC測試的一致性,系統(tǒng)測試必須在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行。根據(jù)自身?xiàng)l件建立相應(yīng)測試環(huán)境或選擇測試機(jī)構(gòu),都是不錯的選擇,為節(jié)省測試費(fèi)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(jià)。
若脫離整車測試驗(yàn)證環(huán)節(jié),零部件EMC設(shè)計(jì)很可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)不足或過設(shè)計(jì)問題。EMC 系統(tǒng)測試是系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)流程中重要的環(huán)節(jié),既用于驗(yàn)證整車 EMC 設(shè)計(jì)的合理性,又為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、評審及凍結(jié)提供依據(jù)。在驗(yàn)證各電器部件EMC設(shè)計(jì)符合性的前提下,驗(yàn)證零部件EMC測試數(shù)據(jù)和整車測試數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,根據(jù)整車測試中暴露出來的問題,首先對整車系統(tǒng)內(nèi)接地措施進(jìn)行嘗試性優(yōu)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(biāo)進(jìn)行有針對性的更改,根據(jù)整改便利性、成本、可靠性、開發(fā)周期等因素確認(rèn)零部件更改比重,并保證足夠的裕量,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(tài)凍結(jié)階段,需要隨機(jī)抽樣同一批次各電器部件多臺進(jìn)行測試,在測試數(shù)據(jù)一致性評審?fù)ㄟ^后,凍結(jié)零部件EMC設(shè)計(jì)。同樣,只有整車測試具有足夠的一致性和裕量,整車EMC 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)才能凍結(jié)。
本階段主要輸出報(bào)告有:《電器部件 EMC 測試分 析報(bào)告》、《整車測試分析報(bào)告》、《系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分 析報(bào)告》、《XX 零部件EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)分析報(bào)告》、《接地線(含接地螺栓、螺母)鹽霧等試驗(yàn)分析報(bào)告)》、《接地線阻抗測試報(bào)告》、《接地點(diǎn)防腐處理工藝設(shè)計(jì)評審 報(bào)告》、《接地點(diǎn)可維護(hù)性評審報(bào)告》、《電器部件殼體數(shù)模凍結(jié)報(bào)告》、《電器部件EMC設(shè)計(jì)方案凍結(jié)報(bào)告》、《XX車型EMC設(shè)計(jì)方案凍結(jié)報(bào)告》等。
2.5 EMC 評估、評審和優(yōu)化階段
本階段貫穿于系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)的整個流程中,每個階段的評估、評審和優(yōu)化,必須保證零部件設(shè)計(jì)和整車設(shè)計(jì)具有一定的同步性。評估、評審時(shí)既要考慮功能完整性、技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、安全性等設(shè)計(jì)因素,還需要 EMC 專家的技術(shù)指導(dǎo),同時(shí)又要綜合考慮設(shè)計(jì)美 觀度、可維護(hù)性、可工程化、成本等其它因素。
簡單合理的設(shè)計(jì)是最好的設(shè)計(jì),這無疑在節(jié)約成本,提高產(chǎn)品良品率,加快上市時(shí)間的同時(shí),讓電動汽車EMC設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低,所以評估、評審階段還應(yīng)堅(jiān)持簡單的原則。
電動汽車功率部件越來越呈現(xiàn)出小型化、集成化的技術(shù)趨勢,功率部件的EMC設(shè)計(jì)仍將是整車EMC設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。為提高續(xù)航里程而增大電池結(jié)構(gòu),從而使整車電器系統(tǒng)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(yīng)堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)的原則。
3、結(jié)語
本文從工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的角度,對整車系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)流程做了詳細(xì)描述,而對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及 EMC指標(biāo)的量化未做具體描述,但整個設(shè)計(jì)流程還是非常清晰的。采用系統(tǒng)方法,按照特定的邏輯來組織研發(fā)過程中模糊的、相互糾纏在一起的各種研發(fā)活動,最大程度地減少研發(fā)活動的反復(fù)和耦合,使復(fù)雜、模糊、混亂的EMC研發(fā)活動流程化,從而提高了EMC設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量,縮短了開發(fā)周期,減少了研發(fā)成本及產(chǎn)品生命周期的總成本。
在設(shè)計(jì)和選用電源濾波器的過程中,系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn),加了濾波器以后作用不大,甚至?xí)l(fā)生某些頻段的噪聲變大。
OBC 內(nèi)部均設(shè)計(jì)了濾波單元,但由于濾波單元設(shè)計(jì)不專業(yè)(包括濾波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹配、濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)際抑制干擾能力較差,傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)現(xiàn)象較明顯。
4、總結(jié)
本文所述示例說明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設(shè)計(jì)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(tǒng)(包括各電器部件、互連線纜以及車身架構(gòu)等)建立的電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜,如何根據(jù)各電器部件自身EMC特性以及所處的電磁環(huán)境等因素,將EMC措施合理體現(xiàn)在整車設(shè)計(jì)中應(yīng)是研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測試庫獲得德國萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無線開發(fā)平臺引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來更多臺式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號調(diào)節(jié)器, 以推動不斷增長的IO-Link市場
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 一文掌握UV LED在空凈消殺領(lǐng)域的主要應(yīng)用
- 【“源”察秋毫系列】 Keithley在碳納米管森林涂層纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
- 數(shù)字驅(qū)動工業(yè),智能賦能制造 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024同期會議全公開!
- 團(tuán)體觀展招募!104CEF開啟組團(tuán)觀眾通道,解鎖更多禮遇
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動力電池
動力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號
多層PCB
多諧振蕩器
扼流線圈
耳機(jī)
二極管
二極管符號
發(fā)光二極管
防靜電產(chǎn)品
防雷
防水連接器
仿真工具
放大器
分立器件
分頻器
風(fēng)力渦輪機(jī)
風(fēng)能
風(fēng)扇
風(fēng)速風(fēng)向儀