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新能源汽车电驱动系统EMC测试深度解析

嘉峪检测网        2019-05-15 11:33

1  引言

目前,国内主机厂为了能满足公告管理需求,整车必须满足国家强制标准GB 14023-2011;且2021年1月1日起,全部车型产品必须满足更加严格的整车EMC国标GB 34660-2017。为此,主机厂对各供应商所供零部件的EMC性能要求必然提高;其中,电驱动系统作为新能源车三大电之一,具备功率高,高频开关器件多,控制电路复杂,感性负载等特点,导致其成为新能源汽车中电磁兼容问题较为严重且难以解决的主要零部件之一。

为了更加深入的解析新能源汽车电驱动系统EMC测试的过往、现状及未来发展趋势,本文将从以下三个方面进行深度分析:(1)当前国内外汽车零部件电磁兼容测试标准汇总及分析;(2)当前国内主机厂对新能源汽车电驱动系统电磁兼容性能的主流要求及存在的问题;(3)依据最新国标发展动态,初步判断未来新能源电驱动系统EMC测试发展方向。

 

2  汽车零部件EMC测试标准分析

相比于国际标准(ISO标准,IEC标准,CISPR标准)和欧洲标准(ECE标准),我国在汽车电磁兼容方面的国标则较为滞后。但是,考虑到适应本国公告等要求,本文此处只分析国内汽车零部件电磁兼容标准,详见表1。

表1 汽车零部件电磁兼容国家标准汇总

序号

汽车零部件

测试项目

国标标准号

类别

1

辐射发射

GB/T 18655

用于保护车载接收机的限值和测试方法

2

传导发射

GB/T 18655

用于保护车载接收机的限值和测试方法

GB/T 21437.2

沿电源线的电瞬态传导发射

3

辐射抗扰

GB/T 17619

GB/T 33014.2

GB/T 33014.3

GB/T 33014.5

自由场法、TEM小室法、带状线法

暂无

磁场抗扰度

暂无

便携式发射机模拟法

4

传导抗扰

GB/T 21437.2

沿电源线的瞬态传导抗扰度

GB/T 21437.3

沿非电源线的瞬态传导抗扰度

GB/T 21437.4

电快速瞬态脉冲群抗扰度测试

GB/T 21437.5

浪涌(冲击)抗扰度测试

5

静电放电

GB/T 19951

静电放电抗扰度试验

如表1所示,国内标准主要从辐射发射、传导发射、辐射抗扰、传导抗扰和静电放电等五个大方面入手,规定了汽车各零部件应满足的电磁兼容测试方法及判断标准。但是,表1中的标准主要是在新能源车尚未发展起来时制定,主要应用于传统汽车,即所有标准中的EMC测试要求均是针对低压零部件。

对于新能源汽车中的电驱动系统,通常采用几百伏高压供电,其工作功率远大于传统汽车中的低压零部件;且电机控制器主回路大多采用高频开关IGBT以实现更好的电机控制性能,这都必然导致无法完全照搬当前国标作为新能源汽车电驱动系统EMC测试的依据。

基于以上分析,我国于2018年6月7日发布了新能源汽车驱动电机系统的电磁兼容标准:GB/T 36282-2018 电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法。该标准具体细化了电驱动系统在进行EMC测试时的工作状态、测试布局及评价标准等内容,代表了我国新能源汽车电驱动系统EMC测试的发展方向,具体分析详见本文第4部分。

 

3  主机厂对电驱动系统EMC性能的基本要求及问题分析

 

3.1主机厂对电驱动系统EMC性能的基本要求分析

不同零部件的工作原理、工作性能、在整车上的安装位置及作用存在巨大差异,这必然导致不同零部件需开展的EMC测试项目、测试布置、工作状态及测试标准等的不同。例如,对于只包含电阻、电感、电容等无源器件的零部件,则不必开展辐射发射、传导发射等EMI类的测试;对于包括开关电源等有源模块的零部件(驱动电机控制器)则必须开展辐射发射和部分传导发射的EMI类的测试项目。因此,主机厂也必然会分析电驱动系统的特征,从而决定其需要开展的EMC测试项目。

关于新能源汽车电驱动系统EMC测试项目选择,笔者的分析如下:

(1)驱动电机控制器中包含时钟晶振、DC/AC高频逆变电路、各种DC/DC电源转换电路等易产生沿高压电源线、低压电源线、控制与信号线的传导发射干扰;此类干扰在各自线路中传导的过程中,必然通过电机控制器和电机上的孔、缝、接插件等位置产生辐射干扰。因此表1中的GB/T 18655和GB/T 21437.2标准中涉及到的辐射发射和传导发射相关测试项目必须开展。

(2)作为新能源汽车上的三大电之一的核心零部件——电驱动系统,是影响整车行驶安全的关键零部件,则其对电磁抗扰性的要求必须从严;同时,考虑到MCU与驱动电机之间、MCU与VCU之间的信息交互的重要性,及整个电驱动系统与外界的控制与信号线和电源线的物理连接等因素,则必须开展辐射抗扰、传导抗扰、静电放电抗扰的抗扰性测试项目。

(3)此处特别强调,对于辐射抗扰度,虽然测试方法较多,但目前主机厂及各测试机构主要采用自由场法;

(4)辐射抗扰度测试中的发射器射频抗扰度测试通常认为干扰源来自于乘客和司机身上携带的手持设备,因此一般只对乘客和司机可触及位置的汽车零部件展开此项测试;考虑到电驱动系统不在乘客舱内,且于乘客舱之间有封板相隔,笔者认为电驱动系统无需开展此项测试;但必须指出,目前仍有部分主机厂要求电驱动系统进行发射器射频抗扰度测试,依据标准为ISO 11452-9。

综上所述,结合电驱动系统自身特征及其在新能源汽车上的关键作用,主机厂通常要求对其进行最全面的汽车零部件EMC测试;开展测试所依据的标准主要是在参考表1的基础上,结合实际经验的积累不断更新。

 

3.2主机厂对电驱动系统EMC性能要求存在的问题

问题一:

正如第2部分所提,表1中的所有国家标准的制定均是基于传统车辆的状态制定,即重点考虑的是整车上低压供电的零部件。然而,新能源汽车引入了整车高压回路,电驱动系统作为其中的一个环节,具备高压系统与低压系统同时存在的特点。因此,完全按表1中的测试项目对电驱动系统进行EMC测试是不够全面的。

问题二:

针对问题一,国际标准CISPR 25-2016的附录I则明确了新能源汽车高压系统的辐射发射和传导发射测试方法、布局、限值等。其中,适用于电驱动系统的沿电源线和信号线传导发射测试布置图分别见Figure I.2和Figure I.5;其中Figure I.2采用电压法,Figure I.5 采用电流法;适用于电驱动系统的辐射发射测试布置图见Figure I.8。

目前,国内各主机厂也在逐渐采用CISPR 25-2016中关于辐射发射和沿电源线和信号线传导发射的相关规定;但是,CISPR 25-2016中要求驱动电机处于带载状态,却未量化负载大小,指导意义依然不够明确。

新能源汽车电驱动系统EMC测试深度解析

新能源汽车电驱动系统EMC测试深度解析

新能源汽车电驱动系统EMC测试深度解析

 

问题三:

当前,各大主流EMC检测单位、主机厂和摸底测试公司对电驱动系统辐射发射测试所采用的布置图如图1所示。图1布置方式的特点为所有线束(正负直流母线、UVW供电线、低压供电线、控制与信号线)均平行布置,测试天线在所有线束的中点延长线上。

新能源汽车电驱动系统EMC测试深度解析

图1 检测单位和主机厂采用的驱动系统辐射发射测试布置图

 

然而,CISPR 25-2016中对电驱动系统辐射发射测试所推荐的布置方式如图2所示。图2布置方式的特点:将高电压电源、驱动电机控制和驱动电机采用三点一线式布置,正负直流母线、低压电源线、控制与信号线并行布置,驱动电机的UVW线(1m)则单独布置,测试天线在除UVW线外的其它线束的中点延长线上。

 

新能源汽车电驱动系统EMC测试深度解析

图2 CISPR 25-2016推荐的驱动系统辐射发射测试布置图

 

图1和图2中布置方式存在巨大的差别,这必将导致EMC测试结果的差异。那么,采取何种布置方式更为合适?

笔者认为,当前主机厂及检测单位则更加倾向于图1中的布置方式。主要从以下两方面考虑:

(1)图1的布置方式较为集中,测试结果更加严格;

(2)图2布置方式明确要求驱动电机加载测试,而目前的测试条件较难实现加载的条件。

即使如此,针对新能源汽车电驱动系统EMC辐射发射测试(及传导发射测试)布置方式仍存在较大的异议,需要新标准加以明确。

 

4  新能源电驱动系统EMC测试发展方向

基于以上问题,我国于2018年6月7日发布国家推荐标准GB/T 36282-2018 电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法。该标准明确了电驱动系统EMC性能应满足的测试项目、测试强度、实验方法、评判标准等内容,可谓是一份为电驱动系统提供了明确测试依据的产品标准,代表了我国新能源汽车电驱动系统EMC测试要求的发展方向。

本部分则从以下三方面简要分析GB/T 36282-2018的主要内容,并阐述笔者相关观点。

 

4.1 测试项目

GB/T 36282-2018明确了电驱动系统应满足的EMC测试项目,不再如同主机厂的“求全”的做法。测试项目的明确某种程度上降低了驱动系统供应商或主机厂的测试成本;有效释放了检测单位的场地资源,缓解零部件EMC测试的排队现状。GB/T 36282-2018中要求电驱动系统必须开展的EMC测试项目见表2。

表2 GB/T 36282-2018电驱动系统EMC测试项目

序号

测试项目

类别

1

辐射发射

宽带辐射发射(准峰值检波器)

2

窄带辐射发射(平均值检波器)

3

辐射抗扰度

电波暗室(ALSE)法

4

大电流注入(BCI)法

5

沿电源线瞬态传导抗扰度

实验脉冲1

6

实验脉冲2a/2b

7

实验脉冲3a/3b

8

实验脉冲4(仅适用于低压电源启动发动机的混合动力汽车用驱动电机系统)

9

静电放电

EUT不通电

10

仅LV供电

 

4.2 评判标准

GB/T 36282-2018明确了电驱动系统各个EMC测试项目测试结果是否合格的判断标准,不再采用表1中各国标只提供不同等级测试判断标准的方式。为主机厂和供应商提供了明确的国家层面的要求,具有十分明确的指导意义。例如:(1)GB/T 18655-2010中宽带辐射发射测试推荐了峰值检波和准峰值检波两种方式,并推荐120kHz和1MHz两种带宽选择;GB/T 36282-2018则明确宽带辐射发射测试采用准峰值检波器,带宽120kHz;(2)表1中关于抗扰度测试的国标只是规定了EUT所受干扰信号强度的推荐等级及EUT受干扰后的五种功能状态分类,并未指出EUT在何种干扰强度下应符合何种功能状态是属于合格产品,这使得各主机厂的要求存在各种细节差异,导致零部件供应商反复测试;GB/T 36282-2018则十分明确的指出各个抗扰测试项目的试验等级和功能状态要求,为整个行业提供了明确指导。

 

4.3 试验要求

试验要求主要从试验方法、试验状态、试验布置等三个方面阐述。

此处需要强调三点:

(1)表1中各国标规定的EUT的工作状态为:EUT应工作在典型负载和产生最大电磁发射工作条件下进行;此条规定过于模糊,无法真正指导电驱动系统在测试时的工作状态。GB/T 36282-2018则明确规定了各个测试项目的高低压供电状态及电机带载量,彻底解决了本文3.2节中所提出的问题二。

(2)GB/T 36282-2018进一步规定了各个测试项目的实验布置(采用了CISPR 25-2016中的实验布置方式),从而解决了本文3.2节中的问题三。

(3)GB/T 36282-2018作为新能源汽车电驱动系统EMC测试指导性产品文件,对测试项目及内容等各方面的明确规定,使得本文3.2节中的问题得到顺利解决。

 

6 结论

本文从汽车用零部件电磁兼容国家标准入手,分析了主机厂及检测单位对新能源车用驱动电机系统的测试要求及面临的问题;从而,进一步分析了代表我国电驱动系统EMC测试方向的最新国标GB/T 36282-2018。

此处需要强调,虽然GB/T 36282-2018有效解决了主机厂、零部件供应商与检测单位面临的异议及问题;但是,我们必须正视一个问题——目前,能够实现电驱动系统带载测试的检测单位屈指可数。如何解决此问题及在解决此问题过程中将面临的不可预知的问题,则需要行业的同仁们共同努力!

 

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来源:小白爬梯

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