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新能源汽车的电磁兼容性仿真测试设计

关键词:新能源汽车 电磁兼容 电磁抗干扰

时间:2019-11-22 10:35:49       来源:网络

  1、电磁兼容测试在新能源汽车中的必要性

  电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,简称EMC)。指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。

  EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值,即所谓的电磁干扰(Electromagnetic Interference,简称EMI)。

  另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即所谓的电磁抗干扰(Electro Magnetic Susceptibility,简称EMS)。

  与传统汽车相比,新能源汽车EMC问题更加突出。新能源汽车动力直接使用电驱动系统,高压附件的使用会使电磁干扰问题的更为严重。动力系统由于电流在极短时间内的跳动以及大功率半导体开关的快速移动会发出强烈的辐射以及电磁干扰。

  加上电子电气部件都占据着极大的比重,其中的电磁兼容性问题又与整车的安全密切相关。汽车内各种控制器,DCDC.DCAC都是强干扰源,而且线束又多又长,辐射干扰很严重。随着CISPR25-2016的发布,高压系统的EMC要求越来越严,EMC测试已成为汽车厂商所要面对的最严峻的挑战之一。
 

  

     一个典型的DCDC拓扑结构

  为了减小电磁干扰,我们就必须要加强电磁兼容性测试。

  2、EMC的分析原理

  传统EMC设计中一般遵循:产品设计--样品生产--EMC 测试--测试不通过--整改--更改设计--样品生产--测试通过。

  定位困难,反复重复的工作。

  EMC仿真是基于软件分析的一种正向电磁兼容设计方法,包括3D仿真,PCB仿真和系统及电路仿真。

  电磁场的分析方法有解析法和数值法。EMC仿真软件都是基于数值法。

  常用的数值法
  

  电磁干扰中所有算法的基础,Maxwell方程:
 

  Maxwell方程积分形式
  

  Maxwell方程微分形式

  现在比较主流的EMC仿真软件有ANSYS系列和CST系列

  EMC仿真可以得出精确的结果
  

  3、EMC三要素

  要想解决电磁兼容问题,需要从三个要点处着手,EMC问题万变不离其宗的三要素:

  干扰源,产生干扰的电路或设备。

  优化设备的电气架构,选用合适的电子元器件,降低设备的功率。

  传输途径(耦合途径),能够将干扰产生的干扰能量传递到敏感源的路径。

  屏蔽干扰源设备和相关线束,增加线束滤波,合理规划线束。

  敏感设备,受干扰的电路或设备。高压系统,每一个依靠波形控制的高压电器,如果受到电磁干扰,可能输出错误的控制信号。低压系统,比如整车控制器VCU、CAN通讯系统、电池管理系统BMS(尤其开关触发电路和传感器),能量管理单元,制动控制器等等,几乎每一个具备控制调节功能的电气都是敏感源。

  减小设备接收干扰的面积,增大设备到干扰源的距离。选取合适的地,就近接地。对于敏感频段加强滤波设计。

  干扰源、传播途径和敏感源, 三要素中任何一个条件被控制,系统的抗电磁干扰性能都将得到改善。

  新能源汽车的电磁兼容性仿真测试设计

  抑制干扰方法有三类:屏蔽,滤波和搭铁

  屏蔽,主要解决辐射干扰,防止干扰源向周围环境传播干扰或者被环境中的电磁信号干扰。屏蔽的效果与屏蔽层材料,屏蔽层厚度,环境中的信号类型、信号强度,屏蔽层的完整性等因素有关。

  滤波,主要解决传导干扰,通过电路传导的干扰,无法依靠屏蔽手段避免,只有在电路中设置滤波装置。滤波器的参数设置与被保护回路及干扰源的频率有直接关系,可以根据两者之间的差距选择滤波器类型和参数。动力系统中的导线,具有很强的天线特性,既可以接收外来干扰信号,也可以发射干扰信号到环境中。

  搭铁,是针对共模干扰采取的抑制措施,联通干扰源与系统地,可以减小干扰信号的电流或者电压。但并不是直接使用导线连接就能完全起到抗干扰的作用,接地的效果与接地模式密切相关。不合适的接地,反而会将汽车搭铁系统中的干扰信号传输给原本屏蔽措施非常完善的系统。

  屏蔽,同时实现阻断传播通道和消灭干扰源或者敏感源的目的;滤波,基于阻断传播通道的理论;搭铁,基于消灭干扰源理论。

  4、EMC测试及新标准

  针对电动汽车的电磁兼容,国际上制定出严格的行业标准。汽车EMC的标准,包括整车、零部件、IC的EMC标准。

  整车EMC测试及标准包括:

  整车对外干扰,整车辐射干扰;整车抗干扰,整车辐射抗干扰。

  新能源汽车的电磁兼容性仿真测试设计

  零部件EMC测试:

  零部件对外干扰,零部件抗干扰,

  新能源汽车的电磁兼容性仿真测试设计

  辅助变频器EMC测试

  芯片EMC测试标准

  芯片中传导发射和传导干扰注入(DPI)是IC比较常见的测试。

  每个整车厂都有自己的标准,测试项大同小异,测试限值稍有不同国内电动汽车发展迅猛,但就电动汽车各个部件的EMC而言,相关标准的完善程度,还远远跟不上技术进步的需求。目前国内基本上所有与新能源汽车相关的动力部件都是按照GB/T 18655-2010来进行传导和辐射的测试。

  这个新标准,包含了辐射发射(分为宽带、窄带试验,参考GB/T 18655),辐射抗扰度(分为BCI大电流注入和ALSE电波暗室法,分别参考ISO 11452-4和ISO 11452-2),电源线瞬态传导抗扰度(参考ISO 7637-2)以及静电放电抗扰度(参考ISO 10605)。

  这个标准,与以往的汽车电子的标准,都不太一样,这个标准将辐射,大电流注入,辐射抗扰度,脉冲抗扰度,以及静电等多个标准提出的内容,提取出来,针对驱动系统,合并到一个标准上了,所以说这是一个产品标准。

  新标准的发布,很大程度上会加速完善和提高国内现有的电动汽车驱动部件的EMC测试水平,给该领域EMC从业者一个更加明确的努力方向。这是新能源从业者的一个挑战,同时也是机遇。

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