新能源汽车电驱动系统EMC问题挑战-中汽研--贾晋

新能源汽车电驱动系统EMC性能管控及优化单位：中国汽车工程研究院股份有限公司EMC检测部贾晋2018–07-07CONTENTS124新能源汽车EMC现状与背景3新能源汽车整车与电驱动系统EMC测试评估新能源汽车电机控制器EMC优化设计4新能源汽车ＥＭＣ风险对策与整改新能源汽车电驱动系统EMC当前汽车变革下EMC行业面临的挑战电动化（IPU，BMS等）智能化（ADAS）网联化（V2X，5G）EMC面临的挑战技术特征测试滞后测试装置缺乏高电压大电流解决方案不成熟快速开关传感器高度集总，大量数据处理，执行器高度自动化主动安全动力安全低时延、高速率信息安全•高压瞬态测试缺乏标准（7637-4）•高压传导限值与布置需要改变（CISPR25）•带载测试•缺少关于智能汽车（ADAS）整车EMC测试验证标准•关键零部件（ADAS）EMC测试延用传统电子设备测试标准•E-chamberBluebox测试过于昂贵•低价电机带载测试•缺少车联网整车级（V2X，V2V）EMC测试验证标准•延用手机OTA天线方案存在极大差异•昂贵Radar模拟器并非针对EMC测试使用•半波暗室吸波材料40GHz以下有效•半波暗室尺寸有限•昂贵的整车OTA测试装置•测试软件平台•IPU直流与交流侧的滤波方案•接头与导线的屏蔽方案•VehicleEMC测试评估方案•接头与导线的屏蔽方案•OTA的EMC测试方案•车载网络安全—EMC方案评估新能源汽车EMC现状与背景新能源汽车产品燃料电池汽车混合动力汽车纯电动汽车新材料\新部件\电磁兼容\基础设施整车产品开发动力系统集成技术关键零部件技术关键技术燃料电池、驱动电机、能量转换器、超级电容新能源部件电磁干扰严重影响车机有用信号IPU不工作时收音机信号IPU工作时的干扰信号部件干扰大GB14023标准GB18387标准送检样车达标率较低整车辐射严重数据来源2016年：中国汽车工程研究院股份有限公司EMC检测部新能源汽车电磁兼容技术是急需解决的关键技术!整车（部件）法规测试通过率低关键部件电磁干扰严重部件测试难以满足实际工况缺乏完善开发体系新能源汽车EMC测试的挑战主要的能量存储与转换系统：电池系统；DC-DC，DC/AC；电机控制器；充电系统等。【新能源汽车极大地改变了EMC测试形式与内容！】主要EMC测试内容转变：运行状态与工况的更严格要求；高功率，大电流，强电压；部件的大尺寸；电机负载难以模拟等。新能源汽车EMC测试的挑战BMS控制模块：电池单体与系统的温度，电压，电流信号的监控，控制电池与整车控制器的通信接口BMS电磁可靠性：辐射，抗扰；PCB布线，电子元件布局；热，可靠性分析等。电池系统：能量存储，能量管理，冷却系统，安全管理的集成电力驱动系统：能量输出，能量转换，能量控制的集成低压，高压，ECU控制系统的集成整车系统：新能源车的电动部分与车载通信，娱乐，安全的集成电池与整车控制器的通信接口电池系统电磁可靠性：辐射，抗扰；高低压近端远端耦合；通信系统的信号质量等。动力系统电磁可靠性：辐射，抗扰；高低压系统间耦合；BMS系统与DC/DC,电机控制器间耦合；整车系统电磁可靠性：辐射，抗扰；高电压系统与其它车载系统的耦合；通信系统的信号质量等；新能源汽车主要的电磁干扰源MG+-BMSDCDC高压系统12V低压系统充电系统电动机DC/AC高压负载充电装置发电机发动机高压电池再生制动ECU图片来源：www.teseq.com新能源汽车主要的电磁干扰源MG+-BMSDCDC高压系统12V低压系统充电系统20kHz开关频率（压缩机）9–10kHz开关频率100kHz开关频率电（混）动汽车电气系统中，由于电压水平的不断转换，不可避免地产生复杂的谐波。图片来源：www.teseq.com新能源汽车主要的电磁干扰源100kHz1MHz10MHz100MHz1GHzLWMWSWFMTVTVTVDABDTTVVHFRKEBluetoothWifiGPS3GVHFVHFGSMGSMDABCB9kHz频谱分布公用频段电动汽车干扰部件电机控制器高压输入输出端口DCDCDC/DC输入输出端口电机控制器控制线电池包高压直流母线DCDCDC/DC，低压控制端口DC/AC空调压缩机，转向泵控制线缆高压系统的高压输入输出高低压系统的控制模块输入输出BMS控制线24V低压输出线350MHzBMS控制线车载仪表车载暖风系统新能源汽车EMC测试结果统计数据电动汽车EMC测试达标率（总样本数100辆）统计时间2015-2016年新能源汽车测试结果统计数据频率分布1GHz9kHz10MHz30MHz新能源汽车EMC测试未达标频段分布(100台样车)：•低频电场，•低频磁场最大极化方向，•10m电场均值垂直极化。GB14023标准GB18387标准150kHz1MHz100MHz400MHz32%20%34%42%28%5%CONTENTS目录124新能源汽车EMC现状与背景3新能源汽车整车与电驱动系统EMC测试评估新能源汽车电机控制器EMC优化设计4新能源汽车ＥＭＣ风险对策与整改典型新能源汽车电磁兼容测试标准总览GB14023测试布置GB18387测试布置（磁场）GB18655测试布置（电机驱动系统）GB18655测试布置（动力电池）新能源汽车EMC公告强制测试标准新能源汽车整车公告EMC测试GB18387-2008（9kHz~30MHz）GB14023-2011（30MHz~1GHz）40km/h最大发射面确定16(64)km/hE场测试16(64)km/hH场测试(3个极化方向)0km/h平均值测试40km/h峰值测试垂直E场测试水平E场测试垂直E场测试水平E场测试注：GB18387-2017（未正式颁布）取消9kHz-150kHz的测试频段；150kHz-30MHz的限值某些频段提高10dB左右,并且取消了带宽归一化新能源汽车电驱动EMC测试标准《电动汽车驱动电机电磁兼容要求和试验》预计2019年颁布当转速或扭矩达不到EUT状态时，只要能满足持续输出功率25%即可。新能源汽车电驱动EMC测试标准E-chamber（穿墙）Blue-Box（移动式）低成本的带载方案（移动式）移动式空载与带载对传导与辐射发射结果影响大；主要原因是空载时没有驱动电流。新能源汽车电驱动EMC测试标准同一扭矩下不同转矩下系统的辐射发射水平相当；同一转速下，除开空载外，不同扭矩下系统的辐射发射水平相当。新能源汽车电驱动EMC测试标准整车GB18387测试EMC指标分解1）如何通过器件级别的测量来确定整车级别可能出现的问？如何通过整车EMC性能目标，合理的分解零部件指标？（正向开发和故障诊断的核心）Cn:表示n个主要干扰回路(电机控制器回路，DC/DC回路，电池包直流回路等)∣Hvehicle-GB18387∣=∣HC1-GB18387+HC2-GB18387+。。。+HCn-GB18387∣≈∣HC1-GB18387∣+∣HC2-GB18387∣+。。。+∣HCn-GB18387∣新能源汽车整车电磁兼容21V-模型广泛应用于产品开发与功能测试；产品EMC性能管理与测试包含于产品V-模型开发周期系统部件产品设计产品性能产品电磁性能系统EMC仿真，设计子系统EMC仿真，设计部件EMC仿真，设计整体EMC测试产品开发周期细化子系统部件EMC测试子系统EMC测试系统EMC测试测试环节验证构建环节产品总体架构架构系统分类架构子系统细分系统部件系统部件测试子系统测试（HIL测试）分类系统测试产品总体测试优化系统化集成化功能化电动汽车EMC风险对策---工程化与正向开发挑战CONTENTS目录124新能源汽车EMC现状与背景3新能源汽车整车与电驱动系统EMC测试评估新能源汽车电机控制器EMC优化设计4新能源汽车ＥＭＣ风险对策与整改新能源汽车电驱动系统EMC市场23电动车关键部件系统EMC设计电动车关键部件级的EMC测试单系统级的EMC测试系统集成后的EMC测试整车EMC测试系统级构建P1P0P1P2P3SOPP2整车构建新能源汽车EMC风险对策---工程化与正向开发挑战干扰源控制干扰途径控制敏感部件整车EMC性能等级分类测试评价24电驱动系统电磁安全与可靠性的评估体系框架A动力电池/BMS-----------------新能源车电源动力系统评估体系建设框架-------------C电机B电机控制器直流母线高压三相线优化方案辐射根本原因屏蔽设计结构设计（接地，连接）滤波器设计问题解决问题发现原由分析EUTLoadTestAntennaALSELFGP=2mw=1mD=1mdedge=0.1mxzyLTL=1.5m易扰根本原因Eddycurrenth1V0ZLI0E&HSurfacecurrent标准测试非标测试部件级别等级系统级别等级25电驱动系统电磁安全与可靠性的评估体系框架电机控制器EMC优化设计电机控制器优化设计—摸底测试数据电机驱动系统等效电路-100102030405060708090100110120130140150150k3004005008001M2M3M4M5M6810M20M30M40506080108MLevelindBμFrequencyinHzGBT18655-2010CEClass3_PKGBT18655-2010CEClass3_AVf1=5.2MHzΔU1=55dBf2=32MHzf3=45MHzΔU2=25dBΔU3=22dBf0=150kHz正极传导干扰的主要谐振点（高压上电）-100102030405060708090100110120130140150150k3004005008001M2M3M4M5M6810M20M30M40506080108MLevelindBμFrequencyinHzGBT18655-2010CEClass3_PKGBT18655-2010CEClass3_AVf1=240kHzf2=480kHzf3-5=700-900kHzf6=45MHzf7=55MHzf8=90MHz正极传导干扰的主要谐振点（高压下电）电机控制器优化设计—分析主要干扰频点谐振频率150kHzf(240kHz)f(700kHz)5.2MHz32MHz,45MHz,55MHz,90MHz干扰源IGBTDC/DC-1DC/DC-2IGBTIGBT或DCDC模式差模差模差模共模共模-100102030405060708090100110120150k3004005008001M2M3M4M5M6810M20M30MLevelindBμV/FrequencyinHzGBT18655-2010REClass3_PeakGBT18655-2010REClass3_Averagef1=5.2MHzf=4MHzΔU1=45dBf2=7MHzf3=15MHzf0=150kHz0510152025303540455055606570758030M5060708090100M200MLevelindBμV/FrequencyinHzGBT18655-2010REClass3_PeakGBT18655-2010REClass3_Averagef1=45MHzf2=55MHzΔU1=15dBf3=120MHzf4=140MHzf5=178MHzΔU2=12.5dB电机控制器EMC优化设计—分析主要干扰路径du/dt高压线路干扰电路图360VUVW参考大地LISNLISNIPU外壳电机外壳CB2G-CB2G-CI2G-CI2G+CB2B-散热片散热片+-LBULULVLWLBVLBWCCECC-airCE-airCair-shellCVWCUVCWGCmotor-G330uFIGBT关断过程ICE，VCEIGBT开通过程ICE，VCEIGBT驱动芯片IGBT驱动芯片隔离电源电压采集芯片光电耦合器低压部分高压部分物理隔离光电耦合器电压采集模块IGBT驱动芯片隔离电源隔离电源0.3cm左右的空气隔离IGBT连接脚ＩＧＢＴ干扰高压传播途径路径高低压耦合路径InfineonIGBT板旋变信号（1-6）输入接口板电机温度（1-4）360V+5V控制板信号+5VIGBT的驱动芯片电源12V控制板电源24V24VＩＧＢＴ的干扰如何耦合到低压电路中？电机控制器EMC优化设计—分析主要干扰路径电机控制器优化设计—分析主要干扰路径谐振频率150kHzf(240kHz)f(700kHz)5.2MHz32MHz,45MHz,55MHz,90MHz干扰源IGBTDC/DC-1DC/DC-2IGBTIGBT或DCDC模式差模差模差模共模共模１５０ｋＨｚ的差模干扰途径５．２ＭＨｚ的共模干扰途径电机控制器主要传导发射与辐射发射存在超标风险，对于大多数的供应商来讲，通过GB/T18655的3级限值存在很大挑战：高压线缆的屏蔽效能测试—TriaxialTestSetupTheCoMeTisamodularsystemformeasuringEMCrespectivelyTransferimpedance,Screeningattenuation,Couplingattenuationofscreenedcables,connectorsorcomponents.高压线缆的屏蔽效能测试—TriaxialTestSetupR1F的灵敏度大于R2F，如果R1F的与ZT是线性关系。R2F可以直接短接，小于20mΩ(测量参数转换方法不同)；高压线缆的屏蔽效能测试—测试实例奔驰标准高压线缆的屏蔽效能测试—测试实例管中管法校准过程转移阻抗100MHz有效区ZTmax@60MHz=60mΩ转移阻抗100MHz有效区ZTmax@300kHz=9mΩ高压线缆的屏蔽效能测试—测试实例CONTENTS目录124新能源汽车EMC现状与背景3新能源汽车整车与电驱动系统EMC测试评估新能源汽车电机控制器EMC优化设计4新能源汽车ＥＭＣ风险对策与整改新能源汽车电驱动系统EMC新能源汽车EMC风险对策与整改整改案列1：某新能源汽车DC/DC整改H-场超标：84kHzE-场超标：10MHz-30MHz经过排查GB18387的主要超标原因是由DC/DC的干扰源引起；E场主要在10MHz–30MHz引起超标，H场主要在84kHz引起超标。H-场超标：84kHzE-场超标：10MHz-30MHz经过排查GB18387的主要超标原因是由DC/DC的干扰源引起；E场主要在10MHz–30MHz引起超标，H场主要在84kHz引起超标。整改案列1：某新能源汽车DC/DC整改41输入输出共模Y-电容~100nF增大共模电感（3mH~4mH）共模电流差模电流输入输出端口共模电流通常是辐射的主要原因！！Y电容的设定：f=1/[2π*sqrt(LC)],L=40nH(管脚电感)-40dB插入损耗频率20MHzf0=1MHz0C=63.3nH84kHz共模电感的设定：f=1/[2π*sqrt(LC)],C=10pF(共模电感匝间电容）-40dB插入损耗频率84kHzf0=1kHz0L=2.6mH整改案列1：某新能源汽车DC/DC整改超标段37MHz整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议超标段37MHz30–60MHzGB14023AV值超标GB14023PK值超标整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议超标段12kHz16kHz20kHz24kHz28kHz1.5MHz8.2MHz15MHz49kHz1MHz8.4MHz14.5MHz超标段GB18387E-值超标GB18387H-值超标整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议---潜在干扰回路配电盒总正总负1DC-DC+DC-DC-蓄电池油泵电机DC-AC1DC-AC2DC-DC打气泵234高压直流母线回路-1高压油泵-2，气泵-3，DC-DC输出回路-3整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议---潜在干扰回路6UVW控制器高压正控制器高压负6电机控制器高压直流输入，三相输出-6整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议---潜在干扰回路7空调高压线7空调高压线-7整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议---干扰源分析配电盒总正总负车身垂直磁场>车身平行的磁场空调高压线空调高压线空调高压线空调高压线回路与高压直流母线回路是最大干扰风险整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议---干扰源分析12kHz16kHz20kHz24kHz空调高压线12kHz16kHz20kHz24kHz8.2MHz15MHz空调高压导线空调高压线回路与高压直流母线回路上电流谐振点与电场发射超标点吻合频点空调线上电流(频谱仪直接读取值)直流母线上电流(频谱仪直接读取值)12kHz-50dBm-45dBm16kHz-50dBm-55dBm8.2MHz-40dBm-43dBm15MHz-33dBm-33dBm整改案列2:某新能源大客车整改案列与工程化建议--GB14023整改测试结果裕量不足风险（通常要求>4dB）--GB18387整改测试结果（拔掉高压空调线复测结果）总结新能源汽车电驱动系统由于高电压、大电流是电磁兼容问题产生的主要原因；而且中电机控制器电磁干扰是当下最棘手的瓶颈。公告强制整车测试GB14023与GB18387一次性通过不高，现阶段主要的挑战也是电机控制器高压与低压干扰。电驱动测试带载测试将成为主流，因为这更接近实际工况。但即将颁布的标准要求25%功率即可。因为转速与扭矩大小并不直接影响电磁干扰特性。电驱动系统电磁兼容性能将成为核心指标，不止是整车强制测试，更是安全的基本保证以及产品性能优秀的重要体现。电驱动系统电磁兼容开发，带载测试可以自行设计某些低成本方案，如水力测功机。主讲人简介联系方式:电子邮件:twoj1985-163.com@163.com282239102@qq.com手机:（+86）15102370614主要从事汽车电磁兼容（EMC），汽车电子电气可靠性，信号完整性，电磁场算法等相关领域的研究。从事EMC行业10年，精通主流电磁场仿真软件与二次开发软件，精通电子电气测量系统，半波暗室，混响室测量等实际工程设计要求。先后在德国多特蒙德工业大学BoardSystem实验室，德国Er.Ruhr新能源技术咨询公司从事EMC相关的研究工作。先后参与和负责国内外项目8项。发表国内外杂志会议论文23篇（其中第一作者3篇SCI检索，8篇EI检索）。师从国际著名汽车电子专家StephanFrei教授，并于2015年6月取得德国多特蒙德工业大学德国工学博士（Dr.-Ing-）。谢谢!