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FFC連接器

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

發(fā)布日期:2022-04-17 點擊率:49

【導讀】本文在分析整車EMC設計現(xiàn)狀的基礎上,以大量部件和整車的設計、測試經驗為支撐,借鑒學習國外一些車型的先進設計思路,從EMC工程設計角度,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,同時保證了系統(tǒng)內EMC。

 

引言

 

電動汽車車載電器部件要滿足相應 EMC 技術要求,就應考慮其內部元器件和導線的合理布排,并做相應的測試及優(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,設備之間的相互影響加劇了電磁環(huán)境的復雜性,部件級EMC測試和整車EMC測試關聯(lián)解析難度大。同時各車型在功能、市場定位、系統(tǒng)架構與布局、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)一的定量化指標去適合于所有電動汽車。

 

在EMC設計、管理等方面,國內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設計不足;

 

③電器部件EMC設計和整車EMC設計脫節(jié),EMC問題幾乎 全部由車載電器部件承擔責任;

 

④ 企業(yè)歷史短,缺乏專業(yè)的EMC設計經驗,缺乏規(guī)范的 EMC研發(fā)、管理流程。

 

本文參考系統(tǒng)級電磁兼容設計思想,并借鑒國外電動汽車的優(yōu)秀EMC設計方法,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)內的良好兼容性。

 

1、電動汽車系統(tǒng)級 EMC 設計思想

 

系統(tǒng)電磁兼容問題在分析方法、設計方法、試驗方法方面,均為系統(tǒng)工程問題。

 

電動汽車系統(tǒng)級EMC設計思想:綜合考慮電器部件性能及功能完整性、可靠性、技術成本、車身輕量化、產品上市周期等各種因素,確定布局和技術控制狀態(tài),選取材料、結構和工藝,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、屏蔽及濾波等設計思想及具體措施實施到產品或系統(tǒng)中,在測試階段做出詳細的EMC測試評價、優(yōu)化及管理,最終形成一套可行性高的正向開發(fā)設計方法或流程。

 

在產品質量前期策劃(advanced product quality planning,簡稱 APQP)過程中,新產品 研發(fā)過程一般由5個階段組成:計劃定義和項目、產品設計和開發(fā)驗證、過程設計和開發(fā)驗證、產品和過程確認,以及反饋、評估和糾正措施,APQP 進度圖如圖 1 所示。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

圖 1 APQP 進度圖

 

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)架構布局階段、EMC設計階段、EMC系統(tǒng)測試及狀態(tài)凍結階段以及EMC評估、評審和優(yōu)化階段。

 

上述各階段需要車型設計總師、項目經理、EMC專家、EMC工程師、電氣工程師、線束工程師、總布置工程師、結構工程師、測試工程師以及各電器部件供應商等協(xié)作參與,共同完成。

 

2、電動汽車系統(tǒng)級EMC設計開發(fā)流程


2.1  EMC 規(guī)劃階段

 

本階段工作內容是在分析整車技術規(guī)范(Vehicle Technical Specification,簡稱VTS)初稿的基礎上,對表1中列舉的內容進行研究,重點掌握現(xiàn)有電器部件EMC特性,并編寫整車EMC設計指導書等報告,為EMC系統(tǒng)架構布局提供重要依據。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

表1 EMC 規(guī)劃階段主要工作內容

 

2.2  EMC 系統(tǒng)架構布局階段

 

本階段是整車系統(tǒng)級EMC 開發(fā)流程中最為關鍵的一步,其核心工作內容可歸結為“先由面建點,再由點連線”。

 

“面”即為由車身、車身支架、12 V 蓄電池負極等建立的參考地。

 

“點”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性設計報告》、《CAN 網絡線束布局布置指導性設計規(guī)范》等報告為指導,綜合考慮車身數模及電器零部件初版數模,對車載關鍵電器部件進行布局。優(yōu)先進行動力蓄電池布置;根據驅動方式、冷卻系統(tǒng)、可安裝位置、質心坐標等確定電機本體大致布置;結合功能性要求、碰撞安全性法規(guī)要求、IP 防護、安裝便利性、美觀等,確定其它電器部件布局。“點”還包括抽象的接地點,隨著電器部件布局位置確認而確定。接地點的選取應以就近接地、系統(tǒng)接地網絡的合理、可維護為原則。

 

“線”即為前面建立的各“點”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、線纜無交叉的特點顯而易見。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

圖2 i-MiEV 車底盤下線纜布局(網絡資料)

 

優(yōu)先考慮系統(tǒng)布局這一策略是成本最劃算的一種EMC設計方法,對系統(tǒng)進行布局劃分,使對干擾電流的控制成為可能。

 

整車EMC架構布局需要綜合考慮各種技術要求,并將EMC技術融入到產品架構設計中去。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計、連接器選型等均存在較大差異,說明若布局階段“點”規(guī)劃不合理,會導致整車電氣系統(tǒng)架構布局的變更,其對整車設計成本、上市周期等均帶來較大變化。整車設計初期,不建議所有電器部件都做出開模計劃,同時從整車設計角度,“點”也應該符合“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,也應該根據本車型布置要求,在評審后重新制定開模計劃。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(a)布局凌亂

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(b)布局整齊

圖3 某型號電動汽車布局差異對比(網絡資料)

 

圖4為某車型不合理的電機系統(tǒng)(電機和電機控制器)布局圖,該布局導致U、V、W 線纜過長,根據設計經驗,該方案存在輻射發(fā)射超標風險,EMC評審不通過,該布局方案未獲批準。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

圖4 某車型前期不合理的電機系統(tǒng)布局圖

 

布局合理最基礎,其經濟性也最高。車內電子通信設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)狹小的內部空間,因而對前期系統(tǒng)架構布 局提出了更高的要求。表2列舉了本階段主要輸出報告。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

表 2 EMC 系統(tǒng)架構布局階段主要輸出報告

 

2.3  EMC 設計階段

 

EMC設計雖然不是什么新鮮技術,但其需要大量專業(yè)設計、制造工藝以及管理等知識的支撐,并要參考一切可以指導團隊和員工決策或行動的信息、標準、規(guī)范、法則及經驗,最終形成用于指導生產的設計知識體系,研發(fā)過程中知識流動和轉換框圖如圖 5 所示。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

圖5 新產品研發(fā)中知識的流動和轉換框圖

 

EMC設計階段主要圍繞EMC三個措施(即接地、屏蔽和濾波)展開,本階段主要的設計輸出報告如表3所示。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

表 3 EMC 設計階段主要輸出報告

 

接地設計主要包括接地線的工藝、接地螺栓和螺母選型、接地點防腐蝕處理工藝設計等。圖 6為某型號電動汽車接地設計細節(jié),可作為參考。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(a)接地線和接地螺栓

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(b)接地線和接地螺母

圖6 某型號電動汽車接地設計(網絡資料)

 

屏蔽設計的關鍵之一在于高低壓電器部件殼體設計,如何將工業(yè)設計等技術和殼體屏蔽設計技術巧妙結合在一起,體現(xiàn) EMC 設計技術和藝術的完美結合,是本部分的難點。由于殼體開模成本較高,建議全新開模在評審通過后確定。

 

應當指出,在選用屏蔽線纜時,不僅要考慮其屏蔽性能,還要考慮成本、機械強度等特性。當整個電纜受到過多的機械、天氣和潮濕的影響時,影響最嚴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量級(20 dB)。

 

對于多電纜入口的機箱殼體,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。

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(a)線纜屏蔽層和殼體端接

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(b)線纜端連接夾具
 

圖 7 多電纜屏蔽層和殼體電連接(網絡資料)

 

如何設計電動汽車的系統(tǒng)級EMC?

(a)電機本體   (b)電機及集成控制器

圖8 某型號電動汽車電機系統(tǒng)設計(網絡資料)

 

若考慮成本,部件屏蔽設計難以做到完美,可考慮系統(tǒng)級解決措施。圖8為某型號電動汽車電機系統(tǒng)設計,為降低 U、V、W 線纜可能帶來的輻射發(fā)射問題,其在電機端增加一金屬屏蔽盒,在提高EMC 設計的同時提高了IP防護等級。

 

2.4  EMC 系統(tǒng)測試及狀態(tài)凍結階段

 

系統(tǒng)電磁兼容試驗技術包括:試驗規(guī)范制定、標準制定、項目選擇、實施方法、場地建設、誤差處理等技術和過程。為保證EMC測試的一致性,系統(tǒng)測試必須在標準的試驗環(huán)境下進行。根據自身條件建立相應測試環(huán)境或選擇測試機構,都是不錯的選擇,為節(jié)省測試費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。

 

若脫離整車測試驗證環(huán)節(jié),零部件EMC設計很可能出現(xiàn)設計不足或過設計問題。EMC 系統(tǒng)測試是系統(tǒng)級EMC設計流程中重要的環(huán)節(jié),既用于驗證整車 EMC 設計的合理性,又為設計方案優(yōu)化、評審及凍結提供依據。在驗證各電器部件EMC設計符合性的前提下,驗證零部件EMC測試數據和整車測試數據的關聯(lián)性,根據整車測試中暴露出來的問題,首先對整車系統(tǒng)內接地措施進行嘗試性優(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指標進行有針對性的更改,根據整改便利性、成本、可靠性、開發(fā)周期等因素確認零部件更改比重,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)凍結階段,需要隨機抽樣同一批次各電器部件多臺進行測試,在測試數據一致性評審通過后,凍結零部件EMC設計。同樣,只有整車測試具有足夠的一致性和裕量,整車EMC 設計數據才能凍結。

 

本階段主要輸出報告有:《電器部件 EMC 測試分 析報告》、《整車測試分析報告》、《系統(tǒng)設計優(yōu)化分 析報告》、《XX 零部件EMC優(yōu)化設計分析報告》、《接地線(含接地螺栓、螺母)鹽霧等試驗分析報告)》、《接地線阻抗測試報告》、《接地點防腐處理工藝設計評審 報告》、《接地點可維護性評審報告》、《電器部件殼體數模凍結報告》、《電器部件EMC設計方案凍結報告》、《XX車型EMC設計方案凍結報告》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設計的整個流程中,每個階段的評估、評審和優(yōu)化,必須保證零部件設計和整車設計具有一定的同步性。評估、評審時既要考慮功能完整性、技術先進性、可靠性、安全性等設計因素,還需要 EMC 專家的技術指導,同時又要綜合考慮設計美 觀度、可維護性、可工程化、成本等其它因素。

 

簡單合理的設計是最好的設計,這無疑在節(jié)約成本,提高產品良品率,加快上市時間的同時,讓電動汽車EMC設計的風險降至最低,所以評估、評審階段還應堅持簡單的原則。

 

電動汽車功率部件越來越呈現(xiàn)出小型化、集成化的技術趨勢,功率部件的EMC設計仍將是整車EMC設計的重要內容之一。為提高續(xù)航里程而增大電池結構,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、評審階段還應堅持與時俱進的原則。

 

3、結語

 

本文從工程應用設計的角度,對整車系統(tǒng)級EMC設計流程做了詳細描述,而對設計細節(jié)以及 EMC指標的量化未做具體描述,但整個設計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)活動的反復和耦合,使復雜、模糊、混亂的EMC研發(fā)活動流程化,從而提高了EMC設計工作的效率和質量,縮短了開發(fā)周期,減少了研發(fā)成本及產品生命周期的總成本。

 

在設計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,甚至會發(fā)生某些頻段的噪聲變大。

 

OBC 內部均設計了濾波單元,但由于濾波單元設計不專業(yè)(包括濾波器輸出阻抗和 OBC 輸入阻抗相互匹配、濾波器拓撲結構設計不合理等)或受布局空間所限安裝位置不合理等原因,濾波器實際抑制干擾能力較差,傳導發(fā)射超標現(xiàn)象較明顯。

 

4、總結

 

本文所述示例說明了接地、屏蔽以及濾波措施正確合理設計的重要性。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等)建立的電磁環(huán)境也越來越復雜,如何根據各電器部件自身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)在整車設計中應是研究的重點和關鍵。

 

 

 

 

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