马爱国，武云龙，王鹏鹏

(比亚迪汽车工业有限公司 新能源技术部, 广东 深圳 518000)

随着政府补贴的退坡，电动车企业对电动客车的关注点放在兼顾客车性能的同时降低整车的设计成本，以及影响车辆电气、电子设备正常运行的车内复杂的电磁环境的优化上。本文以对电动客车运行EMC影响较大的电控液压助力转向系统为对象，研究其电机不同设计方案对整车EMC性能的影响情况。

1 转向系统EMC分析

1.1 转向系统EMC概况

某款11 m长的客车，转向电机后置(放在车辆后舱)时，油管长度约10 m，电机三相线长度约1.5 m。相比于转向电机前置的方案，油管增长，导致沿程损失增大，所需液压油量增加，但电机三相线成本更低；转向电机前置(放在驾驶室下方附近)时，油管长度约1.5 m，电机三相线长度约12 m，但可取消25对管夹，油量从8 L降低至5 L，因此综合成本可降低约500元[1-2]。

电控液压助力转向系统工作过程中，转向电机控制器将动力电池传过来的直流电经降压、逆变转化为驱动电机的交流电。此交流电电压由于IGBT的开关动作、续流二极管的作用以及电路的高频寄生参数将导致纹波电压的产生，该电压具有较大的du/dt，能够通过高压线缆对其附近的低压线束形成耦合干扰，即形成了以转向系统中转向电机控制器的开关电源作为噪声源、转向电机三相线为噪声传播途径的EMC环境，导致对车内的敏感源低压电子设备产生干扰，对整车EMC性能造成较大影响。本文从经济性角度出发，以转向电机前置设计方案的EMC问题为研究对象，由于转向电机前置的线缆较长，耦合风险较大，从而使得转向电机前置的转向系统的EMC问题更严重。

1.2 线缆纹波电压强度分析

纹波电压是指整车上电器正常工作时，输出的直流电压中包含的交流分量，其电压波形具备一定的周期，表现为上下振荡，一般用示波器进行测试。纹波电压的大小意味着电能质量的优劣和干扰的风险性大小[3]。

图1所示为某转向前置车型转向电机三相线对地的纹波电压：在电机正常工作时，IGBT开关频率约5 kHz，正常工作电压峰峰值约550 V；纹波电压峰峰值达1 010 V，尖峰处上升沿dt约0.2 us，对应频率5 MHz[4-6]。

图1 转向电机纹波电压示意图

理论和实践证明，只要金属体内有交变的电流，该金属体就会向空间辐射电磁波，当其线束长度为电信号的1/4波长时，该段线束可看作一个发射天线，其辐射噪声强度最高。该过程即是线束中交变的纹波电压通过该段线束(发射天线)向外界辐射噪声的方式。

对于前述电机三相线传递的电信号的两个频率，一个为IGBT模组工作的开关频率5 kHz，另一个为正常工作产生的纹波电压频率5 MHz，主要与续流二极管、高频寄生参数相关。当线缆传递信号频率为5 kHz时，波长λ=c/f=3×108÷(5×103)=60 000 m，即线缆长度等于15 000 m(波长的1/4)时，其发射强度最大。同理，当线缆传递信号频率为5 MHz，线缆长度等于15 m时，其发射强度最大。

即当转向电机三相线长度由1.5 m(转向电机后置)增加至12 m(转向电机前置)时，其纹波电压产生的干扰已经十分接近最大发射强度，这是导致前置电机系统对外辐射较强的根本原因。

1.3 线缆纹波电压谐振分析

1.3.1 电压谐振点理论分析

当电路中由L、C参数组成的谐振频率等于电路的固有工作频率时，会导致谐振现象，此时电路的电压或电流振幅将达到最大峰值。高压线缆中的等效电感L和分布电容C会随着线束的加长而增大[7]。

对于带屏蔽层的高压线缆，其电感值约 915.8 nH/m，当线缆长度为12 m时，电感值约11.0 μH；当线缆长度为1.5 m时，电感值约1.37 μH。下面对线芯和屏蔽层间的分布电容简化为两平行极板近似计算：

C=ε0εrS/d

(1)

式中：ε0为真空介质的介电常数，取8.85×10-12；εr为材料的相对介电常数，取橡胶材料介电常数为4；d为线芯和屏蔽层间的间距，取1 mm；S为两极板的相对面积。

1.3.2 纹波电压实际测试

实车测试转向三相线对地纹波电压为：A车型(转向前置)400 V(电机三相线长9.5 m)；A车型(转向后置)280 V(电机三相线长1.5 m)；B车型(转向前置)421 V(电机三相线长9.5 m)；X车型(转向前置)390 V(电机三相线长7.1 m)；C车型(转向前置)610 V(电机三相线长11.5 m)。

根据以上的实车测试结果可知，某A车型转向电机前置方案的纹波电压比转向电机后置方案的纹波电压大120 V。由4辆转向前置车型的数据对比可知，转向电机前置三相线长度与纹波电压呈正相关性，每增长1 m，纹波电压可增大20 V，对与该段三相线布置较近的其他高低系统耦合干扰的风险增大，整车EMC性能也随之降低。

1.4 骚扰风险总结

根据前述分析可知，转向电机三相线趋近15 m时，可近似为发射天线，即辐射骚扰风险性增大；转向电机前置之后，三相线中传导的纹波电压振幅变大，约为同车型后置方案的1.6倍，即传导骚扰风险性增大。

2 电机前置干扰案例

某转向前置车型监控显示屏会出现严重的水波纹。现场排查发现，当该车启动后，只要转向系统处于工作状态(转动方向盘或转向电机运转中)，无论车辆处在OK+N挡或OK+D挡，显示屏都会出现水波纹。转向系统停止工作，无论处于N挡还是D挡，水波纹都消失。初步判定骚扰源为转向系统，敏感源为监控系统。

2.1 骚扰源分析——转向电机控制器

现场排查时拔掉转向电机侧的三相线输入接插件，此时监控显示屏处仍出现水波纹，故可确定骚扰来自于转向系统的转向电机控制模块。该模块工作时产生不必要的du/dt是骚扰的根本来源，其通过转向电机控制器端口线束、接地点等传递至其他模块，当线束加长后会加剧LC振荡，带来更大的du/dt。

由测试结果可知，当转向系统控制模块工作后，摄像头信号端的纹波骚扰由正常工作的1.3 V增加至4.98 V；而电源端的纹波骚扰电压由正常工作的0.697 V增加至2.92 V。由于摄像头信号线本身传递的工作信号电压仅为1 V，当其受到转向控制模块工作产生的3.98 V纹波骚扰电压时，会导致传输的信号电压掺杂着更大的骚扰信号，其传输至监控主机运算转化后，就会导致水波纹的形成。

2.2 敏感源分析——监控摄像头信号线

摄像头中装有由上百万个感光二极管构成的CMOS感光芯片，当其感受外界环境不同光照强度后就会产生电荷，并转化为数字信号传至DSP数字处理器。由于CMOS感光芯片自带ADC放大器，但无法保障放大倍数的严格一致，导致输出信号本身存在一定的噪声。转向系统工作时，骚扰通过摄像头的地传递至信号线端，导致整个电路中出现大电压纹波。且纹波值越大，对应转化的光照强度越大，那么就会在监控显示屏端观察到带白点的水波纹。

现场排查发现，将摄像头的接插件拔掉后，监控显示屏没有水波纹，把摄像头接回去后又出现水波纹现象，即可判断敏感源为监控摄像头。监控显示屏工作原理如图2所示。

图2 监控显示屏工作原理

2.3 传播途径分析——耦合+地传导

现场排查发现，只有断开转向电机控制器输出端的三相线接插件时干扰才会消失。转向系统启动后，摄像头信号端的纹波骚扰由1.63 V变为1.68 V，电源端的纹波骚扰由0.81 V变为0.84 V。即可判断骚扰通过转向电机三相线及其屏蔽层(约6 m)进行传递。

对车头和车尾的地电压进行测试发现，转向系统工作时，转向电机端的地和转向电机控制器端的地间存在较大的纹波电压，约34 V(由于测试引线长也加大了部分电压值)。转向电机控制器端的地和整车的地间存在较小的纹波电压，约2.8 V。可见转向前置后电机三相线加长，等效电感L和分布电容C增大，导致骚扰电压增大且骚扰范围扩大。

通过上述分析，得出如图3所示的转向系统干扰监控显示屏的传播途径。当转向电机工作后，由于三相线较长会增大IGBT开关对应的振荡电压，此电压通过线芯和屏蔽层之间的分布电容进行耦合，最终通过屏蔽层接地点导入地，传导至摄像头的电源线和信号线端，增大其电压值并形成白点信号，因而在监控显示屏上观察到带白点的水波纹。

图3 转向系统干扰监控显示屏的传播途径

3 电机前置EMC优化方案

由于底盘处敏感源较少，所以对于转向电机前置的车型，其转向系统的三相线建议优先从底盘走线，主要考虑安全防护方面的问题。其次建议顶棚B柱走线的方案，由于B柱敏感源众多，如摄像头视频线、雷达信号线等，主要考虑EMC电磁屏蔽的问题，需主要从骚扰源(转向电机控制器)、传播途径(高低压线束和车身地)、敏感源(低压电器件)3个方向采取优化措施[8]。

3.1 底盘走线方案

转向系统三相线采用底盘走线方案，则主要考虑线束的安全防护：①由于距离地面较近，尤其是低地板车型，存在与地面障碍物刮蹭、磨损的风险，所以需增加防磨布或者设计线槽。②由于所处环境恶劣、潮湿、气温高，存在许多腐蚀性的液体和气体，所以必须增加波纹管，还可考虑设计线槽。③三相线通过的轮包处需开孔，且开孔空间大，可能影响底盘结构强度，也存在相对位移摩擦的风险，应采取底部加强和过孔处增加护套的措施。④与低压线束较近时易产生电磁干扰，要求高低压线距应≥300 mm。

3.2 顶棚B柱走线优化方案

3.2.1 转向电机控制器优化

对骚扰源转向电机控制器中的电路进行优化，使其功率模块的电磁屏蔽滤波效果更优。在控制板24 V电源输入端增加RC滤波电路，同时需将4.7 nF电容C101/C112与1 μF电容C100/C111位置对调。电源电路中变压器改为屏蔽变压器，变压器的初、次级之间增加3 300 pF的电容，为次级共模电流提供回路。优化CAN线和旋变信号电路滤波，共模电感前后增加X、Y电容，去掉箱内低压线缆中的屏蔽地线。转向三相线增加屏蔽且单端接地，高压直流输入侧增加共模纳米晶磁环，箱内低压接插件C、D处增加铁氧体磁环[9-13]。

3.2.2 线缆电磁屏蔽

对传播途径电机三相线进行电磁屏蔽优化。为评估屏蔽方案的优化效果，本文运用可测耦合衰减的网络分析仪，并结合实车布线搭建了高低压线缆耦合衰减的测试台架。通过测试台架对高压线采用单层屏蔽接地，高压线使用双层屏蔽接地，高低压线束间增加铜箔隔板，低压线束使用双绞线，低压线束增加导电布这5种方案进行评估，其衰减量结果如下：

1) 低压线使用单绞线，高压线使用屏蔽层接地，衰减量为11.1 V。

2) 将方案1)中的单层屏蔽接地改为双层屏蔽接地，其余不变，衰减量为11.3 V。

3) 在方案1)的基础上增加高低压线束铜箔和隔板措施，衰减量为2.4 V。

4) 将方案1)中的单绞线低压线束改为双绞线，其余不变，衰减量为10.2 V。

5) 在方案1)的基础上增加低压线束包导电布的措施，衰减量为9.6 V。

由以上结果可知，高压线使用双层屏蔽层时衰减最大，高低压线束间增加铜箔、隔板方案衰减不明显。

4 结束语

从EMC角度来看，不建议车辆采取转向电机前置的方案，因为转向电机前置后将导致纹波电压增大且干扰范围扩大，对整车的高低压电能质量造成影响。若从经济性考虑采用转向电机前置的方案，则需优先考虑从底盘走线，但需做好线束的安全防护问题；其次考虑顶棚走线，需做好高低压线束间的电磁屏蔽，高压线束需使用双层屏蔽类型，可在低压线束端外层包裹导电布，同时保证转向控制器满足零部件EMC等级要求。