汽車行業(yè)正在全面發(fā)展電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化，大功率電子電器、高精度傳感器越來越多的集成在新能源整車中。"電磁兼容性"(英文名：Electromagnetic Compatibility, EMC)這個(gè)詞，高頻化的出現(xiàn)在我們的工作生活中，越來越受到汽車行業(yè)，尤其是電動(dòng)汽車業(yè)的重視。在《電動(dòng)汽車安全指南2019版》和《2020版新能源汽車國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)即將發(fā)布》中，都詳細(xì)規(guī)定了電驅(qū)動(dòng)總成EMC及防護(hù)措施；同時(shí)國(guó)家也推出了有關(guān)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)GB/T36282-2018；那么，什么是電磁兼容性？電驅(qū)動(dòng)總成在設(shè)計(jì)時(shí)從哪些方面考慮電磁兼容性問題？電驅(qū)動(dòng)總成EMC設(shè)計(jì)趨勢(shì)怎樣？下面我們就對(duì)以上幾個(gè)方面進(jìn)行展開：

一、什么是電磁兼容性？

電磁兼容性是指電子電器設(shè)備處在同一個(gè)環(huán)境中，各自能正常的工作又不相互干擾的一種"兼容狀態(tài)"。國(guó)標(biāo)電工技術(shù)委員會(huì)（International Electrotechnical Commission, IEC）對(duì)"電磁兼容"的理解是：車輛或零部件在特定的電磁環(huán)境內(nèi)可以穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，同時(shí)，對(duì)此電磁環(huán)境下的其他設(shè)備不會(huì)造成不允許的干擾。

電磁干擾模型中的三要素為：

（1）電磁干擾源；

（2）對(duì)電磁干擾敏感的設(shè)備；

（3）在干擾源和敏感設(shè)備之間用來傳送干擾信號(hào)的耦合通道。

以上三個(gè)要素都具備時(shí)才會(huì)發(fā)生電磁干擾，去除其中一個(gè)，都能避免電磁干擾的發(fā)生。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候我們就要考慮從哪一個(gè)要素進(jìn)行電磁兼容的考慮，一般來說，消除主要的電磁干擾源（電磁抑制）是最為有效和低成本的方法。以下分析主要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上考慮電磁兼容性問題。

二、電驅(qū)動(dòng)總成在設(shè)計(jì)時(shí)從哪些方面考慮電磁兼容性問題？

1、從電驅(qū)動(dòng)總成整體布局方面考慮電磁兼容性問題

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，乘用車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從原來的電機(jī)、電控分體式向目前的電機(jī)、電控、減速器集成式電驅(qū)動(dòng)總成方向發(fā)展，相應(yīng)的電機(jī)、電控之間外部連接原有的三相及旋變線束也被現(xiàn)在電驅(qū)動(dòng)總成內(nèi)部的三相銅排和旋變線束取而代之，從EMC角度大大減小了三相線外露造成的輻射以及旋變線外露受到的干擾，同時(shí)由于電機(jī)和電控集成在一起，大大縮短了三相線和旋變線的長(zhǎng)度，也就減小了線束本身產(chǎn)生的自感。同時(shí)也有電驅(qū)動(dòng)總成廠家把電機(jī)三相線整束線纜穿過一個(gè)磁環(huán)，構(gòu)成一個(gè)共模扼流圈，根據(jù)產(chǎn)品EMC實(shí)際需求選擇不同的磁環(huán)材料來對(duì)高、低頻的干擾進(jìn)行抑制（如下圖1所示）。

同時(shí)電驅(qū)動(dòng)總成在控制器內(nèi)部一般進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，上層為低壓控制電路，下層為高壓逆變驅(qū)動(dòng)電路，上下層之間用隔離板進(jìn)行隔離，對(duì)電磁干擾起到屏蔽作用，并且內(nèi)部走線高低壓分開或是高低壓線束盡量短，減小自身產(chǎn)生的自感和輻射，如下圖2所示，Model 3電驅(qū)動(dòng)總成雖然把低壓控制電路和高壓驅(qū)動(dòng)電路集成一塊PCBA上，但在PCBA整體布板上也進(jìn)行了高低壓區(qū)域劃分，并且整個(gè)控制器部分內(nèi)部無線束連接，對(duì)EMC處理起到了很好的效果。

圖1  Model 3中三相線磁環(huán)位置

圖2  Model 3控制器部分

當(dāng)然接地在整個(gè)EMC處理中也起到了關(guān)鍵的作用，不管是電驅(qū)動(dòng)總成整機(jī)外殼接地，還是高、低壓接插件屏蔽接地，還是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選型的Y電容接地，良好的接地對(duì)EMC處理起到了很好的效果。

2、從電路設(shè)計(jì)及PCBA布板方面考慮電磁兼容性問題

1）開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)

目前，大多數(shù)電機(jī)控制器板端供電選用開關(guān)電源，以節(jié)省能源和提高工作效率；開關(guān)電源電路為了減小體積，提高效率，使用更高的開關(guān)頻率也是導(dǎo)致其成為電路中最主要的電磁干擾源，這樣它們也是電磁兼容設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

2）通訊接口的電磁兼容性設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成方案采用的是CAN總線通訊方式?；倦娐吠?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖3所示

圖3 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

CAN總線電纜是傳導(dǎo)干擾傳播的主要途徑，為保證通訊的可靠性，我們采用的EMC措施有以下幾點(diǎn)：LC濾波器，瞬態(tài)抑制二極管，數(shù)字信號(hào)隔離，均能對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。

3）印刷電路板的電磁兼容性設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)印制電路板，涉及到模塊化子電路的布局，電路板層的分布，信號(hào)和電源線排布的形式等，下面對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，保證電路板設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免EMC問題的產(chǎn)生。

（1）模塊化子電路的布局。

如下圖4所示，某電機(jī)控制器主控板子電路模塊化布局圖，從圖中可以看出，低電子信號(hào)（溫度、電流、電壓模擬信號(hào)處理電路）通道遠(yuǎn)離高電平信號(hào)通道（開關(guān)量輸入輸出，能產(chǎn)生瞬態(tài)過程的電路）和無濾波的電源；模擬電路（B）和數(shù)字電路（A）分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回路產(chǎn)生公共阻抗耦合，導(dǎo)致相互之間信號(hào)的干擾；隔離電源處于各模塊電路之間，便于隔離供電。

圖4 電路模塊化布局圖

（2）電路板層的分布。

在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，一個(gè)最基本的問題是實(shí)現(xiàn)電路要求的功能需要多少個(gè)布線層和電源平面，印制電路板的層數(shù)取決于要求的功能，噪聲指標(biāo)，電源平面，信號(hào)的分類等。在EMC設(shè)計(jì)時(shí)，采用PCB中的金屬平面來抑制電路上產(chǎn)生的共模射頻干擾能量最重要的方法之一。

圖5 電路板層

如圖5中所示，可以清晰的把各種參考地平面隔離出來，并且保證其各自的地平面完整分布，電路板共有四層，從上到下依次是信號(hào)層，電源層，地層，信號(hào)層。4層板的引入，使所有信號(hào)到參考地的回路變得更短，電磁輻射和接收干擾信號(hào)的能力變得更小。

（3）信號(hào)和電源線排布的形式

電磁輻射通過電磁感應(yīng)方式，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射；導(dǎo)體都可以看作一根電磁感應(yīng)天線，電流回路都可以看作一個(gè)環(huán)形天線，盡量縮短電路引線的長(zhǎng)度和減小電流回路的面積，減小電磁輻射；電源引線的地和信號(hào)源的地嚴(yán)格分開，或?qū)π盘?hào)引線采取雙線并行對(duì)中交叉的方法，讓干擾信號(hào)互相抵消，可以減小電磁輻射；對(duì)信號(hào)引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法，信號(hào)線布置在兩條平行地線的中間，形成雙回路布局，干擾信號(hào)互相抵消，屏蔽效果非常顯著。

3、從元器件選型方面考慮電磁兼容性問題

電磁兼容性元器件是解決電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度問題的關(guān)鍵，正確選擇和使用這些元器件是做好電磁兼容性設(shè)計(jì)的前提。因此，我們必須深入掌握這些元器件，這樣才有可能設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求、性能價(jià)格比最優(yōu)的電子、電氣產(chǎn)品。而每一種電子元件都有它各自的特性，因此，要求在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮。我們常見的用來減少或抑制電磁兼容性的電子元器件有電容、電感、磁珠、TVS二極管、電磁干擾濾波器等，下面對(duì)其中兩種EMC常用元器件選型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

⑴ 磁珠選型

磁珠的電路符號(hào)就是電感，但是型號(hào)上可以看出使用的是磁珠，在電路功能上磁珠和電感是原理相同的，只是頻率特性不同罷了，如下圖6所示為磁珠和電感的實(shí)物圖。

電感是儲(chǔ)能元件，而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路，側(cè)重于抑止傳導(dǎo)性干擾；磁珠多用于信號(hào)回路，主要用于EMI方面。磁珠用來吸收超高頻信號(hào)，象一些RF電路，PLL，振蕩電路，含超高頻存儲(chǔ)器電路(DDR，SDRAM，RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠，而電感是一種儲(chǔ)能元件，用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等，其應(yīng)用頻率范圍很少超過50MHz。

圖6 磁珠和電感

⑵電磁干擾濾波器選型

EMC設(shè)計(jì)中的濾波器通常指由L，C構(gòu)成的低通濾波器。不同結(jié)構(gòu)的濾波器的主要區(qū)別之一，是其中的電容與電感的聯(lián)接方式不同。濾波器的有效性不僅與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)的阻抗有關(guān)。如單個(gè)電容的濾波器在高阻抗電路中效果很好，而在低阻抗電路中效果很差。

實(shí)踐表明，即使對(duì)一個(gè)經(jīng)過很好設(shè)計(jì)并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會(huì)有傳導(dǎo)干擾發(fā)射或傳導(dǎo)干擾進(jìn)入產(chǎn)品。濾波是壓縮干擾頻譜的一種有效方法，當(dāng)干擾頻譜不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，可以用電磁干擾濾波器將無用的干擾濾除。因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾是十分重要的。

三、電驅(qū)動(dòng)總成EMC設(shè)計(jì)趨勢(shì)展望

對(duì)于新能源汽車的電驅(qū)動(dòng)總成，以下兩個(gè)趨勢(shì)已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可：

1、高功率密度

目前主要的方案如下圖7所示有：

1）提高電控的輸入電壓，

2）提高開關(guān)頻率（SiC開關(guān)頻率可以達(dá)到20kHz以上），

3）提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速（對(duì)應(yīng)開關(guān)頻率提升）。

不論是電壓升高還是頻率提升，帶來的直接影響就是更大的EMC干擾。

圖7 高功率密度方案

2、控制智能化

智能化主要指的如下圖8所示：自動(dòng)駕駛和車聯(lián)網(wǎng)，要實(shí)現(xiàn)這些功能需要引入更多的傳感器（雷達(dá)、攝像頭等）和通信設(shè)備（4G），這些設(shè)備都對(duì)干擾極其敏感，也就意味著，未來新能源汽車對(duì)EMC的要求會(huì)越來越高。

圖8 智能化方案

要想解決這些問題，需要從以下幾個(gè)方面來考慮：

1、系統(tǒng)化的考慮EMC問題

驅(qū)動(dòng)器是產(chǎn)生干擾的源頭，所以，所有的EMC問題都必須在驅(qū)動(dòng)器端解決。這種方法雖然可以達(dá)到目的，但是付出的成本將會(huì)非常高昂。EMC實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)問題，既可以在源頭抑制，也可以通過負(fù)載解決。例如，同一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，搭配兩個(gè)不同的電機(jī)，對(duì)外輻射差異可以達(dá)到兩個(gè)等級(jí)；如果從電機(jī)方面進(jìn)行很小的優(yōu)化，可能利用極低的成本達(dá)到系統(tǒng)EMC最優(yōu)。

2、量化EMC設(shè)計(jì)

根據(jù)某司的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)于同一容值的不同類型電容，應(yīng)用在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，測(cè)試結(jié)果差異達(dá)到8dB，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)來說就是一個(gè)等級(jí)以上的差異；如果我們僅僅從容值來說，這幾組電容是一樣的，但是當(dāng)我們考慮電容的高頻模型，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的差異。

在實(shí)際應(yīng)用中，不論是電容、電感還是PCB，都存在寄生參數(shù)，在進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)，如果通過設(shè)備測(cè)量或是軟件參數(shù)提取等方法得到這些器件的高頻模型，我們就能在一定的頻率范圍內(nèi)容預(yù)測(cè)出干擾大小。某司目前利用器件的一階模型，目前能夠比較準(zhǔn)確的仿真出輔助電源600kHz以前頻段的干擾值。

量化設(shè)計(jì)不能純理論化，必須通過專業(yè)的測(cè)試平臺(tái)來驗(yàn)證，否則仿真的結(jié)果將只能停留在理論上。

3、未來EMC設(shè)計(jì)平臺(tái)方案

集電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)、系統(tǒng)仿真、試驗(yàn)平臺(tái)為一體的綜合EMC解決方案，為整車提供系統(tǒng)成本最優(yōu)的EMC產(chǎn)品和方案，如下圖9所示。

圖9 綜合EMC解決方案