纯电动客车线束电磁耦合串扰研究

王洪军， 许明明， 武云龙， 徐 勇

(比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118)

有电的地方就存在对应的电场与磁场,由于纯电动客车高低压布线的复杂性导致整车电磁场环境十分复杂，与之相关的电磁兼容问题也就接踵而来。整车高低压走线并没有明确的规范要求，线束之间会经常出现耦合串扰的问题，解决问题的前提就需要了解它的特性，尝试把不可见的电磁场耦合干扰量化为相应的数据。

1 耦合串扰介绍

耦合是指由于2个或2个以上相互独立的电路之间存在着分布电容和互感，骚扰通过电磁场的形式从一侧传递至另一侧的现象。针对不同的骚扰传递方式，耦合可以分为容性耦合和感性耦合[1]。

1.1 容性耦合

图1(a)为纯电动汽车某系统的容性耦合模型等效电路，R1与R2等效为串联关系，互相分压，通过容性耦合公式I2=C1dU1/dt可计算出R2处的骚扰电流。

1.2 感性耦合

图1(b)为纯电动汽车某系统的感性耦合模型等效电路，R1与R2的线缆之间存在着互感M，次级电路R2处的骚扰电压值可通过感性耦合公式U2=MdI1/dt求出。

(a)容性耦合 (b)感性耦合

1.3 耦合串扰区

常见的EMC整车认证测试频段f为9 kHz～2 GHz，电磁波的速度c为3×108m/s。根据近场区的计算公式：

可知，耦合串扰可能发生在以电动汽车的几何中心为圆心的5.3 km半径范围内。

纯电动汽车中经常出现低压系统被低压系统或高压系统耦合干扰的问题，下面针对这两大系统进行对应的测试分析。

2 低压对低压的耦合分析

2.1 电磁阀对标志灯的耦合串扰

1) 侧标志灯异常闪烁问题。某电动客车的右前门侧标志灯在操作应急阀或门开关的瞬间会异常闪烁，标志灯电压峰峰值可达24.4 V。现场用示波器测试发现，门电磁阀在断电的瞬间会产生峰峰值达174.67 V的冲击电压。将该电磁阀更换为另一个厂家的电磁阀后标志灯不再异常闪烁，且测试出无明显的冲击电压，从而判断出门电磁阀为导致标志灯异常闪烁的骚扰源。

2) 线束耦合分析。对实车走线进行分析发现，门电磁阀正极线束经后舱配电盒供电，但负极线束从该车二层底架回到蓄电池负极的过程中，与标志灯正、负极线束在同一层底架线束中平行走线约5.5 m。根据互感效应可知，两线束距离越近，平行走线长度越长，互感越强烈，故初步判断共同走线的一段线束为骚扰电压的传递途径。

2.2 台架模拟试验

2.2.1 搭建耦合试验台架及判断耦合类型

根据门电磁阀对标志灯的耦合串扰模型搭建对应的试验台架，试验台架模型如图2所示。

图2 耦合试验台架模型

其中标志灯正负极线束与门电磁阀负极线束平行走线，供电端为24 V蓄电池，通过门电磁阀负极线束的通断来控制电磁阀的开关状态。

测试后，对电磁阀和标志灯间的电压波形进行对比，发现两者波形上升沿和下降沿趋势相反，如图3所示。根据法拉第电磁感应定律[2]，当骚扰源处磁通量发生变化时，会在敏感源端感应出阻止其变化的反电动势，那么可判断该耦合系统是感性耦合起主要骚扰作用，即磁场耦合[3-4]。

图3 耦合类型的判断

2.2.2 推算耦合公式

已知感性耦合计算公式为：

U2=MdI1/dt

(1)

式中：U2为敏感源端耦合电压值；M为两线束间互感系数；dI1/dt为该零部件特性值，可看作定值a。

根据文献[5]得两平行线束间互感的计算公式为：

(2)

式中：μ0为线束磁导率；d为两平行线束的中心距；h为线束距离地面的高度；l为两线束共线耦合长度[6]。

搭建台架时，通过控制线束间隔D和耦合长度l的方式控制变量，其中线束间隔D=d-0.16 cm(实测台架低压线束的直径为0.16 cm)。则

(3)

将式(3)代入式(1)可知，当线束间隔D不变时，耦合电压与耦合长度l成线性关系；当耦合长度l不变时，耦合电压与中心距d成对数关系。

表1 线束间隔、耦合长度和耦合电压的关系

对表1中测试数据用Excel分别进行线性拟合、对数拟合后，可得式(4)和式(5)。

线束间隔为0 cm，耦合长度和耦合电压的关系为：

U2=2.8l+8.7

(4)

耦合长度为4 m，线束间隔和耦合电压的关系为：

U2=-4.689 lnD+7.216 7

(5)

根据式(4)可推导出，线束间隔为0 cm，耦合长度为5.5 m时，耦合电压值为：

U2=2.8×5.5+8.7=24.1 V

该数值与实车中测试值24.4 V接近。耦合长度为5.5 m相比耦合长度为4 m增加耦合电压4.2 V，结合式(5)粗略推算出：

即需要增加线束间隔至11.26 cm才能消除耦合串扰值。

3 高压对低压的耦合分析

由于测试高压—低压耦合的台架不便搭建，所以采用网络分析仪来对其进行测试[7-8]。

3.1 测试原理

如图4所示，在屏蔽室内，网络分析仪输入端口接约11 m周长的高压线束回路，输出端口接约8 m周长的低压线束回路，通过网络分析仪发射一个含有不同频率谐波成分的标准波，可以测试出其在低压线束端的衰减电平分贝值[9]。

图4 网络分析仪测试布置

已知衰减电平分贝的计算公式为[10]：

A=20 lg(U1/U2)

(5)

式中：U2为输入端口电压值，即为骚扰源电压值；U1为输出端口电压值，即为敏感源耦合电压值。

在确定分贝衰减值和骚扰源电压值的前提下，可知耦合电压值:

(6)

3.2 数据测试

为判断某电动客车高压系统中电池包直流母线的骚扰频段，用手持频谱仪进行了实车测试。图5(a)为电池包直流母线OK+N挡的频谱图，图5(b)为电池包直流母线OK+D挡的频谱图。

(a)OK+N挡

(b)OK+D挡

通过对比发现，踩下油门后20～30 MHz频段的分贝值上升最为明显，可作为下一步计算分析参考频段。

3.3 数据分析

测试时根据实车选择高、低压线束平行走线长度为4 m，线束间隔为30 cm(网络分析仪频谱图如图6所示)，电压平台为540 V，代入式(6)后分别得出20 MHz、30 MHz的耦合电压值。

图6 网络分析仪频谱图

在20 MHz频点时，衰减电平分贝值为-36.54 dB，代入式(6)计算：

在30 MHz频点时，衰减电平分贝值为-44.41 dB，代入式(6)计算：

通过上述测试可发现，高压—低压系统的耦合串扰值与频率存在紧密的关系，30 cm间隔时在20 MHz的频点依旧存在8.04 V的耦合电压，而30 MHz的频点处耦合电压值衰减至3.25 V，在实车高低压线束的设计中应分频率段进行分析。

4 结束语

对于低压对低压的耦合系统，可以根据不同的零部件特性结合示波器测试推导出对应的耦合关系式，从而对低压线束间走线间隔、共线长度做出限定。对于高压对低压的耦合系统，结合网络分析仪对不同的频段进行分析，由频谱仪可测试出高压线束相应的骚扰频点，通过理论计算以及实车测试的方式对纯电动客车高、低压线束的走线布局进行限定。