新能源公交车辐射发射预测试与诊断分析

赵延华 张荣 曹兴盛

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司 湖北武汉 430056

1 前言

随着国家推行新能源政策的实施，城市中新能源公交车已经基本取代了传统的燃油公交车。新能源公交车从动力上可划为油电混合、纯电动和氢燃料电池三类，它们都含有由电池系统、电机系统、电控系统构成的三电系统。和传统公交车相比，新能源公交车的三电系统比内燃机系统的电磁环境更为复杂，包含了大量的高频干扰与能量脉冲。与一般新能源小型汽车相比，新能源公交车车身较大，且含有较多特有的电气部件（如电子刷卡器、监控影像、报站器等），这使得新能源公交车更容易产生电磁骚扰。

现新能源公交车需要通过的电磁兼容强制性检验标准有两个，分别为GB 34660-2017和GB/T 18387-2017，其中GB 34660-2017于2020年正式列入强检项目。从初次试验结果统计上来看，新能源公交车的辐射发射类检验项目通过率不太理想，其中GB/T 18387-2017标准检验项目通过率更低。通过对初次试验辐射发射超限值的新能源公交车诊断分析，结合新能源公交车结构特点，分析常见骚扰源，整理出一套适用于诊断新能源公交车骚扰源的方法。

2 新能源公交车电气系统与常见骚扰源

2.1 新能源公交车电气系统

新能源公交车电气系统可以简单地划分为低压电气系统和高压电气系统两部分。由动力电池输出的高压直流电通过电机控制器（MCU）转化成高压三相交流电，为驱动电机、电动空压机、转向系统的驱动电机等提供电能，这构成了新能源公交车的高压电气系统。动力电池通过高低压转换器（DC/DC）将高压直流电转换为24 V低压直流电，为仪表、照明和信号装置等提供电能，并给辅助蓄电池充电，构成了新能源公交车的低压电气系统。图1为某纯电动公交车的电气系统布置图。

图1 某纯电动公交车的电气系统布置图

2.2 新能源公交车常见骚扰源

新能源公交车上的骚扰源有很多，如驱动电机、电机控制器、高低压转换器、电池管理系统（BMS）等。通过对试验辐射发射超限值的新能源公交车诊断分析，发现最易引发车辆辐射发射超限值的电气部件是电机控制器和高低压转换器。下面对这两个电气部件进行简单分析。

电机控制器主要由逆变器、控制器和散热器三部分组成[1]。动力电池提供的高压直流电通过逆变器转换成一定基波频率的三相正弦交流电，其电压和电流中含有丰富的高次谐波（一般为IGBT开关晶体管产生），这些谐波会通过线束或者空间耦合的方式影响到车辆其他电气部件。

高低压转换器（DC/DC）是将动力电池的高压直流电转化为低压直流电的重要部件，一般采用脉冲宽度调制（PWM）来指挥开关管导通和阻断，控制输出的电压。PWM是一种保持开关频率不变，改变输出脉冲电压宽度的调制方式，DC/DC使用的开关管开关频率越高，电流电压的变化就越快，产生的电磁骚扰也就越大。新能源公交车驱动电机与控制器一般采用后置方式放置，而DC/DC常常会安装在电机控制器附近（如图1该车辆直接将DC/DC变换器、驱动电机控制器等直接整合到四合一控制器中）。这就使得DC/DC输出的低压电需要通过较长的线束连接到电动公交车的驾驶室的低压部件，这样很容易构成一个较大的环路，DC/DC产生的电磁骚扰通过这个环路会对外产生强的辐射。

3 简易测试系统的预测试方法

为了满足标准对测试环境的要求，车辆的辐射发射试验通常需要在半电波暗室中进行。试验时使用接收天线、前置放大器、接收机等设备对车辆进行检测，最终试验结果以场强-频率图表示。图2为某电动公交车进行GB/T 18387-2017测试时车辆左侧面磁场径向的试验结果图，图3为某电动公交车进行GB 34660-2017试验时左侧面宽带垂直极化的试验结果图。

图2 某电动公交车左侧面磁场径向的试验结果

图3 某电动公交车左侧面窄带垂直极化的试验结果

不过，整车暗室的测试费用昂贵，且资源较为紧张，对企业来说是一笔不小的开支。因此对于前期的摸底和验证，我们建议可以采用由近场探头与频谱分析仪等设备组建的简易测试系统[2]来对整车做预测试，如图4所示（其中①处位置根据需要可以选择加入前置放大器或限幅器）。

图4 简易测试系统

简易测试系统对测试环境没有太高要求，其组建设备体积小、易携带且价格较低，能够降低试验成本。同时由于扫描方式的不同，在扫描相同的频段时，频谱分析仪扫描速度比接收机更快，可以节省测试时间。

使用该简易测试系统时，近场探头一般选用磁场探头，测试时需将探头放在距被测处较近的位置进行。应该注意的是，由于简易测试系统中使用的近场探头测试区域较小，单次测量无法较完整地体现车辆的真实辐射状态，若想对整个车辆的辐射发射情况有一个整体了解时需要进行多次多位置测量。所以，使用人员应对整车易产生电磁骚扰的部件有一定的了解，这样在对车辆进行预测时可以有方向地进行。除此之外，该简易测试系统还可以用来排查诊断车辆骚扰源（见本文4.3）。

4 诊断分析方法

对于辐射发射超限值新能源公交车的骚扰源诊断，我们可以通过其测试结果频谱图来分析。一般来说，诊断分析方法有元件固有频率分析法、排除法和频谱分析仪频率搜查法等，这些方法均可以帮助工程师快速地查找并定位到骚扰源。

4.1 元件固有频率分析法

这种方法可以在测试结果的频谱图上直接看出或者通过简单计算得出产生骚扰的元件频率，常见的就是频谱图上的倍频现象和特殊频点。倍频现象其实是元件的工作频率或其谐波频率造成的，可以通过倍频现象出现的高辐射频点频率间隔计算得出骚扰元件的工作频率或者其谐波频率（如图3通过计算频点5和4间的频率差值，得出频率约为64 MHz），以此可以快速地定位到骚扰元件。常见的这类元件有MOS管、晶体振荡器、IGBT[3]等。

特殊频点如13.56 MHz（如图2频点2所示），它是高频RFID读卡器的工作频率，常见于公交车的刷卡器系统，其有效距离可达到60 cm[4]，如图5所示。产生的骚扰通过线束或者空间耦合的方式进入车辆的电气系统进行了放大，就可导致车辆在该频点的辐射发射超标。掌握这一类的特殊频点就可以迅速找到产生电磁骚扰的部件。

图5 某电动公交车刷卡器

4.2 排除法

在试验结果频谱图上没有明显特征又暂时没有排查方向时，可以采用排除法来进行诊断分析。排除法是通过逐一将车辆电子电器部件断电来寻找骚扰源的常用手段，可以通过拔保险、拔线、分区工作等方式进行，在不拆车的情况下可以对车辆做一个较为全面的排查诊断。当无法通过拔保险的方式进行排查时，可以打开车辆的外壳，用拔掉电气部件电源线的方式来进行。需要注意的是，无论拔保险或是拔线尤其是拔除高压线束时都需要断电操作，以保证安全。通常通过排除法查找出来问题部件，需要单独使其工作来判断其是否为真正的骚扰源。图6为某纯电动公交车保险盒布局图。

图6 某纯电动公交车保险盒布局图

当通过简单的拔保险、拔线方式无法做出准确定位时（如拔掉某模块保险出现了互锁现象，另一块部件也停止了工作），可以采取分区工作的方式进行排查，即单独关掉或开启互联的系统再进行测试对比，用这种方法来大致地判断骚扰源位置。

4.3 频谱分析仪频率搜查法

前文提到，使用近场探头与频谱分析仪组合成的简易测试系统可以对产品进行初步的摸底。同时，这套系统也可以用来对超限值的频点或频段进行骚扰源探测分析，这种方法一般配合排除法使用，在排除法排除到一定程度无法继续进行时（如出现互锁现象），就可以使用频谱分析仪频率搜查法。

使用该方法时，一般要拆开车体进行排查，先调整好简易测试系统内频谱分析仪的中心频率和读取带宽，再依次探测可疑部件并相应记录频谱分析仪显示的电平，然后通过对比电平数值，可以更为精确地定位到骚扰源。

5 结语

新能源车辆的电磁兼容性是整车厂商和零部件供应商共同关注的热点，未来汽车电子电气系统会越来越复杂，其诊断与整改是研发工程师需要持续关注和研究的方向。

本文对新能源公交车电气系统做了简单划分，对电机控制器和高低压转换器两个常见的骚扰源进行了分析。搭建的简易测试系统，既能用于预测试，也能用来排查诊断。笔者结合多年对辐射发射结果超限值的新能源公交车诊断分析经验，详细介绍了根据测试结果频谱图来判断使用元件固有频率分析法、排除法、频谱分析仪频率搜查法等常用方法，实践证明使用这些方法可以快速地定位到骚扰源位置，节省测试成本，为相关从业者提供了解决问题的思路与手段。