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电动汽车的系统级EMC设计

   2017-01-04 安全与电磁兼容高新杰 李燕侠 李国珍 李兴华 朱光福 邹明5541

2.2 EMC 系统架构布局阶段

本阶段是整车系统级EMC 开发流程中最为关键的一步,其核心工作内容可归结为“先由面建点,再由点连线”。

“面”即为由车身、车身支架、12 V 蓄电池负极等建立的参考地。

“点”为车载电器部件,以规划阶段编写的《高压部件布局布置指导性设计报告》、《CAN 网络线束布局布置指导性设计规范》等报告为指导,综合考虑车身数模及电器零部件初版数模,对车载关键电器部件进行布局。优先进行动力蓄电池布置;根据驱动方式、冷却系统、可安装位置、质心坐标等确定电机本体大致布置;结合功能性要求、碰撞安全性法规要求、IP 防护、安装便利性、美观等,确定其它电器部件布局。“点”还包括抽象的接地点,随着电器部件布局位置确认而确定。接地点的选取应以就近接地、系统接地网络的合理、可维护为原则。

“线”即为前面建立的各“点”之间的互连线缆,是整车电气系统的重要组成部分。线缆布置的基本原则:尽量短、避免交叉、走向美观、安装固定方便。以i-MiEV 车底盘下线缆布局(见图2)为例,其线缆短、线缆无交叉的特点显而易见。

图2 i-MiEV车底盘下线缆布局(网络资料)

图2 i-MiEV 车底盘下线缆布局(网络资料)

优先考虑系统布局这一策略是成本最划算的一种EMC设计方法,对系统进行布局划分,使对干扰电流的控制成为可能。

整车EMC架构布局需要综合考虑各种技术要求,并将EMC技术融入到产品架构设计中去。图3为某型号电动汽车布局差异对比图,与图3(a)相比,图3(b)所示布局方案更合理,线缆走向更规范,整车碰撞安全性也更高。两种布置方案下电器部件壳体设计、连接器选型等均存在较大差异,说明若布局阶段“点”规划不合理,会导致整车电气系统架构布局的变更,其对整车设计成本、上市周期等均带来较大变化。整车设计初期,不建议所有电器部件都做出开模计划,同时从整车设计角度,“点”也应该符合“面”的规划,即使一些电器部件前期已开模且适用于一些车型,也应该根据本车型布置要求,在评审后重新制定开模计划。

(a)布局凌乱

(a)布局凌乱

(b)布局整齐

(b)布局整齐

图3 某型号电动汽车布局差异对比(网络资料)

图4为某车型不合理的电机系统(电机和电机控制器)布局图,该布局导致U、V、W 线缆过长,根据设计经验,该方案存在辐射发射超标风险,EMC评审不通过,该布局方案未获批准。

图4某车型前期不合理的电机系统布局图

图4 某车型前期不合理的电机系统布局图

布局合理最基础,其经济性也最高。车内电子通信设备的日益增多使互连系统的排布密度大幅度增加, 加上车载系统狭小的内部空间,因而对前期系统架构布 局提出了更高的要求。表2列举了本阶段主要输出报告。

表 2 EMC 系统架构布局阶段主要输出报告

2.3 EMC 设计阶段

EMC设计虽然不是什么新鲜技术,但其需要大量专业设计、制造工艺以及管理等知识的支撑,并要参考一切可以指导团队和员工决策或行动的信息、标准、规范、法则及经验,最终形成用于指导生产的设计知识体系,研发过程中知识流动和转换框图如图 5 所示。

图5新产品研发中知识的流动和转换框图

图5 新产品研发中知识的流动和转换框图

EMC设计阶段主要围绕EMC三个措施(即接地、屏蔽和滤波)展开,本阶段主要的设计输出报告如表3所示。

表 3 EMC 设计阶段主要输出报告

接地设计主要包括接地线的工艺、接地螺栓和螺母选型、接地点防腐蚀处理工艺设计等。图 6为某型号电动汽车接地设计细节,可作为参考。

(a)接地线和接地螺栓

(a)接地线和接地螺栓

(b)接地线和接地螺母

(b)接地线和接地螺母

图6 某型号电动汽车接地设计(网络资料)

屏蔽设计的关键之一在于高低压电器部件壳体设计,如何将工业设计等技术和壳体屏蔽设计技术巧妙结合在一起,体现 EMC 设计技术和艺术的完美结合,是本部分的难点。由于壳体开模成本较高,建议全新开模在评审通过后确定。

应当指出,在选用屏蔽线缆时,不仅要考虑其屏蔽性能,还要考虑成本、机械强度等特性。当整个电缆受到过多的机械、天气和潮湿的影响时,影响最严重的屏蔽部分就是连接处,通常使用5年之后性能将下降一个数量级(20 dB)。

对于多电缆入口的机箱壳体,为保证屏蔽连接的连续性,电缆屏蔽连接方法可参考图 7。

 (a)线缆屏蔽层和壳体端接

(a)线缆屏蔽层和壳体端接

(b)线缆端连接夹具

(b)线缆端连接夹具

图 7 多电缆屏蔽层和壳体电连接(网络资料)

(a)电机本体 (b)电机及集成控制器

(a)电机本体 (b)电机及集成控制器

图8 某型号电动汽车电机系统设计(网络资料)

若考虑成本,部件屏蔽设计难以做到完美,可考虑系统级解决措施。图8为某型号电动汽车电机系统设计,为降低 U、V、W 线缆可能带来的辐射发射问题,其在电机端增加一金属屏蔽盒,在提高 EMC设计的同时提高了IP防护等级。

 
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