电动汽车动态工况的emi测试技术需求与方案设计

电动汽车动态工况的 EMI 测试技术需求与方案设计 曾博 邓俊泳 林道祺 林青 刘国荣 中国电器科学研究院有限公司 摘 要： 针对电动汽车高度集成的电力驱动系统可能带来电磁兼容性问题, 讨论国际上现行电动汽车电磁干扰 (electromagnetic interference, EMI) 测试标准中汽车工作状况设置, 指出动态车辆工况设置及测试方法研究的必要性。并设计动态车辆工况信息直接、间接测量方案, 实时获取车速 V、负载扭矩 TV、制动力 FS参数信息;其次, 提出在动态车辆工况下特征频率提取采用实时频谱分析仪, 最大发射值测量采用接收机的 EMI 测试方法;最后, 提出读写时间戳法, 实现动态车辆工况信息、EMI 测试数据匹配。该集成方案可实现电动汽车动态工况下的 EMI 测试, 且测试数据时间戳无累计误差。关键词： 电动汽车; 动态工况; 特征频率提取; 发射值测量; 作者简介：曾博 (1981-) , 男, 湖北公安县人, 工程师, 硕士, 主要从事电磁兼容检测技术研究。收稿日期：2017-02-11基金：广州市科技计划项目 (201504010037) Technology requirement and scheme design for electric vehicle EMI measurements in transient conditionZENG Bo DENG Junyong LIN Daoqi LIN Qing LIU Guorong China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd.; Abstract： For highly integrated electric drive system of electric vehicle could lead to the electromagnetic compatibility problem, the vehicle conditions precepts of current international electric vehicle electromagnetic interference (EMI) measurements standard were discussed.It was necessary to study the transient condition of the vehicle design and test method.On this purpose, direct and indirect real-time measurement methods for transient vehicle conditions information were put forward, and the vehicle speed, load torque and braking force were acquired in real time.EMI measurements method for transient vehicle conditions was also proposed, which characteristic frequency was test by real-time spectrum analyzer and emission was measured by receiver.In order to matching transient vehicle conditions information and EMI measurement data, a read/write timestamp method was present.The discussion shows that integration scheme can realize electric vehicle EMI measurements in transient condition.There is no accumulated error from the read/write timestamp matching method.Keyword： electric vehicle; transient condition; characteristic frequency extraction; emission measurement; Received： 2017-02-110 引言电动汽车高度集成的电力驱动系统为电磁兼容 (electromagnetic compatibility, EMC) 测试带来巨大挑战。Guttowski S 等1按照传统汽车EMC 测试方法测试电动汽车, 由于高压电力驱动系统, 将导致测试结果一致性差;余绍峰等2发现驱动系统在不同功率下, 电磁骚扰的绝对值及其对时间的变化率存在差别, 在电磁兼容研究中应该引起重视;Ruddle A R 等3讨论当前汽车电磁兼容标准, 认为目前测试规范、方法对电动汽车动力系统考虑不充分, 需要进一步发展;Iglesias M 等4发现四轮驱动电动汽车 EMC 特性会影响其中控系统可靠性;文献5基于低于 30 MHz 频段的电动汽车 EMI 测试标准分析, 指出国际上 EMI 测量手段一致, 测量对象、评价指标各有区别, SAE J551-52012 还规定应测量电动汽车多种运行状况的电磁场要求1。本文将讨论国际上现行电动汽车 EMI 测试标准中汽车工作状况设置, 进一步指出电动汽车EMI 测试仪器的一些研究方向与热点。1 电动汽车 EMI 测试工作状况与流程当前, 国际汽车整车 EMI 测试标准化组织包括国际无线电干扰特别委员会 (international special committee on radio interference, CISPR) 、联合国欧洲经济委员会 (economic commission of Europe, ECE) 、美国机动车工程师学会 (society of automotive engineers, SAE) 、中国国家标准化管理委员会 (standardization administration of China, SAC) 等, 其中CISPR、ECE 将电动汽车作为传统内燃机车辆的一类, 以发动机转速描述车辆工作状况, 规定了发动机恒速运转 (巡航) 、通电但不运转 (N 挡) 2 种工况, 如 ECE R10-04、CISPR 122009 (GB/T 140232011) 、CISPR252008 (GB/T 186552010) 、CISPR 36 (制定中) ;SAE 体系早期标准SAE J551-52004、GB/T183872008 以车辆速度描述其工作状况, 设定匀速巡航 1 种工况, 在最新标准 SAE J551-52012 中, 除巡航工况之外, 又设置制动 (制动压力) 、怠速 (负载扭矩) 2 种工况。表 1表 3 分别为各标准、CISPR 与 ECE 体系标准、SAE 体系标准规定的车辆工作状况。SAE J551-52012 中规定的测试流程为6:1) 按照表中特征频率提取的取值, 设置车辆工作状况, 测试各频率下的发射值。2) 根据第 1) 步扫描结果, 计算发射场强度减去限值后的最大值 (离限值线最近) 所在频率。表 1 各标准规定的车辆工作状况 下载原表 表 2 欧洲体系标准规定的车辆工作状况 下载原表 表 3 SAE 体系规定的车辆工作状况 下载原表 3) 依据第 2) 步所得的频率, 在最大发射值测量规定范围内选择工况参数, 测量最大射值。4) 重复步骤 1) 3) 进行另外 3 个侧面与其他场的测量。可以看出, SAE J551-52012 设置车辆制动、怠速、巡航 3 种工况, 采用控制变量的方式, 较好地模拟常规驾驶时的各种情况, 一定程度上保证电动汽车在各种使用状态下均不会出现辐射超标现象。SAE J551-52012 将“变化车辆工况”列为第 5.4.4 款, 指出动态车辆状况的测试方法还在研究中。2 电动汽车动态工况 EMI 测试技术需求分析与设计为实现电动汽车动态工况 EMI 测试, 需分步实现动态工况下的特征频率提取、最大发射值测量, 这将会对底盘测功机、频谱分析仪、扫描接收机等仪器设备的信息化程度提出更高的要求。2.1 动态工况下车辆信息获取为了实现动态工况的 EMI 测量, 应采集用以描述车辆工作状况的参数7-8, 如车速 V、负载扭矩 TV、制动力 FS。需从车辆或底盘测功机, 采用直接测量与间接测量的方法得到各种参数。通过直接测量可在车辆对应位置获得车速 V、负载扭矩 TV、制动力 FS。车速 V可以由车载诊断系统 (the second on-board diagnostics, OBD II) 中获取, 由 OBD II 系统提供的数据更新率约为 10 Hz。车辆负载扭矩 TV可采用局部应力应变测量、车辆外部载荷测量两种方案;局部应力应变测量方案直接在零部件的高应力应变点布置应变片, 测量准确度高, 但应变片粘贴位置受车辆型号影响9;车辆外部载荷测量方案, 一般采用车轮力传感器测量作用于车轮轴头的 6 个分力, 经合成得到车辆外部载荷10。制动压力 FS则是在垂直力为 0 N时的特殊情况, 其传感物理量与车辆负载扭矩 TV相同。实时获取多车轮多参数的运动状态信息, 集成运动状态实时监测系统, 即可实现不同行驶状况下车轮运动状态监测11。但直接测量方案需要针对车辆特性布置传感器, 在实际测试中的可行性较差。间接测量方案在底盘测功机可获得的物理量基础上12, 计算得车辆各参数。图 1 为底盘测功机与车辆主动轮的受力分析图。图 1 底盘测功机与车辆主动轮受力分析图 下载原图若车轮与转鼓间无相对滑动, 底盘测功机转鼓转速 nT、半径 RT、固定位置拉力FTL、与车轮接触面阻力 FTS, 前进、后退防护装置拉力分别为 FVF、F VB, 车辆轮胎半径 RV、主动轴直径 DVF;车速 V、负载扭矩 TV、制动力 FS分别为2.2 动态工况下特征频率提取在特征频率提取阶段, 可以采用扫频式频谱分析仪、实时频谱分析仪。按标准 CISPR 16-1-12010 规定, 采用准峰值检波器测试频段 B (150 k Hz30 MHz, RBW=9 k Hz) 13, 扫频式频谱分析仪至少需要耗时 63.3 s, 而实时频谱分析仪仅需 1.0 s。因此选用实时频谱分析仪实现动态工况特征频率提取。实时频谱分析仪利用有限长数据经离散傅里叶变换 (discrete fourier transform, DFT) , 计算其频域特性。设信号 X (t) 的无限长离散序列为 X () =x (n) (nZ) 、N 点序列为 X (N) =x (n) (0n<N) , 则 X (N) 为则其 DFT14为实际应用中若采用快速傅里叶变换 (fast fourier transform, FFT) 进行计算, 由式 (5) 可知, 变换两端 (时域和频域上) 的序列为有限长, 信号截断会产生能量泄漏。对有限长离散信号作 DFT, 会对其周期延拓变换, 存在栅栏效应, 可选择合适的窗函数抑制。不同窗函数对信号频谱影响不同, 如矩形窗主瓣窄、旁瓣大, 频率识别准确度最高、幅值识别准确度最低;布莱克曼窗主瓣宽、旁瓣小, 频率识别准确度最低、幅值识别准确度最高。在特征频率提取阶段, 频率与幅值识别准确度都会影响到特征频率的提取, 故需要针对