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1、混合动力汽车在辐射发射测试标准中的细节解读上海三基电子工业有限公司 张 君电动汽车作为以电动机驱动的车辆，早在1834年就在英国进行了演示，比世界上第一部内燃机型的汽车早了半个世纪。电动汽车包含混合动力电动汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。混合动力汽车一般指采用内燃机和电动机两种动力，将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆所需要的动力；纯电动汽车是指完全由二次电池提供电力的汽车；燃料电池汽车则是指以燃料电池作为动力源的电动汽车。当今世界汽车保有量正以惊人的速度递增。预计到2010 年末，全球汽车保有量将达到10 亿辆。交通能源消耗已经成为局部环境污染和全球温室气体排放的
2、主要来源之一。而电动汽车以其低排放、低噪音、少废热、可循环、便维护等优势成为抢占21 世纪汽车市场主导地位的车型。目前，我国已充分认识到电动汽车发展的广阔前景，并重点将混合电动汽车作为内燃机和纯电动汽车之间的过渡产品加以研发推广，缓解日益紧张的能源矛盾。本文正是围绕这一发展趋势，着重对混合动力汽车的电器部件进行介绍，并对辐射发射测试中的若干问题进行阐述。图1 某混合动力汽车结构图以目前常见的混合动力汽车为例，其动力系统部分主要包括燃油发动机、电动机、功率变换器、电子控制器等。除了燃油发动机之外，其余都是电动汽车特有的器件，其工作特性也决定了电动汽车的电磁发射水平。电动机作为发动机驱动的辅助动力
3、，它在车辆启动、加速或爬坡时起作用，也能够起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在车辆下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。目前在混合动力汽车上使用的电机种类也比较多，有永磁直流电动机、串励直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机等等。电动机在车上以单电机的形式存在，也可以安装在每个驱动轮上，以轮边电机形式对车轮实现独立驱动。作为骚扰源之一，其自身的发射由于安装位置的不同和馈线功率变换器是混合动力汽车能量转换的关键部分，它主要包括了整流器、逆变器、DC/DC变换器和斩波器等。车辆在整个运行过程中，发动机能够将富裕的动力通过整流器将将能量储
4、存于电池中。当电动机开始工作，为车辆提供辅助动力时，逆变器又可以将电池中的电力通过逆变器变成交流电，为交流电动机提供驱动能量。DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，具有加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源)，控制输出功率，比使用变阻器更节能，同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。与传统内燃机汽车不同的正是电力驱动系统的各器件复杂的工作特性，涉及到高压和低压线路，同时存在有电源的高频率切换，它的电磁辐射环境显得更为复杂。我国的国家标准对涉及电力驱动系统的混合动力汽车的辐射发射标准有着更为严格的规定，在9kHz1GHz
5、频率范围内都不得超过相应的标准限值。其中9kHz30MHz需满足GB/T18387-2008电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法，宽带，9kHz30MHz，30MHz1GHz需满足GB14023-2006车辆、船和由内燃机驱动的装置 无线电骚扰特性 限值和测量方法。它与内燃机汽车辐射骚扰测试（见图2）相比，新增了30MHz以下的磁场（见图3）和电场发射（见图4）的测试。图2 30MHz1GHz辐射发射测试（对数周期天线）图3 9kHz30MHz磁场辐射发射测试（环天线）图4 9kHz30MHz电场辐射发射测试（棒天线）GB/T18387-2008的适用对象主要是电动汽车，规定了车辆在试验时
6、必需以16km/h、40km/h和64km/h车速运行，根据测得的数据确定最大骚扰电平。而混合动力汽车在该试验中遇到的问题是，电力驱动系统作为车辆的辅助动力，其自身的电力输出有限，是否能将车辆提速至标准规定车速尚不确定。现有对混合动力汽车按混合程度分类，我们大致可以将其分为轻度混合、中度混合和重度混合动力汽车。电动机的启动时机、功率大小、与发动机之间串并联驱动方式都不尽相同。经过长期在汽车转鼓上进行电磁兼容测试的实际经验来看，轻度混合等类型的混合动力汽车，电力驱动系统无法单独工作，也就是无法独立驱动车辆行驶，它的作用主要还是在起步、加速、爬坡等时刻，在内燃机运行的同时给车辆提供辅助动力。而诸如
7、中度混合和重度混合等类型的车辆能够视电池电量情况独立驱动车辆行驶。这类车型我们认为属于GB/T18387-2008的适用范围，在测试过程中以纯电力驱动的方式在特定车速下进行测试。在日常测试过程中，我们发现目前量产的混合动力汽车，电机独立驱动往往无法达到较高的车速，使得其只能达到16km/h和40km/h的车速要求，甚至更低。如果超过了电动机最高车速的限制，内燃机将会启动。对此，我们认为该标准的目的是考核电动汽车的电磁辐射电平，一旦内燃机启动测试将变得没有意义，因此在试验过程中，如果车辆无法达到标准中规定的一个或几个车速，那么应当选择车辆能力范围内的标准规定车速和最高车速进行测试。 在GB/T1
8、8387-2008中规定了寻找车辆最大辐射发射面的过程，其中“最大发射电平”的概念在实际测试中会遇到判定难的问题。当我们在对两个数据比较的时候会发现，由于标准限值线的存在，最大发射电平会出现两种情况。一种是测得的数据的绝对值有高低，其次就是相对于标准限值线有远近，我们该如何判断呢？其实我们如果将骚扰源移走，只使用仪器测量实验室本底噪声，我们发现由于天线系数、电缆损耗系数和本底噪声等因素的影响，测得的数据并不是一根水平的曲线。标准限值线的斜率很大，在10MHz30MHz区间发射限制较为严格，但该区域测量值的绝对值往往不大，但更接近限值线。鉴于上述两个原因，可以得知其实绝对值在判定骚扰大小的时候并
9、不是主导因素，和限值线的比较才是最重要的，也最符合制定标准的初衷。因此我们建议，优先选择接近或超过限值线的骚扰电平，其次考虑测量值的绝对值和脉冲分布特性等。如图5-1和图5-2的数据比较，虽然前者的最大电平超过了后者，达到30dBA/m/kHz，但后者在20MHz附近的骚扰电平更接近限值，可以认为在最终测量中存在超过限值的可能性，因此我们选择图5-2作为较大发射。图5-1 磁场发射测量值1图5-2 磁场发射测量值2GB14023-2006是汽车辐射发射测量的基础性标准，其最初的适用对象是内燃机汽车，随着电动汽车的大量出现，现在混合动力汽车也被纳入到了该标准和考核范围内。标准规定装有混合动力系统
10、的车辆，应在电机和内燃机同时驱动下，使车辆以40km/h的速度工作的情况下测试。如果无法实现同时驱动，则车辆需在内燃机以特定转速运转和电动机驱动车辆以40km/h的速度工作的情况下分别测试。且标准中明确了如果车速达不到40km/h，则以最大车速运行。与GB/T18387-2008一样，标准中都提到了最高车速，作为混合动力汽车，其纯电动模式下的最高车速一般都不会标注，而测试经验告诉我们，车速高低（即动力系统负载的大小）是影响骚扰电平的高低的一个不可忽略的因素。最高车速可以是设计车速，但对于混合动力汽车，仅凭电动机驱动往往无法持续太长时间，不能给测量接收机提供足够的扫描时间。如果车速过低，虽然满足
11、了测量时间要求，但又无法真实反应实际辐射发射。因此，建议检测机构可以和车辆生产厂协商，寻找到一个既能提供足够的扫描时间，又能合理反应骚扰电平的“最高车速”。GB14023-2006在附录D中给出了车辆一致性判定的方法，但列出的部分主要还是针对内燃机汽车，其中涉及混合动力汽车部分还很少，对此我们可以根据混合动力汽车电力系统结构和高功率电子器件的工作特性，添加有针对性的内容，方便检测机构参考，同时企业的研发人员也可以根据这些器件加以重点关注。新增认为对混合动力汽车辐射发射有影响的内容有：a) 驱动电机种类、功率和安装位置；b) 逆变器、整流器和DC/DC变换器等器件的型号（主要涉及参数包括调制方式、载波频率、电缆长度、电压、功率等）和安装位置；c) 电子控制器安装位置；d) 储能装置的形式（电池、电容）和安装位置；e) 车内驱动电机高压线的布局和走向；f ) 车身涉及金属部分外壳的形状和尺寸等。随着越来越多的混合动力汽车的研发和投产量化，电磁兼容测试将成为一个重要的测试领域，相信随着时间的推移，现有的标准将会在执行细节上更加细化，更具有可操作性，为拥有一个良好的电磁环境提供技术保障。
