新能源车浪潮来袭，同时存在高压低压系统，如何准确进行高低压布线间距EMC分析？

摘要

随着车辆电气化水平的逐步提升，电气零部件布局和布线面临着前所未有的挑战，在不断的压缩电气零部件间间距后，EMC性能成为非常关键的性能指标。特别是对于新能源车型，同时存在高压和低压系统，高低压耦合若处理的不好则EMC问题会频发。

本文重点对新能源车高低压布线间距进行EMC分析，从理论、标准、仿真、测试四个方面进行全面的分析，并给出相关的布线间距建议。

注：EMC (电磁兼容性)：Electro Magnetic Compatibility

1.  理论分析

1.1 容性耦合模型

如果两个线束间以容性耦合为主，则容性耦合模型如图1所示。导体1一端口含干扰源V1，二端口对地阻抗为Z1，其与地之间的分布电容为C1g；导体2为被耦合对象，其端口对地阻抗分别为Z21、Z22，其与地之间的分布电容为C2g，导体2与导体1间的分布电容为C12。则导体2上耦合到的干扰电压，如果R2与V1相对固定，则C12主要影响到V2值的大小，而两线之间的间距d直接影响C12的大小，d越大C12越小。

图1 容性耦合模型

1.2 感性耦合模型

如果两个线束回路间以感性耦合为主，则感性耦合模型如图2所示。导线回路1一端口含干扰源V1，二端口对地阻抗为Z1，回路1中流过的干扰电流为I1；导线回路2为被耦合对象，其端口对地阻抗分别为Z21、Z22，导线回路2与导线回路1间的互感为M12。则导线回路2上耦合到的干扰电压，如果I1相对固定，则M12主要影响到V2值的大小，而两线之间的间距d直接影响M12的大小，d越大M12越小。

图2 感性耦合模型

1.3 近场效应预估

对于容性、感性耦合模型，由于干扰源和相关的分布参数很难能够进行准确的量化计算，再结合麦克斯韦方程组进行电场、磁场的量化计算就更困难了。

麦克斯韦方程组中变化的磁场产生电场：

变化的电场产生磁场：

但由于工程实际中很难能够使用标准化的公式来表达相关参数，因此，一般需要借助仿真的手段来计算完成。

除了计算以外，也可以采用近场效应预估的方法做比较简单的数量级预估。由于整车环境下布置间距考虑EMC风险的基本在100mm以内，对于整车EMC关心的频段基本都处于近场区。近场效应电磁场结果又非常复杂，在这里简单的按照电场/磁场强度反比于距离d的三次方进行预估。数量级差别对比预估如表1所示。

表1 近场效应预估

由上表可以看出：1mm到10mm的间距变化，电磁场强度可衰减约1000倍；10mm到20mm的间距变化，电磁场强度可衰减约8倍；20mm到30mm的间距变化，电磁场强度可衰减约3.378倍；再往后间距每增加10mm，电磁场强度可衰减约2-4倍。因此在1mm-100mm间距范围内，随着间距变化越大电磁场强度衰减越大，但间距达到20mm以后，电磁场强度衰减就不会再有大的突变了。因此，通过近场效应预估，对于有明显耦合风险的新能源车高低压线束布线间距建议至少控制在20mm以上。

2.  标准分析

2.1 发射端标准分析

由于新能源车高低压系统这种高低压线束间串扰最大的风险主要是在低频段低频电磁场耦合，因此本文重点分析低频电磁场相关标准要求。发射端低频电磁场发射（MFE）相关要求，这里以标准MIL-STD-461F（2007）为例，标准布置如图3所示[1]，测量探头距离被测物间距为70mm。

图3 MFE测试布置图

标准限值要求如图4所示[1]，30Hz-100kHz（对数坐标）范围内，磁场限值要求从180dBpT-110dBpT。按照50Ω标准阻抗系统，可换算如下：

图4 MFE限值要求

2.2 抗扰端标准分析

与MFE相对应的抗扰端标准即为低频电磁场抗扰（MFI）标准，这里以ISO 11452-8（2007）中的辐射线圈法为例，标准布置如图5所示[2]，测量探头距离被测物间距为50mm。

图5 MFI测试布置图

抗扰度等级要求如图6所示[2]，15Hz-150kHz范围内，建议了4个抗扰度等级。在不考虑测试间距、测试设备和系统间差异等影响因素的前提下，MFI抗扰度等级与MFE限值进行量化的裕量对比。30Hz处MFE发射量为794A/m，为保证裕量MFI抗扰度等级至少为level 4，此时裕量为206A/m（约46dB）；100kHz处MFE发射量为0.25A/m，为保证裕量MFI抗扰度等级至少为level 3，此时裕量为2.75A/m（约8.8dB）。

图6 MFI抗扰度等级要求

2.3 标准分析建议

基于标准体系分析，在发射端和抗扰端各自满足其低频电磁场标准要求的前提下，EMC风险基本可控且有一定裕量。测试距离MFE为70mm、MFI为50mm。因此，从标准测试结果管控的角度来分析，新能源车高低压线束布线间距建议控制在70mm以上。

3.  仿真分析

3.1 仿真模型

采用实车模型并建立高低压线束模型，高压线束为屏蔽线束，通过调整高低压线束间距（1mm，10mm，30mm，50mm，70mm，100mm），对比分析高低压耦合的感应磁场和低压线束端感应电流大小，根据分析结果建议合适的布线间距。仿真模型如图7所示。

图7 整车含高低压线束模型

3.2 仿真结果

图8所示为高低压线束间耦合感应磁场分布示例，通过颜色坐标显示磁场强度大小。此时的高压端干扰源按标准单位强度处理，可通过不同布线间距的磁场强度大小做简单的对比分析。

图8 耦合感应磁场分布示例

更直接的结果是查看低压线束端感应电流大小，通过不同布线间距进行对比分析，如图9所示。可以看出总体结论是：间距调整，谐振频点基本一致；间距越大，耦合感应电流越小；间距达到50mm左右后，耦合的感应电流大小再无明显的下降趋势。

图9 感应电流大小对比

3.3 仿真分析建议

基于仿真结果分析，在关心的频段200MHz以下范围内，布线间距控制在50mm以上后，高低压耦合EMC风险基本可控。因此，通过仿真的手段进行分析，新能源车高低压线束布线间距建议控制在50mm以上。

4.  测试分析

4.1 测试布置

采用近场环形探头在整车高压系统附近测量磁场强度，环天线在驱动电机逆变器DC高压线附近测量的布置示意如图10所示，高压线束为屏蔽线束。

图10 测试布置示意

4.2 测试结果

首先在整车各种工况和车内高压系统的各个位置进行测量，找寻最大发射量，测试下来总体趋势是频率越低干扰越大，最大干扰量约在25Hz附近可达到约290mA/m，如图11所示。如果低压线束靠近布置，会存在明显的高低压耦合风险。

图11 最大发射量测试结果

接着在同一测量位置，环天线不同距离进行测试结果对比，分析随着距离增大，磁场强度的衰减程度，测试结果如图12所示。12-1为频段20Hz-200kHz的对比结果，12-2为频段10kHz-100kHz的展开对比结果。

图12 不同间距测试结果对比

4.3 测试分析建议

基于测试结果分析，总体趋势：随着测量间距逐步增大，测量得到的电磁场强度越低，频率越低差别越大。在测试距离达到35mm左右以上，电磁场强度基本再无明显衰减。因此，通过测试的手段进行分析，新能源车高低压线束布线间距建议控制在35mm以上。

5.  结论与建议

针对新能源车高低压线束布线问题，如果能够控制足够大的布线间距，高低压耦合带来的EMC风险基本可控。但是如果由于工程实施各种原因需要不断压缩高低压线束间的布线间距，此时需要评估由此带来的EMC风险。

通过以上理论、标准、仿真、测试四方面的量化分析：理论分析建议控制在20mm以上；标准分析建议控制在70mm以上；仿真分析建议控制在50mm以上；测试分析建议控制在35mm以上。因此，综合评估下，在整车上工程实施高低压线束布线时，为了避免高低压耦合带来的EMC风险，布线间距建议至少能够控制在40mm以上。

参考文献

[1] MIL-STD-461F, REQUIREMENTS FOR THE CONTROL OF ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE CHARACTERISTICS OF SUBSYSTEMS AND EQUIPMENT, 2007.

[2] ISO 11452-8, Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy. Part 8: Immunity to magnetic fields, 2007.

作者：王洪武

上海汽车集团股份有限公司技术中心

*本论文来自 2021 Altair 技术大会论文投稿

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