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新能源实验室电磁兼容设计优化方案论述

news 来源：原创 2025/7/13 9:31:20

摘要：本文旨在进行新能源核心部件/系统测试实验室电磁兼容情况设计及优化方案进行论述，通过系统化梳理实验室的主流设备仪器，试验搭建典型方案。识别不同设备的电磁兼容现状，实验室基于设备布局常见设计方案不足点，故障表现及优化整改方案进行系统化论述。旨在提升设备集成能力，优化多设备协同测试效率，并通过整改方案减少电磁干扰引发的故障，实验室的通信错误帧率降低23.5%，设备故障率减少18%。通过本文的实践，有助于提升测试方案电磁兼容整改。研究形成一套适用于新能源实验室电磁兼容设计优化方法，为新能源动力总成、电池及热管理实验室等的电磁兼容设计提供了可推广的解决方案。

关键词：新能源汽车测试;电磁兼容优化;三电测试;实验室设计

Optimization of Electromagnetic Compatibility Design in New Energy Laboratories

Abstract:This paper aims to discuss the electromagnetic compatibility (EMC) design and optimization of new energy core component/system testing laboratories. By systematically organizing mainstream laboratory equipment and instruments, typical test setups were established. The current EMC status of different devices was identified, with systematic analysis conducted on common shortcomings in laboratory equipment layout design, failure manifestations, and optimized rectification solutions. The research objectives focus on enhancing equipment integration capabilities, optimizing multi-device collaborative testing efficiency, and reducing electromagnetic interference-induced failures. Implementation results show a 23.5% reduction in communication error frame rate and an 18% decrease in equipment failure rate. This practice contributes to improving EMC optimization in testing solutions, ultimately forming a standardized EMC design optimization methodology applicable to new energy laboratories. The research outcomes provide scalable solutions for EMC design in new energy powertrain, battery, and thermal management laboratories, offering valuable references for automotive R&D engineers in practical laboratory construction and electromagnetic compatibility optimization.

Keywords：New Energy Vehicle Testing; EMC Optimization; Three-Electric System Testing;Laboratory Design

引言

新能源商用车的核心部件包括整车控制系统、电机及控制器系统、动力电池系统等，其测试环境因多设备协同、高功率电力电子器件密集等因素，易产生复杂的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）。

近年来，车辆电器系统及电磁环境日趋复杂，随着新能源汽车测试标准（如GB/T 36282-2023）的完善，电磁兼容（Electromagnetic Compatibility,EMC）设计成为实验室可靠性的关键挑战。针对零部件台架试验，控制器的休眠状态的静态电流抗干扰测试亦无相关行业标准进行规定[1]，进行电机驱动系统EMC干扰来源及传播路径的分析及在电机驱动系统设计中针对EMC问题处理方法[2]，分析了电动车辆辐射发射受电驱动系统影响的方式，研究了不同行驶工况下整车辐射发射特性[3]，对通信车辆系统的电磁干扰要素进行了充分的分析[4]。目前实验室电磁兼容未形成正向开发流程及标准，以测试优化为主，缺乏设计端的电磁兼容性能导入，现有研究多集中于车端或单一设备的EMC优化，对多设备集成测试环境下的干扰耦合机制与系统性整改方案缺乏深入探讨。

此外，实际施工过程中，实验室布局不合理、线束设计不规范等多种因素影响，导致通信丢包、数据失真等故障，严重影响测试效率。

本文基于某新能源动力总成实验室的实际案例，系统分析高低压设备共存场景下的EMC干扰源与传播路径，提出综合性的设计优化方案。通过引用标准化设计准则（ISO 11452.2-2019）并结合工程实践，解决了现有实验室布局与线束设计的典型缺陷。本研究不仅为多设备协同测试的EMC设计提供了可复用的技术路径，还可推广至整车转毂、电池热管理等测试场景，具有显著的工程应用价值。

1 实验室现状

我公司主要围绕动力电池、电机及控制器、热管理系统进行零部件及各种组合进行测试及优化，以新能源动力总成实验室为例，包含操作间、设备间共计96.59㎡，整体空间较小，设备包含两台电机测功机、一台电池模拟器、两套电机及控制器被试设备（Device Under Test,DUT），两个配电柜及数采、功率分析仪、电容柜等辅助设备，还包含六个办公工位。其中高低压线束从槽沟走线，经常出现屏幕花屏黑屏、数据丢失、失控失速、测试数据有偏差及设备损坏等问题，图1-图3为故障表现展示。

图1 屏蔽层接地失效现象（负载380VAC 0-230A）

图2 CAN总线成功率低（波特率500kbps，采样点87.5%）

图3 设备通讯掉线

2 电磁兼容原理及设计优化方案

2.1 原理说明

实验室涉及380VAC工业用电、多个IGBT开关电源、逆变器、多个整流模块、永磁同步电机、励磁交流电机、可编程直流电源等高压模块或设备；涉及PLC系统、嵌入式控制板、CAN总线分析仪、数据采集系统、扭矩转速传感器等低压信号设备；涉及功率分析仪、绝缘电阻测试仪等高压测试设备；采用的是控制器局域网（Controller Area Network，CAN）、局域网（Local Area Network,LAN）、串行接口（Serial Port，SP）、通用串行总线（Universal Serial Bus,USB）等通讯技术。

GB/T 18655-2018《车辆、船和内燃机无线电干扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法》是零部件厂商应用最为广泛的EMC标准之一。适用于电动汽车电机驱动系统EMC标准GB/T 36282-2023《电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法》，是电机驱动系统较为全面的EMC标准，但试验设备与试件设备（DUT）集成到一块，情况比较复杂，且不具备测试测量EMC条件。

2.2 干扰来源

电机驱动系统的逆变器部分包含动力电转换单元及低压转换电源，分别会产生不同频次及幅值的干扰信号，是电机驱动系统主要的干扰信号来源。

设备中各类电源转换电路及晶振电路也是干扰产生的源头，GB/T 36282-2023标准中的窄带测试便是主要针对这一部分。由于功率密度限制，低压电源转换电路多数均使用开关电源，典型的有 Flyback、Buck等电路，经落实适配的外部有源晶振集中于20MHz附近，也属于传导干扰及辐射干扰监测的频率范围。

除以上电路外，控制器调制方式引起的电机等效中性点对地的共模电压，也是固有的干扰来源。

2.3 传播路径

传导干扰：通过导电网络，分为差模信号和共模信号，功率开关过程及低压电源转换电路产生的干扰同时包含差模和共模，而调制方式导致的电机中性点电压跳变，主要是共模信号，通过高压电路、低压电路线束对通讯总线的干扰是主要影响因素；

辐射干扰：通过空间传播的电磁波形式，使干扰源与受扰体之间形成耦合。在实验室中高压转换器件及壳体、高压线束是主要电磁干扰源；

感应场：当场源为高电压小电流时，主要表现为电场；当场源为低电压大电流时，主要表现为磁场。实验室环境比较复杂，存在多种电场和磁场的相互转换问题，实际测试比较复杂。

这些传播路径共同构成了电磁干扰从源头到接收端的整个传播过程。

2.4 设计优化方案

经排查发现不合理点：

(1)高压（380VAC，350-750VDC）与低压（24VDC、数据采集、通讯）线束存在共用桥架情况，且走线混乱，存在线束过长成卷堆放情况；

(2)通迅线束为非标产品，CAN总线使用非屏蔽双绞线，且绞数20twists/m，辐射干扰导致CAN通讯问题。规格不符合应用场景，绞线密度与屏蔽层完整性是提升CAN抗扰度的核心因素；视频线采用的是基础等级（Class C），剥开后无屏蔽层；LAN线采用的为单层屏蔽双绞线（FTP/STP），抗干扰（Class F）但是连接器为非标准压接，无屏蔽层接地处理。

(3)仅配电柜单点接地，接地阻抗实测为3.5-3.8Ω（标准要求≤1Ω），不同设备壳体电位差异明显，多处未进行接地处理，且存在浮地情况；

(4)现场限制，设备布局过于紧凑，且未进行布局分类，受限于实验室空间约束；

基于干扰传播路径分析，结合现场实施可行性进行如下整改，相关展示见表1、图4：

(1)高低压走线，依据IEC 61000-5-2:2021，高压（380VAC）与低压（24VDC）线束间距≥1.5m，交叉走线角度≥90°，减少共模干扰耦合，线束裁剪至合适长度，减少容性、感性干扰，线束长度与容性干扰呈正相关。

(2)CAN、SP、LAN、视频线等通讯线采用高规格线束总成。

CAN总线、SP线采用铝箔+铜编织屏蔽线（绞数≥80 twists/m），屏蔽层在DUT端与接地点接地，重点通讯线增加编织网或包裹锡纸处理（ISO 11898-2：规定CAN总线物理层特性，推荐绞数≥33/m，屏蔽层需满足抗干扰要求）；

视频线采用增强等级（Class A）双层屏蔽（铝箔 + 高密度铜编织）+ 双绞线内部结构。抑制高频干扰（≤1GHz），抗串扰能力≥40dB；

LAN线采用工业级屏蔽双绞线（PiMF），RJ45接头屏蔽层与设备机壳可靠导通接地；

(3)高低压桥架采用镀锌铜编织导线接地处理。高低压线束屏蔽层分开接地处理；所有设备壳体均做接地处理；增加两个接地点分别用于高压、低压接地点。接地点采用镀锌钢管浇盐水处理，经测试接地阻抗实测为0.5-0.8Ω（配电系统用户侧≤4Ω（GB/T 50065要求；工业控制设备≤1 Ω（IEC 61000-5-2要求））。

(4)设备合理化布局，考虑高低压线束、通讯线束、采集线束布线、将高干扰设备（逆变器）与敏感设备（数采系统）间距扩大至2m，符合ISO 11452-2:2019要求，实测磁场干扰降低40%。

表1 EMC接地系统分区规划

设备分区	设备类型	接地策略
高频噪声源	变频器、伺服驱动器、开关电源等	独立铜排接地（厚度≥2mm），就近多点接地点1；屏蔽层，桥架双点接地点1
敏感设备	PLC类、传感器类、通信类、工控机等	通过隔离变压器/滤波器单点接地点2，屏蔽层接地2、双绞加强
混合设备	电机与控制器共存等	检查磁环或共模扼流圈，就近单点接地点3

图4 布置展示（虚线低压，实线高压）

图5 测试设备Keysight N9020B Keysight N9912C

通信稳定性测试：使用USBCANFD-200U总线分析仪记录CAN总线错误帧率，采样周期为1小时；LAN通信通过Wireshark抓包分析丢包率，视频信号误码率采用Tektronix视频分析仪（型号VX1100）实时监测。

3.2 实验步骤

1.整改前基线测试：记录原始工况下的传导干扰幅值、辐射场强及通信错误率，重复测试3次取平均值。

2.分阶段实施整改：依次执行线束隔离、屏蔽层接地优化、设备布局调整等措施，研究表明高干扰设备与敏感设备的间距优化可显著降低磁场耦合。每阶段完成后复测关键参数。

3.整改后对比分析：结合频谱数据与通信日志，量化干扰抑制效果。

3.3 结果分析与讨论

整改后，传导共模干扰幅值由35dBμV降至20dBμV（降幅42.8%），差模干扰降低12dBμV。

通信稳定性方面，CAN错误帧率从26.74%降至3.2%，LAN丢包率由18%降至1.5%，主要归因于屏蔽层接地优化与绞线密度提升。值得注意的是，视频信号误码率降低至0.01%，但仍存在偶发脉冲干扰，可能与逆变器瞬态开关噪声有关，需进一步优化电源滤波设计。

图6 测试过程数据展示

4 结论

针对实验室设计，未形成电磁兼容正向开发流程及标准，以测试优化为主，现场测试并不断调整形成的方法很有实践意义。本文基于新能源动力总成实验室进行电磁兼容设方案进行原理论述、实际优化整改、整改效果验证的思路进行探索，提出高低压分离交叉走线法、识别提升视频线规格、信号线铝箔+铜编织屏蔽线（绞数≥80 twists/m）综合解决方案、PiMF/接插件屏蔽/机壳接地综合处理法等若干在新能源动力总成实验室针对电磁干扰问题应注意的设计要点，通过频谱分析仪实测，整改后共模干扰幅值降低35%，验证了设计要点的有效性。实验室测试涉及多变量耦合与复杂电磁环境。在实际工程应用中，可进行适应性调整优化。

本方案已用于新能源动力总成实验室电磁兼容排查优化方案，干扰减少30%，故障减少20%；以上原理结合实际实施验证，可扩展至新能源整车转毂实验室、动力电池实验室、热管理系统实验室等测试场景。

参考文献

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