电动汽车高压连接器和线束EMC叙述

2020年11月5日 评论 506 5006字

高压系统的EMC是一个系统的工程, 目前我们国内高压连接器厂家对于EMC的测试重视程度还是不够,但是随着整车的电压平台越来越高,智能化程度也越来越高,对于器件的屏蔽要求也会越来越苛刻。本文就电动汽车高压连接器和线束EMC叙述。

”电位均衡“概念

电动汽车相比传统的燃油车最大的区别是,电动汽车是电力组件驱动的,而我们都知道电力组件2大核心就是电池和电机,而如果需要驱动更高的功率电机来实现续航等需求时,就需要高压总线中有更高的电压,LV123和国标GB18384.3都对此做了定义。查看线束课程

这个地方需要知道一个概念就是,高压系统和传统的12V系统是不同的,高压系统相对是绝缘的,高压总线也是独立的,这个不像低压供电系统那样将车身用作返回导体;高压系统里所说的”接地“不是真的让你拖个大铁链子和大地相连,(拖个大铁链子的车那是为了放掉车上的静电,而且一般是那种容易爆炸的特种车辆,毕竟一个小火花就能很多人嗝屁;)而是指的是”虚拟的地" 你可以把车身底盘刚结构件理解为那个“大地”,而设备外壳都和这个底盘结构件相连接,这样保证电压差近乎等于0,这就是电位均衡的概念,其实也就是没有电压降,大家电压相同,如果没有压差,那么就是安全的,真正搞死人的是电压,不是电流;另外这个地方需要记住一个数值,小于 0.1Ω;裸露的可导电外壳之间 的电阻要小于 0.1Ω;这个在LV123里也有要求的;

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写到这,很多朋友开始会疑惑,这和高压连接和电缆的屏蔽有什么关系呢? 上面写了高压接地概念,其实这个高压系统接地还有一个特别重要的作用,没错,就是屏蔽,所以这个地方接地接的靠不靠谱对屏蔽的影响就很关键了,这个在后面我们再叙;

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电磁干扰 EMI(electromagnetic interference)

回到开头的内容,电力组件2大核心就是电池和电机,这2个核心肩负着车辆的电源、充电;如果需要车跑起来,还得必须有器件驱动电池的电到电机以及其它需要用电的部件,这个地方就需要逆变器或者转换器,把直流变交流,把高压转低压等,亦或者把交流转直流给电池充电,就是需要驱动系统;

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而在IGBT反复牵引逆变器开关工作时就会产生率范围为100.0kHz至200.0MHz电磁干扰,而且随着目前整车电压平台越来越高,这种干扰就会越发的严重,而一般这种干扰主要以共模电流的形式沿高压电缆和底盘传播,来自这些高压电缆的电磁干扰噪声信号可能导致LV电子设备、MCU、车载通 信网络(LIN、CAN、Flexray、MOST等)、AM无线电等故障;

总结一下,会产生电磁干扰的主要是逆变等电源转换器件或者开关器件,以及连接器的线路;

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怎么抑制或者消除这种干扰呢?

目前一般有三种办法:接地、屏蔽和滤波

第一个就是接地,接地上面我提及了一部分,所以你看接地是非常重要的,如我上面所说的,理想的接地层是零电位,零阻抗的主体,可以用作关联电路中所有信号的参考,并且可以将任何不希望有的电流传递到其上,比如感应电流等,以消除其影响。多点接地可最大程度减少接地引线的长度。接地层可以是整个系统中携带的接地线,也可以是大型导电体;相关接地的要求网上很多,感兴趣的朋友可以整理一下,比如接地要是金属和金属之间,比如你有涂层就会有影响,接线线路和点要能承受瞬间的大的故障电流,以及要有防触电保护等等,感兴趣的朋友可以自己网上搜点资料看看;一般电动汽车的高压设备都是要接地的;比如电池包、多合一、电机等;

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另外一个是滤波,电气滤波器是由集成或分布的恒定电阻器,电感器和电容器组成的网络,该网络对某些频率的抵抗力相对较小,而阻止了其他频率的通过。滤波器用于显着降低传导干扰的水平,滤波一般是比较细的层面了,主要是在电路板上做调整,比如调整电容或者电感等,这个地方不展开说了,感兴趣的朋友可以自己去了解一下,这个地方要强调的是滤波做的好不好也是体现一个电子工程师水准如何的地方;

还有屏蔽,刚才上面说了高压电缆组件(包含高压电缆、盒子、和高压连接器)的电磁干扰的危害,从成本和可靠性来说,对于其,我们一般采用的是屏蔽的这种方式;

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其实上面了写了那么多,算是科普,这样也帮助一些没有电子学基础的朋友更好的理解下面的内容;

屏蔽的目的是将辐射能限制在特定区域或防止辐射能进入特定区域。屏蔽层可以采用铜或者铝薄板以盒子的形式,也可以采用编织镀锡铜来隔绝电缆导体和外部,不受外部的影响同时,也不把内部的噪声传递出去;

连接器和电缆外部连接屏蔽方式大致可以分为3种类型,一种是单芯屏蔽,每根电缆都会屏蔽,和连接器屏蔽罩相连的部位在其密封范围内,这种方式收到欧洲的OEM普遍的欢迎,也是目前我们国内的主要连接方式;另外一种是整体屏蔽,利用屏蔽金属编制等直接包裹电缆, 最后一种是单芯单股屏蔽的方式,这种方式一般在和连接器相连接的地方防护较差;具体日本和欧洲的思路还是有不同的。

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而高压电缆、连接器、板端、设备 之间的连接需要一个完整的屏蔽系统传递,这就要求每个点的连接器都必须可靠,对于连接器内部的屏蔽连接方式,一会采用以下3种方式居多。

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而对于连接器屏蔽的测试要求是什么样的呢?

我们以2个标准为参考简单的说一下,一个是我们国标针对电动汽车高压大电流连接器和线束的要求,GB/T37133,这个也是国内目前针对高压连接器的官方标准;另外一个是由欧洲的OEM AK工作组起草的LV215的高压连接标准;

我们先看LV215里面是怎么规定高压连接器的屏蔽要求的,有几个要求:

  • 屏蔽接触电阻要求
  • 屏蔽转移阻抗的要求
  • 屏蔽电流的要求

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屏蔽接触电阻和屏蔽电流的要求都比较明确,而且这个值是越小越好,当然也越来越严格,另外之前有很多朋友问过我,说这个连接器的屏蔽环有些是压接屏蔽层的,这个拉脱力是多少,如果我记得没错的话,这个应该是不低于屏蔽罩插入力的5倍,这个地方因为设计方案有所不同,所以还是有一定的差异性的,具体可以和OEM商讨沟通决定;

LV215里面还提到一个测试要求:转移阻抗,在聊这个转移阻抗之间,我们首先得搞清楚怎么评估屏蔽的好坏

那对于高压组件(连接器和线)怎么评估它的屏蔽好坏呢?

评估屏蔽的好坏,一般有间接的办法和直接的办法,这个地方有2个重要的技术性能:

Shielding Effectiveness 屏蔽效能

Transfer Impedance 转移阻抗

这2个性能很重要,我们先说第一个,屏蔽效能(下面都简称SE), 什么是屏蔽效能呢?

模拟干扰源置于屏蔽体外时,屏蔽体安放前后的电场强度、磁场强度或功率比值就是屏蔽性能,我们看国标对于高压连接器和高压线束的屏蔽测试,把屏蔽效能分成了3个等级,它的单位是dB;

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这也是国内目前正式的国标对高压连接系统的屏蔽要求,就是我上面说到的GB/T37133,如果在选择高压连接器,可以要求连接器厂家按照此标准的要求测试并提供相应的测试报告;

其测试办法大致如下:

大致说一下它的原理吧,这是一种“电流探针法”,这个测试办法是根据国标规范 CISPR25,为了防止外部电磁干扰,整个测量系统被放置在屏蔽室内(暗室),应用了两种探头来屏蔽辐射的噪声;此测量是在铜板上进行的,目的是获得整个测量系统的公共稳定接地。

当输入信号来自频谱分析仪时,电流探针会穿透屏蔽层的辐射噪声,通过连接盒将样品传递到样品的内部导体上。该方法的测量参数为输入信号与输出信号的功率比,测量值(dB)= <电流探头的输出功率> /<样品的输入功率>,然后将屏蔽性能计算为屏蔽样品与非屏蔽样品之间的差。使用该测试系统,可以通过应用特定的适配器以匹配连接器的接口来测量各种类型的样本。"探针法“很受日系一些混动车企的欢迎,也被大量的采用;因为电缆都是同轴的结构,所以SE是很容易的被建模和计算的,所以这也是一种比较普遍的测试办法;下面是国标的内容。

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屏蔽性能除了屏蔽效能以外,还有一种”直接的办法“那就是测转移阻抗;这就是我们上面LV215里面提到的要求;

什么是转移阻抗(ZT)呢?电缆屏蔽体的转移阻抗为屏蔽体外表面上单位长度的纵向感应电压V和屏蔽体表面上通过的电流I之比。

这句话还是蛮拗口的,但是很重要的一个意思,因为精确测量电缆屏蔽体内部的磁场强度有困难,而线路任一端测得的电压又决定于线路端点的端接方式、线路端点的阻抗失配程度及线路阻抗,要用屏蔽前后的磁场强度比或用无屏蔽及有屏蔽时的感应电压比来定义屏蔽效能很不方便。所以通常采用电缆屏蔽体的转移阻抗来表达屏蔽效能;ZT的值越小,意味着屏蔽上的感应电压也越小,这意味着在避免EM I干扰噪声方面屏蔽效果更好,反之亦然。换句说,ZT越小,屏蔽越好;所以我们看见LV的标准要求也越来越高,同样针对UVW这些直接和逆变相连的地方要求就越高,值要求的就越小,当然UVW和逆变的线是越短也越好,因为这个地方EMI比较严重;

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回到转移阻抗,目前测量转移阻抗主要有2个办法,一个线注入法(LIM)和三同轴法

线注入法测试方法原理:(抑制外部干扰)

如果从抑制外界干扰,保证信号质量的角度来讲,可以在外部回路施加激励电流以模拟干扰场,测量此时内部回路(受干扰回路)的电压就可以获得标志屏蔽效果的转移阻抗,如下图所示这样;但是对于非对称电缆和连接器,DUT 上注入线的不同位置就会给出不同的 ZT 结果,因此需要重复测量(至少需要 3 个不同的位置),这限制了准确性,而且非常耗时;

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三同轴法就是按照这种原理来设计:(防止内部信号泄露)

如果从防止信号泄漏,减少电磁污染的角度来讲,可以在内部回路施加激励电流以模拟干扰场,测量此时外部回路(受干扰回路)的电压就可以获得标志屏蔽电缆屏蔽特性的转移阻抗。三同轴法就是按照这种原理来设计的测试方法,同样因为高压 电缆和 高压连接器的尺寸不对称且可变,这就需要不同尺寸和结构的三轴管和三轴单元,这就使得测试非常的昂贵;

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当然上述2种办法不是特别的灵活,而且测试成本昂贵,多特蒙德大学,研究了2种新的替代测试办法,接地板方法(GPM)和电容电压探针(CVP)方法, 按照其描述,这2种测试办法可以弥补线注入和三同轴法对连接器对称要求,且不能反复利用等问题;感兴趣的朋友可以找我索要资料;

接地板方法(GPM)

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电容电压探针(CVP)方法

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总结

因为高压系统的EMC是一个系统的工程,作为这个其中一点的高压连接器,往往并没有通过一些测试“来证明”自身的屏蔽可靠性,目前我们国内高压连接器厂家对于EMC的测试重视程度还是不够,但是随着整车的电压平台越来越高,智能化程度也越来越高,对于器件的屏蔽要求也会越来越苛刻,但是目前国内连接器厂家有完整的测试报告或者测试设备及相关经验的厂家不是很多,电缆倒是比较成熟了,但是对于电缆屏蔽层结构对EMI影响的研究内容也不多,外资品牌里以罗僧伯格、安波福、TE、Amphneol等代表的厂家都有完整的测试经验和相关测试报告;

以上文章内容部分资料来自网络,仅作为学术交流等非商务领域使用,如有任何不妥,请联系本人修改;未经本人同意,不得进行转载;转载的部分文章如下:

《Comparative Study of Transfer Impedance (ZT) Measurement Methods and Simulationmodels to Analyze Shielding Behaviour of High Voltage Cables in Electric Vehicles》-M.Sc. Abid Mushtaq, Dipl.-Wirt.-Ing. Katharina Hermes, Prof. Dr. -Ing. Stephan Frei

《Shielding Performance of High-Voltage Wiring Harnesses -Comparison between European and Japanese Technologies》-Ole ADAM*,HiroyukiKODAMA,Yoshio MIZUTANI and Hirokazu KOSEKI

《屏蔽电缆表面转移阻抗的传输线分析》-沈远茂 石丹 汪柳平 高攸纲

GB/T37133-2018《电动汽车高压大电流线束和连接器技术要求》

VW 80304《Electrical/Electronic Requirements for HV Contacts》

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