1.2 新能源汽车电磁兼容性问题

与传统内燃机车辆不同，电动汽车应用了大量的高压部件，例如驱动电机、电机逆变器（DC-AC Inverter）、直流-直流变换器（DC-DC Converter）、车载充电机（AC-DC Converter）、动力电池等。此外，电动汽车还应用了电池管理系统（BMS）、车辆控制单元（VCU）、Telematics BOX（TBOX）等低压电气部件。因此，电动汽车的电磁环境变得更加复杂，电磁兼容性（EMC）变得越来越重要。为了保护车内外接收机免受电动汽车无线电干扰，国际标准SAE J551-5、CISPR 12—2009、中国标准GB/T 18387—2017和CISPR 25—2016Rd对电动汽车整车和高低压零部件的电磁发射提出了限值要求。电磁兼容性成为电动汽车关键技术。国际标准CISPR 25—2016Rd和中国标准GB/T 18655—2018对电动车辆的高低压零部件在150kHz～108MHz频段的传导电磁发射和150kHz～2.5GHz频段辐射发射提出了限值要求和测量方法。ISO 7637-4《道路车辆由传导和耦合引起的电磁骚扰第4部分：沿屏蔽电压电源线的电瞬态传导》对新能源乘用车和商用车上车载电驱动系统及高压零部件的电瞬态传导进行了测试评估。

1.2.1 电机驱动系统EMC问题

电机驱动系统是新能源汽车的关键部件，采用功率半导体器件（如IGBT等）进行脉冲宽度调制（PWM）控制，以实现对电机控制器输出电压的调节。功率半导体器件的快速通断产生较高的电流变化率d i /d t 和电压变化率d u /d t ，会产生不期望的电磁噪声，不仅会影响车内外无线电接收设备，也会通过高压电源线影响其他车载高低压部件。此外，电机驱动系统产生的这种电磁噪声，不仅会使自身设备不能满足EMC标准限值要求，还会导致整车不能满足EMC标准限值要求。

为了抑制这种电机控制器功率半导体器件通断带来的电磁干扰（EMI），主要有PWM控制策略优化、系统结构优化、安装EMI滤波器三种方法。PWM控制策略优化方法较多用于减小共模干扰。系统结构优化方法通常采用逆变器拓扑结构和电机定子绕组结构优化方法，来减小共模干扰。另外，这种方法需要重新进行系统设计，周期较长、难度较大。安装EMI滤波器是抑制电机控制器电源EMI的有效方法，电源EMI滤波器包括有源滤波器、无源滤波器和混合滤波器。有源滤波器和混合滤波器结构复杂，其电子控制单元和信号采集单元的特性会降低高频EMI抑制效果，对环境适用性也要求较高。无源滤波器是抑制电源EMI最常用的且便于工程实现的方法。无源滤波器一般由差模电感、差模电容、共模扼流圈和共模电容、共模变压器等构成各种拓扑结构，实现对电源共模和差模传导骚扰的有效抑制。新能源汽车电机控制器EMI滤波器与工业用电机控制器EMI滤波器有以下不同：

1）供电系统是高压直流电，输入直流电压范围为200～900V。

2）高压直流电源线的电流较大，通常为几百安培。

3）根据EMC标准限值要求，传导电磁干扰抑制频率范围是150kHz～108MHz，而其他应用领域的传导EMI抑制的频率低于30MHz。

4）负载动态变化。

（1）电驱动系统电磁干扰

功率器件（例如IGBT）的快速通断是电驱动系统电磁干扰的主要原因。电磁干扰源通过电磁耦合传输路径形成差模干扰和共模干扰，由于系统结构以及电气与机械特性要求不同，目前工业用电机驱动系统电磁干扰的形成机理在电动汽车上的应用具有很大的局限性。

目前，国内外电动汽车电磁发射测试主要是根据标准GB/T 18387—2017和SAE J551-5—2012测试150kHz～30MHz整车的电磁场发射强度，为了保护车载接收机免受电驱动系统高压零部件的干扰，通过测试动力直流母线的传导电压、传导电流和辐射电磁场强度，来描述电磁干扰的特性。目前，国内多家电动汽车零部件供应商和整机厂对电机驱动系统及整车进行了带载传导发射和辐射发射摸底试验，没有经过EMC设计的产品很难满足标准限值要求，阻碍了新能源汽车上公告。经过EMI抑制的电机控制器再次测试仍存在超标现象，如图1-1所示。

电动汽车电机驱动系统的电磁干扰测试分为传导骚扰测试和辐射骚扰测试。由线路阻抗稳定网络（LISN）和电流钳测试得到的传导骚扰是共模干扰和差模干扰的混合结果，而由天线测试得到的辐射骚扰是电磁场矢量叠加形成的总和。通过传导和辐射骚扰测试对共模干扰和差模干扰形成的机理只能进行一些定性分析，但不能涵盖电动汽车多工况动态运行时的电磁干扰的特征现象，也不能分析系统部件以及电机控制器内部元件对电磁干扰的影响，因此具有很大的局限性。

但通过对电磁干扰源与电磁干扰路径建模仿真的方式，可以涵盖电动汽车多工况动态运行时电机驱动系统电磁干扰的各种状态，因此基于建模仿真的电磁干扰的预测和抑制方法的相关研究也越来越必要，电磁干扰建模仿真已成为进行电磁干扰机理分析和预测的重要技术途径。

（2）电机驱动系统电磁干扰发射建模仿真

国内外很多学者对共模干扰和差模干扰进行了建模仿真研究。共模干扰建模仿真主要围绕逆变器的散热器对地分布电容、线缆对地分布电容、电机绕组对机壳的分布电容对共模干扰的影响进行相关研究。差模干扰建模仿真主要围绕电驱动系统寄生参数对差模干扰的影响进行相关研究。电磁干扰发射仿真模型主要由电磁干扰源模型和传输电磁耦合路径模型两部分组成，其中传输电磁耦合路径的特性参数直接影响差模干扰路径和共模干扰路径，进而影响总的电磁干扰响应特性。

目前，研究系统各组成部分的电磁发射模型较多，但围绕整个电驱动的系统行为所进行的传导和辐射电磁干扰建模仿真研究较少。目前电机控制器三相脉宽调制（PWM）逆变器各个功率器件开关状态很多等效为理想干扰源，没有考虑功率器件的寄生参数和非线性工作特性对干扰源信号的影响。电驱动系统电磁发射仿真模型由动力电池仿真模型、直流和交流动力线缆仿真模型、电机仿真模型和功率逆变器（如IGBT模块、DC模块、散热器、机箱）仿真模型组成。动力电池仿真模型主要研究电池对车体的分布参数的影响，直流和交流动力线缆仿真模型多采用传输线理论进行建模，电机仿真模型多基于端口阻抗幅频特性构建高频等效电路模型。

对逆变器仿真模型而言，C. Jettanasen、B. Revol和J. Espina等人多采用二端口等效电路法和线性矩阵等效法分析和预测电磁干扰，但都没有考虑逆变器内部电路的寄生参数对电磁干扰的影响；J. Lai和Huang等人建立了逆变器内部高频等效电路模型，分析高频寄生参数对电磁干扰特性的影响，提出寄生参数的提取是建立高频电路模型的关键，但由于干扰源过于简化、参数提取不完整，这种电路模型只适用于低于10MHz的传导电磁干扰仿真。

因此，切实可用的逆变器仿真模型的合理建立和优化日益成为电动汽车电驱动系统电磁发射的核心问题，进而亟须解决。

（3）系统行为级仿真建模的优点及存在的问题

系统集总电路建模仿真中电路元器件的物理参数很难获取、电机控制器功率逆变电路比较复杂，致使集总电路时域仿真时间长、难以收敛，只能在低频预测传导发射且预测精度差。其中，频域仿真尽管相对时域仿真具有仿真快速、易收敛的优点，但由于模型简化和寄生参数提取困难，电磁干扰预测精度难以保证。

系统行为级仿真建模可以解决上述集总电路建模仿真中存在的问题，但目前研究者多采用基于戴维南和诺顿等效电路建立的系统二端口或三端口的等效电路的仿真建模方式，只能分析电机控制器直流端口或交流端口的电磁干扰，无法分析端口之间的干扰（如交流输出端口对直流输入端口的电磁干扰）。其中，Jettanasen提出了一种二端口等效电路仿真模型以预测系统总的电磁干扰，但由于电磁干扰源和逆变器模型过于简化，只适用于低于10MHz的仿真。

就逆变器的仿真建模而言，因其自身的复杂性，基于系统行为级仿真建模方式的逆变器的仿真建模是电驱动系统电磁发射仿真建模的难点。

（4）功率逆变器电磁发射的建模仿真

目前，通常把功率逆变器作为一个“黑匣子”进行电磁发射全波建模仿真。尽管电磁发射全波建模仿真方式仿真精度高，但由于仿真时间长、计算机占用内存高，不能对逆变器的非线性元件进行建模，所以不能在系统元件上进行电磁干扰溯源。

模型降阶（MOR）建模仿真方法是利用网络传输特性S参数建立等效电路，但因不能分析元件的物理特性而有很大的局限性。

为了分析逆变器内部元件对电磁干扰的影响因素，目前较为理想的建模仿真方式是采用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）等效电路建模方式对系统元件的寄生电路参数进行建模，建立系统元件几何尺寸和寄生电路参数的关系，分析共模电流和差模电流产生的机理就SPICE等效电路建模方式而言，目前系统中SPICE高频电路模型寄生参数的提取主要有多种方法。其中，3D有限元方法只适合对“黑匣子”系统提取参数，部分单元等效电路（PEEC）方法需要成百上千的电路元件等效成一个简单元件的电路，这两种方法不适合应用于逆变器复杂高频电路的建模仿真。时域反射仪（TDR）和传输线理论因提取参数精度不高而存在缺陷。M. Reuter提出的基于测量的逆变器建模方法将测量得到的散射参数等效为共模和差模阻抗，Su等人提出了一种基于三相交流电机共模阻抗和差模阻抗的测量的电磁干扰建模方法，但此类方法将逆变器作为一个“黑匣子”，没有对逆变器内部元件寄生电路的寄生参数进行提参。

（5）逆变器系统电磁干扰抑制方法

三相PWM逆变器电磁干扰抑制方法包括软开关技术、优化PWM控制算法及在动力输入和输出线缆上加装滤波器的方法。由于软开关技术、优化PWM控制算法的EMI抑制效果有限，所以滤波技术是电机逆变器电磁干扰抑制的常用方法。

在产品研发后期，通常采用全波建模方法进行电磁干扰抑制的滤波设计。全波建模方法将逆变器等效为一个“黑匣子”，不知道逆变器内部的干扰源和传播路径，只能在逆变器外部和线缆上加滤波器和屏蔽，在逆变器外部切断干扰路径。在这种外加抑制电磁干扰的方法研究中，Akagi设计了电磁干扰滤波器，抑制了电机侧的共模电压、电机轴承对地的漏电流和逆变器对地的共模漏电流。但该种方法只对小功率工业电机30MHz以下的EMI抑制有效，没有考虑逆变器内部元件寄生参数的影响。S. Wang和H. Bishnoi等人设计了一种电磁干扰滤波器，抑制了逆变器的散热器和电机支架对车体的共模电流。X. Gong提出了一种EMI共模滤波器设计方法，用于抑制逆变器碳化硅场效应晶体管（SiC JFETs）产生的传导共模干扰和差模干扰。M. Reuter和D. Piazza等人提出了在逆变器与车体或电机与车体之间串入阻尼电阻，可以抑制串联谐振产生的共模电流。电动汽车电机驱动系统因高功率、大电流，设计的电磁干扰滤波器体积较大，占用车内有限的空间。为了有效地抑制电动汽车电机驱动系统电磁干扰，必须考虑逆变器寄生元件产生的谐振影响，在产品设计和开发初期，对逆变器内部电路进行电磁兼容优化和电磁干扰抑制设计。

然而，这种外加抑制电磁干扰的方法不仅会增加系统的体积和重量，还会产生新的电磁干扰，此外，因忽略了逆变器内部寄生元件产生的谐振影响，所以不能有效地抑制电磁干扰。以上研究方法通常只能对30MHz以下电磁干扰抑制有效，而电动汽车动力线缆会产生150kHz～110MHz传导发射，现有滤波器不能满足要求。基于SPICE建模方法，Natalia等人提出了一种测量与仿真结合逆变器电磁发射建模方法，建立了逆变器内部元件几何尺寸和寄生电路参数的关系，通过建立二端口网络的传输特性（S参数）和端口阻抗特性，分析引起谐振的原因，以确定产生谐振的逆变器内部寄生元件，提出了在逆变器内部直流端加 RC 滤波器、交流端加共模扼流圈抑制电磁干扰的思路。

本书重点描述：考虑功率半导体寄生参数的电机逆变器系统高频等效电路模型建立方法，来预测传导电磁干扰，为预测传导骚扰提供了仿真平台。基于建立的高频等效电路模型，预测高压电源线传导骚扰，并确定影响电磁干扰形成的主要元件参数。针对电动车辆高压直流供电电机驱动系统，提出高压端口宽频段传导骚扰抑制方法、一种基于谐振点传导发射抑制的滤波电路优化设计方法、采用磁环的高压直流电源线EMI滤波器设计方法和采用空心电感的高压直流电源EMI滤波器设计方法，降低了150kHz～108MHz频段的传导发射，以满足标准限值要求。通过建模仿真和试验结合的方法，预测在典型工况下的电机驱动系统EMI，获得EMI特性。

1.2.2 DC-DC变换器系统EMC问题

与传统内燃机车辆不同，电动汽车车载低压电源12V或24V由高低压DC-DC变换器提供。高低压DC-DC变换器作为电动汽车的关键零部件，把动力电池几百伏的高压直流电变换成低压直流电给车载低压蓄电池充电，同时给车载低压电气部件供电。高低压DC-DC变换器通常采用功率半导体器件（如IGBT、MOSFET等）实现脉冲宽度调制（PWM）控制，对输出低电压进行调节。功率半导体器件的快速通断产生较高的电流变化率d i /d t 和电压变化率d u /d t ，形成电磁干扰源，通过高低压DC-DC变换器内部元件和外部高低压线束的寄生参数传播，形成耦合路径，产生传导电磁干扰和辐射电磁干扰。不仅对车内外无线电接收设备产生干扰，也会通过传导耦合路径影响车载高压和低压部件正常工作，如电机控制器（DC-AC逆变器）、电池管理系统（BMS）、整车控制器（VCU）等，甚至影响整车安全性。

特别是，高低压DC-DC变换器产生的传导电磁干扰，不仅会引起自身设备的辐射发射超标，甚至致使整车辐射发射不能满足整车EMC标准限值要求。因此，高低压DC-DC传导电磁干扰的产生机理、预测和抑制方法对于电动车辆的电磁兼容性非常重要。为了最终确保电动车辆整车电磁兼容性，并使整车辐射发射满足标准要求，国际标准CISPR 25和中国标准GB/T 18655—2018对电动车辆高低压零部件在150kHz～108MHz频段的传导发射和150kHz～2.5GHz频段的辐射发射规定了限值要求和测量方法。通过大量测试结果可以发现，没有进行EMC设计的产品几乎不能满足标准限值等级3的要求。图1-2所示为高低压DC-DC变换器工作时测试的低压电源线的传导发射，可以看出传导骚扰电压不能满足等级1的要求。DC-DC变换器的电磁辐射会使整车辐射发射不能满足标准限值要求，如图1-3所示。

尽管工业应用的开关电源也采用了DC-DC变换器，许多学者只针对PCB板级的DC-DC变换芯片开展了电磁干扰分析和滤波器设计研究。然而，开关电源DC-DC变换器的拓扑结构、电压类型和等级、负载特性与电动车辆高低压DC-DC变换器不同，而且采用的EMC标准也不同。因此，当前开关电源EMI产生机理和抑制方法不适用于电动车辆高低压DC-DC变换器。

在电动汽车领域，大部分电磁干扰研究也都是针对低压电源PCB上的低压DC-DC变换电路进行的。这些文献基于双端口网络理论，分析了PCB寄生参数、开关技术和拓扑优化布局对DC-DC变换电路的电磁干扰产生的影响，但研究电动车辆的高低压DC-DC变换器的电磁干扰机理和抑制方法的较少。

目前，高低压DC-DC变换器EMC的主要研究内容集中在传导电磁干扰形成机理及其抑制方法。电动汽车高低压DC-DC电磁干扰的研究通常采用建模仿真和实验测量方法。顾龙等人针对电动汽车输入电压120～160V小功率车载隔离型全桥式DC-DC变换器干扰源和干扰耦合路径进行了研究，但没有充分考虑系统高频寄生参数对干扰耦合路径的影响；马羚媛和安宗裕等人考虑了开关器件、线缆、变压器等寄生参数的影响，建立了混合动力电动汽车小功率高低压DC-DC变换系统传导电磁干扰预测模型，对干扰耦合路径进行了定性分析。前期研究大多数都基于端口网络理论和黑箱理论，将变换器输入或者输出端口等效为电磁干扰源，分析干扰源与电磁噪声的关系，但没有分析内部电路寄生参数的影响。通常把理想梯形波信号等效为简化干扰源，没有考虑MOSFET等开关器件的寄生参数和动态特性的影响，不能反映真实干扰源信号特性。尽管一些学者研究了寄生参数如MOSFET引线电感和变压器的分布电容对共模干扰的影响，但没有对系统传导EMI进行解析分析。当前，DC-DC变换器传导电磁干扰高频等效电路没有充分考虑寄生参数的影响，不能预先确定引起干扰的关键元件和耦合路径，因此无法在产品设计初期指导DC-DC变换器内部电路EMC设计。

当前，电动汽车DC-DC变换器的传导EMI抑制通常采用工业经典滤波器设计方法，最高EMI抑制频率低于30MHz，缺乏电动汽车高压系统150kHz～108MHz滤波器设计理论和方法。当传导发射试验出现超标点时，通常在DC-DC变换器高压输入端口加装EMI滤波器，需要经过多次测试来优化滤波器拓扑结构才能满足要求。这种加装滤波器的方法只能在产品设计后期采用，费用高、周期长，不易于工程化实现。此外，对于EMI滤波器插入损耗的验证，通常采用离线测量法，没有将EMI滤波器加入实际DC-DC变换器系统进行带载运行，以验证滤波模块的实际有效插入损耗。

本书重点描述：考虑功率半导体寄生参数的零电压开关（ZVS）DC-DC变换器的高频等效电路建模方法，预测传导电磁干扰；利用建立的高频等效电路模型，建立关键频率点的共模干扰和差模干扰的传递函数，预测高压电源线传导电磁干扰和辐射电磁干扰，并确定影响电磁干扰形成的主要元件参数。一种有效的高压端口宽频段传导干扰抑制方法，降低150kHz～108MHz频段的电磁发射，以满足标准限值要求；一种基于谐振点传导发射抑制的PCB板级滤波电路设计方法，可以在控制器内部实现，体积小、成本低、高效，在产品不同研发阶段都可以实现。

1.2.3 无线充电系统EMC问题

无线充电原理是涉及无线能量传输（Wireless Power Transfer，WPT）的技术。电动汽车的无线充电技术发展至今，已有多种功能和用途。按照充电功率等级分类，见表1-1。按照充电时车辆的运动状态，可以划分为静态充电和动态充电，如图1-4所示。按照充电车辆的用途可以划分为长途充电、中途充电和短途充电，如图1-5所示。

WPT除了效率和功率需要满足需求外，电磁安全性和电磁兼容性也是需要关注的重要问题。长时间暴露在强磁场内严重危害人类的健康，也会影响附近的电子设备。此外，电磁噪声通过电源线会干扰车载其他设备，还会污染电网，影响办公场所、家庭等电网用电设备。因此，为提高电动汽车安全性和可靠性，必须重点关注电动汽车无线充电系统的两个方面：影响人体安全的电磁场（EMF）问题和影响电气设备安全的电磁干扰（EMI）问题，具体包括：

1）地面侧：谐波和传导电压对公用电网的影响。

2）地面和车身间：耦合器场泄漏对生物体的影响。

3）车载侧：系统电磁发射对车载部件的危害。

4）整车电磁辐射。

（1）无线充电系统国内外标准

国内外电动汽车WPT技术标准和法规定义了电磁场和电磁发射的相关测量方法和限值，对具备WPT功能的EV提出了更高的技术和安全要求，见表1-2。

（2）电磁场（EMF）安全

电动汽车无线充电系统涉及的EMF关注的问题是耦合线圈的低频电磁场发射（1Hz～400kHz）。尽管线圈间的场强随着与线圈距离的增加而减弱，但车身周围仍然可能出现不利于生物体健康的电磁场。随着无线传输功率的提高，人和动物处于暴露区域的电磁场也会随之增加，特别是在耦合线圈偏移等特殊情况下会产生高强度电磁场，而长时间暴露在高强度电磁场中会对人体敏感器官产生一定危害。

对于磁耦合谐振式无线充电系统，电磁场的研究主要集中在两个方面。

一方面是耦合线圈对齐工作时的磁场分布。当耦合线圈对齐时，Wang Q等人研究了耦合线圈周围的电磁场分布特性，比较了不同充电模式下磁场的分布情况，如恒流充电模式和恒压充电模式；对不同轮廓、不同空间布置结构的线圈和不同拓扑结构的补偿电路进行了研究，比较了传输效率和EMF的变化。Chen W等人提出了一种基于成本-效能等效方程的方法，比较了长方形、六角形和圆形三种不同线圈结构的传输效率和有效磁场面积。Cho Y提出了线圈水平绕线和垂直绕线对效率和电磁场分布的影响。有文献63、64对补偿电路的拓扑结构进行研究，讨论了不同结构下系统传输效率和抑制电磁场泄漏的优化问题。许多学者研究分析了耦合线圈的磁场分布特性，例如，Hikage仿真预测了耦合器产生的磁场分布，尤其对人体医疗植入物的影响和EMF抑制措施进行了研究。为了减少泄漏的磁场，提出了增加屏蔽壳、优化线圈结构和铁氧体布置方式、阻抗匹配以及磁场反向消除等方法。

另一方面是耦合线圈偏移时的磁场分布。在配备有无线充电系统的电动汽车充电过程中，由于不正确的停车位置会导致线圈横向偏移，由振动引起线圈侧倾。前期许多文献研究了不同偏移距离下的无线充电系统耦合线圈磁场分布和人体电磁场安全问题。有文献研究了18kW矩形线圈在75mm纵向偏移和120mm横向偏移下的电磁场分布，还描述了偏移下耦合线圈附近的人体模型的磁场分布。Tommaso Campi等人研究了7.7kW圆形耦合线圈在对齐和最大偏移量下的磁场分布。有文献分析了偏移量为100mm和200mm的22kW圆形线圈的磁场安全区域。Lei Zhao等人考虑了耦合线圈在三个方向上的偏移情况。文献68、69分析了耦合线圈对齐与偏移情况下的磁场分布。Santis V还分析了不同位置的电场和磁场分布以及对驾驶人的影响。有文献提出了基于新型紧耦合谐振方法的无线充电器，减小了一次线圈和二次线圈电流的谐波含量和线圈对间的磁场泄漏，从而提高了传输效率。还有一些研究者研究了双向无线能量传输，采用有源开关管代替不可控的二极管，通过PWM移相的控制方法驱动开关管，减小了谐波含量和振铃现象，提高了系统传输效率。基于人体高分辨率模型和车体模型，研究无线充电车辆周围磁场分布和人体电磁安全的评估。

大多数学者只关注偏移时耦合线圈互感和耦合系数的变化，并没有关注耦合线圈电流幅度和相位对磁场分布的影响。前期研究只关心偏移时功率或电磁场的变化，没有描述偏移时的功率变化与电磁场分布之间的关系。另外，在前期磁场分布研究中，缺乏详尽的测量方法，没有根据标准要求对车辆不同区域的磁场进行全面测量。

（3）无线充电系统电磁干扰（EMI）

无线充电系统工作时需要较高的谐振频率，功率开关器件的高速通断产生很高的电压变化率（d u /d t ）和电流变化率（d i /d t ），导致传导电磁干扰和辐射电磁干扰问题。电磁干扰不仅会影响车载有线敏感设备和车内外无线接收设备，还会通过连接公共电网的电源线，影响电网的供电品质。

无线充电系统传导电磁干扰研究主要包括建立传导电磁干扰预测模型和抑制方法。Hongseok Kim等韩国学者通过理论和实验获得了无线充电系统低次电流谐波和电压谐波的频谱分布。Heyuan Qi等人通过构建串联补偿结构系统电路模型，研究串联谐振无线充电系统传导电磁干扰。北京理工大学林立文针对3.7kW电动汽车无线充电系统，建立了传导高频等效电路，分析了共模干扰和差模干扰形成机理，分别设计了共模滤波器和差模滤波器，这种过渡设计方法尽管可以较好地抑制EMI，但是滤波元件较多，不仅增加了滤波器的体积、重量和成本，还会引起不期望的谐振。曹玉等人提出了一种基于传感函数方法的无线充电系统优先共模干扰抑制滤波器设计方法，这种滤波方法通常采用50Ω代替源阻抗和负载阻抗，没有考虑实际源阻抗和负载阻抗随着频率变化的情况，导致EMI抑制作用不理想或有新的谐振点产生。

无线充电系统辐射干扰源的抑制方法包括优化逆变器PCB布置规则、增加阻尼电路和优化PWM驱动脉冲等方法。Nguyen等人通过优化控制器PCB布置规则减小振铃环路，使寄生电感减小，以减小振铃幅度。有文献在PCB上采用 RC 阻尼电路，减小辐射电磁干扰噪声。这些方法仅适用于PCB小功率DC-DC变换器。在功率较大和电流较大时，会有产生一定的能量损耗。此外，加入阻尼元件会影响电路高频参数，引起额外的传导骚扰和辐射发射。H Kim等人提出一种可选择性谐波削减方法来减小WPT系统辐射发射，但未考虑系统总体效率和电池充电模式。韩国Sunkyu等人研究了WPT系统辐射发射通过传输线缆对输入A/D转换器（ADC）的影响。郑州大学余亚等人采用频率抖动法、混沌调制法和周期调制法，并将这三种扩频技术应用在无线充电系统上以抑制辐射EMI。湖北工业大学郑伟等人采用滤波器降低传导骚扰，从而抑制辐射骚扰。

本书通过建立双边LCC拓扑圆形耦合线圈无线充电系统模型，分析耦合装置功率和效率，以及抗偏移特性；然后，通过建模仿真和测量方法，描述耦合线圈对齐和偏移时的电磁场分布；最后，描述无线充电系统直流电源线传导电磁干扰建模与抑制、公共电网电源线谐波及抑制方法、无线充电系统车载二次侧电路电磁辐射。

1.2.4 整车控制器EMC问题

随着智能驾驶车辆和无人车辆的发展，汽车电子电气架构正在发生变化，两轮和四轮分布式驱动车辆、四轮毂驱动纯电动汽车、混合动力汽车，甚至集中电驱动车辆的整车控制器采集和处理的信息不断增加，对整车控制器和中央控制器提出了更高的通信带宽和速率要求。以太网将逐渐代替其他大部分总线，图1-6所示车载域控制网络架构是一种主干网络采用以太网、子系统网络采用以太网或传统车载网络的混合网络结构。随着以太网及域控制的发展，整车控制器硬件电路发生了变革，在传统基于CAN总线通信的基础上增加了以太网通信电路。车载以太网采用两线制双绞线，速率高，会带来新的电磁兼容问题。因此，一方面需要考虑整车控制器PCB的电源完整性与信号完整性，另一方面需要考虑以太网的电磁发射问题和电磁敏感性问题。此外，还需要考虑以太网整车控制器的电磁抗扰度问题。整车控制器所处的电磁环境较为恶劣，不仅面临着雨水、振动等机械环境问题，还需要抵抗电机驱动系统、高低压DC-DC变换器等高压部件工作引起的传导骚扰与辐射骚扰的影响。车载以太网的EMC问题主要是电磁敏感性、抗扰度以及ESD问题。

整车控制器的电磁兼容相关问题主要包括PCB板级的电源完整性、信号完整性、电磁发射以及电磁抗扰度。一方面，随着整车控制器采集和处理信号的增多，以及以太网的应用，对芯片速率提出了更高的要求，导致严重的开关噪声，对整车控制器的电源分配网络设计提出了挑战。另一方面，高速的以太网信号在阻抗不匹配的情况下很容易发生反射，从而产生振铃、共模噪声等一系列信号完整性问题，严重时影响信号识别；另外，由于以太网具有较高的速率，会通过电磁场的空间耦合对邻近的信号线产生串扰干扰。

（1）电源完整性

电源分配网络（Power Distribution Network，PDN）的性能直接影响诸如系统可靠性、信噪比与误码率等系统性能，以及EMC性能。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise，SSN）过大都会带来严重的电源完整性问题（如同步开关噪声导致的参考电平误差、直流电压降过大、发热等），会对器件及系统工作稳定性带来致命的影响，严重的PDN设计缺陷还将导致在阻抗较高的谐振点形成电磁辐射和传导骚扰。电源完整性（Power Integrity，PI）设计就是通过合理的平面电容、分立去耦电容、平面分割以及电磁带隙结构（Electrical Bandage Gap，EBG）应用降低板级PDN阻抗，确保满足芯片供电需求，控制同步开关噪声，降低电磁干扰发射。

在以往的研究中，降低PDN阻抗的方法有很多，包括去耦电容、平面结构以及嵌入式电容器。在实际应用中，主要方法是添加去耦电容，为了在足够带宽具有去耦效果，去耦电容包括芯片级、封装级以及板级去耦电容。平面去耦法在几百兆赫兹至1GHz范围内有很好的去耦作用，但在中低频与高频去耦并不适用，反而会增加PDN的噪声耦合。因此在平面去耦法的基础上，还需要使用去耦电容协助降低PDN阻抗。相比电源平面、嵌入式电容器以及EBG，去耦电容法是最具灵活性的PCB电源分配网络低阻抗解决方案。

去耦电容的容值、封装、数量的选择方式与电容器的安装位置是研究重点。在去耦电容的自谐振点以上频段，电容的位置尤为关键。Jun Fan等人对多层PCB中贴片电容与电源/地平面的连接距离对PDN的影响进行了建模分析。去耦电容的快速优化算法也是研究热点。Kai-Bin Wu等人采用了遗传算法计算去耦电容的最优布局、容值以及数量，提高了去耦电容选用的精确度。Krishna Bharath等人使用了遗传算法结合基于多层有限差分方法的高效PDN模拟器，实现了多层PCB的去耦电容优化。结合基于目标阻抗的设计方法，将混合遗传算法应用于PDN去耦电容网络设计，对所需去耦电容的种类和数目进行优化计算。除了单芯片电源完整性研究外，还有学者对多芯片多输入PDN进行了建模与去耦设计。通过对多端口网络的理论推导，精确捕捉PDN电流分布特性，提出了一种适用于多芯片多输入PDN分布式建模方法和复杂PDN整板去耦方案。在满足PDN设计要求的前提下，筛选出使用去耦电容个数最少的组合以及最优目标阻抗。使用优化的频域目标阻抗法，针对多芯片的电源分配网络模型，给出去耦电容种类和数目的选取方案。除了保持PDN低阻抗外，提高PDN质量的方法还有使用EBG隔离噪声，但实际应用的成本较高，而且这种方法更适用于几吉赫兹及以上系统的电源分配网络优化，在整车控制器中的应用收益较小。

（2）信号完整性

信号完整性问题包括信号的反射、串扰、延时，是高速信号面临的问题。整车控制器中晶振信号的反射可能导致信号误判、二次触发，严重的反射与串扰现象可能导致噪声振荡，在PCB中阻抗较高的地方形成电磁辐射。

传统的整车控制器通信速率较低，信号完整性的问题不明显。在引进以太网之后，速率较高的车载以太网信号在传输过程中可能产生反射或对邻近信号线产生串扰。以太网为差分走线结构，在PCB中，当差分信号的走线结构出现不对称时，将产生共模电流。共模电流通常是电路产生传导干扰和辐射干扰的重要来源，随着整车控制器中CAN总线、以太网等差分信号的速率不断提高，共模电流的电磁辐射也会比以往的VCU电路板大得多。

因此，在以太网的走线设计方面，应特别注意差分线的对称设计。若PCB上的以太网差分对走线设计不合理，极易产生串扰和反射现象，如图1-7所示。C. Paul等人研究了差分传输线的耦合特性，提出差分线过孔是导致电路不对称的主要原因。Xiaomin Duan等人提出差分信号在PCB插接器引脚走线的不对称，会产生共模干扰信号。通常PCB不对称结构是无法避免的，但可以通过端接或改善走线的措施减小差分走线的不对称性与阻抗突变。陈建华等人采用π形端接与T形端接的方法，抑制差分电路结构不对称产生的共模电流，提出差分信号共模噪声是由频率、环路面积、导线长度、介质厚度、介电常数、差分电流、共模电流共同作用的结果。Wei-Da Guo等人提出了一种平面螺旋走线方案，以减小差分走线的不对称性。Celina Gazda等人通过紧密耦合差分微带线的方法，提出宽频带上抑制共模噪声的方案。除了改善差分走线的结构外，还有学者通过在差分走线转弯处采取安装电容或电感等补偿措施，以抑制共模噪声。还有研究人员利用差分信号设计滤波器，得到良好的共模抑制比。

（3）电磁辐射

PCB上的走线在共模干扰源和差模干扰源作用下，有可能等效成为一个有效的发送/接收天线。因此，不恰当的布局布线有可能显著地增加PCB的电磁辐射。PCB上的共模干扰电流和差模干扰电流可以通过整车控制器外部的电源线和信号线，对外形成电磁辐射。另外，整车控制器壳体的缝隙和线束插接器也可能泄漏电磁场，形成辐射。这些电磁辐射都有可能使整车控制器的辐射发射不能满足EMC标准限值要求，甚至干扰车载和车外无线电接收设备。

（4）电磁抗扰度问题

GB/T 21437.2—2008《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第2部分：沿电源线的电瞬态传导》和GB/T 21437.3—2012《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第3部分：除电源线外的导线通过容性和感性耦合的电瞬态发射》规定了车载零部件对电源线和除电源线外的导线电瞬态干扰的抗扰度要求。GB/T 19951—2005《道路车辆 静电放电产生的电骚扰试验方法》规定了静电放电的等级。关于车载部件抗扰度的标准还包括GB/T 33012.4—2016《道路车辆 车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第4部分：大电流注入法》和GB/T 33012.2—2016《道路车辆 车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第2部分：车外辐射源法》。此外，在电路设计阶段，需要考虑抗雷击、抗浪涌的措施。

依据标准要求，需要对整车控制器进行电磁抗扰度设计和试验验证。整车控制器低压电源系统应进行过电压、反向过电压、浪涌电流以及瞬变电压脉冲抑制的设计。车载控制器通常采用防反接二极管、热敏电阻、瞬态二极管、共模扼流圈、π形滤波器、电容等组成抗干扰硬件电路。

本书重点陈述基于以太网的整车控制器的功能与结构、硬件电磁兼容设计，包括电磁发射和电磁敏感性设计；电源分配网络（PDN）等效电路建模及去耦电容优化方法；基于以太网的PCB信号完整性建模分析；PCB电磁发射，以及以太网整车控制器的电源线传导骚扰抑制方法。

1.2.5 电池管理系统EMC问题

电池管理系统（BMS）具有以下功能：对电池的电压、温度、工作电流、电池电量等一系列电池相关参数进行实时监测或计算；根据环境状态、电池状态等相关参数对电池的充电或放电进行管理；单体电池间均衡功能。BMS硬件的拓扑结构分为集中式和分布式两种。集中式BMS是将所有功能集中在一个控制器里面，比较适合电池包容量比较小的场合。分布式BMS将主控板和从控板分开，有时把低压和高压的部分分开，以增加系统配置的灵活性，适用于不同容量、不同规格形式的模组和电池包。

BMS硬件电路主要包括主控芯片及其接口电路、电池参数采集模块、故障电路、均衡电路、接触器安全保护电路、通信电路等。随着对电池参数采集实时性和安全性的要求不断提高，对BMS硬件电路EMC设计提出了更高的要求。

BMS的PCB高速数字芯片内部晶体管的快速通断会产生同步开关噪声（SSN），导致电源完整性问题。与VCU电源完整性设计类似，有效抑制SSN的方法是在集成电路外部添加去耦电容，以满足电源分配网络（PDN）目标阻抗的需求。对目前的电动汽车BMS控制器，PCB添加合适的去耦电容被认为是高效、性价比高的方法。

串扰是BMS PCB面临的另一个非常严峻的问题，高速数据线和时钟产生的窄带干扰通过PCB走线间的互容和互感耦合到邻近的信号线上，造成信号线的信号失真、畸变。高速数据线传输速度越快，串扰和反射影响越大，阻抗匹配越来越重要。有文献提出用匹配端接电阻以减少反射信号的过冲和下冲电压以及电磁噪声的过程。有文献介绍了一种无源均衡器结构，这种结构可以减少16Gbit/s高速数据传输过程中产生的反射和串扰问题。有文献研究了电源线中的同步开关噪声对信号线产生的串扰问题，并通过设计带通滤波器减小信号线串扰噪声电压值。有文献针对时钟信号产生的窄带干扰对其他邻近信号电路产生的干扰，设计了屏蔽磁环结构和接地方式。有文献研究了平行信号线串扰干扰对车载调频收音机的影响，通过对比不同结构的地平面分割，抑制信号线的串扰电压。这些文献通过设计屏蔽结构、降低信号线回流路径阻抗来减小信号线反射和串扰效应。还可以通过在PCB下方紧贴一块导电平面的方法，抑制由同步开关噪声引起的差模环天线和共模双基天线辐射效应。多层导电平面对共模电流和差模电流的抑制方法研究十分重要。

另外，时钟电路和DC-DC模块是PCB的主要电磁干扰源。时钟周期性脉冲信号引起的电场强度谐振尖峰如图1-8所示。前期，许多学者对车载低压电子控制器EMI抑制开展了研究。有文献采用随机脉宽调制和扩频时钟调制的方法来抑制DC-DC模块MOSFET产生的EMI，然而这种方法效果有限，还需要其他吸收电路或者滤波电路来辅助抑制EMI。有文献分别提出了共模扼流圈吸收电路和旁路电容滤波电路减少EMI的方法。有文献设计了一种屏蔽环安装在PCB功率开关的周围，吸收功率开关产生的漏电流。还可以通过优化PCB上元件的布局，减少干扰的耦合路径。

目前，电动汽车BMS控制器普遍应用CAN网络进行通信。有文献研究了传统CAN总线控制器线束辐射发射，研究了屏蔽双绞CAN线的屏蔽效能和接地方式。有文献研究了CAN接点连接方式与CAN信号反射效应的关系，提出了一种降低反射的方法。有文献研究了电快速瞬变噪声对CAN收发器的影响，表明端口阻抗对称性是CAN收发器抑制共模噪声的重要因素。

本书首先提出一种BMS硬件PCB电源分配网络去耦电容选择方法；通过分析时钟信号的频谱特性和电磁干扰耦合路径，提出抑制时钟电磁干扰的方法；分析MOSFET产生的开关噪声频谱特性和耦合路径，设计开关噪声滤波器；通过仿真分析CAN总线反射特性，提出CAN总线电路抗干扰设计方法。最后，利用SIwave软件，对电动汽车BMS PCB电磁辐射进行仿真预测。

1.2.6 整车EMC要求

随着通信技术、网络技术、无线技术、电力电子技术的发展，电磁环境日益复杂，电动汽车的电磁兼容性标志着车辆及其附属设备运行的可靠性和安全性。电动汽车整车电磁兼容性是汽车各种电力、电子设备或子系统间的电磁储存关系与周边电磁环境之间的兼容并行关系，电动汽车整车电磁兼容性预测仿真对于提高电动汽车运行质量、保证安全具有重要的指导作用。

电动汽车运行时会对车辆周围和居住环境的无线电接收和发射设备造成干扰，因此GB/T 18387—2017和GB 14023—2011分别规定了车辆在150kHz～30MHz和30～1000MHz频率范围电磁发射的限值。为满足整车电磁发射要求，必须进行整车EMC设计。

EMC设计对电动汽车整车的电磁兼容性和电气功能安全具有重要的作用。国内外标准化委员会和一些著名车企都制定了整车EMC标准，为EMC设计提供了设计规范和依据。通过分析整车上存在的电磁干扰源、电磁干扰传导和辐射两种耦合路径，采用屏蔽、滤波和接地等电磁干扰抑制方法和整车分层设计方法进行EMC综合设计，以满足EMC标准限值要求。

整车EMC的设计和产品认证，都需要EMC试验验证。电动汽车整车EMC测试内容主要包括整车辐射发射测量和抗扰性测量，主要标准见表1-3。为了提高整车EMC试验认证的通过率，前期对整车存在的电磁干扰源进行预测和评估是十分重要的，因此需要利用电磁干扰诊断和预测技术快速准确地定位电磁干扰产生的部位和等级。