电磁兼容技术
一.电磁兼容基础
1.1 电磁兼容的含义
电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)是指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的相关设备都能正常工作又互不干扰，达到兼容状态。该表述包含两方面的含义：
①设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级。
②它也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。
国际电工技术委员会(IEC)对电磁兼容性的定义：电磁容性是设备的一种能力，它在其电环境中能完成自身的功能，且不在其环境中产生不允许的干扰。
电磁兼容的理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、信号分析等学科与技术，其应用范国又几乎涉及所有用电领域。因为其理论基础宽、工程实践综合性强、物理现象复杂，所以在观察与判断物理现象或解决实际问题时，实验与测量具有重要的意义。因为在新能汽车上采用了更多的电力电子设备，同时车辆工作电压一般可以达到几百伏，尤其是采用高频调制的电机驱动系统，谐波现象明显，所以电磁兼容问题就越加突出。
1.2 现代汽车电磁兼容问题
随着汽车安全性、舒适性和经济性等要求的不断提高，以汽车电子产业为代表的汽车相关技术发展非常迅猛。据统计，近年来，有关汽车的技术创新70%都来源于汽车电子；在国内外生产的部分轿车中，汽车电子设备价值超过了整车价值的30%。
然而随着汽车电气设备数量、种类和密度的不断增加，工作频率的不断提高，汽车内的电磁环境更加悉劣，各电子设备相互间的电磁干扰愈加严重，导致了诸多汽车电磁干扰问题。例如，各种信号指示灯的误动作，刮水器、安全气囊的误开启，ABS制动效能降低等。这些电磁干扰问题产生的原因主要来自汽车的内部，如点火系统、电子燃油喷射系统、各种电机、一些集成芯片的控制器、通信系统等高频工作的设备和大量开关性元器件。
它们产生的电磁波通过传导与辐射，对诸如各种电子模块、信号传输线等易受影响的设备造成干扰。虽然车内的干扰源功率不一定大，但因为距离被干扰对象非常近，所以对车内电子系统的干扰是很强的。
欧美发达国家十分重视对汽车电磁兼容性的研究，世界各国和相关国际性组织，制定了众多的标准和法规来限制汽车的电磁兼容问题。汽车生产商极为重视汽车的电磁兼容性问题的研究，通用、菲亚特、宝马等汽车生产商制定了比某些国家和地区规定更为严格的电磁兼容限制。
我国对汽车电磁兼容性的研究处于起步阶段，国内汽车电磁兼容性标准还不健全。
1.3 电动汽车干扰源
目前电动汽车的干扰源主要有自然干扰源、人为干扰源和车载干扰源三种。
1.自然干扰源
自然干扰源是指由自然现象引起的电磁干扰，比较典型的自然界电磁现象产生的电磁噪声
有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声以及静电放电等。在大多数情况下，自然干扰源对汽车的干扰影响可以忽略，然而闪电和静电放电可能会产生很大的瞬变场强。汽车上的直接电击很少，但是闪电引起的场强很大，在200m处是100kV/m，在175km处是4V/m。乘客和座椅之间的摩擦以及汽车车身在行驶过程中与空气的摩擦都会积累形成静电，高压静电在放电时会影响电子设备的工作，甚至造成永久性破坏。
2.人为干扰源
人为干扰源是指由汽车外部人工装置产生的电磁干扰，这主要有其他车辆的辐射干扰，车外的雷达、无线电台发射机、移动通信设备等发射的电磁波干扰，以及高压输电线的电晕放电等。
3.车载干扰源
车载干扰主要是指车上各种电子电气系统产生的电磁干扰。车载干扰源主要有驱动系统、动力电池、功率变换器、继电器、电动轴助系统、开关、通信设备以及微处理器等电子设备。这些电子设备电路中出现的各种瞬变电压，或者电路开断瞬问触点之间产生的电火花
和电弧等，都可能影响车上敏感设备的正常工作。电压和电流的快速暂态会产生辍射和噪声，距离怕些设备较近的电子设备有可能产生故障，特别是电机驱动模块的快速整流，电机起动、高压辐射更会引起较高场强的传导及辐射骚扰。
随着汽车电气技术的发展，电动机在汽车上的应用越来越广泛，功率从几瓦到几十千瓦都有。电动机电磁干扰主要是指绕组中突变磁场和换向器与电刷之间产生的火花放电两方面。这些干扰的电磁波频率为10Hz～1000MHz，频带很宽,，场强为垂直极化和水平极化两种，场强与频率基本是正态分布。电动机的干扰脉冲峰值与电动机的结构、工作负数、绕组绝缘老化、换向器与电刷的间隙及磨损等诸多因素有关。
现代汽车电气系统内存在大量的感性负载，有各种电磁阀、继电器等，其线圈在开路瞬间，都会成为一种宽频谱、高能量的瞬变干扰源。
二 电磁兼容性设计方法
电动汽车电气系统电磁兼容性设计采用分层与综合设计法。可根据所采取的措施在实现电磁兼容时的重要性，分层依次进行设计：第一层为有源器件的选型和印制板设计；第二层
为接地设计；第三层为屏蔽设计；第四层为滤波设计和瞬态骚扰抑制。在每一层都要进行接地、屏蔽和滤波的综合设计以及软件抗骚扰。
三 抑制电磁干扰的技术措施
通常抑制电磁干扰的主要措施有屏蔽、滤波和接地。
1.屏蔽
屏蔽是在两个区域之间建立电磁屏障，它是保护系统中的电路不受电磁环境损坏的最直接方法。可采取两种屏蔽方式：一是主动屏蔽，使辐射电磁能限制在特定区域之内；二是被动屏蔽，防止辐射电磁能进入特定区域。屏蔽的形式多种多样，可以是隔板、盒式封闭体，也可以是电缆或插接器式的屏蔽。屏蔽的效能用屏蔽有效度表示，它不仅与屏蔽材料有关，而且与材料的厚度、应用频率、辐射源到屏蔽层的距离以及屏蔽层不连续的形状和数量有关。
2.滤波
屏蔽主要是为了解决辐射干扰，而滤波则主要是为了解决通过传导途径造成的干扰。完成滤波作用的部件称为滤波器。滤波器主要用于抑制通过电路通路直接进入的干扰，它是应用最普遍的抗干扰方法。根据信号与干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。
3.接地
接地就是在两点之间建立导电通路，其中的一点通常是系统的电气元件，而另一点则是参考点。一个接地系统的有效性取决于在多大程度上减小接地系统的电位差和减小接地电流。
在进行电动汽车的电磁兼容性设计时还应注意以下几点：
①合理规划线束。在线束布置上，使小功率敏感电路紧靠信号源，大功率干扰电路紧靠负载，尽可能分开小功率电路和大功率电路，减小线束间的感应干扰和辐射干扰。不同用途、不同电平的导线，如输入与输出线、弱电与强电要远离，尽量不要平行；接地线长度要尽量短，截面要尽量大。关键元件、电路和走线都要加屏蔽，屏蔽要合理接地。对较长
的线束，为减小传导和辐射干扰，应在线束上增加滤波，比较方便的方法是套接合适的铁氧体磁环。
②元器件选择和电路设计。元器件选择和电路设计是抗电磁干扰和电磁兼容性设计的重点之一。通过选择元件及抗扰筛选，以得到高抗干扰门限值的元件，采用屏蔽的双绞线作连线，缩短元件和电路的连线。这项措施可使系统的抗干扰性增加3～10dB，使设计的电路具有高信号电平和低阻抗特性，可大大降低对干扰的灵敏度。另外，还要考虑到数字电路比线性、模拟电路抗扰性强，低速数字电路比高速数字电路有更低的电磁灵敏度。在确定元件和电路时，除了要注意其电磁干扰灵敏度外，还应注意一些会产生电磁干扰的元件和电路，它也会对系统造成不应有的影响，使信号发生畸变，或产生干扰电压、干扰电流，或使系统产生失误。
四 轻量化技术
汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力利用率，减少燃料消耗，降低排气污染，对新能源汽车有十分重要的意义。汽车轻量化可以从三个方面实现：轻量化结构、轻量化工艺和轻量化材料。实验证明，
汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，汽车整备质量减少100kg，百公里油耗可减少0.3～0.6L。
1 轻量化结构
轻量化结构又称结构轻量化，可以通过三个途径来实现，即拓扑优化、形状优化和尺寸优化。拓扑优化是在结构设计的概念设计阶段引入的结构优化形式。形状优化和尺寸优化都是在结构布局已经决定的情况下进行。
1.拓扑优化
拓扑优化方法是在一个给定的空间区域内，依据已知的外部载荷及支承等约束条件，寻承受单载荷或多载荷的物体的最佳结构材料分配方案，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等达到规定要求的一种结构设计方法。它是有限元分析和优化方法有机结合的新方法，由于拓扑优化设计自由度大，所以通常用于车身设计初期和概念设计阶段。
拓扑优化可以获得一个最佳结构布局——最佳的载荷路径，接下来在这个最优布局的基础上按照真实的设计需求来形成工程设计方案，并应用更仔细的尺寸优化和形状优化工具来
优化这个设计方案。拓扑优化比形状优化更进了一个层次，其难度也大大增加，主要原因是拓扑优化很难用通用且准确的解析方式来表达。拓扑优化技术目前已在车身部件的结构设计中得到了广泛的应用，同时在整车及车架等分总成的结构优化中也得到了初步的应用。
2.形状优化
形状优化是指在结构的类型、材料、布局已定的前提下对结构的几何形状进行忧化，例如对布局已定的桁架的节点位置进行优化，对连续体的边界形状进行优化，对实体结构内部开孔的尺寸、形状进行优化等。
在板形结构中寻最优的加强肋分布的设计，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构重量的同时能满足强度、频率等要求。在可设计区域中根据节点的扰动生成加强肋。
3.尺寸优化
尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局和外形几何的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸，使重量最经。尺寸优化是最早发展起来、最容易实现的优化技术，目前比较成
热，很多商业有限元软件都有该模块，使用起来比较方便，可进行静力学及动力学问题优化。
2轻量化工艺
轻量化工艺指的是以整车轻量化设计为基础，在综合考虑所采用轻量化材料的特性和产品控制成本要求前提下而采用的制造技术。目前广泛使用的主要有激光拼焊技术、液压成形技术、超高强度钢热成形技术、高强度钢辊压成形技术和电磁成形等先进的成形技术及连接技术、表面处理技术和切削技术等。
2.1 成形制造技术
1.液压成形技术
传统的车身骨架结构，如底架纵梁，大多是由复合冲压件组成的封闭截面梁，曾经有人研究用铝管或钢管来制造，因为管材具有完全封闭的截面，可以提高扭转刚度。尤其是当采用从前保险杠直通到后保险杠的连续纵梁时，车身结构的扭转刚度明显提高。但由于过去采用连续纵梁只能是等厚度的，这就限制了按沿长度方向刚度和强度性能要求来设计纵梁
厚度的可能，因而不利于减轻重量。现在的液压成形技术可以解决这一问题。
液压成形技术是指把管状或板状材料放在密封的模具中，再把流体介质(水、油等)引入管件的内腔或板件与模具的内腔，通过增加液体的压力，使工件在常下变形，经过膨胀、压缩和成形三个阶段，最终成为所需零部件形状。液压成形技术有很多优点，包括可减少零数量和模具数量、结构完整性好、强度高和使用寿命长等，并可在保证零件刚度和强度的前提下有效降低构件重量和成本。使用液压成形方式制造的零件，可将原来因加工工艺所不能及而必须分割成数个部件进行加工的零件改为以单一的零件代替，减少了零件组合的工作，同时也增加了车体的刚性，从而达到减轻重量、降低成本的目的。据统计，液压成形件比冲压件平均成本可降低15%～20%、模具费用降低20%～30%。成形后的零件可减重30%。
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