新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法

电磁兼容性是新能源汽车的一项关键共性技术，对保障新能源汽车安全行驶、减少或避免故障十分重要。随着智能网联电动汽车的发展，电磁兼容性分析与设计成为研发中不可或缺的环节，是工程师必须掌握的知识和技能。本书以建模仿真、试验测量和工程案例相结合的方式，介绍了新能源汽车电机驱动系统、 DC-DC变换器、无线充电系统、整车控制器、电池管理系统以及整车电磁兼容性的相关内容，使读者能够熟练掌握电磁兼容性的分析方法、建模仿真方法、整改方法以及测试方法。 本书可供车辆工程相关专业的研究生、高年级本科生和工程技术人员参考学习使用。

前言 丛书序 第1章　绪论 1.1　概述 ......................................................................... 01 1.2　新能源汽车电磁兼容性问题 ................................................. 02 1.2.1　电机驱动系统 EMC 问题 ............................................ 02 1.2.2　DC-DC 变换器系统 EMC 问题 ................................... 06 1.2.3　无线充电系统 EMC 问题 ............................................ 09 1.2.4　整车控制器 EMC 问题 ................................................ 12 1.2.5　电池管理系统 EMC 问题 ............................................ 16 1.2.6　整车 EMC 要求 ............................................................ 18 参考文献 ......................................................................... 19 第2章　新能源汽车电磁兼容基础 2.1　概述 ....................................................................... 27 2.2　新能源汽车电磁兼容 ......................................................... 28 2.2.1　电气基本架构 .............................................................. 28 2.2.2　电磁兼容问题 .............................................................. 29 2.3　电磁兼容理论基础 ............................................................ 38 2.3.1　电磁干扰源 ............................................................... 38 2.3.2　耦合路径 .................................................................. 39 2.4　电磁兼容性设计 ............................................................. 42 2.4.1　高性能电子电气架构建模 .......................................... 43 2.4.2　电磁兼容性建模和电磁兼容性设计 .......................... 43 2.5　电磁干扰抑制措施 ............................................................ 45 2.5.1　EMI 抑制技术............................................................... 45 2.5.2　关键部件 EMI 抑制技术.............................................. 48 参考文献 ......................................................................... 49 第3章　电机驱动系统电磁干扰预测与抑制 3.1　概述 ......................................................................... 51 3.2　电机驱动系统 EMI 的机理 .................................................. 52 3.2.1　电机驱动系统传导发射测试 ...................................... 52 3.2.2　IGBT 电磁干扰源 ......................................................... 54 3.2.3　电磁干扰耦合路径 ...................................................... 56 3.3　电机驱动系统电磁干扰建模 ................................................ 64 3.3.1　电机驱动系统电磁干扰建模与仿真 .......................... 64 3.3.2　电机驱动系统联合仿真 ............................................. 91 3.4　基于测量的电驱动系统电磁发射 SPICE等效电路建模 ................ 94 3.4.1　建模方法概述 .............................................................. 94 3.4.2　SPICE 等效电路建立 ................................................... 95 3.4.3　SPICE 等效电路模型验证 ........................................... 98 3.4.4　系统谐振抑制方法 ...................................................... 99 3.5　EMI 电源滤波器 ............................................................113 3.5.1　高压输入端口滤波器设计 .........................................114 3.5.2　基于谐振点抑制的滤波电路设计方法 .................... 122 3.5.3　电机控制器高压直流电源 EMI 滤波器设计............ 130 3.5.4　空心电感高压直流电源 EMI 滤波器设计................ 139 3.6　电磁干扰测试 ............................................................... 147 3.6.1　电磁干扰测试平台 ................................................... 147 3.6.2　传导发射（电压法） ................................................ 148 3.6.3　传导发射（电流探头法） ........................................ 150 3.6.4　低压电源线对高压电源线的耦合 ............................ 154 3.6.5　传导 EMI 抑制............................................................ 155 3.6.6　电机驱动系统直流和交流电源线电压和电流 ........ 158 3.6.7　转速和转矩对传导骚扰电压和电流的影响 ............ 160 3.6.8　电磁辐射试验 ............................................................ 163 3.6.9　传导骚扰电压差共模分离测试 ................................ 166 参考文献 .......................................................................170 第4章　DC-DC变换器电磁干扰预测与抑制 4.1　概述....................................................................... 170 4.2　DC-DC 变换器传导发射测试 ......................................... 171 4.2.1　隔离型全桥高低压 DC-DC 变换器的结构 .............. 171 4.2.2　传导电磁发射的测试布置 ........................................ 171 4.3　DC-DC 变换器 EMI 的预测 ........................................... 173 4.3.1　干扰源 ................................................................... 173 4.3.2　DC-DC 变换器系统传导发射高频等效电路 ........... 174 4.3.3　电磁干扰耦合路径 .................................................... 177 4.3.4　传导 EMI 仿真预测.................................................... 182 4.4　高压电源 EMI 滤波器 ........................................................ 183 4.4.1　高压输入端口 EMI 滤波器设计................................ 183 4.4.2　基于谐振点抑制的滤波电路设计 ............................ 188 4.5　辐射发射 .................................................................. 191 4.5.1　理论分析 ................................................................ 191 4.5.2　辐射发射测量 ............................................................ 192 参考文献 ....................................................................... 194 第5章　无线充电系统电磁安全与电磁兼容 5.1　概述........................................................................ 197 5.2　无线充电系统的结构........................................................ 197 5.2.1　系统结构 ................................................................ 197 5.2.2　系统建模 ................................................................ 198 5.2.3　系统性能仿真 ............................................................ 202 5.3　无线充电的工作原理 .......................................................... 203 5.3.1　传输功率 ................................................................ 204 5.3.2　效率 ..................................................................... 207 5.3.3　偏移特性 ............................................................... 208 5.3.4　偏移对效率的影响 .....................................................211 5.4　磁场分布 .................................................................... 218 5.4.1　整车模型 ................................................................ 218 5.4.2　磁场测试点分布 ........................................................ 219 5.4.3　偏移时的耦合线圈互感 ............................................ 220 5.4.4　磁场分布分析 ............................................................ 221 5.4.5　磁感应强度测量 ........................................................ 224 5.5　电源线传导电磁干扰建模与抑制 ...................................... 227 5.5.1　干扰源 ................................................................... 227 5.5.2　电磁干扰机理 ............................................................ 229 5.5.3　传导骚扰预测 ............................................................ 235 5.5.4　EMI 滤波器................................................................. 238 5.5.5　传导骚扰电压测量 .................................................... 242 5.6　公共电网电源线谐波 .......................................................... 245 5.6.1　谐波分析 ................................................................ 246 5.6.2　传统整流滤波升压电路系统的谐波 ........................ 246 5.6.3　采用 PFC 电路系统的谐波........................................ 250 5.6.4　系统谐波抑制方法 .................................................... 254 5.7　无线充电系统次级侧电路电磁辐射 .................................. 256 5.7.1　辐射发射系统建模 .................................................... 256 5.7.2　次级侧充电电缆辐射发射 ........................................ 257 5.7.3　辐射 EMI 抑制............................................................ 259 参考文献 ....................................................................... 262 第6章　整车控制器信号完整性与电磁兼容 6.1　概述........................................................................ 264 6.2　整车控制器的功能与结构 .................................................. 264 6.3　整车控制器硬件电磁兼容性设计 ...................................... 265 6.3.1　电源线电磁抗扰度 .................................................... 265 6.3.2　PCB 电源完整性 ........................................................ 268 6.3.3　信号完整性 ................................................................ 269 6.4　电源分配网络等效电路 ...................................................... 275 6.4.1　芯片电源分配网络等效电路 .................................... 275 6.4.2　以太网芯片电源分配网络集总参数模型 ................ 282 6.5　PCB 去耦电容优化方法 ................................................... 283 6.5.1　整车控制器 PCB 电源分配网络阻抗 ....................... 283 6.5.2　PDN 去耦电容优化 .................................................... 290 6.5.3　频域阻抗验证 ............................................................ 297 6.6　PCB 信号完整性建模与分析 ........................................... 299 6.6.1　车载以太网信号与 CAN 总线信号频谱 ................... 299 6.6.2　反射建模与仿真 ........................................................ 300 6.6.3　串扰建模与仿真 ........................................................ 308 6.7　PCB 电磁辐射............................................................... 317 6.7.1　电磁辐射机理 ............................................................ 317 6.7.2　PCB 电磁辐射分析 .................................................... 318 6.8　以太网整车控制器电源线传导 EMI 抑制 ........................ 320 参考文献 ....................................................................... 322 第7章　电池管理系统电磁兼容 7.1　概述 ....................................................................... 325 7.2　BMS 的功能与结构 ........................................................... 326 7.3　PCB 电源分配网络去耦电容 ............................................ 327 7.3.1　去耦电容优化设计方法 ............................................ 327 7.3.2　去耦电容布置 ............................................................ 331 7.3.3　电源平面谐振分析 .................................................... 332 7.4　时钟信号 .................................................................. 333 7.4.1　电磁干扰机理 ............................................................ 334 7.4.2　近场扫描预测 ............................................................ 337 7.4.3　时钟干扰信号抑制 .................................................... 340 7.4.4　BMS 电磁辐射发射试验 ............................................ 342 7.5　DC-DC 芯片开关噪声 ..................................................... 343 7.5.1　开关噪声产生机理 .................................................... 343 7.5.2　电磁干扰建模预测 .................................................... 346 7.5.3　DC-DC 干扰抑制方法 ............................................... 347 7.6　CAN 总线抗干扰分析 ....................................................... 349 7.6.1　CAN 总线电路电磁干扰 ............................................ 349 7.6.2　CAN 总线抗干扰电路设计 ........................................ 350 7.7　PCB 电磁辐射 ............................................................ 353 参考文献 ...................................................................... 355 第8章　整车电磁辐射测量、诊断与抑制 8.1　概述 ....................................................................... 358 8.2　乘用车整车电磁辐射 .......................................................... 359 8.2.1　整车辐射发射测试 .................................................... 359 8.2.2 整车辐射发射抑制 ................................................... 362 8.3　商用车整车电磁辐射 .......................................................... 364 8.3.1　整车电磁辐射测试 .................................................... 364 8.3.2　电磁干扰源诊断 ........................................................ 366 8.3.3　整车辐射电磁干扰抑制 ............................................ 370 8.4　整车电磁干扰诊断方法 ...................................................... 373 8.5　实车 EMI 测量 .............................................................. 381 8.5.1　电磁干扰频域特性 .................................................... 381 8.5.2　电磁干扰时域特性 .................................................... 389 参考文献 ....................................................................... 391