论新能源汽车 PTC加热器总成 EMC技术要求及 EMC试验装置的优化

论新能源汽车 PTC加热器总成 EMC技术要求及 EMC试验装置的优化

刘薇

中国电子科技集团公司第五十二研究所 浙江杭州 310012

摘要：PTC加热器总成是新能源电动汽车高压部件之一，其电磁兼容（EMC）特性要求是基本性能指标之外不可或缺的。PTC加热器总成是否满足EMC技术指标要求，必需通过EMC试验来验证，对PTC加热器总成的EMC试验装置进行优化设计，是确保试验结果准确性的重要环节。

关键词：电磁兼容；新能源汽车；PTC加热器总成；试验装置

一. 新能源汽车PTC加热器总成概述

PTC加热器是一种以PTC热敏陶瓷元件为发热源，以铝合金制成的波纹片为散热器，用耐高温树脂粘接在一起的发热器。这种PTC热敏元件的电阻值随环境温度降低而减小，发热量随之增加，具有恒温、节能、安全、耐用等特点，被广泛用于新能源汽车的采暖系统。

PTC加热器总成是新能源汽车采暖系统的核心，一般包括处理器、DC/DC、功率模块、PTC发热器、温度传感器、电流传感器等，具有直流高压和低压两种接口，高压大于300V，低压为12V，通讯总线采用LIN，通过LIN收发器与汽车主控单元进行信息传递，实现对车内温度的控制。

二. 新能源汽车PTC加热器总成的EMC技术要求分析

新能源汽车的高压部件主要包含电机及控制器系统、电池包及BMS、OBC、DC/DC、电动空调系统等，这些高压部件的电磁兼容（EMC）特性的好坏，对整车的EMC特性起了决定作用。从目前的行业情况看，传统车辆的电磁兼容特性符合率在80%以上，新能源车辆的电磁兼容特性符合率仅50%左右，所以，亟需提高新能源车辆的EMC性能，但这个问题的关键是必需提高高压部件的EMC特性。正因为如此，国内外汽车领域的相关标准逐步增加了汽车高压部件的EMC性能要求。下表是目前国际标准、国家标准、行业标准、企业标准所涉及的有关汽车高压部件的电磁兼容性技术指标，这些技术指标都是通过EMC型式试验进行验证。

PTC加热器总成作为新能源汽车高压部件之一，必然要满足上述EMC技术指标要求。但是，上述技术指标中，瞬态发射主要针对包含或控制感性器件的情形，谐波电流、交流电源线传导发射、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度，主要针对与电网相连接的模块，对于PTC加热器总成，由于其本身的功能及控制原理，这些技术指标不适用。另一方面，PTC加热器总成的低压DC/DC模块，由于开关频率较高（约500kHz~2MHz），会在数百kHz至数十MHz频率范围产生较强的射频干扰；而PTC加热器总成的高压驱动电路和IGBT的工作频率虽然不高（一般为数十Hz），但因为电压高、电流大，导致在开关切换的瞬间会产生较强的瞬态脉冲信号，这些瞬态脉冲的上升时间一般为数十纳秒，所以必然会产生辐射场效应，从而使加热器总成的电磁干扰情况变得更加严重。还有一点，加热器总成采用共地、单线传输的LIN总线进行通讯和控制，也不利于射频共模干扰信号的抑制和抗静电放电特性，一般情况下，在实验室现场进行型式试验时，PTC加热器总成的传导发射、辐射发射和静电放电测试项目，往往达不到技术指标要求。所以，在产品设计过程中必需充分考虑抑制电磁干扰信号和抗静电敏感性措施，以免后期在试验过程中反复整改，事倍功半。

三. 新能源汽车PTC加热器总成EMC试验装置及其优化

PTC加热器总成的EMC试验主要是在屏蔽室和电波暗室进行，其试验结果受很多因素的影响，除测量仪器本身的特性之外，测量场地的性能、受试部件的安装方式、辅助设备及负载的选择、线束的长度及相对位置、各单元之间的相对位置及整体布局、系统接地特性、供电电源特性等等，都会在不同程度上影响EMC试验结果。为了尽可能减少EMC试验结果的不确定性，相关的EMC试验标准对所有可预期的条件都有非常严格的规定，以基础标准CISPR 25为例，对汽车高压部件辐射发射的试验布置要求如下：

1——被测高压部件；2——参考接地平面；3——低相对介电常数材料支撑（εr≤1.4）厚度50mm；4——接地带；5——LV（低压）线束；6——HV（高压）线束（HV+、HV-）；7——LV 负载模拟器；8——阻抗匹配网络；9——LV AN（人工网络）；10——HV AN；11——LV电源线；12——HV 电源线；13——LV 电源；14——附加屏蔽盒；15——HV电源；16——电源线滤波器；17——光纤馈通；18——壁板连接器；19——激励和监测系统；20——接收机；21——同轴电缆（50Ω）；22——光纤；23——双锥天线；24——RF吸波材料；25——50Ω负载。

从上面的布置图例可以看出，所有与试验相关的硬件单元及其互连线束的相对位置都是确定的，另一方面，这些硬件单元中的关键装置如低压网络、高压网络、低压电源、高压电源以及测量天线、接收机等，都有性能非常优异的型号产品，所以，严格按照标准规范执行EMC测试，基本上可以保证试验结果的可重复性、可比性和准确性。但是，对于每一个具体的被测部件，在实验室现场如何安装、使用怎样的模拟负载和监控手段以及需要哪些辅助设施等等，都是标准规范之外的不确定的因素，这些因素会直接影响试验结果的准确性，这种情况在高压部件的EMC辐射发射试验中尤为突出，PTC加热器总成就是一个例证。

PTC加热器总成在实验室场地进行EMC辐射发射试验时，由于脱离了实车环境，需要使用辅助设备实现散热、冷却功能，以确保PTC加热器在试验场地能够持续正常运转，从而保证可以顺利进行EMC试验。一般情况下，使用功率较大的电风扇，对加热器表面进行散热。这种散热方式，一方面散热效果较差，经常会导致加热器总成休眠，另一方面，由于风扇置于试验场地当中，风扇电机本身产生的电磁干扰信号使场地背景噪声变差，在部分频段超出标准限值要求，这样，在该频段就不能准确测量并评定PTC加热器总成的辐射特性。为了解决这一问题，本文推出一种优化的试验装置，该装置既可以使PTC加热器有效散热，又不会对试验场地的电磁背景噪声产生任何影响。

如上图片是本文推出的试验装置在实验室现场的应用案例。本试验装置是一种喇叭形结构的气动散热装置，其外壳是金属材料，内部安装了一个气动风扇，PTC加热器总成固定在该装置的尾端，前端是气动风扇的进气口，尾端是气动风扇的出气口。PTC加热器虽然体积小，但加热功率达数千瓦，本装置采用特殊的风管结构，在风管前端加强气密性处理，使气动风扇的气流聚集在尾端，穿透加热器的散热片，很好地实现散热功能。另一方面，由于没有采用传统的电动风扇，而是利用气动原理，完全避免了电磁信号的引入，从根本上解决了散热装置对背景噪声的影响问题。由此可见，对于汽车零部件的EMC试验来说，不仅要严格遵循试验标准要求，同时还要对辅助试验装置进行优化设计，这样才能保证试验结果的准确性和有效性。

四. 结语

随着汽车行业电动化、智能化、网联化和共享化的推进，汽车产品在超高性能、安全可靠、绿色环保等方面的要求越来越严苛，与此同时，汽车产品的电磁兼容特性也越来越凸显其重要性，成为汽车产品卓越性能的“护航手”。汽车产品的电磁兼容特性，决定于汽车零部件的电磁兼容特性。电磁兼容试验是验证汽车零部件电磁兼容特性的唯一有效途径。因此，确保汽车零部件电磁兼容试验结果的准确性之重要意义不言而喻。

参考文献

[1] CISPR 25:2016 Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbancecharacteristics – Limits and methods of measurement for the protection ofon-board receivers

[2] ISO 10605:2008 Road vehicles — Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge