魏祎
上海机动车检测中心技术有限公司201805
【摘要】
通过对新能源零部件EMC辐射骚扰测试的研究，在已有设备的基础上研制两套符合CISPR25最新标准要求的高压人工电源网络屏蔽箱，以方便试验项目开展，满足日常客户需求。
【关键词】
电磁兼容；高压人工电源网络；屏蔽效能；新能源
Research of Shielding Effectiveness on High Voltage LISN
and Analyzing the Influence of New Energy Components in EMC Test
Abstract
Through the research of new energy components of EMC radiated emission test, develop two sets of HV LISN shielding boxes that meet the requirements of the latest standard of CISPR25 to improve the work efficiency, facilitate the test progress and meet the demands of customers.
Keywords
electromagnetic compatibility; HV LISN; shielding effectiveness; new energy resources
1 引言
近年国际新型电池技术发展迅猛，新能源汽车产业将有可能在十四五期间改变整个汽车行业的格局。而中国作为全球最大的汽车市场之一，各种新能源技术的竞争压力也随之增加。国外零部件专业测试机构已经为奔驰、大众、宝马等厂商配套的电磁兼容测试环境提出了对于HV LISN的屏蔽要求，以国际主流整车和零部件的电磁兼容测试方法也逐步进入了国际标准的要求中。
新能源汽车动力系统一般以高电压和大功率的电机及其控制器为主，其强电电磁环境与传统车辆的弱电系统有着本质上的差别，而伴随着CISPR25第4版标准的逐步推行，对直流供电线路、电机线路、充电线路的试验布置提出更高的要求，因此对新能源电磁兼容测试能力的建设更新必须跟上国际水平。
目前我司新能源零部件电磁兼容测试项目逐渐增多，且已基本具备对系统测试的能力。也为联电、上汽等客户对电控和电机进行了电磁兼容测试的，但是不能满足今后新标准的要求。通过研究CISPR/D/425A/CDV标准，结合现有试验要求，需要研制多功能的屏蔽箱。
2 总体方案设计
由于新能源零部件被测样品的强电电磁环境会对测试结果造成影响，因此需对被测样品高压输入端的人工电源网络进行屏蔽处理，该布置要求在最新的CISPR25标准中被提及（见图1），在此基础上进行测试以保证测试结果的准确性，对客户负责。
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该项目使用上海讴特电磁技术有限公司制作的ESBA-900N型屏蔽盒和ESBA-700型屏蔽盒，其主体采用双层屏蔽簧片，局部导电棉辅助，上下呈全分离式结构，屏蔽线配备了法兰接头，根据不同的线径，采用更换式模块化设计，最大贯穿电流不小于400A。其内部可以搭载符合CISPR25第四版标准的高压人工电源网络两台，其中ESBA-900N型屏蔽盒根据标准中的要求预留了阻抗匹配网络的安装空间。（见图2）
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在我司投资建造的奥尔托三米法半电波暗室中进行相关的电磁辐射骚扰测试后，通过是否放置高压人工电源网络屏蔽箱前后的试验数据可以对比得出在屏蔽箱的作用下，能够将样品高压输入端产生的骚扰降低到标准所规定的本底噪声范围之内。
3 ESBA-900N型和ESBA-700型屏蔽箱功能介绍
本设备将主要用于新能源汽车电子零部件测试标准CISPR25 Ed.4.0中有关电动/混动汽车零部件HV电源线辐射发射测试项目。（见图3）
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在实验室应用中，将HV人工电源网络（见图4）安装在本设备内，经由屏蔽端子接口将高压大电流接入其中。
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ESBA-900N型和ESBA-700屏蔽箱专用于实验室研究、工业生产和汽车控制系统等领域，可提供大于80dB以上的屏蔽效能，其中ESBA-900N型屏蔽箱预留的空间用来放置阻抗匹配网络（即Impedance Matching Network），其主要作用是使信号源与负载两端的电抗值形成共轭关系，以便产生谐振而互相抵消，使得电路中仅存电阻性，从而得到最大功率传输。
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4 屏蔽箱的屏蔽效能稳定性分析
测试样品端电压数据采样系统主要由电压信号光电转换系统和数字万用表两部分组成。
4.1 屏蔽的意义
电子设备所发出的辐射骚扰一般都是来自差模电流和共模电流的骚扰。在一些半导体的电子器件中，同步流经信号回路和功率分配回路的差模电流会产生变化的电磁场，这些产生的电磁场可以沿着导电介质传播，也可以通过空间的辐射进行传播。在比较简单的一层或两层PCB板上时，通过将数字信号从一个设备传输到另一设备，再通过配电走线返回的数字信号，这样就形成环路。所谓共模辐射是由于系统中相对于地面而产生的共模电势和电压降而引起的。另外，寄生电容耦合是一种相对较难控制的现象，发生在所有的导电材料之间，因此，外部的电缆工作起来和天线的效果是一样的。
另一方面，辐射骚扰的特性是伴随着有意频率线性增加的。对于小于谐振频率的小型电路，由其通带内的窄带入射平面波感应到电路中的最大电压公式为：
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一旦我们根据公式设置了频率，电流和环路面积这几个参数，并且电路不满足其发射要求，我们就能清楚的看到方程中只剩下一个因素可以使电路达到合格的要求：那就是屏蔽性能。
4.2 屏蔽材料的选择
所谓屏蔽，就是包围电路以提供隔离的导电屏障。比较理想的屏蔽措施应该是该屏蔽箱具有足够的厚度，没有开口和缝隙。 屏蔽的作用主要仅针对辐射骚扰特性。 屏蔽效率代表的是屏蔽层一侧接收到的射频能量与屏蔽层另一侧接受到的射频能量之比，以分贝（dB）为单位。
对于屏蔽之外的骚扰源，将以dB为单位添加屏蔽材料的吸收和反射，以获得屏蔽的整体的屏蔽效率。对于屏蔽内的辐射源，就只需要考虑屏蔽的吸收即可。
屏蔽材料在一般频率下的吸收可以通过以下三种方式控制：
·电导率
·渗透率
·厚度
但是，这个方案仅适用于我们最理想状态的最佳屏蔽壳体。除此以外，其他两个主要的因素是：
·屏蔽箱的开孔——屏蔽箱上的开孔以及插槽。
·屏蔽箱外壳上使用的垫片或者垫圈的物理特性和其有效性。
单独指出物理特性是因为射频垫圈碰到无法按规定执行的情况的时候，其最大原因是由于安装不当。这是因为在初步的设计之后，我们经常会把射频垫圈作为固定件来使用。 正如我们在公式中所看到的那样，在电路中的所有其他因素都确定，确立之后，我们剩下能做的就是必须进行屏蔽。
屏蔽的特点是非破坏性的，并且它不会影响样品和设备的高速运行，它既可以用于辐射特性，也可以用于磁化率特性。 它可以是一个独立的解决方案，但与其他的抑制技术（例如滤波，接地和适当的改变PCB设计）结合使用以降低环路面积时，则更具成本效益。 同样重要的一件事情是我们需要注意，通常在设计完成后才可以安装屏蔽。 但是，作为设计过程的一部分，从一开始就将屏蔽设计到设备中会更具有成本效益，并且通常也更有意想不到的效果。
屏蔽的使用形式通常具有很多种，从射频垫片到电路板级的屏蔽，它同时也被称为BLS。 射频垫圈和垫片在垫圈与法兰的介质接触的时候提供了良好的电磁骚扰性的密封效果。比较理想的射频垫圈表面应该是具有良好的导电性能的，电磁兼容性能的并且能够完全嵌入容纳垫圈的。
一般来说，安装在金属外壳中的电子设备通常是射频垫片材料的最佳选择。当电气和电子电路位于不导电的外壳中的时候，或者使用射频垫圈不方便的时候，电路板屏蔽也就提供了抑制电磁骚扰特性的最好选择。而正确设计并且安装的电路板屏蔽系统，实际上也可以消除整个环路区域的骚扰，因为本来骚扰比较大的有问题的电路将会完全包裹在屏蔽层内。
尽管市面上有成千上万种基于几何造型和材料的垫片品类，但屏蔽性能的垫片有四个主要的类别：铍铜和其他金属的弹簧垫片，编织金属网袋，用导电颗粒的弹性体和导电织物填充的材料。 这些材料中的每一种都有其各不相同的优缺点，具体选用哪一个，还需要应对各类使用场景来决定。不过无论选择哪种垫片，选择垫片时我们最需要考虑的重要因素就是射频阻抗性能，屏蔽效果，材料兼容性的腐蚀控制，材料压缩力，材料可压缩性，材料压缩范围，压缩是否会导致永久变形以及材料的密封性能。同时，再决定中我们可能也会涉及许多其他的因素。
以下将从我司制作的屏蔽箱的选用材料进行剖析。
金属射频垫片垫圈和弹簧垫片：
金属射频垫片一般由多种材料制成。它们通常具有比较宽泛的物理压缩范围以及较高的屏蔽效果和性能，它们可以在较宽的频率范围内保持一定的稳定。其中，铍铜是所有材料之中导电性能最好的，并且它还具有良好的弹性。同时考虑到电腐蚀性，我们也可以更加容易地电镀铍铜。
金属编织网和编织垫片：
金属编织网及编织垫片可由多种金属细线共同制作而成，包括合金，镀锡铜复合金属，钢或铝等等。它们在低频度的循环应用中具有更高的成本效益，并且，在较为宽泛的频率范围中也能提供极佳的屏蔽效果。对于编织的结构也可运用各种尺寸和形状，同时它还具有持久的弹性以及适用于各类的安装方式。
导电布编织带能够提供金属化的尼龙紧密编织而成，它能提供高效的电磁辐射骚扰屏蔽性能并且具有光滑的表面。铍铜编织网泽具有更加出色的弹性，这也使其可以实现理想中的点与点之间的接触的最小压力。
总结来说，屏蔽措施需要的是围绕电路，设备，甚至整个导电外壳来控制产生的电磁环境骚扰。采用最具成本效益的屏蔽措施是我们这个屏蔽箱课题的重中之重。
5 高压人工电源网络屏蔽箱的配套电缆接头结构
由于新能源零部件的多样性，试验样品的高压电缆会有各种不同的规格，为了使屏蔽箱的屏蔽效能达到最佳，就必须尽量减小屏蔽箱上的接口与零部件样品电缆之间的缝隙，因此，研制屏蔽箱的同时，还采购了能够适配屏蔽箱的各类规格的电缆接头以应对不同样品的试验需求。（见图6）
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通过夹紧圈、夹紧爪以及迫紧螺帽的作用，能够将电缆最大程度地紧密固定在接头中，使屏蔽箱的屏蔽作用发挥到最大。
6 屏蔽箱屏蔽效能测试的数据整理与分析
关于屏蔽箱的屏蔽效能电磁兼容辐射骚扰测试在3m法电波暗室中的实际布置如图7所示。
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模拟电磁辐射骚扰（Radiated Emission）测试时，使用梳妆波发生器作为发射源，用HK116型双锥天线对其发射的电磁波骚扰进行接收。得到的数据如图8、9所示。
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从两张图对比可以发现，在屏蔽箱的作用下，在频率30-200M之间，天线分别位于垂直和水平极化时，梳妆波所产生的骚扰能够降低至少80dB左右。
7 结语
本课题所研制的屏蔽箱能够将新能源零部件测试时高压人工电源网络产生的电磁辐射骚扰尽可能地抑制到最低，从而提高对新能源零部件EMC测试结果的准确性，对客户负责；同时该屏蔽箱能够达到CISPR25最新标准对于EMC辐射骚扰测试的基本要求，满足了各类零部件厂商的测试需求，对于部门新能源零部件的业务提升有积极的影响。
【参考文献】
[1] 陈淑凤,马蔚宇. 电磁兼容性试验技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2002.
[2] 胡景森,张玲. 如何保证屏蔽效能测试数据的准确性fJ1. 安全与电磁兼容，2005(2):41-42.
[3] 吕仁清,蒋全兴.电磁兼容性结构设计[M]. 南京：东南大学出版社.1990
[4] CISPR/D/425A/CDV – Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbance characteristics –
Limits and methods of measurement for the protection of on-board receiver
[5] CGE01型梳妆波发生器用户手册[OL]. http://www.yorkemc.co.uk