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SAECCE 2020 | 比亚迪周宇奎:新能源汽车产品平台化的EMC设计

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SAECCE 2020 | 福特汽车彭鹏:汽车电子瞬态脉冲产生的机制分析与模拟

2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办,汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日,比亚迪汽车工业有限公司周宇奎在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录:

各位领导、各位专家,大家上午好!很感谢有这个机会和大家做一个交流,我今天报告的题目是“产品平台的EMC考量”。在早些年做新能源汽车的过程当中大家可能会有这样的一个经历,就是我车辆在测试甚至推产出来要做EMC认证的时候,会发在电源性的传导发射或者整车的辐射发射会出现超标的情况,当时给出的处理办法是在高压波件的端口加滤波器,或者在纱向线或者母线上面套一些磁环。我们也知道这种方式一是增加成本,增加车的重量,在大批量生产的时候这种方式是不太可取的。

这些年我们比亚迪在产品平台化方面做了一些工作,我们EMC在产品平台化的过程中也结合起来做了一些具体的工作,这里结合我们具体的情况谈几点我们在这方面的思考和理解,讲的不对的地方请大家指正。我汇报的内容主要是这四个方面。

第一,讲讲产品平台化的趋势。先来看一个数据,从2013年-2019年,在过去的7年当中,我们国家新能源汽车的销量有很大的增长,在13年的时候新能源汽车占整个汽车销量的比例还不到千分之一,去年这个比例已经基本上接近5%了。行业内有一个说法,当一个产品的品类在总的销量当中占比达到5%的时候,这时候要考虑怎样提高产品的竞争力。产品的平台化肯定是我们提升产品竞争力的一个必由之路。

在前天发布的《节能与汽车技术路线图2.0》内容里面也有提到到2035年新能源汽车的销量要占汽车总销量的比例达到50%,在未来的十多年新能源汽车怎么去体现产品竞争力应该是行业内的人应该去努力的方向。

我们汽车工业有平台化的基因,各个主机厂都有整车的平台,每个平台再衍生出一系列的车型。平台化在零部件层面也可以叫它模块化,我们看到现在主流的Tier1在产品平台化这方面不大实现了,可能不同产品车型产品的同平台,甚至在不同品牌的零部件这块实现通用。平台化带来的效率也是很明显,在降低成本、缩短研发周期、优化供应链体系方面都能起到很好的作用。车未来要提升竞争力,在产品的平台化方面肯定是要去努力的。

另外一个概念是软件定义汽车,这在当前是一个热点,我们按照传统的汽车开发思维,或是按照传统的电子电气架构,顶点ECU,或者沿用ECU,在未来如果是软件定义汽车的话,汽车的功能、性能都是由软件来定义,同时OTA下载也会是要基于汽车各个模块的平台化,像智能驾驶、智能座舱这些产品的定义。我们可以顺着这样一个场景,比方某个功能的实现需要调用不同ECU的数据或者传感器的信号,同时它的执行又会控制不同的ECU,在这时候我们必须在产品的平台化方面要把一些传统的ECU,一些控制部件做整合。所以未来要实现软件的平台化,硬件的平台化应该是一个基础。

说汽车产品平台化趋势的时候,最终平台化要符合整车的开发诉求。当然整车的开发诉求有很多,我主要提到一个续航里程,续航里程的焦虑应该是新能源汽车推广的产品短板,我们知道在当前各个车企都在努力把它纯电动车的续航里程去提升。续航里程的提升可能有几个可以努力的方向,比方说提升效率、提升电机控制器的效率,第二是、减重。在十三五计划里面提到,电驱动总成里面驱动电机的峰值功率密度达到4kW/kg,连续功率密度不低于2.5kW/L前天的《节能和新能源汽车技术路线2.0》里面也有提到到2035年汽车驱动电机密度要达到7000kW/kg,驱动电机控制器功能密度不小于70kW/L,从这个数据来看,未来高压部件怎么去提升它的效率,应该是一个需要努力的方向。现在各个车企都在为此而努力,我们比亚迪现在也已经推出了新能源汽车的整车平台,包括乘用车的纯电平台和混动平台,这些平台包括了中大型车、中型车、小型车,在我们公司有一系列了得车型推出来。

我们在纯电的整车平台上有个计划叫“33211”,在这里我介绍一下前面两个“3”是什么意思。一个“3”是把驱动电机控制器,驱动电机和减速机一体化实现电驱动的三合一。另外一个把DC/DC、OBC和DPU实现一体化的设计。这个一体化设计提高效率和减重方面的效果非常明显,不但让产品的成本能够有效降低节省空间,对整车减重也是很明显。比如电驱动三合一的减重可以达到40公斤,我们以上说的这些都是新能源汽车研发的一个主要诉求,包括产品的平台化也是为了服务于整车的诉求。

我前面也提到如果我们EMC做的工作都是在产品的上面要加过滤器、磁环,就增加它的质量,就和整车本身研发的诉求相悖了,对于提升产品的竞争力也是背道而驰。我们EMC领域应该怎么办?下面我讲讲我们在做的几个事情,几个点。

首先讲一下EMC这个领域所关注的方面,我们通常讲EMC是包括两个方面,一方面是车辆与外界的,包括对外界的发射和抵抗外界干扰的抗扰能力。另外一方面是车辆内部的自兼容,高压部件对低压部件的干扰。另外一方面是常规电器对无线通讯系统的影响。

对于电动车最不能回避的一个问题是干扰源,电动车上的干扰源可以说比传统的燃油车,不但是干扰的强度要大,而且这种干扰源更多。我们电动车上的高压系统的关键部件基本上都会用到一些器件,比方说IGBT,包括比亚迪车上现在搭建的很多模块都会用到IGBT的模块。IGBT的上升沿有100多纳秒,下降沿有2、300纳秒,mos(音)管的开关频率更高,最高可以达到几纳秒。这么高的开关频率通常产生几兆赫兹到几十兆赫兹的电磁干扰,那怎么办呢?如果大家从EMC的角度去考虑,我们通过增加三级的电阻,在一定程度上是能够去降低对外的电磁发射,但是这种措施不可取,原因是什么?因为这样会明显增加功能器件开关的损耗,这样又和前面讲到的整车设计诉求背道而驰,而且我们不能去降低它的开发速度,还要想办法产品的开发速度。

比方讲功率器件方面,像IGBT有被碳化硅取代的优势。碳化硅有几个方面的优势,首先芯片的尺寸更小,让开发的控制器尺寸更小。另外它的耐受温度更高,前面讲到驱动电机控制器在2035年体积功率密度要达到70kW每升,基于IGBT的控制器在资料上面看到,因为它本身温度的限制,基于IGBT的控制器极限最高到20多kW/L,达到最终技术路线图里面提到的那么高功率的体积密度怎么做?未来或者是碳化硅,或者是更高功率密度的器件必然要被使用。

另外碳化硅的开动和关断的损耗比IGBT要低,特别关断的损耗低十分之一。另外规划归的开关速度比IGBT要快,设计上的变化就是外围的感性连接和电容会明显减小,这样也是能够减小控制器的尺寸。我们在最新推出的车型汉的上面碳化硅都已经有搭载,包括充配电的三合一现在已经有广泛的应用了,碳化硅的控制器,还有包括纯电版的汉的后驱控制器也已经采用碳化硅。既然碳化硅我们不能通过前面增加三级电阻的方式降低沿,那有没有其他办法?我们现在的应用是在PFC电路上实现,当然PFC本身不是为了EMC的问题解决,它是为了提升效率,让电流和电压同步,能够提供功率。

我们知道主动的PFC效率不太高,只有60%到70%,只有通过主动的PFC实现电流与电压的同步,我们在充配电的三合一上有这样一个实践,通过镀铬的来实现各个通道纹波的相互抵消,通过这种方式来减小EMI。我们从右下角的图看到波纹的质量相当好的。

另外是软开关技术,LLC软开关技术本身目的也不是为了降低EMC,也是为了提高能量的利用效率。 LLC的技术目前应用在OBC上面,我们知道功率器件产生的电磁骚扰来自于DITT和DUTT,如果有一个功率能够实现在功率器件导通的时候,电压在关断时候的失灵,这样能明显降低DUTT和DITT的值,所以软开关技术就是实现零电压关断的方案。通过ZCS和ZVS目的是减小通过过程中的损耗,带来的益处是降低EMI。右下角的图能够看到DC转AC的电路,在变压器端测到波形的质量也是非常相当好的,我们通过整车验证发现,我们在使用了碳化硅控制器的这个车型上,它的传导发射也好、辐射发射也好,基本上也能够做到在之前用IGBT控制器车辆的同一个水平。

前面讲到的这两个是基于电路的拓扑软件控制方面的一些应用,从控制器的EMC设计本身来讲我们还是需要做一些基础的工作。第一个是关于寄生参数的提取,我们知道在EMC关注的中高频段,电子产品本身的特性远远偏离理想的特性,比方说电容上面会有寄生电感、寄生电阻。我们做这个工作主要的落脚点两个方面,一方面现在很多器件的厂商或者官网上都会有一些不含寄生参数了模型,电路可以下载到。在具体的实践方面,目前可行的一个方式我们是通过阻抗分析仪,再结合经常测试的手段,对我们前面关心的器件它本身的寄生参数是什么情况,不但器件本身,还包括线路板,或者做成的小系统寄生参数。我们目前在寄生参数的提取方面保证测试准确的角度,EMC在百赫兹的级别,要高目前还很难做到。

寄生参数提取以后,下一个环节做寄生参数电路模型的分析,通过这个分析才能知道。或者我们有点仿真的味道,这个我们在公司里面也没有把它叫做仿真,就是基于提取的寄生参数,利用一些工具软件,现在我们目前在这方面也做了一些尝试,这个方面的工作再深入下去,对我们这些控制器的研发,特别是在EMC领域的或者叫风险评估也好,或者叫预测也好,应该是能够起到一些作用的。

最后做一个总结,在这里有一个三角形的金字塔,我们看到在做一个电动车具体产品设计的时候,首先EMC领域应该在什么时间段去进入?这个肯定是越早越好。从我们前面介绍的指标也能看到,不管是电路的拓扑,还是一些软件的控制策略,这些功能的实现应该都是在前期,在产品的概念阶段去考虑。如果在这个阶段考虑了,可能在后期的EMC问题就会比较少,我们从这个三角形自下而上可以看到,我们做的工作通常是这样一个顺序,在前期我们考虑的是系统的拓扑,或者是一些电路架构的设计,包括结构的设计,因为这个结构最终会影响到回路的形成。第二就是PCB板的设计,然后考虑线缆适用评定或者其他的方式,或者因成本的要求直接用普通的线缆就可以。最终我们在测试的时候发现关口的传导发射比较高,这时候我们不得不做端口的滤波,到这个程度上能够做的工作已经很少了,如果是出现的问题在某一频段的EMI超标,比如5db或者10db,在当前的技术条件下也不太可能把一个几公斤的滤波器降到零点几公斤,在这个时间段已经很难做了。

最后谈谈对EMC设计方面的一些理解,前面我们也讲到EMC通常讲是两个方面,一个方面是车辆与外界的干扰和抗干扰,一个是车辆内部的自兼容,或者说这是保证车内的各个电器不因为相互干扰而影响它的正常工作,带给用户一个比较好的体验。其实我们从另外一个视角或者维度去看的话,我们也发现如果我们一个产品对外发射的值比较高,其实这样的话同时也会带来一些能量的损失,因为它对外发射的时候本身就是对外散发能量,在这方面的控制其实就是和这个产品的能量管理和它怎么提升效率是相关的。另外一方面EMI的问题没有这一个小电路,一个小的回路上解决,往外溢出导致滤波器或者其他的器件发热,进而影响到产品的热管理或者热设计,或者是可靠性的设计,因为很多电子元器件发热会影响它的寿命。未来我们EMC的设计和产品的热设计、可靠性设计其实是相关的,甚至未来是我们产品自由化设计的一个有机组成部分,我觉得这也是我们EMC领域未来可以做的一个工作,或者说是我们可以努力的一个方向。

以上就是我的几点理解,请大家批评指正。谢谢!

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(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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