电机EMC暗室和氢燃料系统EMC暗室布置和设计要点.pdf

国内外技术新进展812023 年第 1 期 安全与电磁兼容随着新能源车（电动车和氢燃料车等）的发展、电机和电池产品的 EMC 测试标准的完善，电机 EMC 暗室和氢燃料系统 EMC 暗室的需求日益增加。它们都属于汽车零部件暗室,其布置、设计和性能均需满足 GB/T 18655-2010（CISPR 25:2008）的要求。其中，被测试电机或被测试物的表面距离吸波材料的尖端不小于 1 m、测试天线距离墙面和顶面吸波材料的尖端都不小于 1 m，这是暗室布置的基本要求。暗室的基本性能：满足 GB/T 12190-2006 电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法的要求，包括屏蔽门、穿墙轴等位置；满足暗室长线法性能指标，在 150 kHz1 GHz 频率范围内 1 m 测试距离，测试值与理论值偏差在 6 dB 以内的占 90%；暗室内监视系统、灯具、滤波器，包括测功机系统及其它电子设备在内的各设备均处于运转状态（带磁滞电机额定工况工作）情况下，暗室内部电子电器设备对外辐射和传导的本底噪声比 CISPR 25 等级 5 标准限值低 10 dB。为了让用户更好地了解电机 EMC 暗室和氢燃料系统 EMC 暗室的布置和设计，本文结合 ETS-Lindgren 多年的实践经验，介绍两种暗室的布置和设计要点。电机 EMC 暗室随着新能源车的发展，对车用电机和电池的要求也逐步提高，从低功率、低转速、低扭矩电机，到现阶段的大功率、高转速、高扭矩电机；从开始在小型车和乘用车上应用，逐步过渡到在大型商用车和工程车辆上使用。这些不仅对电机测功机有了更高的要求（从满足单一电机的测试到满足动力总成电机和轮毂电机的测试），相应的暗室设计也面临挑战。根据不同的测试要求及测功机的测试工况，电机暗室分为以下几种设计方案：a.单电机高转速测功机暗室；b.单电机高扭矩测功机暗室；c.单电机带变速箱测功机暗室；d.高扭矩动力总成测功机暗室；e.带变速箱动力总成测功机暗室（见图 1，无变速箱）；f.无变速箱三测功机暗室。为了方便理解,图 2 给出了暗室整体平面布局，图 3 是暗室剖面布局。图 2 中将单电机和动力总成测功机结合在同一个暗室中，这就是 f 设计方案，这种布置可以适应各种测试的工况和条件（单电机、动力总成、高转速、高扭矩、轮毂电机等），不需要配置变速箱，可实现测功机和被测电机1：1直接对拖连接。测试产品种类多、测试要求高的情况下，可以采用这种设计，但这种设计暗室的尺寸比较大，配置的设备也多，故要求母体建筑要有充足的空间，建筑更复杂，整体造价成本也更高。结合图 2 的布置，选择不同的测功机、变速箱等辅助设备就分别对应了 a 至 e 的设计方案。电机暗室的主要部件配置：测功机和穿墙轴、暗室内被测电机安装台架、测功机变频控制柜、电池模拟器、DUT水冷冷却系统、DUT 油冷冷却系统、暗室内动力总成支撑铁地台、暗室内动力总成连接轴、变速箱油冷冷却机组、数据采集柜、CISPR 25 测试桌、负载电源、其余辅助设备。目前，暗室中使用的测功机的工况能力可以达到：转速 3 00020 000 r/min；扭矩 4005 000 Nm；变速箱最大速比 1:6.7。电池模拟器功率 250500 kW（双向，既可以作为供电电源也可以作为负载电源使用，但不能同时既供电又作为负载）；如果既要供电又要放电的测试工况，需根据实际的被测产品参数单独配一台负载电源。在设计电机暗室时，用户要根据被测产品的特点，最大需求（如功率、转速、扭矩、电机尺寸等）和测试工况等条件，选择合适的测功机参数和类型、电池模拟器功率及辅助设备。另外还有一些因素也会影响到暗室布置设计，若要在电机 EMC 暗室和氢燃料系统 EMC 暗室布置和设计要点LayoutandDesignEssentialsofE-motorEMCChamberandHydrogenFuelEMCChamber图 1 动力总成测功机效果图New Progresses of Technology Worldwide82SAFETY&EMC No.1 2023电机暗室中进行电池包产品的测试，那么暗室的尺寸和测试桌的尺寸都要满足最大电池包尺寸的测试需求，电池模拟器和负载电源也需要满足相应的要求。另外，进行电机暗室的土建设计时，设计的建筑物需满足以下条件：（1）能提供满足暗室和对应辅助设备使用的建筑空间，以及电机暗室投入使用后被测物的通道、人员通道、维修通道等；在暗室安装时也有相应的安装通道的要求，在设计上需要一并考虑；图 2 暗室整体平面布局图 3 暗室剖面布局（b）暗室单电机测功机剖面图（a）暗室动力总成测功机剖面图国内外技术新进展832023 年第 1 期 安全与电磁兼容（2）根据不同工况，预留暗室和相应设备使用的基坑、电缆沟、预埋板等。在进行相应的设计时，不仅要满足尺寸要求、平整度要求、误差要求等，还需要满足不同位置的荷载要求，包括面荷载、线荷载、集中荷载、被测物活荷载以及临时安装荷载等；（3）提供满足使用需求的配电，包括配电功率、配电柜、配电线缆线槽等；（4）提供满足需求的压缩空气；（5）提供满足需求的冷冻水，用于给被测物、电池模拟器、变速箱等设备提供冷源；（6）提供独立的接地系统。根据相应的项目经验，在进行低频测试时对接地的要求很高，若接地不是独立系统且电阻高，会给暗室的背景噪声造成影响；（7）提供暗室、辅助屏蔽室和辅助设备室使用的空调。ETS-Lindgren 已为客户建造了十余套各种类型的电机暗室，涉及国家级检测机构、国内外知名的第三方检测公司和车厂，有丰富的设计和建造经验，可以根据客户需求、场地情况、测功机和辅助设备的要求以及测试工况等，为客户提供合理的意见和建议，并在建筑设计和场地的处理上提供技术支持（图 4 是实际项目测试结果曲线,纵坐标是辐射功率的理论值和实测值之间的差值 P）。氢燃料系统 EMC 暗室常规电动汽车虽满足新能源的要求，但受电池的容量密度、充电时间、冬季电池在寒冷地区能量下降等影响，电动车的发展在一定程度上受到限制，氢燃料电堆的出现和应用，对电动汽车领域形成有利的补充。目前氢燃料系统的测试大多数还停留在性能测试上，EMC 测试很少，但考虑到电磁兼容安全，氢燃料系统的 EMC 测试势在必行。现阶段由于氢燃料系统的EMC测试体量小，测试标准没有细化，可以将氢燃料系统的测试系统和电机暗室结合在一起，这两种暗室有些设备（比如电池模拟器、被测物水冷系统、低压直流供电、负载电源，以及测试桌和相应的测试系统等）是可以共用的，在一定程度上减少了设备的重复配置，不仅可以提高暗室的利用率，还可节省暗室的建造费用。氢气属于易燃易爆气体，燃点为 574，着火点 500，爆炸浓度为 4%75%，具备爆炸下限低、爆炸浓度范围宽等特点，且氢气密度低、易流动；EMC 暗室是一个相对复杂的用电环境，在进行氢燃料系统测试时，需要针对氢气的特点及测试工况进行相应的防护设计和安全设计，避免造成安全事故。氢暗室设计的重中之重就是“安全”，包括人员安全、操作安全、设备安全等。结合暗室的实际测试工况，在暗室设计时参考的设计标准和使用规范主要包括：GB 4962-2008 氢气使用安 全技术规程、GB/T 29729-2013 氢系统安全的基本要求、GB 50177-2005 氢气站设计规范、GB 50156-2021 汽车加油加气加氢站技术标准、GB 50257-2014 电气装置安装工程 爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规 范、GB 50019-2015工业建筑供暖通风与空气调节设计规范、GB 15603-1995常用危险化学品贮存通则、TSGD 0001-2009 压力管道安全技术监察规程-工业管道、GB/T 3836.1-2021 爆炸性环境 第一部分：设备 通用要 求等。结合以上标准和规范以及 ETS-Lindgren 已有的工程经验，对氢燃料系统暗室的布置设计和相应的建筑物设计做一些介绍。现阶段针对氢燃料系统的 EMC 测试还没有直接的测试标准和测试要求，基本是按照汽车零件的 CISPR 25 测试要求进行的。而氢燃料系统（主要部件电堆）是一个将化学能转换为电能的化学过程，没有电磁兼容安全的考虑，故现阶段氢燃料系统测试时，是将电堆、电控系统和其辅助的空压机等设备集合一体后再进行 EMC 测试，类似于把整车的发动机和其控制系统整体搬进暗室测试。在氢燃料系统测试时，需要的条件和设备：（1）氢气&氮气：氢气是氢燃料系统工作的主要燃料，氮气主要用于在实验开始前和实验完成后对氢气管路进图 4 电机 EMC 暗室长线法实测曲线(0.151000MHz)（a）0.1530 MHz （b）30200 MHz （c）2001 000 MHz New Progresses of Technology Worldwide84SAFETY&EMC No.1 2023行吹扫，在一些特殊设计的氢燃料系统中，也会使用氮气辅助实验。氢气和氮气的使用量需要根据氢燃料系统的功率、测试工况等综合确定；（2）精控冷却水，包括电堆的主冷却系统和电控系统的辅助冷却。主冷却系统需要根据氢燃料系统的要求，确定冷却水进出温度、压力、流量等条件，且主冷却系统需要使用纯水（去离子水）作为冷却液，辅助系统采用常规冷却液即可；（3）冷冻水系统给精控冷却水系统提供冷源；（4）氢气排放管路用于将氢燃料系统排放的废氢气排放到建筑外，该管路不仅要引出到建筑室外，且排放管路的高度要高出暗室所在建筑高度 1 m 以上；（5）纯水系统用于给主冷却系统提供冷却液，辅助氢燃料系统工作；（6）低压直流供电系统用于氢燃料系统启动，可以和电机电池暗室测试时的电源共用；（7）高压直流负载电源用于接收氢燃料系统产生的电，可以和电池放电测试时的负载或电池模拟器共用；（8）CISPR 25 测试桌可以和电机电池测试时使用的测试桌共用；（9）新风风机氢燃料系统在测试时会大量消耗暗室内的空气，需要独立的新风进行补充；另外在暗室内出现氢气浓度过高时需用新风稀释浓度和吹扫；（10）其余辅助设备和测试系统，可以和电机电池暗室测试时的设备共用；（11）固定氢气监测系统，手持氢气检测仪；（12）紧急排风系统；（13）防爆摄像头和防爆语音对讲系统；（14）防爆照明系统；（15）满足防爆和通风要求的空调系统。结合氢气的特性和使用要求，无论是暗室设计还是建筑设计，首要考虑的前提就是“安全”，要确保在一个安全的环境下进行实验，确保在实验过程中和实验完成后暗室和建筑安全，以及辅助设备的安全，所以暗室和建筑的设计都要围绕“安全”进行。需要考虑的要点如下：（1）防爆区和非防爆区的布置以及氢格间或氢气存储区的防爆设计：结合设计规范，考虑人员安全，要求使用和存储氢气的位置和区域都要设置防爆区或防爆墙，并在防爆区配置抗爆门或泄爆门，以及相应的防爆人员通道。在 EMC 暗室整体设计时，暗室是主要的使用区域，要把暗室和相应的氢气辅助设备布置在防爆区内，控制室和功放室等功能房间布置在防爆区以外，并采用暗沟和屏蔽通道的方式将暗室和控制室、功放室等功能房间连接起来。氢格间或氢气存储区要求在建筑以外的区域，距离建筑至少 10 m 以上，并且在面向建筑的一侧布置防爆墙；另外氢格间在设计时还需考虑其周围道路和人员的情况，结合实际进行综合设计，氢格间或氢气存储区的大小需要根据被测试氢燃料系统的功率要求、测试时氢气的用量要求等工况综合考虑，且需要满足相应的规范；（2）建筑配电和暗室配电的防爆设计：在氢燃料系统测试区域，建筑上的用电设备和暗室内距离架空地面 0.9 m以上的用电设备需要做防爆设计，例如摄像头、对讲系统、语音系统、新风机、排风机和空调等；（3）在进行氢燃料系统测试阶段，暗室和建筑的空调系统需按照标准的要求，采用全新风空调的方式，防止有泄漏的氢气随空调系统进入到空调风管中或者进入到暗室和建筑的不可控区域；（4）暗室和建筑配置的氢气监测系统、配电箱柜（监测系统和紧急排风机除外）、空调系统和紧急排风机需要做联动控制，当氢气监测系统发出危险报警时，要求空调关机并关闭进风口，同时配电柜