摘要：随着汽车电子化技术的发展，电磁兼容问题成为影响汽车操纵、控制和安全等性能的重要因素。本文阐述了建设汽车电磁兼容试验室的规划，并介绍了在电波暗室、转台转毂、空调及土建各方面的工艺设计参数。
关键词：汽车；电磁兼容；试验室；测试；工艺
中图分类号：TB53 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2013）04-0042-06
1 前言
随着电子技术的飞速发展，在汽车上越来越多地应用操纵、控制、安全、娱乐、显示等各种功能的汽车电子/电器零部件（ESA）。使用ECU/TCU等微处理器、电子传感器和电动执行机构取代传统的机械装置已成为汽车工业技术发展的趋势。目前，电子/电器零部件的成本已占汽车总成本的30%以上。一方面，ESA不断增多；与此同时，ESA的工作频率（如车载雷达、GPS、蓝牙）和发射功率也在逐步提高和增大。
ESA与传统的机械装置存在的根本不同在于ESA存在电磁兼容问题。汽车本身作为一个集成的电磁环境和平台，各ESA之间的电磁兼容性能，直接影响到ESA的工作情况，而涉及操纵、控制和安全的ESA是否正常工作，更是直接关乎汽车的安全性能。同时整车及ESA在周围有强电磁场（如雷达站、高压线、广电发射台和手机基站）的环境下不能受到干扰，而且不能干扰周围其它车辆和电气设备的正常工作。这些因素导致电磁干扰和抗扰问题日益突出，带来了大量的汽车电磁兼容问题。
目前的电磁兼容理论的仿真和分析尚不成熟，最终还是需要通过电磁兼容测试来对汽车的电磁兼容性能进行试验验证。
2 汽车电磁兼容标准
目前国际上主要的汽车整车和零部件电磁兼容标准包括国际标准（如ISO、IEC/CISPR）、国家标准（如欧盟指令及法规、美国SAE、日本JASO等体系）和企业标准。我国的汽车电磁兼容标准主要是等效采用的各种国际标准和欧洲标准。此外，军用汽车及装备还应满足GJB（等效采用美国军标MIL-STD）的相关要求。主要汽车电磁兼容标准如表1所示。
除了上述国际、国家标准外，大型汽车企业如福特、通用、大众、PSA、菲亚特等均制定有各自的企业标准，通常称为OEM标准。OEM标准往往比相应的国际标准更为严格。
3 试验室规划
对汽车整车和零部件，由于背景噪声低的开阔场已很难寻觅，而且抗扰度试验会对外界环境产生危害性场强，此外试验检测需要全天候工作，因此需要建设汽车电磁兼容试验室，用于真实地模拟各种复杂的汽车电磁兼容环境，为整车和零部件的电磁兼容认证和研发、改进服务。
汽车电磁兼容试验室投资巨大、建设周期较长（约2年），因此需要充分研究国内外相关标准和测试方法及其发展趋势，而项目的规划建设应适度超前，不致出现试验室还未建成即落后的情况。
试验室规划时，首先需要考虑试验对象及其尺寸、试验类型、试验级别等，并考虑项目预算情况，合理选择试验室的建设规模及资源配置，并需要考虑今后的扩展升级能力。对于汽车整车试验，需要至少涵盖M1/M2/M3、N1/N2/N3各种车型，试验频率覆盖9 kHz～18 GHz，抗扰度试验电平至少达到ECE R10所要求的20 MHz～2 Ghz频率范围和30 V/m试验场强。
新能源汽车的电磁兼容测试需求，是进行试验室规划必须考虑的重要因素。传统汽车的电磁兼容性能，在不同转速、车速等工况下的差别不大，还可以不配置转毂或配置被动转毂进行试验。而电动和混合动力汽车，在不同负载下的电磁兼容性能有显著区别[1]。这主要是由于电动机在不同负载下的dI/dt、dV/dt的巨大差别所导致的。因此，配备主动式转毂已成为新能源汽车测试的必要条件。
汽车电磁兼容试验室主要由电波暗室、转台转毂、测试设备、空调、土建及公用动力等各系统构成。
电波暗室包括整车半电波暗室、零部件半电波暗室、零部件测试室、转毂室、功放室、控制室等，为汽车电磁兼容试验提供必要的试验环境。为模拟电磁波在地面上的传播规律，整车和零部件的暗室均为半电波暗室。
转台用于测量汽车不同方向的辐射发射，转毂用于模拟汽车行驶工况，包括加减速、滑行、制动等，并可施加预设的道路阻力。
测试设备用于进行EMI、EMS、ESD、瞬态等各种试验项目的程控自动化测试。
空调为电磁兼容提供必要的通风、温湿度控制、汽车尾气的排出等。
4 工艺设计
4.1 电波暗室
电波暗室是汽车整车和零部件试验的主要场地，由屏蔽体、吸波材料和附属设施组成，其中吸波材料的特性至关重要。电波暗室的吸波材料有聚氨酯泡沫型、空心高功率型、薄膜型、复合型等四种[2]。吸波材料的形状被设计成使其阻抗与自由波阻抗相匹配。而吸波材料的有效长度与暗室最低使用频率的四分之一波长相对应。使用不同吸波材料、不同厂商所设计出来的暗室尺寸差别较大，应在电波暗室供应商确定后，再进行母体建筑具体参数的设计。
在暗室施工过程中，即使是薄膜型吸波材料，也会涉及到粘接工艺，会包含一定的甲醛成份。而且一些吸波材料本身也会释放有毒有害物质，在招标文件中可规定室内空气质量的要求作为验收文件的一部分。
如果使用复合吸波材料，需要特别注意的是：铁氧体瓦之间的缝隙大小对吸收性能影响极大，现场安装工艺对低频性能影响非常大。由于汽车需要进行高场强的抗扰度试验，吸波材料将电磁能转化为热能消耗掉，故吸波材料工作时会产生热量，需要高度关注吸波材料的阻燃性能。吸波材料的阻燃特性至少在B2级以上；暗室照明光源附近的吸波材料环境温度较高，阻燃特性应达到B1级以上。
需要在电波暗室内安装试验室标识logo的，最好能在招标技术文件中明确由暗室供应商在设计时一并考虑并负责安装，暗室完工后再行安装比较麻烦，特别是对薄膜型吸波材料。
整车电波暗室的辐射发射试验（GB14023）对应的下限检测频率是30 MHz（对应波长10 m），距点源大于1个波长可作为远场[3]，则所有测试均符合远场测试的要求，而3 m法、5 m法都有部分频段为近场测试。所以，整车电波暗室应选用10米法半电波暗室。
零部件电波暗室目前有CISPR 25暗室、3 m法暗室两种类型。目前，CISPR 25标准已发布第4版草案，给出了150kHz～1GHz场地确认的方法：参考场地法和长线天线法。根据国外现有试验结果，3 m法暗室基本能够符合草案要求，而CISPR 25暗室存在一定比例不符合草案要求。如果经费允许，尽量选用3米法暗室。零部件暗室的测试桌宜采取水平接地的方式，防止暗室地面和棒天线的接地平面之间由于容性耦合而形成的谐振。如果要进行新能源汽车高压部件的测试，还需在零部件暗室中增加高电压、大电流的滤波器，并增大测试桌的尺寸。
电波暗室试验频次较高的天线塔（如整车EMI天线塔），宜采用电动高度调节和极化转换方式。由于供气压力的原因和气动阀的特性，气动方式在启停过程中冲击较大，会造成天线的早期损坏。天线塔应适合所用天线的重量，并带配重块和所使用天线相应的固定适配器。很多暗室供应商提供的天线塔是外包生产的，有些制造商并不了解试验要求，存在着伺服电机背景噪声超标、复合天线的振子之间或后方的部件（如固定螺钉）使用金属等问题。
电波暗室中接口板的数量、类型要事先在合同中规定，相应规格需和测试设备供应商详细协商确定。特别是控制室与转毂室、控制室与功放室之间，需要预留足够数量的光纤接口（包括GPIB光纤）和射频接口，以便进行转毂和功放的控制和射频连接。
暗室中的光纤都应预埋在高架地板之下，经常移动的光纤，如天线塔的光纤，尽量选用强度高的塑料光纤。相当固定的光纤，可选用传输效率高的玻璃丝光纤。暗室内要事先在高架地板内布置线缆通道，通道在转弯处需使用135º钝角过渡，避免直角转弯，通道端头的四周使用软橡胶等防护措施，通道内放置电缆拉索。
需要在在屏蔽体建造完毕之后，安装铁氧体和吸波材料之前，先由暗室供应商进行初试检漏，然后再请计量机构进行屏蔽性能的测试。测试位置应选在屏蔽性能相对薄弱的位置，例如门缝、信号接口板、波导窗、滤波器等。测试时需特别注意低频磁场和高频微波点的结果。涉及高电压应用的零部件暗室，必须进行电场的屏蔽效能测试，需要提前与计量单位联系并支付额外的计量费用。
4.2 转台转毂
汽车电磁兼容试验室为模拟汽车行驶工况需要配置转毂，转毂嵌入在转台之中。因此，转台都是由转毂供应商集成提供。转台四周与暗室的过渡区和接口需要双方进行协商确定。一般要求过渡区是正八边形的形状，圆形过渡会导致暗室施工困难。转台表面与电波暗室地面之间通过导电的电磁兼容性密封件来连接，其导电电阻小于0.5 Ω，间隙为5 mm。
为实现汽车ABS/TCS等工况下的电磁兼容性能测试，4×4独立驱动转毂是必要的（为满足现有标准中的行驶工况，最低限度也需要配备被动式转毂）。为满足电磁兼容试验极低的背景噪声和高试验场强的要求，需要配备为电磁兼容试验所特殊设计的使用直流测功机的转毂。直流电机通过非金属轴与滚筒连接，或者通过采取两端使用接地铜刷的金属轴与滚筒相连，目的是阻隔电机和滚筒之间的辐射影响。
为实现汽车轴距的调节，在轴距范围内使用可移动式履带，各节履带之间有衬垫连接，保证转台的电连续性。使用绝对位移传感器记录转台角度和轴距，并保证断电也不会丢失数据，以防止停电后再上电时转台和轴距调整装置意外移动，损伤车辆。
转台内配备迎面风系统，提供抗扰度扫频试验过程中的车辆冷却。带汽车尾气收集装置，尾排管采用绝缘材料，并能耐受600 ℃以上的高温。
抗扰度试验过程中，车辆内部有危害性高试验场强，为控制车辆运行，需要配备气动驾驶机器人，操作离合器、变速器、油门踏板、点火开关等。还需要气动按钮执行器对车内敏感设备进行操作。
4.3 空调
功放室的试验环境是汽车电磁兼容试验室中最为重要的试验环境。有必要在功放室增加温度监控，防止空调故障导致价值昂贵的功放损坏。功放室空调设计时还须考虑到汽车带状线测试所需要的10 kW（10 k～220 MHz）功放的散热问题，目前该类功放产品已从水冷散热（如AR的L系列）向风冷散热（如AR的A225系列）转化，需要考虑因此带来的空调选型设计问题。
空调风管与暗室的通风波导之间连接时，必须使用防火绝缘型软连接方式，以防止通过空调管道引入电磁骚扰。
整车电波暗室中的主要热源为发动机的散热及轮胎与转毂摩擦转化的热烈。空调系统采用下送风上回风的方式，送风口在高架地板之内和转毂室，其结构如图5。
4.4 土建及公用动力
电波暗室最忌进水和灰尘。土建设计尽量采用钢筋混凝土结构，而不要使用钢构型式，前者的防雨、隔音和保温性能更好而且不需每年进行保养。
对土建的要求除根据工艺要求的承载外，需要考虑到电波暗室地面的平整度不超过5 mm/5 m，而且不允许有累计误差、地面不得朝某个方向倾斜。土建需要提供接地电阻0.5 Ω的接地铜带给暗室接地，可使用四线探棒法通过电桥测试。试验室配电采用3相5线制，每相的负载尽可能平均分配，电波暗室滤波器的进线端之前不能安装漏电保护开关。
汽车电磁兼容试验室一般将转毂室、功放室都放置在地下一层。在南方地区，尽管采取多种防潮措施，夏秋两季地下室的潮气很难避免。地下室可采用通透结构，而且在暗室施工前在地下室配备足够容量的除湿机非常必要。
电波暗室的滑动门、转毂的刹车系统需要使用压缩空气，需要配备足够容量的气源和冷干机等过滤装置。
4.5 项目协调
汽车电磁兼容实验室的建设是一个复杂的系统工程。涉及面到包括测试设备在内的各个供应商。各方在工艺、实施进度等各方面的配合、协调是项目正常开展的必要条件。其中，电波暗室与土建、电波暗室与测试设备、电波暗室与转台转毂之间的接口是最重要的。
业主方要根据项目的实施情况，在合适的阶段牵头召集各方进行项目的工艺、进度、接口的协调会，明确各方的职责和要求，是项目建设推进的必要条件。项目协调会需要召开多次，尤其是对专业经验欠缺的土建设计方和施工方来说，可从其他各方的经验中得到启发，且有效避免推诿、扯皮现象。
5 性能测试
国家汽车质量监督检验中心（襄阳）自2008年底启动建设汽车电磁兼容试验室，于2010年7月完成了电波暗室屏蔽效能的测试，同年12月经奥地利Seiberdorf试验室完成场均匀性测试、场地电压驻波比的测试，2011年4月由中国计量院进行了场均匀性测试和背景噪声测试。相关测试结果如表2。
后经试验室自行测试，30 MHz以下的磁场和电场背景噪声也低于GB/T 18387-2008限值线10 dB。
其后，又陆续建成了汽车整车及零部件EMI测试系统、零部件EMS测试系统、零部件传导及BCI屏蔽室、整车EMS测试系统等，全面形成了汽车电磁兼容试验能力。
6 结束语
本文是对汽车电磁兼容试验室建设及工艺设计过程中相关经验和教训的一些总结，期冀对汽车电磁兼容试验室的建设者有所裨益。
汽车电磁兼容试验室的建设，形成了汽车电磁兼容试验研究的环境及试验条件，对于提升汽车电磁兼容性能，特别是电子电器产品的质量和可靠性，具有非常重要的现实意义。
参考文献：
[1] SAE J551-5-2012. Performance Levels and Methods of Measurement of Magnetic and Electric Field Strength from Electric Vehicles， 150 kHz to 30 MHz[S].2012.
[2] 高攸刚，张苏慧. 5米法电波暗室[J]. 安全与电磁兼容， 2003（2）： 30-31.
[3] F.W. Trautnitz. 暗室吸波材料的进展与场地电压驻波比验证方法[J]. 安全与电磁兼容， 2008（4）： 45-48.
[4] GB 50019-2003 采暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.