新能源汽車EMC

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. 摘要：本文闡述了電動汽車電磁環(huán)境的復(fù)雜性。從系統(tǒng)間干擾和系統(tǒng)內(nèi)干擾兩個層次描述了電動汽車試制階段遇到的一些與EMC相關(guān)的問題，包括整車輻射發(fā)射超標(biāo)、車載充電機傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)、收音機AM頻段接收異常、CAN信號失真、“掉高壓”故障、助力轉(zhuǎn)向器失效、電池單體過電壓等情況，并概括了這些問題的典型特征。 關(guān)鍵詞：電動汽車；電磁兼容；電磁干擾；系統(tǒng)間干擾；系統(tǒng)內(nèi)干擾 1電動汽車電磁環(huán)境的復(fù)雜性 傳統(tǒng)燃油轎車采用12 V蓄電池供電，發(fā)展初期車內(nèi)產(chǎn)生干擾的裝置主要有點火系統(tǒng)、雨刮電機、暖風(fēng)機等，工作時影響車載收音機的正常工作。隨著上述零部件及整車EMC技術(shù)的發(fā)展，整車EMC設(shè)計性能普遍滿足設(shè)計要求。 純電動汽車采用電機驅(qū)動，動力蓄電池作為主要儲能裝置。圖1為某車型高壓（HV）電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接圖，HV系統(tǒng)包括動力蓄電池（其控制單元為電池管理系統(tǒng)，簡稱BMS）、高壓控制盒、驅(qū)動電機、電機控制器（MCU）、電動空調(diào)壓縮機控制器、DC/DC變換器等部件，同時還增加了車載充電機（OBC）以及直流快充口，用于給動力蓄電池充電。整車控制器（VCU）是整車的控制大腦，通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各工況優(yōu)化控制。MCU、DC/DC變換器等部件大多采用電力電子開關(guān)器件，工作時產(chǎn)生較大EMI噪聲，是重要的干擾源，電氣線束分布較廣，電磁耦合路徑復(fù)雜，CAN網(wǎng)絡(luò)、傳感器信號線等敏感裝置極易受到干擾。 圖1某車型HV電氣系統(tǒng)及CAN網(wǎng)絡(luò)連接圖 隨著車載智能化、娛樂化設(shè)備的不斷增加，且這些設(shè)備具有高頻、高速、高靈敏度、多功能、小型化的特點，導(dǎo)致這些設(shè)備產(chǎn)生EMI和受到EMI影響的概率大大增加，使得電動汽車EMC環(huán)境更加復(fù)雜。從而給國內(nèi)眾多新能源汽車廠家在試制階段解決EMI問題帶來了很大難題。 2電動汽車系統(tǒng)間干擾 電動汽車系統(tǒng)間EMC主要考察車輛行駛時對周圍環(huán)境的輻射發(fā)射以及充電時充電系統(tǒng)和充電站等與電網(wǎng)相連接的設(shè)備的EMC是否滿足國家法規(guī)。目前，我國強制認(rèn)證（CCC）業(yè)務(wù)中，與電動汽車相關(guān)的EMC認(rèn)證項目包括兩個標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 18387-2008和GB 14023-2011，其中GB/T 18387包括整車輻射發(fā)射測試和充電系統(tǒng)傳導(dǎo)發(fā)射測試，GB 14023僅包括整車輻射發(fā)射測試。電動汽車整車滿足EMC法規(guī)認(rèn)證并不代表整車系統(tǒng)內(nèi)EMC設(shè)計非常好。 2.1 GB/T 18387輻射發(fā)射測試超標(biāo) 某樣車在16 km/h車速下，X方向磁場輻射測試和電場輻射測試均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，磁場發(fā)射測試結(jié)果如圖2所示。 圖2 X方向磁場輻射測試結(jié)果 磁場輻射發(fā)射超標(biāo)頻段主要集中在9~160 kHz,根據(jù)不同車型測試經(jīng)驗，MCU工作時IGBT開關(guān)頻率（8~10 kHz）及其諧波是導(dǎo)致測試超標(biāo)的根源。 2.2某款OBC傳導(dǎo)發(fā)射測試超標(biāo) 由于GB/T 18387沒有明確提出OBC傳導(dǎo)發(fā)射（CE）測試布置等細(xì)節(jié)，某款額定功率為3.3 kW的OBC按照QC/T 895-2011電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機6.7.1所規(guī)定的電磁騷擾性要求（對應(yīng)GB/T 18487.3-2001中11.3.2的要求）進行CE測試，測試的頻率范圍是0.15~30 MHz，測試布置如圖3所示，車載充電機交流輸入端通過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）連接到供電網(wǎng)上。 圖3某款OBC的CE測試布置圖 CE測試結(jié)果如圖4所示，可知在15~30 MHz幾乎整個測試頻段均有超標(biāo)現(xiàn)象，OBC工作時其內(nèi)部MOSFET的開關(guān)頻率及其諧波導(dǎo)致低頻段超標(biāo)，特別在高頻時，受OBC內(nèi)部電子器件及連接線纜寄生參數(shù)影響，以及OBC存在接地、屏蔽等問題，導(dǎo)致高頻段超標(biāo)明顯，且在7 MHz附近出現(xiàn)一個干擾最大值。 圖4某款OBC其CE測試結(jié)果 2.3 GB 14023輻射發(fā)射測試超標(biāo) 圖5為某樣車執(zhí)行GB 14023-2011“上電且發(fā)動機不運轉(zhuǎn)”右側(cè)垂直極化的測試結(jié)果，超標(biāo)頻點固定為81 MHz和459 MHz。 圖5右側(cè)垂直極化測試結(jié)果 對干擾源進行了詳細(xì)分析，車載儀表控制板上頻率為27 MHz的高速時鐘信號是導(dǎo)致該模式下測試超標(biāo)的干擾源。 3電動汽車系統(tǒng)內(nèi)干擾問題 收音機、CAN網(wǎng)絡(luò)以及車速信號等受到干擾后，可能導(dǎo)致部分車載電器部件工作異常，甚至導(dǎo)致整車故障，且故障排查難度較大，導(dǎo)致車輛調(diào)試周期變長，車輛一致性、可靠性、安全性變差，零部件“故障率”提高。 3.1收音機AM頻段收音異常 開啟某車型的收音機，在AM頻段，整車高壓上電前后聽感差別較大，當(dāng)移動收音天線遠離前機艙蓋時，聽感變好。使用頻譜儀搜索500 kHz~2 MHz范圍內(nèi)收音天線輸入接口附近的EMI情況，高壓上電前后差別很大，圖6、圖7分別為高壓系統(tǒng)上電前后收音天線附件測得的干擾頻譜。由圖7可知，高壓上電后，在500~700 kHz、0.8~1.1 MHz、1.15~1.4 MHz、以及1.4 MHz以后頻段，都有較明顯干擾，主要由MCU和DC/DC變換器工作時高壓線纜輻射發(fā)射所致。 圖6高壓系統(tǒng)上電前收音天線附件干擾頻譜 圖7高壓系統(tǒng)上電后收音天線附近干擾頻譜 3.2 CAN網(wǎng)絡(luò)“信號失真” CAN網(wǎng)絡(luò)是電動汽車控制的中樞神經(jīng)，用于傳輸各種控制、反饋、故障等重要信息。CAN網(wǎng)絡(luò)波形存在周期性電壓尖峰是電動汽車試制過程中遇到的最普遍問題之一，一些重要信息的誤報、漏報，直接影響整車的安全性。圖8為某車型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其中FCBUS、EVBUS以及VBUS為電動汽車CAN網(wǎng)絡(luò)。 圖8中EVBUS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上CAN收發(fā)電路設(shè)計不當(dāng)，以及受EMI影響，EVBUS信號失真現(xiàn)象較明顯，如圖9所示，CAN_H、CAN_L及差分信號均出現(xiàn)較大擾動，其中差分信號尖峰幅值超過50.8 V，且表現(xiàn)為周期性，總線上出現(xiàn)大量錯誤幀。我公司CAN總線節(jié)點電壓幅值技術(shù)要求見表1。 圖8某車型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 圖9信號失真的EVBUS波形 表1 CAN總線電壓幅值要求 總線狀態(tài) 參數(shù) 符號 最小值/V 標(biāo)稱值/V 最大值/V 隱性狀態(tài) 總線電壓 VCAN_H 2.0 2.5 3.0 VCAN_L 2.0 2.5 3.0 差分電壓 Vdiff -0.5 0 0.05 顯性狀態(tài) 總線電壓 VCAN_H 2.75 3.5 4.5 VCAN_L 0.5 1.5 2.25 差分電壓 Vdiff 1.5 2.0 3.0 備注 Vdiff= VCAN_H - VCAN_L 3.3車輛行駛過程中“掉高壓” 某試驗樣車行駛過程中經(jīng)常出現(xiàn)“掉高壓”的故障，導(dǎo)致此類故障發(fā)生的原因最有可能是動力蓄電池或電機系統(tǒng)出現(xiàn)過溫、過流等一級故障，為保護車輛及駕乘人員的安全性，VCU采取強制措施斷開整車高壓供電。 讀取該車監(jiān)控數(shù)據(jù)，并未發(fā)生上述情況，因此需考慮是否存在EMI問題。通過對該車換檔手柄連接線束的近場診斷，發(fā)現(xiàn)其電源線、信號線周圍均有較大騷擾信號。該車的換檔手柄控制電路如圖10所示，其輸出信號SW1~SW4為電平信號，不同SW1~SW4的組合輸出邏輯對應(yīng)不同（P、R、N、D）檔位；其正常電平幅值為4.5~5.0 V。換檔手柄和VCU之間采用較長的普通線纜連接，存在線纜耦合輻射干擾導(dǎo)致上述電平信號不穩(wěn)定的可能性，但采用屏蔽防波套對該連接線纜屏蔽處理后，問題依然沒有解決，后經(jīng)排查得出如下結(jié)論：DC/DC變換器工作時，12 V電源線上有較大周期性電壓尖峰（峰峰值較高），且檔位手柄控制電路缺乏足夠的抗擾度設(shè)計（缺乏濾波電容、儲能電容等），從而導(dǎo)致上述控制電路輸出電平不穩(wěn)定，當(dāng)VCU無法正確識別檔位信息時，VCU發(fā)出關(guān)閉高壓主繼電器的指令，從而產(chǎn)生“掉高壓”故障。 圖10換檔手柄控制電路圖 3.4電動真空助力制動系統(tǒng)“助力不足” 電動汽車電動真空助力制動系統(tǒng)，主要由控制器、電動真空泵、真空罐（帶壓力傳感器輸出信號）、儲氣罐等構(gòu)成，其工作可靠性關(guān)系到車輛的制動安全。 某款旋片式電動真空泵，其外形結(jié)構(gòu)如圖11（a）所示，電源線輸入為DC 12 V。泵體內(nèi)部為直流有刷電機，電機結(jié)構(gòu)如圖11（b）所示。電氣示意圖如圖11（c）所示，接地符號代表真空泵外殼。 （a）真空泵外形圖 （b）電機結(jié)構(gòu)圖 （c）電機原理圖 圖11某真空泵外形、電機結(jié)構(gòu)及電機原理框圖 該款真空泵安裝于某批次試驗樣車，當(dāng)圖12（a）中所示A部件工作時，若此時踩下制動踏板，真空泵助力不足且伴有電機堵轉(zhuǎn)聲音，采用示波器采集其電源線上信號，波形如圖12（b）所示，以電壓波形為例，12 V電壓上疊加了較多EMI，導(dǎo)致電機電源線上電壓時高時低，電機產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。 （a）真空泵安裝位置 （b）電機波形和電流波形 圖12真空泵安裝位置及電源線電壓、電流波形 3.5電池單體“過電壓” 某車型動力蓄電池在急加速和急減速階段，頻繁斷高壓，監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示動力蓄電池CAN報告中有單體過電壓一級故障。乙產(chǎn)品電池包里有34個模組（Module），模組布局如圖13所示，整個模組組合中共計有91個電池單體（Cell），其中Module 12內(nèi)有單體Cell 27、Cell 28和Cell 29，Module 23內(nèi)有單體Cell 56、Cell 57、Cell 58。 圖13模組布局 出現(xiàn)“過電壓”的電池單體包括Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59，監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，Cell 56單體“過電壓”次數(shù)最多。某一工況下，采集Cell 12、Cell 56以及正常的Cell 27（布局位置和Cell 56一致）單體電壓波形，如圖14所示。 圖14 Cell單體電壓波形 由圖14可知，Cell 12、Cell 56電壓波形中均帶有較大“毛刺”，而Cell 27波形較好。將正常的Module23和Module 12位置互換后，Cell 27單體電壓波形和互換前Cell 56電壓波形基本一致，這說明Module 23本身沒有問題。 排查發(fā)現(xiàn)互換前Cell 56和Cell 27單體電壓采集存在較大差異，如圖15所示，M12電壓采集電路直接連接在Cell 27單體兩端，采集的電壓值V27送電池管理系統(tǒng)處理。M23電壓采集電路跨接了較長的銅排連接線（Bus-bar），該Bus-bar用于Module 23和Module22之間的物理連接，因此Cell 56單體電壓測試值（圖15中V56）包含兩部分：Cell 56單體真實電壓值和Bus-bar上的電壓降。對Cell 12、Cell 40、Cell 59進行排查，也發(fā)現(xiàn)同樣問題，這說明Cell單體“過電壓”與Bus-bar上的電壓降有關(guān)系。 圖15單體電壓采集差異 若該動力蓄電池輸出端接純電阻性負(fù)載，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59單體電壓正常，說明Bus-bar上等效電阻產(chǎn)生的電壓降可以接受，車上動力系統(tǒng)工作后，電壓波形有較大變化，說明Bus-bar上可能有來自整車的傳導(dǎo)性EMI。 車輛急加速、減速階段，動力蓄電池分別處于“急速放電”和“急速充電”狀態(tài)，在上述兩狀態(tài)，動力母線上di/dt均較大，且含有高頻分量。經(jīng)排查，Cell 12、Cell 40、Cell 56、Cell 59電壓采集時跨接的Bus-bar大概長度分別為39 cm、42 cm、59 cm、49 cm。在高頻環(huán)境下較長的Bus-bar上的等效電感分量不能忽略，會在Bus-bar上產(chǎn)生較大的電壓波動，導(dǎo)致Cell單體“過電壓”。 4結(jié)語 EMC影響信號質(zhì)量，有可能引發(fā)整車行駛安全問題，是我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化不得不面臨的一個共性問題，應(yīng)該引起各電動汽車生產(chǎn)廠家的重視。研究電動汽車系統(tǒng)級EMC設(shè)計可降低因EMI問題導(dǎo)致試制車輛試驗周期變長、產(chǎn)品上市時間推遲的風(fēng)險。 .