電動汽車常見的EMC問題與特性

1、電動汽車常見的EMC問題與特性摘要：本文闡述了電動汽車電磁環(huán)境的復雜性.從系統(tǒng)間干擾和系統(tǒng)內干擾兩個層次描述了電動汽車試制階段遇到的一些與EMC相關的問題,包括整車輻射發(fā)射超標、車載充電機傳導發(fā)射超標、收音機AM頻段接收異常、CAN信號失真、“掉高壓故障、助力轉向器失效、電池單體過電壓等情況,并概括了這些問題的典型特征.關鍵詞：電動汽車；電磁兼容；電磁干擾；系統(tǒng)間干擾；系統(tǒng)內干擾1電動汽車電磁環(huán)境的復雜性傳統(tǒng)燃油轎車采用12V蓄電池供電,開展初期車內產(chǎn)生干擾的裝置主要有點火系統(tǒng)、雨刮電機、暖風機等,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技術的開展,整車EMC設計性能普遍滿足

2、設計要求.純電動汽車采用電機驅動,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)絡連接圖,HV系統(tǒng)包括動力蓄電池其限制單元為電池治理系統(tǒng),簡稱BMS、高壓限制盒、驅動電機、電機限制器MCU、電動空調壓縮機限制器、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.整車限制器VCU是整車的限制大腦,通過CAN網(wǎng)絡實現(xiàn)各工況優(yōu)化限制.MCUDC/DC變換器等部件大多采用電力電子開關器件,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,電磁耦合路徑復雜,CAN網(wǎng)絡、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

3、網(wǎng)絡連接圖隨著車載智能化、娛樂化設備的不斷增加,且這些設備具有高頻、高速、高靈敏度、多功能、小型化的特點,導致這些設備產(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)境更加復雜.從而給國內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)相連接的設備的EMC是否滿足國家法規(guī).目前,我國強制認證CCC業(yè)務中,與電動汽車相關的EMC認證工程包括兩個標準,即GB/T18387-2021和GB14023-2021,其中GB/T18387包括整車輻射發(fā)射測試和充電系統(tǒng)傳導

4、發(fā)射測試,GB14023僅包括整車輻射發(fā)射測試.電動汽車整車滿足EMCt規(guī)認證并不代表整車系統(tǒng)內EMC設計非常好.2.1GB/T18387輻射發(fā)射測試超標某樣車在16km/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準要求,磁場發(fā)射測試結果如圖2所示.圖2X方向磁場輻射測試結果I-1-I1-1.1JriL(ril(t/I-rilI123*5一_IE_磁場輻射發(fā)射超標頻段主要集中在9160kHz,根據(jù)不同車型測試經(jīng)驗,MCU工作時IGBT開關頻率810kHz及其諧波是導致測試超標的根源.由于GB/T18387沒有明確提出OBC傳導發(fā)射C日測試布置等細節(jié),某款額定功率為3.3kW的OBC根

5、據(jù)QC/T895-2021電動汽車用傳導式車載充電機6.7.1所規(guī)定的電磁騷擾性要求對應GB/T18487.3-2001中11.3.2的要求進行CE測試,測試的頻率范圍是0.1530MHz,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LISN連接到供電網(wǎng)上.筆配本限制:h8 圖3某款OBC的CE測試布置圖始汽$資源用!乍載充甩機接甩陽性負數(shù)更流CE測試結果如圖4所示,可知在1530MHz幾乎整個測試頻段均有超標現(xiàn)象,OBC工作時其內部MOSFET的開關頻率及其諧波導致低頻段超標,特別在高頻時,受OBC內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,導致高頻段

6、超標明顯,且在7MHz附近出現(xiàn)一個干擾最大值.圖5為某樣車執(zhí)行GB14023-2021“上電且發(fā)動機不運轉右側垂直極化的測試結果,超標頻點固定為81MHz和459MHz.5060Hl圖5右側垂直極化測試結果上,1了I州riA*hJI4023-2021AVLimitLint-IO_對干擾源進行了詳細分析,車載儀表限制板上頻率為27MHz的高速時鐘信號是導致該模式下測試超標的干擾源.3電動汽車系統(tǒng)內干擾問題收音機、CAN網(wǎng)絡以及車速信號等受到干擾后,可能導致局部車載電器部件工作異常,甚至導致整車故障,且故障排查難度較大,導致車輛調試周期變長,車輛一致性、可靠性、平安性變差,零部件“故障率提升.3.

7、1 收音機AM頻段收音異常開啟某車型的U音機,在AM頻段,整車高壓上電前后聽感差異較大,當移動收音天線遠離前機艙蓋時,聽感變好.使用頻譜儀搜索500kHz2MHz范圍內收音天線輸入接口附近的EMI情況,高壓上電前后差異很大,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500700kHz、0.81.1MHz1.151.4MHz以及1.4MHz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“信號失真CAN網(wǎng)絡是電動汽車限制的中

8、樞神經(jīng),用于傳輸各種限制、反應、故障等重要信息.CAN網(wǎng)絡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,直接影響整車的平安性.圖8為某車型網(wǎng)絡節(jié)點,其中FCBUSEVBUS以及VBUS為電動汽車CAN網(wǎng)絡.圖8中EVBUS網(wǎng)絡節(jié)點上CAN收發(fā)電路設計不當,以及受EMI影響,EVBUS信號失真現(xiàn)象較明顯,如圖9所示,CAN_HCAN_L及差分信號均出現(xiàn)較大擾動,其中差分CAN總線信號尖峰幅值超過50.8V,且表現(xiàn)為周期性,總線上出現(xiàn)大量錯誤幀.我公司節(jié)點電壓幅值技術要求見表1.圖8某車型網(wǎng)絡節(jié)點圖9信號失真的EVBUS波形表1CAN總線電壓幅值要求總線

9、狀態(tài)參數(shù)符號最小值/V標稱值/V最大值/V隱性狀態(tài)總線電壓VCAN_H2.02.53.0VCAN_L2.02.53.0差分電壓Vdiff-0.500.05顯性狀態(tài)總線電壓VCAN_H2.753.54.5VCAN_L0.51.52.25差分電壓Vdiff1.52.03.0備注Vdiff=VCAN_H-VCAN_L3.3 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平安性,VCU采取強制舉措斷開整車高壓供電.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

10、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.該車的換檔手柄限制電路如圖10所示,其輸出信號SW1SW4為電平信號,不同SW1SW4的組合輸出邏輯對應不同P、RND檔位；其正常電平幅值為4.55.0V.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)排查得出如下結論：DC/DC變換器工作時,12V電源線上有較大周期性電壓尖峰峰峰值較高,且檔位手柄限制電路缺乏足夠的抗擾度設計缺乏濾波電容、儲能電容等,從而導致上述限制電路輸出電平不穩(wěn)定,當VCU無法正確識別檔

11、位信息時,VCU發(fā)出關閉高壓主繼電器的指令,從而產(chǎn)生“掉高壓故障.圖10換檔手柄限制電路圖3.4 電動真空助力制動系統(tǒng)“助力缺乏電動汽車電動真空助力制動系統(tǒng),主要由限制器、電動真空泵、真空罐帶壓力傳感器輸出信號、儲氣罐等構成,其工作可靠性關系到車輛的制動平安.,cartech8,cor換向片電刷(a)真空泵外形圖某款旋片式電動真空泵,其外形結構如圖11(a)所示,電源線輸入為DC12V.泵體內部為直流有刷電機,電機結構如圖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.(b)電機結構圖x：口厘匚口(c)電機原理圖圖11某真空泵外形、電機結構及電機原理框圖wvmxar該款真

12、空泵安裝于某批次試驗樣車,當圖12(a)中所示A部件工作時,假設此時踩下制動踏板,真空泵助力缺乏且伴有電機堵轉聲音,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,12V電壓上疊加了較多EMI,導致電機電源線上電壓時高時低,電機產(chǎn)生堵轉.(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Mod

13、ule12內有單體Cell27、Cell28和Cell29,Module23內有單體Cell56、Cell57、Cell58.圖13模組布局出現(xiàn)“過電壓的電池單體包括Cell12、Cell40、Cell56、Cell59,監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示,Cell56單體“過電壓次數(shù)最多.某一工況下,采集Cell12、Cell56以及正常的Cell27布局位置和Cell56一致單體電壓波形,如圖14所示.kJ圖14Cell單體電壓波形由圖14可知,Cell12、Cell56電壓波形中均帶有較大“毛刺,而Cell27波形較好.將正常的Module23和Module12位置互換后,Cell27單體電壓波形和互換前Ce

14、ll56電壓波形根本一致,這說明Module23本身沒有問題.排查發(fā)現(xiàn)互換前Cell56和Cell27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Cell27單體兩端,采集的電壓值V27送電池治理系統(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Module23和Module22之間的物理連接,因此Cell56單體電壓測試值圖15中V56包含兩局部：Cell56單體真實電壓值和Bus-bar上的電壓降.對Cell12、Cell40、Cell59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上的電壓降有關系.圖15單體電壓采集差異假設該動力蓄電池輸出端接純電阻性負載,Cell12、Cell40、Cell56、Cell59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,Cell12、Cell40、