某純電動(dòng)汽車行車EMC問題分析與整改

彭明桐　王福堅(jiān)　謝佶宏　黃祖朋　邵杰

摘 要：在汽車電子電器化占比持續(xù)上升的趨勢下，汽車EMC（電磁兼容性）問題研究越來越成為汽車行業(yè)的一大重要方向。本文通過對某純電動(dòng)汽車研發(fā)過程中一個(gè)EMC問題進(jìn)行逐層分析，定位到根本原因?yàn)榱慵鲗?dǎo)發(fā)射問題，說明了汽車EMC問題研究的重要性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 整車限速 傳導(dǎo)發(fā)射 EMC

1 序言

隨著純電動(dòng)汽車的技術(shù)發(fā)展，以及政府政策的鼓勵(lì)，汽車市場上的純電動(dòng)汽車份額逐年增長，越來越多的消費(fèi)者開始信賴純電動(dòng)汽車。而純電動(dòng)汽車上電子零部件使用情況比傳統(tǒng)燃油車更為復(fù)雜，再加上智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，車上各種電子部件的協(xié)調(diào)工作顯得更為重要。本文通過對某純電動(dòng)汽車的整車限速問題進(jìn)行分析，說明了純電動(dòng)汽車EMC（電磁兼容性）的重要性，在新車型的研發(fā)中能夠重視EMC的開發(fā)工作。

2 問題現(xiàn)象

純電動(dòng)汽車上配備有各種ECU（電子控制單元），其中VCU（整車控制器）是整個(gè)電子系統(tǒng)的核心控制單元。VCU不僅負(fù)責(zé)接收駕駛員駕駛意圖的指令，還需要對汽車各個(gè)零部件工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[1]。整車限速，是指整車出現(xiàn)重要功能故障時(shí)，VCU自動(dòng)將車速限制在一定值以下的一種保護(hù)策略。例如當(dāng)車輛真空泵發(fā)生故障，或者整車扭矩超限時(shí)，VCU會(huì)降低發(fā)送到電驅(qū)系統(tǒng)的扭矩請求，起到整車限速、保障乘員安全的目的。

某純電動(dòng)汽車曾在研發(fā)階段出現(xiàn)過如下限速問題：行車過程中，按下喇叭，車輛報(bào)限速故障燈，整車動(dòng)力瞬間降低，這極可能造成用戶日常使用中出現(xiàn)溜坡、追尾等事故，因此，該問題屬于影響行車安全的嚴(yán)重問題。

3 初步排查

整車報(bào)文數(shù)據(jù)顯示，引起VCU限速策略的直接原因是加速踏板傳感器的供電電壓異常：該傳感器電源電壓持續(xù)15μs超過5.1V時(shí)，會(huì)觸發(fā)VCU整車限速策略。對加速踏板傳感器電壓進(jìn)行采集，結(jié)果如圖1所示：

可以發(fā)現(xiàn)，該電壓超過5.1V的時(shí)間已經(jīng)達(dá)到19μs，因此可以確定加速踏板傳感器電源電壓持續(xù)過高是導(dǎo)致整車限速的直接原因。

4 喇叭的工作原理

該車型使用的電喇叭是機(jī)械喇叭，電喇叭還有另一種類型叫電子喇叭。機(jī)械喇叭相比電子喇叭，具有結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉的特點(diǎn)，也因此而廣泛應(yīng)用于中低端車型上[2]。

機(jī)械喇叭的工作原理如圖2所示：

喇叭工作的電壓在12—14V，電流在5—6A，當(dāng)駕駛員按下方向盤上喇叭開關(guān)K1發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，低壓保險(xiǎn)盒的繼電器閉合，即圖2中的K2，此時(shí)纏繞在銜鐵和擋鐵上的線圈產(chǎn)生電磁場，銜鐵受到電磁力作用后，帶動(dòng)膜片向擋鐵運(yùn)動(dòng)。而運(yùn)動(dòng)一定距離后，銜鐵的位移會(huì)使得觸點(diǎn)斷開，此時(shí)電路中斷，電磁場消失，膜片的彈力作用將銜鐵復(fù)位。而銜鐵復(fù)位后又導(dǎo)致觸點(diǎn)閉合，電路導(dǎo)通，產(chǎn)生的電磁場再次將銜鐵拉向擋鐵。如此反復(fù)循環(huán)，造成膜片往返振動(dòng)，推動(dòng)聲筒內(nèi)部空氣發(fā)出鳴笛聲。

以上過程中，觸點(diǎn)斷開的瞬間，線圈中仍儲(chǔ)存了較大的能量，這些能量需要得到釋放，因此觸點(diǎn)間空氣會(huì)被擊穿，產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。此時(shí)，喇叭電源線回路的電壓瞬間升高，這種現(xiàn)象稱之為電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射。通過測量，傳導(dǎo)發(fā)射電壓達(dá)到29V左右，如圖3所示：

5 整車線束走線分析

EMC問題有三個(gè)要素：干擾源，傳播路徑，敏感設(shè)備。喇叭工作時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)發(fā)射電壓，基本可以斷定為引起整車限速的干擾源;而敏感設(shè)備即加速踏板傳感器。

EMC傳播路徑主要分為輻射和傳導(dǎo)兩種方式。因?yàn)殡娎劝惭b在車輛前艙，而加速踏板安裝在駕駛艙，兩者間的車身可以起到屏蔽電磁波的作用，因此，喇叭產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓通過輻射作用干擾到加速踏板傳感器電源電壓的可能性比較小，而通過整車線束傳遞干擾的可能性更大。

圖4為整車線束部分示意圖：

可以發(fā)現(xiàn)，喇叭與加速踏板傳感器分別接到艙外和艙內(nèi)車身地（加速踏板傳感器電源由VCU提供，地線返還到VCU后通過VCU統(tǒng)一接地到車身），因此由于共地產(chǎn)生干擾的可能性也極小。

考慮到整車線束的復(fù)雜性，需要拆下整車線束做仔細(xì)排查，同時(shí)更換新的整車線束以驗(yàn)證問題是否復(fù)現(xiàn)。經(jīng)過拆解，發(fā)現(xiàn)原整車線束相比設(shè)計(jì)要求上多了三根ESC（車身穩(wěn)定系統(tǒng)模塊）用于給真空泵的真空度傳感器信號(hào)供電，分別為1根電源線，1根地線，1根信號(hào)線，如圖5左上角所示：

實(shí)際上，真空度傳感器的供電已經(jīng)由VCU提供，因此ESC三根線束并沒有裝配的必要。同時(shí)，更換上沒有這三根線束的新整車線束后，車輛限速問題不再復(fù)現(xiàn)。

再考慮到真空度傳感器和加速踏板傳感器都由VCU直接供電，且在VCU內(nèi)部為同一個(gè)電源口，因此可以得到結(jié)論：喇叭的干擾電壓通過艙外保險(xiǎn)盒到達(dá)ESC后，再通過多出的三根線束傳遞到加速踏板傳感器電源口，最終觸發(fā)VCU的整車限速策略;而當(dāng)ESC的三根線束移除后，喇叭的干擾電壓通過前艙保險(xiǎn)盒、艙內(nèi)保險(xiǎn)盒傳遞到VCU時(shí)，VCU具備一定的抗干擾能力，可以始終保持輸出到真空度傳感器、加速踏板傳感器的電壓為正常狀態(tài)，從而避免了整車限速問題的發(fā)生。

6 整車EMC設(shè)計(jì)規(guī)范

隨著純電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，汽車主機(jī)廠對EMC問題的關(guān)注度也應(yīng)該逐漸升高，因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車的電氣架構(gòu)更為復(fù)雜，對整車電磁環(huán)境的要求更為苛刻，EMC風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別比傳統(tǒng)燃油車顯得更為重要。

而隨著EMC正向開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，以零部件的布置設(shè)計(jì)規(guī)范、整車電源和接地設(shè)計(jì)規(guī)范、整車線束設(shè)計(jì)規(guī)范為主要內(nèi)容的整車EMC設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)逐漸成熟。例如敏感零件需要盡可能布置于可借助車身屏蔽車外電磁場干擾作用的地方，整車高壓零部件不應(yīng)與低壓零部件使用共同接地點(diǎn)，整車敏感線束應(yīng)該遠(yuǎn)離大電流線束20cm以上等等。為了減小整車量產(chǎn)后出現(xiàn)EMC問題的風(fēng)險(xiǎn)，各主機(jī)廠在整車開發(fā)過程中應(yīng)該遵守整車EMC設(shè)計(jì)規(guī)范。

7 結(jié)論

本文通過對某純電動(dòng)汽車整車限速問題的分析，闡述了整車EMC問題研究的重要性。實(shí)際上，汽車行業(yè)上由于EMC設(shè)計(jì)不良產(chǎn)生的整車問題還很多，比如純電汽車行駛到變電站附近由于強(qiáng)電場干擾而導(dǎo)致整車電驅(qū)系統(tǒng)停止工作，比如倒車影像使用時(shí)出現(xiàn)花屏，比如收音機(jī)有雜音等，這些問題大概率都屬于EMC問題，它們輕則影響用戶使用體驗(yàn)，重則影響用戶生命安全。因此，為提高汽車產(chǎn)品品質(zhì)，研究并提升整車EMC性能是一個(gè)重要的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋述銓.純電動(dòng)汽車.整車控制器（VCU）研究[J].汽車世界·車輛工程技術(shù)，2019，（第17期）.

[2]方麗琴，劉行，杜雨恒，陳倍彬.汽車電喇叭的失效問題分析[J].汽車電器，2020，（第4期）.