純電動汽車集成控制器低壓采樣干擾問題改善

陳鵬，李海波，呂鑒武，趙建華，羅凡

摘? 要：為改善搭載集成式電驅(qū)動系統(tǒng)的某純電動汽車開發(fā)過程中出現(xiàn)的動力丟失問題，通過故障FTA分析、實車靜態(tài)和動態(tài)的驗證，發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速工況下整車EMC對集成控制器的低壓采樣存在干擾。通過對集成控制器的硬件和控制策略進行優(yōu)化分析，并進行了臺架測試、板級測試和整車試驗驗證，得出了軟硬件協(xié)調(diào)優(yōu)化能有效抗干擾的結(jié)論。降低了今后新項目的開發(fā)風險，節(jié)省了新項目的開發(fā)周期和開發(fā)費用。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;集成式電驅(qū)動系統(tǒng);低壓采樣;抗干擾

中圖分類號：U469.72+2? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1005-2550（2021）04-0038-05

Improvement Of Low-voltage Sampling Interference Problem Of Electric Vehicle Integrated Controller

CHEN Peng ， LI Hai-bo ， LV Jian-wu ， ZHAO Jian-hua ， LUO Fan

（ Dongfeng Motor Corporation R&D Center，Wuhan 430058， China ）

Abstract： In order to improve the problem of power loss during the development of a electric vehicle equipped with an integrated electric drive system， through fault FTA analysis， static and dynamic verification of the real vehicle， It was found that the EMC of the whole vehicle interferes with the low voltage sampling of the integrated controller under high speed conditions. Through the optimization analysis of the hardware and control strategy of the integrated controller， and carried out bench test， board level test and vehicle test verification， the conclusion that the coordinated optimization of software and hardware can effectively resist interference is obtained. It reduces the development risk of new projects in the future， saves the development cycle and development costs.

Key Words： Electric Vehicle， Integrated Electric Drive System， Low Voltage Sampling， Anti-interference

1? ? 前言

純電動汽車具有高效率、低噪聲、零排放等顯著優(yōu)點，在環(huán)保和節(jié)能方面有著不可比擬的優(yōu)點，其應用和普及已成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[1]。車載電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵核心技術(shù)，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，高度集成的電驅(qū)動系統(tǒng)成為了研究與設(shè)計的熱門方向，其具有成本低、布置靈活等優(yōu)勢[2]。然而當電驅(qū)動系統(tǒng)的集成度較高時，集成單元的安全性和可靠性容易受到影響，這對集成式電驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性和智能化控制提出了更高的要求[3]。

本文以搭載集成式電驅(qū)動系統(tǒng)的某款純電動轎車為研究對象，針對集成控制器低壓采樣受干擾的問題，通過故障FTA分析、實車靜態(tài)復查和動態(tài)驗證，鎖定了故障原因，并對集成控制器的硬件和控制策略進行優(yōu)化分析，同時通過了臺架測試、板級測試和整車試驗驗證，解決了故障問題，并有助于降低今后新項目的開發(fā)風險，節(jié)省了開發(fā)周期和開發(fā)費用。

2? ? 問題產(chǎn)生

某新開發(fā)EV車型搭載的集成控制器將整車控制器（VCU）、電機控制器（MCU）及DC-DC轉(zhuǎn)換器集為一體。在整車可靠耐久性試驗過程中，車輛在高環(huán)上高速行駛時出現(xiàn)多次動力丟失，且儀表上蓄電池和電機故障燈點亮，下電后再次上電儀表顯示恢復正常，如下圖1所示：

由圖1儀表界面顯示可知，在高環(huán)行駛過程中出現(xiàn)動力丟失且高壓斷電的現(xiàn)象，同時儀表上故障燈被點亮，當前檔位在D檔，車速為140km/h。車輛無動力高速滑行容易導致永磁同步電機的反電動勢失控，從而引起IGBT被擊穿，集成控制器燒毀等不良后果[4]。為了避免集成控制器被損壞，需要確定該故障發(fā)生的原因并提出解決方案。

3? ? 原因分析

針對高環(huán)行駛動力丟失的故障現(xiàn)象，結(jié)合整車控制策略，對其進行FTA分析[5]，列出所有可能引起動力丟失的原因，并逐項梳理分析，如圖2所示。

通過圖2的FTA分析，梳理出六種可能的原因，并分別在車輛處于靜態(tài)和動態(tài)的情況下進行故障原因復查。

當故障車輛處于靜態(tài)時，檢查電池包狀態(tài)良好，排除進水或電芯漏液等故障原因，同時復查車輛網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、低壓線路及控制器硬件器件狀態(tài)情況，如下圖3所示。通過狀態(tài)復查，發(fā)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊和靜態(tài)低壓供電均正常、同時集成控制器硬件完好無損壞?？梢耘懦鼵AN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、CAN線短斷路、低壓線束短斷路及集成控制器硬件器件損壞等故障原因。

再次進行整車故障再現(xiàn)試驗，安裝數(shù)據(jù)采集儀跟車采集CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，捕捉故障現(xiàn)象。如圖4所示。

從圖4可知，車速120km/h左右，再次出現(xiàn)了動力中斷的現(xiàn)象。對CAN網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)電機系統(tǒng)和VCU均報高等級故障，VCU保護性降低扭矩至0Nm，隨后高壓斷電。在此期間，DCDC穩(wěn)定輸出大于12.5V的供電電壓，保證了蓄電池的充電需求，同時在駕駛過程中未開啟大負載低壓電器，故實際的蓄電池電壓應保持穩(wěn)定，然而CAN上采集到的蓄電池電壓瞬斷至7.5V左右，這說明控制器的低壓采樣受到了干擾。綜合上述數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，可以將高環(huán)動力中斷的原因鎖定在動態(tài)工況下硬件低壓采樣電路受干擾和控制器低壓饋電保護上。

4? ? 解決對策

針對集成控制器低壓采樣電路受干擾及低壓饋電保護策略導致的動力中斷問題，分別對控制器的硬件電路和軟件控制策略進行優(yōu)化。

4.1? ?集成控制器硬件優(yōu)化

集成控制器低壓采樣電路在整車高轉(zhuǎn)速工況下容易受到電磁干擾從而造成采樣電壓的波動，通過在原有的硬件電路基礎(chǔ)上增加穩(wěn)壓電容C1，并修改了濾波電阻R1的阻值，增強了電路的電磁抗干擾能力[6]，如下圖5所示。

根據(jù)上圖5（a）、（b）所示，在硬件電路優(yōu)化前后分別在測功機臺架上模擬整車高速工況，監(jiān)測集成控制器輸出的電壓波形，如圖6所示：

圖6（a）所示，優(yōu)化前集成控制器低壓采樣電路輸出的電壓VCU_BatteryVoltage在高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)異常波動，電壓從11V波動到7.84V，這是因為在高轉(zhuǎn)速大扭矩的工況下，較大的母線電流及IGBT等功率元器件高速的開通關(guān)斷會產(chǎn)生較強的電磁干擾，而優(yōu)化前的硬件電路抗EMC干擾能力較弱，導致低壓采樣電壓產(chǎn)生較大的波動;按圖5（b）所示對集成控制器低壓采樣電路完成優(yōu)化后，增加的電容C1能夠濾掉電壓信號中大部分交流成分，電容C2進一步進行濾波，使輸出的電壓穩(wěn)定，同時減小R1的阻值能夠減少通過電阻的電壓降，使進入AD采樣的電壓值更真實，這些改進均可增強低壓采樣電路的抗EMC干擾能力。如圖6（b）所示，試驗數(shù)據(jù)中輸出的電壓在高轉(zhuǎn)速下波形平滑，無異常波動。因此硬件電路優(yōu)化后對采樣電壓的抗干擾能力有顯著提升。

4.2? ?控制策略優(yōu)化

由于低壓采樣電路受干擾采集到較低的蓄電池電壓，導致控制策略觸發(fā)低壓保護，進而使得驅(qū)動電機的扭矩受到限制，出現(xiàn)動力丟失的問題。因此需要在整車控制策略上針對硬件采集的電壓信號進行濾波處理，降低敏感度，屏蔽低壓異常波動，同時需要確保在行車過程中如果出現(xiàn)真實低壓掉電現(xiàn)象，VCU能夠進入保護控制策略，限制驅(qū)動功率為0，并發(fā)送維持高壓狀態(tài)指令。在Simulink中搭建電壓過濾仿真模型并進行仿真，如圖7所示：

根據(jù)圖7（a）搭建的Simulink仿真模型，用Signal Builder模擬電壓的異常波動，由圖7（b）可知，經(jīng)過低壓濾波計算后，在標定時間內(nèi)可以保證輸出高于控制器工作所需的9V電壓，確保控制器能夠屏蔽硬件電路上傳來的異常電壓波動，在非真實低電壓情況下不會觸發(fā)保護策略，使車輛不出現(xiàn)動力丟失，高壓下電的故障。由圖7（c）可知，當出現(xiàn)真實的低壓異?，F(xiàn)象時，輸入電壓經(jīng)過濾波優(yōu)化后，在標定的時間內(nèi)輸出最低標定電壓，超時后即輸出實際的低電壓，并上報故障碼。

4.3? ?試驗驗證

將仿真驗證后的策略模型集成到整車控制策略內(nèi)，并將代碼刷寫到已硬件優(yōu)化后的集成控制器內(nèi)，通過CANoe進行桌面測試驗證，如圖8所示：

通過CANoe模擬發(fā)布電池、電機、附件等報文信息，使控制器在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)高速動態(tài)驗證，觀測CAN報文發(fā)現(xiàn)將開關(guān)電源電壓關(guān)斷后，控制器實現(xiàn)動態(tài)保護策略，保證高壓未掉，如圖9所示：

由圖9可知，通過在CAN上發(fā)布蓄電池電壓瞬斷到0V的報文來模擬蓄電池電壓的異常波動，發(fā)現(xiàn)在整個低壓異常的過程中，點火鑰匙狀態(tài)均未下電，且VCU在判斷低壓瞬斷超時后進入保護模式，限制驅(qū)動功率輸出到0，并維持高壓狀態(tài)。說明集成控制器軟硬件優(yōu)化后板級測試通過。

為了進一步驗證優(yōu)化后的集成控制器在實車駕駛環(huán)境下的可靠性，將其裝車并進行可靠耐久試驗。試驗工況里程分布如圖10所示：

在襄陽進行的可靠、耐久試驗從改善該質(zhì)量問題開始，3臺樣車驗證總里程達50166km，同時PSQC[7]捉蟲試驗2臺樣車驗證總里程達38000km，試驗車輛再未出現(xiàn)過該故障，說明對集成控制器進行軟硬件優(yōu)化后收效顯著，整車試驗驗證通過。

5? ? 結(jié)論

本文針對某款純電動汽車高環(huán)行駛過程中出現(xiàn)動力丟失的現(xiàn)象，通過故障FTA分析、實車靜態(tài)復查和動態(tài)的驗證，確定了集成控制器低壓采樣受干擾的問題，同時對集成控制器的軟硬件都進行了優(yōu)化設(shè)計，并通過了臺架測試、板級測試和整車試驗驗證，使該故障問題得到了有效的解決，同時降低了今后新項目的開發(fā)風險，節(jié)省了開發(fā)周期和開發(fā)費用。

參考文獻：

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陳? ?鵬

畢業(yè)于武漢理工大學，碩士研究生，現(xiàn)就職東風汽車集團有限公司技術(shù)中心智能軟件中心，任輔助工程師，主要研究方向為汽車電控。