整車頓挫電磁兼容問題分析和整改

曹勇勇， 付朝輝， 蘇添發(fā)， 練添生

（吉利汽車研究院（寧波） 有限公司， 浙江 慈溪 315336）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，智能化、復雜化的汽車電氣系統(tǒng)被廣泛應用，消費者對于汽車的基本功能要求越來越高，因此電器系統(tǒng)的復雜程度提高使得汽車系統(tǒng)部件的電磁兼容問題也愈發(fā)復雜，電磁耦合和傳導的路徑也更加多樣化，電磁兼容也將帶來聳車等導致車輛駕駛和行車安全的問題。本文根據(jù)電磁騷擾、耦合和傳播機制，給出一種線束工藝優(yōu)化方案以解決車輛聳車問題。

1 產品描述

曲軸位置傳感器作為汽車控制系統(tǒng)中最重要的傳感器之一，其作用主要為檢測發(fā)動機轉速以及檢測活塞上止點位置，通常配合凸輪軸位置傳感器一起工作，并輸出信號給ECU從而進行順序噴油控制。由于曲軸位置傳感器布置在曲軸前端，周圍空間狹小，產品內部無空間布置多余濾波措施，同時周邊還安裝了其他的傳感器、控制器、執(zhí)行電機等，導致在其范圍內的電磁場環(huán)境非常惡劣，容易引起相互的電磁干擾問題，當曲軸位置傳感器受到周圍環(huán)境影響導致輸出信號異常時，整車噴油控制便會受到影響。圖1為曲軸位置傳感器的工作原理。

圖1 曲軸位置傳感器工作原理

本文主要通過對曲軸位置傳感器信號輸出異常導致車輛聳動的問題進行排查定位，分析干擾的原因，結合實際車型電磁兼容環(huán)境，提出問題優(yōu)化方案，解決實車問題，并將相關問題整改方案進行橫展推廣。

2 問題背景

此問題為車輛開發(fā)過程中試驗車輛偶發(fā)性問題，主要發(fā)生在雨天氣候，車輛正常行駛中，偶發(fā)性出現(xiàn)車輛聳動現(xiàn)象，同時可以觀察到組合儀表顯示轉速出現(xiàn)短暫的轉速下降再迅速上升現(xiàn)象，嚴重影響駕駛安全及駕駛感受。

通過模擬用戶車輛使用場景操作車輛電器負載，并按照繞八字、顛簸路及高速制動工況進行反復測試，發(fā)現(xiàn)此問題的出現(xiàn)與繞行方式無關，原地怠速或者車輛行駛時操作雨刮均可以復現(xiàn)車輛聳動問題，使用診斷儀讀取故障信息為轉速傳感器信號丟失故障碼，初步分析問題原因為ECU接收曲軸位置傳感器信號異常。針對以上現(xiàn)象，經(jīng)過對問題車進行曲軸傳感器單體的性能測試及電路分析，確認曲軸傳感器單體無異常。

為了定位問題的根本原因，制定了詳細的排查方案，第一步進行故障信號的采集，并進行曲軸傳感器、雨刮、ECU等相關件的單體一致性裝車驗證；第二步針對曲軸傳感器與雨刮之間的傳導路徑進行實際排查。

3 干擾源定位

第1步：確認問題車故障原因，在問題車輛上使用示波器同步采集雨刮電流、曲軸位置傳感器電壓、曲軸位置傳感器信號，操作雨刮，發(fā)現(xiàn)當使用間歇擋位發(fā)生雨刮回位動作時，車輛偶爾出現(xiàn)聳動現(xiàn)象。此時的采集結果如圖2所示，其中藍色波形為曲軸位置傳感器電壓，紫色波形為曲軸位置傳感器信號，綠色波形為雨刮電流。通過多次數(shù)據(jù)采集對比，初步確認車輛聳動原因為當雨刮回位電流較大時，曲軸位置傳感器電壓同步出現(xiàn)的低電壓波動導致傳感器芯片復位重啟，從而導致應該發(fā)送的齒狀信號在復位時間內丟失。而當傳感器電壓不再出現(xiàn)過低電壓，芯片復位后繼續(xù)輸出齒狀信號，在此過程中整車噴油控制便會受到影響，從而導致車輛出現(xiàn)聳動。

圖2 示波器采集結果

第2步：確認是否為曲軸位置傳感器、ECU、雨刮、雨刮繼電器等相關件的單品品質問題。分別使用10個隨機抽樣件，依次裝車進行采集，發(fā)現(xiàn)問題均不會消失。然后將問題車上的相關件全部換到另一臺未出現(xiàn)聳動現(xiàn)象的車輛上，采用同樣的手法操作雨刮并采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題并未轉移，當雨刮電源線出現(xiàn)類似大小的電流波動時，傳感器電壓未出現(xiàn)相同大小的低電壓波動，判斷問題并非由于相關件的單品之類問題導致。

第3步：干擾傳導路徑，通過確認曲軸位置傳感器、ECU、雨刮的布線，發(fā)現(xiàn)以下幾處懷疑點。

1） 雨刮與ECU在車身上的搭鐵點距離不足200mm，干擾可能通過搭鐵點傳導，將雨刮搭鐵點位置挪動，遠離ECU搭鐵點并測試，可以驗證此懷疑點。

2） 雨刮與ECU線束在熔斷絲盒中存在長度200cm左右共線，干擾可能通過ECU線束傳導，通過實車解除共線并測試，可以驗證此懷疑點。

3） 雨刮與曲軸位置傳感器并無共線，但與曲軸位置傳感器同一路5V供電的油門踏板傳感器，其與雨刮存在共線，最大布線長度600cm，干擾可能通過油門踏板傳導到ECU端，影響同一路5V供電的曲軸位置傳感器，通過實車解除共線并測試，可以驗證此懷疑點。

通過以上懷疑點的驗證，最終證實傳導路徑為第3點描述的路徑，并可以通過將非問題車輛人為更改共線距離的方式，使之出現(xiàn)聳車現(xiàn)象。

4 整改設計

機械雨刮回位時產生的反向電動勢通過其電源線及搭鐵線傳導，騷擾能夠耦合到與其共線的油門踏板傳感器線束上，而油門踏板傳感器與曲軸位置傳感器為同一路LDO供電，并且為共地設計，油門踏板傳感器線束耦合的騷擾傳導到曲軸位置傳感器，導致曲軸位置傳感器電壓波動而重啟，因此出現(xiàn)聳車現(xiàn)象。由于騷擾的頻率較低，并線的距離越長，靠近騷擾頻率時，被干擾線束上耦合的騷擾能量越強，反之越小。而并線的距離取決于線束裹線工藝，因此只有部分車輛出現(xiàn)聳車現(xiàn)象。

基于干擾原理，整改方案從干擾源、干擾傳導路徑、受干擾件幾個角度著手，經(jīng)過分析整改驗證得到以下幾種改善方案。

1） 問題車輛使用的機械雨刮未進行瞬態(tài)脈沖抑制設計，實車進行雨刮電機關斷瞬間的瞬態(tài)脈沖測試中發(fā)現(xiàn)最大電壓超過100V，通過增加TVS管，可以有效抑制瞬態(tài)脈沖。

2） 干擾通過油門踏板傳感器影響了其他共5V供電的傳感器，通過在ECU的LDO端口增加濾波電路，可以有效隔離干擾。

3） 考慮到雨刮回位時，其電源線及搭鐵線上的瞬態(tài)脈沖幅度相近但方向相反，通過將雨刮電源線束及搭鐵線放置于管壁厚度2mm的波紋管（圖3）中再進行裹線，使電源線及搭鐵線周圍的騷擾部分抵消。

圖3 波紋管視圖

4） 曲軸位置傳感器內部僅包含一塊芯片，增加濾波電路，增強本身抗低電壓干擾能力。

綜合考慮，最終選擇方案3進行整改，實車驗證切實有效。

因此，在解決整車電磁兼容問題時，必須從系統(tǒng)的高度來考慮，綜合使用各種可能的方式方法，比如：降低干擾源的干擾水平，破壞干擾路徑或者提升被干擾件的抗擾度水平。

5 小結

本案例是一個典型的大功率電機通過共線耦合影響敏感零部件的問題，通過對干擾源定位分析和線束布置整改，采用相應的整改優(yōu)化方案，成功解決了雨刮電機對曲軸位置傳感器的電磁干擾問題。

本文對于整車設計過程中類似于雨刮電機等大功率零部件線束的騷擾隔離整改具有一定的參考價值。