新能源商用車強(qiáng)磁環(huán)境場景抗干擾研究

賓仕博，韋尚軍，丘云燕，甘健銘，彭 富，鄭偉光，2

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，其功能越來越強(qiáng)大，相應(yīng)地，電動汽車內(nèi)部電路的集成度也逐漸提高，高集成度電路系統(tǒng)會不可避免地出現(xiàn)車輛電磁敏感度升高的問題，從而導(dǎo)致車輛電磁兼容性降低,由此新能源汽車的電磁兼容性受到了廣泛的關(guān)注[1]。同時，為響應(yīng)國家“碳中和”遠(yuǎn)景目標(biāo)，諸多企業(yè)為降低成本改善環(huán)境，對內(nèi)部運(yùn)營車輛逐步普及新能源電動化。電解鋁行業(yè)作為典型的高耗能產(chǎn)業(yè)與高碳排放產(chǎn)業(yè)[2]，使用電費(fèi)低廉與高效環(huán)保的新能源車輛作為運(yùn)營車輛，能降低企業(yè)運(yùn)營成本與改善企業(yè)內(nèi)部工作環(huán)境。因此，新能源汽車與電解鋁產(chǎn)業(yè)升級有著的密切聯(lián)系[3]。

然而電解鋁工作環(huán)境存在強(qiáng)磁場，電解鋁工廠具有復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，流動的電流在周圍的空間產(chǎn)生復(fù)雜的空間磁場，電解槽周圍的磁場強(qiáng)度高達(dá)數(shù)百高斯，以至于使電解車間內(nèi)的筆記本電腦與手機(jī)等電子產(chǎn)品出現(xiàn)黑屏，電子點(diǎn)火的汽油動力車無法啟動，電動汽車上搭載諸多的控制器及傳感器被電磁干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)失效或信號失真等情況，從而引發(fā)車輛故障甚至安全風(fēng)險[4]。電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility,EMC）具體是指電氣和電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中共存，這要求在完全一致的電磁環(huán)境中，各種設(shè)備都能穩(wěn)定運(yùn)行，互不干擾，從而達(dá)到“兼容狀態(tài)”。新能源汽車的電磁兼容性存在電磁騷擾形式復(fù)雜、頻譜范圍覆蓋廣泛、發(fā)射功率大、干擾能量大、騷擾問題嚴(yán)峻和傳播路徑多樣化的特點(diǎn)[5]。為此本文通過新能源汽車實(shí)車測試，對某新能源商用車開展強(qiáng)磁環(huán)境場景下的電磁兼容性與抗干擾性試驗(yàn)研究。

1 場景環(huán)境

1.1 車輛配置參數(shù)

對于大型電解鋁企業(yè)，廠內(nèi)的運(yùn)營車輛均采用商用車，以滿足運(yùn)載需求，本研究以某款新能源商用車為研究對象，整車參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)

1.2 場景邊界條件

以新能源車輛在強(qiáng)磁環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證為例，圖1 展示了該試驗(yàn)商用車試驗(yàn)場景，試驗(yàn)場景邊界條件見表2。

圖1 試驗(yàn)車輛外觀及試驗(yàn)場景

表2 場景邊界條件

2 試驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《GB 34660-2017 道路車輛電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》，車輛在強(qiáng)磁場景環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)下，驗(yàn)證新能源商用車的抗擾性能，以下為新能源汽車在不同狀態(tài)下的參考評估標(biāo)準(zhǔn)：

狀態(tài)I：試驗(yàn)中和試驗(yàn)后能夠完成設(shè)計功能。

狀態(tài)II：試驗(yàn)中不能完成設(shè)計功能，但試驗(yàn)后能夠自動恢復(fù)到常態(tài)。

狀態(tài)IV：試驗(yàn)中不能完成設(shè)計功能，試驗(yàn)后需要較復(fù)雜的操作才能恢復(fù)到常態(tài)，對DUT 的功能不應(yīng)造成任何永久性損壞。

2.2 測試矩陣

為保障整車及系統(tǒng)在強(qiáng)磁環(huán)境下均能正常工作，確認(rèn)各部件的失效條件和標(biāo)準(zhǔn)，需要制定整車及系統(tǒng)在電磁環(huán)境下的試驗(yàn)要求（表3）。

表3 整車及系統(tǒng)試驗(yàn)要求

2.3 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證車輛在強(qiáng)磁環(huán)境中整車及各電子電器系統(tǒng)的抗干擾性，結(jié)合新能源車輛在電解鋁車間內(nèi)裝載的運(yùn)行環(huán)境與試驗(yàn)需求，制定項(xiàng)目測試方案。此方案分為3 種工況，分別為：

（1）車輛以R 檔進(jìn)入電解車間并停留強(qiáng)磁區(qū)域

車輛在R 檔工況下，以5 km/h 倒車駛?cè)腚娊廛囬g，不斷電駐車停留5 min。隨后打開高低壓電器，原地切換擋位，從R 檔依次換到N 檔和D 檔，沿裝載路線區(qū)域駛出車間，停留在車間門口。再次倒車駛?cè)胲囬g裝載區(qū)，下電休眠5 min，重新上電，擋位從R 檔依次切換成N 檔和D 檔，使出車間。重復(fù)上述操作3 次。

（2）車輛以D 檔進(jìn)入電解車間并停留強(qiáng)磁區(qū)域

車輛在D 檔工況下，以5 km/h 正常駛?cè)腚娊廛囬g，不斷電駐車停留5 min，打開高低壓電器功能，原地切換擋位，從D 檔依次換到N 檔和R 檔，沿裝載流線區(qū)域倒車至車間門口。再次擋車駛?cè)胲囬g裝載區(qū)，下點(diǎn)休眠5 min，重新上電，擋位從D 檔依次切換到N 檔和R 檔。重復(fù)上述操作3 次。

2.2.4 結(jié)果比較 3種預(yù)處理方法得到的枸杞子外觀和色澤無顯著差異；但特性量值是否發(fā)生顯著變化需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證；但減壓干燥法較液氮凍干法、凍干法更省時，節(jié)能。

（3）正常行駛穿行強(qiáng)磁區(qū)域

車輛在正常行駛在廠內(nèi)各作業(yè)車間，穿越各強(qiáng)磁環(huán)境區(qū)域，車速≤20 km/h，往返行駛操作2 次。

3 實(shí)車試驗(yàn)

3.1 強(qiáng)磁區(qū)域概括

采用VICTOR 862C 型測試儀測量電解鋁車間停車區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度，檢測車輛在不同區(qū)域下的抗擾性能。在停車接駁區(qū)域前進(jìn)方向取3 個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)間隔1 m，高度取3 個測點(diǎn)，單邊為3*3 的矩形測點(diǎn)矩陣，左右接駁區(qū)兩側(cè)測點(diǎn)對稱，如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)域

表4 為車輛作業(yè)區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，可以看出場強(qiáng)分布，越靠近電解槽的B 區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，為保證車輛適應(yīng)性，選擇在場強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域開展驗(yàn)證性試驗(yàn)，以保障車輛全域環(huán)境下運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

表4 作業(yè)區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布（mT）

3.2 實(shí)車驗(yàn)證

參照《GB 34660-2017 道路車輛電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》，在某電解鋁車間開展新能源整車抗擾性試驗(yàn)，實(shí)車驗(yàn)證新能源整車強(qiáng)磁抗擾能力。車輛按上文2.3 的要求行駛進(jìn)入電解鋁車間，觀察車輛及儀表狀態(tài)，采集報文數(shù)據(jù)。為了減小外界環(huán)境因素對數(shù)據(jù)差異化影響，該試驗(yàn)在同一區(qū)域、同一路線開展。

試驗(yàn)樣車向前行駛開向通道A 區(qū)裝卸鋁水罐位置，制動駐車后切換為N 檔，拉起手剎。打開所有電子電器功能，觀察運(yùn)行情況。間隔20 s 后，切換R 檔，換擋動作后儀表顯示擋位切換存在1 s 延遲時間，所有電子電器件均運(yùn)行正常。通過實(shí)車采集數(shù)據(jù)查驗(yàn)可知，車輛在磁場A 區(qū)域已受到電磁場干擾，各電子電器、控制器及整車具有一定抗擾性，各DTU 被測器件無異常，如圖3 所示。

圖3 磁場A 區(qū)域DTU 狀態(tài)

當(dāng)車輛D 擋行駛到B、C 區(qū)域強(qiáng)磁區(qū)域，車輛各控制器及電子電器無異常，但整車動力系統(tǒng)出現(xiàn)動力失效。踩下電門后車輛無動作，樣車無法前進(jìn)行駛。踩下制動剎車后切換至N 檔，再切換到R 檔，儀表顯示已掛入檔位，但踩下油門樣車無倒車動作，車輛無法行駛。高壓下電休眠5 min，重新掛入D 檔或R 檔，重復(fù)3 次啟動行駛，樣車均無法行駛。

由圖4 可知，在B/C 區(qū)域強(qiáng)電磁環(huán)境下（≥5mT），車輛各項(xiàng)電子電器功能正常，未報故障碼，但新能源整車出現(xiàn)動力失效，在滿足車輛行進(jìn)的前提下，油門踏板開度已超過40%，車輛車速為0 km/h，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min，證明車輛無法行駛。

圖4 強(qiáng)磁區(qū)域DTU 狀態(tài)

通過報文數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)車輛在停車后切換擋位，在強(qiáng)電磁環(huán)境下制動控制系統(tǒng)受到信號干擾，制動信號一直無法清零，始終維持22.8%以上制動開度，油門開度達(dá)到40%時車輛車速仍為0 km/h，證明整車動力響應(yīng)失敗。根據(jù)整車控制邏輯設(shè)定，當(dāng)整車控制器VCU 油門開度≥0 時，發(fā)出扭矩請求，前提需要制動無信號即制動力矩為0 N·m 時，電機(jī)控制器MCU 才響應(yīng)扭矩請求。此時因受到強(qiáng)電磁或其他干擾，即使在未踩下制動踏板即存在25%以上的制動開度，此時同時有制動和油門開度信號，優(yōu)先響應(yīng)制動信號，因此VCU 在檢測到扭矩為非0 狀態(tài)，無法發(fā)出扭矩請求，輸出扭矩為0 N·m，導(dǎo)致整車動力失效，無法前進(jìn)。

4 實(shí)車整改

電磁干擾（Electromagnetic Interference,EMI）是指能量以電磁波形式在空間傳播，干擾電磁敏感設(shè)備，引起設(shè)備功能或性能下降的現(xiàn)象。EMI 的產(chǎn)生原理主要是由于電磁能量在空間傳播，遇到導(dǎo)電物體或電介質(zhì)時，部分能量會轉(zhuǎn)化為熱能或感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生干擾。電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)。EMI 的產(chǎn)生需要滿足三個條件：干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備。干擾源可以是任何能夠發(fā)出電磁能量的設(shè)備，如電源、無線電等。傳播途徑包括空氣、導(dǎo)線、空間等，其中空氣和空間是最常見的傳播途徑。敏感設(shè)備是指容易受到電磁干擾的設(shè)備，如通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、電子測量設(shè)備等。如圖5 所示。

圖5 電磁環(huán)境下干擾因子

為了防止電磁干擾，可以采取多種措施。首先，對于干擾源，可以采取降低電磁能量強(qiáng)度、增加屏蔽措施、改變頻率等措施。其次，對于傳播途徑，可以采取濾波、接地、遠(yuǎn)離敏感設(shè)備等措施。最后，對于敏感設(shè)備，可以采取提高抗干擾能力、增加電磁屏蔽等措施。

通過上述機(jī)理分析，為解決新能源整車及控制器干擾問題，開展樣車改制，采用硬件改制與軟件更改等方式進(jìn)行抗擾處理。

（1）整車駕駛室機(jī)艙內(nèi)控制器表面包裹鋁箔，在控制器本體及外部接口處包裹嚴(yán)密，控制器之間連接的低壓插件信號線束包裹鋁箔，鋁箔屏蔽層與整車接地點(diǎn)連接，如圖6 所示。

圖6 駕駛機(jī)艙整改前后對比

（2）針對制動信號異常，在駕駛室前端制動信號線束至VCU 控制器段線束包裹鋁箔，鋁箔屏蔽層與整車接地點(diǎn)連接。同時將制動腳閥連同周邊氣管包裹屏蔽，屏蔽層就近與車架地短接到一起；拆除腳閥傳感器內(nèi)部信號地與外殼地相連的電阻，外部使用鋁箔屏蔽。

針對上文3.2 描述的實(shí)車驗(yàn)證出現(xiàn)軟件策略問題，更改軟件策略見表5。

表5 軟件策略更改內(nèi)容

5 實(shí)車回歸驗(yàn)證

通過完成硬件改制及軟件變更，再次進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)樣車向前行駛開向通道弱磁A 區(qū)及強(qiáng)磁B/C區(qū)域裝卸鋁水罐位置，制動駐車后切換為N 檔，拉起手剎。打開所有電子電器功能，觀察運(yùn)行情況。間隔20 s 后，切換R 檔，換擋動作后儀表顯示擋位切換存在1 s 延遲時間，所有電子電器件均運(yùn)行正常。油門信號與制動信號不再沖突，車輛按請求扭矩行駛，輸出扭矩＞0，擋位切換正常。圖7 為整改后測試結(jié)果，動力效果均正常，信號干擾程度明顯得到改善。

圖7 整改后測試

6 結(jié)語

通過新能源商用車在電解鋁車間強(qiáng)電磁環(huán)境下運(yùn)行，開展整車的電磁抗擾性試驗(yàn)研究。新能源電動汽車相關(guān)系統(tǒng)受到強(qiáng)電磁干擾后產(chǎn)生的異常現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生的原因和構(gòu)建相應(yīng)的抑制方法。針對上述問題，采用硬件屏蔽、軟件策略調(diào)試標(biāo)定等方法，提高新能源電動汽車在強(qiáng)磁環(huán)境下的電磁兼容與抗干擾能力，提升新能源整車控制系統(tǒng)的兼容性，為新能源商用車電磁兼容研究提供參考依據(jù)。