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燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性研究與試驗(yàn)

發(fā)布時(shí)間:2017-04-14 來源:張戟,孫澤昌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】燃料電池汽車電磁兼容測(cè)試的主要目的是要達(dá)到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性,從而分析電磁干擾的發(fā)生機(jī)理,解決騷擾源及切斷干擾傳播通道。針對(duì)燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進(jìn)行機(jī)理分析、設(shè)計(jì)分析、理論研究,詳細(xì)介紹了汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗(yàn),并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。
 
汽車電器的電磁兼容環(huán)境應(yīng)是一個(gè)設(shè)備共存、互不干擾的環(huán)境, 這就要求系統(tǒng)
具備良好的EMI和EMS 特性。造成電器功能降級(jí)或失效的電磁干擾的發(fā)生必須同時(shí)具備3個(gè)要素: 干擾源、耦合途徑以及敏感設(shè)備,而要從根本上解決電磁兼容問題就必須采取各種方式抑制干擾源、阻斷耦合途徑以及提高敏感設(shè)備的抗擾度。下面將對(duì) 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性問題進(jìn)行分析研究;介紹汽車電子零部件必做的電磁兼容性試驗(yàn),并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
 
1 燃料電池汽車電磁兼容性分析 
 
燃料電池汽車(FCV-Fuel Cell Vehicle)其車載騷擾源為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池堆高壓系統(tǒng)、DC/DC、輔助電池充放電、動(dòng)力傳動(dòng)等。電壓和電流的快速暫態(tài)會(huì)產(chǎn)生輻射和噪音,距離這些設(shè)備較近的電子設(shè)備有可能產(chǎn)生故障,特別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的快速整流、電機(jī)啟動(dòng)、高壓輻射更會(huì)引起較高場(chǎng)強(qiáng)的傳導(dǎo)及輻射騷擾。因此對(duì)燃料電池汽車進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí),可以根據(jù)電磁場(chǎng)的產(chǎn)生和傳播原理對(duì)主干擾源、敏感元及傳遞途徑進(jìn)行理論研究,建立汽車環(huán)境中的EMC數(shù)學(xué)模型,通過對(duì)模型研究和仿真分析,提供實(shí)際汽車系統(tǒng)的EMC預(yù)期指標(biāo)。
 
汽車環(huán)境中的EMC數(shù)學(xué)模型 
 
根據(jù)電磁場(chǎng)的特性、Maxwell方程、汽車外形等,建立空間電磁場(chǎng)分布數(shù)學(xué)方程,并以此為基礎(chǔ),建立汽車EMC數(shù)學(xué)模型。模型要求可方便改變汽車外形參數(shù),干擾源的數(shù)量、位置(汽車內(nèi)部位置、外部位置)及各自的頻段和強(qiáng)度,模型要考慮汽車外殼的局部電磁屏蔽功能和多次反射折射(透射)的影響。 
 
汽車EMC的仿真分析 
 
根據(jù)汽車EMC數(shù)學(xué)模型,對(duì)主干擾源、敏感元件等進(jìn)行仿真分析,顯示空間電磁場(chǎng)的分布,定點(diǎn)頻率幅值曲線。研究汽車工作環(huán)境的EMC各種預(yù)防方法的優(yōu)缺點(diǎn),抑制騷擾產(chǎn)生和傳播的措施等,輸出各種方法的對(duì)比曲線。 
 
建立的數(shù)學(xué)模型,必須經(jīng)過3 個(gè)以上實(shí)際系統(tǒng)的仿真分析,仿真分析結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果要有一致性,具體點(diǎn)最大誤差不超過±5dB。在此基礎(chǔ)上,再進(jìn)行FCV的電磁兼容設(shè)計(jì)。初期電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行以下研究: 
 
  • 干擾源的分析(干擾的產(chǎn)生、性質(zhì)、特征)
  • 干擾信號(hào)的傳播方式和傳播途徑
  • 干擾效應(yīng)(干擾信號(hào)與設(shè)備之間相應(yīng)的響應(yīng)特征)
  • 限制干擾的方法和措施
  • 干擾的測(cè)量和計(jì)算
  • 干擾模擬(包括干擾條件再現(xiàn)、干擾機(jī)理模擬)
  • 預(yù)計(jì)的抗干擾試驗(yàn)(包括相應(yīng)的干擾限值、測(cè)試方法、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)) 
 
車輛在行駛過程中,干擾源有兩種,一種是車外輻射騷擾源,另一種是車載騷擾源。其表現(xiàn)形式主要依據(jù)干擾源的頻譜特性,如無線電臺(tái)、接收機(jī)、工業(yè)高頻發(fā)生器等窄頻帶干擾源;平行駛過的內(nèi)燃機(jī)汽車、高空(地下)高壓線、整流馬達(dá)等間歇性寬帶干擾源;靜電放電、雷電電磁脈沖等瞬態(tài)寬帶干擾源。 
 
對(duì)于車外干擾源,無法采取主動(dòng)的防護(hù)措施,所以電磁兼容對(duì)于整車所要設(shè)計(jì)的是被動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì),即從傳播方式和增強(qiáng)防護(hù)能力考慮。對(duì)于車載干擾源,可采用屏蔽、緩沖器、軟開關(guān)的方式來抑制干擾。 
 
電磁耦合的途徑主要有:以阻性、容性為特性的電耦合;以感性為特征的磁耦合;以高頻輻射為特征的射線耦合。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及加速、輔助電源的充放電、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等會(huì)以電耦合的方式干擾附近器件或發(fā)出傳導(dǎo)騷擾,干擾電源線以及車載無線電等通訊、娛樂部件。燃料電池堆高壓系統(tǒng)、DC/DC等器件在工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的射頻輻射,超出標(biāo)準(zhǔn)限值,對(duì)外界造成射線污染。
 
在燃料電池汽車上,一些無線電裝置、音頻/聲頻娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航及一些低壓、微信號(hào)控制部件都屬于電磁敏感器件,暫態(tài)干擾及靜電放電都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損壞性,根據(jù)干擾源的特點(diǎn),可采取屏蔽、擴(kuò)頻、共地等方法,增強(qiáng)電磁防護(hù)能力。
 
2 燃料電池汽車整車控制器的電磁兼容設(shè)計(jì) 
 
整車控制器(VMS,vehicle management Syetem),即動(dòng)力總成控制器。作為汽車的指揮管理中心,動(dòng)力總成控制器主要功能包括:驅(qū)動(dòng)力矩控制、制動(dòng)能量的優(yōu)化控制、整車的能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視等,它起著控制車輛運(yùn)行的作用。 
 
由于整車控制器應(yīng)用環(huán)境干擾嚴(yán)重,存在多種噪聲和耦合方式;因此除了完善的功能外,還應(yīng)該有較強(qiáng)的抗干擾能力??梢赃\(yùn)用下述電磁兼容設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行 干擾抑制。 
 
(1)接地 
整車控制器的接地以抗外界干擾為主要目的,屬于信號(hào)接地。它采用了“滿接地”方式,即在除傳輸導(dǎo)線及元器件所占用的地方以外,全部接地,這樣既減少了地阻抗,同時(shí)也起到了屏蔽作用。由于信號(hào)線與地線之間的距離僅為線路板層間距離。高頻電路總是選擇環(huán)路面積最小的路徑流動(dòng),因此,實(shí)際的電流總是在信號(hào)線正下方的地線面上流動(dòng)。這樣,自然就形成了最小的信號(hào)環(huán)路面積,從而減小了差模輻射。
 
(2)隔離 
 
整車控制器的電磁隔離采用了輸入、輸出全光電隔離。光電耦合器的輸入阻抗很低(一般為100 ~1000Ω),干擾很大,因此傳輸?shù)焦怆婑詈掀鞯母蓴_電壓就變得很小了;并且干擾源的內(nèi)阻都很大,雖然可以產(chǎn)生一定的干擾電壓,但能量較小,只能形成微弱的電流,而光電耦合器的發(fā)光二級(jí)管只有通過一定的電流才發(fā)光,因此,即使是電壓的幅值很高的干擾,由于沒有足夠的能量,也不能使二級(jí)管發(fā)光,干擾就被抑制了;光電耦合器是在一個(gè)密封的管殼內(nèi)進(jìn)行的,不受外界的影響。 
 
(3)濾波 
 
傳感器故障和外部信號(hào)干擾是引起整車控制器工作失常的重要因素。對(duì)于模擬信號(hào),由于正常工作時(shí)所輸出的信號(hào)都有一定范圍,因此在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí),常對(duì)模擬量采用低通濾波器,阻止高頻信號(hào)通過。當(dāng)存在高速跳變的數(shù)字信號(hào)時(shí),會(huì)產(chǎn)生阻抗噪聲,在整車控制器電磁兼容設(shè)計(jì)中,常采取在控制器電源端口加入濾波器的方式來抑制電源端的噪聲,其中大容量的電容負(fù)責(zé)進(jìn)行高通濾波,小容量的電容負(fù)責(zé)進(jìn)行低通濾波。 
 
(4)PCB設(shè)計(jì) 
 
整車控制器的電路模板采用了六層電路板的設(shè)計(jì),相對(duì)于雙面 PCB 而言,多了地線層和電源層,電源平面應(yīng)靠近接地平面,并且安排在接地平面之下。這樣接地平面可以對(duì)電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。電源層、以及排列緊密的信號(hào)線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合。兩層信號(hào)走線之間的串?dāng)_?。浑娫磳?和地線層之間距離較小,因此阻抗很小,適合于電源噪聲解耦。 
 
(5)其他方法 
 
選用集成度高的元器件能夠減少電路板上元器件的數(shù)目,可以減少故障率和受干擾的概率。元器件的降額使用。降額設(shè)計(jì)就是使元件在低于其額定應(yīng)力下工作。影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的應(yīng)力有:電應(yīng)力(電壓、電流、功率和頻率等)、溫度、機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)工作應(yīng)力高于額定應(yīng)力時(shí),失效率就會(huì)增加。合理的降額是提高元器件和零部件可靠性的有效方式。
 
3 燃料電池汽車整車控制器電磁兼容性試驗(yàn) 
 
3.1 騷擾電壓發(fā)射試驗(yàn) 
 
根據(jù)騷擾電壓的傳播途徑分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。 
 
兩項(xiàng)試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)均為GB 18655—2004或CISPR25∶2004,即《 保護(hù)車載接收機(jī)的無線電騷擾特性的限值與測(cè)量方法》。 
 
3.1.1 傳導(dǎo)騷擾電壓發(fā)射試驗(yàn)
 
  • 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐雇ㄟ^同一供電回路對(duì)其它車載電子零部件產(chǎn)生限值以外的干擾。
  • 試驗(yàn)條件:傳導(dǎo)騷擾電壓限值的測(cè)量頻率為0.15~108 MHz。
  • 試驗(yàn)布置: 該測(cè)試將控制器外圍線路連接好,使控制器滿足于測(cè)試條件,電源線長(zhǎng)度0.2m,其余按標(biāo)準(zhǔn)布置見圖1。
 
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注:1為ECU;2為測(cè)試反饋線;3為風(fēng)扇負(fù)載;4為人工電源網(wǎng)絡(luò);5為蓄電池;6為N 線(數(shù)據(jù)線連接)。 
圖1 圖傳導(dǎo)騷擾電壓試驗(yàn)布置 
 
根據(jù)GB 18655—2004第一部分第四章《對(duì)車輛和零部件/模塊發(fā)射測(cè)量的一般要求》、第6章《僅用于零部件/模塊試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備》和第三部分第11章《零部件/模塊的傳導(dǎo)發(fā)射》、第三部分第12章《零部件傳導(dǎo)騷擾限值》的內(nèi)容,該試驗(yàn)用于測(cè)量ECU電源線上產(chǎn)生的傳導(dǎo)電場(chǎng)干擾的強(qiáng)度,保證其不超過規(guī)定的限值(表1)。 
 
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表1 表傳導(dǎo)騷擾電壓限值
 
試驗(yàn)結(jié)果如2圖所示,在500kHz左右的低頻率段有部分超出等級(jí)2的限值,在50MHz到100MHz高頻段超出等級(jí)2限值。 
 
3.1.2 輻射騷擾電壓發(fā)射試驗(yàn)
 
  • 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐管囕d無線電通訊和其它車載電子儀器受到輻射騷擾電壓干擾。
  • 試驗(yàn)條件:輻射騷擾電壓限值的測(cè)量頻率為0.15~960MHz。
  • 試驗(yàn)布置:將控制器外圍線路連接好,使控制器滿足于測(cè)試條件,電源線,信號(hào)線都長(zhǎng)度1.5m,其余按標(biāo)準(zhǔn)布置見圖3。
 
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圖2 圖傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)結(jié)果
 
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注:1為ECU;2為2m電源線;3為接受天線;4為吸波屏蔽室;5為人工電源網(wǎng)絡(luò)。(a)高頻段
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注:1為柱狀接收天線。(b)低頻段 
圖3 圖輻射騷擾電壓試驗(yàn)布置 
 
根據(jù)GB 18655—2004第一部分第四章《概述之對(duì)車輛和零部件/模塊發(fā)射測(cè)量的一般要求》、第六章《概述之僅用于零部件/模塊試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備》和第三部分第13章《車輛零部件和模塊的測(cè)量之零部件/模塊的輻射發(fā)射》、第14章《車輛零部件和模塊的測(cè)量之零部件輻射騷擾限值》的內(nèi)容,該試驗(yàn)用于測(cè)量ECU輻射的電場(chǎng)干擾的強(qiáng)度,保證其不超過規(guī)定的限值(表2),同時(shí)不影響車輛內(nèi)的其他電子系統(tǒng)。
 
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表2 表輻射騷擾電壓限值 
 
試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示,被測(cè)設(shè)備ECU在低頻段符合限值標(biāo)準(zhǔn),在高頻段垂直極化40MHz和70MHz左右的位置超過等級(jí)2的限值。
 
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圖4 圖低頻段輻射騷擾試驗(yàn)結(jié)果(0.15~6.2MHz)
 
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圖5 圖高頻段輻射騷擾試驗(yàn)結(jié)果(30~1000MHz,水平極化)
 
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圖6 圖高頻段輻射騷擾試驗(yàn)結(jié)果(30~1000MHz,垂直極化) 
 
3.2 大電流注入試驗(yàn)
 
  • 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐管囕d其它控制器放電或強(qiáng)磁輻射而造成被測(cè)體性能降低或失效。
  • 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):ISO 11452《 道路車輛-窄帶輻射電磁能量產(chǎn)生的電氣干擾-零部件測(cè)試法》
  • 試驗(yàn)條件:頻率范圍:1~400 MHz, CW連續(xù)波,1 kHz80% 。正弦波調(diào)制;停留時(shí)間≥1s。
         ① 1~10MHz時(shí)步長(zhǎng)為1MHz
         ② 10~200MHz時(shí)步長(zhǎng)為2MHz
         ③ 200~400MHz時(shí)步長(zhǎng)為20MHz
 
  • 測(cè)試距離:1.5m
  • 試驗(yàn)布置:利用電流注入探頭直接感應(yīng)在控制器連接線束上,用規(guī)定的電流等級(jí)通過增加感應(yīng)信號(hào)的頻率來進(jìn)行抗擾性試驗(yàn)見圖7。
 
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圖7 圖大電流注入試驗(yàn)布置 
 
控制器采用金屬外殼封裝,對(duì)外界電磁場(chǎng)輻射起到較強(qiáng)的抗干擾作用,因此,最大的干擾可能是各種反饋連接線上通過輻射或傳導(dǎo)的方式對(duì)控制器產(chǎn)生的干擾。本項(xiàng)試驗(yàn)利用電流注入探頭直接感應(yīng)在連接線束上對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行抗擾性試驗(yàn)。 
 
根據(jù)ISO 11452∶2004第四部分《大中電流注入》的內(nèi)容,該試驗(yàn)用于檢驗(yàn)當(dāng)線束由輻射電磁場(chǎng)產(chǎn)生共模電流時(shí)ECU的抵抗能力。試驗(yàn)結(jié)果見表3 。 
 
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表3 表大電流注入試驗(yàn)結(jié)果
 
3.3 電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗(yàn)
 
  • 試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證同一供電回路中各種控制器工作時(shí)可能出現(xiàn)的多種瞬態(tài)脈沖的抗干擾能力,如:電源充放電;大功率電機(jī)開啟;引擎啟動(dòng)等多種情形。
  • 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):ISO 7637《 道路車輛—由傳導(dǎo)和耦合造成的電氣干擾》
  • 試驗(yàn)布置:見圖8??刂破鳚M足于測(cè)試條件,模擬汽車現(xiàn)場(chǎng)干擾的多種狀況分別進(jìn)行如下試驗(yàn):
         ① 針對(duì)電源線試驗(yàn),按ISO 7637的1,2a,2b,4,5等5種方式進(jìn)行試驗(yàn);
 
         ② 針對(duì)CAN和I/O端口線進(jìn)行試驗(yàn),按ISO 7637的3a,3b方式進(jìn)行試驗(yàn)。
 
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注:1為波形發(fā)生器;2為波形控制終端;3為電源線;4為被測(cè)設(shè)備;5為被測(cè)設(shè)備監(jiān)控終端。
圖8 圖電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗(yàn)布置 
 
由于同一供電回路中其他電器(或設(shè)備)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾脈沖群,而某些大功率電機(jī)(如空調(diào),風(fēng)扇)在開啟或閉合時(shí),會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾脈沖浪涌, 從而引起整個(gè)電路系統(tǒng)的供電電壓的降低,這些干擾會(huì)影響控制器的正常工作。另外發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電機(jī)勵(lì)磁時(shí)候,會(huì)引起整個(gè)供電系統(tǒng)電壓的降低,也對(duì)控制器造成直接干擾,因此必須進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn),來驗(yàn)證統(tǒng)一供電回路中各種控制器工作時(shí)有可能出現(xiàn)的多種瞬態(tài)脈沖的抗干擾能力。 
 
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637∶2004第二部分《針對(duì)電源線的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾》的內(nèi)容,該試驗(yàn)項(xiàng)目用于檢驗(yàn)ECU抵抗瞬變傳導(dǎo)電磁場(chǎng)干擾能力。 
 
圖9為測(cè)試波形脈沖3b時(shí)的電壓瞬變干擾波形,測(cè)試結(jié)果見表4。
 
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圖9 圖電壓瞬變干擾波形 
 
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表4 表電源線傳導(dǎo)電瞬變干擾試驗(yàn)結(jié)果
 
3.4 靜電放電抗擾度試驗(yàn)
 
  • 試驗(yàn)?zāi)康模悍乐褂捎谌梭w接觸或鄰近物體的放電產(chǎn)生的大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品造成的損壞。
  • 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):ISO 10605∶2002《 道路車輛—靜電放電產(chǎn)生的電氣干擾》
  • 試驗(yàn)條件:測(cè)試電壓:±15kV,放電次數(shù)3次。每二次放電時(shí)間間隔為5s。
  • 試驗(yàn)布置:該測(cè)試控制器不帶電狀態(tài)下進(jìn)行,試驗(yàn)中,采用間接放電,用放電槍對(duì)被試驗(yàn)對(duì)象附近的耦合板實(shí)施放電,見圖10。
 
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圖10 圖靜電放電試驗(yàn)布置 
 
由于人體或其它物體接近或接觸電器裝置的表面時(shí),會(huì)出現(xiàn)靜電高壓放電所產(chǎn)生的大電流、高電壓和強(qiáng)磁場(chǎng),從而引起對(duì)電器功能的影響甚至使其功能喪失,因此對(duì)于車載總成控制器必需進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見表5。 
 
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表5 表靜電放電抗擾度試驗(yàn)結(jié)果 
 
根據(jù)ISO 10605第五部分《電子模塊的試驗(yàn)方法》的內(nèi)容,該試驗(yàn)用于檢驗(yàn)ECU抵抗人身體產(chǎn)生靜電放電的能力。本文的試驗(yàn)項(xiàng)目中采用的是非接觸放電。
 
參考文獻(xiàn) 
 
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9、劉新亮.汽車電器的電磁兼容[J].汽車電器,2001.(6):2-7.
 
 
 
 
 
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