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車輛控制器的電磁兼容存在的問題及其改進(jìn)

2020-11-17 21:17:51·  來源：電磁兼容EMC  作者：李富龍  
　
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序：最近經(jīng)常經(jīng)常看到有新能源車失控車禍的新聞。排除人為誤操作因素，車輛控制單元VCU的不穩(wěn)定也是一大因素。     
 
電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器包括IPM及其控制電路，是電動(dòng)汽車的核心部件。同時(shí)隨著集成的功能增多——包括車輛操控信號(hào)的處理與輸出，DC-DC模塊及空調(diào)，水泵等驅(qū)動(dòng)功能組件，從而形成整車控制單元（VCU），是整個(gè)車輛的主要控制電氣部件。
由于屬電氣產(chǎn)品，除了軟件設(shè)計(jì)——功能齊全外，其內(nèi)部的電磁兼容EMC非常重要！??！處理不好，會(huì)造成車輛控制不穩(wěn)定。勿要認(rèn)為控制器是金屬外殼，有屏蔽效果，那只是對(duì)外。
VCU——也稱電機(jī)控制器總成
 
關(guān)鍵還是控制器內(nèi)部各諸元間EMC問題。首先就是內(nèi)部的強(qiáng)弱電混裝不隔離，會(huì)造成強(qiáng)電的干擾使得控制信號(hào)不穩(wěn)，邏輯錯(cuò)亂，后果嚴(yán)重時(shí)，存在車輛剎車失靈，轉(zhuǎn)向助力失效，動(dòng)力缺失等安全問題。
上述問題還不能檢測(cè)出來。

為了車輛行駛的安全性，這就需要整個(gè)電氣系統(tǒng)非?？煽?，除了硬件設(shè)計(jì)包括元器件質(zhì)量及軟件控制要做到合理，同時(shí)內(nèi)部的電磁抗干擾也是需要特別注意的地方。即，vcu電路原理設(shè)計(jì)好后，其安裝布置顯得非常重要，不能隨便強(qiáng)弱電混裝而不采取隔離措施，這點(diǎn)很容易被技術(shù)人員忽視。
 
 對(duì)于現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)新能源汽車的VCU的設(shè)計(jì)及內(nèi)部安裝布置情況， 我們做個(gè)具體進(jìn)行分析：—— 存在什么問題：
 
以某知名汽車廠商新能源車的VCU總成為例，進(jìn)行拆解分析----內(nèi)部也集成其他的控制部分，形成一個(gè)總控制單元。我們來分析下，存在那些問題：（此為通用的基礎(chǔ)性問題，與具體車型無關(guān)）
底部 
 
整個(gè)控制器密閉 一個(gè)金屬殼內(nèi)，可謂金玉其外！
 
 
拆開，是不是敗絮其中呢？我們進(jìn)行詳細(xì)分析  
     整個(gè)電路封閉在鋁殼里，可防外界干擾及減少對(duì)外部的干擾，這也符合常規(guī)初步的兼容——EMC的要求，貌似沒問題。
但是，其內(nèi)部也存在EMC的問題——各控制諸元之間互相干擾嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生控制紊亂，從而影響車輛的可靠運(yùn)行。
如上圖所示：上下兩層電路板，中間沒有電磁隔離，且元器件裸露，很容易相互干擾。特別是有功率器件的情況。
這點(diǎn)，電氣工程師經(jīng)常忽視，沒有意識(shí)到其危害性。
 
 三相直流電機(jī)的輸出電流很大，而且不是正弦波，諧波干擾非常嚴(yán)重 
上圖：強(qiáng)電與控制弱電沒有隔離，還挨得較近，，，三相直流電機(jī)的輸入輸出電流電壓很大，還含有豐富的諧波，發(fā)射出去會(huì)嚴(yán)重干擾控制芯片的信號(hào)，造成控制不穩(wěn)。（三個(gè)接線柱也未作倒圓除銳處理）。
會(huì)對(duì)控制產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤——出現(xiàn)問題而無法檢測(cè)。
·
 
   各芯片裸露在外，未采取任何防護(hù)措施，如屏蔽，涂覆保護(hù)漆等 
另外，主控芯片及其他相關(guān)控制芯片裸露在外，未加屏蔽措施，
 
DC-DC電源變換電路，諧波豐富，會(huì)對(duì)周邊控制單元造成干擾   
 同樣，上圖的電源變換的逆變電路也會(huì)產(chǎn)生諧波干擾。
以上更兼控制器外殼為密閉金屬，形成微波爐效應(yīng)，工作時(shí)可以想象內(nèi)部的電磁環(huán)境有多惡劣?。?！
其內(nèi)部的功率器件由于是工作在開關(guān)狀態(tài)，會(huì)形成大量的高階次諧波，而無法向外發(fā)散，干擾內(nèi)部附近的控制電路，造成邏輯混亂，對(duì)汽車安全是個(gè)較大的隱患，這點(diǎn)也是軟件冗余設(shè)計(jì)無法去除的！
后果嚴(yán)重時(shí)，存在車輛剎車失靈，轉(zhuǎn)向助力失效，動(dòng)力缺失等安全問題。
 綜上，根據(jù)分析，目前現(xiàn)有典型的新能源汽車的電機(jī)控制器總成，其設(shè)計(jì)布局是不合理的，技術(shù)人員未充分考慮內(nèi)部的EMC電磁兼容因素，雖然其元器件質(zhì)量合格，也會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楦蓴_問題而產(chǎn)生的控制紊亂，嚴(yán)重時(shí)車輛失控導(dǎo)致危險(xiǎn)！
所以隨著汽車的智能化，無人駕駛的發(fā)展，對(duì)其控制器提出了更高的要求?。?！
特別強(qiáng)調(diào)：現(xiàn)有汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)
參閱：《GBT 36282-2018 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》https://mp.weixin.qq.com/s/8DuHn0Lhabhl3-OO5VYbzQ
只強(qiáng)調(diào)電機(jī)控制器整體對(duì)外及受外的影響，而沒有涉及到控制器內(nèi)部的EMC要求，是個(gè)很大的缺失，隨著控制器集成的功能越來越多，復(fù)雜性的提高，控制器本身內(nèi)部的emc要求不可或缺，技術(shù)工程師要有足夠的重視。
因此，標(biāo)準(zhǔn)需要完善。
電動(dòng)汽車是個(gè)新鮮事物，各項(xiàng)技術(shù)，特別是電控部分還有待成熟，特別是emc，重視不夠，更要仔細(xì)斟酌，以策安全。
    目前有些汽車主機(jī)廠花高昂的代價(jià)建立了EMC實(shí)驗(yàn)室，但是由于工程師不了解EMC的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵，基本就是檢測(cè)下電機(jī)控制器外部的各距離點(diǎn)的電磁輻射強(qiáng)度，，而如果內(nèi)部的電磁干擾無法檢測(cè)，所建實(shí)驗(yàn)室基本就是一個(gè)高大上的擺設(shè)，，，，實(shí)際上，將電磁感應(yīng)探頭深入控制器內(nèi)部，就可看出內(nèi)部的電磁輻射強(qiáng)度的大小。
    因此，為了減少內(nèi)部串?dāng)_現(xiàn)象，需要采用隔離措施：控制器的殼體設(shè)置隔離安裝腔，將各部分電路隔離，特別是大功率輸出模塊，更要加強(qiáng)屏蔽措施，使其泄露的電磁波減小到最小。
 
 必要時(shí)，在功率模塊的輸出線端加套高頻磁環(huán)，以改善波形消除脈沖尖波，并可減少大電流對(duì)功率器件的沖擊，延長(zhǎng)壽命，增加性。如下圖所示：
 
同時(shí)，在關(guān)鍵的控制芯片上加設(shè)屏蔽罩，如下圖所示：
 
  
 
甚至電路板噴涂環(huán)氧保護(hù)漆，增強(qiáng)抗震防潮能力，并增加微小電子元件的散熱。
如下圖所示：
綜上，新能源電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器總成，設(shè)計(jì)安裝時(shí)，要求綜合考慮各因素，合理布置安裝，才能消除各種不利因素，控制車輛 更加可靠。
 
這里需要特別指出的是：目前普遍對(duì)電磁兼容EMC 理解為：電控單元組件不受外界干擾，以及不影響外界兩大概念，這個(gè)是淺顯的認(rèn)識(shí)，實(shí)際上，其內(nèi)部的各子系統(tǒng)之間的EMC問題造成的影響更大。特別是強(qiáng)弱電混合的情況，基本的EMC要求如屏蔽與濾波是必要的，否則其他措施都是本末倒置。
 
目前一些新能能源車的一些問題已經(jīng)顯現(xiàn)：有時(shí)失去動(dòng)力，油門無效，剎車回收失靈，以及擋位錯(cuò)亂（混合動(dòng)力車型），待重啟后又回復(fù)正常，售后檢測(cè)無法確定原因，這里可以判斷內(nèi)部的電磁干擾導(dǎo)致誤動(dòng)作是一個(gè)很大的誘因！
以上只是一個(gè)具體的實(shí)例，電氣控制的安全可靠性的要求牽涉的范圍比較廣，包括電氣的電磁兼容，控制的合理方案，綜合布線，電容電感的合理應(yīng)用等。
 
所以：作為電氣控制人員，除了數(shù)控電路知識(shí)，也需要掌握電磁兼容的相關(guān)的模擬電子技術(shù)知識(shí)技能，甚至要掌握機(jī)械方面知識(shí)或與機(jī)械設(shè)計(jì)人員合作，才能在電氣設(shè)計(jì)中，有更全面的考慮，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更安全可靠。
總之，電動(dòng)汽車的整車控制器（或電機(jī)控制器）直接影響車輛的行車安全，重要性不言而喻。目前，各主機(jī)廠設(shè)計(jì)上各自為政，特別是最近放寬新能源車的準(zhǔn)入條件后，更應(yīng)擺脫粗放式經(jīng)營(yíng)，而轉(zhuǎn)向集約化管理，符合統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范。
 簡(jiǎn)介，汽車emc高級(jí)工程師，李富龍
 
 
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