基于FSEC的電動車電磁兼容性提升與電路調試*

程家鐲 艾宇貞 馮理

（1.武漢華夏理工學院汽車工程學院；2.武漢華夏理工學院外國語學院）

汽車上有很多電子模塊，均能正常地單獨工作，但裝配到整車上就會受到彼此的電磁干擾（EMI）[1]。而電動汽車的電子模塊更多且高壓持續存在，因此干擾現象嚴重且存在安全隱患，再加上部分廠家生產的零件電磁兼容性（EMC）不達標，使電磁干擾更為普遍。文章基于中國大學生電動方程式大賽（FSEC）研究了三電系統調試方面的升級與創新，有效提高了整車調試工程師、電機調試工程師以及電池管理系統（BMS）調試工程師之間交叉調試的效率。通過解決整車EMC低下的問題，可以降低調試過程中損耗件的成本[2]，使汽車運行更加穩定。

1 電磁兼容性

1.1 電磁兼容性的含義

電磁兼容性（EMC）指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并且不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。因此，EMC包括2個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁騷擾（EMD）不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性（EMS）。

1.2 基于FSEC的電磁騷擾與電磁干擾

GB/T 4365—1995《電磁兼容術語》中將電磁騷擾定義為：任何可能引起裝置、設備（系統）性能降低或者對有生命（無生命）物質產生損害作用的各種電磁現象。電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化。由于電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降，稱之為電磁干擾（EMI）[1]。EMI有傳導干擾和輻射干擾2種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡；輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網絡。在FSEC賽車中，干擾主要是通過傳導耦合方式傳播，即干擾形式為傳導干擾。文章基于FSEC，研究如何有效抵抗EMI，通過提升各個電子單元的EMS來達到提高EMC的結果。

2 低壓控制系統的特點及設計方案

2.1 低壓系統的特點

由于整車控制器與電機控制器等選用24 V直流電，而部分用電器選用12 V直流電（因無24 V直流電產品替代），所以整車通過2個DC/DC模塊轉換為雙電源模式。在選擇DC/DC額定輸出功率時，充分考慮了低壓電路全負荷下的工況，其中電機控制器和整車控制器全工況下電流為5 A，并且通過試驗測得其他所有24 V直流電用電器的總工作電流約為2.1 A，12 V工作電壓用電器的總電流為0.8 A。綜上，選擇1號DC/DC為輸出24 V，8 A的產品；2號DC/DC為輸出12 V，1 A的產品。

根據所有用電器工作1 h后低壓電源需剩余10%電量的要求，并綜合考慮車輛輕量化，計算出低壓電源最理想的容量為10 A·h。整車并沒有設計動力電池DC/DC模塊給低壓電池充電，考慮到過高電壓差的轉換可能存在燒毀低壓系統的隱患，且符合安全與性能的DC/DC模塊成本偏高、增加車重。因此設計了防水盒保護并安裝至方便拆取處以實現換電，同時預留了防水充電口，在保證安全斷電的情況下直接給低壓電源充電。

2.2 整車低壓線路的設計

整車低壓系統搭建方式采用正極連24 V直流電或12 V直流電高電平，負極搭鐵，且整個電路的設計以并聯為主，串聯為輔。秉承著高效調試檢修、更易排查EMI干擾源的設計初衷，設計的整車電路圖，如圖1所示。圖1中①號為負極接地線路；②號為安全回路部分，用來保證高壓的安全上電；③號為低壓正極線路；④號為通信線路；⑤號CANBridge+介于整車控制器與電機控制器之間，是為了提高整車EMC[3]。把高壓連接器互鎖設計在左急停開關與中控急停開關之間是為了方便檢測高壓連接器互鎖是否正常；同理，把電池箱互鎖設計在碰撞開關與制動系統可靠性裝置（BSPD）之間，由于這兩部分的拆裝與檢修過程繁瑣，而這樣就能免拆檢測，從而提高了調試檢修效率。

圖1 基于FSEC的電動車整車電路圖

3 電機和控制器的特點以及EMC提升

3.1 電機以及電機控制器的工作特點

電機選用的是嵌入式永磁同步電機，電機控制方案采用的是矢量控制方式[4]。電機控制器通過內部絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）控制逆變橋將高壓直流電逆變為不同頻率220 V的三相交流電供給電機[5]。電機控制器通過接收整車控制器的CAN報文，然后由電機控制器內部嵌入式單片機控制IGBT工作[6]。電機控制器通過采集電機內旋變信號得到旋變初始角度，單片機通過計算控制IGBT給出合適的DQ電流夾角（合成電流矢量與轉子磁極的中心線的夾角），實現最大扭矩，再通過控制電流的大小不斷增加扭矩，隨著扭矩增加，轉速不斷攀升至目標轉速。

3.2 提高整車控制器和電機控制器間EMC水平的方案

電機控制器是高壓與低壓集成的模塊，高壓會對低壓造成一定的EMI，而電機控制器EMS能力較整車控制器EMS能力強[7]。在調試過程中遇到了很強的EMI，其表象為：當整車控制器給電機控制器發送CAN報文，命令電機旋轉時，電機在旋轉若干圈后停止，且無法自動復位。多次排查之后發現，只有重新打開低壓和高壓可以重置一次，重置后問題仍然存在。后期通過整車控制的線上調試功能發現，在電機旋轉幾圈后，電腦中顯示整車控制器采集的電信號為“****”（*代表控制器無法進行采集），整車控制器直接死機。隨后通過CAN盒檢測CAN報文收發情況，發現電機停止后只有電機控制器正常發送CAN報文，進一步證實了整車控制器死機的現象。為排查該情況是由EMI中哪種干擾引起的，將示波器置于兩者之間，電機運轉后發現，電機控制器發出的脈沖不呈正弦函數型而是跳躍式突變，確定了控制器死機是強烈的傳導干擾引起的。

為解決問題，將信號傳遞線全換成了屏蔽雙絞線，如圖2所示，將屏蔽層和控制器外殼接入整車地線（GND），并在電機控制器控制面板中加電容，情況得以減輕，但是波形依舊不穩定。最后再在整車控制器與電機控制器之間加上CANBridge+（CAN中繼器，如圖3所示），增加CANBridge+后，波形穩定了，大大提高了EMS，從而使EMC提升，電機穩定運行，如圖4所示。

圖2 屏蔽雙絞線

圖3 CAN中繼器

圖4 CAN中繼器增加前后脈沖波形對比圖

4 高壓電池與整車間的匹配方案

4.1 高壓電池包與電機控制器間的物理隔離及線束的合理使用

高壓電池包用4 mm厚的亞克力板打包，單體間再加上1 mm厚的泡棉充分保護絕緣，小電池模組之間的極耳以及電池管理系統（BMS）檢測電池狀態的線束要用2種以上的絕緣材料包裹。其中BMS間的CAN通信線采用屏蔽雙絞線，采集電池溫度電壓的線為BMS原裝線材，箱體內模組間的高壓部分選用美規11 AWG硅膠軟線串聯，箱體外所有通過大電流的高壓部分采用35 mm汽車屏蔽高壓線[8]。在電機和電機控制器之間的高壓線束連接上，需接地屏蔽，即將屏蔽層接地。

4.2 高壓電池包與整車間的裝配方案及EMC的提高

將電池模組裝進組合電池（pack）內，pack材質是厚度為0.9 mm的304#鋼，模組與內壁間用0.9 mm厚的隔板隔離，且將BMS從控安裝于隔板上，箱體內安裝電器原件用絕緣子隔離。箱體通過螺栓連接安裝在車架上，車架上耳片必須符合強度要求。在提高EMS方面，高壓屏蔽層必須將引線連接到吊耳處來接地，BMS連接絕緣檢測功能的探測端子，實時監測對地電阻來提高對EMI的檢測。BMS檢測數據，如表1所示。

表1 BMS運行參數

在調試過程中通過分析負對地電阻、正對地電阻以及電池管理單元（BMU）側漏電流3個參數，判斷出高壓對低壓是否存在傳導干擾。當BMU側漏電流超過漏電超限閥值2 mA時（即≤500 Ω/V），高壓對低壓造成了傳導干擾。若此時負對地電阻阻值產生了大幅度波動，則該干擾由負極高壓線路造成；若此時正對地電阻阻值產生了大幅度波動，則該干擾由正極高壓線路造成。再對相應干擾源進行排查，運用合理措施消除干擾源，提高高壓線路與整車之間的EMC。

5 結論

基于FSEC的研究可知，干擾區合理使用CANBridge+、信號傳輸線束使用屏蔽雙絞線、高壓線路采用汽車屏蔽高壓線（且使用接地屏蔽）以及動力電池做到合理的絕緣隔離，均能有效地提高整車EMC和調試效率。研究過程中得出的實施方案能有效避免工程中易發的傳導干擾問題，提高工作效率并降低成本。同樣的問題若在現實中的電動車輛調試中出現，亦可通過該方法進行優化。文章主要集中研究了EMI中的傳導干擾，以及通過提升各部件的EMS來提高整車EMC的方案，并未對輻射干擾進行深入研究。

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