新能源商用車強磁環境場景抗干擾研究

賓仕博，韋尚軍，丘云燕，甘健銘，彭 富，鄭偉光，2

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

0 引言

隨著新能源汽車的快速發展，其功能越來越強大，相應地，電動汽車內部電路的集成度也逐漸提高，高集成度電路系統會不可避免地出現車輛電磁敏感度升高的問題，從而導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注[1]。同時，為響應國家“碳中和”遠景目標，諸多企業為降低成本改善環境，對內部運營車輛逐步普及新能源電動化。電解鋁行業作為典型的高耗能產業與高碳排放產業[2]，使用電費低廉與高效環保的新能源車輛作為運營車輛，能降低企業運營成本與改善企業內部工作環境。因此，新能源汽車與電解鋁產業升級有著的密切聯系[3]。

然而電解鋁工作環境存在強磁場，電解鋁工廠具有復雜的電力網絡，流動的電流在周圍的空間產生復雜的空間磁場，電解槽周圍的磁場強度高達數百高斯，以至于使電解車間內的筆記本電腦與手機等電子產品出現黑屏，電子點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，導致系統失效或信號失真等情況，從而引發車輛故障甚至安全風險[4]。電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility,EMC）具體是指電氣和電子設備在特定的電磁環境中共存，這要求在完全一致的電磁環境中，各種設備都能穩定運行，互不干擾，從而達到“兼容狀態”。新能源汽車的電磁兼容性存在電磁騷擾形式復雜、頻譜范圍覆蓋廣泛、發射功率大、干擾能量大、騷擾問題嚴峻和傳播路徑多樣化的特點[5]。為此本文通過新能源汽車實車測試，對某新能源商用車開展強磁環境場景下的電磁兼容性與抗干擾性試驗研究。

1 場景環境

1.1 車輛配置參數

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

表1 整車參數

1.2 場景邊界條件

以新能源車輛在強磁環境下進行試驗驗證為例，圖1 展示了該試驗商用車試驗場景，試驗場景邊界條件見表2。

圖1 試驗車輛外觀及試驗場景

表2 場景邊界條件

2 試驗項目與內容

2.1 試驗標準

根據《GB 34660-2017 道路車輛電磁兼容性要求和試驗方法》，車輛在強磁場景環境運行狀態下，驗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下的參考評估標準：

狀態I：試驗中和試驗后能夠完成設計功能。

狀態II：試驗中不能完成設計功能，但試驗后能夠自動恢復到常態。

狀態IV：試驗中不能完成設計功能，試驗后需要較復雜的操作才能恢復到常態，對DUT 的功能不應造成任何永久性損壞。

2.2 測試矩陣

為保障整車及系統在強磁環境下均能正常工作，確認各部件的失效條件和標準，需要制定整車及系統在電磁環境下的試驗要求（表3）。

表3 整車及系統試驗要求

2.3 試驗方案

為驗證車輛在強磁環境中整車及各電子電器系統的抗干擾性，結合新能源車輛在電解鋁車間內裝載的運行環境與試驗需求，制定項目測試方案。此方案分為3 種工況，分別為：

（1）車輛以R 檔進入電解車間并停留強磁區域

車輛在R 檔工況下，以5 km/h 倒車駛入電解車間，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，沿裝載路線區域駛出車間，停留在車間門口。再次倒車駛入車間裝載區，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。重復上述操作3 次。

（2）車輛以D 檔進入電解車間并停留強磁區域

車輛在D 檔工況下，以5 km/h 正常駛入電解車間，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，沿裝載流線區域倒車至車間門口。再次擋車駛入車間裝載區，下點休眠5 min，重新上電，擋位從D 檔依次切換到N 檔和R 檔。重復上述操作3 次。

2.2.4 結果比較 3種預處理方法得到的枸杞子外觀和色澤無顯著差異；但特性量值是否發生顯著變化需要進一步實驗加以驗證；但減壓干燥法較液氮凍干法、凍干法更省時，節能。

（3）正常行駛穿行強磁區域

車輛在正常行駛在廠內各作業車間，穿越各強磁環境區域，車速≤20 km/h，往返行駛操作2 次。

3 實車試驗

3.1 強磁區域概括

采用VICTOR 862C 型測試儀測量電解鋁車間停車區域磁感應強度，檢測車輛在不同區域下的抗擾性能。在停車接駁區域前進方向取3 個測點，每個測點間隔1 m，高度取3 個測點，單邊為3*3 的矩形測點矩陣，左右接駁區兩側測點對稱，如圖2 所示。

圖2 試驗區域

表4 為車輛作業區磁感應強度分布，可以看出場強分布，越靠近電解槽的B 區域，磁感應強度越高，為保證車輛適應性，選擇在場強最強的區域開展驗證性試驗，以保障車輛全域環境下運行的可靠性與穩定性。

表4 作業區磁感應強度分布（mT）

3.2 實車驗證

參照《GB 34660-2017 道路車輛電磁兼容性要求和試驗方法》，在某電解鋁車間開展新能源整車抗擾性試驗，實車驗證新能源整車強磁抗擾能力。車輛按上文2.3 的要求行駛進入電解鋁車間，觀察車輛及儀表狀態，采集報文數據。為了減小外界環境因素對數據差異化影響，該試驗在同一區域、同一路線開展。

試驗樣車向前行駛開向通道A 區裝卸鋁水罐位置，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行正常。通過實車采集數據查驗可知，車輛在磁場A 區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 區域DTU 狀態

當車輛D 擋行駛到B、C 區域強磁區域，車輛各控制器及電子電器無異常，但整車動力系統出現動力失效。踩下電門后車輛無動作，樣車無法前進行駛。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3 次啟動行駛，樣車均無法行駛。

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

圖4 強磁區域DTU 狀態

通過報文數據分析可知，當車輛在停車后切換擋位，在強電磁環境下制動控制系統受到信號干擾，制動信號一直無法清零，始終維持22.8%以上制動開度，油門開度達到40%時車輛車速仍為0 km/h，證明整車動力響應失敗。根據整車控制邏輯設定，當整車控制器VCU 油門開度≥0 時，發出扭矩請求，前提需要制動無信號即制動力矩為0 N·m 時，電機控制器MCU 才響應扭矩請求。此時因受到強電磁或其他干擾，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，優先響應制動信號，因此VCU 在檢測到扭矩為非0 狀態，無法發出扭矩請求，輸出扭矩為0 N·m，導致整車動力失效，無法前進。

4 實車整改

電磁干擾（Electromagnetic Interference,EMI）是指能量以電磁波形式在空間傳播，干擾電磁敏感設備，引起設備功能或性能下降的現象。EMI 的產生原理主要是由于電磁能量在空間傳播，遇到導電物體或電介質時，部分能量會轉化為熱能或感應電流，從而產生干擾。電磁干擾有傳導干擾和輻射干擾兩種。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到另一個電網絡。EMI 的產生需要滿足三個條件：干擾源、傳播途徑和敏感設備。干擾源可以是任何能夠發出電磁能量的設備，如電源、無線電等。傳播途徑包括空氣、導線、空間等，其中空氣和空間是最常見的傳播途徑。敏感設備是指容易受到電磁干擾的設備，如通信設備、醫療設備、電子測量設備等。如圖5 所示。

圖5 電磁環境下干擾因子

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、遠離敏感設備等措施。最后，對于敏感設備，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行抗擾處理。

（1）整車駕駛室機艙內控制器表面包裹鋁箔，在控制器本體及外部接口處包裹嚴密，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連接，如圖6 所示。

圖6 駕駛機艙整改前后對比

（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 描述的實車驗證出現軟件策略問題，更改軟件策略見表5。

表5 軟件策略更改內容

5 實車回歸驗證

通過完成硬件改制及軟件變更，再次進行驗證試驗。試驗樣車向前行駛開向通道弱磁A 區及強磁B/C區域裝卸鋁水罐位置，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 結語

通過新能源商用車在電解鋁車間強電磁環境下運行，開展整車的電磁抗擾性試驗研究。新能源電動汽車相關系統受到強電磁干擾后產生的異常現象，分析其產生的原因和構建相應的抑制方法。針對上述問題，采用硬件屏蔽、軟件策略調試標定等方法，提高新能源電動汽車在強磁環境下的電磁兼容與抗干擾能力，提升新能源整車控制系統的兼容性，為新能源商用車電磁兼容研究提供參考依據。