纯电动客车存在的电器干扰问题

王洪军， 雷 杰， 武云龙， 薛伟光， 卜方方

(比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118)

纯电动客车和燃油客车的主要区别在于驱动能源和驱动方式。纯电动客车采用动力电池作为能源，通过DC和各类电机控制器给整车电器供电。DC和控制器通过集成化的IGBT或MOS管，采用脉冲调制技术(PWM)进行AC-DC整流、DC-AC逆变，工作频率高达20 kHz，易出现电器间干扰问题，导致电器工作异常，影响电器工作的稳定性[1-4]。此外，由于纯电动客车电器数量多、工作状态复杂，因此很难充分匹配，一些容性或感性负载在通断瞬间会出现电压波动、瞬时过流的异常情况，使其他电器被干扰甚至损坏[5-7]。本文通过对电器干扰问题的理论分析和实际解决，希望对改善纯电动客车电器干扰问题有所帮助。

1 电器干扰的主要因素

纯电动客车电器干扰的主要因素有开关电源、低压感性负载、高压容性负载。

1.1 开关电源对整车电器的影响

开关电源工作频率高，开通关断时的电压变化率(du/dt)大，易形成谐波丰富的电压脉冲，通过开关电源自身或开关电源电路的寄生参数干扰其他电器的电源线、信号线或内部电路。

开关电源干扰主要分2种，一种是线线传导干扰;另一种是空间耦合干扰。线线传导干扰主要通过线与线(如电源线、信号线)传播，常表现为差模电流纹波和差模电压纹波；空间耦合干扰主要通过空间通分布参数(如分布电容、分布电感)形成的发射天线和空间辐射传播，常表现为共模电压和共模电流。线线传导干扰和空间耦合干扰同时存在且相互转化，下面以3个案例对开关电源骚扰问题进行分析。

1) 监控显示屏竖条纹问题。某车在运行过程中开启空调制冷模式后，监控显示屏出现竖条纹干扰。空调制冷模式启动后，空调压缩机和空调DC开始工作，此时空调电控的开关电源电路将动力电池的直流电逆变成交流，同时将动力电池的高压降压斩波供给空调风机，因此产生较大的共模电压纹波(如图1)。共模电压纹波通过整车高低压电路之间的分布电容和发射天线耦合到摄像头电源线，导致摄像头电源线产生12 V左右电压纹波(如图2)，使监控显示屏画面显示异常。

图1 空调制冷时高压对地共模电压纹波

图2 空调制冷时摄像头电源线电压纹波

2) 车辆启动时仪表出现插枪信号问题。某车在高压上电启动时组合仪表出现插枪信号，正常情况下插枪信号为5 V左右，当插枪信号变为0.5 V时车辆组合仪表出现插枪信号。插枪信号会禁止车辆启动运行。

图3是该车启动时测得的插枪信号的波形图，可以发现车辆启动时高压回路对地(CH1)有一段时间304 ms、峰峰值50 V左右的共模电压纹波，此时为控制器自检，自检时控制器内部开关电源工作会产生严重干扰，导致插枪信号(CH3)同时出现一段峰峰值7.7 V左右的干扰电压，干扰电压导致插枪信号异常降低到0.5 V以下，使仪表显示插枪信号并禁止车辆启动。

图3 车辆启动时测试图

3) 电池采集器故障问题。某车运行时电池采集器损坏导致车辆断电停车。将损坏的电池采集器进行拆解分析发现，大部分采集器CAN通讯芯片损坏，少部分晶振和单片机等损坏，其中有一采集器接插件端温度地(温度采集信号地Tcom)到PCB板内走线有过流痕迹。

图4为故障采集器原理图，理论上高压对地的电压为直流，实际上由于动力电池和整车地(整车电平台GND)之间存在寄生电容，高压电器内部的开关电源工作时产生的共模电压纹波会施加在高压和电池采集器温度地Tcom之间，形成流过寄生电容的共模电流纹波，导致Tcom电位漂移。此外共模电流纹波流过寄生电容所在的回路时会导致PCB板过热，共模纹波电流过大还会导致寄生电容被击穿。图5为高压回路对整车地的共模电压。

图4 故障采集器原理图

图5 高压回路对整车地的共模纹波

1.2 低压感性负载对整车电器的影响

低压感性负载如接触器、散热器风扇、门电磁阀等在通断时会产生很大的自感电动势，导致低压电源网络的电压产生波动或冲击，导致在同一电源网络下的其他负载(如接触器)被干扰甚至误动作，图6是泰科某型号接触器断开时对电源端产生的瞬态冲击干扰，下面以一个接触器断开时线圈端电压冲击过大问题进行案例分析。

图6 瞬态冲击——接触器断开

某车充电完成后拔充电枪时，辅助接触器线圈两端有异常电压冲击(如图7)。

图7 电压冲击——接触器断开

DC、充电、辅助接触器线圈端都接在相同的低压24 V电源上，充电时，只有DC接触器(CH1)和充电接触器(CH3)吸合；充电完成后，DC接触器和充电接触器断开，由于接触器线圈是感性负载，断开瞬间产生的自感电动势很大。可以看到辅助接触器线圈端(CH2)本来没有电压，DC与充电接触器断开瞬间导致辅助接触器线圈端产生5 ms、28 V左右的反向冲击电压。

通过脉冲发生装置模拟实验台架给辅助接触器同样施加5 ms、28 V的冲击电压，辅助接触器出现异常吸合情况(小灯亮，V0为0)，图8是实验原理图。

(4)衣着、居住、生活用品及服务这几类消费项目与产业结构的和谐度相对来说比较高，分别为0.799613、0.864847和0.903505。说明河北省衣着消费、居住消费和 生活用品消费与产业结构之间均处于一种比较和谐的状态，河北省的产业结构能较好的适应和满足这些项目的消费需求。

图8 实验原理图

1.3 高压容性负载对整车电器的影响

电动客车上的各种控制器内部存在大小不一的X电容和Y电容[8]。由于电容的充放电特性，高压回路闭合瞬间会出现很大的电容充电电流，导致高压回路出现瞬态冲击电流和高压回路对车身地的瞬时泄露电流，高压回路冲击电流经过高压电器内部电子元件时会导致电子元件过压被击穿，高压回路对车身地的瞬时泄露电流过大会导致充电失败。下面以2个案例进行分析。

1) X电容过大问题。某车高压上电失败无法正常启动，经分析为预充电阻损坏导致高压回路上电时未经过预充环节，动力电池直接给高压回路的X电容大电流充电，大电流流过高压回路保险使保险熔断，导致高压回路母线电压检测异常，无法正常高压上电。

2) Y电容过大问题。某车充电启动时出现跳枪异常，经分析为车辆某控制器Y电容过大，充电启动时电网侧380 V交流电流入控制器，对控制器Y电容及其他结构Y电容充电，此时流过Y电容的瞬时电流很大，这里的瞬时电流也叫泄露电流，泄露电流通过PE线流回远端电网大地，导致充电设备判断为漏电而自动保护。

2 电器干扰的改善方法

改善纯电动客车电器干扰问题主要有3方面：抑制干扰源、抑制传播途径、增强电器抗干扰能力[9-10]。

2.1 抑制干扰源

抑制干扰源是对干扰产生的源头进行改善，常在整车电器设计阶段通过良好软硬件设计实现，优点是效果好、成本低、实用性强，但对整车设计水平要求极高，且需要完善的验证流程，改善周期长。

1)对于开关电源干扰，常优化控制器自检过程的时序控制，简化自检流程；采取合适的SPWM调制方式，如单极性倍频调制；优化开关电源电路结构和布局，控制过细或过长走线。

2)对于低压感性负载干扰，由于其本身作用依靠感性特征实现，无法从源头进行抑制，只能通过传播途径来解决。

3)对于高压容性负载干扰，可在整车设计阶段设计大小合理的X电容和Y电容，常通过规范电器零部件的接口电容和整车的结构布置来实现，其中Y电容干扰只能通过抑制其电容大小来实现。

在解决前述Y电容过大问题过程中，移除控制器0.22 uF的Y电容后，车辆充电时的泄露电流减小，车辆充电恢复正常。

2.2 抑制传播途径

抑制干扰源是解决电器干扰最有效的方法，但考虑到设计技术水平、设计周期等因素，抑制传播途径更多地被应用。抑制传播途径指通过阻断干扰源传播路线、屏蔽干扰源等方法使干扰到达被干扰对象之前就被滤除。

1)对于开关电源干扰，常通过开关电源的滤波环节进行抑制，如针对特定频率布置的靠近开关电源的二级LC滤波；使用开关电源屏蔽罩或多层屏蔽的线束；增大带有干扰线束与被干扰电器的距离；高低压线束走线时尽量避免交叉。

在解决前述监控显示屏竖条纹过程中，将摄像头的信号线远离空调系统后，信号线上的电压纹波减小到0.6 V左右，监控显示屏恢复正常，如图9所示。

图9 摄像头信号线电压纹波

在解决前述电池采集器故障问题过程中，将插枪信号线的屏蔽层良好接地后插枪信号的干扰大大降低，组合仪表显示恢复正常，如图10所示。

图10 插枪信号线屏蔽良好时车辆启动时测试图

2)对于低压感性负载干扰，可通过合理的续流回路设计(如给接触器设计续流二极管)给感性负载通断时产生的干扰提供良好泄放回路，使干扰不再走其他路径。

在解决前述拔枪时接触器断开冲击电压问题中，设计合理的续流回路后，拔枪时接触器断开的电压冲击得到有效改善。

3)对于高压容性负载干扰中的X电容，可通过设计预充回路，通过预充电阻来减小流过X电容的电流。

在解决前述X电容过大问题中，增加预充电阻后，流过X电容的电流大大减小。

2.3 增强电器抗干扰能力

尽管抑制干扰源和抑制干扰途径对干扰的改善效果较好，一些敏感且重要的电器(如电池采集器)仍需要通过软硬件设计来提升自身的抗干扰能力以充分确保其工作稳定性。

1)对于开关电源干扰，常使用屏蔽罩罩住关键信号电路；重要信号采用差分线；信号线或电源线双绞走线；隔离布置(电器地与车身地隔开)；电源接口电路进行抗干扰处理(如增加磁珠、差模电感、共模电容)；信号线的正负应尽量靠近一起布置；骚扰性电器和敏感性电器尽量不要使用同一搭铁。

在解决前述电池采集器故障问题中，电池采集器隔离布置后，被干扰情况得到改善。

2)对于低压感性负载干扰，可通过合理的接口电路滤波来解决。

3)对于高压容性负载干扰中的X电容，可通过提升电子元器件的过电流能力或一定的过压泄放回路来解决。

3 结束语

随着纯电动客车在市场上越来越多的应用，人们对电动客车的性能和稳定性提出了更高的要求，减少纯电动客车的电器干扰问题不仅满足了整车性能要求，也提升了整车功能稳定性，是纯电动客车蓬勃发展过程中必不可少的一个环节，因此对纯电动客车电器干扰问题的分析研究很有必要。