整车顿挫电磁兼容问题分析和整改

曹勇勇， 付朝辉， 苏添发， 练添生

（吉利汽车研究院（宁波） 有限公司， 浙江 慈溪 315336）

随着汽车工业的发展，智能化、复杂化的汽车电气系统被广泛应用，消费者对于汽车的基本功能要求越来越高，因此电器系统的复杂程度提高使得汽车系统部件的电磁兼容问题也愈发复杂，电磁耦合和传导的路径也更加多样化，电磁兼容也将带来耸车等导致车辆驾驶和行车安全的问题。本文根据电磁骚扰、耦合和传播机制，给出一种线束工艺优化方案以解决车辆耸车问题。

1 产品描述

曲轴位置传感器作为汽车控制系统中最重要的传感器之一，其作用主要为检测发动机转速以及检测活塞上止点位置，通常配合凸轮轴位置传感器一起工作，并输出信号给ECU从而进行顺序喷油控制。由于曲轴位置传感器布置在曲轴前端，周围空间狭小，产品内部无空间布置多余滤波措施，同时周边还安装了其他的传感器、控制器、执行电机等，导致在其范围内的电磁场环境非常恶劣，容易引起相互的电磁干扰问题，当曲轴位置传感器受到周围环境影响导致输出信号异常时，整车喷油控制便会受到影响。图1为曲轴位置传感器的工作原理。

图1 曲轴位置传感器工作原理

本文主要通过对曲轴位置传感器信号输出异常导致车辆耸动的问题进行排查定位，分析干扰的原因，结合实际车型电磁兼容环境，提出问题优化方案，解决实车问题，并将相关问题整改方案进行横展推广。

2 问题背景

此问题为车辆开发过程中试验车辆偶发性问题，主要发生在雨天气候，车辆正常行驶中，偶发性出现车辆耸动现象，同时可以观察到组合仪表显示转速出现短暂的转速下降再迅速上升现象，严重影响驾驶安全及驾驶感受。

通过模拟用户车辆使用场景操作车辆电器负载，并按照绕八字、颠簸路及高速制动工况进行反复测试，发现此问题的出现与绕行方式无关，原地怠速或者车辆行驶时操作雨刮均可以复现车辆耸动问题，使用诊断仪读取故障信息为转速传感器信号丢失故障码，初步分析问题原因为ECU接收曲轴位置传感器信号异常。针对以上现象，经过对问题车进行曲轴传感器单体的性能测试及电路分析，确认曲轴传感器单体无异常。

为了定位问题的根本原因，制定了详细的排查方案，第一步进行故障信号的采集，并进行曲轴传感器、雨刮、ECU等相关件的单体一致性装车验证；第二步针对曲轴传感器与雨刮之间的传导路径进行实际排查。

3 干扰源定位

第1步：确认问题车故障原因，在问题车辆上使用示波器同步采集雨刮电流、曲轴位置传感器电压、曲轴位置传感器信号，操作雨刮，发现当使用间歇挡位发生雨刮回位动作时，车辆偶尔出现耸动现象。此时的采集结果如图2所示，其中蓝色波形为曲轴位置传感器电压，紫色波形为曲轴位置传感器信号，绿色波形为雨刮电流。通过多次数据采集对比，初步确认车辆耸动原因为当雨刮回位电流较大时，曲轴位置传感器电压同步出现的低电压波动导致传感器芯片复位重启，从而导致应该发送的齿状信号在复位时间内丢失。而当传感器电压不再出现过低电压，芯片复位后继续输出齿状信号，在此过程中整车喷油控制便会受到影响，从而导致车辆出现耸动。

图2 示波器采集结果

第2步：确认是否为曲轴位置传感器、ECU、雨刮、雨刮继电器等相关件的单品品质问题。分别使用10个随机抽样件，依次装车进行采集，发现问题均不会消失。然后将问题车上的相关件全部换到另一台未出现耸动现象的车辆上，采用同样的手法操作雨刮并采集数据，发现问题并未转移，当雨刮电源线出现类似大小的电流波动时，传感器电压未出现相同大小的低电压波动，判断问题并非由于相关件的单品之类问题导致。

第3步：干扰传导路径，通过确认曲轴位置传感器、ECU、雨刮的布线，发现以下几处怀疑点。

1） 雨刮与ECU在车身上的搭铁点距离不足200mm，干扰可能通过搭铁点传导，将雨刮搭铁点位置挪动，远离ECU搭铁点并测试，可以验证此怀疑点。

2） 雨刮与ECU线束在熔断丝盒中存在长度200cm左右共线，干扰可能通过ECU线束传导，通过实车解除共线并测试，可以验证此怀疑点。

3） 雨刮与曲轴位置传感器并无共线，但与曲轴位置传感器同一路5V供电的油门踏板传感器，其与雨刮存在共线，最大布线长度600cm，干扰可能通过油门踏板传导到ECU端，影响同一路5V供电的曲轴位置传感器，通过实车解除共线并测试，可以验证此怀疑点。

通过以上怀疑点的验证，最终证实传导路径为第3点描述的路径，并可以通过将非问题车辆人为更改共线距离的方式，使之出现耸车现象。

4 整改设计

机械雨刮回位时产生的反向电动势通过其电源线及搭铁线传导，骚扰能够耦合到与其共线的油门踏板传感器线束上，而油门踏板传感器与曲轴位置传感器为同一路LDO供电，并且为共地设计，油门踏板传感器线束耦合的骚扰传导到曲轴位置传感器，导致曲轴位置传感器电压波动而重启，因此出现耸车现象。由于骚扰的频率较低，并线的距离越长，靠近骚扰频率时，被干扰线束上耦合的骚扰能量越强，反之越小。而并线的距离取决于线束裹线工艺，因此只有部分车辆出现耸车现象。

基于干扰原理，整改方案从干扰源、干扰传导路径、受干扰件几个角度着手，经过分析整改验证得到以下几种改善方案。

1） 问题车辆使用的机械雨刮未进行瞬态脉冲抑制设计，实车进行雨刮电机关断瞬间的瞬态脉冲测试中发现最大电压超过100V，通过增加TVS管，可以有效抑制瞬态脉冲。

2） 干扰通过油门踏板传感器影响了其他共5V供电的传感器，通过在ECU的LDO端口增加滤波电路，可以有效隔离干扰。

3） 考虑到雨刮回位时，其电源线及搭铁线上的瞬态脉冲幅度相近但方向相反，通过将雨刮电源线束及搭铁线放置于管壁厚度2mm的波纹管（图3）中再进行裹线，使电源线及搭铁线周围的骚扰部分抵消。

图3 波纹管视图

4） 曲轴位置传感器内部仅包含一块芯片，增加滤波电路，增强本身抗低电压干扰能力。

综合考虑，最终选择方案3进行整改，实车验证切实有效。

因此，在解决整车电磁兼容问题时，必须从系统的高度来考虑，综合使用各种可能的方式方法，比如：降低干扰源的干扰水平，破坏干扰路径或者提升被干扰件的抗扰度水平。

5 小结

本案例是一个典型的大功率电机通过共线耦合影响敏感零部件的问题，通过对干扰源定位分析和线束布置整改，采用相应的整改优化方案，成功解决了雨刮电机对曲轴位置传感器的电磁干扰问题。

本文对于整车设计过程中类似于雨刮电机等大功率零部件线束的骚扰隔离整改具有一定的参考价值。