新能源商用车强磁环境场景抗干扰研究

宾仕博，韦尚军，丘云燕，甘健铭，彭 富，郑伟光，2

（1.东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005；2.广西科技大学，广西 柳州 545005）

0 引言

随着新能源汽车的快速发展，其功能越来越强大，相应地，电动汽车内部电路的集成度也逐渐提高，高集成度电路系统会不可避免地出现车辆电磁敏感度升高的问题，从而导致车辆电磁兼容性降低,由此新能源汽车的电磁兼容性受到了广泛的关注[1]。同时，为响应国家“碳中和”远景目标，诸多企业为降低成本改善环境，对内部运营车辆逐步普及新能源电动化。电解铝行业作为典型的高耗能产业与高碳排放产业[2]，使用电费低廉与高效环保的新能源车辆作为运营车辆，能降低企业运营成本与改善企业内部工作环境。因此，新能源汽车与电解铝产业升级有着的密切联系[3]。

然而电解铝工作环境存在强磁场，电解铝工厂具有复杂的电力网络，流动的电流在周围的空间产生复杂的空间磁场，电解槽周围的磁场强度高达数百高斯，以至于使电解车间内的笔记本电脑与手机等电子产品出现黑屏，电子点火的汽油动力车无法启动，电动汽车上搭载诸多的控制器及传感器被电磁干扰，导致系统失效或信号失真等情况，从而引发车辆故障甚至安全风险[4]。电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility,EMC）具体是指电气和电子设备在特定的电磁环境中共存，这要求在完全一致的电磁环境中，各种设备都能稳定运行，互不干扰，从而达到“兼容状态”。新能源汽车的电磁兼容性存在电磁骚扰形式复杂、频谱范围覆盖广泛、发射功率大、干扰能量大、骚扰问题严峻和传播路径多样化的特点[5]。为此本文通过新能源汽车实车测试，对某新能源商用车开展强磁环境场景下的电磁兼容性与抗干扰性试验研究。

1 场景环境

1.1 车辆配置参数

对于大型电解铝企业，厂内的运营车辆均采用商用车，以满足运载需求，本研究以某款新能源商用车为研究对象，整车参数见表1。

表1 整车参数

1.2 场景边界条件

以新能源车辆在强磁环境下进行试验验证为例，图1 展示了该试验商用车试验场景，试验场景边界条件见表2。

图1 试验车辆外观及试验场景

表2 场景边界条件

2 试验项目与内容

2.1 试验标准

根据《GB 34660-2017 道路车辆电磁兼容性要求和试验方法》，车辆在强磁场景环境运行状态下，验证新能源商用车的抗扰性能，以下为新能源汽车在不同状态下的参考评估标准：

状态I：试验中和试验后能够完成设计功能。

状态II：试验中不能完成设计功能，但试验后能够自动恢复到常态。

状态IV：试验中不能完成设计功能，试验后需要较复杂的操作才能恢复到常态，对DUT 的功能不应造成任何永久性损坏。

2.2 测试矩阵

为保障整车及系统在强磁环境下均能正常工作，确认各部件的失效条件和标准，需要制定整车及系统在电磁环境下的试验要求（表3）。

表3 整车及系统试验要求

2.3 试验方案

为验证车辆在强磁环境中整车及各电子电器系统的抗干扰性，结合新能源车辆在电解铝车间内装载的运行环境与试验需求，制定项目测试方案。此方案分为3 种工况，分别为：

（1）车辆以R 档进入电解车间并停留强磁区域

车辆在R 档工况下，以5 km/h 倒车驶入电解车间，不断电驻车停留5 min。随后打开高低压电器，原地切换挡位，从R 档依次换到N 档和D 档，沿装载路线区域驶出车间，停留在车间门口。再次倒车驶入车间装载区，下电休眠5 min，重新上电，挡位从R 档依次切换成N 档和D 档，使出车间。重复上述操作3 次。

（2）车辆以D 档进入电解车间并停留强磁区域

车辆在D 档工况下，以5 km/h 正常驶入电解车间，不断电驻车停留5 min，打开高低压电器功能，原地切换挡位，从D 档依次换到N 档和R 档，沿装载流线区域倒车至车间门口。再次挡车驶入车间装载区，下点休眠5 min，重新上电，挡位从D 档依次切换到N 档和R 档。重复上述操作3 次。

2.2.4 结果比较 3种预处理方法得到的枸杞子外观和色泽无显著差异；但特性量值是否发生显著变化需要进一步实验加以验证；但减压干燥法较液氮冻干法、冻干法更省时，节能。

（3）正常行驶穿行强磁区域

车辆在正常行驶在厂内各作业车间，穿越各强磁环境区域，车速≤20 km/h，往返行驶操作2 次。

3 实车试验

3.1 强磁区域概括

采用VICTOR 862C 型测试仪测量电解铝车间停车区域磁感应强度，检测车辆在不同区域下的抗扰性能。在停车接驳区域前进方向取3 个测点，每个测点间隔1 m，高度取3 个测点，单边为3*3 的矩形测点矩阵，左右接驳区两侧测点对称，如图2 所示。

图2 试验区域

表4 为车辆作业区磁感应强度分布，可以看出场强分布，越靠近电解槽的B 区域，磁感应强度越高，为保证车辆适应性，选择在场强最强的区域开展验证性试验，以保障车辆全域环境下运行的可靠性与稳定性。

表4 作业区磁感应强度分布（mT）

3.2 实车验证

参照《GB 34660-2017 道路车辆电磁兼容性要求和试验方法》，在某电解铝车间开展新能源整车抗扰性试验，实车验证新能源整车强磁抗扰能力。车辆按上文2.3 的要求行驶进入电解铝车间，观察车辆及仪表状态，采集报文数据。为了减小外界环境因素对数据差异化影响，该试验在同一区域、同一路线开展。

试验样车向前行驶开向通道A 区装卸铝水罐位置，制动驻车后切换为N 档，拉起手刹。打开所有电子电器功能，观察运行情况。间隔20 s 后，切换R 档，换挡动作后仪表显示挡位切换存在1 s 延迟时间，所有电子电器件均运行正常。通过实车采集数据查验可知，车辆在磁场A 区域已受到电磁场干扰，各电子电器、控制器及整车具有一定抗扰性，各DTU 被测器件无异常，如图3 所示。

图3 磁场A 区域DTU 状态

当车辆D 挡行驶到B、C 区域强磁区域，车辆各控制器及电子电器无异常，但整车动力系统出现动力失效。踩下电门后车辆无动作，样车无法前进行驶。踩下制动刹车后切换至N 档，再切换到R 档，仪表显示已挂入档位，但踩下油门样车无倒车动作，车辆无法行驶。高压下电休眠5 min，重新挂入D 档或R 档，重复3 次启动行驶，样车均无法行驶。

由图4 可知，在B/C 区域强电磁环境下（≥5mT），车辆各项电子电器功能正常，未报故障码，但新能源整车出现动力失效，在满足车辆行进的前提下，油门踏板开度已超过40%，车辆车速为0 km/h，电机转速为0 r/min，证明车辆无法行驶。

图4 强磁区域DTU 状态

通过报文数据分析可知，当车辆在停车后切换挡位，在强电磁环境下制动控制系统受到信号干扰，制动信号一直无法清零，始终维持22.8%以上制动开度，油门开度达到40%时车辆车速仍为0 km/h，证明整车动力响应失败。根据整车控制逻辑设定，当整车控制器VCU 油门开度≥0 时，发出扭矩请求，前提需要制动无信号即制动力矩为0 N·m 时，电机控制器MCU 才响应扭矩请求。此时因受到强电磁或其他干扰，即使在未踩下制动踏板即存在25%以上的制动开度，此时同时有制动和油门开度信号，优先响应制动信号，因此VCU 在检测到扭矩为非0 状态，无法发出扭矩请求，输出扭矩为0 N·m，导致整车动力失效，无法前进。

4 实车整改

电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）是指能量以电磁波形式在空间传播，干扰电磁敏感设备，引起设备功能或性能下降的现象。EMI 的产生原理主要是由于电磁能量在空间传播，遇到导电物体或电介质时，部分能量会转化为热能或感应电流，从而产生干扰。电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个电网络。EMI 的产生需要满足三个条件：干扰源、传播途径和敏感设备。干扰源可以是任何能够发出电磁能量的设备，如电源、无线电等。传播途径包括空气、导线、空间等，其中空气和空间是最常见的传播途径。敏感设备是指容易受到电磁干扰的设备，如通信设备、医疗设备、电子测量设备等。如图5 所示。

图5 电磁环境下干扰因子

为了防止电磁干扰，可以采取多种措施。首先，对于干扰源，可以采取降低电磁能量强度、增加屏蔽措施、改变频率等措施。其次，对于传播途径，可以采取滤波、接地、远离敏感设备等措施。最后，对于敏感设备，可以采取提高抗干扰能力、增加电磁屏蔽等措施。

通过上述机理分析，为解决新能源整车及控制器干扰问题，开展样车改制，采用硬件改制与软件更改等方式进行抗扰处理。

（1）整车驾驶室机舱内控制器表面包裹铝箔，在控制器本体及外部接口处包裹严密，控制器之间连接的低压插件信号线束包裹铝箔，铝箔屏蔽层与整车接地点连接，如图6 所示。

图6 驾驶机舱整改前后对比

（2）针对制动信号异常，在驾驶室前端制动信号线束至VCU 控制器段线束包裹铝箔，铝箔屏蔽层与整车接地点连接。同时将制动脚阀连同周边气管包裹屏蔽，屏蔽层就近与车架地短接到一起；拆除脚阀传感器内部信号地与外壳地相连的电阻，外部使用铝箔屏蔽。

针对上文3.2 描述的实车验证出现软件策略问题，更改软件策略见表5。

表5 软件策略更改内容

5 实车回归验证

通过完成硬件改制及软件变更，再次进行验证试验。试验样车向前行驶开向通道弱磁A 区及强磁B/C区域装卸铝水罐位置，制动驻车后切换为N 档，拉起手刹。打开所有电子电器功能，观察运行情况。间隔20 s 后，切换R 档，换挡动作后仪表显示挡位切换存在1 s 延迟时间，所有电子电器件均运行正常。油门信号与制动信号不再冲突，车辆按请求扭矩行驶，输出扭矩＞0，挡位切换正常。图7 为整改后测试结果，动力效果均正常，信号干扰程度明显得到改善。

图7 整改后测试

6 结语

通过新能源商用车在电解铝车间强电磁环境下运行，开展整车的电磁抗扰性试验研究。新能源电动汽车相关系统受到强电磁干扰后产生的异常现象，分析其产生的原因和构建相应的抑制方法。针对上述问题，采用硬件屏蔽、软件策略调试标定等方法，提高新能源电动汽车在强磁环境下的电磁兼容与抗干扰能力，提升新能源整车控制系统的兼容性，为新能源商用车电磁兼容研究提供参考依据。