電動汽車EMC故障分析及解決對策

張 偉

（陜西汽車集團有限公司技術中心，陜西 西安 710200）

隨著國內外電動汽車的高速發展，電動汽車的EMC工程已成為各主機廠及系統供應商的主攻技術難題。電動汽車電器系統繁雜，集成度高，涉及高壓、低壓電器，電磁環境惡劣，如處理不當，將嚴重影響車輛的正常運行，典型的EMC故障如：音響異常、控制失靈、電機堵轉、轉向失靈、制動失控、車輛自燃等。EMC是涉及整車很多部件的系統工程，解決EMC問題，主要從三方面著手：一是查找識別干擾源，并采取措施降低電磁干擾 （EMI）；其次是阻斷或抑制電磁干擾的傳播；三是識別出易受影響的部件（包括高低壓電器、各種控制器及執行器等），增強其抗干擾能力 （EMS）。本文是針對行業中遇到的各種EMC問題，進行分析并出具相應的解決方案，目的是解決現有系統EMC問題，提升部件EMC品質水平，使整車通過EMC法規測試，同時達到各系統EMC良好兼容，可靠工作。

1 整車公共搭鐵

汽車電氣系統搭鐵設計是非常重要的，它直接影響著信號的正常傳遞，如果搭鐵設計得不合理，或是公共搭鐵點虛接松動，可能會造成信號減弱，公共搭鐵點雜波超過極限，將會產生公共搭鐵干擾，輕則會影響控制單元的正常工作，重則會產生整車安全性事故，如制動不靈、轉向系統異常等。

1.1 目前行業搭鐵方面常存在的現象

數字搭鐵與功率搭鐵未分開、沒有直接與車身或車架搭鐵而是通過中間支架搭鐵、搭鐵點未除漆、未加劇齒彈墊，搭鐵點位置不合理、搭鐵點未做防腐蝕處理等。

1.2 低壓系統搭鐵設計要求

汽車低壓電氣系統常用搭鐵方法有如下兩種，簡示如圖1、圖2所示。

圖1 搭鐵方式一

圖2 搭鐵方式二

搭鐵就近原則，就是盡量在用電器的附近搭鐵，這樣就可以將在某一范圍內的用電器的搭鐵合并在一起。圖1中，將多個電器的負極通過一個打釘點，連接到搭鐵點，其優點是可以降低導線的使用量，減少線束的直徑與質量，但是，這樣會引起搭鐵信號相互干擾。圖2中，就可以降低這種干擾，但是增加了線束的使用量。一般對于控制單元、傳感器、儀表等的搭鐵使用圖2所示方法，而對于燈具、風扇等就可以使用圖1所示方法。

在設計搭鐵方案時，必須要將電子搭鐵和功率搭鐵區分開來，也要將模擬搭鐵和數字搭鐵分開來接，以避免信號間的相互干擾，因為他們對搭鐵的沖擊是不同的，而這種對搭鐵的沖擊會影響較敏感的電子電器元件的工作。但是對同一控制器而言，卻不能將兩者分開太遠，如果兩者距離過遠，那么兩者間的電位差就越大，對同一控制器而言，搭鐵電位就存在比較大的差異，這也會影響控制器的工作。

搭鐵的設計應滿足以下幾點：①各ECU應單獨搭鐵，防止被干擾；②弱信號傳感器的搭鐵線應單獨且就近搭鐵，保證信號正常傳輸；③蓄電池負極搭鐵和發動機搭鐵有多種形式，要慎重考慮，保證可靠搭鐵；④車身和車架應保證同電位，可靠搭鐵，確保所有搭鐵位置能很容易安裝和拆卸，以便維修；⑤不要把搭鐵裝置布置在嚴重的飛濺區域；⑥不要把和電有關的組成部件或搭鐵螺釘布置在油箱和油管的附近；⑦搭鐵線直接通過螺栓、齒形墊片，直接安裝到車身、地板 （或車架）上，且搭鐵處需除漆、除銹，保證無雜物、搭鐵可靠并做防銹處理。

1.3 高壓系統搭鐵設計要求

1）高壓系統部件殼體搭鐵點數量設計要求：①動力電池包殼體與車架至少要有兩個以上搭鐵點；②整車控制器殼體與車架至少要有一個以上搭鐵點；③電機控制器殼體與車架至少要有兩個以上搭鐵點；④電動空調縮機殼體與車架至少要有一個以上搭鐵點；⑤電動轉向泵殼體與車架至少要有一個以上搭鐵點；⑥空氣壓縮機殼體與車架至少要有一個以上搭鐵點。

2）高壓電器件需根據結構特點設計專用的搭鐵螺栓或搭鐵螺母，保證接觸良好，不得有油漆等雜物。

3）搭鐵線要從高壓電器件殼體直接接到車駕上，避免通過中間支架搭鐵。

4）高壓電器外殼要就近有效搭鐵于車架 （即所謂的“干凈地”），不得通過支架間接搭鐵。

5）車架搭鐵點應采取除漆措施并加鋸齒墊圈，保證良好接觸。

6）高壓電器外殼搭鐵線盡可能短，截面盡量大，直徑一般不小于16 mm2。

7）各搭鐵點要進行專項防腐蝕處理。

8）搭鐵線布置盡量遠離電源。

1.4 搭鐵點測試驗證要求

1）殼體與車架的接觸電阻：通過專項電阻測試儀測試驗證。

2）耐腐蝕性強度測試驗證：通過專項鹽霧試驗驗證。

3） 抗震性驗證：通過專項震動性試驗驗證。

圖3為某型號電動汽車搭鐵設計細節，可作為參考。

圖3 某型號電動汽車搭鐵設計細節

2 高壓電纜整改措施

2.1 行業存在問題

1）部分高壓線不帶屏蔽功能。

2）高壓線束屏蔽層沒有通過接頭與殼體360°環接，而是通過外部接線方式，會造成漏磁，連線會產生“天線”效應，無法有效抑制電磁干擾。

3）線束與接頭不匹配，且加之連線產生的間隙，造成密封不好，無法有效防止進水，會導致部件損壞，如圖4所示。

2.2 應對措施

1）所有高壓線束 （ICU-PTC電加熱、ICU-空調壓縮機電機、ICU-轉向助力電機、ICU電池+-BMS總正端、ICU-打氣泵電機、ICU-驅動電機、BMS正極輸入端-動力電池、BMS加熱接口-動力電池、動力電池Pack-Pack等高壓線束）均采用屏蔽電纜并配專用屏蔽線束防水接頭。

2）線束屏蔽層通過該接頭和殼體360°環接，不得出現漏磁或進水現象。

3）接頭應連接堅固，接線端子壓接堅固，不得松動。

4）線束兩端的屏蔽層均要與相關殼體可靠連接。

5）高壓線束外穿護套，穿越金屬骨架部位應有絕緣防護，捆扎牢固。

需要強調的是高壓直流線束，雖然是直流，但因其在工作過程中，直流電的通斷及電流變化同樣會產生電磁輻射，對周邊電器會造成干擾，所以高壓直流線束同樣要帶屏蔽。

圖4 線束與接頭不匹配

3 整車線束布置規范

1）小功率的敏感電路要緊靠信號源，大功率干擾電路要緊靠負載。

2）盡可能將小功率信號電路與大功率電路分開布置。

3）不同用途不同電平的導線如輸入線與輸出線、強電與弱電要遠離，特別是高壓線束與低壓控制通訊線束分離布置，至少200 mm的布置間距。

4）高壓線束與低壓控制通訊線束盡可能避免平行布置，盡量做到十字交叉布置，以減少線束間的感應干擾和輻射干擾。

5）高壓線束應采取屏蔽措施，屏蔽層兩端均要可靠接在殼體上，并最終通過間接搭鐵線有效接到車架上。

圖5為BMS高壓線束與整車通訊線束利用支架進行分離的實例。

4 轉向電機整改措施

4.1 行業存在問題

圖5 BMS高壓線束與整車通訊線束利用支架分離實例

轉向電機有一段引出的高壓線束，線束一端通過不帶屏蔽的接頭與轉向電機連接，另一端帶一個線束插接器，該插接器不帶屏蔽功能，通過該線束插接器再與轉向DC／AC高壓線相連，線束屏蔽層不能與轉向DC／AC及轉向電機殼體360°有效連接，且系統屏蔽不能連續，使得轉向系統的EMC狀況惡劣，對整車EMC造成影響。如圖6所示。

4.2 整改措施

為有效實現線束屏蔽層搭鐵，取消轉向電機引出的高壓線束，采用一根電源屏蔽線總成，這個電源屏蔽線是從轉向電機真接到轉向DC／AC，兩端分別用電磁屏蔽防水接頭與轉向DC／AC及轉向電機殼體360°環接，中間沒有過渡接頭和過渡線，使屏蔽的連續性得到保障，從而增強電動轉向系統EMC性能。

圖6 轉向電機高壓線束的EMC影響

5 提升整車CAN網絡穩定性

5.1 目前整車CAN網絡常存在的問題

1）CAN線不帶屏蔽功能。

2）CAN網絡終端電阻缺失、過多或布置位置不合適。3）一些CAN網絡節點阻抗設計不匹配，造成CAN網絡工作不正常。

5.2 整改措施

1）整車CAN通訊線束應采取屏蔽措施，屏蔽層要可靠搭鐵，以抑制電磁干擾。

2）對整車CAN網絡進行拓撲分析，確保在每一路CAN總線的首尾兩端各設有一個120Ω終端電阻，這個電阻也可集成在控制器里，也可單獨設置，以抑制信號在CAN網絡傳輸線終端形成反射波，干擾原信號，提高CAN網絡抗干擾能力。強調的是要在電纜的兩個終端節點上，即最近端和最遠端，各接入一個終端電阻，而處于中間部分的節點則不能接入終端電阻，否則將導致網絡抗擾能力下降，通訊出錯。如圖7所示。

3）有些節點上的電器件輸入阻抗過小，造成CAN網絡工作不穩定，甚至整個網絡數據混亂；需要對CAN總線各節點阻抗進行分析匹配，確保CAN網絡跨接電阻為60Ω，以增強CAN網絡的穩定性和抗干擾性。

圖7 在CAN總線兩端設終端電阻

6 動力電池及BMS電磁兼容性能提升

6.1 行業存在問題

1）高壓線接頭不帶屏蔽功能。

2）CAN通訊線需為不帶屏蔽層的雙絞線。

3）箱體上開口不規范，箱蓋與箱體接縫沒有導電材料密封。

4）高壓線與低壓線同一出口并行出線。

5）箱體沒有搭鐵裝置。

6.2 整改措施

1）高壓線接頭采用可以實現屏蔽層360°環接的類型。

2）CAN通訊線需為雙絞屏蔽線，且屏蔽層搭鐵。

3）箱體上蓋與主體外殼四周的連接需采用導電橡膠墊或其他導電材料進行密封，以保證良好的屏蔽效果。

4）高壓線與低壓線出線分離。

5）箱體設置專用搭鐵裝置，保證有效搭鐵。

7 整車控制器（VCU）電磁兼容性能提升

經過VCU臺架EMC測試及實車長時間監測及分析，發現VCU傳導抗撓性及輻射抗撓性較弱，對此首先優化了VCU內部濾波電路，增加抗傳導干擾性能；再者將VCU殼體有效搭鐵，增強其輻射抗撓性；同時在保證安全的前提下，優化VCU控制策略，減少輻射及傳導干擾引起的誤動作，增強自身抗干擾能力，從而有效避免高壓掉電等嚴重故障。

8 結束語

本文針對目前行業內普遍存在的EMC實際問題，分別從整車和部件方面進行深入分析并出具對應整改措施，經實踐驗證，解決了諸多EMC電磁兼容問題，取得了很好的效果。實踐過程中，充分進行了整車EMC工程策劃并逐步開展實施，從而提高了EMC設計工作的效率和工作品質，減少了研發成本提升了產品的安全及可靠性。