整車頓挫電磁兼容問題分析和整改

曹勇勇， 付朝輝， 蘇添發(fā)， 練添生

（吉利汽車研究院（寧波） 有限公司， 浙江 慈溪 315336）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，智能化、復(fù)雜化的汽車電氣系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，消費(fèi)者對(duì)于汽車的基本功能要求越來越高，因此電器系統(tǒng)的復(fù)雜程度提高使得汽車系統(tǒng)部件的電磁兼容問題也愈發(fā)復(fù)雜，電磁耦合和傳導(dǎo)的路徑也更加多樣化，電磁兼容也將帶來聳車等導(dǎo)致車輛駕駛和行車安全的問題。本文根據(jù)電磁騷擾、耦合和傳播機(jī)制，給出一種線束工藝優(yōu)化方案以解決車輛聳車問題。

1 產(chǎn)品描述

曲軸位置傳感器作為汽車控制系統(tǒng)中最重要的傳感器之一，其作用主要為檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及檢測(cè)活塞上止點(diǎn)位置，通常配合凸輪軸位置傳感器一起工作，并輸出信號(hào)給ECU從而進(jìn)行順序噴油控制。由于曲軸位置傳感器布置在曲軸前端，周圍空間狹小，產(chǎn)品內(nèi)部無空間布置多余濾波措施，同時(shí)周邊還安裝了其他的傳感器、控制器、執(zhí)行電機(jī)等，導(dǎo)致在其范圍內(nèi)的電磁場(chǎng)環(huán)境非常惡劣，容易引起相互的電磁干擾問題，當(dāng)曲軸位置傳感器受到周圍環(huán)境影響導(dǎo)致輸出信號(hào)異常時(shí)，整車噴油控制便會(huì)受到影響。圖1為曲軸位置傳感器的工作原理。

圖1 曲軸位置傳感器工作原理

本文主要通過對(duì)曲軸位置傳感器信號(hào)輸出異常導(dǎo)致車輛聳動(dòng)的問題進(jìn)行排查定位，分析干擾的原因，結(jié)合實(shí)際車型電磁兼容環(huán)境，提出問題優(yōu)化方案，解決實(shí)車問題，并將相關(guān)問題整改方案進(jìn)行橫展推廣。

2 問題背景

此問題為車輛開發(fā)過程中試驗(yàn)車輛偶發(fā)性問題，主要發(fā)生在雨天氣候，車輛正常行駛中，偶發(fā)性出現(xiàn)車輛聳動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)可以觀察到組合儀表顯示轉(zhuǎn)速出現(xiàn)短暫的轉(zhuǎn)速下降再迅速上升現(xiàn)象，嚴(yán)重影響駕駛安全及駕駛感受。

通過模擬用戶車輛使用場(chǎng)景操作車輛電器負(fù)載，并按照繞八字、顛簸路及高速制動(dòng)工況進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此問題的出現(xiàn)與繞行方式無關(guān)，原地怠速或者車輛行駛時(shí)操作雨刮均可以復(fù)現(xiàn)車輛聳動(dòng)問題，使用診斷儀讀取故障信息為轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)丟失故障碼，初步分析問題原因?yàn)镋CU接收曲軸位置傳感器信號(hào)異常。針對(duì)以上現(xiàn)象，經(jīng)過對(duì)問題車進(jìn)行曲軸傳感器單體的性能測(cè)試及電路分析，確認(rèn)曲軸傳感器單體無異常。

為了定位問題的根本原因，制定了詳細(xì)的排查方案，第一步進(jìn)行故障信號(hào)的采集，并進(jìn)行曲軸傳感器、雨刮、ECU等相關(guān)件的單體一致性裝車驗(yàn)證；第二步針對(duì)曲軸傳感器與雨刮之間的傳導(dǎo)路徑進(jìn)行實(shí)際排查。

3 干擾源定位

第1步：確認(rèn)問題車故障原因，在問題車輛上使用示波器同步采集雨刮電流、曲軸位置傳感器電壓、曲軸位置傳感器信號(hào)，操作雨刮，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用間歇擋位發(fā)生雨刮回位動(dòng)作時(shí)，車輛偶爾出現(xiàn)聳動(dòng)現(xiàn)象。此時(shí)的采集結(jié)果如圖2所示，其中藍(lán)色波形為曲軸位置傳感器電壓，紫色波形為曲軸位置傳感器信號(hào)，綠色波形為雨刮電流。通過多次數(shù)據(jù)采集對(duì)比，初步確認(rèn)車輛聳動(dòng)原因?yàn)楫?dāng)雨刮回位電流較大時(shí)，曲軸位置傳感器電壓同步出現(xiàn)的低電壓波動(dòng)導(dǎo)致傳感器芯片復(fù)位重啟，從而導(dǎo)致應(yīng)該發(fā)送的齒狀信號(hào)在復(fù)位時(shí)間內(nèi)丟失。而當(dāng)傳感器電壓不再出現(xiàn)過低電壓，芯片復(fù)位后繼續(xù)輸出齒狀信號(hào)，在此過程中整車噴油控制便會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)聳動(dòng)。

圖2 示波器采集結(jié)果

第2步：確認(rèn)是否為曲軸位置傳感器、ECU、雨刮、雨刮繼電器等相關(guān)件的單品品質(zhì)問題。分別使用10個(gè)隨機(jī)抽樣件，依次裝車進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)問題均不會(huì)消失。然后將問題車上的相關(guān)件全部換到另一臺(tái)未出現(xiàn)聳動(dòng)現(xiàn)象的車輛上，采用同樣的手法操作雨刮并采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題并未轉(zhuǎn)移，當(dāng)雨刮電源線出現(xiàn)類似大小的電流波動(dòng)時(shí)，傳感器電壓未出現(xiàn)相同大小的低電壓波動(dòng)，判斷問題并非由于相關(guān)件的單品之類問題導(dǎo)致。

第3步：干擾傳導(dǎo)路徑，通過確認(rèn)曲軸位置傳感器、ECU、雨刮的布線，發(fā)現(xiàn)以下幾處懷疑點(diǎn)。

1） 雨刮與ECU在車身上的搭鐵點(diǎn)距離不足200mm，干擾可能通過搭鐵點(diǎn)傳導(dǎo)，將雨刮搭鐵點(diǎn)位置挪動(dòng)，遠(yuǎn)離ECU搭鐵點(diǎn)并測(cè)試，可以驗(yàn)證此懷疑點(diǎn)。

2） 雨刮與ECU線束在熔斷絲盒中存在長(zhǎng)度200cm左右共線，干擾可能通過ECU線束傳導(dǎo)，通過實(shí)車解除共線并測(cè)試，可以驗(yàn)證此懷疑點(diǎn)。

3） 雨刮與曲軸位置傳感器并無共線，但與曲軸位置傳感器同一路5V供電的油門踏板傳感器，其與雨刮存在共線，最大布線長(zhǎng)度600cm，干擾可能通過油門踏板傳導(dǎo)到ECU端，影響同一路5V供電的曲軸位置傳感器，通過實(shí)車解除共線并測(cè)試，可以驗(yàn)證此懷疑點(diǎn)。

通過以上懷疑點(diǎn)的驗(yàn)證，最終證實(shí)傳導(dǎo)路徑為第3點(diǎn)描述的路徑，并可以通過將非問題車輛人為更改共線距離的方式，使之出現(xiàn)聳車現(xiàn)象。

4 整改設(shè)計(jì)

機(jī)械雨刮回位時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)通過其電源線及搭鐵線傳導(dǎo)，騷擾能夠耦合到與其共線的油門踏板傳感器線束上，而油門踏板傳感器與曲軸位置傳感器為同一路LDO供電，并且為共地設(shè)計(jì)，油門踏板傳感器線束耦合的騷擾傳導(dǎo)到曲軸位置傳感器，導(dǎo)致曲軸位置傳感器電壓波動(dòng)而重啟，因此出現(xiàn)聳車現(xiàn)象。由于騷擾的頻率較低，并線的距離越長(zhǎng)，靠近騷擾頻率時(shí)，被干擾線束上耦合的騷擾能量越強(qiáng)，反之越小。而并線的距離取決于線束裹線工藝，因此只有部分車輛出現(xiàn)聳車現(xiàn)象。

基于干擾原理，整改方案從干擾源、干擾傳導(dǎo)路徑、受干擾件幾個(gè)角度著手，經(jīng)過分析整改驗(yàn)證得到以下幾種改善方案。

1） 問題車輛使用的機(jī)械雨刮未進(jìn)行瞬態(tài)脈沖抑制設(shè)計(jì)，實(shí)車進(jìn)行雨刮電機(jī)關(guān)斷瞬間的瞬態(tài)脈沖測(cè)試中發(fā)現(xiàn)最大電壓超過100V，通過增加TVS管，可以有效抑制瞬態(tài)脈沖。

2） 干擾通過油門踏板傳感器影響了其他共5V供電的傳感器，通過在ECU的LDO端口增加濾波電路，可以有效隔離干擾。

3） 考慮到雨刮回位時(shí)，其電源線及搭鐵線上的瞬態(tài)脈沖幅度相近但方向相反，通過將雨刮電源線束及搭鐵線放置于管壁厚度2mm的波紋管（圖3）中再進(jìn)行裹線，使電源線及搭鐵線周圍的騷擾部分抵消。

圖3 波紋管視圖

4） 曲軸位置傳感器內(nèi)部?jī)H包含一塊芯片，增加濾波電路，增強(qiáng)本身抗低電壓干擾能力。

綜合考慮，最終選擇方案3進(jìn)行整改，實(shí)車驗(yàn)證切實(shí)有效。

因此，在解決整車電磁兼容問題時(shí)，必須從系統(tǒng)的高度來考慮，綜合使用各種可能的方式方法，比如：降低干擾源的干擾水平，破壞干擾路徑或者提升被干擾件的抗擾度水平。

5 小結(jié)

本案例是一個(gè)典型的大功率電機(jī)通過共線耦合影響敏感零部件的問題，通過對(duì)干擾源定位分析和線束布置整改，采用相應(yīng)的整改優(yōu)化方案，成功解決了雨刮電機(jī)對(duì)曲軸位置傳感器的電磁干擾問題。

本文對(duì)于整車設(shè)計(jì)過程中類似于雨刮電機(jī)等大功率零部件線束的騷擾隔離整改具有一定的參考價(jià)值。