2020年11月18日 | 车辆控制器的电磁兼容存在的问题及其改进

2020-11-18

序：最近经常经常看到有新能源车失控车祸的新闻。排除人为误操作因素，车辆控制单元 VCU 的不稳定也是一大因素。

电动汽车的电机控制器包括 IPM 及其控制电路，是电动汽车的核心部件。同时随着集成的功能增多——包括车辆操控信号的处理与输出，DC-DC 模块及空调，水泵等驱动功能组件，从而形成整车控制单元（VCU），是整个车辆的主要控制电气部件。由于属电气产品，除了软件设计——功能齐全外，其内部的电磁兼容 EMC 非常重要！！！处理不好，会造成车辆控制不稳定。勿要认为控制器是金属外壳，有屏蔽效果，那只是对外。

VCU——也称电机控制器总成

关键还是控制器内部各诸元间 EMC 问题。首先就是内部的强弱电混装不隔离，会造成强电的干扰使得控制信号不稳，逻辑错乱，后果严重时，存在车辆刹车失灵，转向助力失效，动力缺失等安全问题。

上述问题还不能检测出来。为了车辆行驶的安全性，这就需要整个电气系统非常可靠，除了硬件设计包括元器件质量及软件控制要做到合理，同时内部的电磁抗干扰也是需要特别注意的地方。即，vcu 电路原理设计好后，其安装布置显得非常重要，不能随便强弱电混装而不采取隔离措施，这点很容易被技术人员忽视。对于现有国产新能源汽车的 VCU 的设计及内部安装布置情况，我们做个具体进行分析：—— 存在什么问题：以某知名汽车厂商新能源车的 VCU 总成为例，进行拆解分析 ---- 内部也集成其他的控制部分，形成一个总控制单元。我们来分析下，存在那些问题：（此为通用的基础性问题，与具体车型无关）

底部

整个控制器密闭一个金属壳内，可谓金玉其外！

拆开，是不是败絮其中呢？我们进行详细分析整个电路封闭在铝壳里，可防外界干扰及减少对外部的干扰，这也符合常规初步的兼容——EMC 的要求，貌似没问题。但是，其内部也存在 EMC 的问题——各控制诸元之间互相干扰严重，会产生控制紊乱，从而影响车辆的可靠运行。如上图所示：上下两层电路板，中间没有电磁隔离，且元器件裸露，很容易相互干扰。特别是有功率器件的情况。这点，电气工程师经常忽视，没有意识到其危害性。

三相直流电机的输出电流很大，而且不是正弦波，谐波干扰非常严重上图：强电与控制弱电没有隔离，还挨得较近，，，三相直流电机的输入输出电流电压很大，还含有丰富的谐波，发射出去会严重干扰控制芯片的信号，造成控制不稳。（三个接线柱也未作倒圆除锐处理）。会对控制产生随机错误——出现问题而无法检测。

各芯片裸露在外，未采取任何防护措施，如屏蔽，涂覆保护漆等另外，主控芯片及其他相关控制芯片裸露在外，未加屏蔽措施。

DC-DC 电源变换电路，谐波丰富，会对周边控制单元造成干扰

同样，上图的电源变换的逆变电路也会产生谐波干扰。以上更兼控制器外壳为密闭金属，形成微波炉效应，工作时可以想象内部的电磁环境有多恶劣！！！其内部的功率器件由于是工作在开关状态，会形成大量的高阶次谐波，而无法向外发散，干扰内部附近的控制电路，造成逻辑混乱，对汽车安全是个较大的隐患，这点也是软件冗余设计无法去除的！后果严重时，存在车辆刹车失灵，转向助力失效，动力缺失等安全问题。

综上，根据分析，目前现有典型的新能源汽车的电机控制器总成，其设计布局是不合理的，技术人员未充分考虑内部的 EMC 电磁兼容因素，虽然其元器件质量合格，也会出现因为干扰问题而产生的控制紊乱，严重时车辆失控导致危险！所以随着汽车的智能化，无人驾驶的发展，对其控制器提出了更高的要求！！！特别强调：现有汽车 EMC 标准参阅：《GBT 36282-2018 电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法》https://mp.weixin.qq.com/s/8DuHn0Lhabhl3-OO5VYbzQ 只强调电机控制器整体对外及受外的影响，而没有涉及到控制器内部的 EMC 要求，是个很大的缺失，随着控制器集成的功能越来越多，复杂性的提高，控制器本身内部的 emc 要求不可或缺，技术工程师要有足够的重视。

因此，标准需要完善。电动汽车是个新鲜事物，各项技术，特别是电控部分还有待成熟，特别是 emc，重视不够，更要仔细斟酌，以策安全。

目前有些汽车主机厂花高昂的代价建立了 EMC 实验室，但是由于工程师不了解 EMC 的实质内涵，基本就是检测下电机控制器外部的各距离点的电磁辐射强度，，而如果内部的电磁干扰无法检测，所建实验室基本就是一个高大上的摆设，实际上，将电磁感应探头深入控制器内部，就可看出内部的电磁辐射强度的大小。因此，为了减少内部串扰现象，需要采用隔离措施：控制器的壳体设置隔离安装腔，将各部分电路隔离，特别是大功率输出模块，更要加强屏蔽措施，使其泄露的电磁波减小到最小。

必要时，在功率模块的输出线端加套高频磁环，以改善波形消除脉冲尖波，并可减少大电流对功率器件的冲击，延长寿命，增加性。如下图所示：

同时，在关键的控制芯片上加设屏蔽罩，如下图所示：

甚至电路板喷涂环氧保护漆，增强抗震防潮能力，并增加微小电子元件的散热。如下图所示：

综上，新能源电动汽车的电机控制器总成，设计安装时，要求综合考虑各因素，合理布置安装，才能消除各种不利因素，控制车辆更加可靠。这里需要特别指出的是：目前普遍对电磁兼容 EMC 理解为：电控单元组件不受外界干扰，以及不影响外界两大概念，这个是浅显的认识，实际上，其内部的各子系统之间的 EMC 问题造成的影响更大。特别是强弱电混合的情况，基本的 EMC 要求如屏蔽与滤波是必要的，否则其他措施都是本末倒置。

目前一些新能能源车的一些问题已经显现：有时失去动力，油门无效，刹车回收失灵，以及挡位错乱（混合动力车型），待重启后又回复正常，售后检测无法确定原因，这里可以判断内部的电磁干扰导致误动作是一个很大的诱因！以上只是一个具体的实例，电气控制的安全可靠性的要求牵涉的范围比较广，包括电气的电磁兼容，控制的合理方案，综合布线，电容电感的合理应用等。

所以：作为电气控制人员，除了数控电路知识，也需要掌握电磁兼容的相关的模拟电子技术知识技能，甚至要掌握机械方面知识或与机械设计人员合作，才能在电气设计中，有更全面的考虑，设计的产品更安全可靠。总之，电动汽车的整车控制器（或电机控制器）直接影响车辆的行车安全，重要性不言而喻。

目前，各主机厂设计上各自为政，特别是最近放宽新能源车的准入条件后，更应摆脱粗放式经营，而转向集约化管理，符合统一设计规范。

VCU 电磁兼容 DC--DC

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