摘要：電驅(qū)動系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件之一，其產(chǎn)生的電磁干擾問題不容忽視。文章針對某新能源汽車在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的電機(jī)母線快速欠壓及電池總電壓過低的故障問題，從被干擾對象、干擾源和干擾途徑3個因素排查故障原因，采用互換驗(yàn)證排查和變化點(diǎn)排查方法，對電磁干擾因素進(jìn)行分析，并據(jù)此制定了故障解決方案。改進(jìn)后，汽車單臺成本降低，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。此次實(shí)例故障的分析與解決，不僅為新能源汽車行業(yè)提供了一個具體的解決方案，也為其他出現(xiàn)類似故障的車輛提供了解決思路。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電磁干擾；故障分析；解決方法

中圖分類號：U469.7" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）05-0110-05

0 引言

新能源汽車是我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，屬于國家重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的關(guān)鍵［1-2］。在政府大力支持以及車企不斷創(chuàng)新推動下，新能源汽車技術(shù)得到了不斷發(fā)展并趨于成熟。隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)的重要性日益凸顯，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟。然而，電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾會對其他電子設(shè)備的穩(wěn)定性造成影響［3］，包括影響車上的通信設(shè)備、車機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及電驅(qū)動系統(tǒng)自身，從而威脅車輛運(yùn)行的安全［4-6］。因此，解決電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾問題，確保車輛各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是新能源汽車發(fā)展的重要任務(wù)。在針對新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)電磁干擾問題的研究中，樊貴全［7］通過電源線傳導(dǎo)騷擾、電場強(qiáng)度等測試手段，探究電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）高頻率開關(guān)及電源模塊是主要的電磁干擾源；楊靜怡等［8］針對電驅(qū)系統(tǒng)低壓電路，建立了滿足實(shí)際DC/DC（直流到直流電壓轉(zhuǎn)換）和驅(qū)動功能的低壓電路傳導(dǎo)干擾仿真模型，并對低壓電路正常工作下的高頻電磁干擾特性進(jìn)行了測試驗(yàn)證；程寧［9］研究了重型汽車電氣的電磁干擾問題，分析干擾產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決方法；張清郁［10］對電車中電控系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行故障分析，采取了有效的檢修方法解決干擾問題。本文針對某新能源汽車在實(shí)際應(yīng)用中遇到的電磁干擾故障進(jìn)行診斷與排查，對引發(fā)故障的電磁干擾因素進(jìn)行分析，制訂合理可行的故障解決方案。

1 故障診斷

在某新能源車型的NS（非可售車）造車驗(yàn)證過程中，出現(xiàn)了電機(jī)母線快速欠壓以及電池總電壓過低的問題。對故障車輛進(jìn)行跟車實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異常瞬間儀表顯示電壓驟降至154 V（正常電壓應(yīng)為320 V左右）。初步判斷此現(xiàn)象是由于電池BMS（電池管理系統(tǒng)）的電壓采集出現(xiàn)異常所致?？赡茉斐呻姵谺MS電壓采集異常的原因包括軟件問題、接觸不良、BMS硬件問題以及整車EMC（電磁兼容）問題等。在對電池包進(jìn)行分析后，采用單因素法逐一排查這些潛在原因。經(jīng)過實(shí)際排查，確認(rèn)整車的EMC存在問題。進(jìn)一步現(xiàn)場排查顯示，在掛擋時(shí)刻，BMS調(diào)試CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）中出現(xiàn)大量錯誤幀（見圖1），整車CAN上報(bào)的電池部分單體電壓為零，電池總壓偏低。因此，明確故障觸發(fā)機(jī)制如下：當(dāng)調(diào)試CAN錯誤幀在單位時(shí)間內(nèi)累積至設(shè)定閾值時(shí)，BMS從控模塊將退出總線并嘗試重新連接，若連續(xù)4次嘗試失敗，從控模塊將進(jìn)入休眠狀態(tài)，導(dǎo)致主控制模塊無法接收從控模塊傳送的單體電壓信息，從而引發(fā)上述故障。

綜上，故障引發(fā)原因總結(jié)如下：在掛擋操作時(shí)，電池包內(nèi)的BMS受到整車系統(tǒng)的電磁干擾導(dǎo)致重啟，主控模塊無法接收到從控模塊采集的電壓信息，最終引發(fā)整車故障。經(jīng)分析，確定故障根源為整車EMC問題。

2 故障分析與解決

在排查電磁干擾原因時(shí)，應(yīng)從電磁干擾的3個要素進(jìn)行分析：明確被干擾對象、識別干擾源、探究干擾途徑［11-12］。這是解決電磁兼容問題過程中不可或缺的考量因素。

2.1 被干擾對象分析

在上述分析中已明確電池包內(nèi)的BMS為被干擾對象，現(xiàn)對BMS變異點(diǎn)或不符合標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)進(jìn)行排查。

（1）變更情況：在OTS3（整車工程樣車第3批）階段，優(yōu)化更新了BMS從控模塊硬件，版本從69版升級到69A版。相同平臺的69A版硬件已在其他量產(chǎn)車型上應(yīng)用上萬臺，并且2個版本的EMC試驗(yàn)均顯示合格。

（2）斷點(diǎn)情況：在OTS3階段后，BMS從控模塊硬件已全部切換為69A版，當(dāng)前NS2（非可售車）階段截止故障出現(xiàn)前，試裝車數(shù)量已達(dá)98輛。

（3）驗(yàn)證情況：通過替換測試，將電池包上的BMS從控模塊換回原OTS2（整車工程樣車第2批）樣車的舊狀態(tài)（69版從控模塊硬件），故障在故障車上依舊出現(xiàn)。因此，排除了BMS從控模塊硬件變更對本次EMC問題的影響。

2.2 干擾源分析

通過采用互換法對整車CAN網(wǎng)絡(luò)上的電器件進(jìn)行逐一排查和互換驗(yàn)證，初步確定了MCU（電機(jī)控制器）為干擾源。故障發(fā)生在掛檔時(shí)刻，MCU的IGBT在此瞬間開管，并發(fā)出一定的干擾信號。

（1）變更情況：路試車使用的MCU已換為2代產(chǎn)品（IGBT模塊供應(yīng)方發(fā)生變更）。雖然新配置的EMC試驗(yàn)符合國標(biāo)要求，但是路試尚未全部完成，目前未出現(xiàn)異常情況。

（2）斷點(diǎn)情況：經(jīng)對比，自1代MCU升級至2代MCU后，出現(xiàn)故障車輛4臺，故障率為4%。

（3）驗(yàn)證情況：通過將原工程樣車上的1代MCU安裝至故障車輛，所有故障均被消除；4臺故障車全部更換為1代MCU后，故障均不再出現(xiàn)，電池內(nèi)網(wǎng)錯誤幀統(tǒng)計(jì)見表1。據(jù)此，可以初步判斷MCU硬件變更是EMC問題的關(guān)鍵影響因素。

（4） MCU信號排查情況：為辨識1代MCU與2代MCU對整車電磁環(huán)境的影響，在掛擋時(shí)刻監(jiān)控了搭載1代和2代MCU車輛的總正對地電壓波形（見圖2）。對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2代MCU在信號傳輸過程中存在10～20 V的高頻波動。由此可以確認(rèn)：MCU由1代變更為2代后，確實(shí)產(chǎn)生了更大的電磁干擾。

2.3 干擾途徑分析

干擾途徑一般分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指沿著導(dǎo)體傳播的干擾，其傳播方式包括電耦合、磁耦合和電磁耦合；輻射干擾是指通過空間以電磁波形式傳播的電磁干擾，其傳播方式有近區(qū)場感應(yīng)耦合和遠(yuǎn)區(qū)場輻射耦合。此外，還存在復(fù)合干擾的情況，即傳導(dǎo)干擾與輻射干擾可能同時(shí)發(fā)生，形成復(fù)合干擾。

針對2代MCU試裝車故障率為4%的問題，進(jìn)行了以MCU為研究對象的互換測試，測試結(jié)果見表2，測試結(jié)果顯示：①故障車輛在更換為1代MCU后，故障均消除；②故障車輛在多次更換為2代MCU后，故障仍然存在；③正常車輛在多次更換為2代MCU后，均表現(xiàn)正常。綜上，可以確認(rèn)該EMC問題與2代MCU相關(guān)，并可通過干擾途徑尋求解決方案。

基于測試結(jié)果的規(guī)律，在MCU供方EMC工程師的支持下，執(zhí)行以下驗(yàn)證步驟。

（1）在檢查電池包內(nèi)部線束時(shí)，發(fā)現(xiàn)BMS主從控制板間的CAN線未使用屏蔽線［見圖3（a）］。為驗(yàn)證此未屏蔽的CAN線是否會受到電磁干擾，采用編織帶與銅箔完全包裹該段CAN線，并確保雙端接地［見圖3（b）］。搭載整車并采集電池內(nèi)網(wǎng)報(bào)文，結(jié)果顯示錯誤幀數(shù)量急劇減少［見圖3（c）］，系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)。采取CAN線屏蔽措施后再嘗試單端接地測試，故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。因此，可以確定CAN線未使用屏蔽線及雙端接地是產(chǎn)生電磁干擾的原因。

（2）進(jìn)一步檢查電池包BMS的接地狀態(tài)。使用萬用表測試故障車電池包的BMS主控制板接地電阻，結(jié)果顯示為絕緣狀態(tài)［見圖4（a）］。為了驗(yàn)證這一推斷，使用銅箔連接BMS主從控制板的搭鐵點(diǎn)模擬接地，并采集模擬接地前后的報(bào)文數(shù)據(jù)。對比發(fā)現(xiàn)，在模擬接地后，故障消除［見圖4（b）］。為了進(jìn)一步確認(rèn)此推斷，使用絕緣膠帶纏繞主從控制板搭鐵點(diǎn)模擬絕緣狀態(tài)，故障復(fù)現(xiàn)［見圖4（c）所示］。因此，可以鎖定BMS主控制板接地不良是產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。

（3）在檢查一臺故障車輛的電池包時(shí)，發(fā)現(xiàn)其BMS主控對地存在絕緣問題，對正常車輛的電池包BMS主控對地阻值進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示正常車輛的電池包BMS主控對地導(dǎo)通［見圖5（a）］。為了模擬故障情況，使用絕緣膠帶包裹正常車輛的電池包BMS主控部分，模擬絕緣狀態(tài)［見圖5（b）］進(jìn)行測試，故障復(fù)現(xiàn)［測試報(bào)文見圖5（c）］；隨后拆除絕緣膠帶，恢復(fù)電池包主控的對地連接，故障消除。

（4）在評估主控對地絕緣對1代MCU的影響時(shí)，將經(jīng)過絕緣處理的電池包和1代MCU搭載于實(shí)車進(jìn)行測試，結(jié)果顯示依然存在大量錯誤幀，重新導(dǎo)通BMS主控接地后，故障消除。測試過程中發(fā)現(xiàn)，在BMS支架重新拆裝后，BMS主控的接地狀態(tài)由原本的接地變?yōu)閷Φ亟^緣，表明如果安裝不當(dāng)則會導(dǎo)致接地不良。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，BMS支架的接地螺孔面均有電泳漆，這是導(dǎo)致接地不良的主要原因。

（5）試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，BMS主控對地絕緣是導(dǎo)致出現(xiàn)大量錯誤幀的主要原因。結(jié)合BMS主控硬件設(shè)計(jì)，拆解后發(fā)現(xiàn)供電電源處設(shè)有跨接電容，該電容連接了PCB（印制電路板）與BMS殼體，其設(shè)計(jì)初衷在于消除潛在的電磁干擾，但如果接地不良，這種設(shè)計(jì)反而會產(chǎn)生隱患，因?yàn)楦邏焊蓴_可能通過不良接地而被引入低電位區(qū)域，從而在主從板之間形成電位差，最終導(dǎo)致干擾問題。

2.4 診斷結(jié)果

通過互換驗(yàn)證排查和變化點(diǎn)排查，最終確定了導(dǎo)致電磁兼容問題的3個關(guān)鍵要素。

（1）被干擾對象：BMS被確認(rèn)為被干擾對象。

（2）干擾源：MCU被確認(rèn)為干擾源。在掛檔時(shí)刻，IGBT開管，瞬間產(chǎn)生一定的干擾。國產(chǎn)化2代MCU相較于1代MCU，存在10～20 V的高頻波動，這是導(dǎo)致干擾增強(qiáng)的主要原因。

（3）干擾途徑：干擾以傳導(dǎo)方式從MCU經(jīng)配電三合一系統(tǒng)傳遞至電池包，在BMS側(cè)造成高低壓耦合。檢查發(fā)現(xiàn)，BMS主從板之間的CAN線未使用屏蔽線，BMS主從板的接地螺栓表面缺乏電泳防護(hù)而導(dǎo)致接地不良。雖然BMS的PCB板供電電源處設(shè)有跨接電容，電容通過連接PCB板與BMS殼體消除干擾，但是接地不良導(dǎo)致的高壓干擾被引入低電位區(qū)域，使主從板之間產(chǎn)生電位差，進(jìn)而使CAN H（高電平數(shù)據(jù)線）和CAN L（低電平數(shù)據(jù)線）信號被抬升或拉低，最終導(dǎo)致CAN通信故障。

綜上所述，BMS主從板之間的CAN線未使用屏蔽線以及BMS主從板接地螺栓表面未進(jìn)行電泳防護(hù)造成的接地不良，是造成電磁干擾問題的根本原因。同時(shí)，2代MCU存在10～20 V的高頻波動，進(jìn)一步加劇了BMS受到的干擾。

3 改進(jìn)措施與成效

3.1 改進(jìn)措施

針對上述分析找出的根本原因，本文提出以下改進(jìn)措施。

（1）在BMS主從板安裝支架螺母孔的電泳時(shí)，進(jìn)行接地防護(hù)，確保主從板殼體對電池箱殼體的導(dǎo)通電阻≤0.2 Ω。

（2）通訊CAN線（包括內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)）全部采用屏蔽雙絞線進(jìn)行布線，并確保屏蔽線的兩端均接地。

3.2 改進(jìn)成效

（1）改進(jìn)前情況：車輛報(bào)電機(jī)母線快速欠壓、電池總電壓過低故障，行駛測試中拋錨，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)入庫進(jìn)度。車輛故障率高達(dá)4%。

（2）改進(jìn)后成效：實(shí)施上述改進(jìn)措施后，相關(guān)問題未再重現(xiàn)，故障率降至0。

（3）經(jīng)濟(jì)效益分析：通過以上措施可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益，以故障率4%、月產(chǎn)量500臺、2代電控成本約降125元/臺為基礎(chǔ)計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益，每年可產(chǎn)生近78萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

針對某新能源汽車的電磁干擾問題，本文采用了三要素法進(jìn)行故障分析與診斷，發(fā)現(xiàn)MCU對BMS產(chǎn)生電磁干擾。此干擾以傳導(dǎo)方式從MCU經(jīng)配電三合一系統(tǒng)傳至電池包，在BMS側(cè)造成高低壓耦合現(xiàn)象，同時(shí)MCU自身存在的電壓高頻波動進(jìn)一步加劇了電磁干擾。針對該故障分析結(jié)果，采取相應(yīng)改進(jìn)措施可有效解決新能源汽車的電磁兼容問題。隨著新能源汽車智能化水平日益提升，應(yīng)用的電子元件也隨之增多，由此帶來的電磁干擾問題也會越來越多。而本文提出的故障分析與解決故障的步驟方法，可為新能源汽車面臨的類似電磁兼容故障問題提供解決思路。

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【作者簡介】鄧芝艷，女，湖南郴州人，工程師，研究方向：供應(yīng)商質(zhì)量管理。

【引用本文】鄧芝艷.某新能源汽車電磁干擾故障分析與解決方法［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（5）：110-114.