賓仕博,韋尚軍,丘云燕,甘健銘,彭 富,鄭偉光,2
(1.東風柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545005;2.廣西科技大學,廣西 柳州 545005)
隨著新能源汽車的快速發(fā)展,其功能越來越強大,相應地,電動汽車內部電路的集成度也逐漸提高,高集成度電路系統(tǒng)會不可避免地出現(xiàn)車輛電磁敏感度升高的問題,從而導致車輛電磁兼容性降低,由此新能源汽車的電磁兼容性受到了廣泛的關注[1]。同時,為響應國家“碳中和”遠景目標,諸多企業(yè)為降低成本改善環(huán)境,對內部運營車輛逐步普及新能源電動化。電解鋁行業(yè)作為典型的高耗能產(chǎn)業(yè)與高碳排放產(chǎn)業(yè)[2],使用電費低廉與高效環(huán)保的新能源車輛作為運營車輛,能降低企業(yè)運營成本與改善企業(yè)內部工作環(huán)境。因此,新能源汽車與電解鋁產(chǎn)業(yè)升級有著的密切聯(lián)系[3]。
然而電解鋁工作環(huán)境存在強磁場,電解鋁工廠具有復雜的電力網(wǎng)絡,流動的電流在周圍的空間產(chǎn)生復雜的空間磁場,電解槽周圍的磁場強度高達數(shù)百高斯,以至于使電解車間內的筆記本電腦與手機等電子產(chǎn)品出現(xiàn)黑屏,電子點火的汽油動力車無法啟動,電動汽車上搭載諸多的控制器及傳感器被電磁干擾,導致系統(tǒng)失效或信號失真等情況,從而引發(fā)車輛故障甚至安全風險[4]。電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,EMC)具體是指電氣和電子設備在特定的電磁環(huán)境中共存,這要求在完全一致的電磁環(huán)境中,各種設備都能穩(wěn)定運行,互不干擾,從而達到“兼容狀態(tài)”。新能源汽車的電磁兼容性存在電磁騷擾形式復雜、頻譜范圍覆蓋廣泛、發(fā)射功率大、干擾能量大、騷擾問題嚴峻和傳播路徑多樣化的特點[5]。為此本文通過新能源汽車實車測試,對某新能源商用車開展強磁環(huán)境場景下的電磁兼容性與抗干擾性試驗研究。
對于大型電解鋁企業(yè),廠內的運營車輛均采用商用車,以滿足運載需求,本研究以某款新能源商用車為研究對象,整車參數(shù)見表1。
表1 整車參數(shù)
以新能源車輛在強磁環(huán)境下進行試驗驗證為例,圖1 展示了該試驗商用車試驗場景,試驗場景邊界條件見表2。
圖1 試驗車輛外觀及試驗場景
表2 場景邊界條件
根據(jù)《GB 34660-2017 道路車輛電磁兼容性要求和試驗方法》,車輛在強磁場景環(huán)境運行狀態(tài)下,驗證新能源商用車的抗擾性能,以下為新能源汽車在不同狀態(tài)下的參考評估標準:
狀態(tài)I:試驗中和試驗后能夠完成設計功能。
狀態(tài)II:試驗中不能完成設計功能,但試驗后能夠自動恢復到常態(tài)。
狀態(tài)IV:試驗中不能完成設計功能,試驗后需要較復雜的操作才能恢復到常態(tài),對DUT 的功能不應造成任何永久性損壞。
為保障整車及系統(tǒng)在強磁環(huán)境下均能正常工作,確認各部件的失效條件和標準,需要制定整車及系統(tǒng)在電磁環(huán)境下的試驗要求(表3)。
表3 整車及系統(tǒng)試驗要求
為驗證車輛在強磁環(huán)境中整車及各電子電器系統(tǒng)的抗干擾性,結合新能源車輛在電解鋁車間內裝載的運行環(huán)境與試驗需求,制定項目測試方案。此方案分為3 種工況,分別為:
(1)車輛以R 檔進入電解車間并停留強磁區(qū)域
車輛在R 檔工況下,以5 km/h 倒車駛入電解車間,不斷電駐車停留5 min。隨后打開高低壓電器,原地切換擋位,從R 檔依次換到N 檔和D 檔,沿裝載路線區(qū)域駛出車間,停留在車間門口。再次倒車駛入車間裝載區(qū),下電休眠5 min,重新上電,擋位從R 檔依次切換成N 檔和D 檔,使出車間。重復上述操作3 次。
(2)車輛以D 檔進入電解車間并停留強磁區(qū)域
車輛在D 檔工況下,以5 km/h 正常駛入電解車間,不斷電駐車停留5 min,打開高低壓電器功能,原地切換擋位,從D 檔依次換到N 檔和R 檔,沿裝載流線區(qū)域倒車至車間門口。再次擋車駛入車間裝載區(qū),下點休眠5 min,重新上電,擋位從D 檔依次切換到N 檔和R 檔。重復上述操作3 次。
2.2.4 結果比較 3種預處理方法得到的枸杞子外觀和色澤無顯著差異;但特性量值是否發(fā)生顯著變化需要進一步實驗加以驗證;但減壓干燥法較液氮凍干法、凍干法更省時,節(jié)能。
(3)正常行駛穿行強磁區(qū)域
車輛在正常行駛在廠內各作業(yè)車間,穿越各強磁環(huán)境區(qū)域,車速≤20 km/h,往返行駛操作2 次。
采用VICTOR 862C 型測試儀測量電解鋁車間停車區(qū)域磁感應強度,檢測車輛在不同區(qū)域下的抗擾性能。在停車接駁區(qū)域前進方向取3 個測點,每個測點間隔1 m,高度取3 個測點,單邊為3*3 的矩形測點矩陣,左右接駁區(qū)兩側測點對稱,如圖2 所示。
圖2 試驗區(qū)域
表4 為車輛作業(yè)區(qū)磁感應強度分布,可以看出場強分布,越靠近電解槽的B 區(qū)域,磁感應強度越高,為保證車輛適應性,選擇在場強最強的區(qū)域開展驗證性試驗,以保障車輛全域環(huán)境下運行的可靠性與穩(wěn)定性。
表4 作業(yè)區(qū)磁感應強度分布(mT)
參照《GB 34660-2017 道路車輛電磁兼容性要求和試驗方法》,在某電解鋁車間開展新能源整車抗擾性試驗,實車驗證新能源整車強磁抗擾能力。車輛按上文2.3 的要求行駛進入電解鋁車間,觀察車輛及儀表狀態(tài),采集報文數(shù)據(jù)。為了減小外界環(huán)境因素對數(shù)據(jù)差異化影響,該試驗在同一區(qū)域、同一路線開展。
試驗樣車向前行駛開向通道A 區(qū)裝卸鋁水罐位置,制動駐車后切換為N 檔,拉起手剎。打開所有電子電器功能,觀察運行情況。間隔20 s 后,切換R 檔,換擋動作后儀表顯示擋位切換存在1 s 延遲時間,所有電子電器件均運行正常。通過實車采集數(shù)據(jù)查驗可知,車輛在磁場A 區(qū)域已受到電磁場干擾,各電子電器、控制器及整車具有一定抗擾性,各DTU 被測器件無異常,如圖3 所示。
圖3 磁場A 區(qū)域DTU 狀態(tài)
當車輛D 擋行駛到B、C 區(qū)域強磁區(qū)域,車輛各控制器及電子電器無異常,但整車動力系統(tǒng)出現(xiàn)動力失效。踩下電門后車輛無動作,樣車無法前進行駛。踩下制動剎車后切換至N 檔,再切換到R 檔,儀表顯示已掛入檔位,但踩下油門樣車無倒車動作,車輛無法行駛。高壓下電休眠5 min,重新掛入D 檔或R 檔,重復3 次啟動行駛,樣車均無法行駛。
由圖4 可知,在B/C 區(qū)域強電磁環(huán)境下(≥5mT),車輛各項電子電器功能正常,未報故障碼,但新能源整車出現(xiàn)動力失效,在滿足車輛行進的前提下,油門踏板開度已超過40%,車輛車速為0 km/h,電機轉速為0 r/min,證明車輛無法行駛。
圖4 強磁區(qū)域DTU 狀態(tài)
通過報文數(shù)據(jù)分析可知,當車輛在停車后切換擋位,在強電磁環(huán)境下制動控制系統(tǒng)受到信號干擾,制動信號一直無法清零,始終維持22.8%以上制動開度,油門開度達到40%時車輛車速仍為0 km/h,證明整車動力響應失敗。根據(jù)整車控制邏輯設定,當整車控制器VCU 油門開度≥0 時,發(fā)出扭矩請求,前提需要制動無信號即制動力矩為0 N·m 時,電機控制器MCU 才響應扭矩請求。此時因受到強電磁或其他干擾,即使在未踩下制動踏板即存在25%以上的制動開度,此時同時有制動和油門開度信號,優(yōu)先響應制動信號,因此VCU 在檢測到扭矩為非0 狀態(tài),無法發(fā)出扭矩請求,輸出扭矩為0 N·m,導致整車動力失效,無法前進。
電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)是指能量以電磁波形式在空間傳播,干擾電磁敏感設備,引起設備功能或性能下降的現(xiàn)象。EMI 的產(chǎn)生原理主要是由于電磁能量在空間傳播,遇到導電物體或電介質時,部分能量會轉化為熱能或感應電流,從而產(chǎn)生干擾。電磁干擾有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合到另一個電網(wǎng)絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網(wǎng)絡。EMI 的產(chǎn)生需要滿足三個條件:干擾源、傳播途徑和敏感設備。干擾源可以是任何能夠發(fā)出電磁能量的設備,如電源、無線電等。傳播途徑包括空氣、導線、空間等,其中空氣和空間是最常見的傳播途徑。敏感設備是指容易受到電磁干擾的設備,如通信設備、醫(yī)療設備、電子測量設備等。如圖5 所示。
圖5 電磁環(huán)境下干擾因子
為了防止電磁干擾,可以采取多種措施。首先,對于干擾源,可以采取降低電磁能量強度、增加屏蔽措施、改變頻率等措施。其次,對于傳播途徑,可以采取濾波、接地、遠離敏感設備等措施。最后,對于敏感設備,可以采取提高抗干擾能力、增加電磁屏蔽等措施。
通過上述機理分析,為解決新能源整車及控制器干擾問題,開展樣車改制,采用硬件改制與軟件更改等方式進行抗擾處理。
(1)整車駕駛室機艙內控制器表面包裹鋁箔,在控制器本體及外部接口處包裹嚴密,控制器之間連接的低壓插件信號線束包裹鋁箔,鋁箔屏蔽層與整車接地點連接,如圖6 所示。
圖6 駕駛機艙整改前后對比
(2)針對制動信號異常,在駕駛室前端制動信號線束至VCU 控制器段線束包裹鋁箔,鋁箔屏蔽層與整車接地點連接。同時將制動腳閥連同周邊氣管包裹屏蔽,屏蔽層就近與車架地短接到一起;拆除腳閥傳感器內部信號地與外殼地相連的電阻,外部使用鋁箔屏蔽。
針對上文3.2 描述的實車驗證出現(xiàn)軟件策略問題,更改軟件策略見表5。
表5 軟件策略更改內容
通過完成硬件改制及軟件變更,再次進行驗證試驗。試驗樣車向前行駛開向通道弱磁A 區(qū)及強磁B/C區(qū)域裝卸鋁水罐位置,制動駐車后切換為N 檔,拉起手剎。打開所有電子電器功能,觀察運行情況。間隔20 s 后,切換R 檔,換擋動作后儀表顯示擋位切換存在1 s 延遲時間,所有電子電器件均運行正常。油門信號與制動信號不再沖突,車輛按請求扭矩行駛,輸出扭矩>0,擋位切換正常。圖7 為整改后測試結果,動力效果均正常,信號干擾程度明顯得到改善。
圖7 整改后測試
通過新能源商用車在電解鋁車間強電磁環(huán)境下運行,開展整車的電磁抗擾性試驗研究。新能源電動汽車相關系統(tǒng)受到強電磁干擾后產(chǎn)生的異?,F(xiàn)象,分析其產(chǎn)生的原因和構建相應的抑制方法。針對上述問題,采用硬件屏蔽、軟件策略調試標定等方法,提高新能源電動汽車在強磁環(huán)境下的電磁兼容與抗干擾能力,提升新能源整車控制系統(tǒng)的兼容性,為新能源商用車電磁兼容研究提供參考依據(jù)。