混合动力客车中电磁干扰对发动机ECU功能的影响及改进

2010-03-23董悦航杜建福

柴油机设计与制造 2010年3期

董悦航，孙磊，杜建福

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海，200438）

1 前言

当今的汽车，应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要标志。汽车应用电子产品涉及到一个共性问题——汽车电磁兼容(EMC)技术。汽车电磁兼容技术关乎汽车特定电子系统及其周围电子系统运行的安全可靠性，关乎电子控制功能运行的安全可靠性，乃至影响汽车整车的安全可靠性。因此对于现代汽车而言，汽车电磁兼容技术与汽车排放技术、汽车安全技术同为汽车共性技术。在传统车中，主要是弱电设备产生的电磁噪声，而在新能源车中，由于大量高压元器件的存在，比如高压动力电池、电机、DC/DC等设备，会导致比传统车严重得多的对自身弱电设备和周边环境的电磁干扰。因此，新能源车的EMC研究极其重要。本文主要针对混合动力车中电磁干扰（EMI）对发动机控制器（ECU）产生的影响进行了分析，并采取相应措施，降低EMI的能级，提高混合动力车的电磁抗扰度（EMS）性能。

2 电磁骚扰的种类

2.1 传导干扰

传导干扰是指电磁骚扰通过设备的信号线、控制线、电源线等直接传入敏感设备，造成传导干扰。骚扰电流在导线上传输时有两种方式，分别是共模方式和差模方式。差模干扰由储能电容上的电压产生，共模干扰由传输线上的共模电流噪声变成差模噪声后产生的。共模电流可以由外部磁场耦合到由电缆、地参考面和设备与地连接的各种阻抗形成的回路引起，也可以由地参考点和电缆之间的噪声电压引起。另外要注意的是，当设备或者元器件共用电源线和地线时，设备或元器件之间存在共阻抗干扰。

2.2 辐射干扰

骚扰源的电磁能量以场的形式向四周传播，干扰周围敏感设备。场可以分为近场和远场。近场的性质与场源的性质密切相关。如果场源是高电压小电流的源，近场主要是电场；如果场源是低电压大电流的源，近场主要是磁场[1]。电场干扰是通过电容之间的耦合进行的，而磁场的干扰是通过电感之间的耦合进行的。常见的耦合辐射有三种：（1）甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受，称为天线对天线；（2）空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；（3）两根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线的感应耦合。

在实际工程中，两个设备之间发生干扰通常包含很多途径的耦合，反复交叉耦合，共同产生干扰[2]。

3 电磁传导干扰对发动机ECU的影响

3.1 整车布置

本文所介绍的混联混合动力客车的高压部件布置见图1和图2。

3.2 电磁干扰导致ECU报10037故障分析

在整车运行过程中，发动机ECU通过CAN总线发送10037(Common Rail Pressure Limiting Valve failure，Valve open)的故障，10037是发动机故障码，是由于轨压异常，造成泄压阀打开。

初步判断由于整车电磁干扰故障，造成高压油泵电磁阀或者轨压传感器的电信号异常，使轨压瞬间变化太大，超过共轨管上的卸压阀开启压力，形成开式循环，图3为用winKW 2000工具采集的数据。

从图3可以看到，在23.5 s时，轨压从99.7 MPa跳变到176.9MPa；在25.7 s时，轨压从99.7 MPa跳变到187.2MPa，这已经超过了卸压阀的开启压力185 MPa，造成卸压阀打开；在21.9 s和31.59 s时，轨压都有异常突变，发动机出现10037的报警。

高压油泵电磁阀是通过电流信号控制进入共轨管的油量，从而控制轨压。一旦电磁阀电流受到干扰，工作异常时，共轨压力就会出现异常而导致10037故障码。还可能存在另外一种情况，共轨压力传感器输出电压信号随共轨管里的压力变化而变化。若共轨压力传感器受到干扰而出现电压信号波动，ECU接收到轨压信号后认为轨压波动梯度太大，也会出现10037故障码。

为了全面排除由发动机高压共轨系统零部件的质量问题造成的轨压异常，将高压共轨系统中的机油滤清器（粗滤和细滤）、高压油泵、共轨管、喷油器等全套更换，10037故障的问题依然存在；将发动机ECU外壳接地，10037故障发生更频繁；检查电机及控制器的绝缘，发现绝缘电阻值和泄漏电流均不符合规定标准。经检查是电机定子的高压线有磨损点，导致泄漏电流过大，对发动机高压共轨系统造成传导干扰和辐射干扰[3]。

3.3 电磁干扰导致ECU报油门踏板故障分析

混合动力车中的油门踏板会根据自身的开度情况向整车控制器发送相应的电压信号。根据车辆当前的行驶状态及驱动需求，整车控制器统一分配驱动信号给发动机ECU、主驱动电机和ISG电机，来决定它们各自的驱动状态或发电状态，及其提供的驱动功率或发电功率的大小。驱动信号也是以电压形式进行发送的。整车控制器VCU在以电压形式向发动机ECU发送驱动信号的同时，还要发送一个开关量信号。在油门踏板被踩到一定角度前，整车控制器向发动机ECU发送开关量信号1；在油门踏板被踩到一定角度后，整车控制器则发送开关量信号0，告诉发动机要由怠速状态进入到非怠速驱动状态。整车控制器通过硬线发送给发动机ECU的驱动电压信号和开关量信号要相互匹配。发动机ECU内设定了两个电压限值，分别称为怠速高电压和怠速低电压。在整车控制器VCU发送开关量为1时，其发送给发动机ECU的驱动电压不能超过怠速高电压，发动机ECU本身会检测整车控制器发来的驱动电压信号，并与ECU内部设定好的怠速高电压进行比较。如果发现整车控制器发来的驱动电压超过怠速高电压，发动机ECU就会报故障。同样，当整车控制器VCU发送开关量为0时，其发送给发动机ECU的驱动电压不能低于怠速低电压，发动机ECU检测到驱动电压低于怠速低电压，发动机ECU也会报同样的故障。当这两种故障的报错时间累计到200ms时，发动机ECU就会向总线发送10012的故障，同时油门踏板被锁死。整车控制器和发动机ECU之间的油门线通过硬线连接，因而在受电磁干扰的情况下，整车控制器发送给发动机ECU的驱动电压信号经常会上下波动，导致整车控制器发送给发动机ECU的电压信号和开关量信号不匹配，从而发生油门踏板被锁死的严重故障。图4为发动机ECU报错及整车控制器发出的驱动电压变动情况。

图4中的上图为整车控制器发送的开关量变化情况，中图为整车控制器发送驱动电压和高怠速低电压区间的情况，下图为发动机ECU报错情况，下图中所有大于0的点都为报错点。

3.4 整改措施

在将高压电池外框采用二级绝缘的基础上，再将电池固定点和底盘直接联接；电机和底盘连接点采用直接连接，不加绝缘垫片；将高压线和低压线分开敷设，并在高压线外加装金属防护罩；所有信号线，包括整车控制器和发动机ECU之间的油门信号线全部采用360度屏蔽双绞线；高压手闸采用金属外壳，电机壳体做到全屏蔽[4～5]。图5为整车控制器发送给发动机ECU硬线上的电压信号在阴雨天有屏蔽有电容滤波的情况下和无电容无屏蔽情况下的对比。