专题:目前电动汽车的车辆控制器——VCU电磁兼容存在的问题及其改进完善措施

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。