王洪軍， 雷 杰， 武云龍， 薛偉光， 卜方方

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

純電動客車和燃油客車的主要區(qū)別在于驅動能源和驅動方式。純電動客車采用動力電池作為能源，通過DC和各類電機控制器給整車電器供電。DC和控制器通過集成化的IGBT或MOS管，采用脈沖調制技術(PWM)進行AC-DC整流、DC-AC逆變，工作頻率高達20 kHz，易出現(xiàn)電器間干擾問題，導致電器工作異常，影響電器工作的穩(wěn)定性[1-4]。此外，由于純電動客車電器數(shù)量多、工作狀態(tài)復雜，因此很難充分匹配，一些容性或感性負載在通斷瞬間會出現(xiàn)電壓波動、瞬時過流的異常情況，使其他電器被干擾甚至損壞[5-7]。本文通過對電器干擾問題的理論分析和實際解決，希望對改善純電動客車電器干擾問題有所幫助。

1 電器干擾的主要因素

純電動客車電器干擾的主要因素有開關電源、低壓感性負載、高壓容性負載。

1.1 開關電源對整車電器的影響

開關電源工作頻率高，開通關斷時的電壓變化率(du/dt)大，易形成諧波豐富的電壓脈沖，通過開關電源自身或開關電源電路的寄生參數(shù)干擾其他電器的電源線、信號線或內部電路。

開關電源干擾主要分2種，一種是線線傳導干擾;另一種是空間耦合干擾。線線傳導干擾主要通過線與線(如電源線、信號線)傳播，常表現(xiàn)為差模電流紋波和差模電壓紋波；空間耦合干擾主要通過空間通分布參數(shù)(如分布電容、分布電感)形成的發(fā)射天線和空間輻射傳播，常表現(xiàn)為共模電壓和共模電流。線線傳導干擾和空間耦合干擾同時存在且相互轉化，下面以3個案例對開關電源騷擾問題進行分析。

1) 監(jiān)控顯示屏豎條紋問題。某車在運行過程中開啟空調制冷模式后，監(jiān)控顯示屏出現(xiàn)豎條紋干擾?？照{制冷模式啟動后，空調壓縮機和空調DC開始工作，此時空調電控的開關電源電路將動力電池的直流電逆變成交流，同時將動力電池的高壓降壓斬波供給空調風機，因此產(chǎn)生較大的共模電壓紋波(如圖1)。共模電壓紋波通過整車高低壓電路之間的分布電容和發(fā)射天線耦合到攝像頭電源線，導致攝像頭電源線產(chǎn)生12 V左右電壓紋波(如圖2)，使監(jiān)控顯示屏畫面顯示異常。

圖1 空調制冷時高壓對地共模電壓紋波

圖2 空調制冷時攝像頭電源線電壓紋波

2) 車輛啟動時儀表出現(xiàn)插槍信號問題。某車在高壓上電啟動時組合儀表出現(xiàn)插槍信號，正常情況下插槍信號為5 V左右，當插槍信號變?yōu)?.5 V時車輛組合儀表出現(xiàn)插槍信號。插槍信號會禁止車輛啟動運行。

圖3是該車啟動時測得的插槍信號的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)車輛啟動時高壓回路對地(CH1)有一段時間304 ms、峰峰值50 V左右的共模電壓紋波，此時為控制器自檢，自檢時控制器內部開關電源工作會產(chǎn)生嚴重干擾，導致插槍信號(CH3)同時出現(xiàn)一段峰峰值7.7 V左右的干擾電壓，干擾電壓導致插槍信號異常降低到0.5 V以下，使儀表顯示插槍信號并禁止車輛啟動。

圖3 車輛啟動時測試圖

3) 電池采集器故障問題。某車運行時電池采集器損壞導致車輛斷電停車。將損壞的電池采集器進行拆解分析發(fā)現(xiàn)，大部分采集器CAN通訊芯片損壞，少部分晶振和單片機等損壞，其中有一采集器接插件端溫度地(溫度采集信號地Tcom)到PCB板內走線有過流痕跡。

圖4為故障采集器原理圖，理論上高壓對地的電壓為直流，實際上由于動力電池和整車地(整車電平臺GND)之間存在寄生電容，高壓電器內部的開關電源工作時產(chǎn)生的共模電壓紋波會施加在高壓和電池采集器溫度地Tcom之間，形成流過寄生電容的共模電流紋波，導致Tcom電位漂移。此外共模電流紋波流過寄生電容所在的回路時會導致PCB板過熱，共模紋波電流過大還會導致寄生電容被擊穿。圖5為高壓回路對整車地的共模電壓。

圖4 故障采集器原理圖

圖5 高壓回路對整車地的共模紋波

1.2 低壓感性負載對整車電器的影響

低壓感性負載如接觸器、散熱器風扇、門電磁閥等在通斷時會產(chǎn)生很大的自感電動勢，導致低壓電源網(wǎng)絡的電壓產(chǎn)生波動或沖擊，導致在同一電源網(wǎng)絡下的其他負載(如接觸器)被干擾甚至誤動作，圖6是泰科某型號接觸器斷開時對電源端產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊干擾，下面以一個接觸器斷開時線圈端電壓沖擊過大問題進行案例分析。

圖6 瞬態(tài)沖擊——接觸器斷開

某車充電完成后拔充電槍時，輔助接觸器線圈兩端有異常電壓沖擊(如圖7)。

圖7 電壓沖擊——接觸器斷開

DC、充電、輔助接觸器線圈端都接在相同的低壓24 V電源上，充電時，只有DC接觸器(CH1)和充電接觸器(CH3)吸合；充電完成后，DC接觸器和充電接觸器斷開，由于接觸器線圈是感性負載，斷開瞬間產(chǎn)生的自感電動勢很大。可以看到輔助接觸器線圈端(CH2)本來沒有電壓，DC與充電接觸器斷開瞬間導致輔助接觸器線圈端產(chǎn)生5 ms、28 V左右的反向沖擊電壓。

通過脈沖發(fā)生裝置模擬實驗臺架給輔助接觸器同樣施加5 ms、28 V的沖擊電壓，輔助接觸器出現(xiàn)異常吸合情況(小燈亮，V0為0)，圖8是實驗原理圖。

(4)衣著、居住、生活用品及服務這幾類消費項目與產(chǎn)業(yè)結構的和諧度相對來說比較高，分別為0.799613、0.864847和0.903505。說明河北省衣著消費、居住消費和 生活用品消費與產(chǎn)業(yè)結構之間均處于一種比較和諧的狀態(tài)，河北省的產(chǎn)業(yè)結構能較好的適應和滿足這些項目的消費需求。

圖8 實驗原理圖

1.3 高壓容性負載對整車電器的影響

電動客車上的各種控制器內部存在大小不一的X電容和Y電容[8]。由于電容的充放電特性，高壓回路閉合瞬間會出現(xiàn)很大的電容充電電流，導致高壓回路出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流和高壓回路對車身地的瞬時泄露電流，高壓回路沖擊電流經(jīng)過高壓電器內部電子元件時會導致電子元件過壓被擊穿，高壓回路對車身地的瞬時泄露電流過大會導致充電失敗。下面以2個案例進行分析。

1) X電容過大問題。某車高壓上電失敗無法正常啟動，經(jīng)分析為預充電阻損壞導致高壓回路上電時未經(jīng)過預充環(huán)節(jié)，動力電池直接給高壓回路的X電容大電流充電，大電流流過高壓回路保險使保險熔斷，導致高壓回路母線電壓檢測異常，無法正常高壓上電。

2) Y電容過大問題。某車充電啟動時出現(xiàn)跳槍異常，經(jīng)分析為車輛某控制器Y電容過大，充電啟動時電網(wǎng)側380 V交流電流入控制器，對控制器Y電容及其他結構Y電容充電，此時流過Y電容的瞬時電流很大，這里的瞬時電流也叫泄露電流，泄露電流通過PE線流回遠端電網(wǎng)大地，導致充電設備判斷為漏電而自動保護。

2 電器干擾的改善方法

改善純電動客車電器干擾問題主要有3方面：抑制干擾源、抑制傳播途徑、增強電器抗干擾能力[9-10]。

2.1 抑制干擾源

抑制干擾源是對干擾產(chǎn)生的源頭進行改善，常在整車電器設計階段通過良好軟硬件設計實現(xiàn)，優(yōu)點是效果好、成本低、實用性強，但對整車設計水平要求極高，且需要完善的驗證流程，改善周期長。

1)對于開關電源干擾，常優(yōu)化控制器自檢過程的時序控制，簡化自檢流程；采取合適的SPWM調制方式，如單極性倍頻調制；優(yōu)化開關電源電路結構和布局，控制過細或過長走線。

2)對于低壓感性負載干擾，由于其本身作用依靠感性特征實現(xiàn)，無法從源頭進行抑制，只能通過傳播途徑來解決。

3)對于高壓容性負載干擾，可在整車設計階段設計大小合理的X電容和Y電容，常通過規(guī)范電器零部件的接口電容和整車的結構布置來實現(xiàn)，其中Y電容干擾只能通過抑制其電容大小來實現(xiàn)。

在解決前述Y電容過大問題過程中，移除控制器0.22 uF的Y電容后，車輛充電時的泄露電流減小，車輛充電恢復正常。

2.2 抑制傳播途徑

抑制干擾源是解決電器干擾最有效的方法，但考慮到設計技術水平、設計周期等因素，抑制傳播途徑更多地被應用。抑制傳播途徑指通過阻斷干擾源傳播路線、屏蔽干擾源等方法使干擾到達被干擾對象之前就被濾除。

1)對于開關電源干擾，常通過開關電源的濾波環(huán)節(jié)進行抑制，如針對特定頻率布置的靠近開關電源的二級LC濾波；使用開關電源屏蔽罩或多層屏蔽的線束；增大帶有干擾線束與被干擾電器的距離；高低壓線束走線時盡量避免交叉。

在解決前述監(jiān)控顯示屏豎條紋過程中，將攝像頭的信號線遠離空調系統(tǒng)后，信號線上的電壓紋波減小到0.6 V左右，監(jiān)控顯示屏恢復正常，如圖9所示。

圖9 攝像頭信號線電壓紋波

在解決前述電池采集器故障問題過程中，將插槍信號線的屏蔽層良好接地后插槍信號的干擾大大降低，組合儀表顯示恢復正常，如圖10所示。

圖10 插槍信號線屏蔽良好時車輛啟動時測試圖

2)對于低壓感性負載干擾，可通過合理的續(xù)流回路設計(如給接觸器設計續(xù)流二極管)給感性負載通斷時產(chǎn)生的干擾提供良好泄放回路，使干擾不再走其他路徑。

在解決前述拔槍時接觸器斷開沖擊電壓問題中，設計合理的續(xù)流回路后，拔槍時接觸器斷開的電壓沖擊得到有效改善。

3)對于高壓容性負載干擾中的X電容，可通過設計預充回路，通過預充電阻來減小流過X電容的電流。

在解決前述X電容過大問題中，增加預充電阻后，流過X電容的電流大大減小。

2.3 增強電器抗干擾能力

盡管抑制干擾源和抑制干擾途徑對干擾的改善效果較好，一些敏感且重要的電器(如電池采集器)仍需要通過軟硬件設計來提升自身的抗干擾能力以充分確保其工作穩(wěn)定性。

1)對于開關電源干擾，常使用屏蔽罩罩住關鍵信號電路；重要信號采用差分線；信號線或電源線雙絞走線；隔離布置(電器地與車身地隔開)；電源接口電路進行抗干擾處理(如增加磁珠、差模電感、共模電容)；信號線的正負應盡量靠近一起布置；騷擾性電器和敏感性電器盡量不要使用同一搭鐵。

在解決前述電池采集器故障問題中，電池采集器隔離布置后，被干擾情況得到改善。

2)對于低壓感性負載干擾，可通過合理的接口電路濾波來解決。

3)對于高壓容性負載干擾中的X電容，可通過提升電子元器件的過電流能力或一定的過壓泄放回路來解決。

3 結束語

隨著純電動客車在市場上越來越多的應用，人們對電動客車的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求，減少純電動客車的電器干擾問題不僅滿足了整車性能要求，也提升了整車功能穩(wěn)定性，是純電動客車蓬勃發(fā)展過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，因此對純電動客車電器干擾問題的分析研究很有必要。