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新能源汽车电机控制器大电流注入的抗扰对策

发布时间:2021-03-11 17:30

摘要 依据ISO 11452-4—2005的规定对新能源汽车电机控制器进行大电流注入( BCI)测试中 , 控制电机停转,且监控软件故障栏位显示故障。通过分析,确定干扰主要是通过低压电源进入系统的。采取更改线束布局、优化PCB走线等整改措施后,新能源汽车控制器在测试过程中工作正常。
关键词
新能源汽车控制器;电磁兼容;大电流注入;整改
引言
新能源汽车的驱动电机系统与传统汽车的内燃机驱动系统有很大的不同, 其 DC-AC 逆变系统中大功率半导体开关器件的快速开通和关断使电压与电流在极短时间内高低电平跳变, 加上驱动电机为大感性负载, 对自身的弱电回路和邻近的电子设备形成强烈的辐射和传导电磁干扰。 另外, 新能源汽车在有限的空间内集成了多种功能性模块, 带来了很多的电磁兼容问题。
1 新能源汽车电机控制器的抗扰试验方法
依据ISO 11452-4中对 BCI 的试验规定,新能源汽车电机控制器BCI测试可选择替代法 / 闭环法。我公司采用的是替代法,注入电流等级为100mA。电流注入位置分别距电机控制器150mm,450mm和750mm。试验过程中,被测控制器应处于正常工作状态;电
源通过5μH/50Ω人工网络( AN)加到被测控制器。实验过程中监控软件通过控制器控制电机在一个固定转速下运行, 通过实时监测电机转速和其他参数的变化, 考察控制器抵抗 BCI 的能力, 连接方式见图 1,实际测试布置见图 2。

电机控制器 BCI 测试连接框图
图 1 电机控制器 BCI 测试连接框图


图 2 BCI 测试实际布置

 

2 BCI 试验情况分析
将控制器与电机按电气原理图连接,通过12V蓄电池给控制器供电,监控软件通过控制器控制电机以固定的转速运行。通过传感器采集转速信号发到监控软件上,然后进行 BCI 测试,若测试中出现转速大幅抖动、电机停转或者监控软件出现故障码, 则判定产品不符合要求。在1~400 MHz频段,样品测试结果见表 1。

电动汽车电机控制器原始记录结果

表 1 电动汽车电机控制器原始记录结果
从实验结果来看,受试样品的电机控制器受 BCI 的影响非常明显,导致监控软件电机控制器对应的故障栏显示故障码,电机停转。从原始试验数据来看,在电机空载运行情况下有能量脉冲输出和电量增加。有以下可能的原因 :
( 1) BCI 信号耦合到控制器内部,由于线束排布不合理,高压互锁信号线从控制板底部穿过,可能造成线束耦合的干扰与控制板两次耦合,进而干扰了电机控制。
( 2) 由于共模电感、Y电容选型不合理,BCI测试时滤波不够,造成内部系统受到干扰,系统的参考电平产生波动,控制芯片受到影响,导致控制芯片脉冲输出信号产生异常。
( 3) PCB 布局不合理,电源电路隔离不完全,使滤波单元起不到作用,导致控制器控制出现问题。

3 整改措施
通常,抑制干扰信号有三种方法:减少干扰源发射、切断传播路径、提高受试设备的抗干扰能力。在电动汽车电机控制器的实际应用中,前两种方法不适用。 针对上述三种原因 , 分别采用不同的应对措施提高受试设备的抗干扰能力。
( 1) 针对线束耦合问题,调整高压互锁线束排布。将高压互锁线束调整到远离控制板的位置。试验发现,空载情况下单纯调整线束排布,结果没有改善,说明线束排布不合理不是导致此问题的主要原因。
( 2) 针对器件选型问题,调整共模电感、Y 电容选型。通过选择相同封装的电感和与控制器问题频段相匹配的滤波电容进行替换,新、旧电感参数如图 3,新、旧电容参数如图 4,实验结果没有改善,整改措施未达到预期效果。

旧电感插入损耗特性
新电感插入损耗特性
 

图 3 新旧电感插入损耗特性对比
旧电容阻抗特性
新电容阻抗特性

图 4 新旧电容阻抗特性对比

( 3) 针对 PCB 布局不合理问题,优化计量电路PCB 的布局。经分析,输入电源部分在共模电感与 Y电容之间的PCB布局有很大问题 :为了给Y电容引入结构地,结构地GND层PCB 布局在共模电感底部未做隔离处理,使干扰可以越过共模电感直接到达主电源内部电路,对系统内部造成极大干扰,如图5所示。

PCB 更改前
PCB 更改后
图 5 PCB 更改前后对比

经过优化PCB布局,并结合共模电感、 Y 电容选型调整,将耦合进主电源部分的干扰进行了有效抑制,试验通过。
4 电机控制器 PCB 设计中应注意的问题
从本案例的解决方案结合其他电机控制器的试验情况来看,BCI试验不合格往往是器件选型、PCB 布线设计不合理造成的。因此在试验过程中尽快找到问题点,对PCB进行优化设计是解决此类问题的有效途径。为了提高BCI 试验的通过率, 以下几点在电机控制器 PCB 设计初期需要引起注意 :
( 1) 综合考虑产品结构件的特点, 合理设计产品内部线束的布线, 建议避免不同类型线束平行布线,如果不能避免平行,建议线 - 线、 线 - 板之间距离大于 10 mm。
( 2) 控制电路的设计,在控制芯片电源与地的输入端预留滤波元件位置。
( 3) 在电子线路中, 如果选择隔离对策, 那么隔离一定要彻底, 电源、地和信号进出隔离区域时一定要做滤波处理, 否则隔离对策不仅对电路设计没有帮助, 反而会引入无法消除的干扰, 造成两个区域地电平产生电位差,进而影响整个电路的正常工作。 结合使用接地、 屏蔽和滤波等措施, 可有效地提高设备的抗干扰能力。

上海大郡动力控制技术有限公司 李靖恺
上海新进半导体制造有限公司 李海花

参考文献
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BCI大电流注入测试系统
EA-412 BCI大电流注入测试系统

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