SAECCE 2020 | 福特汽车彭鹏：汽车电子瞬态脉冲产生的机制分析与模拟

2020中国汽车工程学会年会暨展览会（SAECCE 2020）于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办，汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日，福特汽车工程研究院有限公司彭鹏在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录：

很荣幸跟大家分享我们在这块做的一些调查和分析。

福特汽车在电子瞬态脉冲，在业内也被大家所知道，做了一些研究，所以我们在此跟大家分享一下我们分析电子瞬态脉冲如何产生的，它的理论机制和应用场景，包括应用中要注意的问题，做一个分享。

这张图大家都是比较熟悉的，车载的一些电子零部件的连接方式，总共加起来无非是这些连接，根据开关位置负载的不同。这里面涉及到是否功用保险丝、继电器，大致这四个情形。我们知道不的用电器因为存在感性和容性的储能的特性，这些器件在通关的时候，或者是电流的形式出现脉冲，或者电压的形式出现脉冲，这些脉冲跟共享继电器的渠道模块产生影响，我们看一下这些影响是如何产生的。

看下一页，刚才上一张的图是四个不同的位置，可以把它浓缩和抽象，我们知道大电流的等向电路是这样，有电感、电容，受影一的模块可以接在，根据接线的位置，或者是共享继电器、或者共享保险这两种典型。电感器件我们把它等效为LCR电路，我们来分析这个电路开关通断的瞬态脉冲响应，这是一个理想开关瞬态脉冲响应，LCR的响应，我们在读书的时候知道这是一个临时响应，我们从电板把开关切换开了，如果开关是理想的，电压和电流的模型，我们看左下角的图，黄色的是电压模型，右边绿色的是电流模型，我们看到它呈现一个指数衰减，跟理论是一致的，最后得到的结果是指数衰减的。这里面的W跟LC相关的，如果在某个恰当的顶点，开关通断之后是LC的串联电路，如果没有R的话这个LC一定会是一直震荡下去。这个频率我们也可以算出来，LC的震荡频率。但我们这个构成可以看是一个脉冲响应的阶跃响应，就是频谱非常丰富的信号，最后会形成一个脉冲持续的震荡。

我们在车上的过程中这样的波形是有的，但是很少，为什么？继电器并不是理想开关，并不是我们希望断开一下子就断开，我们希望合上它一下子就合上。它最直接的一个特点是拉弧放电与烧蚀，我们看公式2，R×C很小，我们取一个极限，就可以等效为它的尖端最大的电压是1米C和R，假设车上的继电器或者说是空气压缩机线杆，它的感值是很大的，有100毫升左右，我们算下来这个值是有几万伏的电压。实际上这个电压不太可能的，因为我们在继电器触点断开的瞬间，它这个时候的电压一定会把空气击穿，同时有电流的存在保持这个电流。这个计算的过程我们可以看到左图，在高速的摄像机下面，继电器的触点距离越来越大，放电电压越来越大。有个累积效应，放完电之后需要稍微积累一下才能进行下一次的放电，我们看到左图不断地放电，同时电压值在上升，因为继电器的触点是在不断增加的。当放电的速度足够增多，在放电和拉弧高温的环境下会电离的，电离之后，如果显微的特性下面就会触点形成融化，我们叫做弧光或者灰光的放电，左图右半部分连起来了，我们看到它连续的进行放电，直到放到电压和电流满足它的空气计算条件才会终止。终止完之后会根据前面的波形，前面这个开关是个理想的开关，断开之后就形成一个指数衰减的震荡，前面放电的过程，早期的响应过程，因为第一个脉冲的电压会很高，会导致非理想开关的一些放电特性。当这个特性结束之后，它依然会进行理想开关的响应，因为这时候的开关已经不再放电了，会彻底放开，这个响应会继续进行，直到震荡，衰减完成。

我们看到具体的简单图形，在使用过程中放电特性受各种因素的影响，包括温度、触点的材料、继电器弹簧的拉力、继电器弹簧受力反弹都会影响它实际的放电特性，但总归来讲它是收敛于这样一个特性的，当然它有一些因素。关于这块的研究早期在80年代，当时做了很多的研究，有相关这样的文章。

看车上的应用，实际的波形是反极性的，我们刚才分析的是正电压和正电流的特性，实际上它的功能是反极性的，我们只需要把波形翻转，电磁的电压是12V或者24V，但这个电压对整个脉冲的过程来讲可以忽略。这里面可以看到很熟悉的波形，就是7637-2pulse1，如果DUT与这个感性负载共享继电器输出，则看到这个被继电器特性干预后的负脉冲。我们用最大的理论值来算，比如对电压值进行求导，可以算出第一个脉冲最大值，这个最大值有什么意义？如果这个最大值小于放电电压，正常情况在320V，如果我们希望脉冲的电压不产生放电，因为放电现象会对继电器产生损害，不仅对其他DUT产生连续的像瀑布一样的脉冲，还会对继电器的触点造成损害，所以我们要抑制这个脉冲，我们就需要知道抑制到什么程度不会放电。右手边有这样一个计算，如果说我们希望Vmax小于320V，我们希望跟它并联的电容大于34nF，我们就看到这是一个10寸的波形，蓝色是没有电容的，并不是完全没有，是有一些分布电容。我们可以用不同的设计实验，1nF几乎可以忽略本身的分布电容，增加不同的电容之后电压脉冲会有明显的改善，我们不希望它产生来回的放电和击穿的电弧，我们看到红色的曲线已经做到100nF，几乎可以消除放电，这里面会带来一个问题，脉冲的尾巴会拖得非常长。所以这面我们要做一个平衡，我们是希望抑制脉冲的幅度还是抑制脉冲的时间？这时候要做一个妥协。

这个电路实际大家操作的时候可以建立简单的模型，大家使用的时候，比如今天建立了一个电机或者新的继电器，我们想看一下电容值怎么设计，可以用软件工具直接来算，也可以直接用这个公式算。如果大家的电路更复杂一些，比如刚才的等效电路，在旁边再并列一个其他的电路，可以直接用仿真路线做这样的事情，这个结果还是比较可靠收敛的。

放电的脉冲我们可以用来估计电路参数的，放电的过程中有个电流放电的过程，黑色的曲线看到下降的过程，这里面看起来是一个直线，实际上它是一个指数曲线，因为这时候电感的储能能量远远大于分布电容对它的影响，我们这时就可以把指数的过程看成是一个现象的过程，如果现象的过程，就是说电感在电容很小，我们还是用压缩机的稀和线穿（音）来看，存储的能量和分布的电容，在断开的时间，存储的能量和分布的电容能量进行来回的震荡和交换，分布电容充电的时间会非常短，因为它的分布电容很小，电感是设计的电感很大的时候，在升级过程中我们认为它是横流的。这样我们就得到分布电容的值和电压时间，还有电阻可以用腕表测出来这样一种关系，我们可以估计里面的分布电容，可以得出放电时间，放电时间是520纳秒，击穿电压是在500v，我们看到算出来的电容是1nF，这个值跟我们做实验的值非常匹配。

脉冲的模拟优点，福特汽车一般不采用汽车三期-2的脉冲，我们也会做补充，我们在实践过程中发现有汽车三期-2不能模拟真实的状态，一个它有随机性，另外汽车三期-2的脉冲是随负载变化的，但是我们看到它是随外面的电容甚至电阻负载变化的。但是汽车三期的脉冲是个恒定脉冲，某种程度上是存在嵌侧式或者是过侧式的，所以我们更趋向于采用模拟车上实际负载的电路来实现。我们看到刚才的电路是很类似的，但是这里面有一些极差点和继电器的开关，在这里我们选择的感值和容值，都是车上典型的感值和容值，同时考虑的一些电压线，从电驱电磁到模块，所以我们搭载了这样一个电路对车上的电子模块生态脉冲进行测试。这些器件在福特的标准里面都是公开的，大家有兴趣也可以自己搭建这样的知识系统给自己的零件做测试。表明我们车上的很多内容都可以，汽车三期-2实现的脉冲基本可以做到很大，99%的覆盖，同时还考虑它的随机性。

应用场景大家从事汽车行业的都比较熟悉里，无非是两个状态，一个是在开关前面，一个是在开关后面，同一个事件中一个向前看，一个向后看，我们脉冲也做了一定的比例在这里面。这是电源线，大家根据场景选择测试的过程。我设计这个模块借用到其他车型上，我们对模块最早期设计阶段就要做充分的验证，建议大家对这些波形全部测一遍，判断它的特性和失效场景，来决定是否整改或者是否通过整车电路的设计规避出现的问题。其中有一个最重要的场景，我们在车上现在用了很多PWM的通信，我们车上用了can的场景通信，但是我们还需要一个冗余设计，冗余设计的时候可能大家都是用PWM来实现。这里面可以看到左下图，这是典型的冗余的PWM空间的设计，上升到电源，那边是ADC直接监控电压和PWM脉宽的，这时候电源上有个脉冲会通过PWM，会被ADC看得到，会造成ADC芯片的损坏，这个问题在早期我们也发生过很多这样的问题，所以大家使用的时候要注意这样一个场景。

我的内容简单就说这些，现在有一个额外的场景，我们都是继电器和保险丝在车上比较常见的，下一代电动车和智能供电的电动车我们发现没有保险丝，也没有继电器了，特斯拉的设计现在是电子保险丝，这时候又是新的场景，如果大家感兴趣的话，可以在这个方向上做研究和调查，看看带来新的一些脉冲的变化，也许将来对7637这个国际标准的下一次改版和更新做出一些贡献，也能解决对下一代产品设计过程中出现的问题。谢谢大家！

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（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）