汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)電控技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)電子設(shè)備數(shù)量大大增加，工作頻率逐漸提高，功率逐漸增大，使得汽車(chē)工作環(huán)境中充斥著電磁波，導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題日益突出，輕則影響電子設(shè)備的正常工作，重則損壞相應(yīng)的電器元件。因此，汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容性能越來(lái)越受重視，目前迫切要求能廣泛應(yīng)用針對(duì)汽車(chē)子設(shè)備的電磁改進(jìn)技術(shù)。

電磁干擾的來(lái)源

汽車(chē)電子設(shè)備工作在行駛環(huán)境不斷變化的汽車(chē)上，環(huán)境中電磁能量構(gòu)成的復(fù)雜性和多變性，意味著系統(tǒng)所受到的電磁干擾來(lái)源比較廣泛。按照電磁干擾的來(lái)源分類(lèi)，可分為車(chē)外電磁干擾、車(chē)體靜電干擾和車(chē)內(nèi)電磁干擾。

車(chē)外電磁干擾

車(chē)外電磁干擾是汽車(chē)行駛中經(jīng)歷各種外部電磁環(huán)境時(shí)所受的干擾。這類(lèi)干擾存在于特定的空間或是特定的時(shí)間。如高壓輸電線(xiàn)、高壓變電站和大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射站的電磁干擾，以及雷電、太陽(yáng)黑子輻射電磁干擾，等等。環(huán)境中其它臨近的電子設(shè)備工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生干擾，例如行駛中相距較近的汽車(chē)。

車(chē)體靜電干擾

車(chē)體靜電干擾與汽車(chē)和外部環(huán)境都有關(guān)。由于汽車(chē)行駛時(shí)車(chē)體與空氣高速摩擦，在車(chē)體上形成不均勻分布的靜電。靜電放電會(huì)在車(chē)體上形成干擾電流，同時(shí)產(chǎn)生高頻輻射，對(duì)汽車(chē)電子設(shè)備形成電磁干擾。

車(chē)內(nèi)電磁干擾

車(chē)內(nèi)電磁干擾是汽車(chē)電子設(shè)備工作時(shí)內(nèi)部的相互干擾，包括電子元器件產(chǎn)生的電子噪聲，電機(jī)運(yùn)行中換向電刷產(chǎn)生的電磁干擾以及各種開(kāi)關(guān)工作時(shí)的放電干擾，最嚴(yán)重的是汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻輻射，其干擾能量最大。

電磁干擾的途徑及原理

電磁干擾按干擾途徑分類(lèi)，主要分為傳導(dǎo)干擾、感應(yīng)干擾和輻射干擾，對(duì)應(yīng)的干擾原理如下。

傳導(dǎo)干擾

傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)電路的共用導(dǎo)體傳播，典型的結(jié)構(gòu)是共電源線(xiàn)和共地線(xiàn)，圖1是典型傳導(dǎo)干擾電路示意圖。R為電源線(xiàn)上電阻，Z為地線(xiàn)上電阻，U為支路電壓，I為支路電流。

由于各設(shè)備工作電壓為

因此任意一個(gè)設(shè)備電流變化都會(huì)導(dǎo)致其它設(shè)備電壓變化，產(chǎn)生干擾。要降低設(shè)備間的相互影響，需要減小R、Z和I值。

感應(yīng)干擾

感應(yīng)干擾分為電感應(yīng)干擾和磁感應(yīng)干擾兩種，其基本電路圖如圖2和圖3。U1為導(dǎo)線(xiàn)1的電壓，I1為導(dǎo)線(xiàn)1上電流，U2為導(dǎo)線(xiàn)2上的干擾電壓，C12為兩導(dǎo)線(xiàn)間的電容，C1g和C2g為導(dǎo)線(xiàn)1、導(dǎo)線(xiàn)2與地的電容，M12為兩回路間互感，R為各電路的電阻。

對(duì)電感應(yīng)電路，

，要減小U2可以減小C12、U1和R，或增大C2g；首要措施是減小C12，方法是增大導(dǎo)線(xiàn)距離或改變導(dǎo)線(xiàn)間介電參數(shù)。對(duì)磁感應(yīng)電路，，要減小U2，可以減小M12或減小I1變化率，基本措施是減小M12，對(duì)典型的兩回路，，L1、L2為兩回路長(zhǎng)度，m0為真空磁導(dǎo)率，r為兩回路導(dǎo)線(xiàn)段距離。因此增大r和減小回路面積都能減小M12。

輻射干擾

輻射干擾由天線(xiàn)發(fā)射，由于通電的導(dǎo)線(xiàn)和電纜可視為等效天線(xiàn)，因此汽車(chē)電子設(shè)備的線(xiàn)束輻射干擾非常嚴(yán)重。根據(jù)Maxwell方程，典型單極天線(xiàn)的輻射電磁場(chǎng)為

為球坐標(biāo)，I為天線(xiàn)電流，l為天線(xiàn)長(zhǎng)度，r為天線(xiàn)至場(chǎng)點(diǎn)的距離，w為角頻率，e0為空氣介電常數(shù)，l為電磁波長(zhǎng)。要減小H和E，可以減小I、l，或增大r。

綜上所述，車(chē)外電磁干擾隨作用距離增大而減小，只有當(dāng)其本身能量非常大，才能對(duì)相距較遠(yuǎn)的汽車(chē)電子設(shè)備產(chǎn)生影響。多年研究結(jié)果表明，大能量的電磁效應(yīng)對(duì)人體健康存在危害，目前已經(jīng)制定各種相應(yīng)的電磁標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制這類(lèi)干擾，使得汽車(chē)電子設(shè)備受其的影響減小。

車(chē)體靜電干擾和車(chē)內(nèi)電磁干擾，因?yàn)楦蓴_作用距離近，干擾時(shí)間長(zhǎng)，干擾強(qiáng)度相對(duì)較大。由于汽車(chē)電子設(shè)備形成以蓄電池和交流發(fā)電機(jī)為核心電源以及車(chē)體為公共地的電氣網(wǎng)絡(luò)，各部分線(xiàn)束都會(huì)通過(guò)電源和地線(xiàn)彼此傳導(dǎo)干擾，相鄰導(dǎo)線(xiàn)間又有感應(yīng)干擾，而不相鄰導(dǎo)線(xiàn)間也因天線(xiàn)效應(yīng)而輻射干擾，這就使得車(chē)內(nèi)干擾綜合了三種途徑，干擾組成較多，覆蓋的干擾頻率較廣，是汽車(chē)電子設(shè)備受到的主要電磁干擾。解決這兩種電磁干擾問(wèn)題，能同時(shí)提高汽車(chē)電子設(shè)備對(duì)車(chē)外電磁干擾的抗干擾能力，從而降低設(shè)備工作失常或是損壞的可能性。

提高電子設(shè)備電磁兼容性能的措施

汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容性能包括兩方面，一是電磁發(fā)射，衡量系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾的發(fā)射水平；二是電磁敏感度，衡量系統(tǒng)在工作時(shí)為實(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)指標(biāo)而需要的抵抗電磁干擾的能力。根據(jù)前面的分析，要綜合提高汽車(chē)電子設(shè)備的電磁性能，可以從三方面考慮，一是減小設(shè)備發(fā)射電磁干擾的強(qiáng)度；二是抑制電磁干擾的傳輸；三是降低設(shè)備電磁敏感部件接收干擾的強(qiáng)度。

減小設(shè)備的電磁干擾強(qiáng)度

優(yōu)化設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)：汽車(chē)電子設(shè)備中閃光器是繼電器觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可以在觸點(diǎn)前加電弧抑制器；電機(jī)為感性負(fù)載，可通過(guò)內(nèi)部濾波電路降低電流噪聲；各種電控單元的印刷電路板，要優(yōu)化布線(xiàn)，降低電磁發(fā)射水平。

選用合適的電子元器件：汽車(chē)上的各種控制單元，采用較低頻的芯片有利于減少輻射干擾。

降低設(shè)備的功率：在滿(mǎn)足功能需求的情況下，降低設(shè)備的功率，可以減小干擾電壓和電流，從而減小干擾強(qiáng)度。

抑制干擾的傳輸

屏蔽干擾源設(shè)備和相關(guān)線(xiàn)束：汽車(chē)中主要的電控系統(tǒng)使用的電控單元，應(yīng)該采用屏蔽殼體封裝。

增加線(xiàn)束濾波：對(duì)較長(zhǎng)的線(xiàn)束，為減小傳導(dǎo)和輻射干擾，應(yīng)在線(xiàn)束上增加濾波，比較方便的是套接合適的鐵氧體磁環(huán)。

合理規(guī)劃線(xiàn)束：線(xiàn)束布置上使小功率敏感電路緊靠信號(hào)源，大功率干擾電路緊靠負(fù)載，盡可能分開(kāi)小功率電路和大功率電路，減小線(xiàn)束間的感應(yīng)干擾和輻射干擾。

改進(jìn)設(shè)備的接地：良好的接地布置和改進(jìn)的地線(xiàn)搭接可以降低高頻阻抗。汽車(chē)電子設(shè)備接地主要是就近接到車(chē)體以及線(xiàn)束屏蔽層接地。

降低設(shè)備接收干擾的強(qiáng)度

減小設(shè)備接收干擾的面積：線(xiàn)束應(yīng)設(shè)計(jì)成最小長(zhǎng)度、最小阻抗和最小環(huán)路面積，最好采用雙絞線(xiàn)等回路面積小的供電方式。增大設(shè)備到干擾源的距離：在干擾設(shè)備布置不變的情況下，改造敏感部件的安裝位置，增大到干擾源的距離。

電磁兼容性改進(jìn)措施的試驗(yàn)研究

目前，電磁兼容仿真計(jì)算通常用來(lái)對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)的電磁性能進(jìn)行初步估計(jì)。汽車(chē)電子設(shè)備的電磁性能主要以測(cè)試為依據(jù)，因此對(duì)改進(jìn)措施著重進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)汽車(chē)整車(chē)及零部件的電磁兼容性法規(guī)GB18655－2002《用于保護(hù)汽車(chē)接收機(jī)的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》，對(duì)國(guó)內(nèi)一種商務(wù)車(chē)型的電子設(shè)備進(jìn)行了電磁兼容性測(cè)試，采用了綜合改進(jìn)措施，試驗(yàn)結(jié)果可以比較各種措施在實(shí)車(chē)運(yùn)用中的效果。

雨刮電機(jī)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和內(nèi)部濾波

雨刮電機(jī)是設(shè)備中典型的感性負(fù)載干擾源，功率較大，采用零部件測(cè)試方式對(duì)其測(cè)量，先對(duì)電機(jī)的換向器結(jié)構(gòu)做了調(diào)整，并在電機(jī)內(nèi)部對(duì)電路做了濾波處理。圖4、圖5是改進(jìn)前后的結(jié)果，射頻段干擾也有明顯改進(jìn)。

閃光器的電路濾波

閃光器是汽車(chē)設(shè)備中典型的觸點(diǎn)型器件，工作時(shí)通斷頻繁，在線(xiàn)束上產(chǎn)生較大傳導(dǎo)干擾，并由此產(chǎn)生較大輻射干擾。通過(guò)在閃光器附近加接0.1mF的電容，并在線(xiàn)束上套鐵氧體磁環(huán)，構(gòu)成低通濾波器，抑制其傳導(dǎo)干擾，同時(shí)減小輻射干擾。測(cè)量采用整車(chē)測(cè)試的方式，圖6、圖7是改進(jìn)前后的測(cè)試結(jié)果，在10MHz以上降低了干擾水平。

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容性能在國(guó)內(nèi)日益受到重視，它對(duì)提高國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力也相當(dāng)重要。通過(guò)對(duì)電子設(shè)備干擾源的分析，表明車(chē)內(nèi)電磁干擾是設(shè)備所受的主要干擾，為減少系統(tǒng)的電磁干擾，需要采用文中的改進(jìn)措施來(lái)提高汽車(chē)電子設(shè)備的電磁兼容性能，測(cè)試表明改進(jìn)效果都比較明顯。對(duì)大多數(shù)電氣設(shè)備，增強(qiáng)電路濾波是比較通用的改進(jìn)措施。

來(lái)源；中電網(wǎng)