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汽車電子設(shè)備電磁兼容性改進措施

發(fā)布時間:2010-12-14

中心議題:

  • 電磁干擾的來源
  • 電磁干擾的途徑及原理
  • 提高電子設(shè)備電磁兼容性能的措施
  • 雨刮電機的結(jié)構(gòu)調(diào)整和內(nèi)部濾波
  • 閃光器的電路濾波


隨著汽車電控技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車電子設(shè)備數(shù)量大大增加,工作頻率逐漸提高,功率逐漸增大,使得汽車工作環(huán)境中充斥著電磁波,導致電磁干擾問題日益突出,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,汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能越來越受重視,目前迫切要求能廣泛應(yīng)用針對汽車子設(shè)備的電磁改進技術(shù)。

電磁干擾的來源

汽車電子設(shè)備工作在行駛環(huán)境不斷變化的汽車上,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源比較廣泛。按照電磁干擾的來源分類,可分為車外電磁干擾、車體靜電干擾和車內(nèi)電磁干擾。

車外電磁干擾

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

車體靜電干擾

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

車內(nèi)電磁干擾

車內(nèi)電磁干擾是汽車電子設(shè)備工作時內(nèi)部的相互干擾,包括電子元器件產(chǎn)生的電子噪聲,電機運行中換向電刷產(chǎn)生的電磁干擾以及各種開關(guān)工作時的放電干擾,最嚴重的是汽車點火系統(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,主要分為傳導干擾、感應(yīng)干擾和輻射干擾,對應(yīng)的干擾原理如下。

傳導干擾

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

傳導干擾電路

由于各設(shè)備工作電壓為
公式

因此任意一個設(shè)備電流變化都會導致其它設(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為導線1的電壓,I1為導線1上電流,U2為導線2上的干擾電壓,C12為兩導線間的電容,C1g和C2g為導線1、導線2與地的電容,M12為兩回路間互感,R為各電路的電阻。

感應(yīng)干擾電路

對電感應(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,方法是增大導線距離或改變導線間介電參數(shù)。
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對磁感應(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,對典型的兩回路,,L1、L2為兩回路長度,m0為真空磁導率,r為兩回路導線段距離。因此增大r和減小回路面積都能減小M12。

輻射干擾

輻射干擾由天線發(fā)射,由于通電的導線和電纜可視為等效天線,因此汽車電子設(shè)備的線束輻射干擾非常嚴重。根據(jù)Maxwell方程,典型單極天線的輻射電磁場為
公式

為球坐標,I為天線電流,l為天線長度,r為天線至場點的距離,w為角頻率,e0為空氣介電常數(shù),,l為電磁波長。

要減小H和E,可以減小I、l,或增大r。

綜上所述,車外電磁干擾隨作用距離增大而減小,只有當其本身能量非常大,才能對相距較遠的汽車電子設(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)對人體健康存在危害,目前已經(jīng)制定各種相應(yīng)的電磁標準來限制這類干擾,使得汽車電子設(shè)備受其的影響減小。

車體靜電干擾和車內(nèi)電磁干擾,因為干擾作用距離近,干擾時間長,干擾強度相對較大。由于汽車電子設(shè)備形成以蓄電池和交流發(fā)電機為核心電源以及車體為公共地的電氣網(wǎng)絡(luò),各部分線束都會通過電源和地線彼此傳導干擾,相鄰導線間又有感應(yīng)干擾,而不相鄰導線間也因天線效應(yīng)而輻射干擾,這就使得車內(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,是汽車電子設(shè)備受到的主要電磁干擾。解決這兩種電磁干擾問題,能同時提高汽車電子設(shè)備對車外電磁干擾的抗干擾能力,從而降低設(shè)備工作失?;蚴菗p壞的可能性。

提高電子設(shè)備電磁兼容性能的措施

汽車電子設(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)在工作時為實現(xiàn)預(yù)期技術(shù)指標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度。

減小設(shè)備的電磁干擾強度

優(yōu)化設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu):汽車電子設(shè)備中閃光器是繼電器觸點結(jié)構(gòu),可以在觸點前加電弧抑制器;電機為感性負載,可通過內(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,降低電磁發(fā)射水平。

選用合適的電子元器件:汽車上的各種控制單元,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,從而減小干擾強度。

抑制干擾的傳輸

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

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

合理規(guī)劃線束:線束布置上使小功率敏感電路緊靠信號源,大功率干擾電路緊靠負載,盡可能分開小功率電路和大功率電路,減小線束間的感應(yīng)干擾和輻射干擾。

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

降低設(shè)備接收干擾的強度

減小設(shè)備接收干擾的面積:線束應(yīng)設(shè)計成最小長度、最小阻抗和最小環(huán)路面積,最好采用雙絞線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。

電磁兼容性改進措施的試驗研究

目前,電磁兼容仿真計算通常用來對車體結(jié)構(gòu)的電磁性能進行初步估計。汽車電子設(shè)備的電磁性能主要以測試為依據(jù),因此對改進措施著重進行試驗研究。根據(jù)汽車整車及零部件的電磁兼容性法規(guī)GB18655-2002《用于保護汽車接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》,對國內(nèi)一種商務(wù)車型的電子設(shè)備進行了電磁兼容性測試,采用了綜合改進措施,試驗結(jié)果可以比較各種措施在實車運用中的效果。

雨刮電機的結(jié)構(gòu)調(diào)整和內(nèi)部濾波

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

雨刮電機的結(jié)構(gòu)調(diào)整和內(nèi)部濾波

閃光器的電路濾波

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

結(jié)語

汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能在國內(nèi)日益受到重視,它對提高國內(nèi)汽車產(chǎn)品的競爭力也相當重要。通過對電子設(shè)備干擾源的分析,表明車內(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措施來提高汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能,測試表明改進效果都比較明顯。對大多數(shù)電氣設(shè)備,增強電路濾波是比較通用的改進措施。

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