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汽车电磁兼容(EMC)问题的研究——汽车电磁铁

    一、汽车电磁兼容的问题概述

    为满足人们对汽车的安全、环保、节能以及舒适等性能日益增高的要求,装备电子、电器设备,应用电子技术是最有效的手段 。制动防抱死系统(ABS)、车身控制模块(BCM)、电子防盗系统(EATS)、电动助力转向(EPS)、电子燃油喷射 (EFI)、电子油门控制系统(E- GAS)、车载自动诊断系统(OBD)、电子点火系统(EIS)、电子制动力分配装置(EBD)、电子稳定程序(ESP)、驱动防滑控制系统(ASR)、轮胎气压监测系统(TPMS)、电子控制刹车辅助装置(EBA)、倒车雷达(PDC)、电子巡航控制系统(CCS)、卫星定位导航系统(GPS)、行驶记录仪 (TDR) 和车载移动数字电视(MDTV)等电子系统、装备正越来越多地应用到汽车上。

    电子技术的应用,在提升汽车动力性、经济性、舒适性、安全性,降低污染物排放水平等方面效果显著,但也带来了新的问题,即对外界的电磁骚扰随之增大;同时,这些效果的获得,前提条件是确保车载电子、电器设备汽车电磁铁能够正常工作。而现实情况是,车载电子、电器件由于存在电磁兼容性问题,电磁干扰水平往往超标,或受到电磁干扰后自身工作不正常,严重时甚至遭受损坏。

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            EMC试验

    长期以来,人们对汽车的噪声、振动、排放等方面存在问题的认识广泛而深入,投入了大量的人力、物力和财力进行研究,取得了较好的成效。但是,随着汽车面临的汽车电磁铁电磁环境的复杂性加剧,使得汽车的电磁兼容问题变得越来越突出和严重 。一方面,汽车日常使用受到外部的电磁干扰越来越多,如周围环境中的通讯设备、电力设备、无线电广播等;另一方面,汽车上安装的汽车电磁铁电子、电器设备也越来越多,车载电子、电器设备工作时,既会对其周围的其它车载电子、电器设备产生电磁干扰,自身也会受到周围其它车载电子、电器设备的电磁干扰的影响。国际上汽车产业发达的国家已把电磁兼容列为继排放、噪声之后的汽车第三大“污染”问题。

    二、汽车电磁兼容问题的典型表现

    任何汽车电磁铁电子、电器设备在运行时都会向周围传递电磁信号,其电磁信号可能对其它设备的正常工作产生干扰,同时设备本身也可能受到周围电磁环境的干扰。电磁干扰的典型特征是看不见、摸不着, “莫名其妙”, “来无影、去无踪”;只要有电磁干扰存在,就有故障出现;只要电磁干扰消失,故障就消失。

    电磁干扰可能是暂时的,影响很小。如车载 DVD经常出现死机现象或公路边电视机在汽车驶过时图像出现抖动。但是,干扰也可能是致命的,如汽车的安全气囊(SRS)、制动防抱死系统(ABS) 等在车辆行驶过程中受到电磁干扰很可能被误触发或失效,这就可能产生严重的交通事故。汽车典型的电磁兼容性问题表现如下:

    1、某轿车上装有灵敏的 ABS,下雨时,因启动刮水器产生的电磁干扰误触发了 ABS,导致后车追尾事故。

    2、某客车行驶在高速公路上,突遇降雨天气。在启动刮水器后,出现了电控气动门自动打开的故障。

    3、某柴油载货车行驶至某雷达站附近时,出现了自动熄火的故障,在拖离该路段后故障自动消失。

    4、进行某混合动力客车 ABS性能试验时,启动车辆但还未行驶时,测试仪器的轮速曲线就出现异常波动;但在测试传统内燃机客车 ABS 性能时,仪器的轮速曲线完全正常。

    前两种现象都是由刮水器电机产生的电磁干扰引起的,而且 ABS 和车门的电控泵的抗电磁干扰能力还有待增强。第三个例子是由于发动机电控单元(ECU)不能承受较强的外来电磁干扰信号所引起的。第四个例子一方面说明,该混合动力客车产生的电磁干扰非常严重;另一方面也说明该 ABS 性能测试设备的抗电磁干扰的能力还有待进一步加强。总之,汽车电气系统内部的各种瞬变电压,火花塞之间、喇叭触点、调节器触点、发电机和起动机电刷与换向器之间的火花放电,各种电路开关的电弧放电以及车轮与地面、车身与空气间摩擦产生的静电放电等都会产生电磁干扰,并直接影响到车内电子、电器产品或测试设备的正常工作。

    三、影响汽车电磁兼容性能的因素

    影响汽车电磁兼容性能的主要因素有电磁干扰源、电磁干扰传播途径和电磁敏感设备。汽车电磁铁电磁干扰源可分为车内电磁干扰源和车外电磁干扰源。由于车外电磁干扰源几乎不受汽车行业的约束,能采取的措施主要在于抑制车内电磁干扰源。

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            EMC试验

    1、车内电磁干扰源

    车内汽车电磁铁电磁干扰源主要是指产生电磁干扰信号的车载电器部件或系统,如火花塞、启动电机、发电机、刮水器、电喇叭、各种仪表等。目前汽车内部的电磁干扰源主要有:

    a、发动机点火系统。汽车点火系统产生的电磁干扰是车内干扰源的重要组成部分,点火系统工作期间会产生很强的电磁干扰信号。从电路原理来看,点火系统实际上是一个电感、电阻、电容、线圈组成的振荡电路。当初级电路被切断后,在初级电路所发生的是一种衰减振荡,初级线圈的最大电压一般为 300~500V。在次级线圈中所感应的次级电压最大值一般为 20 000~30 000 V,因此,点火时在点火线圈周围会产生强烈的电磁干扰。

    当次级电路开始击穿火花塞间隙时,存储于火花塞分布电容中的能量迅速释放,在几微秒时间内放电结束,但形成的电流则非常大,可达几十安培。这一阶段的放电特征是次级电路的电压和电流形成陡峭的脉冲放电形式。这个放电脉冲不但通过点火线圈与火花塞间的高压线向外部形成电磁辐射,而且会沿着导线对其它电子、电器传导干扰信号。同时,在火花塞被击穿放电时,火花将形成 0.15~1 000 Hz电磁波向周围辐射,对其它电子电器设备形成强烈的电磁辐射干扰。

    b、交流发电机。车载汽车电磁铁交流发电机产生的电磁干扰是感性负载干扰的重要组成部分。一方面,由于交流发电机采用炭刷与滑环将励磁电流引入转子线圈,在运转过程中,只要两者的接触状态稍有变化,就会产生电火花,形成电磁辐射干扰;另一方面,汽车电磁铁发电机负载和转速等变化会引起输出电压的变化,电压调节器则通过通断励磁绕组、调节励磁磁通来补偿其变动,这会在磁场线圈中引起频率、峰值不等的瞬变脉冲电压,如开关时间 2ms,对应 500 Hz 的频率,由傅里叶分析可知,其谐波频率将高达数千或上兆赫兹,产生射频干扰信号。

    另外,交流发电机在工作时突然卸载或在额定工作负载时突然与正在放电的蓄电池断开,会产生严重的瞬变电压。瞬变电压的幅值可达 75~150 V,衰减时间可持续 100~200 ms。这种瞬变过电压对汽车其它电子器件会产生相当大的冲击,导致设备工作异常或损坏。

    c、电动机。汽车上所用的电机数量越来越多,如起动机、风扇电机、刮水器电机、暖风电机、空调电机、喷水电机、车窗电机、油泵电机和电动座椅电机等都属于永磁直流电动机。电机在运转过程中难免产生电火花,会对其它的设备产生电磁干扰,如刮水器电机在换极(换相)时对电路产生较强的电磁干扰。虽然这些电动机一般都有封闭金属外壳的屏蔽罩,但由于缺乏针对性设计,不但发射辐射电磁干扰信号,而且通过电源线和搭铁线向外传导干扰信号。

    另外,电动机在工作切换或开关时会产生瞬变电压,大多以高幅值的负脉冲及随后的低幅值正向脉冲出现,最高峰值可达 300 V 左右,持续时间大约 300 ms。这种瞬变脉冲具有浪涌特性,具有丰富的谐波,可能干扰车载电子、电器控制模块的正常工作,导致电子器件的逻辑混乱或损坏敏感器件。

    d、电源系统。汽车电路系统由蓄电池和交流发电机作为核心电源,车体作为共用搭铁,各个电子、电器装置并联其上。传统汽车电源系统(12 V或 24 V)存在着非瞬变性过电压和瞬变性过电压两种过电压。由磁场回路或调节器故障产生的非瞬变性过电压峰值可达 75~130 V,很容易直接损坏车载电子、电器设备。因抛负载、磁场衰减或切换感性负载产生的持续时间短而幅值很高的瞬变过电压(100~150 V)虽然对传统车载电器影响较小,但可能致使一些敏感的车载电子装置(如电子调节器、电子点火装置及其它电子控制单元)出现故障或损坏。

    另外,因混合动力或纯电动汽车一般采用交流电机作为辅助动力或动力单元,蓄电池的直流电要经过逆变器转换为电机所需要的交流电,逆变后的交流电含有大量的谐波成分,并通过输入输出线向空间发射频谱范围较广(9 kHz~1 GHz)的强电场和磁场,会对车载电子电器件产生很严重的电磁干扰。

    e、静电放电干扰。静电是由两种不同物质相互摩擦,因物体表面间电子移动而产生的。车辆在行驶时,驾乘人员衣物与座椅间的摩擦,车轮与地面间的摩擦,车身与空气的摩擦等都可能产生静电,形成静电干扰源,引发静电放电现象。在静电放电过程中产生的放电电流将形成传导干扰,放电火花则形成辐射干扰。这种类型的干扰特点是高电压、短时间、小电流,但极可能使一些电子控制单元产生误动作,甚至造成永久性破坏。

    2、车外电磁干扰源

    汽车的高机动性决定了其可能会处于各种电磁场中,既有电磁环境良好的乡村地区,又有电磁场环境异常复杂的城市、机场及雷达站。车外电磁干扰源包括人为干扰源和自然干扰源两类。

    a、人为电磁干扰是指汽车外部人工装置产生的电磁干扰,主要有其它车辆点火系统的辐射干扰、电动车电源系统、高压电力系统、车外雷达、无线电发射机、移动通讯设备等发射的电磁波,以及高压输电线的电晕放电产生的电磁辐射干扰等。

    b、自然干扰是指由自然现象引起的电磁干扰,比较典型的有雷电、大气层的电场和电离层变化、太阳黑子的电磁辐射以及来自宇宙的射线等。大多数情况下,这种电磁干扰非常复杂,对汽车的干扰影响可以忽略。但由于雷电放电的电流高达几十千安,上升时间不到 1μs,释放出频谱极宽、强场极大的干扰信号,对车辆影响极大,甚至直接损毁车辆和伤亡人员。

    3、汽车电磁干扰传播途径

    汽车电磁铁车载电器产生的电磁干扰信号既可以通过汽车导线直接进入其它电子、电器设备内部,又可以通过等效天线(如点火系统高压线、设备中较长的线缆、芯片管脚)辐射到无线电设备内部。也就是说,汽车上的电磁干扰传播途径主要有沿着导线直接传导和通过空间辐射两种方式,即传导干扰和辐射干扰。

    a、传导干扰就是电磁干扰通过导线传输,即通过设备的信号线、控制线、电源线等直接侵入电子、电器内部。由于汽车和外界没有直接的电路连接关系,所以传导干扰基本上都是由车载电子电器部件引起的,且通常是因电动机、继电器以及其它感性负载的瞬态脉冲电压产生的,其瞬态脉冲电压可达 200 V,可能导致额定工作电压为 12 V或 24 V 的电子、电器件工作异常或被损坏。

    b、辐射干扰的实质是电磁干扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。汽车上的电磁场强既包括车载电子、电器辐射场强,又包括外界电磁辐射场强。电磁辐射干扰的传输路径非常复杂,既可以直接辐射到汽车电磁铁电子、电器上,又可以先辐射到线束上然后再以传导干扰的方式进入电子、电器。

    4、电磁敏感设备

    因遭受电磁干扰而可能偏离其正常工作状态的汽车电磁铁电子、电器装置就是电磁敏感设备。在汽车电控系统中,基于数字电路的控制系统已逐渐替代了早期由机电或模拟设备完成的许多功能。但由于半导体逻辑器件对电磁干扰的敏感度较高,加之汽车线束与某些高场强频段的波长可以比拟,使得大量车载电子、电器零部件同时也成为了电磁敏感设备 。

    如以弱电信号为控制依据的各种氧传感器、防爆震传感器、发动机 ECU、车身控制模块(BCM)、ABS轮速传感器、CAN总线等,常常是多个信号经过软件控制复用到同一个硬件总线。一个随机瞬态脉冲很可能就破坏了内部时钟晶振的时序、中断或打乱了正被传输的数据以及程序的执行状态等,导致相关部件收到错误信号,使系统的控制功能失效。车载电器低电压、大电流负载特性使其开关过程在供电线路上会产生很多脉冲干扰,进一步恶化汽车电气系统的电磁环境。

    尽管可以采取一些措施限制车内电磁干扰源产生的干扰噪声电平处于合理的范围内,减少车辆对环境的电磁污染,但车辆内部,特别是车辆外的电磁干扰是难以彻底消除的,无限制地加大干扰抑制措施会成倍地增加生产成本,在实际工程应用中是不可行的。这就要求敏感设备应具有一定的抵抗电磁干扰的能力,以保证其自身正常工作,达到车载设备相互共存、互不影响的状态。根据实现功能的重要程度,各个汽车厂商对车载零部件抗扰度性能等级要求各不相同。对车载 DVD、音视频系统,要求至少为 C级,对车身控制模块(BCM)、发动机 ECU、ABS、CAN 总线等则为最高级别 A 级的要求。一般而言,至少都是 C级或以上。

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            EMC试验

    四、 汽车电磁兼容性能的评价

    新车型开发时,其电磁兼容性能究竟怎样,能否满足相关标准法规的要求,需要进行评价。目前,国内外采用的最直接、最有效的评价方法就是根据相关标准进行测试评估。当然,还有仿真分析法等。

    1、国内现状

    由于我国汽车工业整体水平落后,对汽车电磁兼容性问题的认识总体不够。近年来,逐渐吸收了国外部分研究成果,颁布了一些汽车电磁兼容标准,但与 ISO、IEC等国际先进标准还有较大的差距 。目前国内涉及到汽车整车及零部件电磁兼容性能的标准有 GB14023、GB/T18387、GB18655、GB/T17619、GB/T19951、GB/T21437 共 6 个,均为全部或部分等同采用相关国际标准制定。主要对内燃机汽车的整车辐射骚扰,电动车辆的电磁场发射强度,车载电子、电器部件的传导和辐射骚扰,车辆电子电器部件的电磁抗扰度性能,整车及零部件抗静电放电干扰的性能,由传导和耦合引起的零部件电磁骚扰特性等方面的要求、测量和评价方法作出规定。

    我国汽车公告、3C等法规检测仅对上述前 3 项、前 1 项标准提出了要求,但从零部件配套、车辆出口认证以及切实完善汽车电磁兼容性能来看,国内汽车电磁兼容标准化工作还需进一步加强,应采纳更多国外先进标准。

    2、国外现状

    汽车发达国家和地区很早就开展了汽车电磁兼容问题的研究,现在已经取得了不少成果,并颁布了较完善的车辆电磁兼容标准法规,一些汽车制造厂商还制定了远高于国际标准的企业标准。目前国外涉及汽车整车及零部件的电磁兼容测试标准多达 29 个,主要有以下几类:国际标准,如 ISO系列(共 15 个抗扰度标准)、CISPR 系列(2 个骚扰标准) 等;地区标准,如欧洲的72/245/EEC 指令和 ECE R10 法规(涵盖 ISO、CISPR 所有标准)等;国家标准,如美国汽车工程学会 SAE 系列标准(共 29 个骚扰和抗扰度标准)等;汽车厂商的企业标准,如福特的 ES- XW7T- 1A278- AC,大众的 VW TL80101、VW TL 82066,现代的 Hyundai ES 39110- 00、HyundaiES96100- 01 等。

    这些标准法规对汽车整车及零部件的电磁辐射骚扰、传导骚扰、瞬态传导骚扰、辐射抗干扰、瞬态传导抗干扰、抗静电放电等的测试方法及限值都进行了详细的规定,既可以有效保证汽车的电磁兼容性能,又能使汽车的整体综合性能得到显著提高。

    五、总结

    由于电子技术在汽车上的广泛应用,各种汽车电磁铁车载电子、电器数量增长迅猛,造成车载用电设备密集程度越来越大。因此,汽车的电磁兼容性能已成为影响整车性能的重要因素,甚至将成为制约汽车技术继续发展的瓶颈之一。为解决此问题,汽车厂家应当建立起一套完善的车载电子、电器零部件的管理流程,在确定整车需要达到的 EMC指标情况下,建立起从整车 EMC 指标向车载电子、电器 EMC指标进行分解的技术体系,加强试验检测和仿真分析,以最终保证整车的电磁兼容性能,从而保障整车可靠的安全性、环保性、节能性和舒适性等综合性能。

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     EMC试验

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