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汽车电磁兼容技术分析

摘要：伴随越来越多的高科技汽车电子产品的开发与应用，如何解决汽车电子设备的电磁兼容问题，提高汽车的可靠性和安全性，已经成为一个非常重要和迫切的研究课题。从车载干扰源和外部环境对汽车的电磁干扰两个方面分析汽车的电磁环境与电磁干扰的危害，简介汽车电磁兼容性标准，并提出防止电磁干扰的措施。
关键词：汽车；电磁兼容；电磁干扰；措施

汽车电子产品正朝着日益增多的趋势发展，电子技术在解决汽车的经济性、安全性、舒适性等方面起着非常重要的作用。越来越多的高科技汽车电子产品的开发与应用，带来了一个不容忽视的重要课题—— 电磁兼容性的研究。电磁兼容性是指电气装置或电气系统不产生干扰或不受环境干扰，工作在指定环境中的能力。汽车电子电器设备所产生的电磁波将对周围的环境带来电磁污染，同时，外界的无线电干扰也会给汽车上的高科技电子产品的正常工作带来不利影响。因此，伴随电子产品在汽车上的广泛应用，如何解决汽车电子设备的电磁兼容问题，提高汽车的可靠性和安全性，保证行驶的汽车不干扰周围设备的正常工作，已成为一个非常重要和迫切的研究课题。

1 汽车的电磁环境
    汽车的电磁环境是指汽车在行驶过程中，车上电子电气设备承受来自车内、车外各种各样的电磁干扰，以及汽车电子设备向外界辐射的电磁干扰。
1．1 车载干扰源
    车载干扰源是指车上各种电子电气系统产生的电磁干扰。j L年中的电子电器设备产生的电磁干扰是由于汽车上使用的电子产品中有许多导线、线圈和带有触点的电器，都具有不同的电容和电感，而任何一个具有电感和电容的闭合回路都会形成振荡回路。当电器设备工作产生火花时，就会产生高频振荡并以电磁波形式发射到空中，对汽车上及周围数百米范围内的收音机、电视机和其它无线电装置的正常工作，产生不同程度的干扰。汽车产生的干扰不但会影响外界的电子电器设备的正常工作，而且会影响自身电子电器设备的正常工作，因此，电子环境干扰会对电子产品的性能产生不利的影响，甚至会导致其功能丧失。
   汽车的无线电干扰源主要是发动机的点火系统，其干扰波来自点火系统次级电压的高频振荡。其次，在发电机负载电流突变和整流时也会产生电磁波。起动机、发电机、闪光器、触点式电磁振动电喇叭、雨刮器、仪表系统等也都会产生较小的传导干扰和辐射干扰的电磁波。
    汽车电器产生的干扰电磁波具有脉冲特性且频带较宽，其频率一般在0．15～1 000 MHz之间。汽车电器产生的干扰电磁波，分传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰电磁波，是通过汽车导线直接输入无线电设备和电子设备内部的，而辐射干扰电磁波则是在空间传播，通过天线(如点火系高压线就相当于天线)输入无线电设备内部。
1．2 外部环境对汽车的电磁干扰
    由自然现象、社会环境等引起的外部电磁干扰对汽车电子系统的影响也较为严重，外部电磁干扰是指人为的各种电器设备，如：高压输电线、电车轨道附近、广播电视设备及无线电通讯设备等所辐射出来的对汽车起干扰的电磁辐射及由雷电等自然现象引起的电磁干扰。研究表明，静电放电和雷电可能会产生很大的瞬变电压和场强，如图1和图2所示：

图1 静电放电的电压瞬变

图2 雷电的瞬变场强

有实验表明：在500 kV输电线下离地高2 i"13．的电磁干扰为60 Hz，至于在各种通讯设备附近的电磁干扰则更为突出，目前已引起有关方面的注意。所有这些电磁干扰会通过线束、车身或由空中传递过来，干扰汽车的传感器、ECU(电控单元)、执行器等电子器件，从而使它们的工作性能难以发挥，由此影响汽车行驶的安全性、可靠性及稳定性等等。
2 汽车电磁兼容性标准简介
    汽车电磁兼容性标准是汽车电磁兼容设计、仿真和测试的基础，它就整车和零部件的抗干扰水平、干扰限值、测试方法、测试环境等作了规定。汽车电磁兼容标准分为国际标准、国家标准和企业标准。国外对汽车的电磁兼容问题非常重视，很早就开始了电磁兼容性标准的制订工作，目前已经形成了较为完善的汽车电磁兼容性标准体系。国际上各大汽车公司都有自己的企业电磁兼容标准，如美国福特公司、通用公司，德国大众、宝马、梅塞德斯一奔驰公司，法国的标致一雪铁龙公司等，其企业标准比国际上通用的标准要严格很多。
    我国吸收了发达工业国家的经验，也已经制订了汽车电磁兼容性标准，明确规定了测量方法及最大干扰的允许值。但与发达国家相比，还有待进一步研究完善。国家标准GB18655—2002(用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值及测量方法》是汽车及其零部件的电磁兼容性技术标准之一，该标准于2002年2月22日批准发布，2003年3月1日开始实施，属于国家强制性标准，主要用于考察汽车及其零部件产生的各种电磁干扰对车内无线电接收机的干扰程度，并以干扰限值形式加以限制。该标准规定了0．15～1 000 MHz频率范围的无线电干扰限值和测量方法，适用于任何车辆和大型装置及其电子或电器零部件，其限值用于保护车载接收机免受同车内的零部件或电子模块产生的电磁干扰。
3 汽车防止电磁干扰的措施
    无论是汽车内部还是外部的电磁干扰对车用电子设备尤其是车用ECU(电控单元)影响都很大，这些电磁干扰会严重影响汽车电子设备的工作性能。众所周知，半导体元件对脉动电压非常敏感，当瞬变电压值超过其电压值时，半导体元件会被击穿而损坏，而脉冲信号一旦被ECU(电控单元)误认为输入信号便会使电子设备做出错误的判断，以至产生故障。因此，为了防止异常现象发生且允许汽车电子设备在这种环境下正常工作，要求在现代汽车上采用一些防干扰措施，以保证车用电子设备的正常工作。
    抗干扰的基本技术一是消除干扰源，二是防止干扰信号的串人。下面介绍几种提高汽车电子设备抗干扰性能和抑制其产生电磁干扰的基本技术。
1)电路设计模块化。在电路板设计中，根据电路在汽车上发挥的功能及位置的不同，将执行器电路、传感器电路、系统控制电路分开设计，形成不同的电路模块，使不同模块的电源、搭铁(金属车体)线分开，减少不应有的耦合，提高绝缘阻抗。为避免干扰，应先将电源(汽车在行驶过程中主要由发电机供电)传输到各个模块，而后分别进行整流、滤波、稳压、供电。模块中的数字搭铁与模拟搭铁分开，工作搭铁与安全搭铁一点连接。
2){1阻尼电阻。在点火装置的高压电路中，串入阻尼电阻，削弱火花产生的干扰电磁波。阻尼电阻值越大，抑制效果越好。但阻尼电阻太大，又会减少火花塞电极间的火花能量。阻尼电阻一般用碳质材料制成，电阻值约10-20 kll。阻尼电阻加在点火线圈端和火花塞接头端。
3){1并联电容器。在可能产生火花处并联电容器，如在调节器的“电池”接柱与“搭铁”之间和发电机“电枢”接柱与“搭铁”之间并联0．2～0．8 的电
容器；在水温表和机油压力表的传感器触点间并联0．1～0．2 的电容器；在闪光继电器和电喇叭的触点处并联0．5 F电容器等。
4)金属屏蔽。发电机、起动机、火花塞等电器设备产生的火花，都能产生电磁波。屏蔽是抑制电磁波干扰的有效方法。屏蔽电场或磁场时，可选用铜、铝、钢等导电率高的材料作屏蔽体。当屏蔽高频磁场时应选择导电率高的钢、铝等材料；屏蔽低频磁场时，选择导磁率高的磁钢、铍莫合金、铁等材料。为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用，还应注意屏蔽体的有效搭铁。汽车电器中的导线也用密织的金属网或金属导管套起来，并将其搭铁。这样就使这些电器因工作火花而发射的电磁波，在金属屏蔽内感应寄生电流，产生焦耳热而耗散，从而起到防干扰的作用。这种措施有较好的防干扰效果，但装置复杂，成本高，并且会增大高压电路的分布电容，影响点火性能。因此，一般只用在特殊需要的汽车上。
5)感抗型高压阻尼线。目前国内外多采用高压阻尼线，其线心是用牵0．1 rnlTl的镍铬钼丝绕成，相当于电感、电容及电阻三者的复合体，抑制效果比集中电阻的效果更好。
6)采用滤波器。滤波器主要抑制通过电路通路直接进入的干扰，它是应用最普遍的抗干扰方法。根据信号与干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。
7)采用平衡技术。平衡技术是一种消除串音干扰的有效措施。信号的往复两条线的电性tt(包括阻抗，分布电容等)相等时叫平衡。在汽车电路中，检测信号的输入、控制信号的输出，特别是在时序信号传输中，通常采用双绞线作为平衡线，双绞线的螺距要小，长度要尽量短。
8)提高信号幅值。即提高信噪比，是抗干扰的重要方法。对于微弱的传感器信号(如温度信号、光电信号等)，采用放大电路增大幅值，减小干扰的影响。同时，为避免提高幅值的信号成为干扰源，应采用平衡线传输。
4 结束语
   本文围绕着汽车电子设备的电磁兼容问题，从车载干扰源和外部环境对汽车的电磁干扰两个方面，分析了汽车的电磁环境与电磁干扰的危害，简介了汽车电磁兼容性标准，主要介绍了电路设计模块化、加阻尼电阻、加并联电容器、金属屏蔽、感抗型高压阻尼线、采用滤波器、采用平衡技术和提高信号幅值等防止电磁干扰的措施。本文的分析，对进一步研究汽车电子设备的电磁兼容问题有一定的参考价值，同时对今后进行汽车电子设备的电磁干扰检测研究奠定了一定的基础。