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汽车与公路设备 |
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谈汽车内电磁骚扰及其影响 |
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作者：中国汽车技术研究中心 徐立 |
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1 概述
自第一台汽油发动机驱动的汽车投入市场运行之后，人们发现，汽油发动机高压点火系统产生的强电磁波，干扰其周围的无线电广播和无线电通信业务的正常运行，并且对电磁环境造成污染。因而人们将此污染列入到汽车造成的三大污染源之一。自此，国际无线电组织开始对这种高能量脉冲形式的骚扰源进行研究并提出了测量方法和限制要求。目前，这种电磁污染的控制要求已被列入到世界各国的技术法规中。经过多年的技术规范，市场上运行的汽车基本实现了点火脉冲电磁噪声的有效控制。
但是，随着汽车技术的不断进步和发展，汽车电子电器设备的大量应用，汽车电磁骚扰的特点及其产生的影响也有了巨大的变化。汽车产生电磁骚扰的源，不单纯是点火系统，大量应用于车辆上的各种电子电器设备也同样产生电磁骚扰。
车辆产生的电磁骚扰不但对车辆外界的无线电设备造成影响，而且也会对车辆内部的各种电子部件造成不良影响。早期人们普遍关心的是车辆电磁骚扰对电磁环境的重大影响，随着有效的治理，这种影响已经得到了控制。近些年，汽车出现了许多由于车辆内部电磁骚扰对车辆的正常运行及安全性和可靠性等产生重大影响的现象，引起了人们特别关注。目前，人们开始研究车辆内部电磁骚扰的产生和影响及其控制技术。
2 汽车内电磁骚扰现象
汽车产生电磁骚扰的源有：高压点火系统；各种感性负载（如，电机类电器部件）；各种开关类部件（如，闪光继电器）；各种电子控制单元ECU；甚至各种灯具，无线电设备等。这些部件产生的骚扰会在汽车内部造成相互影响。下面列举一些实际发生的现象。
现象1，某种中高档次轿车，由国外某著名汽车企业集团公司设计，在中国境内生产，具有高性能ABS系统。样车在一次实况测试中遇到了雨天，启动雨刮器，在某一车速运行时，ABS 突然失去了作用。
现象2，国内生产的某一型号微型汽车，其发电机调节器经常出现易被击穿损坏现象。经查，当雨刮器工作时，这种损坏现象就容易发生。
分析上述两个实例，造成这种现象的主要原因是雨刮器。雨刮器驱动电机作为感性负载，在切断电源时会产生反向电流并通过电源线传输到供电系统中，从而在电源系统中产生干扰脉冲，一些电子部件在这种干扰脉冲条件下，不能正常工作，甚至导致损坏。
现象3，一种国内开发生产的安全气囊，在汽车整车装配线上突然引爆。经对安全气囊的电子引爆控制器进行试验检查，发现其不能承受较强的环境辐射电磁场，当有静电放电发生时，会有误动作。
3 汽车内电磁骚扰的特点
车辆内部的电磁骚扰特点不同于车辆对外部的骚扰。车内电磁骚扰可以通过各种连接线缆传播，也会以耦合方式、空间辐射发射的方式进行传播。典型的形式有：沿电源线传导骚扰；人体静电放电对电子部件的骚扰；骚扰能量通过空间辐射等。下面就一些典型骚扰源的特点进行分析。
（1）发动机点火系统产生沿电源线传导的骚扰
R0—线路阻抗 K—开关 B—点火线圈
图1 点火系统电原理框图
发动机点火系统的电路框图如图1。传感器获取点火信号Va，由驱动电路在点火线圈初级产生一通断的脉冲电流Ib，线圈次级产生高压脉冲使火花塞放电，点燃发动机燃油混合气作功。当线圈初级回路通断变化过程时，初级绕组会产生瞬变电压，次级绕组产生高电压使火花塞放电，残余能量形成高频电磁波辐射到空间中。初级回路中的瞬变电压则沿电源线传到电源系统中，干扰电源系统，产生一波动电压ΔV。
如图2。一般情况下，实验测量得到ΔV 为2～4V。
图2 点火系统各部位信号时序图
汽车中应用的各种电子控制单元，要求有一个稳定的电源电压供电，才能正常工作。当供电系统中出现电压波动（如，ΔV），会对电子模块的正常工作产生影响。
（2）感性负载产生沿电源线传导的骚扰
汽车内使用的各种类型的电机都属于感性负载。如：雨刮器驱动电机，汽车启动电机，暖风电机等。这类负载特性电路如图3。当感性负载的供电被突然切断时，会产生反向瞬变电压Vc，如图4。线圈初始储能越大，关断速度越快，瞬变过电压就越高。实测结果，一般Va 为－100～－300V，ts 为0.2～0.5s。
R0—线路阻抗 K—开关 L—感性负载 RL—感性负载内阻
图3 感性负载特性电路图
图4 感性负载瞬变电压
这种类型的骚扰虽然不具有连续性，但是它的瞬变电压的幅值相当大，偶尔的出现会对电子模块造成严重影响，甚至损坏。前文中介绍的发电机调节器击穿损坏就是因这种反向瞬变电压造成的严重后果。
（3）静电放电对车内电子部件的骚扰
人体会产生静电，尤其在我国的北方地区，冬天气候干燥，人体容易产生静电。人体静电遇到一些导体就会释放出来。有直接放电，人们感觉不到。当静电储存到一定程度后，会通过空气放电，甚至会有火花产生，人们就会有强烈的放电感觉。人们在使用汽车时，这种静电放电现象是不可避免地会产生。
静电的放电过程，既可能是正放电过程，也可能是负放电过程，其放电特性如图5。放电电压U 最高达15～25kV；放电时间ts，接触放电：0.7～1ns，空气放电：0.7～5ns；放电电流很小，nA 级。
图5 静电放电特性
这种类型的骚扰特点是：高电压；短时间；微小电流。其骚扰影响程度是巨大的，会使一些电子控制单元产生误动作，严重的会损坏电子单元。如前文描述的安全气囊的电子引爆控制器的误动作。
（4）部件或线缆间的相互耦合骚扰
汽车中的各种线缆经常将他们捆绑成一束沿汽车内侧布置，电源线中的瞬变骚扰会耦合到信号线或控制线中，形成差摸信号，会对车内ECU 等电子模块产生影响。这一点常被人们所忽视。
（5）辐射骚扰
骚扰能量的电磁波辐射形式，人们比较熟悉。人们关注的频率范围是150kHz～1000MHz。其它频段的骚扰也是存在的，人们正在进行研究。
4 电磁骚扰的抑制
电磁骚扰的抑制措施的选用，首先考虑骚扰源，要根据不同的骚扰源的特点采取不同的抑制方式。如：点火系统的骚扰；电源供电系统的骚扰；电感性负载或开关性负载引起的骚扰等。其次，考虑骚扰的传播途径，这对采取有效地抑制措施非常重要。骚扰途径可以是：通过供电系统的电缆；通过天线或各种导线；通过耦合；通过空间直接辐射电磁波等方式。
此外，骚扰抑制应充分考虑抑制成本。一般的处理方式，限制骚扰源产生的骚扰噪声达到规定的合理范围内；同时被骚扰体应具有一定的抵抗骚扰的能力，以达到相互共存、互不影响的状态。无限制地加大骚扰抑制会成倍地增加抑制成本，这在实际应用中是非常不可取的做法。
汽车电子电器部件的骚扰抑制方式，一般规定若干等级限值，不同部件根据其特点和使用方式的不同，选择一种合理的等级限值，以降低抑制成本。
对来自车内供电系统的骚扰，一种简单而有效的方法是利用蓄电池作为一个极低阻抗、大容量的瞬变电压抑制器，吸收各种瞬变电压产生的骚扰能量。最好的方式是保证蓄电池电缆接线良好。若负极搭铁，应保证搭铁电阻值最小。见图1 和图3，应尽可能保证线路阻抗R0 达最小值，甚至为零。
对于线缆间耦合引起的骚扰，一种节省成本的方法是在车内布线时充分考虑合理而有效地布置线缆。最好的方式为将ECU 控制线或信号线与电源线分开布置，以减小因耦合而引起的骚扰信号侵入。此外，采用屏蔽电缆的方式，也是避免外界电磁骚扰侵入控制线和信号线的好方法。
对于电感性负载引起的骚扰，抑制方式可以采用并联一个适当数值的电容器，以消除反向过电压。总体讲，骚扰抑制措施的方式有很多种，但归纳整理为：屏蔽、滤波、接地、阻尼。
5 结束语
总之，汽车内电磁骚扰及其产生的影响是重大的，关系到汽车安全可靠性。人们应该意识到现代电子化汽车中出现的许多新问题，在相当程度上与电磁骚扰的影响有关。(end)
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(5/8/2005) |
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