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汽车电器电磁干扰的分析与抑制

发布时间:2017-10-16      点击次数:1210

带电物体周围都存在电场,而周期变化的电场将会产生周期变化的磁场,也就存在电磁波,产生电磁辐射,如果这种辐射的量超过限定条件,就会对环境形成电磁污染.由于汽车电控技术的不断进步,今天的车辆与以往的大不相同,拥有众多接收电磁波的设备,比如、导航系统、遥控防盗系统及PC 产品等的广泛应用,导致汽车电磁干扰成为除汽车排放污染和噪声污染之外的第三大污染.汽车产生的电磁干扰不但会影响邻近的无线电接收质量,而且也对汽车内部的各种电子控制系统造成不良影响,使其不能持续的提供可靠服务.还有近年来油价的飞涨,混合动力汽车作为新能源汽车的趋势越来越被世界汽车大国所看重, 汽车电磁辐射对车辆内外环境及人体的影响也是一个应该关注的问题.

1、汽车电磁干扰现象

电磁干扰(EMI)是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音,EMI 通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生.由于汽车各控制单元通过CAN 总线汇集在车载电脑上;因此,各控制单元之间就会通过导线产生传导干扰,下面列举一些实际发生的现象.
现象1:当汽车通过电磁辐射大的区域时,会发现汽车上的仪表会莫名其妙的改变数据,而且收音机的使用受到很强的影响;

现象2:某种中轿车,本身具有高性能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3:国内生产的某一型号中型客车,在使用闪光灯时,乘客车门却莫名其妙的打开.从现象1 中可以知道当车辆驶过高强度的电磁场时, 会被强大辐射源包围, 辐射透过车体的孔隙穿入,干扰车载电器系统.这个主要是受到车辆外辐射的干扰.而现象2 和现象3 属于车内干扰,都是由于汽车各控制系统被各自所产生的电磁波干扰了各自正常工作,如果驾驶员在操作车辆时,车辆功能上的任何不当,都有可能会导致危险产生.汽车内干扰是如何产生的? 又应如何改善或减少这方面的干扰,保证汽车的行驶安全呢?

2、汽车电器电磁干扰产生机理

2.1汽车电器产生电磁干扰的来源

随着计算机信息处理技术的快速发展以及用户对汽车的燃油经济型、安全性和舒适性的更高要求,汽车上安装有大量的电气和电子器件,比如各个电控系统使用的伺服电机、各种电磁阀、电子传感器和电控单元(ECU)以及各种控制系统.车上主要的微机控制系统见表1.这些设备都是靠车载网络供电,而且各个系统的电线和电缆都是捆成一个线束,在如此狭小的空间工作,难免会互相干扰而导致工作失常.汽车产生电磁干扰的来源, zui主要的就数点火系统,以及电源充电系统等.这些控制系统大部分都要使用到电动机, 由于电机都是带有整流器的直流永磁电机, 运转过程中难免产生电火花, 从而引起较强的电磁波.

表1 车上主要的微机控制系统

2.2 汽车电器电磁干扰产生原因分析

汽车电器设备中有许多导线、线圈和元件,有着不同的电容和电感.产生电磁干扰有以下几方面原因:一是各个系统的导线常常是捆成一个线束, 反馈脉冲较易从一系统传入相邻系统的I /O 接口而干扰其部件正常工作;二是各种电器部件接通和断开时(如伺服电机),产生的干扰会以信号脉冲的形式传播(即电流和电压会改变),影响电控单元(ECU)接收的信号而导致误发出指令;三是任何一个具有电感和电容的闭合回路都会形成振荡回路,当汽车上的电器设备工作产生火花时就会产生高频振荡,以电磁波的形式发射到空气中形成电磁干扰.以点火系统为例:在传统点火系统中,电源供给的低压直流电,经断电器和点火线圈转变为高压电,再经配电器分送到各缸火花塞,在火花塞的电极间产生电火花,点燃可燃混合气体,使发动机工作.

在发动机工作期间,断电器触点每开、闭一次,则会使得初级线圈电路发生一种衰减振荡.

①当触点闭合,触点闭合一次则侧电流增长,初级线圈电流按指数规律增长并趋于极限值UB /R,初级电流波形如图1;

图1 初级电路波形

②触点打开后,初级电流Ip 迅速降到0,磁通也随之迅速减少,如图1 所示.此时,在初级绕组和次级绕组中都产生感应电动势,初级绕组匝数少,产生200 V~300 V 的自感电势,次级绕组由于匝数多,产生高达15 kV~20 kV 的互感电势U2, 次级电压波形如图2 所示.触点打开后,初级电路由L、R、C 组成振荡回路,产生衰减振荡.在次级绕组中的感应电动势也发生相应的变化;

图2 次级电压波

③火花塞被击穿放电: 电容放电, 为大电流;短时间电感放电,为小电流,且时间较长.次级电流波形如图3.在放电过程中伴随有高频振荡,这一高频振荡是汽车电磁干扰的主要原因.


图3 次级电流波形
3、汽车电器电磁干扰抑制

如何降低汽车内电磁干扰,首先应考虑干扰源,要根据不同干扰源的特点采取不同的抑制方式.如:点火系统干扰、电源供电系统干扰等;其次,考虑干扰的传播途径,这对采取有效地抑制措施非常重要.汽车所产生的电磁干扰按其传播方式可分为传导干扰和辐射干扰. 传导干扰是在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器,发生干扰现象;辐射传播则是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射.根据这些干扰源及传播途径改善电磁干扰,具体的抑制方法如下.

3.1汽车电器的电磁兼容性(EMC)

电磁兼容性(EMC)是指电器电子产品能在电磁环境中正常工作,并不对该环境中其它产品产生过量的电磁干扰;因此,EMC 包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性;因此,所有的电子系统和部件在开发项目计划和构思阶段中,首先就应考虑电磁兼容(EMC)对干扰预防和抑制的要求是否符合标准.

3.2用屏蔽遮掩

在设计的时候提早考虑到瞬间高压产生的磁场, 从而选择较好的高压线外皮也可以有效的降低及屏蔽干扰.对于汽车上容易产生火花的电器用金属罩、导线金属网或金属遮盖,并搭铁,使干扰的电磁波在金属罩内产生涡流,电磁波不能辐射出去,但这种措施的成本较高.

3.3加阻尼电阻或滤波器

在点火装置的高压电路中串入阻尼电阻,可有效减弱高频振荡.有实验证明,阻尼电阻的阻值越大,抑制效果越好.但阻值过大,则会影响火花塞电极的火花能量而影响点火,一般不超过20 kΩ.如果电器部件中使用的干扰抑制措施还不能应付特殊用途的要求(如急救车),还可以选用加装滤波器,减少电磁干扰.

3.4用电容器吸收火花

在产生火花处并联接入一个电容器,可以吸收火花,从而削减高频电磁波的发射,而且电容器成本不高,使用技术也较为成熟.

3.5优化布线

合理布线,合理规划线束,使大功率干扰电路应尽可能紧靠负载,小功率敏感电路紧靠信号源,尽量分开大功率电路和小功率电路,减小线束间感应干扰和辐射干扰.

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