浅析汽车线束系统的电磁兼容性设计

2018-03-29黄玉华马驰宇

汽车电器 2018年3期

黄玉华，冯超，苟斌，马驰宇，周冰，黄浩

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉 430058）

1 汽车线束系统电磁兼容性设计的必要性

汽车线束系统将车载用电设备进行物理连接，实现端到端的电能传输。传输的电能，按用途可分为信号类电能和驱动类电能，前者对外界的干扰比较敏感，属于线束系统的抗扰性问题；后者伴随驱动的开始和结束往往会有电流的波动，容易产生沿导线的传导干扰及对周围空间的电磁辐射干扰，属于线束系统的骚扰性问题。此外，汽车线束系统为便于生产、装配，往往将两类导线集成在一起，这还容易产生相邻导线间的串扰等电磁兼容性问题。

随着汽车智能化程度的不断提升，各种信号在线束中的传输速度越来越快，比如车载多媒体网络，数据传输速度为250kbit/s～100Mbit/s，假如采用以太网，其数据传输速度更是可高达10Gbit/s，这将使数据导线更易对外辐射电磁能量，从而造成对临近信号线的串扰；如附近空间有敏感设备，还易造成对敏感设备的骚扰。

近年来智能网联汽车发展迅猛，汽车作为一个移动终端，不但要实现自身内部各节点间的无线通信，还要实现与其余车辆、行人、路边设备间的短距离无线通信，更要通过卫星、微波通信等实现远距离的与互联网间的无线通信，以实现导航、定位、商务、娱乐等服务功能，这使得汽车将暴露在一个十分复杂的电磁场环境之中。而车上的线束系统，具有收发天线的性质，对某些频段的无线电波容易被接收、感应并在线束中传输，极可能对敏感的用电设备造成潜在干扰。

许多事实表明，电子电器系统的电磁不兼容，较轻的后果是敏感设备产生不期望的意外动作，严重的后果将会造成设备系统损坏甚至人员伤亡。有资料表明，1982年英国的HMS驱逐舰谢菲尔德号在马岛争夺战中被阿根廷的飞鱼导弹击沉、1988年的美国黑鹰直升机UH-60的坠落、某车型在经过ETC收费站时气囊意外点爆等事件，都是其相关系统对环境电磁波不兼容造成的。

由上可见，对汽车电气系统的电磁兼容性设计方法进行研究，尤其是对相对用电设备而言当前系统性设计方法还比较欠缺的线束系统的电磁兼容性设计方法进行研究，显得十分必要。未来随着车辆智能化、网联化及自动驾驶程度的不断提高，其重要性必将越来越凸显。本文从目前汽车线束系统面临的电磁兼容性问题出发，对其解决方法作浅显分析。

2 汽车线束系统面临的电磁兼容性问题

汽车线束面临的电磁兼容性问题，可分为3类：①线束总成内部的串扰；②线束总成对外部敏感设备的辐射骚扰；③线束总成接受外部电磁场的干扰，并将干扰通过传导或辐射耦合到本车用电设备。具体如图1所示。

图1 汽车线束系统面临的电磁兼容性问题简图

图1正中的线条表示汽车线束系统，它连接了用电设备1和用电设备2，其间的耦合标记就表达了线束总成内部的串扰问题；图1上部表达了路边设备、本车无线通信设备及别的车辆的车载通信设备与本车线束系统间的双向辐射骚扰的可能性问题。图1下方的耦合标志表达了线束系统受到外部电磁场激励后，通过辐射的方式将干扰耦合到本车敏感设备，水平箭头表达了线束系统受到外部电磁场激励后，通过传导的方式将干扰耦合到与之相连的用电设备。

3 解决方案

由图1可知，汽车线束面临的电磁环境十分复杂，要对其兼容性进行全面分析也比较困难，在目前阶段，各用电设备的辐射骚扰及传导骚扰限值都有严格的标准规定。目前，影响用电器正常工作的电磁兼容性问题产生的根源，有相当部分都是由线束内部的串扰引起的，据此，本文重点就线束系统串扰问题产生的机理及预防进行简要论述。

3.1 线束内部串扰问题解决方案

3.1.1 问题来源

所谓串扰，就是相互靠近的导线或者PCB上的连接盘之间无意的电磁耦合，它必须发生在3个或更多个传输导体之间，其电磁发射源和接收器都在同一系统内。本文讨论对象为前者，即线束内部导线间的无意电磁耦合。其串扰模型可简化为图2所示［1］。

由图2可见，当线束中某一导线在时变电压源（这个时变电压源可以是控制器的时钟晶振，也可以是发动机喷油器的驱动电源）的作用下工作时，在其临近的其余导线上就会耦合出相应的电流、电压。如果被耦合的接收线是敏感的信号线，就有可能影响相应系统的正常工作。

分析串扰的目的，就是在给定的传输线横截面积的大小及终端参数的条件下确定或预测近端和远端电压。其中近端和远端是以接收线邻近包含激励源VS（t）的发射电路一端的传输线的终端为参考。研究表明，线束内部的串扰，主要由两种耦合机理（电感耦合和电容耦合）产生的，其根源就在于多传输线工作时存在的自电感、互电感和互电容。汽车线束产生串扰的等效电路如图3所示［1］。

图3 汽车线束产生串扰的等效电路（长度元Δz内）

从图3可以看出，汽车线束间的串扰问题，是由传输导线自身的分布电感、电容及互感、互容造成的，是客观存在的物理现象。电磁学告诉我们，电感产生磁场，对临近导线进行干扰；电容产生电场，对临近导线产生干扰。研究表明，当传输线的长度相对于发射导体激励频率是电短传输，即图2中的Lλ=v/f时，串扰主要由发射导体和接收导体间的互电感、互电容产生。基于此，解决汽车线束内部串扰问题就归根于如何消除或抑制由互电感Lm、互电容Cm产生的不利影响。

当两导线充分隔离（两导线间的距离大于5倍的导线半径）时，导线间的临近效应可以忽略，则两导线单位长度上的互电感Lm、互电容Cm可由公式（1）、（2）确定［1］

式中：s——两线间的距离；rw——导线的半径。

从公式（1）、公式（2）可见，导线间单位长度上的互电感Lm、互电容Cm与其导线半径rw、两线间的距离s是密切相关的。在线束设计过程中，rw可在导线截面积选择时得到精确控制，但对于s，因线束制造特点决定，不可能精确控制，要想从控制导线单位长度上的互电感、互电容来控制线束间的串扰问题，可行性不大，故只能寻求别的解决办法来减少互电容及互电感产生的串扰问题，

3.1.2 串扰问题解决

3.1.2.1 互电感问题解决

变化的电场将产生磁场，变化的磁场也将产生电场。其作用原理如图4所示。

其中电磁关系遵从电磁感应定律，如公式（3）所示

图4 电磁感应原理图

从公式（3）可见，处于时变磁场中的封闭线圈产生的电流大小，与其围成的面积成正比，为降低Vemf，在磁感应强度B不变的情况下，可通过减小面积S来达成，也可通过减小磁场变化率来达成。

汽车线束系统对信号进行传输有3种方式［1］：利用参考线作回路的单线传输，如图5a所示；利用导线对进行的双线传输，如图5b所示；利用双绞线进行传输，如图5c所示。其中图5a与图2相同。

图5 汽车信号传输的3种方式

从图5可见，就回路面积而言，单线传输的回路面积最大，在同等条件下感应的电动势Vemf最大，如要在该条件下减小感应面积，接收线必须很接近参考导体才行，对汽车而言就是车身系统或车架系统的金属导体；直线对传输次之，信号的输出和返回线往往集成在同一线束内，感应面积较小；双绞线传输回路感应面积最小，其信号的输出和返回线按一定的绞距紧密缠在一起，而且其相邻环间产生的感应电动势还可相互抵消，所以其抗磁场串扰能力最强。车内一些重要的信号线，如CAN总线信号传输，就采用了双绞的传输方式，能有效抑制线束内磁场引发的串扰问题。

2）减小磁感应强度B的变化率

由公式（3）可知，减小磁场随时间的变化率，也可降低感应电动势Vemf。感应磁场主要由发射导线中的时变电流产生，其和感应磁场的关系遵守安培环路定律，数学表达如公式（4）所示

式中：H——在环路C中产生的磁场强度；i（t）——时变电流。

由公式（4）可知，减小时变电流i（t）随时间的变化率，就可减小磁场强度H随时间的变化率。磁感应强度B和磁场强度H由物质的本构关系决定了其关系遵循公式（5），具体如下

式中：μ——介质的导磁率。

由上式可知，降低时变电流i（t）随时间的变化率，可降低磁感应强度B的时变率，从而可降低接收导线的感应电动势Vemf。

采集上述病死羊典型病变脏器组织，粉碎后制成触片，选择使用革兰氏染色剂，对其进行全面染色处理，镜检未发现被阴性或阳性染色的致病菌。将病料接种到常规培养基及血液培养基上，37 ℃恒温培养24 h，在上述2种培养基上，均没有出现致病菌生长。结合最终的实验室诊断结果确诊为羊消化道线虫感染引起的消化道线虫病。

当然要降低电流i（t）随时间的变化率，从汽车线束设计的角度，是做不到的，但当识别出该类问题时，可和相关的控制器开发人员进行沟通：在确保发射导体上的信号满足使用要求的前提下，尽量降低变化频率（如其控制电路的时钟频率），或者控制时变电流的上升沿和下降沿时间，使其尽可能长，从而减小发射导线中电流高频分量的对外辐射。

3.1.2.2 互电容问题解决

由于线束系统将多条导线集成在一起，势必在导线间存在分布电容。由公式（2）可知，欲减小互电容，要么增加导线间距s，要么减小导线半径rw，而这2个参数，都是由线束本身的生产、装配工艺及载流能力要求而决定的，不易改变，故从降低导线单位长度互电容方面出发解决电容耦合的可行性不大。

我们知道，电容耦合的实质，就是两导体分布有不同极性的电荷，在高频作用下会通过两导体间的绝缘介质以位移电流的方式到达另一导体而形成耦合。如果以某种方式短路掉位移电流，使其不能到达敏感的接收导线，就可有效解决互容耦合产生的串扰问题。在实际的线束设计过程中，屏蔽线的采用，就是这一方法的成功应用，其结构如图6所示［1］。

图6a表示采用屏蔽线作为接收导线的纵向结构图，其中两处“搭铁与否标识”采用开关的形式表示屏蔽线“不搭铁”、“一端搭铁” 、“两端搭铁”的几种物理接线方式；图6b表示用屏蔽线作为接收导线的横向结构图，rWG、rWR、rsh分别表示发射导线、接收导线、屏蔽层的半径，s表示发射导线与接收导线间的距离，εr表示屏蔽层与接收导线间介质的相对介电常数，hG、hR分别表示发射导线、接收导线距参考线的距离；图6c表示用屏蔽线作为接收导线的电容关系，CG、Cs、CR分别表示发射导线、屏蔽层、接收导线与参考导线间的自电容，CGR、CGs、CRs分别表示发射导线与接收导线、发射导线与屏蔽层、接收导线与屏蔽层间的互电容。从图6中可以看出，由于屏蔽层对电力线的阻断作用，使发射导线的电场不能到达接收导线，二者间互电容CGR为0，同样道理，接收导体自身产生电场的电力线也终止于屏蔽层，不能到达参考导线，故其自电容CR为0。

图6 采用屏蔽线作为接收线以降低串扰的图示

从图6c似乎可以得出结论：只要引入屏蔽层，接收导线就不会受到发射导线的电容耦合了。其实不然，这还要看屏蔽层的搭铁情况。图7是屏蔽接收导线容性耦合的集总参数等效电路图［1］。

图7 屏蔽接收导线容性耦合的集总参数等效电路

从图7中可以看出，如果屏蔽层不搭铁，发射线上的时变电压VG可通过CGs和CRs耦合到接收导线的远端和近端，造成串扰。只有将屏蔽层搭铁，使V屏蔽为0，才能将发射导体通过CGs耦合的电压短路，不至造成对接收导线的串扰。

要达到屏蔽层搭铁的目的，对电短传输线，将屏蔽层任意一点搭铁即可，随着传输线长度的增加，屏蔽层必须多点搭铁，搭铁点之间沿屏蔽层相隔约λ/10才可使屏蔽层电压近似为0［1］。

上述结论对线束系统设计具有很好的指导意义，因为在实际工作中容易忽视屏蔽层搭铁的重要性。研究表明，如果屏蔽层搭铁设计得恰当，如两端都搭铁，不但能够降低线束导线间的电容性耦合，而且也能减小电感性耦合。图8为屏蔽层两端搭铁消除感性耦合的原理图［1］。

图8 屏蔽层两端搭铁消除感性耦合的原理图

从图8可见，发射导线IG产生的磁场，在屏蔽层感应出了IS。IS产生的磁场，会抵消部分IG产生的磁场，从而减小其对接收导线的磁场耦合（电感耦合）。屏蔽层搭铁情况对电感耦合的影响如图9所示［1］。

图9 屏蔽层搭铁对屏蔽线感性耦合的影响

从图9可见，屏蔽层如不是两端搭铁，对感应耦合的影响和非屏蔽线一样，随频率的增加，接收线两端的感应电压会持续增加；如屏蔽层两端搭铁，则当频率超过屏蔽线的拐点频率fsh时，感性耦合将维持不变。屏蔽层拐点频率由公式（6）确定。

式中：Rsh——屏蔽层总电阻；Lsh——屏蔽层总的自电感。

基于上述基本的原理分析，可以了解当今发展迅速的车用数据线的相关结构，从中可以得出相同的结论：为了减少线束间因分布电感和分布电容产生的串扰，以USB线和LVDS线为代表的高速数据通信电缆都采用了屏蔽和双绞结合的方式，一方面既可确保自身传递的低压、高速数字信号免受相邻线束的干扰，又可确保自身产生的电磁干扰被可靠地屏蔽在自身电缆内部，不对其他系统产生骚扰。其典型结构如图10所示。

图10 高速数据线典型结构

3.1.3 线束间串扰问题解决的实际案例

在某车型的开发过程中，出现了红外夜视图像和360°全景图像受到干扰的情况，具体表现为在请求上述2种功能时，显示屏出现水波纹，受扰情况严重。经过问题排查，确定是夜视摄像头和360°全景摄像头信号线受到线间串扰所致。根据前面的分析可知，解决串扰问题可采用双绞线，也可采用屏蔽线，但这是在串扰类型十分确定的情况下采用的单一防范措施，其优点是成本低。本案例限于当时的测试、分析工具，在确定为串扰所致、但又不明确具体为感性耦合还是容性耦合的情况下，对2种摄像头的信号线采用了屏蔽双绞线，并且对屏蔽层两端搭铁，对2种串扰模式都进行了有效抑制，成功地解决了图像显示的水波纹问题。

3.2 线束总成对外部敏感设备的辐射骚扰防范

线束总成中通过电流时，在其周围会产生感应磁场。假定电流沿导线表面均匀分布，则其大小如图11所示［1］。

图11 载流导体周围的磁场

从图11可见，导线中通过垂直穿入纸面的电流I时（图中用“+”表示），将在其周围空间产生磁场H，其大小正比于电流强度I，反比于空间点到导线中心的距离r 。图11中rw表示导线半径，图11也表明在导线外表面，产生的磁场强度最大。

在普通的低压电线束设计过程中，因电流较小，产生的磁场强度也较小，加之其随距离衰减很快，通常情况下也没有考虑其对周边设备的辐射影响。但对于电流强度较大的正负极电缆，就不得不考虑其磁场的不利影响了。

某车型在开发试验中就发现，发动机起动过程中仪表的制动液面过低，报警指示灯点亮，经分析发现：原来是起动过程中负极电缆通过了几百安培的电流，其产生的磁场使依靠磁性作用的液位报警传感器的笛簧开关产生了不期望的闭合，造成仪表报警灯点亮。经过系统性优化相关策略，成功地解决了这一问题。可见在低压线束的设计过程中，对大电流导线产生的磁场辐射，不能不防，尤其是一些磁敏器件或带磁敏器件的传感器、控制器等，如检测位置的笛簧开关、霍尔传感器等。

对高压线束而言，对其辐射防范的重要性更是不言而喻。考虑不周还容易造成整车骚扰指标不能达标。图12为某电动车高压线束在采取辐射防范措施前后的辐射骚扰强度测试对比。

图12 某车型高压线束辐射骚扰测试对比

图12 中上部折线为法规要求限值，从图12a可见，未采取防范措施前在0.1MHz附近的低频段出现了多个超标尖峰点；图12b是采取了屏蔽措施的测试结果，原来低频超标点得到了很好的控制。在实际的高压线束设计过程中，对其屏蔽有多种方式：可根据屏蔽效率及整车布置情况，选用屏蔽高压电缆、非屏蔽高压电缆外套金属管、非屏蔽电缆外套屏蔽网等技术措施。要使这些措施真正有效，还必须使屏蔽链封闭、且搭铁良好，这对高压线束连接器的选择、高压线束的生产、高压线束的整车装配，都提出了较高的要求。

3.3 线束总成接收外部电磁场的干扰、并将干扰通过传导或辐射耦合到本车用电设备的防范

上述风险确实存在，好在当前车身系统大部分材质还是金属材料，线束系统往往都布置在车身金属结构内部，车身对线束系统进行了较好的屏蔽。当前一般的民用车辆对该项风险还不敏感。随着智能汽车、智能道路、车载移动互联网的发展，这方面的潜在风险今后必须要进行考虑。同时，随着汽车电磁兼容性仿真分析技术的成熟应用，线束系统的天线效应分析一定会越来越高效、准确，这为提高线束系统的电磁兼容性水平提供了帮助。