为知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哀求,装备电子、电器设备,运用电子技能是最有效的手段 。制动防抱去世系统(ABS)、车身掌握模块(BCM)、电子防盗系统(EATS)、电动助力转向(EPS)、电子燃油喷射 (EFI)、电子油门掌握系统(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)、驱动防滑掌握系统(ASR)、轮胎气压监测系统(TPMS)、电子掌握刹车赞助装置(EBA)、倒车雷达(PDC)、电子巡航掌握系统(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、装备正越来越多地运用到汽车上。
电子技能的运用,在提升汽车动力性、经济性、舒适性、安全性,降落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,这些效果的得到,条件条件是确保车载电子、电器设备能够正常事情。而现实情形是,车载电子、电器件由于存在电磁兼容性问题,电磁骚扰水平每每超标,或受到电磁滋扰后自身事情不正常,严重时乃至遭受破坏。
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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,随着汽车面临的电磁环境的繁芜性加剧,使得汽车的电磁兼容问题变得越来越突出和严重 。一方面,汽车日常利用受到外部的电磁滋扰越来越多,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,汽车上安装的电子、电器设备也越来越多,车载电子、电器设备事情时,既会对其周围的其它车载电子、电器设备产生电磁滋扰,自身也会受到周围其它车载电子、电器设备的电磁滋扰的影响。国际上汽车家当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范例表现
任何电子、电器设备在运行时都会向周围通报电磁旗子暗记,其电磁旗子暗记可能对其它设备的正常事情产生滋扰,同时设备本身也可能受到周围电磁环境的滋扰。电磁滋扰的范例特色是看不见、摸不着, “莫名其妙”, “来无影、去无踪”;只要有电磁滋扰存在,就有故障涌现;只要电磁滋扰消逝,故障就消逝。
电磁滋扰可能是暂时的,影响很小。如车载 DVD常常涌现去世机征象或公路边电视机在汽车驶过期图像涌现抖动。但是,滋扰也可能是致命的,如汽车的安全气囊(SRS)、制动防抱去世系统(ABS) 等在车辆行驶过程中受到电磁滋扰很可能被误触发或失落效,这就可能产生严重的交通事件。汽车范例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滋扰误触发了 ABS,导致后车追尾事件。
2)某客车行驶在高速公路上,突遇降雨景象。在启动刮水器后,涌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,涌现了自动熄火的故障,在拖离该路段后故障自动消逝。
4)进行某稠浊动力客车 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涌现非常颠簸;但在测试传统内燃机客车 ABS 性能时,仪器的轮速曲线完备正常。
前两种征象都是由刮水器电机产生的电磁滋扰引起的,而且 ABS 和车门的电控泵的抗电磁滋扰能力还有待增强。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滋扰旗子暗记所引起的。第四个例子一方面解释,该稠浊动力客车产生的电磁滋扰非常严重;另一方面也解释该 ABS 性能测试设备的抗电磁滋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滋扰,并直接影响到车内电子、电器产品或测试设备的正常事情。
三、影响汽车电磁兼容性能的成分
影响汽车电磁兼容性能的紧张成分有电磁滋扰源、电磁滋扰传播路子和电磁敏感设备。汽车电磁滋扰源可分为车内电磁滋扰源和车外电磁滋扰源。由于车外电磁滋扰源险些不受汽车行业的约束,能采纳的方法紧张在于抑制车内电磁滋扰源。
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1、车内电磁滋扰源
车内电磁滋扰源紧张是指产生电磁滋扰旗子暗记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滋扰源紧张有:
1)发动机点火系统。汽车点火系统产生的电磁滋扰是车内滋扰源的主要组成部分,点火系统事情期间会产生很强的电磁滋扰旗子暗记。从电路事理来看,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。当低级电路被割断后,在低级电路所发生的是一种衰减振荡,低级线圈的最大电压一样平常为 300~500V。在次级线圈中所感应的次级电压最大值一样平常为 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滋扰。
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开释,在几微秒韶光内放电结束,但形成的电流则非常大,可达几十安培。这一阶段的放电特色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、电器传导滋扰旗子暗记。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滋扰。
2)互换发电机。车载互换发电机产生的电磁滋扰是感性负载滋扰的主要组成部分。一方面,由于互换发电机采取炭刷与滑环将励磁电流引入转子线圈,在运转过程中,只要两者的打仗状态稍有变革,就会产生电火花,形成电磁辐射滋扰;另一方面,发电机负载和转速等变革会引起输出电压的变革,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,如开关韶光 2ms,对应 500 Hz 的频率,由傅里叶剖析可知,其谐波频率将高达数千或上兆赫兹,产生射频滋扰旗子暗记。
其余,互换发电机在事情时溘然卸载或在额定事情负载时溘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,衰减韶光可持续 100~200 ms。这种瞬变过电压对汽车其它电子器件会产生相称大的冲击,导致设备事情非常或破坏。
3)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滋扰,如刮水器电机在换极(换相)时对电路产生较强的电磁滋扰。虽然这些电动机一样平常都有封闭金属外壳的屏蔽罩,但由于缺少针对性设计,不但发射辐射电磁滋扰旗子暗记,而且通过电源线和搭铁线向外传导滋扰旗子暗记。
其余,电动机在事情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涌现,最高峰值可达 300 V 旁边,持续韶光大约 300 ms。这种瞬变脉冲具有浪涌特性,具有丰富的谐波,可能滋扰车载电子、电器掌握模块的正常事情,导致电子器件的逻辑混乱或破坏敏感器件。
4)电源系统。汽车电路系统由蓄电池和互换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,很随意马虎直接破坏车载电子、电器设备。因抛负载、磁场衰减或切换感性负载产生的持续韶光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掌握单元)涌现故障或破坏。
其余,因稠浊动力或纯电动汽车一样平常采取互换电机作为赞助动力或动力单元,蓄电池的直流电要经由逆变器转换为电机所须要的互换电,逆变后的互换电含有大量的谐波身分,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滋扰。
5)静电放电滋扰。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,驾乘职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,形成静电滋扰源,引发静电放电征象。在静电放电过程中产生的放电电流将形成传导滋扰,放电火花则形成辐射滋扰。这种类型的滋扰特点是高电压、短韶光、小电流,但极可能使一些电子掌握单元产生误动作,乃至造成永久性毁坏。
2、车外电磁滋扰源
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村落庄地区,又有电磁场环境非常繁芜的城市、机场及雷达站。车外电磁滋扰源包括人为滋扰源和自然滋扰源两类。
1)人为电磁滋扰是指汽车外部人工装置产生的电磁滋扰,紧张有其它车辆点火系统的辐射滋扰、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滋扰等。
2)自然滋扰是指由自然征象引起的电磁滋扰,比较范例的有雷电、大气层的电场和电离层变革、太阳黑子的电磁辐射以及来自宇宙的射线等。大多数情形下,这种电磁滋扰非常繁芜,对汽车的滋扰影响可以忽略。但由于雷电放电的电流高达几十千安,上升韶光不到 1μs,开释出频谱极宽、强场极大的滋扰旗子暗记,对车辆影响极大,乃至直接损毁车辆和伤亡职员。
3、汽车电磁滋扰传播路子
车载电器产生的电磁滋扰旗子暗记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。也便是说,汽车上的电磁滋扰传播路子紧张有沿着导线直接传导和通过空间辐射两种办法,即传导滋扰和辐射滋扰。
1)传导滋扰便是电磁滋扰通过导线传输,即通过设备的旗子暗记线、掌握线、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,以是传导滋扰基本上都是由车载电子电器部件引起的,且常日是因电动机、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,可能导致额定事情电压为 12 V或 24 V 的电子、电器件事情非常或被破坏。
2)辐射滋扰的本色是电磁滋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。电磁辐射滋扰的传输路径非常繁芜,既可以直接辐射到电子、电器上,又可以先辐射到线束上然后再以传导滋扰的办法进入电子、电器。
4、电磁敏感设备
因遭受电磁滋扰而可能偏离其正常事情状态的电子、电器装置便是电磁敏感设备。在汽车电控系统中,基于数字电路的掌握系统已逐渐替代了早期由机电或仿照设备完成的许多功能。但由于半导体逻辑器件对电磁滋扰的敏感度较高,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 。
如以弱电旗子暗记为掌握依据的各种氧传感器、防爆震传感器、发动机 ECU、车身掌握模块(BCM)、ABS轮速传感器、CAN总线等,常常是多个旗子暗记经由软件掌握复用到同一个硬件总线。一个随机瞬态脉冲很可能就毁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实行状态等,导致干系部件收到缺点旗子暗记,使系统的掌握功能失落效。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滋扰,进一步恶化汽车电气系统的电磁环境。
只管可以采纳一些方法限定车内电磁滋扰源产生的滋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,特殊是车辆外的电磁滋扰是难以彻底肃清的,无限制地加大滋扰抑制方法会成倍地增加生产本钱,在实际工程运用中是不可行的。这就哀求敏感设备应具有一定的抵抗电磁滋扰的能力,以担保其自身正常事情,达到车载设备相互共存、互不影响的状态。根据实现功能的主要程度,各个汽车厂商对车载零部件抗扰度性能等级哀求各不相同。对车载 DVD、音视频系统,哀求至少为 C级,对车身掌握模块(BCM)、发动机 ECU、ABS、CAN 总线等则为最高级别 A 级的哀求。一样平常而言,至少都是 C级或以上。
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四、 汽车电磁兼容性能的评价
新车型开拓时,其电磁兼容性能究竟若何,能否知足干系标准法规的哀求,须要进行评价。目前,国内外采取的最直接、最有效的评价方法便是根据干系标准进行测试评估。当然,还有仿真剖析法等。
1、海内现状
由于我国汽车工业整体水平掉队,对汽车电磁兼容性问题的认识总体不足。近年来,逐渐接管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等国际前辈标准还有较大的差距 。目前海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取干系国际标准制订。紧张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滋扰的性能,由传导和耦合引起的零部件电磁骚扰特性等方面的哀求、丈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 项标准提出了哀求,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,海内汽车电磁兼容标准化事情还需进一步加强,应采纳更多国外前辈标准。
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订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,紧张有以下几类: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,当代的 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、辐射抗滋扰、瞬态传导抗滋扰、抗静电放电等的测试方法及限值都进行了详细的规定,既可以有效担保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
由于电子技能在汽车上的广泛运用,各种车载电子、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主要成分,乃至将成为制约汽车技能连续发展的瓶颈之一。为办理此问题,汽车厂家应该建立起一套完善的车载电子、电器零部件的管理流程,在确定整车须要达到的 EMC指标情形下,建立起从整车 EMC 指标向车载电子、电器 EMC指标进行分解的技能体系,加强试验检测和仿真剖析,以终极担保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。