汽車電磁兼容(EMC)問題的研究（一）

一、汽車電磁兼容的問題概述為滿足人們對汽車的**、環(huán)保、節(jié)能以及舒適等性能日益增高的要求，裝備電子、電器設(shè)備，應(yīng)用電子技術(shù)是*有效的手段 。

制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、車身控制模塊（BCM）、電子防盜系統(tǒng)（EATS）、電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）、電子燃油噴射 （EFI）、電子油門控制系統(tǒng)（E- GAS）、車載自動診斷系統(tǒng)（OBD）、電子點火系統(tǒng)（EIS）、電子制動力分配裝置（EBD）、電子穩(wěn)定程序（ESP）、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(ASR)、輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）、電子控制剎車輔助裝置（EBA）、倒車?yán)走_(dá)（PDC）、電子巡航控制系統(tǒng)（CCS）、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）、行駛記錄儀 （TDR） 和車載移動數(shù)字電視（MDTV）等電子系統(tǒng)、裝備正越來越多地應(yīng)用到汽車上。
電子技術(shù)的應(yīng)用，在提升汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、**性，降低污染物排放水平等方面效果顯著，但也帶來了新的問題，即對外界的電磁騷擾隨之增大；同時，這些效果的獲得，前提條件是確保車載電子、電器設(shè)備能夠正常工作。而現(xiàn)實情況是，車載電子、電器件由于存在電磁兼容性問題，電磁騷擾水平往往超標(biāo)，或受到電磁干擾后自身工作不正常，嚴(yán)重時甚至遭受損壞。
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EMC試驗
長期以來，人們對汽車的噪聲、振動、排放等方面存在問題的認(rèn)識廣泛而深入，投入了大量的人力、物力和財力進(jìn)行研究，取得了較好的成效。但是，隨著汽車面臨的電磁環(huán)境的復(fù)雜性加劇，使得汽車的電磁兼容問題變得越來越突出和嚴(yán)重 。一方面，汽車日常使用受到外部的電磁干擾越來越多，如周圍環(huán)境中的通訊設(shè)備、電力設(shè)備、無線電廣播等；另一方面，汽車上安裝的電子、電器設(shè)備也越來越多，車載電子、電器設(shè)備工作時，既會對其周圍的其它車載電子、電器設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，自身也會受到周圍其它車載電子、電器設(shè)備的電磁干擾的影響。國際上汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家已把電磁兼容列為繼排放、噪聲之后的汽車第三大“污染”問題。
二、汽車電磁兼容問題的典型表現(xiàn)
任何電子、電器設(shè)備在運行時都會向周圍傳遞電磁信號，其電磁信號可能對其它設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾，同時設(shè)備本身也可能受到周圍電磁環(huán)境的干擾。電磁干擾的典型特征是看不見、摸不著， “莫名其妙”， “來無影、去無蹤”；只要有電磁干擾存在，就有故障出現(xiàn)；只要電磁干擾消失，故障就消失。
電磁干擾可能是暫時的，影響很小。如車載 DVD經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象或公路邊電視機(jī)在汽車駛過時圖像出現(xiàn)抖動。但是，干擾也可能是致命的，如汽車的**氣囊（SRS）、制動防抱死系統(tǒng)（ABS） 等在車輛行駛過程中受到電磁干擾很可能被誤觸發(fā)或失效，這就可能產(chǎn)生嚴(yán)重的交通事故。汽車典型的電磁兼容性問題表現(xiàn)如下：1）某轎車上裝有靈敏的 ABS，下雨時，因啟動刮水器產(chǎn)生的電磁干擾誤觸發(fā)了 ABS，導(dǎo)致后車追尾事故。2）某客車行駛在高速公路上，突遇降雨天氣。在啟動刮水器后，出現(xiàn)了電控氣動門自動打開的故障。3）某柴油載貨車行駛至某雷達(dá)站附近時，出現(xiàn)了自動熄火的故障，在拖離該路段后故障自動消失。4）進(jìn)行某混合動力客車 ABS性能試驗時，啟動車輛但還未行駛時，測試儀器的輪速曲線就出現(xiàn)異常波動；但在測試傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)客車 ABS 性能時，儀器的輪速曲線完全正常。
前兩種現(xiàn)象都是由刮水器電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾引起的，而且 ABS 和車門的電控泵的抗電磁干擾能力還有待增強(qiáng)。第三個例子是由于發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）不能承受較強(qiáng)的外來電磁干擾信號所引起的。第四個例子一方面說明，該混合動力客車產(chǎn)生的電磁干擾非常嚴(yán)重；另一方面也說明該 ABS 性能測試設(shè)備的抗電磁干擾的能力還有待進(jìn)一步加強(qiáng)?？傊?，汽車電氣系統(tǒng)內(nèi)部的各種瞬變電壓，火花塞之間、喇叭觸點、調(diào)節(jié)器觸點、發(fā)電機(jī)和起動機(jī)電刷與換向器之間的火花放電，各種電路開關(guān)的電弧放電以及車輪與地面、車身與空氣間摩擦產(chǎn)生的靜電放電等都會產(chǎn)生電磁干擾，并直接影響到車內(nèi)電子、電器產(chǎn)品或測試設(shè)備的正常工作。三、影響汽車電磁兼容性能的因素影響汽車電磁兼容性能的主要因素有電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑和電磁敏感設(shè)備。汽車電磁干擾源可分為車內(nèi)電磁干擾源和車外電磁干擾源。由于車外電磁干擾源幾乎不受汽車行業(yè)的約束，能采取的措施主要在于抑制車內(nèi)電磁干擾源。
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EMC試驗
1、車內(nèi)電磁干擾源車內(nèi)電磁干擾源主要是指產(chǎn)生電磁干擾信號的車載電器部件或系統(tǒng)，如火花塞、啟動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、刮水器、電喇叭、各種儀表等。目前汽車內(nèi)部的電磁干擾源主要有：1）發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)。汽車點火系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾是車內(nèi)干擾源的重要組成部分，點火系統(tǒng)工作期間會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號。從電路原理來看，點火系統(tǒng)實際上是一個電感、電阻、電容、線圈組成的振蕩電路。當(dāng)初級電路被切斷后，在初級電路所發(fā)生的是一種衰減振蕩，初級線圈的*大電壓一般為 300～500V。在次級線圈中所感應(yīng)的次級電壓*大值一般為 20 000～30 000 V，因此，點火時在點火線圈周圍會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。
當(dāng)次級電路開始擊穿火花塞間隙時，存儲于火花塞分布電容中的能量迅速釋放，在幾微秒時間內(nèi)放電結(jié)束，但形成的電流則非常大，可達(dá)幾十安培。這一階段的放電特征是次級電路的電壓和電流形成陡峭的脈沖放電形式。這個放電脈沖不但通過點火線圈與火花塞間的高壓線向外部形成電磁輻射，而且會沿著導(dǎo)線對其它電子、電器傳導(dǎo)干擾信號。同時，在火花塞被擊穿放電時，火花將形成 0.15～1 000 Hz電磁波向周圍輻射，對其它電子電器設(shè)備形成強(qiáng)烈的電磁輻射干擾。2）交流發(fā)電機(jī)。車載交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾是感性負(fù)載干擾的重要組成部分。一方面，由于交流發(fā)電機(jī)采用炭刷與滑環(huán)將勵磁電流引入轉(zhuǎn)子線圈，在運轉(zhuǎn)過程中，只要兩者的接觸狀態(tài)稍有變化，就會產(chǎn)生電火花，形成電磁輻射干擾；另一方面，發(fā)電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速等變化會引起輸出電壓的變化，電壓調(diào)節(jié)器則通過通斷勵磁繞組、調(diào)節(jié)勵磁磁通來補(bǔ)償其變動，這會在磁場線圈中引起頻率、峰值不等的瞬變脈沖電壓，如開關(guān)時間 2ms，對應(yīng) 500 Hz 的頻率，由傅里葉分析可知，其諧波頻率將高達(dá)數(shù)千或上兆赫茲，產(chǎn)生射頻干擾信號。
另外，交流發(fā)電機(jī)在工作時突然卸載或在額定工作負(fù)載時突然與正在放電的蓄電池斷開，會產(chǎn)生嚴(yán)重的瞬變電壓。瞬變電壓的幅值可達(dá) 75～150 V，衰減時間可持續(xù) 100～200 ms。這種瞬變過電壓對汽車其它電子器件會產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊，導(dǎo)致設(shè)備工作異?；驌p壞。3）電動機(jī)。汽車上所用的電機(jī)數(shù)量越來越多，如起動機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、刮水器電機(jī)、暖風(fēng)電機(jī)、空調(diào)電機(jī)、噴水電機(jī)、車窗電機(jī)、油泵電機(jī)和電動座椅電機(jī)等都屬于永磁直流電動機(jī)。電機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中難免產(chǎn)生電火花，會對其它的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，如刮水器電機(jī)在換極（換相）時對電路產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。雖然這些電動機(jī)一般都有封閉金屬外殼的屏蔽罩，但由于缺乏針對性設(shè)計，不但發(fā)射輻射電磁干擾信號，而且通過電源線和搭鐵線向外傳導(dǎo)干擾信號。
另外，電動機(jī)在工作切換或開關(guān)時會產(chǎn)生瞬變電壓，大多以高幅值的負(fù)脈沖及隨后的低幅值正向脈沖出現(xiàn)，*高峰值可達(dá) 300 V 左右，持續(xù)時間大約 300 ms。這種瞬變脈沖具有浪涌特性，具有豐富的諧波，可能干擾車載電子、電器控制模塊的正常工作，導(dǎo)致電子器件的邏輯混亂或損壞敏感器件。4）電源系統(tǒng)。汽車電路系統(tǒng)由蓄電池和交流發(fā)電機(jī)作為核心電源，車體作為共用搭鐵，各個電子、電器裝置并聯(lián)其上。傳統(tǒng)汽車電源系統(tǒng)（12 V或 24 V）存在著非瞬變性過電壓和瞬變性過電壓兩種過電壓。由磁場回路或調(diào)節(jié)器故障產(chǎn)生的非瞬變性過電壓峰值可達(dá) 75～130 V，很容易直接損壞車載電子、電器設(shè)備。因拋負(fù)載、磁場衰減或切換感性負(fù)載產(chǎn)生的持續(xù)時間短而幅值很高的瞬變過電壓（100～150 V）雖然對傳統(tǒng)車載電器影響較小，但可能致使一些敏感的車載電子裝置（如電子調(diào)節(jié)器、電子點火裝置及其它電子控制單元）出現(xiàn)故障或損壞。
另外，因混合動力或純電動汽車一般采用交流電機(jī)作為輔助動力或動力單元，蓄電池的直流電要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需要的交流電，逆變后的交流電含有大量的諧波成分，并通過輸入輸出線向空間發(fā)射頻譜范圍較廣（9 kHz～1 GHz）的強(qiáng)電場和磁場，會對車載電子電器件產(chǎn)生很嚴(yán)重的電磁干擾。5）靜電放電干擾。靜電是由兩種不同物質(zhì)相互摩擦，因物體表面間電子移動而產(chǎn)生的。車輛在行駛時，駕乘人員衣物與座椅間的摩擦，車輪與地面間的摩擦，車身與空氣的摩擦等都可能產(chǎn)生靜電，形成靜電干擾源，引發(fā)靜電放電現(xiàn)象。在靜電放電過程中產(chǎn)生的放電電流將形成傳導(dǎo)干擾，放電火花則形成輻射干擾。這種類型的干擾特點是高電壓、短時間、小電流，但極可能使一些電子控制單元產(chǎn)生誤動作，甚至造成長久性破壞。
2、車外電磁干擾源汽車的高機(jī)動性決定了其可能會處于各種電磁場中，既有電磁環(huán)境良好的鄉(xiāng)村地區(qū)，又有電磁場環(huán)境異常復(fù)雜的城市、機(jī)場及雷達(dá)站。車外電磁干擾源包括人為干擾源和自然干擾源兩類。1）人為電磁干擾是指汽車外部人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾，主要有其它車輛點火系統(tǒng)的輻射干擾、電動車電源系統(tǒng)、高壓電力系統(tǒng)、車外雷達(dá)、無線電發(fā)射機(jī)、移動通訊設(shè)備等發(fā)射的電磁波，以及高壓輸電線的電暈放電產(chǎn)生的電磁輻射干擾等。2）自然干擾是指由自然現(xiàn)象引起的電磁干擾，比較典型的有雷電、大氣層的電場和電離層變化、太陽黑子的電磁輻射以及來自宇宙的射線等。大多數(shù)情況下，這種電磁干擾非常復(fù)雜，對汽車的干擾影響可以忽略。但由于雷電放電的電流高達(dá)幾十千安，上升時間不到 1μs，釋放出頻譜極寬、強(qiáng)場極大的干擾信號，對車輛影響極大，甚至直接損毀車輛和傷亡人員。

3、汽車電磁干擾傳播途徑車載電器產(chǎn)生的電磁干擾信號既可以通過汽車導(dǎo)線直接進(jìn)入其它電子、電器設(shè)備內(nèi)部，又可以通過等效天線（如點火系統(tǒng)高壓線、設(shè)備中較長的線纜、芯片管腳）輻射到無線電設(shè)備內(nèi)部。也就是說，汽車上的電磁干擾傳播途徑主要有沿著導(dǎo)線直接傳導(dǎo)和通過空間輻射兩種方式，即傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。1）傳導(dǎo)干擾就是電磁干擾通過導(dǎo)線傳輸，即通過設(shè)備的信號線、控制線、電源線等直接侵入電子、電器內(nèi)部。由于汽車和外界沒有直接的電路連接關(guān)系，所以傳導(dǎo)干擾基本上都是由車載電子電器部件引起的，且通常是因電動機(jī)、繼電器以及其它感性負(fù)載的瞬態(tài)脈沖電壓產(chǎn)生的，其瞬態(tài)脈沖電壓可達(dá) 200 V，可能導(dǎo)致額定工作電壓為 12 V或 24 V 的電子、電器件工作異?；虮粨p壞。2）輻射干擾的實質(zhì)是電磁干擾源的電磁能量以場的形式向四周空間傳播。汽車上的電磁場強(qiáng)既包括車載電子、電器輻射場強(qiáng)，又包括外界電磁輻射場強(qiáng)。電磁輻射干擾的傳輸路徑非常復(fù)雜，既可以直接輻射到電子、電器上，又可以先輻射到線束上然后再以傳導(dǎo)干擾的方式進(jìn)入電子、電器。