现代汽车上电子装置大都是电力和电子系统(弱电和强电相互结合的系统),这些设备在工作的同时往往要产生一些电磁能量,从而产生互相之间的电磁干扰。电磁干扰往往造成设备的功能降低甚至丧失,严重时会造成设备元器件或软件不可恢复性的损坏。因此,在进行设备结构设计时应根据电磁兼容的原理,通过一系列的屏蔽方法避免设备由于电磁干扰而造成的元器件损坏或软件损坏和数据丢失,防止被干扰影响或破坏其他电子电器设备的正常工作。汽车电子电气系统中,存在着多种形式的电磁干扰源,电磁干扰通过传导和辐射对车载电子设备产生不同程度的干扰。发动机点火系统是汽车电子电气系统中电磁干扰最强的干扰源。曲轴传感器信号是汽车发动机转速判断的重要依据,过度的曲轴信号干扰将导致发动机控制单元计数失效,发动机非正常熄火。汽车内电磁干扰及其产生的影响是重大的,关系到汽车的安全可靠性。所以,分析研究发动机点火系统电磁干扰的形成机理,采取切实有效的措施抑制曲轴信号的干扰是尤为重要的。
曲轴信号的干扰主要来自发动机点火系统,点火系统的电磁干扰主要来源于高压点火线、火花塞和点火线圈等几个部件。当二次绕组达到火花塞间隙击穿电压时,火花塞间隙被击穿,储存于火花塞分布电容中的能量迅速释放,放电时间极短,仅数微秒,但形成的放电电流则非常大,可达几十安,这个过程称为电容放电过程。这一阶段的放电使二次电路的电压和电流形成陡峭的脉冲形式,这种宽带脉冲通过裸露的高压点火线对外辐射电磁波,造成周围环境的电磁干扰。随后,另一部分储存在二次绕组电感中的能量将维持放电,其特点是时间较长,为几毫秒,放电电流为几十毫安,这一过程称为电感放电,该电流使气缸内的燃料得到充分燃烧,以保证点火可靠。可见需要抑制的是第一阶段的电容放电电流,该电流为宽带脉冲电流,带宽在0.15~1000MHz范围,是30~300MHz甚至更高频无线电的主要干扰源。
由于火花塞高压放电引起的电磁干扰主要是通过高压点火线向外辐射的,因此高压点火线此时成为干扰源的发射天线。天线的辐射功率与天线的激励电流的平方成正比,也就是说高压点火线上的电流越大,对外辐射的功率也就越大,造成的电磁干扰越强。
目前抑制点火系统对曲轴信号电磁干扰的措施:
1)改变电磁干扰源(改变发动机点火方式)。
2)屏蔽点火系统对曲轴信号产生的干扰。
对于一个上市车型,如果采用第一种方法(主动降干扰),所需的变更周期和验证周期非常长,不能满足市场的需求。采用第二种方法(被动抑制干扰),改动相对比较简单,且验证周期短,满足短期的市场需求,因此常采用第二种方法。综合几种被动抑制干扰的方法,发现屏蔽线对抑制曲轴信号电磁干扰效果比较好。由于电驱动系统一般采用逆变技术进行控制,其输入线中电压和电流谐波非常丰富,而且蕴含能量较大,极易对其周围部件产生不良影响。因此为了抑制其线缆传输电流对外界的影响,一般需要在连接驱动电机和其控制器之间的线缆上加装屏蔽层,或者直接采用动力屏蔽电缆。
除此之外,CAN总线的电磁屏蔽也越来越受到重视。控制器局域网(CAN)总线是目前在汽车上应用最广泛的通信协议。CAN总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。由于双绞线比同轴电缆和光纤成本低,易实现,因此在汽车上得到广泛应用。但随着电力电子技术在汽车上的应用,使得车内的电磁环境越来越恶劣,传导干扰和辐射干扰对CAN总线正常通信产生很大的影响,甚至可能引发严重的交通事故。(www.daowen.com)
CAN数据总线系统由一系列的网络节点通过总线相互连接组成。当信号在传输线上传输时,因电磁场而对相邻的传输线产生的不期望的干扰电压或电流噪声即为串扰。串扰是由信号线之间的互感耦合或者互容耦合引起的,串扰按产生机理分为电感性耦合和电容性耦合。在汽车实际应用中,非关键设备的通信线缆应优先考虑使用非屏蔽双绞线,既具有一定的抗干扰能力,又可降低成本;对于关键设备的通信线缆应采用屏蔽双绞线,屏蔽层双端接地时要确保两端的接地阻抗相等,避免在屏蔽层-地回路中产生环流。在系统中为了保证CAN总线通信的可靠性,常使用的EMC措施有LC滤波器、瞬态抑制二极管、光隔离器等。
驱动电机是车用驱动系统最强的电磁骚扰源,将电机外壳形成一个良好的密封体实现屏蔽的完整性,防止电磁泄漏,再通过多点接地的方式将电机屏蔽外壳与整车可靠接地,可以有效降低电机的电磁辐射水平。从系统整体角度而言,通过屏蔽措施使驱动系统达到良好的电磁屏蔽效果也是解决系统EMC的有效手段之一。电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性,将机箱形成一个连续密封的导电体,使耦合到内部电路的电磁场被反射和吸收。在机箱的永久性接缝处采用焊接工艺密封,在机箱的非永久性接缝处加入实心导电橡胶条作为导电衬垫,从而有效保证了屏蔽的完整性。在动力线缆与信号线缆穿越机箱部分的屏蔽连续性设计也至关重要,可以采用带屏蔽的接头插座或在端接处使用动力线缆屏蔽压接装置,实现屏蔽层与机箱的360°端接,以及采用滤波连接器设计,可以有效地抑制辐射耦合。图8-23和图8-24为相关措施的示意图。
图8-23 屏蔽动力线缆插座
图8-24 导电衬垫
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