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汽车内电子设备的电磁干扰与预防

来源:安规与电磁兼容网 作者:佚名2017年03月02日 11:29
[导读] 汽车产生电磁干扰的源,不单纯是点火系统,应用于车辆上的各种电子电器设备也同样产生电磁干扰。干扰不但对车辆外界的无线电设备造成影响,而且也会对车辆内部的各种电子部件造成不良影响。
关键词:电磁干扰

汽车产生电磁干扰的源,不单纯是点火系统,应用于车辆上的各种电子电器设备也同样产生电磁干扰。干扰不但对车辆外界的无线电设备造成影响,而且也会对车辆内部的各种电子部件造成不良影响。

1.汽车内电磁干扰现象

汽车产生的电磁干扰会在汽车内部造成相互影响,举例如下:例1,某种中高档轿车,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。例2,国内生产的某一型号微型汽车,其发电机调节器经常出现易被击穿损坏现象,经查,当雨刮器工作时,这种损坏现 象就容易发生。造成这种现象的主要原因为雨刮器驱动电机是感性负载,在切断电源时会产生反向电流并通过电源线传输到供电系统中,从而在电源系统中产生干扰 脉冲,使一些电子部件不能正常工作,甚至损坏。例3,一种国内开发生产的安全气囊,在汽车整车装配线上突然引爆。经查发现该安全气囊的电子引爆控制器不能 承受较强的环境辐射电磁场,当有静电放电发生时,会有误动作。

2.汽车电子设备的EMI危害及特点

工业发展不仅给人们生存环境带来一些凭感官就可识别的有形污染,诸如水、空气及噪声污染。然而,伴随电子技术的发展尤其是数字电路、移动通信和开关电源的普及应用,又多了一种凭感官无法感觉到的无形污染,这就是电磁干扰(EMI),或叫电磁噪声。

电子设备辐射、泄漏的电磁波不仅对电子设备本身造成严重干扰,而且也威胁着人类的健康与安全。

现代汽车上的各个电器工作方式不同,它们之间会以不同的方式彼此侵扰。通常所有汽车电器具有相容性,即能在车上共同工作而不干扰其他电器的正常工作,同时也有抵抗其他电器干扰的能力。

对汽车电子设备的电路来说,任何因素激发出的电路中的振荡,都会通过导线等以电磁波的形式发射出去,不仅干扰收音机、通信设备,而且对车上具有高频响应特 点的电子系统也会产生电磁干扰。同时由车外收发两用机之类的无线电设备、雷达、广播电台等发射无线电波,会干扰汽车上的仪器,使电子控制装置失控。因此, 汽车上应用计算机(控制器)等,都应具有良好的电磁屏蔽措施,一旦屏蔽损坏,也会导致工作异常。

车内电磁干扰传播方式特点:

(1)感性负载产生沿电源线传导的干扰。汽车内使用的各种感性负载,如:雨刮器驱动电机、汽车启动电机、暖风电机等。当供电被突然切断时,会产生反向瞬变 电压U c,线圈初始储能越大,关断速度越快,瞬变过电压就越高。一般U c为一100~300V;t s为0.2~0.5s。这类于扰虽然不具有连续性,但是它的瞬变电压的幅值相当大,会对电子模块造成严重影响,甚至损坏。发电机调节器击穿损坏就是因这种 反向瞬变电压造成的严重后果。

(2)静电放电对车内电子部件的干扰。遇到导体就会释放出来。当静电储存到一定程度后,会通过空气放电,甚至会有火花产生,人们就会有强烈的放电感觉在使 用汽车时,这种静电放电现象不可避免地会产生静电放电的干扰特点是:高电压、短时间、微小电流。其干扰影响程度是巨大的,会使一些电子控制单元产生误动 作,严重的会损坏电子单元。

(3)部件或线缆间的相互耦合干扰。汽车中经常将各种线缆捆绑成一束沿汽车内侧布置,电源线中的瞬变干扰会祸合到信号线或控制线中,形成差模信号,会对车内ECU等电子模块产生影响。

(4)辐射干扰。干扰能量的电磁波辐射形式,频率范围是150kHz~1000MHz。 汽车电子设备的EMI干扰源有:①点火系统,其十扰在接收机音频中表现为有韵律的爆声或滴答声,且音调直接与引擎速度有关,当引擎负载增大时干扰幅度也增 大。通常解决点火噪声的方法是安装电阻火花塞和线。目前,大多数汽车都标配电阻火花塞和线。通常更换新的火花塞和线将有助于减小噪声,因为很多噪声都源于 点火系统元件故障。②充电系统,包括交流发电机,由固态稳压器控制。由于交流电在交流发电机中仅被整流,未被滤波,输出存在纹波。充电系统噪声通过汽车布 线传到设备,影响接收机和发射机的音频部分。该噪声可以从接收机音频或者发射信号中的呜呜声来辨别,更准确的方法是将充电系统暂时断开。充电系统噪声的音 调、强度与引擎速度和充电系统负载有关。当开灯时充电系统负载增大,可以发现呜呜声更大。这时应检查交流发电机与电池的连线是否腐蚀或者接触不良,及固态 稳压器是否良好如都正常,则用0.47μF和0.01μF电容并联,接到输出与地线间进行滤波。

由于汽车使用了多个不同的电动机,这些电动机有可能产生EMI,很难从干扰声中判断出是哪个的问题。一般表现为劈啪声,也有类似于充电系统的呜呜声。电动机干扰的诊断要借助于专门的仪器。干扰不仅可以传导,而且还可能辐射,所以,要在干扰源附近就近滤波处理。

汽车中使用的微处理器(单片机)需要由时钟驱动。时钟产生电路是一个振荡电路,由于振荡波形为方波,其谐频丰富,可以延展到很高的频率,所以接收机很可能 被等频率间隔的干扰信号所影响,或者可以在整个波段听到宽带的数字噪声。可以使用接收机调到干扰频率,去探测是哪块控制板出现了问题,然后采取增加屏蔽罩 或将屏蔽罩妥善接地的方法减轻干扰,另外,在导线上套上磁环也有助于减轻干扰。汽车的电子设备会影响无线电设备,发射设备也会影响到汽车的电子设备。需确 保电源线、天线馈线与汽车的布线和电子系统越远越好。正确安装天线,最好在车顶上或车的后部。尽量使大线系统的驻波比(SWR)最低。检查天线馈线屏蔽是 否良好,屏蔽网是否足够密。

3.无线电干扰的分类及成因

无线电干扰指在射频(9kHz~3000GHz)频段内,无线电干扰按干扰源的性质分为自然于扰(来自自然现象,是无法控制的)和人为干扰(来源于机器或其他人下装置,是可控制的)。人为干扰又可区分为无线电设备干扰和非无线电设备干扰两类。

非无线电设备干扰包括工业、科研、医疗等电器设备干扰,电力线干扰等无线电设备干扰主要有:

(1)同频干扰。凡由其他信号源发送出来,与有一用信号的频率相同并以同样的方法进入收信机中频通带的干扰,都称为同频干扰。当两个信号出现载频差时,会 造成差拍干扰;当两个信号的调制度不大或存在相位差时也会引起失真干扰。干扰信号越大,接收机的输出信噪比越小。当干扰信号足够大些,可造成接收机的阻塞 干。扰这种干扰,大都是由于同频复用距离太小造成的。

(2)令频干扰。凡是在收信机射频通带内或通带附近的信号,经变频后落入中频通带内所造成的干扰,称为邻频干扰。这种干扰会使收信机信噪比下降,灵敏度降低;强干扰信号可使收信机出现阻塞干扰。这种干扰,大部分是由于无线电设备的技术指标不符合国家标准造成的。

(3)带外干扰。发信机的杂散辐射和接收机的杂散响应产生的干扰,称为带外干扰。

①发信机的杂散辐射干扰。在VHF和UHF的低频段,移动通信设备尤其是基站的发信机大都采用晶体振荡器以获得较高的频率稳定度。这种干扰通常是由于倍频次数多、倍频器输出回路的选择性差、倍频器之间的屏蔽隔离不良等因素使发信机的杂散辐射值过大造成的。

②收信机的杂散响应。接收机不仅接收有用信号,还接收无用信号。对无用信号的“响应”能力,通常称为杂散响应,通常是由于发信机的杂散辐射造成的与收信机本身的本振频率纯度输入回路和高放回路选择性有着直接的关系。

4.减小汽车对无线电干扰的措施

汽车对无线电接收机的干扰,以点火系统最为严重,于扰的半径可达几百米。 电磁干扰的抑制要根据不同的干扰源的特点采取不同的抑制方式。其次,考虑干扰的传播途径干扰的途径是:通过供电系统的电缆、天线或各种导线,通过耦合、空 间直接辐射电磁波等方式。干扰抑制应考虑成本。一般的处理方式为限制干扰源产生的干扰噪声达到规定的合理范围内;同时被干扰体应具有一定的抵抗干扰的能 力,以达到相互共存、互不影响的状态。

对来自车内供电系统的干扰,一种简单而有效的方法是利用蓄电池作为一个极低阻抗、大容量的瞬变电压抑制器,吸收各种瞬变电压产生的干扰能量。蓄电池电缆接 线应良好,若负极搭铁,确保搭铁电阻值最小。应尽可能保证线路电阻R0达最小值,甚至为零。对于线缆间耦合引起的干扰,最好的方式为将ECU控制线或信号 线与电源线分开布置,以减小因耦合而引起的干扰信号侵入。此外,采用屏蔽电缆的方式,也是避免外界电磁干扰侵入控制线和信号线的好方法。对于电感性负载引 起的干扰,抑制方式可以采用并联一个适当数值的电容器,以消除反向过电压。

产生干扰的原因在于电气设备系统的导线、线圈及其他部分的自感和电容形成振荡回路,当以火花形式放电时,产生高频振荡,借高压电线(或导线)向空中发射电磁波,切割接收机的天线,引起干扰。现代汽车上采用如下方法防止这种干扰:

(1)加装减扰电阻。在形成高频振荡的电路中,例如在分电器至点火线圈和分电器至火花塞之间的高压电路中,串连6000~15000Ω的减扰电阻,因振荡回路的阻力足够大,可使其不发生振荡放电现象,不再发生电磁波而干扰无线电阻尼电阻的结构见。

阻尼电阻的结构

(2)加装减扰电容器。在所有可能产生火花放电的接触点间,并联一容量为0.5~0.1μF的电容器,用以吸收火花,避免高频振荡电磁波的反射,不致发生振荡放电现象。

(3)加装金属屏蔽。将所有容易发射电磁波的电器及导体,用金属网或屏蔽罩包起来。这样当电磁波或高频电磁振荡遇到金属屏壁后,电磁感应在金属屏壁内产生 涡流,使电磁波消耗于涡流的热效应中,不能向外发射,从而可以避免对无线电波的干扰。但是,要很好地避免干扰,必须遮掩完全,防止漏隙,并使各接头与车架 接触良好。另外,将发动机体用铜丝编带与驾驶室金属部分可靠地连接,也可作为金属屏蔽,为了防止干扰,上述方法也可合并采用。装有高灵敏度无线电设备时的 防干扰装置见,装有收音机的汽车防于扰系统见。

装有高灵敏度无线电 设备时的防干扰装置装有收音机的汽车防干扰系统

5.电磁干扰引起的汽车故障实例

在汽车电控系统中,传感器产生的低于1V的弱电信号很容易受到电磁干扰,成为错误信号,所以加装了屏蔽线来防止电磁干扰。一但屏蔽线损坏,ECU就会收到被干扰的信号而失去正常控制,且自诊断系统的报警灯闪烁。

例1 一辆雪佛来轿车,在氧传感器附近自行加装了一个高音喇叭,电源线取自点火开关不久,发现发动机报警灯不时出现报警现象,提取故障码为13(氧传感器),测 量氧传感器的输出电压,其值在0.1~0.3V间不停变化,说明氧传感器正常,但当按喇叭时,氧传感器输出信号就发生混乱,发动机的运转也瞬时失常。将喇 叭拆除后,故障排除。原来这是人为制造干扰源的典型事例。汽车电器元件的安装位置和线路布置有一定设计要求,随意加装报警及防盗等装置,会引发电控系统工 作异常。

例2 一辆丰田皇冠3.01轿车,已行驶12万km,大修发动机后,只运转了几分钟故障报警灯就报警,读取的故障码为55(即防爆燃传感器故障),消码后再启动 发动机,故障依旧。测量防爆燃传感器的工作电压,为0.5V以下的正常脉动电压,说明防爆燃传感器工作正常,顺着线路进行检测时,发现屏蔽线断路,将屏蔽 线接好,消码后重新启动发动机,故障排除。

电磁干扰造成的控制系统故障,主要发生在发动机运行过程中,一旦发动机停山运行,故障现象自行消失。当故障自诊断系统报警后,如果检取故障码,由于ECU 的记忆功能,可顺利实现。如果控制系统的故障确实系电磁干扰所致,静态测量元件的电压信号,会发现传感器、线路、ECU等均正常。

例3 一辆丰田佳美轿车,行驶数万km,ABS故障自诊断系统报警,检取故障码为31(前右轮速传感器)、32(前左轮速传感器)、33(后石轮速传感器)、 34(后左轮速传感器),考虑到4个轮速传感器及相关线路同时损坏的可能性较小,因整车的其他控制系统工作正常,ECU发生故障的可能性也较小,最后将故 障原因重点定位于电磁干扰。经查找,是轮速传感器的屏蔽线破坏严重。修复后,清除故障码,路试一切正常。原来由于该车ABS传感器为电磁式,低速区工作时 所产生的信号电压极其微弱,而ABS则需要借助于高灵敏的信号电压才能通过ECU调节车轮制动力的大小。为保证信号的准确性,轮速传感器上设有屏蔽网,一 旦该屏蔽网受到破坏,汽车上的高频电磁波就会对轮速传感器的正常工作产生干扰,导致ABS失灵或产生误动作,故障自诊断系统发出报警。

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