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汽车中屏蔽技术的实践案例

时间:2023-08-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:发动机点火系统是汽车电子电器系统中电磁干扰最强的干扰源之一。下面以屏蔽线在汽车曲轴信号电磁干扰抑制中的应用为例来进行说明。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。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的应用。但随着电力电子技术在汽车上的应用,车内的电磁环境越来越恶劣,传导干扰和辐射干扰对CAN总线的正常通信产生很大影响,甚至可能引发严重的交通事故。

汽车中屏蔽技术的实践案例

现代汽车电子装置非常多,有些是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,严重时还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元器件损坏、软件损坏或数据丢失。在汽车电气系统中,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器系统中电磁干扰最强的干扰源之一。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。下面以屏蔽线在汽车曲轴信号电磁干扰抑制中的应用为例来进行说明。

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。当次级线圈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,可达几十安培,这个过程称为电容放电过程。这一阶段的放电使次级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,另一部分储存在次级线圈电感中的能量将维持放电,其特点是时间较长,为几毫秒,放电电流约几十毫安。这一过程称为电感放电(火花尾),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骚扰源。

由于火花塞高压放电引起的电磁骚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骚扰源的发射天线。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有:①改变电磁骚扰源(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,如果采用方法①主动降低干扰,所需的变更周期和验证周期就非常长,不能满足市场的需求;采用方法②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,因此采用方法②。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。

实验证明,这款车型采用单芯屏蔽的曲轴信号线后,在不改变点火方式的前提下,曲轴信号噪声得到明显的改善。由此可见,采用被动抑制干扰的屏蔽方式,可以为汽车电子电器系统抗干扰设计提供有价值的参考依据。

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网络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的应用。但随着电力电子技术在汽车上的应用,车内的电磁环境越来越恶劣,传导干扰和辐射干扰对CAN总线的正常通信产生很大影响,甚至可能引发严重的交通事故

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图5-43 两种屏蔽方式

a)屏蔽方式1(双心屏蔽) b)屏蔽方式2(单心屏蔽)

如图5-44所示,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。按产生机理不同,可将串扰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总线通信的可靠性而使用的EMC措施有LC滤波器、瞬态抑制二极管和光电隔离等。

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图5-44 CAN数据总线系统

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