一、汽车电磁兼容问题概述

 

随着人们对汽车安全、环保、节能以及舒适性等方面要求的日益提高，在汽车上配备电子、电器设备，并运用电子技术成为了最有效的实现途径。像制动防抱死系统、车身控制模块、电子防盗系统、电动助力转向、电子燃油喷射、电子油门控制系统、车载自动诊断系统、电子点火系统、电子制动力分配装置、电子稳定程序、驱动防滑控制系统、轮胎气压监测系统、电子控制刹车辅助装置、倒车雷达、电子巡航控制系统、卫星定位导航系统、行驶记录仪以及车载移动数字电视等众多电子系统和装备，正越来越多地应用于汽车之上。

 

电子技术的应用，在提升汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性，降低污染物排放等方面成效显著。然而，这也带来了新的问题，即汽车对外界的电磁干扰逐渐增大。同时，要实现这些效果，前提是确保车载电子、电器设备能够正常工作。但实际情况是，由于车载电子、电器设备存在电磁兼容性问题，其电磁骚扰水平常常超标，或者受到电磁干扰后无法正常工作，严重时甚至会遭受损坏。

 

长期以来，人们对汽车的噪声、振动、排放等问题有较为广泛和深入的认识，投入了大量的人力、物力和财力进行研究，并取得了不错的成果。但随着汽车所面临的电磁环境日益复杂，汽车的电磁兼容问题愈发突出和严重。一方面，汽车在日常使用中受到的外部电磁干扰越来越多，例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、电器设备数量不断增加，这些设备在工作时，既会对周围的其他车载电子、电器设备产生电磁干扰，自身也会受到周围其他设备的电磁干扰影响。在国际上，汽车产业发达的国家已经将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典型表现

 

任何电子、电器设备在运行时都会向周围传递电磁信号，这些信号可能会干扰其他设备的正常工作，同时设备本身也可能受到周围电磁环境的干扰。电磁干扰具有看不见、摸不着的特点，常常“莫名其妙”地出现，“来无影、去无踪”。只要有电磁干扰存在，就会出现故障；一旦电磁干扰消失，故障也会随之消失。

 

电磁干扰的影响程度各不相同。有的干扰是暂时的，影响较小，比如车载DVD经常出现死机现象，或者公路边的电视机在汽车驶过时图像出现抖动。但有的干扰可能是致命的，例如汽车的安全气囊（SRS）、制动防抱死系统（ABS）等在车辆行驶过程中受到电磁干扰，很可能会被误触发或失效，进而引发严重的交通事故。汽车典型的电磁兼容性问题表现如下：

 

1) 某轿车上安装了灵敏的ABS系统，在下雨时，启动刮水器产生的电磁干扰误触发了ABS，导致后车追尾事故。

 

2) 某客车在高速公路上行驶时，突遇降雨天气。启动刮水器后，出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，出现了自动熄火的故障，拖离该路段后故障自动消失。

 

4) 在对某混合动力客车进行ABS性能试验时，启动车辆但还未行驶，测试仪器的轮速曲线就出现异常波动；而在测试传统内燃机客车ABS性能时，仪器的轮速曲线完全正常。

 

前两种现象都是由刮水器电机产生的电磁干扰引起的，并且ABS和车门电控泵的抗电磁干扰能力有待提高。第三个例子是由于发动机电控单元（ECU）无法承受较强的外来电磁干扰信号所导致的。第四个例子一方面说明该混合动力客车产生的电磁干扰非常严重，另一方面也表明该ABS性能测试设备的抗电磁干扰能力需要进一步加强。总体而言，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，都会产生电磁干扰，并直接影响车内电子、电器产品或测试设备的正常工作。

 

三、影响汽车电磁兼容性能的因素

 

影响汽车电磁兼容性能的主要因素包括电磁干扰源、电磁干扰传播途径和电磁敏感设备。汽车电磁干扰源可分为车内电磁干扰源和车外电磁干扰源。由于车外电磁干扰源几乎不受汽车行业的约束，因此主要采取措施来抑制车内电磁干扰源。

 

1. 车内电磁干扰源

 

车内电磁干扰源主要是指产生电磁干扰信号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。目前汽车内部的主要电磁干扰源包括：

 

1）发动机点火系统：汽车点火系统产生的电磁干扰是车内干扰源的重要组成部分。点火系统工作时会生成很强的电磁干扰信号。从电路原理来看，点火系统实际上是一个由电感、电阻、电容、线圈组成的振荡电路。当初级电路被切断后，初级电路中会发生衰减振荡，初级线圈的最大电压一般为300 - 500V。在次级线圈中感应的次级电压最大值一般为20000 - 30000V，因此，点火时在点火线圈周围会产生强烈的电磁干扰。

 

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会迅速释放，在几微秒内放电结束，但形成的电流非常大，可达几十安培。这一阶段的放电特征是次级电路的电压和电流形成陡峭的脉冲放电形式。这个放电脉冲不仅会通过点火线圈与火花塞间的高压线向外部形成电磁辐射，还会沿着导线对其他电子、电器设备传导干扰信号。同时，在火花塞被击穿放电时，火花会形成0.15 - 1000Hz的电磁波向周围辐射，对其他电子电器设备形成强烈的电磁辐射干扰。

 

2）交流发电机：车载交流发电机产生的电磁干扰是感性负载干扰的重要组成部分。一方面，由于交流发电机采用炭刷与滑环将励磁电流引入转子线圈，在运转过程中，只要两者的接触状态稍有变化，就会产生电火花，形成电磁辐射干扰；另一方面，发电机负载和转速等变化会引起输出电压的变化，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。例如，开关时间为2ms时，对应500Hz的频率，由傅里叶分析可知，其谐波频率将高达数千或上兆赫兹，产生射频干扰信号。

 

此外，交流发电机在工作时突然卸载或在额定工作负载时突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 - 150V，衰减时间可持续100 - 200ms。这种瞬变过电压对汽车其他电子器件会产生相当大的冲击，导致设备工作异常或损坏。

 

3）电动机：汽车上使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会产生电火花，会对其他设备产生电磁干扰，例如刮水器电机在换极（换相）时会对电路产生较强的电磁干扰。虽然这些电动机一般都有封闭金属外壳的屏蔽罩，但由于缺乏针对性设计，不仅会发射辐射电磁干扰信号，还会通过电源线和搭铁线向外传导干扰信号。

 

另外，电动机在工作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出现，最高峰值可达300V左右，持续时间大约300ms。这种瞬变脉冲具有浪涌特性，具有丰富的谐波，可能会干扰车载电子、电器控制模块的正常工作，导致电子器件的逻辑混乱或损坏敏感器件。

 

4）电源系统：汽车电路系统由蓄电池和交流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（12V或24V）存在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 - 130V，很容易直接损坏车载电子、电器设备。因抛负载、磁场衰减或切换感性负载产生的持续时间短而幅值很高的瞬变过电压（100 - 150V）虽然对传统车载电器影响较小，但可能会使一些敏感的车载电子装置（如电子调节器、电子点火装置及其他电子控制单元）出现故障或损坏。

 

此外，混合动力或纯电动汽车一般采用交流电机作为辅助动力或动力单元，蓄电池的直流电要经过逆变器转换为电机所需的交流电，逆变后的交流电含有大量的谐波成分，并通过输入输出线向空间发射频谱范围较广（9kHz - 1GHz）

 

5）静电放电干扰

 

静电，是由两种不同物质相互摩擦，使得物体表面电子发生转移而产生的。车辆在行驶过程中，驾乘人员的衣物与座椅摩擦、车轮与地面摩擦、车身与空气摩擦等，都可能产生静电，形成静电干扰源，进而引发静电放电现象。在静电放电过程中，放电电流会形成传导干扰，放电火花则形成辐射干扰。这种干扰的特点是电压高、时间短、电流小，但极有可能导致一些电子控制单元出现误动作，甚至造成永久性损坏。

 

2、车外电磁干扰源

 

汽车的高机动性，决定了其可能会处于各种电磁环境中，既有电磁环境良好的乡村地区，也有电磁环境异常复杂的城市、机场以及雷达站。车外电磁干扰源主要包括人为干扰源和自然干扰源两类。

 

1）人为电磁干扰：指的是汽车外部人工装置产生的电磁干扰，主要有其他车辆点火系统的辐射干扰、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干扰等。

 

2）自然干扰：指的是由自然现象引起的电磁干扰，比较典型的有雷电、大气层的电场和电离层变化、太阳黑子的电磁辐射以及来自宇宙的射线等。在大多数情况下，这种电磁干扰较为复杂，对汽车的干扰影响可以忽略不计。然而，雷电放电的电流高达几十千安，上升时间不到 1 微秒，释放出频谱极宽、强场极大的干扰信号，对车辆的影响极大，甚至可能直接损毁车辆，造成人员伤亡。

 

3、汽车电磁干扰传播途径

 

车载电器产生的电磁干扰信号，既可以通过汽车导线直接进入其他电子、电器设备内部，也可以通过等效天线（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。也就是说，汽车上的电磁干扰传播途径主要有沿着导线直接传导和通过空间辐射两种方式，即传导干扰和辐射干扰。

 

1）传导干扰：指的是电磁干扰通过导线传输，即通过设备的信号线、控制线、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，所以传导干扰基本上都是由车载电子电器部件引起的，且通常是由于电动机、继电器以及其他感性负载的瞬态脉冲电压产生的，其瞬态脉冲电压可达 200 伏，可能导致额定工作电压为 12 伏或 24 伏的电子、电器件工作异常或被损坏。

 

2）辐射干扰：其实质是电磁干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，也包括外界电磁辐射场强。电磁辐射干扰的传输路径非常复杂，既可以直接辐射到电子、电器上，也可以先辐射到线束上，然后再以传导干扰的方式进入电子、电器。

 

4、电磁敏感设备

 

因遭受电磁干扰而可能偏离其正常工作状态的电子、电器装置，就是电磁敏感设备。在汽车电控系统中，基于数字电路的控制系统已逐渐取代了早期由机电或模拟设备完成的许多功能。但由于半导体逻辑器件对电磁干扰的敏感度较高，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。

 

例如，以弱电信号为控制依据的各种氧传感器、防爆震传感器、发动机 ECU、车身控制模块（BCM）、ABS 轮速传感器、CAN 总线等，常常是多个信号经过软件控制复用到同一个硬件总线。一个随机瞬态脉冲很可能破坏内部时钟晶振的时序、中断或打乱正被传输的数据以及程序的执行状态等，导致相关部件接收到错误信号，使系统的控制功能失效。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干扰，进一步恶化汽车电气系统的电磁环境。

 

尽管可以采取一些措施限制车内电磁干扰源产生的干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，特别是车辆外的电磁干扰是难以彻底消除的。无限制地加大干扰抑制措施会成倍地增加生产成本，在实际工程应用中是不可行的。这就要求敏感设备应具有一定的抵抗电磁干扰的能力，以保证其自身正常工作，达到车载设备相互共存、互不影响的状态。根据实现功能的重要程度，各个汽车厂商对车载零部件抗扰度性能等级要求各不相同。对车载 DVD、音视频系统，要求至少为 C 级，对车身控制模块（BCM）、发动机 ECU、ABS、CAN 总线等则为最高级别 A 级的要求。一般而言，至少都是 C 级或以上。

 

四、汽车电磁兼容性能的评价

 

新车型开发时，其电磁兼容性能究竟如何，能否满足相关标准法规的要求，需要进行评价。目前，国内外采用的最直接、最有效的评价方法就是根据相关标准进行测试评估。当然，还有仿真分析法等。

 

1、 国内现状

 

由于我国汽车工业整体水平相对落后，对汽车电磁兼容性问题的认识总体不够深入。近年来，逐渐吸收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 等国际先进标准相比，仍存在较大差距。目前国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用相关国际标准制定。主要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干扰的性能，由传导和耦合引起的零部件电磁骚扰特性等方面的要求、测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 项标准提出了要求，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，国内汽车电磁兼容标准化工作还需进一步加强，应采纳更多国外先进标准。

 

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，并颁布了较为完善的车辆电磁兼容标准法规，一些汽车制造厂商还制定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，主要有以下几类：

- 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，现代的 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、辐射抗干扰、瞬态传导抗干扰、抗静电放电等的测试方法及限值都进行了详细的规定，既可以有效保证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

 

由于电子技术在汽车上的广泛应用，各种车载电子、电器数量迅猛增长，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重要因素，甚至将成为制约汽车技术继续发展的瓶颈之一。为解决此问题，汽车厂家应当建立起一套完善的车载电子、电器零部件的管理流程，在确定整车需要达到的 EMC 指标情况下，建立起从整车 EMC 指标向车载电子、电器 EMC 指标进行分解的技术体系，加强试验检测和仿真分析，以最终保证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。

来源：Internet

关键词： 电磁兼容