汽車線束電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范及故障案例分析

王亞坤

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)部，上海 201805）

近年來，隨著汽車功能的日益增多，汽車線束也變得更加復(fù)雜。而未來汽車的電動(dòng)化、智能化等趨勢(shì)，也將給線束帶來新的挑戰(zhàn)。電磁兼容設(shè)計(jì)是汽車開發(fā)過程中必須考慮的課題，電磁兼容試驗(yàn)的失敗將直接導(dǎo)致整車推遲投產(chǎn)或上市。線束作為供電、傳輸信號(hào)的路徑，遍布整車的各個(gè)區(qū)域，容易產(chǎn)生電磁兼容問題［1］，是汽車電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

由于整車結(jié)構(gòu)不規(guī)則，線束的布置呈現(xiàn)出很高的復(fù)雜性，很難定量分析線束設(shè)計(jì)對(duì)電磁兼容性的影響。目前，一般的做法是開發(fā)前期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)線束，中后期跟隨整車進(jìn)行EMC（Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性） 試驗(yàn)驗(yàn)證，然后對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析優(yōu)化并再次驗(yàn)證。但隨著項(xiàng)目開發(fā)的推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)問題越晚，線束的更改所需的成本可能會(huì)更大，甚至可能引起其他零件的更改，最終的結(jié)果往往是增加預(yù)算或推遲進(jìn)度，如圖1所示。

圖1 措施與成本-開發(fā)階段關(guān)系曲線

因此，建立科學(xué)的汽車線束電磁兼容設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并嚴(yán)格遵守，對(duì)于保證良好的電磁兼容性具有非常重要的意義。本文將重點(diǎn)從設(shè)計(jì)角度介紹如何避免線束造成的電磁兼容問題。

1 汽車線束造成電磁干擾的機(jī)理

干擾源、傳播途徑和敏感體是電磁干擾的三要素，缺一不可。汽車線束作為從電源、電器設(shè)備、搭鐵 （即車身）之間的連接通路，在電磁干擾中一般被認(rèn)為是傳播途徑，在某些情況下線束也會(huì)成為敏感體或干擾源［2］。汽車電子設(shè)備受到的電磁干擾分為車外和車內(nèi)兩種，由于車外電磁干擾具有隨機(jī)性，干擾信號(hào)的特性因環(huán)境不同而不同。整車電磁兼容測(cè)試往往出現(xiàn)這樣一種情況，單獨(dú)對(duì)某個(gè)電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容測(cè)試合格，但將其放進(jìn)整車時(shí)卻無法通過測(cè)試，這往往跟線束有很大的關(guān)系。

1.1 搭鐵電流造成的干擾

由于汽車電子設(shè)備眾多，而受成本和裝配限制，車身上可提供的搭鐵點(diǎn)很有限。故多個(gè)設(shè)備通過同一個(gè)搭鐵點(diǎn)與車身共搭鐵是不可避免的。另外，設(shè)備的搭鐵線也受成本、質(zhì)量、線束安裝等限制，只能在合理范圍內(nèi)選擇合適的線徑，其搭鐵阻抗往往不能忽略。也就是說，設(shè)備到蓄電池負(fù)極的搭鐵路徑電阻不是零。這就導(dǎo)致各個(gè)設(shè)備到蓄電池負(fù)極的搭鐵路徑上存在著不均衡電流，并互相影響。

搭鐵類型分為單點(diǎn)搭鐵和多點(diǎn)搭鐵［3］，而汽車電子設(shè)備的搭鐵方式則為單點(diǎn)搭鐵和多點(diǎn)搭鐵的混合形式，如圖2所示。

圖2 汽車電子設(shè)備搭鐵形式

以設(shè)備1和設(shè)備2為例，A、B、C點(diǎn)電位分別為

由于搭鐵電位不為零，流過設(shè)備1對(duì)設(shè)備2的搭鐵電位造成了影響，進(jìn)而影響設(shè)備2的電壓，同理，流過設(shè)備2的電流也會(huì)對(duì)設(shè)備1造成影響。如果設(shè)備1或設(shè)備2的搭鐵線過長(zhǎng)、線徑不夠粗，那么搭鐵電位的影響會(huì)更大。對(duì)于公共搭鐵路徑的阻抗R12我們也希望越小越好，即這段搭鐵線長(zhǎng)度越短、線徑越粗，對(duì)設(shè)備電壓的影響越小。

1.2 導(dǎo)線間的串?dāng)_

線束是由多根導(dǎo)線捆扎在一起，導(dǎo)線上流過的電流特性各不相同，導(dǎo)線之間不可避免地存在串?dāng)_，并且向周圍環(huán)境輻射電磁波，對(duì)車內(nèi)或車外的電子設(shè)備造成干擾。線束如果自身防護(hù)做得不好，就會(huì)直接暴露在電磁干擾的環(huán)境下。線束雖然不能脫離電子設(shè)備而獨(dú)自實(shí)現(xiàn)某種功能，但線束自身受到的電磁干擾會(huì)直接影響到與其連接的電子設(shè)備。尤其是當(dāng)電子設(shè)備對(duì)微弱信號(hào)較為敏感時(shí)，這種影響可能會(huì)直接導(dǎo)致控制器誤判而下達(dá)錯(cuò)誤的指令，造成功能性故障。

導(dǎo)線之間的串?dāng)_分為電容性耦合和電感性耦合兩種形式［4］，如圖3所示。由于導(dǎo)線之間存在寄生參數(shù)，平行布線的導(dǎo)線之間的電容和互感在某些頻段下不能被忽略，導(dǎo)致捆扎在一起的導(dǎo)線之間產(chǎn)生電磁干擾。

圖3 電容性耦合和電感性耦合

2 線束設(shè)計(jì)規(guī)范

從汽車線束的前期開發(fā)階段就做好電磁兼容方面的設(shè)計(jì)，對(duì)于項(xiàng)目進(jìn)度和成本控制都至關(guān)重要。如何進(jìn)行線束的設(shè)計(jì)才能有利于電磁兼容性，消除或減少由線束引起的電磁干擾問題的影響，并有效地執(zhí)行，是問題的關(guān)鍵所在。

2.1 合理搭鐵

如前所述，搭鐵方案設(shè)計(jì)得不好會(huì)產(chǎn)生很多電磁干擾問題。汽車電子設(shè)備大都通過線束接到車身上的各個(gè)搭鐵點(diǎn)，一般認(rèn)為，車身的阻抗比線束的阻抗要小得多，根據(jù)這一點(diǎn)，可以設(shè)定一些基本的搭鐵原則：①搭鐵線長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)，如果長(zhǎng)度不能調(diào)整可考慮增大線徑；②集成電力電子用電器的搭鐵線最多只能通過一個(gè)連接釘接到車身上；③氣囊點(diǎn)爆裝置的功能搭鐵和靜電搭鐵要分開；④傳感器的搭鐵不能和負(fù)載搭鐵 （加熱器、電機(jī)等）、有大電流和電壓梯度的零件的搭鐵 （點(diǎn)火線圈，噴油器，風(fēng)扇、電源控制器等）通過同一個(gè)連接釘搭鐵；⑤大功率的LIN（Local Interconnect Network，局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）節(jié)點(diǎn)其信號(hào)搭鐵和功能搭鐵要分開；⑥LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)搭鐵點(diǎn)；⑦信息娛樂系統(tǒng)的搭鐵呈星形分布，且不能與其他類型的設(shè)備共同搭鐵。

2.2 屏蔽和雙絞

屏蔽線常用于傳輸高頻信號(hào)的情況，如收音機(jī)天線、導(dǎo)航天線、視頻線、USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）線等。屏蔽層要根據(jù)需要采取雙端搭鐵或單端搭鐵，有時(shí)也直接與設(shè)備殼體相連，通過設(shè)備進(jìn)行搭鐵。屏蔽的作用不僅在于防止線束受到外界干擾的影響，也能避免線束上的信號(hào)對(duì)外部設(shè)備造成干擾。雙絞線的作用主要為了抑制共模干擾，常用在CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）線、Flexray、ABS（Antilock Brake System，制動(dòng)防抱死系統(tǒng)）線、逆變電源和搭鐵線等場(chǎng)合。具體要求如下：①屏蔽線的屏蔽層應(yīng)盡可能延伸至芯線末端；②雙絞線在末端或連接釘處的脫絞距離不能過長(zhǎng)；③屏蔽線或雙絞線在通過耦合連接器時(shí)應(yīng)使用相鄰的針腳；④氣囊的信號(hào)線、碰撞傳感器線和點(diǎn)爆線都必須使用絞線；⑤高壓系統(tǒng)要保證完全屏蔽，且充電線的屏蔽要密封；⑥對(duì)低頻對(duì)稱的音頻信號(hào)要使用雙絞線；⑦對(duì)非對(duì)稱的音頻信號(hào)要使用屏蔽線。

2.3 布置要求

前面提到，不同類型的導(dǎo)線回路在線束中一起捆扎，難以避免地會(huì)互相產(chǎn)生影響。因此，易造成干擾的導(dǎo)線和易受干擾的導(dǎo)線應(yīng)該盡可能地分開布置。具體要求如下：①收音機(jī)天線周圍不能布置普通導(dǎo)線；②阻抗轉(zhuǎn)換器與天線結(jié)構(gòu)之間的連接，以及收音機(jī)濾波器與天線結(jié)構(gòu)之間的連接，均不能和其他線束一起捆扎走線；③天線延長(zhǎng)線需盡可能緊貼車身布置；④承載大電流時(shí)鐘信號(hào)的導(dǎo)線必須在距離收音機(jī)、放大器等較遠(yuǎn)的地方布置；⑤通過繼電器切換的雨刮電機(jī)的電源線和搭鐵線必須一起靠近布線；⑥倒車影像的電源線和視頻線須沿著車身的同一側(cè)布線；⑦倒車影像的視頻線應(yīng)避免和流過PWM （Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)線一同捆扎；⑧高壓導(dǎo)線和低壓導(dǎo)線的間距應(yīng)盡量大。

3 故障案例分析

線束的設(shè)計(jì)規(guī)范不可能覆蓋到所有方面，且不能保證在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中能夠完全被遵守，因此在中后期整車電磁兼容測(cè)試或者實(shí)際用車過程中常常會(huì)出現(xiàn)由電磁干擾導(dǎo)致的功能故障。分析這些電磁干擾的故障原因，恰恰就是未按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范或工藝要求進(jìn)行線束的開發(fā)或生產(chǎn)造成的。

3.1 鑰匙放在中央通道無法識(shí)別

某車型配備無鑰匙進(jìn)入／啟動(dòng)功能，當(dāng)把鑰匙放到換擋桿附近的儲(chǔ)物盒內(nèi)時(shí)，儀表顯示找不到鑰匙，如圖4所示。分析其可能的原因?yàn)殍€匙所在處有造成電磁干擾的信號(hào)，或者天線接收器受到干擾。拆開該處的內(nèi)飾，檢查鑰匙和天線附近的電器和線束布置，發(fā)現(xiàn)220 V逆變電源的電源線和搭鐵線未按要求進(jìn)行雙絞，且電源線和搭鐵線通過耦合連接器時(shí)不在相鄰的針腳上。解決方案是參照本文2.2節(jié)第2、3條，將電源線和搭鐵線雙絞，同時(shí)將兩根線放在相鄰的針腳上，故障得以消除。

圖4 車鑰匙和220V逆變電源的位置關(guān)系

3.2 倒車影像畫面受干擾

某車型倒車影像在踩下制動(dòng)踏板時(shí)顯示屏上出現(xiàn)雪花或條紋。分析該車的倒車影像系統(tǒng)的布線，發(fā)現(xiàn)其電源線和視頻線分別沿車身的左側(cè)和右側(cè)布置，如圖5所示。這樣不符合本文2.3節(jié)第⑥條設(shè)計(jì)要求，使得其電源線和視頻線之間形成一個(gè)很大的環(huán)路，容易受到外界干擾的影響。將電源線更改為沿車身右側(cè)布置，即和視頻線在同一側(cè)時(shí)，故障消除。

3.3 燈光閃爍問題

某車型在整車電磁兼容測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)左側(cè)制動(dòng)燈功能不正常。制動(dòng)燈是組合尾燈的部件之一，而左側(cè)尾燈的搭鐵點(diǎn)在左后輪罩內(nèi)側(cè)，即圖6中的A點(diǎn)，距離尾燈有一定的距離，且并不是最近的搭鐵點(diǎn)。由于搭鐵線的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，增加了尾燈受到電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)。將左側(cè)尾燈的搭鐵點(diǎn)移動(dòng)到距離尾燈更近的B點(diǎn)后，故障消除。

圖5 倒車影像更改前后的布線方案

圖6 左側(cè)尾燈搭鐵位置更改方案

4 結(jié)論

建立完整的線束電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范，并在線束開發(fā)的前期進(jìn)行嚴(yán)格有效的執(zhí)行、控制和檢查，是很有必要的。這樣做，不僅能有效避免后期大規(guī)模出現(xiàn)由線束導(dǎo)致的電磁干擾問題，還能為我們?cè)诜治鲭姶鸥蓴_故障時(shí)提供指導(dǎo)思路。