淺析汽車線束系統的電磁兼容性設計

黃玉華，馮 超，茍 斌 ，馬馳宇，周 冰，黃 浩

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

1 汽車線束系統電磁兼容性設計的必要性

汽車線束系統將車載用電設備進行物理連接，實現端到端的電能傳輸。傳輸的電能，按用途可分為信號類電能和驅動類電能，前者對外界的干擾比較敏感，屬于線束系統的抗擾性問題；后者伴隨驅動的開始和結束往往會有電流的波動，容易產生沿導線的傳導干擾及對周圍空間的電磁輻射干擾，屬于線束系統的騷擾性問題。此外，汽車線束系統為便于生產、裝配，往往將兩類導線集成在一起，這還容易產生相鄰導線間的串擾等電磁兼容性問題。

隨著汽車智能化程度的不斷提升，各種信號在線束中的傳輸速度越來越快，比如車載多媒體網絡，數據傳輸速度為250kbit/s～100Mbit/s，假如采用以太網，其數據傳輸速度更是可高達10Gbit/s，這將使數據導線更易對外輻射電磁能量，從而造成對臨近信號線的串擾；如附近空間有敏感設備，還易造成對敏感設備的騷擾。

近年來智能網聯汽車發展迅猛，汽車作為一個移動終端，不但要實現自身內部各節點間的無線通信，還要實現與其余車輛、行人、路邊設備間的短距離無線通信，更要通過衛星、微波通信等實現遠距離的與互聯網間的無線通信，以實現導航、定位、商務、娛樂等服務功能，這使得汽車將暴露在一個十分復雜的電磁場環境之中。而車上的線束系統，具有收發天線的性質，對某些頻段的無線電波容易被接收、感應并在線束中傳輸，極可能對敏感的用電設備造成潛在干擾。

許多事實表明，電子電器系統的電磁不兼容，較輕的后果是敏感設備產生不期望的意外動作，嚴重的后果將會造成設備系統損壞甚至人員傷亡。有資料表明，1982年英國的HMS驅逐艦謝菲爾德號在馬島爭奪戰中被阿根廷的飛魚導彈擊沉、1988年的美國黑鷹直升機UH-60的墜落、某車型在經過ETC收費站時氣囊意外點爆等事件，都是其相關系統對環境電磁波不兼容造成的。

由上可見，對汽車電氣系統的電磁兼容性設計方法進行研究，尤其是對相對用電設備而言當前系統性設計方法還比較欠缺的線束系統的電磁兼容性設計方法進行研究，顯得十分必要。未來隨著車輛智能化、網聯化及自動駕駛程度的不斷提高，其重要性必將越來越凸顯。本文從目前汽車線束系統面臨的電磁兼容性問題出發，對其解決方法作淺顯分析。

2 汽車線束系統面臨的電磁兼容性問題

汽車線束面臨的電磁兼容性問題，可分為3類：①線束總成內部的串擾；②線束總成對外部敏感設備的輻射騷擾；③線束總成接受外部電磁場的干擾，并將干擾通過傳導或輻射耦合到本車用電設備。具體如圖1所示。

圖1 汽車線束系統面臨的電磁兼容性問題簡圖

圖1正中的線條表示汽車線束系統，它連接了用電設備1和用電設備2，其間的耦合標記就表達了線束總成內部的串擾問題；圖1上部表達了路邊設備、本車無線通信設備及別的車輛的車載通信設備與本車線束系統間的雙向輻射騷擾的可能性問題。圖1下方的耦合標志表達了線束系統受到外部電磁場激勵后，通過輻射的方式將干擾耦合到本車敏感設備，水平箭頭表達了線束系統受到外部電磁場激勵后，通過傳導的方式將干擾耦合到與之相連的用電設備。

3 解決方案

由圖1可知，汽車線束面臨的電磁環境十分復雜，要對其兼容性進行全面分析也比較困難，在目前階段，各用電設備的輻射騷擾及傳導騷擾限值都有嚴格的標準規定。目前，影響用電器正常工作的電磁兼容性問題產生的根源，有相當部分都是由線束內部的串擾引起的，據此，本文重點就線束系統串擾問題產生的機理及預防進行簡要論述。

3.1 線束內部串擾問題解決方案

3.1.1 問題來源

所謂串擾，就是相互靠近的導線或者PCB上的連接盤之間無意的電磁耦合，它必須發生在3個或更多個傳輸導體之間，其電磁發射源和接收器都在同一系統內。本文討論對象為前者，即線束內部導線間的無意電磁耦合。其串擾模型可簡化為圖2所示［1］。

由圖2可見，當線束中某一導線在時變電壓源（這個時變電壓源可以是控制器的時鐘晶振，也可以是發動機噴油器的驅動電源）的作用下工作時，在其臨近的其余導線上就會耦合出相應的電流、電壓。如果被耦合的接收線是敏感的信號線，就有可能影響相應系統的正常工作。

分析串擾的目的，就是在給定的傳輸線橫截面積的大小及終端參數的條件下確定或預測近端和遠端電壓。其中近端和遠端是以接收線鄰近包含激勵源VS（t）的發射電路一端的傳輸線的終端為參考。研究表明，線束內部的串擾，主要由兩種耦合機理（電感耦合和電容耦合）產生的，其根源就在于多傳輸線工作時存在的自電感、互電感和互電容。汽車線束產生串擾的等效電路如圖3所示［1］。

圖3 汽車線束產生串擾的等效電路（長度元Δz內）

從圖3可以看出，汽車線束間的串擾問題，是由傳輸導線自身的分布電感、電容及互感、互容造成的，是客觀存在的物理現象。電磁學告訴我們，電感產生磁場，對臨近導線進行干擾；電容產生電場，對臨近導線產生干擾。研究表明，當傳輸線的長度相對于發射導體激勵頻率是電短傳輸，即圖2中的Lλ=v/f時，串擾主要由發射導體和接收導體間的互電感、互電容產生。基于此，解決汽車線束內部串擾問題就歸根于如何消除或抑制由互電感Lm、互電容Cm產生的不利影響。

當兩導線充分隔離（兩導線間的距離大于5倍的導線半徑）時，導線間的臨近效應可以忽略，則兩導線單位長度上的互電感Lm、互電容Cm可由公式（1）、（2）確定［1］

式中：s——兩線間的距離；rw——導線的半徑。

從公式（1）、公式（2）可見，導線間單位長度上的互電感Lm、互電容Cm與其導線半徑rw、兩線間的距離s是密切相關的。在線束設計過程中，rw可在導線截面積選擇時得到精確控制，但對于s，因線束制造特點決定，不可能精確控制，要想從控制導線單位長度上的互電感、互電容來控制線束間的串擾問題，可行性不大，故只能尋求別的解決辦法來減少互電容及互電感產生的串擾問題，

3.1.2 串擾問題解決

3.1.2.1 互電感問題解決

變化的電場將產生磁場，變化的磁場也將產生電場。其作用原理如圖4所示。

其中電磁關系遵從電磁感應定律，如公式（3）所示

圖4 電磁感應原理圖

從公式（3）可見，處于時變磁場中的封閉線圈產生的電流大小，與其圍成的面積成正比，為降低Vemf，在磁感應強度B不變的情況下，可通過減小面積S來達成，也可通過減小磁場變化率來達成。

汽車線束系統對信號進行傳輸有3種方式［1］：利用參考線作回路的單線傳輸，如圖5a所示；利用導線對進行的雙線傳輸，如圖5b所示；利用雙絞線進行傳輸，如圖5c所示。其中圖5a與圖2相同。

圖5 汽車信號傳輸的3種方式

從圖5可見，就回路面積而言，單線傳輸的回路面積最大，在同等條件下感應的電動勢Vemf最大，如要在該條件下減小感應面積，接收線必須很接近參考導體才行，對汽車而言就是車身系統或車架系統的金屬導體；直線對傳輸次之，信號的輸出和返回線往往集成在同一線束內，感應面積較小；雙絞線傳輸回路感應面積最小，其信號的輸出和返回線按一定的絞距緊密纏在一起，而且其相鄰環間產生的感應電動勢還可相互抵消，所以其抗磁場串擾能力最強。車內一些重要的信號線，如CAN總線信號傳輸，就采用了雙絞的傳輸方式，能有效抑制線束內磁場引發的串擾問題。

2）減小磁感應強度B的變化率

由公式（3）可知，減小磁場隨時間的變化率，也可降低感應電動勢Vemf。感應磁場主要由發射導線中的時變電流產生，其和感應磁場的關系遵守安培環路定律，數學表達如公式（4）所示

式中：H——在環路C中產生的磁場強度；i（t）——時變電流。

由公式（4）可知，減小時變電流i（t）隨時間的變化率，就可減小磁場強度H隨時間的變化率。磁感應強度B和磁場強度H由物質的本構關系決定了其關系遵循公式（5），具體如下

式中：μ——介質的導磁率。

由上式可知，降低時變電流i（t）隨時間的變化率，可降低磁感應強度B的時變率，從而可降低接收導線的感應電動勢Vemf。

采集上述病死羊典型病變臟器組織，粉碎后制成觸片，選擇使用革蘭氏染色劑，對其進行全面染色處理，鏡檢未發現被陰性或陽性染色的致病菌。將病料接種到常規培養基及血液培養基上，37 ℃恒溫培養24 h，在上述2種培養基上，均沒有出現致病菌生長。結合最終的實驗室診斷結果確診為羊消化道線蟲感染引起的消化道線蟲病。

當然要降低電流i（t）隨時間的變化率，從汽車線束設計的角度，是做不到的，但當識別出該類問題時，可和相關的控制器開發人員進行溝通：在確保發射導體上的信號滿足使用要求的前提下，盡量降低變化頻率（如其控制電路的時鐘頻率），或者控制時變電流的上升沿和下降沿時間，使其盡可能長，從而減小發射導線中電流高頻分量的對外輻射。

3.1.2.2 互電容問題解決

由于線束系統將多條導線集成在一起，勢必在導線間存在分布電容。由公式（2）可知，欲減小互電容，要么增加導線間距s，要么減小導線半徑rw，而這2個參數，都是由線束本身的生產、裝配工藝及載流能力要求而決定的，不易改變，故從降低導線單位長度互電容方面出發解決電容耦合的可行性不大。

我們知道，電容耦合的實質，就是兩導體分布有不同極性的電荷，在高頻作用下會通過兩導體間的絕緣介質以位移電流的方式到達另一導體而形成耦合。如果以某種方式短路掉位移電流，使其不能到達敏感的接收導線，就可有效解決互容耦合產生的串擾問題。在實際的線束設計過程中，屏蔽線的采用，就是這一方法的成功應用，其結構如圖6所示［1］。

圖6a表示采用屏蔽線作為接收導線的縱向結構圖，其中兩處“搭鐵與否標識”采用開關的形式表示屏蔽線“不搭鐵”、“一端搭鐵” 、“兩端搭鐵”的幾種物理接線方式；圖6b表示用屏蔽線作為接收導線的橫向結構圖，rWG、rWR、rsh分別表示發射導線、接收導線、屏蔽層的半徑，s表示發射導線與接收導線間的距離，εr表示屏蔽層與接收導線間介質的相對介電常數，hG、hR分別表示發射導線、接收導線距參考線的距離；圖6c表示用屏蔽線作為接收導線的電容關系，CG、Cs、CR分別表示發射導線、屏蔽層、接收導線與參考導線間的自電容，CGR、CGs、CRs分別表示發射導線與接收導線、發射導線與屏蔽層、接收導線與屏蔽層間的互電容。從圖6中可以看出，由于屏蔽層對電力線的阻斷作用，使發射導線的電場不能到達接收導線，二者間互電容CGR為0，同樣道理，接收導體自身產生電場的電力線也終止于屏蔽層，不能到達參考導線，故其自電容CR為0。

圖6 采用屏蔽線作為接收線以降低串擾的圖示

從圖6c似乎可以得出結論：只要引入屏蔽層，接收導線就不會受到發射導線的電容耦合了。其實不然，這還要看屏蔽層的搭鐵情況。圖7是屏蔽接收導線容性耦合的集總參數等效電路圖［1］。

圖7 屏蔽接收導線容性耦合的集總參數等效電路

從圖7中可以看出，如果屏蔽層不搭鐵，發射線上的時變電壓VG可通過CGs和CRs耦合到接收導線的遠端和近端，造成串擾。只有將屏蔽層搭鐵，使V屏蔽為0，才能將發射導體通過CGs耦合的電壓短路，不至造成對接收導線的串擾。

要達到屏蔽層搭鐵的目的，對電短傳輸線，將屏蔽層任意一點搭鐵即可，隨著傳輸線長度的增加，屏蔽層必須多點搭鐵，搭鐵點之間沿屏蔽層相隔約λ/10才可使屏蔽層電壓近似為0［1］。

上述結論對線束系統設計具有很好的指導意義，因為在實際工作中容易忽視屏蔽層搭鐵的重要性。研究表明，如果屏蔽層搭鐵設計得恰當，如兩端都搭鐵，不但能夠降低線束導線間的電容性耦合，而且也能減小電感性耦合。圖8為屏蔽層兩端搭鐵消除感性耦合的原理圖［1］。

圖8 屏蔽層兩端搭鐵消除感性耦合的原理圖

從圖8可見，發射導線IG產生的磁場，在屏蔽層感應出了IS。IS產生的磁場，會抵消部分IG產生的磁場，從而減小其對接收導線的磁場耦合（電感耦合）。屏蔽層搭鐵情況對電感耦合的影響如圖9所示［1］。

圖9 屏蔽層搭鐵對屏蔽線感性耦合的影響

從圖9可見，屏蔽層如不是兩端搭鐵，對感應耦合的影響和非屏蔽線一樣，隨頻率的增加，接收線兩端的感應電壓會持續增加；如屏蔽層兩端搭鐵，則當頻率超過屏蔽線的拐點頻率fsh時，感性耦合將維持不變。屏蔽層拐點頻率由公式（6）確定。

式中：Rsh——屏蔽層總電阻；Lsh——屏蔽層總的自電感。

基于上述基本的原理分析，可以了解當今發展迅速的車用數據線的相關結構，從中可以得出相同的結論：為了減少線束間因分布電感和分布電容產生的串擾，以USB線和LVDS線為代表的高速數據通信電纜都采用了屏蔽和雙絞結合的方式，一方面既可確保自身傳遞的低壓、高速數字信號免受相鄰線束的干擾，又可確保自身產生的電磁干擾被可靠地屏蔽在自身電纜內部，不對其他系統產生騷擾。其典型結構如圖10所示。

圖10 高速數據線典型結構

3.1.3 線束間串擾問題解決的實際案例

在某車型的開發過程中，出現了紅外夜視圖像和360°全景圖像受到干擾的情況，具體表現為在請求上述2種功能時，顯示屏出現水波紋，受擾情況嚴重。經過問題排查，確定是夜視攝像頭和360°全景攝像頭信號線受到線間串擾所致。根據前面的分析可知，解決串擾問題可采用雙絞線，也可采用屏蔽線，但這是在串擾類型十分確定的情況下采用的單一防范措施，其優點是成本低。本案例限于當時的測試、分析工具，在確定為串擾所致、但又不明確具體為感性耦合還是容性耦合的情況下，對2種攝像頭的信號線采用了屏蔽雙絞線，并且對屏蔽層兩端搭鐵，對2種串擾模式都進行了有效抑制，成功地解決了圖像顯示的水波紋問題。

3.2 線束總成對外部敏感設備的輻射騷擾防范

線束總成中通過電流時，在其周圍會產生感應磁場。假定電流沿導線表面均勻分布，則其大小如圖11所示［1］。

圖11 載流導體周圍的磁場

從圖11可見，導線中通過垂直穿入紙面的電流I時（圖中用“+”表示），將在其周圍空間產生磁場H，其大小正比于電流強度I，反比于空間點到導線中心的距離r 。圖11中rw表示導線半徑，圖11也表明在導線外表面，產生的磁場強度最大。

在普通的低壓電線束設計過程中，因電流較小，產生的磁場強度也較小，加之其隨距離衰減很快，通常情況下也沒有考慮其對周邊設備的輻射影響。但對于電流強度較大的正負極電纜，就不得不考慮其磁場的不利影響了。

某車型在開發試驗中就發現，發動機起動過程中儀表的制動液面過低，報警指示燈點亮，經分析發現：原來是起動過程中負極電纜通過了幾百安培的電流，其產生的磁場使依靠磁性作用的液位報警傳感器的笛簧開關產生了不期望的閉合，造成儀表報警燈點亮。經過系統性優化相關策略，成功地解決了這一問題。可見在低壓線束的設計過程中，對大電流導線產生的磁場輻射，不能不防，尤其是一些磁敏器件或帶磁敏器件的傳感器、控制器等，如檢測位置的笛簧開關、霍爾傳感器等。

對高壓線束而言，對其輻射防范的重要性更是不言而喻。考慮不周還容易造成整車騷擾指標不能達標。圖12為某電動車高壓線束在采取輻射防范措施前后的輻射騷擾強度測試對比。

圖12 某車型高壓線束輻射騷擾測試對比

圖12 中上部折線為法規要求限值，從圖12a可見，未采取防范措施前在0.1MHz附近的低頻段出現了多個超標尖峰點；圖12b是采取了屏蔽措施的測試結果，原來低頻超標點得到了很好的控制。在實際的高壓線束設計過程中，對其屏蔽有多種方式：可根據屏蔽效率及整車布置情況，選用屏蔽高壓電纜、非屏蔽高壓電纜外套金屬管、非屏蔽電纜外套屏蔽網等技術措施。要使這些措施真正有效，還必須使屏蔽鏈封閉、且搭鐵良好，這對高壓線束連接器的選擇、高壓線束的生產、高壓線束的整車裝配，都提出了較高的要求。

3.3 線束總成接收外部電磁場的干擾、并將干擾通過傳導或輻射耦合到本車用電設備的防范

上述風險確實存在，好在當前車身系統大部分材質還是金屬材料，線束系統往往都布置在車身金屬結構內部，車身對線束系統進行了較好的屏蔽。當前一般的民用車輛對該項風險還不敏感。隨著智能汽車、智能道路、車載移動互聯網的發展，這方面的潛在風險今后必須要進行考慮。同時，隨著汽車電磁兼容性仿真分析技術的成熟應用，線束系統的天線效應分析一定會越來越高效、準確，這為提高線束系統的電磁兼容性水平提供了幫助。

4 結束語

影響線束系統電磁兼容性的因素還有很多，比如供電方面、搭鐵方面、線束系統的布置方面等。限于篇幅及本人認知水平，本文著重對線束串擾問題的產生機理及防范措施進行了淺顯的分析，希望能供同仁參考。

［1］ ［美］Clayon R.Paul.電磁兼容導論［M］.聞映紅，等，譯.北京：人民郵電出版社，2007：128-450.