汽車(chē)線束EMC設(shè)計(jì)基本原則

【摘" 要】通過(guò)對(duì)汽車(chē)線束電磁干擾的原理進(jìn)行分析，基于3種線束干擾耦合方式的原理，給出汽車(chē)線束設(shè)計(jì)時(shí)需要遵守的EMC設(shè)計(jì)原則，并通過(guò)CST仿真軟件對(duì)部分設(shè)計(jì)原則進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)原則的一致性，為汽車(chē)整車(chē)電磁兼容設(shè)計(jì)提供依據(jù)。最后通過(guò)實(shí)際案例的解析，再次驗(yàn)證整車(chē)線束EMC設(shè)計(jì)原則。

【關(guān)鍵詞】汽車(chē)線束；電磁干擾；耦合途徑；CST仿真

中圖分類號(hào)：U463.62" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）03-0053-04

Basic Principles of EMC Design for Automotive Wiring Harness

FU Guoliang，HUANG Yanqiong，WU Xiaoyu，LI Junjian，XU Wei

（Automotive Engineering Research Institute，Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.，Guangzhou 511434，China）

【Abstract】Based on the analysis of the principle of electromagnetic interference of automotive wire harnesses，and the principle of three kinds of coupling modes of wire harness interference，this paper gives the EMC design principles which should be observed in automotive wire harnesses design，And some design principles were simulated by CST simulation software to verify the consistency between simulation results and design principles，and to provide a basis for vehicle electromagnetic compatibility design. Finally，through the analysis of practical cases，the EMC design principle of vehicle wiring harness is verified again.

【Key words】automobile wire harness；EMI；coupling path；CST simulation

在全球汽車(chē)動(dòng)力電氣化、控制智能化、信息網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)下，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)成為國(guó)際汽車(chē)工程領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)與未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)核心。電子新技術(shù)的應(yīng)用隨之而來(lái)的是汽車(chē)內(nèi)外電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，不但影響車(chē)輛EMC法規(guī)性能，也影響著智能駕駛和網(wǎng)聯(lián)通信功能的可靠實(shí)現(xiàn)，對(duì)整車(chē)電磁兼容性也提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

汽車(chē)線束作為整車(chē)所有電子電器零部件相互連接以及電氣零部件與車(chē)身節(jié)點(diǎn)連接的載體，在電磁干擾中通常都是干擾的傳輸路徑。因此，線束的布置、走線是否符合EMC設(shè)計(jì)原則將直接影響著整車(chē)的EMC性能，嚴(yán)重的將導(dǎo)致車(chē)輛法規(guī)不通過(guò)、功能失效等現(xiàn)象，為此在整車(chē)線束設(shè)計(jì)時(shí)，要明確需遵循哪些EMC設(shè)計(jì)原則。

1" 汽車(chē)線束電磁干擾機(jī)理

線束間電磁干擾的耦合途徑主要有公共阻抗耦合、電容耦合、電感耦合等[1]，整車(chē)線束EMC設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則基于這幾種耦合途徑而制定。

1.1" 公共阻抗耦合

2條或2條以上的線束回路經(jīng)過(guò)同一導(dǎo)體時(shí)，該導(dǎo)體中的阻抗即稱為公共阻抗。如圖1所示，在公共阻抗上產(chǎn)生的電壓受流經(jīng)該導(dǎo)體上的所有回路電流的影響，同時(shí)該電壓也會(huì)影響其他回路中的電壓，這樣就形成了公共阻抗耦合。簡(jiǎn)單的公共阻抗耦合如圖1所示，公共阻抗ZG上形成的電壓Us同時(shí)受電路1和電路2上的電流影響，同時(shí)，電壓Us也會(huì)影響電路1和電路2的回路電壓。當(dāng)電路1為敏感源的線束，電路2為干擾源的線束，電路2產(chǎn)生的噪聲電流將通過(guò)公共阻抗ZG耦合到電路1的線束上，對(duì)電路1的敏感源造成干擾。

在直流情況下，公共阻抗很小，可以忽略不計(jì)。但由于寄生參數(shù)的存在，隨著頻率增加，公共阻抗會(huì)越來(lái)越大，且會(huì)隨頻率發(fā)生變化[2]。

1.2" 電容耦合

在2個(gè)有電位差的電路系統(tǒng)或?qū)Ь€之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，從而產(chǎn)生寄生電容，這個(gè)寄生電容便成為導(dǎo)體之間高頻干擾信號(hào)傳遞的路徑，即形成了電容耦合。圖2為典型的平行導(dǎo)線構(gòu)成的電容性耦合等效模型。假設(shè)圖2a中導(dǎo)線1所在電路為干擾源電路，導(dǎo)線2為被干擾電路，導(dǎo)線2上有負(fù)載Z21和Z22，C12為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間分布電容，C1和C2為導(dǎo)線1和導(dǎo)線2的搭鐵寄生電容，U2為導(dǎo)線2上感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電壓，電容性耦合模型等效電路如圖2b所示。

導(dǎo)線2上產(chǎn)生的電壓U2與干擾源電壓U1之間的關(guān)系：

式中：XC12——電容C12的容抗，且" " " " " " ；Z2 ——C2、Z12、Z22三者并聯(lián)的阻抗，且

1）當(dāng)頻率較低時(shí)，|XC2|gt;gt;Ze，Z2≈Ze，同時(shí)|XC12|gt;gt;Ze，式（1）可以簡(jiǎn)化為

U2≈jωC12ZeU1（3）

由式（3）可知，電容耦合干擾電壓與干擾源工作頻率f、敏感電路搭鐵阻抗Ze、耦合電容C12和干擾源電壓U1成正比。頻率越高，電容性耦合越強(qiáng)，所以電容性耦合主要在高頻時(shí)形成干擾。相當(dāng)于敏感電路與搭鐵之間連接了幅值為I=jωC12U1電流源。

2）當(dāng)頻率較高時(shí)，|XC2|lt;lt;Ze，|XC12|lt;lt;Ze，于是有

由式（4）可知，當(dāng)頻率較高時(shí)，敏感電路產(chǎn)生的電容性耦合干擾電壓與頻率無(wú)關(guān)，與敏感電路搭鐵的寄生電容C2、敏感電路與干擾電路之間的寄生電容C12有關(guān)。因此，干擾源回路與敏感源設(shè)備回路靠得越近，平行布線的距離越長(zhǎng)，電容性耦合就越嚴(yán)重。

1.3" 電感耦合

電感耦合指干擾源產(chǎn)生的磁場(chǎng)與敏感裝置以互感的形式產(chǎn)生傳導(dǎo)性干擾。如設(shè)備噪聲磁場(chǎng)的磁通密度為B，穿過(guò)一個(gè)面積為S的閉合回路，如圖3所示，因電磁感應(yīng)現(xiàn)象，噪聲磁場(chǎng)就會(huì)在該回路中產(chǎn)生干擾電壓Un，即

如果上述回路固定不變，噪聲磁場(chǎng)為均勻場(chǎng)且隨時(shí)間作正弦變化，式（5）可以簡(jiǎn)化為

式中：S——閉合回路的面積；B——按正弦變化的磁通密度的有效值；ω——角頻率；Un——感應(yīng)電壓的有效值。BScosθ表示耦合到被干擾閉合回路的總磁通量，即閉合回路面積越大，產(chǎn)生的干擾與耦合到的干擾也就越大。

在汽車(chē)實(shí)際線路中，2條平行走線的導(dǎo)線之間就可能形成電感耦合，用互感M來(lái)表示，典型電路如圖4所示，I1為線路1中產(chǎn)生噪聲磁場(chǎng)的電流，干擾電壓Un在線路2中產(chǎn)生的電流為

當(dāng)干擾源工作頻率很低時(shí)，" " " " " " ，式（7）可以簡(jiǎn)化為

當(dāng)干擾源工作頻率很高時(shí)，R+R2lt;lt;jωL2，式（7）可簡(jiǎn)化為

由式（8）和式（9）可知，磁場(chǎng)耦合量│I2 / I1│隨頻率的升高而增加，當(dāng)頻率增加到一定時(shí)，其耦合量主要取決于2線路之間的互感系數(shù)M和線路2的電感量L2。

2" 汽車(chē)線束布置EMC原則

2.1" 一般原則

基于電磁干擾的機(jī)理，在進(jìn)行汽車(chē)線束設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠更好地提高整車(chē)電磁兼容性，一般需要遵守以下原則。

1）在線束設(shè)計(jì)中，2個(gè)金屬導(dǎo)體之間的距離影響導(dǎo)體間的寄生電容和互感大小，距離越遠(yuǎn)，電容和互感越小，為此在干擾源線束布置時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離敏感部件及其連接線束，盡可能單獨(dú)布置。干擾源的連接線束與敏感部件的連接線束的距離應(yīng)不小于100mm。干擾源的連接線束無(wú)法遠(yuǎn)離敏感部件的連接線束時(shí)，應(yīng)將兩者（幾何形狀）垂直交叉布置，如不能實(shí)現(xiàn)，也要盡可能保持一定的角度。

2）線束不要遠(yuǎn)離金屬車(chē)身懸空布置，線束距離車(chē)身金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)不超過(guò)100mm，原則上越近越好，金屬車(chē)身與蓄電池負(fù)極相連，可以作為整車(chē)電氣系統(tǒng)的“0V”參考地平面。靠近車(chē)身布置，能夠利用金屬車(chē)身的屏蔽和搭鐵保護(hù)線束，減少受到的干擾。同時(shí)，也可以減小線束自身產(chǎn)生的對(duì)外輻射。因此應(yīng)將線束布置在金屬車(chē)身的夾角、凹槽內(nèi)，或者緊貼金屬車(chē)身布置。

3）為了降低電磁輻射耦合造成的影響，應(yīng)盡可能減小干擾源和敏感部件電流回路的面積（如圖5陰影部分所示）和線束長(zhǎng)度。這也是整車(chē)線束設(shè)計(jì)時(shí)，降低電磁輻射耦合的最基本的原則，示例見(jiàn)圖5。同一電流回路中，電源線和搭鐵線這2根導(dǎo)線需平行布置，以減小電流的回路面積，降低線束對(duì)外產(chǎn)生的電磁輻射，同時(shí)減小外部干擾與線束之間的耦合，從而增強(qiáng)抗干擾能力，降低對(duì)外輻射強(qiáng)度。

2.2" 大電流線束設(shè)計(jì)原則

大電流線束屬于干擾源，對(duì)于大電流部件的連接線束，一般遵循如下原則。

1）大電流的導(dǎo)線會(huì)在其周?chē)纬蓮?qiáng)磁場(chǎng)，如圖6所示。一般不能以車(chē)身作為大電流部件的電流回路。若是在采用車(chē)身作為電流回路的情況下，電源正極線應(yīng)靠近車(chē)身布置，以減小電流回路的面積。

2）大電流回路的負(fù)載和電源之間的布置距離應(yīng)盡可能短，同時(shí)電源正極線和負(fù)極線應(yīng)平行伴隨走線[3]，避免電源正極線和負(fù)極線走在不同的線束支路中，從而減小回路面積，降低大電流線束的對(duì)外輻射量。

3）大電流線束應(yīng)單獨(dú)布置，避免與敏感部件線束走在同一捆線束中，若無(wú)法避免，需保證彼此共線長(zhǎng)度最短，同時(shí)敏感部件線束使用屏蔽線或雙絞線，或者大電流線束單獨(dú)捆扎后再與其它線束捆扎在一起或大電流線束使用屏蔽線來(lái)降低耦合風(fēng)險(xiǎn)。

2.3" 射頻信號(hào)線束設(shè)計(jì)原則

對(duì)通過(guò)射頻信號(hào)的線束布置遵循如下原則。

1）射頻部件的線束和強(qiáng)干擾部件的線束捆扎在不同線束中。

2）不要將強(qiáng)電干擾部件及其線束布置在通過(guò)射頻信號(hào)的線束附近。

3）不要將大電流部件（如雨刮、鼓風(fēng)機(jī)等）布置在射頻天線附近。

2.4" 雙絞線的布置原則

雙絞線是由2條相互絕緣的導(dǎo)線按照一定的規(guī)格互相纏繞（一般以順時(shí)針纏繞）在一起而制成的一種通用配線。敏感部件的連接線建議使用雙絞線，如發(fā)動(dòng)機(jī)氧傳感器、爆震傳感器、CAN總線等。

雙絞線模型如圖7所示。在雙絞線中，相鄰2個(gè)環(huán)路由于電磁騷擾電流產(chǎn)生的磁通變化引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)趨于抵消，從而可以削弱電磁場(chǎng)的影響，減少電感耦合，這對(duì)于降低電磁發(fā)射和提高抗干擾能力都有作用。雙絞線在單位長(zhǎng)度上絞合的次數(shù)越多，電磁騷擾產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的抵消效果也越好。因此，單位長(zhǎng)度上絞合的次數(shù)越多，減小電感耦合的效果越好。

使用雙絞線時(shí)，一般遵循如下原則。

1）單位長(zhǎng)度上絞合的次數(shù)越多，雙絞線減小電感耦合的效果越好。

2）對(duì)于大電流設(shè)備或強(qiáng)干擾線束，可以使用雙絞線構(gòu)成正負(fù)極回路。大電流部件使用雙絞線時(shí)，應(yīng)使負(fù)載的所有電流經(jīng)過(guò)雙絞線流回構(gòu)成回路，如圖8a所示，這樣可以減小電流回路的面積。不應(yīng)將雙絞線的負(fù)極線在負(fù)載端搭鐵，如圖8b所示。這樣不僅增大了回路面積，且削弱了雙絞線減小電感耦合的能力。

3）干擾源和敏感部件使用雙絞線時(shí)，應(yīng)使用不同絞距，避免兩者之間的干擾信號(hào)產(chǎn)生耦合。

3" 線束布置EMC仿真

針對(duì)線束布置距離及共線長(zhǎng)度等問(wèn)題，通過(guò)CST仿真軟件進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)原則是否合理。仿真等效電路模型如圖9所示。2根平行線束的間距為d，線束長(zhǎng)度為L(zhǎng)，2根線束距離車(chē)身搭鐵高度為h。2根線束的端接電阻為50Ω，在干擾線上施加一個(gè)干擾源，仿真得到受干擾線束的近端串?dāng)_電壓，進(jìn)而確認(rèn)線束間距、線束長(zhǎng)度以及導(dǎo)線搭鐵高度等因素對(duì)線束間產(chǎn)生的影響。

3.1" 線束間距對(duì)線束間耦合串?dāng)_的影響仿真

當(dāng)線束共線長(zhǎng)度L=2000mm、線束距離搭鐵高度h=10mm時(shí)，仿真不同線束間距d對(duì)受擾線束上近端耦合電壓的影響。令線束間距d分別為10mm、20mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm。

3.1.1" 頻域分析

干擾源設(shè)置幅值為50V，頻率范圍為0～500MHz的正弦穩(wěn)態(tài)電壓源，不同d情況下受擾線束耦合電壓頻域曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著線束間距逐漸增大，線束間的串?dāng)_電壓相應(yīng)逐漸減小，且在不同間距，線束間串?dāng)_的諧振頻率基本一致。當(dāng)線束間距在50mm以內(nèi)時(shí)，距離變化引起的耦合電壓變化幅度較大，當(dāng)線束間距50mm以上時(shí)，距離變化引起的耦合電壓變化較小，而當(dāng)線束間距在100mm以上，間距的變化對(duì)線束耦合電壓的影響微乎其微，因此當(dāng)敏感線束和干擾線束距離100mm以上時(shí)，線束間的耦合干擾可以忽略，與設(shè)計(jì)原則一致。

3.1.2" 時(shí)域仿真

干擾源設(shè)置幅值50V、頻率1MHz、占空比50%、上升沿和下降沿時(shí)間為20ns的PWM電壓源，不同d情況下受擾線束上耦合電壓時(shí)域曲線如圖11所示。

通過(guò)圖11也可以清楚地知道，隨著間距d的增大，線束串?dāng)_在時(shí)域上的峰值電壓不斷減小，當(dāng)間距增大到100mm時(shí)，近端耦合電壓趨近于0，與頻域仿真結(jié)論一致。再一次驗(yàn)證了干擾線束與敏感線束間距應(yīng)大于100mm的原則，如果實(shí)際布置中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也盡可能控制在50mm以上。

3.2" 共線長(zhǎng)度對(duì)線束間耦合串?dāng)_的影響仿真

當(dāng)線束間距d=50mm、線束距離搭鐵高度h=10mm時(shí)，仿真不同線束共線長(zhǎng)度L對(duì)受擾線上近端耦合電壓的影響。令線束長(zhǎng)度L分別為100mm、300mm、500mm、1000mm、1500mm、2000mm。

3.2.1" 頻域分析

干擾源設(shè)置幅值50V、頻率范圍0～500MHz的正弦穩(wěn)態(tài)電壓源，仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可以看出，不同的共線長(zhǎng)度會(huì)影響線束串?dāng)_的諧振頻率，共線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，諧振基頻越小，因此在某個(gè)頻率范圍內(nèi)耦合電壓較大的諧振點(diǎn)越多。在低頻范圍內(nèi)，最大共線長(zhǎng)度的諧振點(diǎn)以前，受擾線束上的耦合電壓隨共線長(zhǎng)度增大而增大。

3.2.2" 時(shí)域仿真

干擾源設(shè)置幅值50V、頻率1MHz、占空比50%、上升沿和下降沿時(shí)間為20ns的PWM電壓源，仿真結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，隨著線束共線長(zhǎng)度的增大，近端耦合電壓峰值增大，且耦合電壓脈沖寬度增大。因此，在汽車(chē)布局布線時(shí)，為了減小線束耦合串?dāng)_，干擾線束與敏感線束應(yīng)分開(kāi)走線，如無(wú)法避開(kāi)，應(yīng)盡可能減小干擾線束與敏感線束的共線長(zhǎng)度，與上面論述的設(shè)計(jì)原則一致。

4" 故障案例分析

線束的布局走線受車(chē)輛結(jié)構(gòu)、電器件布置、車(chē)輛電氣架構(gòu)等因素的影響，很難做到完全符合線束的EMC設(shè)計(jì)原則，因此會(huì)存在一些因線束布置而引發(fā)的電磁干擾問(wèn)題。

某車(chē)輛在進(jìn)行擋位切換時(shí)，儀表提示“請(qǐng)檢查APA系統(tǒng)，自動(dòng)泊車(chē)功能無(wú)法使用”。通過(guò)對(duì)問(wèn)題分析定位，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)線波形受干擾突變，導(dǎo)致故障產(chǎn)生，實(shí)車(chē)確認(rèn)雷達(dá)信號(hào)線與線控?fù)Q擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)線存在并行走線，換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)線電磁干擾耦合到雷達(dá)信號(hào)線上。

如圖14a所示，換擋執(zhí)行器電機(jī)驅(qū)動(dòng)線束與雷達(dá)信號(hào)線共線長(zhǎng)度達(dá)1770mm，該車(chē)型雷達(dá)信號(hào)為模擬信號(hào)線，屬于敏感信號(hào)線，而線控?fù)Q擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為PWM功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，屬于強(qiáng)干擾信號(hào)線，這種布線方式違背了線束設(shè)計(jì)原則中大電流線束不能與敏感線束共線的原則。倒車(chē)?yán)走_(dá)線束和線控?fù)Q擋線束都要經(jīng)過(guò)前機(jī)艙和駕駛艙，而前機(jī)艙和駕駛艙之間的過(guò)孔只有一個(gè)，所以無(wú)法徹底分開(kāi)走線，按照線束EMC設(shè)計(jì)原則，如果無(wú)法避開(kāi)走線，要使共線長(zhǎng)度盡可能短，耦合到信號(hào)線上的干擾盡可能小。采取的方案是將雷達(dá)線束與電機(jī)驅(qū)動(dòng)線束除過(guò)孔處外均分開(kāi)走線，最大化減小共線長(zhǎng)度。雷達(dá)與線控?fù)Q擋執(zhí)行器共線示意如圖14b所示，同時(shí)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)線單獨(dú)捆綁在一起后再與其他線束捆在一起。更改后，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，干擾問(wèn)題已消除。

5" 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)線束本身不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，但電磁干擾可以通過(guò)線束進(jìn)行傳播，為此在進(jìn)行汽車(chē)線束設(shè)計(jì)時(shí)一定要遵循線束的EMC設(shè)計(jì)原則，以避免因線束設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題。本文結(jié)合電磁干擾的機(jī)理給出了線束設(shè)計(jì)時(shí)需要遵守的EMC設(shè)計(jì)要求，為汽車(chē)線束設(shè)計(jì)走線提供重要的依據(jù)。

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（編輯" 凌" 波）