一種汽車電氣系統電磁防護方法研究

關鍵詞：電磁防護；線束屏蔽處理；控制器模塊防護處理；接地點阻抗控制；電磁兼容性中圖分類號：U469 收稿日期：2025-05-14 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.013

Research on Electromagnetic Protection Method for Automotive Electrical System

Du LangdongNan ZiyuanJing PanZhang Zhuofan Shaanxi Heavy DutyAutomobile Co.，Ltd.，Xi'an 7102o0，China

Abstract：Conventionalautomotiveelectromagneticprotectionreliesheavilyonbulkymetalenclosuresorshieldedcabins.While effectiveimetingbasicoperaionalrequirements，teseappoachessuferfromsigificantspaceieffciencyandhighmanufacturing costs.Addressingthseliitations，tispaperproposesadvalidatesacomprehensiveelectromagneticprotectionmethodtargetingthe automotiveelectricalsystem.This methodfocusesonthetreecorephysicalpathwaysforelectromagneticinterference（EM）conduction：wiringhaeses，ontrolerodulesdgoundingpoits.Iticorporatesassdingtreamentontroleroduleprot tiontreatment，andimpedancecontrolofelectricalsystemgroundingpointstosystematicallnhanceelectromagneticompatibility （EMC）andresistanetoelectromagneticdamage.Experimentalresultsdemonstratethatthisapproachensuresprotectioneffcacywhile significantlyeducingspatialfootprintandimplementatiocosts，feriganctiesoutionforthelectromageticprotctiodsig ofautomotive electrical systems，particularly for special-purpose vehicles and new energy vehicles.

Keywords：Electromagneticprotection;Harnesshelding treatment;Controlermoduleprotectiontreatment;Groundingpointimpedance control;Electromagnetic compatibility （EMC）

1背景及意義

隨著新能源汽車的快速發展，高/低壓設備激增，高/低壓線束共存現象普遍，線束間串擾與共阻抗耦合問題加劇，導致汽車電磁兼容性（EMC）挑戰日益嚴峻。EMC已成為衡量汽車可靠性與安全性的核心指標，直接影響行車安全、電子系統壽命及用戶體驗[1]。對于特種車輛（如軍用、應急指揮車輛），電磁環境更為惡劣。電磁脈沖（EMP）武器等高能電磁威脅作用于關鍵電子設備，可瞬間引發通信中斷、控制失靈，甚至造成半導體器件的永久性損傷，導致指揮控制系統癱瘓，嚴重削弱作戰或應急效能2。因此，深入研究電磁損傷效應機理，開發高效、輕量化、低成本的防護技術，是提升車輛在復雜電磁環境下生存能力與任務可靠性的迫切需求。

傳統的以大型金屬整體屏蔽為主的防護方案（如加裝厚重金屬殼體或屏蔽方艙），雖然能提供一定的防護能力，但導致車身重量增加 20%～30% ，顯著增加能耗（尤其對電動汽車續航里程影響大），且與汽車輕量化、智能化、集成化的設計趨勢背道而馳。同時，其高昂的成本和復雜的改裝工藝也限制了廣泛應用。為解決上述矛盾，亟須發展更精準、高效的防護策略。本文提出的方法，核心在于識別并阻斷電磁干擾傳導的關鍵路徑，通過針對性處理線束、控制模塊和接地點，實現精準防護。該方法不僅實施難度低、空間占用小，且經評估可降低綜合防護成本 30% 以上，具有顯著的技術與經濟效益，契合現代汽車電磁防護的發展方向。

2電磁防護方法介紹

電磁防護技術體系包含濾波、隔離、屏蔽、接地、軟件容錯等多種手段[3]。針對汽車電氣系統，需從電磁干擾的侵入、傳導與耗散全路徑進行考量。研究表明：線束是電磁干擾傳導的主要載體，高壓線束（作為干擾源）與低頻信號線（作為敏感對象）均易受干擾影響；控制器模塊（ECU等）作為核心處理單元，其內部電路對電磁干擾極為敏感；系統接地點則是干擾電流泄放、形成完整回路的關鍵節點，其阻抗直接影響干擾電流的耗散效率。因此，線束、控制器模塊和接地點構成了干擾能量在電氣系統內傳導的三大核心物理路徑。本文提出的綜合防護方法即針對這三條路徑，包含以下關鍵技術。

2.1線束屏蔽處理

線束屏蔽是抑制電磁干擾輻射發射和輻射敏感度的基礎。本文推薦采用編織密度大于 90% 的高屏蔽效能防波套，其優勢在于：屏蔽效能優異（尤其在射頻段）、體積緊湊（相比傳統厚壁屏蔽層）機械可靠性高、工程易實施。

具體工藝步驟如下：

a.尺寸規劃：精確測量待屏蔽線束主干及分支的直徑與長度。選擇防波套內徑應比線束外徑大 3～5mm ，長度比線束長 3～5cm ，預留操作空間。

b.穿套原則：嚴格遵循“先主干后分支”原則，先將 防波套套入主干線束。

c.分支處理：處理分支線束時，采用“大套小\"連接方式：用主干線防波套完全包裹住各分支線束的防波套端頭。

d.連接固定：在主干與分支防波套的重疊部分（建議重疊長度 ?5cm ，使用高導電率屏蔽膠帶進行緊密纏繞固定，確保兩層屏蔽層間形成低阻抗、 360^° 連續的電氣連接，避免“豬尾巴\"效應。

e.末端接地：在線束末端，剝開防波套約 3cm ，將專用接地導線（截面積符合規范）與暴露的防波套編織層緊密壓接或焊接，再用屏蔽膠帶將接地線及連接處牢固纏繞固定在線束上，確保接地通路可靠。

f.連接器處理。

① 非金屬連接器：將防波套末端絕緣層剝去約3cm ，將暴露的防波套編織層緊密纏繞覆蓋在連接器殼體（或指定區域），再使用屏蔽膠帶進行密實、連續的纏繞包裹，確保防波套與連接器區域形成良好電連接，必要時可填充導電襯墊。

② 金屬連接器：利用連接器自帶的金屬尾附（CableGland）或屏蔽夾，將防波套編織層均勻鋪展后壓緊固定，確保尾附與防波套間實現 360^° 、低阻抗的金屬接觸。

③ 防護處理：為防止防波套和屏蔽膠帶受環境因素（濕氣、鹽霧、化學腐蝕）影響導致氧化或腐蝕，進而增大接地阻抗，需在屏蔽層（防波套和屏蔽膠帶）外覆具有防水、防塵、防腐蝕性能的外絕緣護套或涂抹防護涂層。

線束屏蔽處理后典型截面結構（從內至外）為：內部芯線（11）及絕緣層（12） $$ 防波套（屏蔽層13） $$ 外絕緣保護層（14），如圖1所示。

圖1線束屏蔽處理截面示意

2.2控制模塊防護處理

控制器模塊通常由外殼（上蓋 + 殼體）內部電路板和外部插接器組成，其防護要點在于構建一個連續、完整的電磁屏蔽體。

外殼屏蔽：選用金屬材料（如鋁合金、鍍鋅鋼板等）制造外殼（包括上蓋20和殼體21），見圖2。

圖2控制器防護處理示意

確保上蓋與殼體接縫處配合緊密。在接合面均勻涂抹高導電性導電膠23（如填充銀或銅顆粒的硅酮膠），固化后形成連續導電路徑。有效密封縫隙，大幅提升接縫處的屏蔽效能（SE），抑制電磁泄漏。

連接器屏蔽：外部插接器（22）同樣應選用金屬外殼連接器。連接器安裝到殼體時，需通過導電襯墊或簧片確保連接器金屬外殼與控制器金屬殼體之間形成低阻抗、連續的 360^° 電接觸。

內部電路防護包含傳導干擾抑制和抗瞬態浪涌。

傳導干擾抑制：在電源輸人線、關鍵信號線人口處，串聯安裝高性能濾波器（如 π 型、T型LC濾波器或饋通濾波器等）。這能有效濾除沿導線傳入模塊內部的傳導干擾，防止其干擾內部敏感電路。

抗瞬態浪涌：對于可能遭遇高功率微波（HPM）或高空電磁脈沖（HEMP）等寬帶、高能量瞬態威脅的場景，需在濾波器前端（靠近入口處）并聯浪涌抑制器件（如TVS二極管、壓敏電阻MOV或氣體放電管GDT）。浪涌抑制器負責快速鉗位過電壓，濾波器則負責將殘余的高頻能量與內部電路隔離，形成兩級防護。器件選型需考慮工作電壓、鉗位電壓、通流能力及響應速度，并與濾波器特性匹配。

2.3電氣系統接地點阻抗控制

接地系統的有效性直接決定了干擾電流能否順暢泄放。核心目標是確保所有接地點實現可靠搭接，使搭接阻抗趨近于 0Ω ○

問題根源：金屬部件（車身、底盤、專用接地排等）表面在空氣中會自然氧化形成絕緣氧化膜（如鋁的AI203）。若直接將接地線或部件搭接在未經處理的氧化表面上，實際導電的是這層高阻薄膜，導致搭接點阻抗顯著增大，成為干擾耗散的瓶頸。

其關鍵工藝如下：

a.表面預處理：在選定作為接地點的金屬表面（31）上，必須徹底清除氧化膜、油漆、油污等絕緣物，可采用機械打磨（如鋼絲刷、砂紙）化學清洗（專用金屬清洗劑）或熱熔（如焊接）等方法，暴露出潔凈、光亮的基體金屬。

b.涂抹導電膏（30）：在預處理后的潔凈金屬表面（31）上，均勻涂抹一層高導電性、耐腐蝕的導電膏（通常含鋅、銅或銀微粒）。導電膏能填充微觀不平處，隔絕空氣防止氧化，并在搭接面間形成穩定的金屬導電通路。c.可靠搭接：將接地線端子（32）或需要接地的部件金屬面，與涂抹了導電膏的接地點（31）進行緊密、牢固的機械連接（如螺栓緊固、焊接），確保接觸壓力足夠大。理想狀態是實現金屬與金屬的直接接觸，導電膏起輔助和保護作用，見圖3。

圖3接地點阻抗控制示意

d.防腐處理：搭接完成后，可在連接處外部涂敷防銹油脂或密封膠，防止環境腐蝕導致阻抗隨時間增大。

3試驗驗證

為驗證本防護方法的有效性，選取某型軍用越野車作為試驗平臺。對其整車電氣系統實施改造：關鍵線束進行2.1節所述屏蔽處理；核心控制器模塊（如發動機ECU、車身控制器）按2.2節進行屏蔽與濾波加固；全車主要接地點嚴格按2.3節進行低阻抗處理。改造后車輛在專業電磁環境模擬實驗室進行了嚴苛的測試。

3.1復雜電磁環境測試

依據相關標準[4-7]，使用EME測試系統產生峰值電場，分別照射車輛前部（中間、左側、右側）及后部共四個典型位置。測試頻段覆蓋 10kHz～3.6GHz （詳見表1），電場強度最高達 20000V/m（3.0～3.6GHz） 。測試期間車輛保持全系統通電運行狀態（發動機運轉、變速箱掛擋、儀表及燈光工作），實時監控并記錄車輛狀態。

表1輻射場強度值

試驗結果：在整個輻照過程中，車輛發動機轉速穩定，變速箱檔位切換正常，所有車載電子系統功能無異常（如無熄火、無亂擋、無儀表顯示錯誤、無燈光閃爍/熄滅），試驗后操作檢查，車輛各項功能均正常，表明該防護方法在寬頻帶連續波輻射環境下防護效果顯著。

3.2高功率微波

依據GJB8848—2016《系統電磁環境效應試驗方法》5，進行了兩類HPM試驗：

a.超寬帶（UWB）脈沖輻照試驗：輻照場強等級分別為 90kV/m，110kV/m，160kV/m，200kV/m

b.窄帶高功率微波（S波段）輻照試驗：輻照場強等級分別為 10kV/m，30kV/m，50kV/m 。車輛置于輻射場輻照區內，分別以車頭正對和車側面對輻射源兩種典型姿態進行照射。試驗中保持車輛所有系統開啟并正常工作。

c.試驗結果：在所有預設的UWB及S波段HPM輻照場強等級下，車輛均未出現任何敏感現象（如系統重啟、誤動作、功能失效、器件損壞等），證明該方法對高功率瞬態電磁脈沖具有強魯棒性。

3.3高空電磁脈沖

依據GJB1389A—2005《系統電磁兼容性要求》及GJB8848—2016，在有界波電磁脈沖模擬器內進行HEMP輻照試驗。車輛分別以正向（車頭）斜向 （45^°） 、側向（車身側面）三種朝向放置于測試區。每種朝向下，由低到高依次施加三種不同強度的HEMP場（場強范圍36.5～65.4kV/m ，詳見表2）。每次脈沖照射后，立即檢查并記錄車輛狀態。

試驗結果：在表2所列的所有照射方向及場強等級下，車輛均未產生任何可觀測到的效應現象（如電子設備故障、通信中斷、控制失靈、硬件損傷等），充分驗證了該方法在抵御高空核電磁脈沖等極端威脅方面的有效性。

4結語

本文提出并驗證了一種面向汽車電氣系統的綜合性電磁防護方法。該方法通過精準識別并阻斷電磁干擾傳導的核心路徑一一線束、控制器模塊及接地點，系統性地實施了高密度屏蔽線束處理、控制器模塊全方位（殼體、連接器、內部濾波/浪涌）防護處理以及低阻抗接地點搭接控制。經復雜電磁環境、高功率微波及高空電磁脈沖等多維度嚴苛試驗驗證，該方法能顯著提升車輛電氣系統的電磁兼容性和抗強電磁毀傷能力。

表2強電磁脈沖值

相較于傳統依賴笨重金屬整體屏蔽的方案，本方法具有實施便捷、空間占用小、重量增加少（符合輕量化趨勢）及綜合成本降低顯著（ gt;30% ）等突出優勢。該方法不僅為軍用、特種車輛的戰場生存力提供了可靠保障，其核心思路與技術（如精準屏蔽、濾波、低阻抗接地等）同樣適用于對EMC要求日益嚴苛的民用車輛，尤其是高/低壓共存、電子化智能化程度高的新能源汽車，為整車電磁防護設計提供了重要的理論支撐與實踐指導，可有效縮短產品開發周期，降低研發與制造成本。

未來，隨著汽車電子電氣架構向域集中式、中央計算式演進，以及5G/V2X、自動駕駛傳感器等高頻大功率設備的廣泛應用，電磁環境將更加復雜，防護需求持續攀升。本方法所體現的“路徑阻斷、精準防護、成本可控”理念，將持續引領汽車電磁防護技術的發展方向。后續研究可進一步探索新型材料（如復合屏蔽材料、納來導電涂層等）與智能化動態防護技術在車輛平臺上的集成應用。

參考文獻：

[1]鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與測試案例分析[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]任國鋒，田豐，楊林.汽車控制器電源系統的抗擾性設計[J].電源技術，2016（3）：659-661.

[3]林艷萍.汽車電磁兼容標準[J].安全與電磁兼容，2002（4）：10-11.

[4]GJB151B—2013軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量[s].

[5]GIB8848—2016系統電磁環境效應試驗方法[S].

[6]GJB1389B—2022系統電磁環境效應要求[S].

[7]GJB/Z25—91電子設備和設施的接地、搭接和屏蔽指南[S].

作者簡介：

杜浪東，男，1990年生，工程師，研究方向為汽車電氣系統及零部件開發。