（动力机械及工程专业论文）柴油机电控系统ecu的emc分析及改进设计.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：柴油机电子控制技术以其精确、快速以及可柔性控制的特点，成为了当今 发动机技术发展的一个重要组成部分。本文基于国家8 6 3 课题“大功率商用柴油 机电控单元的开发 主要进行电控单元e m c 性能分析及改进设计，为最终设计符 合国家相关标准、稳定可靠的e c u 打下基础。论文在以下几个方面开展研究工作： 首先，分析总结国内外汽车电子e m c 标准体系，以c e 、l 冱、c s 、r s 、 e s d 五类划分的方法将e m c 标准进行技术分类，分析总结每一类标准的测试内容、 测试方法、对e m c 设计的指导意义。并从中总结出为达到这些测试标准要求在 e c u 设计中应采取的技术措施。 然后，根据电控单元结构，结合e m c 标准的指导，针对升压电路、电磁阀驱 动电路的e m l 特性应用p s p i s e 软件进行仿真分析，获得干扰源的干扰形式、干 扰量，并进行了e m i 抑制措施仿真设计。 其次，为提高电控单元的工作可靠性，设计了升压电路的驱动保护电路、电 磁阀隔离驱动电路，为提高m c u 性能，设计了基于p w m 跟踪控制的电磁阀低压 维持电路。 最后，总结旁路、滤波、合理分区、合理接地、合理选择器件、减少布线环 路以及多电源隔离供电等e m c 措施，应用p t e l 软件设计电控单元的硬件电路， 并进行实验，证明了升压电路及电磁阀驱动电路的正确性以及采取e m i 抑制措施 对电路的改善效果。 通过上述工作，掌握了发动机电子控制系统设计，进一步理清了电控单元可 靠性及e m c 性能设计思路，为电控单元进一步的开发工作打下了良好基础。 关键词：电控单元；可靠性；电磁兼容性；b o o s t 升压；电磁阀驱动电路 分类号： a bs t r a c t a b s t r 久c t ：e l e c t l 的i l i cc o n b d lt 1 1 i l o l o 蹦o fd i e s c l 饥g i 鹏h 弱b e c o m e 觚i m p o n 叠m t p a no fe n g i i 圮t 仪h n o l o 雩孤r e c a i t l mf 0 ri t sd 同陋c t e 培o f 删s i o n 瑚哂d 龃dn e x i b l e - t l l i sp a p 盯i sb 嬲e d t l l es u _ b j e c to f “e c ud e v e l o p i i l e n to fh i g l lp o w 盯c 0 衄e 而a l d i e 烈如g i n e 砌c hi sap 喇e c to fn a t i 伽m “8 6 3 ”p l 觚t 1 l ep a p e rh 鹊l a y e dn 埔 f 1 0 硼d 撕o n 矗玎d e s i g no fe c uw h i c hi sm e e tn a t i o n a ls t a 】帕a 珂锄dr e l i a b l e 1 1 坞m a i n w o f ka l l da c h i e v 锄e n t sa l l ea sf 1 0 u o w ： f i r 瓯蝴撕z e l e 卸t o m o t i v ee m cs t 觚d 矾s 缸h 伽a n da b a d c l 勰s i f i e d t h 咖鹬c e 、l 也、c s 、r s 、e s df i v c p a r t s a n a l y z e t h e t e s t m 舢o f e a c h t ) r p e ，锄d 1 0 0 k0 u tt h em o to f e m c p 劬l 锄s t 0g i l i d em e d 岱i 班 r n l e 玛c 0 柑i l l gt 0 锄a l y s i so fe c us 缸u c 劬陀g u i d eo fe m cs t 锄d a m ，n 坞p a p 钉 g e t s 也ei i l f 0 衄a ：t i o no ft l l es o u r c 镐n 坞向肌a n dt t 帕m a io fi n t e - 锨l t b u 曲 s i m u i a t e s 廿l ee m ic _ h a 绷e r so fb o o s tc i r c u i t 锄ds o l e n o i d v a l v ed r i v ec j 【i 嘶t a n d l e n t a l 【es i i i n l l 鲥o nd 骼i 舶f o re m i 鲫p p 豫；s i o nm 隐s u r 鹤 1 1 l i 耐，ap m t 优t i c i 形i l i t 仍rd d v i n gb o o s tc i r c l l i t 觚d 锄i l a t i o n l 即o i dv a l v e d r i v ec 沁u i th 鹪b e 朗d 鹤i 朗e dt oi m p m v et h em l i a b i l i t y0 fe c u f u r t l 瑚m o 鸭i no 一钉 t oi m 】p m v e 玲r e l i a b i l i t ) ro fe c ut 】h ep a p 盯d 懿i 印e dal o wv 研t a g em a i l l t 钮锄c i 删i t b 鹊e d 衄纽l c i n gc o r l t m lo f p w m i i lo r d c rt 0i m p m v et 1 1 e1 1 b l i a b i l i t yo f e c u f i n a l l y 踟mu pm 锄ym 蚀s u r 鹳鲫c h 弱b y p 舔s ，f i l t e 血强r e a n a b l ed i s i o n 觚d p a i t ss e l c c t i o n t h e np m v e dc o r r 砒e 鼹o f t h eb 0 0 s td r c l l i t 觚ds o l e n o i dv a l v ed 打v e c i 】咖i ta ts 砌et i m et e s t i 母t l l ec to fc i 栅i tb ye m i 跚p p r e s s i o nm e 鹞u r 髓 r n 嵌；ew o r 】| ( s c 缸h e l pt 0g e tt h ed 商印i d e 鹤o fe c u 砌i a b i l i t yd 懿i 朗a n d p e ：r 向咖m c eo fe m cd e s i 朗t h a tl a y sa9 0 0 df o u 耵i d a t i o nf o r 觚h e rd e v e l o p m e n to ft h c e c u k e o r d s ：e c u ；r e l i a b i l i t ) r ；e m c ；b 0 0 s t ；s o l 饥o i d 砌v ed r i v ec i r c l l i t c l 。a s s n o ： v 致谢 本论文的工作是在我的导师郭林福教授的悉心指导下完成的，郭老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来对我 的敦促及对我的关心和指导。 郭老师授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向郭老师表示衷心的谢意。 郭老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张欣老师对实验室的同学给予了细心的照顾， 实验室同学对我论文中的实验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 柴油机及其电子控制技术的优越性 车辆所用的发动机主要有柴油机和汽油机，与汽油机比柴油机有下列优点【l 】： 1 ) 燃料直接喷入发动机的燃烧室，使柴油机不会发生早燃、爆燃等不正常燃烧 现象，可以采用高达2 0 左右的压缩比，热转换效率高。 2 ) 燃料与空气的分层混合，使柴油机可以在任何数值的稀空燃比下正常燃烧， 能获得进一步的效率优势。 3 ) 燃料分层混合的特点，使柴油机不必像汽油机那样采用进气量调节法调节输 出功率，在部分负荷运转时，燃烧过程比全负荷时更好，进气不必节流，使用效 率大大高于汽油机。 4 ) 柴油机在通常情况下( 在过量空气的情况下工作) ，排放的碳氢化合物较相应 的汽油机要少得多。至于氮氧化物的排放，由于燃烧过程的特征不同，汽油机在 大负荷运行时排放量较柴油机多，而柴油机在小负荷运行时排放量较汽油机多。 5 ) 柴油机除颗粒直径为0 1um 左右的碳烟微粒外，其他排放污染物一般要比 汽油机少。与汽油机相比，现代柴油机的c o ，排放要低1 5 3 2 ，温室效应气体 排放低4 5 左右。柴油机c o 和h c 的排放非常低，可破坏臭氧的h c 排放仅为汽 油机的三分之一。 以上的这些优势，使柴油机具有更广的发展空间。现代柴油汽车已在重中型 汽车中基本取得了垄断地位，柴油机在轻型汽车中占有了3 0 4 0 的比例，在 轿车中占有的比例也在逐步上升。但是为了满足日趋严格的排放法规，以及人们 对车辆的可驾驶性、舒适性和安全性的需求日益提高，各汽车制造商、发动机生 产商、研究机构不得不考虑采用先进技术改善发动机的燃烧过程，优化发动机的 尾气排放，获得更好的燃油经济性。 在众多改进技术当中，柴油机电子控制技术以其精确、快速以及可柔性控制 的特点，成为了当今发动机技术发展的一个重要组成部分。相比机械控制方式， 柴油机采用电子控制技术的优势在于【2 卅： ( 1 ) 电子控制技术使得各种参数的调节和对各种过程的控制相比原先的机械、 液压等控制方式更为精确和灵活，更易于实现性能优化和协调，这将使柴油机的 燃油消耗和有害排放大为降低。 ( 2 ) 由于机械、液压控制在结构、工艺上的复杂性和局限性，很多可以改善柴 北京交通大学硕士学位论文 油机性能的有效方法无法实现。比如：预喷射、后喷射以及喷油压力等的精确控 制。电子控制技术快速的发展使这些方法成为现实，柴油机的综合性能将产生新 的飞跃。 ( 3 ) 电子控制技术大大增加了柴油机控制的灵活性，除常规稳态性能控制外， 还扩展到各种过渡过程的优化控制、故障检测和处理、操作过程自动化和自适应 控制等，最终发展为整个柴油机的管理系统，显示了机电一体化所带来的优越性。 ( 4 ) 特别是柴油机高压直喷技术、增压中冷及废气再循环( e g r ) 技术和电控 喷油技术的出现，使得柴油机技术的发展得到标志性飞跃。他们也成为柴油机发 展历程的三个里程碑，其中电控高压燃料喷射技术是目前的研究热点，他是继机 械喷油系统和增压中冷技术后，柴油机最新、最重要的技术。 目前国内整车中汽车电子技术应用比例较低，每辆新车汽车电子支出平均占 整车价值4 8 ，同期全球平均水平是2 6 2 ，一些豪华高档轿车中电子装置甚至 占整车成本5 0 以上，差距及发展需求相当明显。因此，研究柴油机电控技术不 仅仅具有十分重要的学术意义，而且市场前景十分广阔。 1 2 电控单元可靠性及e m c 问题 1 2 1 产品可靠性概念及可靠性工程 根据国家标准g b 6 5 8 3 规定：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功 能的能力叫做可靠性。可靠性是每一个产品都具有的客观属性，是指产品到了用 户手中，随着时间的推移，稳定保持原有功能的能力，也就是对一个产品投入使 用后无故障工作能力的度量。 为了达到产品的可靠性要求而进行的有关设计、试验、生产等一系列工作构 成“可靠性工程 。它包括从原材料、元器件、零部件到设备、系统的各个环节。 从研究、设计、制造到储运、使用、维修的全寿命周期，是一个十分复杂的系统 工程。可靠性工程所涉及的各个方面的工作如图1 1 所示。其中可靠性技术在产品 全寿命周期的各个阶段的应用目的和任务如下i 卅： 1 可靠性设计：通过设计奠定产品的可靠性基础。研究在设计阶段如何预计 和防范各种可能发生的故障和隐患。以及确保产品的维修性。 2 可靠性试验：通过试验测定和验证产品的可靠性。研究在有限的样本、时 问和使用费用下，如何获得合理的评定结果，找出薄弱环节，提出改进措施，以 提高产品的可靠性。 3 制造阶段的可靠性：通过制造实现产品的可靠性。研究不制造偏差的控制、 2 第一章绪论 缺陷的处理和早期故障的排除、保证设计目标的实现。 4 使用阶段的可靠性：通过使用维持产品的可靠性。研究产品运行中的可靠 性监视、诊断、预测，以及采用售后服务与维修策略，防止可靠性劣化。 可 靠 性 工 程 理论 技术 管理 可靠性教学、可靠性物理 l 系统可靠性设计、可靠性预计、可靠性分配、元器件的应用、热设 设计l 计、电磁兼容性设计、漂移设计、参数优化设计、三防设计、冗余 l 设计、人机工程设计、维修性设计、安全性设计、软件可靠性设计 分析 理化分析、统计分析、故障模式影响、危害度分析、 故障树分析、容差分析 l 使用故障预测、故障分析、修复技术、使用技术培调、 i 维修数据收集及信息反馈 政策i政策、法规、检查监督 图1 1 可靠性工程 f i g 1 lr e i i a b i e n g i n e e r i n g 综上所述，可靠性工程是一个伴随产品整个生命周期的工作，其中可靠性技 术是可靠性工程的主要工作内容，也是对可靠性工程影响最大的内容。在可靠性 技术中，可靠性设计方面的多种可靠性考虑是产品可靠的保证。而电磁兼容性设 计是电子产品设计中影响很大却不易衡量容易被忽视的地方。 1 2 2 e m c 设计对电控单元可靠性的影响 电控单元( e c u e l e c t m i l i cc o n t m lu i l i t ) 是电控系统的控制中枢，它通过传感器 采集车身及发动机的各种数据，然后计算、查表、判断并发出精准的喷油信号， 控制喷油器喷油相位及脉宽，使整车协调运作。所以e c u 的质量和可靠性直接影 响到整车的性能以及可靠性， 在电控柴油机系统中，影响e c u 可靠性的有【6 】e c u 本身虑、外围电气特性、 工作环境等。从e c u 本身考虑，主要问题包括两个方面： 3 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 电路对过载的余量设计、电子系统各种不同电平间的兼容问题、元器件 寿命选择以及电路板设计的机械可靠性和热稳定性。 ( 2 ) 电磁兼容问题：汽车电子系统在正常运行时会产生电磁骚扰，这些骚扰 的频带很宽，且通过传导、耦合或辐射的方式，传播到e c u 电子部件或系统中， 影响其正常运行。 电磁兼容性( e m c e 1e c _ m a 舯嘶cc o m p 撕b i h t y ) 是指设备或系统在其电磁 环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法承受的电磁干扰的能 力。电磁兼容学科是一门新兴的综合性学科，主要研究的是如何使在同一电磁环 境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。 随着电控技术的发展，发动机控制要求也不断提高，电控系统结构不断复杂、 频率不断提高，电路之间的兼容性给e c u 的可靠性带来了很大考验。这些装置对 工作时所处的电气和电磁环境可能造成危害，特别是e c u 本身所产生的电磁骚扰。 这些骚扰可能导致电子装置的功能降低、短暂故障甚至永久损坏，所以在实验室 设计功能完好的e c u 在应用时很容易出现这样那样的问题。 对于汽车电控单元的设计，电磁兼容性问题往往有不确定性、不易采集和发 现的特点，所以往往被诸多考虑功能性设计的工程师所忽视。许多电子系统的电 磁兼容性在设计时采取测试修改法，“测试修改法 只是在市场抽检或申请生产 许可证检测时才发现电磁兼容问题，此时再被动地、从防范或补救出发，对产品 进行修改，盲目使用屏蔽加滤波，必然带来许多困难与浪费，是一种冒险的方法。 不仅费用高，而且效果差，具有盲目性，而且反复次数多，时间长，甚至失败。 最终的产品也不是最佳方案，难以取得效果，相反却大大增加重量和成本。 实践证明，产品e m c 问题的效费与e m c 设计介入的时间的关系曲线如图1 2 所示。即我们越早考虑到产品e m c 问题，其对产品可靠性的改善效果越明显，产 品整体耗费成本更低。特别是在研发设计阶段，应该尽量多的考虑到各个问题。 图l 一2u j 靠性设计介入时i 日j 与效赞关系 f i g 1 - 2r d a t i o 啦h i pb e | 【w o 蛐n 把t i i 舵r e l i a b i l i t ) ，d e s i 印i i l v o i v e di n 丽t h 瑚i 劬协缀 r 1 第一章绪论 汽车电子系统的可靠性是一项系统工程，电磁兼容设计更是可靠性设计里越 来越被重视的环节，所以在方案阶段就及早主动预防，整体规划；进行预先评估， 预测分析，有针对性的主动采取措施。才能达到成本低，时间短，成功率高，而 且可以使产品达到最优化。 1 3 电控单元e m c 问题研究现状 e m c 问题包括三个要素，干扰源、耦合通道、敏感设备。所以对e m c 问题 的研究也都从这三个方面入手，找到干扰源、切断耦合通道、保护敏感设备。对 于电控单元，其设计中的e m c 问题也被广泛关注，国内外一直在电控单元的e m c 问题上做研究。 1 3 1 e m c 分析方法上的研究 分析方法主要包括系统整体分析方法、干扰源分析方法、耦合通道分析方法 以及干扰强度的分析方法。 w e i - 1 湎、毗t i 锄s h 锄gh o n g 等【7 】针对当前电控系统功能越来越强大、设计越 来越复杂的情况下，讨论了硬件在环仿真技术在电控系统的合理性和可靠性设计 中的应用趋势，使用了n i 公司的p 系统、c 咖删o 锄dm v i 删做了直流输 出测试，p w m 输入、输出测试，频率输出测试，数字开关测试。经仿真分析修改 设计，系统可靠性得到提高，设计效率得到提升。 y 0 u - t o n gz h 觚g 掣研研究了柴油机电控系统可靠性问题通过推导可靠度表 达式的方式对电控单元中硬件电路和信号处理系统逐层建立其可靠性数学模型。 经简化对硬件电路进行可靠性预计和分配，依据预计结果进行电控系统元件的选 择和电路优化设计以电控单元中信号处理系统为例进行了可靠度分析这是一 种可靠度权重比分配的分析方法，通过电控系统可靠性预计、分配来指导设计以 达到提升整体可靠性的方法。 邹志星等【9 l 研究了汽车布线对汽车电磁兼容的影响，在对当前与导线相关的 汽车电磁兼容问题的解决方案和相关算法进行详细分析的基础上，对导线的电磁 干扰进行研究并将其扩展到汽车电磁兼容问题的研究中去，从而为系统级汽车电 磁兼容分析和设计提供有效的解决方案和工具，通过计算机数值仿真预测技术和 电磁场计算方法进行研究指导设计，帮助提高汽车的安全性和可靠性。 徐权奎在基于仿真的电控柴油机通用型e c u 研究中通过仿真与实验的方式根 据发动机转速以及负荷对e c u 功率元器件功耗的影响，得出了元器件的功耗与发 5 北京交通大学硕士学位论文 动机运行参数之间的关系。根据各个元器件的最大可能功耗参数，设计了e c u 的 散热系统，得出满足e c u 恶劣的工作环境的散热设计。设计了电磁阀驱动的故障 诊断以及自保护功能，在执行器失效、故障或者软件错误时，保护e c u 硬件并提 供信号用于软件故障诊断。建立了电磁阀驱动电路模块的等效e m i 模型，通过对 模型的仿真优化，降低了电磁阀驱动电路中的电压电流振荡，从而降低了e c u 的 对外干扰。 1 3 2 e m c 设计方法上的研究 设计方法主要包括控制策略的设计、软件的设计、硬件电路的设计、p c b 板 的设计、产品整体的设计等。 w 觚gh o n 掣o n g 等【l o 】在设计基于m p c 5 5 5 微控制器的高压共轨柴油机电控单 元中，对燃油量控制、轨道压力控制、发动机的操作( p o p ) 的管理等软件设计中 采用了容错方式的抗干扰设计。总实验结果验证了控制策略的可行性和可靠性， 优化的排放量，实验结果表明，取得了预期控制效果和发动机排放达到欧方废气 排放标准。 s o n gd a 缅g 【】研究了c a n 总线技术在发动机电控系统中的应用，借助c a n 总线好的实时性、很好的可靠性解决在恶劣环境下电控系统的数据传输通道面临 的干扰问题。 y i d n g y u 、j i 觚- q i ui i 【1 2 】等在设计基于高速电磁阀的p p v i 电控柴油喷射系统的 电子控制单元( e c u ) 时，为了提高其电磁兼容性( e m c ) ，分析和探讨了车用柴油机 的电磁环境与e c u 的相互影响接着对该e c u 的电磁兼容性进行了有效设计， 并着重从电路原理的e m c 设计、印刷电路板e m c 设计、两个大的方面解决。提 出了自己的设计电路和设计方法。并在p p 系统的台架试验结果表明，e c u 的抗 干扰性能完全能够适应车用柴油机的电磁环境。 唐守亮b 】针对空间磁场抗干扰、供电系统抗干扰、过程通道抗干扰、及软件 抗干扰设计了实施方案。对于空间干扰，采用高频滤波及负极一点接地，并尽量 减小系统各环节阻抗的办法；对于供电系统的干扰，采取在电源输入端增加滤波 和防止瞬间高压的处理电路，采用d c d c 电源模块将处理器最小系统和蓄电池隔 离防止信号由地线传入；对于过程通道的干扰采取光耦元件去掉外部设备与过程 通道之间的公共地线，实现彼此隔离；对于软件抗干扰设计，采用了数字滤波技 术、设置软件陷阱和看门狗技术，使系统能够稳定运行。 王孝1 1 4 j 对输入输出电路进行了设计研究，对输入电路提出了输入电路隔离输 入电路和开关输入电路两种输入方式。对输出电路设计应考虑：输出电压和电源 6 第一章绪论 电压、输出电流、开关频率( 上升和下降时问) 、隔离和抗干扰性能。提出了高位驱 动的开关输出电路设计。提升了其系统的可靠性。 1 4 本论文研究的内容及意义 本课题来自国家8 6 3 计划“重型商用柴油机开发项目 中电控系统的研究。 在进行电控单元功能设计的同时，面对电控单元在后续应用中的可靠性问题，从 电磁兼容性设计的角度，对电控单元的e m c 问题进行分析，并对关键电路给予改 进设计。在国外，主要的柴油机电控系统制造商如b o s h 的联合电子，都有关于 电控单元可靠性设计的独立技术，但它们的技术及器件的参数选择都处于保密阶 段。在国内，电控系统的电磁兼容性设计主要从电子电路的电磁兼容性设计中吸 取经验，尚处在研究试验阶段。为了满足大功率商用柴油机电控单元的设计要求， 提高系统的可靠性，本论文主要研究工作如下： ( 1 ) 研究国内外电磁兼容标准体系，分析各个标准体系的组成及相互关系； 二 查阅学习有关汽车整车和零部件电磁兼容性测试标准，分析总结各类测试标准的 测试方法、测试要求、测试实质。总结国内外有关电控系统可靠性和e m c 性能研 究技术，全面了解电控技术开发的流程，总结常用e m c 性能分析的方法和设计经 验。从理论学习中总结e m c 分析及设计的出发点。 ? ( 2 ) 根据第一部分研究内容确定电控单元关键干扰源，结合电磁兼容性测试 标准的指导，应用p s p i s e 软件建立电控单元关键干扰源的e m c 仿真模型，分析： 其产生干扰的原理、干扰量的大小以及改善电路e m c 性能的措施。 ( 3 ) 根据仿真分析结果，改进电控单元的电路设计。对升压电路和电磁阀驱 动电路的e m l 噪声进行合理的抑制；设计基于p w m 跟踪控制技术的电磁阀低压 维持电路提高系统实时性和动态性能；简化升压电路开关回路的过流检测保护电 路；简化电磁阀驱动的隔离回路提高系统可靠性。 ( 4 ) 结合p c b 设计技术，通过改善供电系统、改善电路板布局、改善布线环 路、滤波接地等措施进一步改善电控单元的e m c 性能，提高电控单元的可靠性， 制作电路板并调试实验。 本文研究内容意义主要有3 个方面： 首先，总结当前国内外汽车行业电磁兼容性测试标准，分析其测试内容和测 试实质，为电控系统的e m c 性能设计提供指导，以便开发的产品顺利进入市场。 然后，建立e m l 仿真分析模型，通过仿真分析的方法发现电控系统中重要干 扰源，分析干扰源对电路其他部分的噪声影响，通过仿真方法改进设计。这种方 法对e c u 的开发设计能起到指导作用，同时具有成本低、效率高、直观等特点。 7 北京交通大学硕士学位论文 最后，对电控单元的局部电路的改进设计；对传感器干扰抑制、信号传输干 扰抑制、电源系统合理设计、电路板合理布局等方面的行业经验进行了总结并应 用到自己的设计中。这给后续电控系统其他部分的设计以及汽车电子中各零部件 的设计提供指导意见。通过各个部分的可靠性设计来提高系统整体的可靠性。 8 第二章汽车电子e m c 标准的指导意义及达标技术 第二章汽车电子e m c 标准的指导意义及达标技术 汽车e m c 标准的发展从2 0 世纪6 0 年代至今，经过5 0 多年的发展，汽车e m c 标准以控制和解决汽车电子技术中e m c 问题，无论是世界性的标准组织，还是发 达的汽车制造企业，都已经建立了完整的标准体系并不断完善。其内容包含了整 车和零部件的测试标准，而且各个标准制订组织之间还形成了相互对应、相互参 考的关裂1 5 】。 目前，在国际上具有广泛影响力、权威性的标准组织有i s o 标准委员会、 i e c ，c i s p r 分委员会、s a e 委员会。另外，我国、欧盟、日本等也建立了各自的 强制性标准与推荐性标准。 以下通过对各个e m c 标准体系进行分析，总结了解不同组织、地区所制订的 汽车e m c 标准内容、各种标准之间的联系，以测试实验的技术分类的方式分别阐 述各种汽车零部件e m c 标准的测试目的、测试意义和测试内容，并对测试达标设 计的一般方法进行总结。 2 1 汽车电子e m c 标准体系 汽车e m c 标准体系从电子兼容性标准适用范围来分，可以分为国际、地区、 国家、企业这4 个层次分别制定的相应的标准。具体如表2 1 所示： 表2 1 汽车e m c 标准体系 坠坠：2 ：! 业塑塑堕竖星丛g 墅堂坐：业堕堕竺磐 范围组织 国际 m 盏篡织 联合国欧洲共同体e c e 地区欧盟e e c 美国汽车工程师协会s a e 中国 全国无线电干扰标准化技术委员会 全国汽车标准化委员会 l 、国际标准体系 国际标准体系主要由i s o 厂i 2 2 委员会和i e c c i s p 刚d 委员会制订的标准 体系构成。i s o 是国际标准化组织( i n t e m a t i o n a l0 1 g 觚i z a t i o nf o rs t 锄d a i z a t i o n ) 的 简称，是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织【1 6 l 。 l s o 的主要功能是为人们制订国际标准达成一致意见提供一种机制。l s o 的技术工 作主要通过其技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t ，t c ) 开展。 9 北京交通大学硕士学位论文 t c 2 2 是国际标准化组织道路车辆技术委员会的代号，它主要负责1 9 6 8 年维 也纳公约中所规定的道路车辆及其装备的兼容性、互换性、安全性以及术语和性 能评价试验规程( 包括仪器的特性) 的标准化工作。工作范围有：轻便摩托车、 摩托车、机动车、挂车、半挂车、轻型挂车、组合车辆和铰接车辆。 s c 3 是t c 2 2 下属的电器和电子设备分委会，负责道路车辆电子及电气设备 标准化工作。i s o 的汽车e m c 标准大都是该分委员会制订的【1 7 。1 9 1 。i s o 制订的汽 车e m c 标准体系内容见附录a 表a 1 。 l e c ( h t e m 撕a le l o c 仃。砌c a lc 0 删【i l i s s i 国际电工委员会) 是非政府性 国际组织，是联合国社会经济理事会的甲级咨询机构，正式成立于1 9 0 6 年。是世 界上成立最早的专门国际标准化机构。 c i s p r ( c o m 【i l i s s i m e n l 撕a l es p c c i a l e d 骼p e 巾l r b 撕。璐i 己a d i o 国际无线电 干扰特别委员会) 是其下属的一个特别委员会，专门从事有关无线电干扰标准的 研究和促进国际上无线电干扰在各方面协调一致的工作，以利于国际贸易。工作 内容包括：保护无线电装置免受某些干扰；干扰的测量方法和测量设备；干扰源 所产生干扰的允许值；无线电和电视广播接收机的抗干扰度及其测量方法；安全 规程对电气设备干扰抑制的影响【捌。 c i s p r 下属的d 分会，负责机动车辆和内燃机的无线电干扰相关标准的制订 工作。c c i s p 刚d 制订的汽车e m c 标准体系见附录a 表a 2 。 2 、地区标准体系 地区标准组织有很多，在此描述国际上具有广泛影响力的两大标准组织：欧 盟标准组织和美国汽车工程师协会。 欧盟委员会( e u p e 锄c ( 眦i i l i s s i o n ) 简称欧委会【2 。是欧盟的常设执行机构， 也是欧盟唯一有权起草法令的机构。欧盟委员会于1 9 7 2 年制订了关于机动车 辆无线电干扰抑制要求即7 2 2 4 5 e e c 指令。目前已经修订到2 0 0 6 2 8 e c 。标 准内容见附录a 表a 3 。 该指令旨在控制无用的辐射发射和传导发射以保护自己或邻近的车辆上的电 气或电子设备的正常使用；提高汽车抗干扰的能力。适用于车辆的e m c 性能及车 辆上安装的零部件或独立技术单元的e m c 性能。 美国汽车工程师协会鲫匹( s o c i e t ) ，o f a u t o m 娟v ee n g i i 螨s ) ，成立于1 9 6 5 年， 研究对象是汽车、载重车、工程车、飞机、发动机、材料以及制造等方面目前， 它拥有9 7 个国家的成员。s a e 协会制订的汽车e m c 标准体系见附录a 表a 4 。 3 、中国标准体系 为了对应c i s p r 的工作，我国于1 9 8 6 年8 月1 0 日至1 3 日在国家技术 监督局的领导下，成立了全国无线电干扰标准化技术委员会( 嘶低l m i c a l l o 第二章汽车电子e m c 标准的指导意义及达标技术 c 伽姗i i t t o fs t 锄d a m iz a _ t i 傩r a d i o e f 融崩l ，c t c s 砒) 其代号为s a c 厂r c 7 9 ， 负责建立了我国无线电干扰标准化体系表，组织制定、修订和审查了一批国家标 准，为电磁兼容事业的发展奠定了基础。1 9 9 6 年成立了全国电磁兼容标准化联合 工作组，从此以后，加快了我国电磁兼容事业的步伐。 全国汽车标准化委员会于1 9 鼹年由国家技术监督局批准成立。由中国汽车 工业联合会主管。委员会成员来自于汽车产品相关的各政府部门以及汽车行业骨 干单位。代号为s a c 厂r c c l l 4 。 中国汽车e m c 标准组织由全国无线电干扰标准化技术委员会和全国汽车标 准化委员会组成。这两大组织归于国家标准化管理委员会s a c 管理。中国国家 标准组织制订的国家汽车e m c 标准体系内容见附录a 表a - 5 。 2 2 汽车电子e m c 标准的技术分类 电磁兼容性e m c ( e l 仃o m a 肿t i cc o m l x 呖b i l 时) 指设备在共同的电磁环境 中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中 其他设备的电磁发射导致不允许的降级；也不会使同一电磁环境中其他设备因受 其电磁发射而导致不允许的降级。其包括两个方面的问题即： 电磁干扰e m l ( e l e c 的m a 龋鲥ci n t 酬f e 咖) 指电磁骚扰导致电子设备相互影 响，并引起不良后果的一种电磁现象。 电磁抗扰e m s ( e l e c 的m a 朗e t i cs 峭c e p t i b i l i 锣) 指设备暴露在电磁环境下所呈 现的不希望有的响应程度。 汽车电磁兼容性按e e c 指令7 2 2 4 5 e e c 的定义如下：车辆或者零部件或独立 技术单元在其电磁环境中能令人满意地工作，又不对该环境中任何事物造成不应 有的电磁干扰的能力。按测试实验的技术分类如图2 1 所示： 图2 1 汽车电子e m c 的技术分类 f i g 2 l 眈h n o l o g yc l 麟i f i c a t i o f a u t o 肭t i v ee m c 北京交通大学硕士学位论文 对于此分类的各个概念的定义如下： r e ：辐射干扰( 1 湖i a 同e m i s s i o n ) 考察汽车电子模块通过辐射途径对外造成的电磁干扰的特性。 c e ：传导干扰( c 0 n d 呶e de m i s s i 伽) 考察汽车电子模块通过电源线，信号线的传播途径对外造成的电磁干扰。 c s ：传导干扰抗扰度 ( c 伽【d u c t e ds 璐c e 硼b i l i 锣) 通过电源线或信号线对汽车电子模块施加尖峰脉冲来考察车载电子模块对车 内电网或空间电磁环境的抗扰能力。 r s ：射频电磁场辐射抗扰度 ( r a d i a t e ds 岫。e 叩b i l 竹) 考察汽车电子模块对环境的窄带辐射的抗扰能力。 e s d ：静电放电 ( e le c _ b n d 删i cd i s c l l a r g c ) 不同环境和安装条件下，考察单个电子模块的抗静电干扰能力。 汽车e m c 标准按照上述技术分类方式总结如附录a 表a 6 所示。 2 3 基于c e 类标准的电路设计分析 汽车c e 类标准中汽车零部件传导发射试验根据测量的物理量不同，可分为： ( 1 ) 时域传导发射试验 a ) 电源线时域传导发射试验，测试内容见附录a 表a - 7 。 b ) 信号线时域传导发射试验，测试内容见附录a 表a 8 。 ( 2 ) 信号线频域传导发射试验， 信号线频域传导发射试验测试内容见附录a 表a - 9 。 通过分析电源线及信号线传导发射测试实验内容，可得引起电源端口传导干 扰的电流测试原理图如图2 - 2 所示【2 2 l ： 图2 2 引起电源端口传导干扰的电流 f i g 2 - 2a d i 倒i n t a 限揪t l s 。d 蚵p o w 盯p c i n 例嗍t 1 2 第二章汽车电子e m c 标准的指导意义及达标技术 在电源端口传导干扰电流的测试中，l i s n 是电源端口传导干扰测试的关键设 备，接收机实质就是测试5 0 q 阻抗( 这个阻抗由u s n 中的l k q 的电阻与接收机 的输入阻抗并联而成) 两端的电压，当阻抗5 0 q 一定时，电源端口传导干扰的实 质也可以理解为流过这个5 0 q 阻抗的电流的大小。实际中流过这个5 0 q 阻抗的电 流包括图中的和。控制测试体中的干扰电流不流过l i s n 和接收机的并联 组成的5 0 q 阻抗是解决电源端口传导干扰问题的关键。 信号端口传导干扰测试的关键设备是电流探头，其配置图如图2 3 所示： 与屏葭外皮的连接点 图2 - 3 信号端口传导干扰测试配置图 f i g 2 3s i 印a lp o r t 咖d u c 自酣e m l 自e 吼c f i g u r 撕d i a g 舳 图中a e ( a u ) 【i l i a 巧e q u i p m e n t ) 为辅助设备，e u t ( e q u i p i i l e n tu n d 盯嘲) 为被测 设备，从图中可以明确看到电流探头实质上测试的就是e u t 电缆上的共模电流， 引起信号端口传导干扰的共模电流通常不是信号端口上的正常工作电流信号，而 是一些“无意”的共模电流。所以设计信号传输电缆上的屏蔽与滤波对改善系统 e m c 性能很重要。 2 4 基于l 也类标准的电路设计分析 汽车l 也类标准零部件的辐射发射测试实验，主要考察的是对车载电子电器部 件通过辐射途径对外的电磁干扰特性。美国汽车工程师协会s a e 、欧盟标准委员 会、我国标准组织相继等效采用c i s p l 匕5 标准。按照试验方法的不同，可以分为： ( 1 ) 天线接收法试验，测试内容见附录a 表a - l o 。 ( 2 ) t e m 小室法试验，测试内容见附录a 表a 1 l 。 从r e 类测试实验内容可见，r e 类测试实质就是测试产品中两种等效天线所 产生的辐射信号。 第一种是等效天线信号环路，环路产生辐射的源头是环路中流动着的电流信 号( 这种电流信号通常为正常工作信号，它是一种差模信号，如时钟信号及谐波) ， 如图2 - 4 所示。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 图2 _ 4 环路等效辐射天线 f i g 2 _ 4l o 叩柚劬mm d i a t i 伽删锄 如上图所示，如果环路面积为& 流动电流强度为厶频率为，的信号，那么 在自由空间，距离环路d 处的辐射强度为 e = 1 3 跚f 2 d( 2 1 ) 式中，e 为电场强度，单位为册；s 为环路面积，单位为明2 ：l 为电流强 度，单位为a ；f 为信号频率，单位为m h z ：d 为距离，单位为m 。 电子产品中任何信号的传递都存在环路，如果信号是交变的，那么信号所在 的环路会产生辐射，因此，信号环路面积是l 也类e m c 问题需要注意的重要方面。 第二种是等效偶极子天线，偶极子上的电荷和电流产生的场互相垂直，如图 2 5 所示，在天线上施加电压电场e 从正电荷方向指向负电荷方向。 厦盈一叠 姻k 一一舅极 r 7 一黑露嚣k一高 ， 偶极子电荷电流的t e i 场 图2 - 5 偶极子辐射天线 f i g 2 5d i p o l ea n t 锄髓m a l i 天线上的充电电流产生磁场鼠e 和h 相互垂直，它们以互相链接循环的方 式从天线散布到空间中。所以在电控单元中长导线及穿过强电磁场的导线是e m c 分析的重点。 2 5 基于c s 类标准的电路设计分析 零部件的传导抗扰度试验标准，从施加干扰能量的形态上可以分为时域脉冲 型和频域调制型。这两种试验方法已经被绝大多数的标准组织采用。 汽车零部件e m c 测试的c s 类标准试验内容，根据试验特点分为以下两类： 圈 第二章汽车电子e m c 标准的指导意义及达标技术 ( 1 ) 时域信号传导抗扰度试验，测试内容见附录a 表a - 1 2 。 ( 2 ) 频域信号传导抗扰度试验，测试内容见附录a 表a - 1 3 。 在典型的共模抗扰度测试实验( 注入法) 中干扰脉冲来源为一定条件下车辆 电气系统中测得的脉冲，以及由电气电路基本配置所产生的脉冲。典型的脉冲有 p l 、p 2 a 、p 2 b 、p 3 a 、p 3 b 、p 4 、p 5 a 、p 5 b 共8 种3 类。 第一类是电快速瞬变脉冲群干扰( e l e c t r i c a lf a s t1 栩n s i 钮悯，e 丌) 包括 p 3 a 、p 3 b 。 p 3 a ：模拟汽车电子系统中各开关、继电器在开启或关闭过程中由于分布电容 和分布电感所产生的e 兀脉冲。 p 3 b ：模拟电动门窗的驱动单元、喇叭或中央门控系统的开关切换过程中所产 生的e f t 脉冲。 第二类是浪涌干扰( s l l r g e ) ，包括p l 、p 2 a 、p 2 b 、p 5 a 、p 5 b 。 p l ：产生于电感性负载的电源断开瞬间，它影响与感性负载并联的装置。 p 2 a ：由于被试设备相并联的设备被突然切断电流，在线束电感上产生的瞬变。 p 2 b ：点火被切断的瞬间，直流电动机扮演发电机角色，并由此产生瞬变现象。 p 5 a 、p 5 b ：当交流发电机产生充电电流时，断开与电磁( 馈电状态) 的链接， 其他负载仍然与交流发电机保持链接所出现的浪涌。 第三类是电压跌落与中断干扰( d m ) 包括p 4 。 p 4 ：模拟内燃机、起动机起动时引起电源电压降低。 通过对传导抗扰度测试实验的分析，可见传导干扰标准测试的是设备产生的 干扰脉冲对与其并联的设备的影响，以共模电压的形式把干扰叠加到被测部件的 各种电源端口和信号端口上，并以共模电流的形式注入到被测产品的内部电路中， 如图2 6 所示：共模干扰电流流过地阻抗时产生的压降为 u c m z o v ，e x l ( 2 - 2 ) s i 除 b r k g l 靳撕半 ，r 一 【e 最 i e 捌 图2 石共模干扰电流流过地阻抗时产生的压降 f i g 2 石t l l cv o l a t a g e 鲫e 用t e d 纳mc 砌m 伽m o d ei n t a f e f 蜘 n 锄t sf 1 0 州n gt h 姗l g l lt h ei m p e d 锄 1 5 北京交通大学硕士学位论文 注入到信号线的共模电流s l 首先会对第一部分电路i c l 的输入信号产生于 扰，如果我们加了滤波电容c ( 如果没有c ，干扰就可能直接影响i c l ) ，则s l 干扰信号大部分被c 滤除或旁路，然后大部分会沿着p c b 的地阻抗从一端流向地 层的另一端，后一级的干扰将会在干扰电流流过系统时产生。其中图中z n ，表示 p c b 中两部分电路之间的地阻抗，阢表示集成电路i c l 向集成电路i c 2 传递的信 号电压。则当共模干扰电流流过地阻抗z n y 时，z o y 的两端就会产生压降，如式2 2 所示。该压降对集成电路i c 2 来说相当于在i c l 的传递信号上叠加一个干扰信号。 所以干扰电压的大小不仅与共模瞬态干扰的电流大小有关，还与地阻抗大小 有关，合理抑制共模瞬态干扰电流、合理接地或铺