高级技师论文--电控汽车的电磁干扰与防治

1 电控汽车的电磁干扰与防治 摘 要 随着汽车技术的不断进步和发展 汽车电子电器设备的大量应用 汽车电 磁干扰的特点及其产生的影响也有了巨大的变化 早期人们普遍关心的是车辆电磁干扰对车辆外部电磁环境的重大影响 随 着有效的治理 这种影响已经得到了控制 车内电磁干扰可以通过各种连接线缆传播 也会以耦合方式 空间辅射发 射的方式进行传播 汽车内部电磁干扰源主要有 高压点火系统 各种电感性 负载 特别是功率较大的发电机 电动机及电磁线圈等 静电放电 部件或线 缆间的相互耦合干扰 各种电子控制单元 ECU 无线电设备及车载电话等 这 些部件产生的电磁干扰会在汽车内部造成相互影响 汽车外部的无线电台 站 雷达 移动通信设备 微波通信设施 高压 供电线 变电站等都会产生强大的电磁波辐射 对汽车内部形成电磁辐射干扰 防止汽车内电磁干扰主要采用阻尼 滤波 屏蔽 搭铁等四种措施 现代 汽车在设计 制造时已充分考虑了电器设备抑制电磁波干扰的措施 但是电磁 波抑制措施失效 故障元件的抗干扰性能与整车抗干扰性能不匹配或是人为改 变了原车设计的电磁环境 例如车辆改装 就易导致由于电磁干扰而引发的 故障 这些故障的隐蔽性强 不易检测 诊断 在车辆维修工作中常常会绕弯 路 甚至无从下手 应引起汽车维修人员的高度重视 关键词 汽车 电磁干扰 防治 2 前 言 当今的汽车就象 跑在轮子上的计算机 在车辆总成本中 汽车电子系 统成本目前占 22 预计到 2010 年 这一数字将超过 40 发动机舱和乘员 舱内将出现了大量数字式电子系统 但随着汽车技术的不断进步和发展 汽车 电子电器设备的大量应用 汽车电磁干扰的特点及其产生的影响也有了巨大的 变化 汽车产生电磁干扰的源 不单纯是点火系统 大量应用于车辆上的各种 电子 电器设备也同样产生电磁干扰 早期人们普遍关心的是车辆电磁干扰对车辆外部电磁环境的重大影响 随 着有效的治理 这种影响已经得到了控制 例如规定只能使用带阻尼 如碳芯 的屏蔽线作为点火线 实践表明这是非常有效的 车辆产生的电磁干扰不但对车辆外界的无线电设备造成影响 而且也会对 车辆内部的各种电子部件造成不良影响 近些年 汽车出现了许多由于车辆内 部电磁干扰对车辆的正常运行及安全性和可靠性等产生重大影响的现象 引起 了人们的特别关注 目前 人们开始研究车辆内部电磁干扰的产生和影响及其 控制技术 3 1 汽车电磁干扰源 1 1 汽车内部电磁干扰源 车辆内部的电磁干扰特点不同于车辆对外部的干扰 车内电磁干扰可以通 过各种连接线缆传播 也会以耦合方式 空间辅射发射的方式进行传播 典型 的形式有 沿电源线传导干扰 人体静电放电对电子部件的干扰及干扰能量通 过空间辐射等 1 1 1 高压点火系统产生的的电磁干扰 点火线圈 高压线和火花塞 特别是火花塞产生的放电火花 形成了极高 的冲击电压 激励了其附属电路振荡 并由其导线辐射到空中 当发动机转速 为 3000r min 时 一个火花塞每分钟跳火 1500 次 每秒钟跳火达 25 次 极易 引起调频放电干扰 气缸体本身是一个屏蔽体 对放电干扰有一定的抑制作用 1 1 2 各种电感性负载 如电机类电器部件 特别是功率较大的发电机 电 动机及电磁线圈等产生的的电磁干扰 1 1 2 1 交流发电机的励磁电流输入采用碳刷和滑环 工作中易产生电火花 干扰电波会从其引出线辐射出去 另外 运行中的发动机在关闭点火开关的瞬 间 发电机磁场绕组和蓄电池之间的通路被切断 在磁场绕组中感生的反向电 动势峰值可达 50 100V 此时蓄电池已无法吸收该脉冲 会引起电子元件损坏 再如 发动机在运转中 电压调节器自动调节励磁电流 其调节方式是 瞬间 断电式 会在线圈中引起自感电动势 形成干扰电波 1 1 2 2 直流永磁电动机在高速转动时 碳刷从整流器的一片向另一片过渡 时 由于接触电阻的急剧变化 导致电流突变而产生火花 引起连续而较强的 电磁波干扰 虽然有良好的封闭式金属外壳 但电机的电源线和搭铁线 仍能 4 辐射出一定能量的干扰电磁波 1 1 2 3 负载突然卸掉 如发电机与蓄电池间连线意外脱开 发电机端电压 会瞬时升高 可达 100V 300V 以上 持续时间一般约为 0 1s 有时可达 0 2s 0 5s 另外 电磁线圈突然断电 如空调压缩机电磁离合器 电动燃油泵 等 或关闭灯光 除霜加热器等电阻型用电设备时 也会产生瞬间感生电动势 有时可超过 7000V 这些脉冲电压对敏感的电子元件会导致损坏或产生误动作 如 ECU 控制的点火的喷油电路 1 1 2 4 各种开关类部件 如闪光继电器 喇叭开关等 一些继电器 开 关控制的电器元件工作电流较大 有时可达 10 20A 在触点 开关接通或关 闭的瞬间 在电路中激发产生高频振荡 也形成了较强的电磁波辐射 振荡峰 值电压较高时易影响车辆电控系统中具有高频响应的敏感元件 导致失控或误 动作 1 1 3 静电放电产生的的电磁干扰 人体会产生静电 尤其在冬天气候干燥时 人体更容易产生静电 人体静 电遇到一些导体就会释放出来 直接放电时 人们感觉不到 当静电储存到一 定程度后 会通过空气放电 甚至会有火花产生 人们就会有强烈的放电感觉 人们在使用汽车时 这种静电放电现象是不可避免地会产生 静电的放电过程 既可能是正放电过程 也可能是负放电过程 放电电压 最高达 1 5 kV 2 5kV 放电时间一般为 接触放电 0 7 ns 1ns 空气放电 0 7 ns 5ns 放电电流极小 nA 级 静电放电的干扰特点是 高电压 短时间 微小电流 其干扰影响程度是 巨大的 会使一些电子元件产生误动作 甚至严重的会损坏电子元件 1 1 4 部件或线缆间的相互耦合产生的的电磁干扰 5 汽车中的各种线缆经常将他们捆绑成一束沿汽车内侧布置 电源线中的瞬 变干扰会耦合到信号线或控制线中 形成错误信号 对车内 ECU 等电子模块 产生影响 这一点常被人们所忽视 1 1 5 各种电子控制单元 ECU 音响设备 无线电设备及车载电话等 这 些部件产生的电磁干扰会在汽车内部造成相互影响 1 2 汽车外部电磁辐射干扰 汽车外部的无线电台 站 雷达 移动通信设备 微波通信设施 高压 供电线 变电站等设施都会产生强大的电磁波辐射 对汽车内部形成电磁辐射 干扰 干扰能量的电磁波辐射形式 人们比较熟悉 人们关注的频率范围是 150kHz 1000MHz 其他频段的干扰也是存在的 人们正在进行研究 2 防止汽车内电磁干扰的措施 总体讲 电磁干扰抑制措施的方式有很多种 防止汽车内电磁干扰主要采 用阻尼 滤波 屏蔽 搭铁等四种措施 现代汽车采用双线制的电器较多 形 成的干扰源形式各有不同 只采用一种抑制措施往往效果并不理想 采用几种 措施进行综合治理 可收到良好的防干扰效果 电磁干扰的抑制措施的选用 首先应考虑干扰源 要根据不同的干扰源的 特点采取不同的抑制方式 其次应考虑干扰的传播途径 这对采取有效地抑制 措施非常重要 此外干扰抑制应充分考虑抑制成本 一般的处理方式是限制干 扰源产生的干扰噪声达到规定的合理范围内 同时被干扰体应具有一定的抵抗 干扰的能力 以达到相互共存 互不影响的状态 无限制地加大干扰抑制会成 倍地增加抑制成本 这在实际应用中是非常不可取的做法 汽车电子电器部件 的干扰抑制方式 一般是规定若干等级限值 不同部件根据其特点和使用方式 6 的不同 选择一种合理的等级限值进行制造 以降低抑制成本 对于汽车点火系所产生的高频电磁辐射一般采用带阻尼 如碳芯 的屏 蔽线作为点火线 实践表明这种措施非常有效 对于车内供电系统的电磁干扰 一种简单而有效的方法是利用蓄电池作为 一个极低阻抗 大容量的瞬变电压抑制器 吸收各种瞬变电压产生的干扰能量 最好的方式是保证蓄电池电缆接线良好 若负极搭铁 应保证搭铁电阻值最小 对于线缆间耦合引起的干扰 一种节省成本的方法是在车内布线时充分考 虑合理而有效地布置线缆 最好的方式为将 ECU 控制线或信号线与电源线分 开布置 以减小因耦合而引起的干扰信号侵入 此外 对于某些线缆采用屏蔽 电缆的方式 也是避免外界电磁干扰侵入控制线和信号线的好方法 在汽车电 控系统中 低于 1V 的弱电信号 占空比脉冲信号 数据通迅信号很容易受到 电磁干扰 成为错误信号 所以加装了屏蔽线来防止电磁干扰 一但屏蔽线损 坏 ECU 就会收到被干扰的信号而失去正常控制 对于电感性负载引起的干扰 抑制方式可以采用并联一个适当数值的电容 器 以消除反向过电压 为了推广微电子技术 尤其是计算机技术 网络数字通迅技术在汽车上的 应用 根据需要和实际要求 可以设计出效果良好的滤波电路 置于输入前级 可使大多数因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处 可以设置 隔离电路 如变压器隔离和光电隔离等解决通过电源线 信号线和搭铁线进入 电路的传导干扰 同时阻止因公共阻抗 长线传输而引起的干扰 也可以设置 能量吸收回路 从而减少电路 电器元件吸收的噪声能量 或是通过选择元器 件和合理安排电路系统 减小干扰的影响 7 计算机设备的软件抗干扰措施主要是稳定内存数据和保证程序指针 计算 机是一个可编程控制装置 软件可以支持和加强硬件的抗干扰能力 如果微机 系统中随机内存 RAM 用于测量和控制时数据的暂时存放空间较小 对存放的 数据而言 若将采集到的几组数据求平均值做为采样结果 可避免在采集时因 干扰而破坏了数据的真实性 如果存放在随机内存中的数据因干扰而丢失或者 数据发生变化 可以在随机内存区设置检验标志 为了减少干扰对随机内存区 的破坏 可在随机存储器芯片的写信号线上加装触发装置 只有在 CPU 写数 据时才触发工作 软件抗干扰的措施也很多 如数字滤波程序 抗窄脉冲的延 时程序 逻辑状态的真伪判别等 有时必须采用软件和硬件相结合的办法才能 抑制干扰 常用的办法是设置一个定时器 从而保护程序正常运行 近年来 电子元件 设备向着 轻 薄 短 小 和多功能 高性能及低 成本方向发展 塑料机箱 塑料部件或面板广泛地应用于电子仪器上 于是外 界电磁波很容易穿透外壳或面板 对仪器的正常工作产生有害的干扰 而仪器 所产生的电磁波 也非常容易辐射到周围空间 影响其它电子仪器的正常工作 为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求 人们在实践中 研究出塑料金属 化处理的工艺方法 如溅射镀锌 真空镀铝 电镀或化学镀铜 粘贴金属箔 铜或铝 和涂覆导电涂料等 经过金属化处理之后 使完全绝缘的塑料表面 或塑料本身 导电塑料 具有金属那样反射 吸收 传导和衰减电磁波的特性 从而起到屏蔽电磁波干扰的作用 实际应用中 采用导电涂料作屏蔽涂层 性 能优良而且价格适宜 在需要屏蔽的地方 做成一个封闭的导电壳体并接地 把内外两种不同的电磁波隔离开 实践表明 若屏蔽材料能达到 30 40 dB 以上衰减量的屏蔽效果时 就是实用可行的 8 3 汽车维修过程中应重视由电磁干扰引发的故障 现代汽车在设计 制造时已充分考虑了电器设备抑制电磁波干扰的措施 但是抑制电磁波干扰的措施失效 故障元件的抗干扰性能与整车抗干扰性能不 匹配或是人为改变了原车设计的电磁环境 例如车辆改装 就易导致由于电 磁干扰而引发故障 这些故障的隐蔽性强 不易检测 诊断 在车辆维修工作 中常常会因此绕弯路 甚至无从下手 应引起汽车维修人员的高度重视 下面例举一些典型故障的诊断 启发汽车维修人员对于电磁干扰故障的思 考 3 1 典型故障一 一辆雪佛兰景程轿车 车主在发动机舱内自行加装了一个高音喇叭 安装 位置非常靠近氧传感器 电源线取自点火开关 事后不久 发现发动机报警灯 不时出现报警现象 使用修车王 SY 380 读取故障码 发现引擎系统存在氧传 感器故障码 读数据流发现氧传感器电压值在 0 17 0 82 V 间快速变化 使用 FLUKE 98 示波器观察氧传感器输出波形正常 但当按喇叭时 氧传感器输 出信号波形就发生混乱 发动机的运转也瞬时失常 将喇叭拆除更换安装位置 后 故障排除 总结 这是人为制造干扰源的典型故障故障案例 汽车电器元件的安装位 置和线路布置有一定设计要求 随意加装报警及防盗 音响 导航等装置 会 由于电磁干扰引发电控系统工作异常 3 2 典型故障二 一辆 2001 款丰田佳美轿车 行驶 9 2 万 km ABS 故障自诊断系统报警 9 使用修车王 SY 380 读取故障码 检取到 4 个故障代码 含义为右前轮速传感 器 左前轮速传感器 右后轮速传感器 左后轮速传感器损坏 考虑到 4 个轮 速传感器及相关线路同时损坏的可能性较小 故障原因可能是 ABS ECU 发生 故障或受到电磁干扰 因整车的其他控制系统工作正常 ECU 发生故障的可能 性也较小 最后将故障原因重点定位于电磁干扰 经查找 果然是右前轮速传 感器的屏蔽线破损严重 修复后 清除故障码 路试一切正常 总结 目前汽车上装备了很多电子控制系统 这些系统中的许多重要脉冲 信号线都是采用静电屏蔽来防止电磁干扰 一旦屏蔽层破损 汽车上的高频电 磁波就易在原脉冲信号中加入杂波 使得原信号失真 这些杂波就是导致故障 的 元凶 3 3 典型故障三 一辆 2004 款北京吉普欧兰德 搭载 4G64 发动机 手自动一体变速器 车 主反映该车高速行驶时发动机故障灯点亮 曾经在外厂换用 号汽油故障依 旧 更换了爆震传感器和发动机电脑后故障仍未排除 首先进行了故障验证 用举升机升起车辆进行多次空载试验后发现 只要 换挡杆位于 挡且发动机转速在 3000 4000r min 时 发动机故障灯都会点亮 而且使用专用故障诊断仪 MUT 可以调出发动机电脑中存储了爆震传感器的故 障码 故障码可以清除 但运行车辆时还会再次出现 如果换挡杆位于 N 挡 即使发动机转速再高发动机故障灯也不亮 这说明故障很可能与车速有关 但 与发动机的转速高低无必然关系 检查中还发现 无论发动机故障灯是否点亮 发动机工作都很正常 加速顺畅 急加速时也无爆震音 当发动机故障灯点亮 时 点火提前角的数值也正常 10 爆震传感器的工作电路比较简单 虽然已经更换过发动机电脑和爆震传感 器没有排除故障 但是发动机电脑的工作条件是否正常还需要确认 于是又静 态检查了一遍发动机电脑的供电电源及搭铁线 均无问题 考虑到如果发电机 出现脉动电压会影响到发动机电脑的工作 因此又在发动机工作时动态检查了 一遍发动机电脑的供电电源 搭铁线以及充电系统数据流 还是没有发现问题 检查爆震传感器和发动机电脑之间的电路 晃动爆震传感器线束时 发现爆震 传感器到发动机电脑上 C 插接器中的 90 号端子之间的电线几乎要完全断开了 这就找到故障原因了 将线束中断开的地方接好 清除故障码后试车 令人失 望的是 故障并没有排除 发动机故障灯依然点亮 还有什么原因会导致发动机电脑存储爆震传感器故障码呢 汽车工作时 如果发动机与车架发生撞击 会使爆震传感器认为发生了爆震 发动机电脑也 有可能会误判爆震传感器故障 但是仔细检查了发动机橡胶支撑座没有发现异 常 为了彻底排除由于振动造成发动机电脑存储爆震传感器故障码的可能性 将爆震传感器从发动机缸体上拆下来 仍然连着电线束 但爆震传感器的故障 码依然存在 更换了发动机控制线束 但故障还是无法排除 至此 故障排除 进入了困境 再次检查爆震传感器线路时 注意到爆震传感器本身线路带有屏蔽护套 受此启发 怀疑是否因为电磁干扰导致了该车的故障呢 由于该车没有另外加 装任何电器设备 车辆受外部电磁波干扰的可能性不大 考虑爆震传感器及其线路受到干扰的可能性最大 因此将爆震传感器从发 动机上拆下来 将爆震传感器线路从发动机控制线束中剥离出来 放在远离发 动机的位置 至此爆震传感器 爆震传感器线路以及发动机电脑 在副驾驶侧 仪表板下侧 都远离了发动机 试车故障未排除 可以认为故障不是爆震传感 11 器线路受到干扰引起的 考虑到汽车上最强的电磁干扰源一般是点火系统和发电机 于是更换了点 火线圈 高压线以及火花塞 并拔掉了发电机线束 试车故障依旧 拿一个带搭铁线的金属网将发动机控制线束从点火线圈和高压线区域屏蔽 开 试车故障依旧 这也排除了发动机控制线束受到干扰引起故障的可能性 考虑到该故障与车速有关 是不是与车速仪表的电磁干扰有关 该车更换 仪表控制线束困难较大 决定先更换组合仪表试一试 因此更换了一个仪表总 成 在举升机上挂 挡多次试车后发动机均未出现故障现象 为了验证故障确实排除 进行路试 在自动挡模式下 发动机转速 5000r min 左右 车速 160km h 左右 在手动挡模式下 发动机转速 4000r min 左右 车速 120km h 左右 故障现象均未再出现 总结 故障虽然排除了 但故障原因是什么呢 我们尝试将换下来的仪表 总成安装到其他同型车上试车 并未出现故障 但再把该仪表总成换装到原来 的车上时 故障会再次出现 个人认为 是由于故障车仪表总成抗干扰能力与 故障车抗电磁干扰性能匹配不佳而导致了故障 3 4 典型故障四 一辆世纪新秀桑塔纳轿车 行驶里程为 15 万公里 当发动机在中高速运 转时机油报警灯闪亮 首先我们先检查是否是由于机油压力不足造成的机油灯报警 第一步检查机油低压报警开关 高压报警开关 保险丝均良好 第二步用机油压力表分别接在高 低压开关处 测量实际机油压力也正常 为了保险起见 又拆洗了机油泵 集滤器和机油限压阀 同时更换了机油滤芯 12 机油 但试车时机油灯仍然闪亮 第三步将低压开关插头断开 故障依旧 说明此故障应在控制电路 随后 对组合仪表内的电子报警控制系统进行检测 集成电路板 也没有发现异常 这时陷入僵局 冷静分析报警电路 该车型报警电路是采用双通道信息分析系 统 一是压力信息 二是转速信息 既然压力信息是正确的 那么很可能是转 速信息有了错误 导致转速信息与压力信息不匹配 因而使其不正常接通 报 警灯闪亮 结合以前的维修经验教训 考虑是否因为电磁干扰导致了故障 由于在设 计制造过程中 车上用电系统都经过了屏蔽保护处理 除非线路或电器元件老 化 或者由哪个部位产生不正常的电磁干扰 才可能导致故障 由于该车只运 行 15 万公里左右 线路与电器元件基本正常 因而主要应寻找干扰源 而造 成干扰源的强电磁波极有可能来自两个部位 一是分电器 霍尔效应传感器 二是发电机 经过测试点火波形的 并与同型号无故障车点火波形相比较后 发现次级点火波形有些微小差异 所以首先更换了分电器总成 试车后故障排 除 总结 类似这样的车型还有 1998 年以前的捷达车出现过同样的故障 累 计有十几例 多数以更换分电器总成而排除 也有更换发电机后排除的 还有 更换组合仪表报警控制集成板后排除的 甚至还有一辆是由于不正确安装防盗 器造成的 此类故障的排除 一要具体情况具体分析 二要按常规程序循序渐 进 同时认真对电路进行分析 否则即使故障排除也不知道是如何排除的 因 为像这类故障大部分为系统故障 而不单纯是由某一个元件引起的 当对系统 中某个主要元件进行更换后 故障从表面上已排除 但潜性故障并未彻底排除 只是由于各种原因 如成本问题 而不必进一步追究 13 3 5 典型故障五 一辆宝来 1 8T 轿车 自动挡 豪华型 怠速时车速表指针发抖 伴有手制 动灯报警 行驶中正常 首先在点火开关 ON 状态下用 V A G155l 专用诊断仪检测通道 01 发动 机 通道 02 变速器 通道 17 仪表 通道 19 总线 均无故障存储 只在 通道 03 ABS 系统中检测到 Engine control unit read fault memory sp 故障 清除故障后启动测试 发现怠速时车速表指针在 20 30km h 上下摆动 同时 手制动灯报警 在车速大于 15km h 时 如手制动未解除会出现报警提示 观 察到转速表也有一定的波动 分析可能存在外来电磁干扰 因无故障码存储 我们把排除故障点主要集中在解决车速表指针在 20 30km h 摆动失效上 按照宝来 1 8T 线路维修经验 里程表通过 T32 28 插脚 绿线 0 35 平方毫米 接收来自差速器外壳上的车速传感器 G22 的信号 同时 通过仪表上蓝色插头 T32 3 插脚 连接蓝 白线 0 35 平方毫米 将车速 信号传递给 J220 发动机控制单元 用于车速的相关功能控制 怠速时查询发 动机数据流 0l 08 005 组 3 区 在出现故障时 显示为 20 30km h 查询仪 表 17 08 002 组 1 区 在出现故障时 显示 20 30km h 由此得出结论是仪 表接收车速传感器信号有误 同时又将错误的车速信号传递给控制单元 结合该车线束走向 思考这个电磁干扰从何而来 发现车速传感器的导线 与点火线圈及车主加装氙气大灯的氙气增光器相邻较近 由于检测时未使用氙 气大灯 故先逐个断开点火线圈与线束的连接器 断缸 发现当断开第 3 缸 点火线圈后 表针摆动现象消失 数据流显示显示车速值为 0km h 更换该 点火线圈后故障排除 由于该车采用单缸点火技术 无分缸线 故无需检测 14 分缸线 总结 这是一起典型的由于点火线圈性能下降而导致电磁干扰的故障 一 些电子 电器元件 能正常工作 并不等于 能在上车正常工作 现代汽车 上使用了大量的电子 电器元件 它们对于电磁兼容要求日益严格 另外 针 对这起故障 我们也不能忽视那个改装的 氙气大灯 无论大灯是否工作 它同样也是一个强大的电磁干扰源 只不过在大灯工作时干扰效果更加明显罢 了 又比如我们的车载 DVD 车载导航系统 如果工作时候对电网的干扰较大 而此时控制系统与车载 DVD 共用一个个电源 这样强大的干扰通过电网直接 干扰到汽车的控制系统 影响汽车的正常行驶 3 6 典型故障六 一辆尼桑风度 A32 轿车空调系统发生故障 故障现象为鼓风机 3 挡风速不 正常 初步诊断为电磁干扰 首先对电源供电系统 即发电机进行检测 用 FLUKE 98 示波仪测量发电机输出波形 并对二极管进行测试 均未发现异 常 而且此时发电机输出电压在 13 5 13 7V 之间 打开车上大功率用电设备 时系统电压也能维持在 13 2V 由此判定供电系统工作正常 接着对汽车的强干扰源 点火系统进行检测 把空调系统和空调 ECU 用单独的直流电源供