汽車電磁兼容（EMC）問題的探討

一、汽車電磁兼容的問題概述為滿足人們對汽車的安全、環保、節能以及舒適等性能日益增高的要求，裝備電子、電器設備，應用電子技術是至有效的手段 。

制動防抱死系統（ABS）、車身控制模塊（BCM）、電子防盜系統（EATS）、電動助力轉向（EPS）、電子燃油噴射 （EFI）、電子油門控制系統（E- GAS）、車載自動診斷系統（OBD）、電子點火系統（EIS）、電子制動力分配裝置（EBD）、電子穩定程序（ESP）、驅動防滑控制系統(ASR)、輪胎氣壓監測系統（TPMS）、電子控制剎車輔助裝置（EBA）、倒車雷達（PDC）、電子巡航控制系統（CCS）、衛星定位導航系統（GPS）、行駛記錄儀 （TDR） 和車載移動數字電視（MDTV）等電子系統、裝備正越來越多地應用到汽車上。

電子技術的應用，在提升汽車動力性、經濟性、舒適性、安全性，降低污染物排放水平等方面*，但也帶來了新的問題，即對外界的電磁騷擾隨之增大；同時，這些效果的獲得，前提條件是確保車載電子、電器設備能夠正常工作。而現實情況是，車載電子、電器件由于存在電磁兼容性問題，電磁騷擾水平往往超標，或受到電磁干擾后自身工作不正常，嚴重時甚至遭受損壞。

EMC試驗

長期以來，人們對汽車的噪聲、振動、排放等方面存在問題的認識廣泛而深入，投入了大量的人力、物力和財力進行研究，取得了較好的成效。但是，隨著汽車面臨的電磁環境的復雜性加劇，使得汽車的電磁兼容問題變得越來越突出和嚴重 。一方面，汽車日常使用受到外部的電磁干擾越來越多，如周圍環境中的通訊設備、電力設備、無線電廣播等；另一方面，汽車上安裝的電子、電器設備也越來越多，車載電子、電器設備工作時，既會對其周圍的其它車載電子、電器設備產生電磁干擾，自身也會受到周圍其它車載電子、電器設備的電磁干擾的影響。上汽車產業發達的國家已把電磁兼容列為繼排放、噪聲之后的汽車第三大“污染”問題。

二、汽車電磁兼容問題的典型表現

任何電子、電器設備在運行時都會向周圍傳遞電磁信號，其電磁信號可能對其它設備的正常工作產生干擾，同時設備本身也可能受到周圍電磁環境的干擾。電磁干擾的典型特征是看不見、摸不著， “莫名其妙”， “來無影、去無蹤”；只要有電磁干擾存在，就有故障出現；只要電磁干擾消失，故障就消失。

電磁干擾可能是暫時的，影響很小。如車載 DVD經常出現死機現象或公路邊電視機在汽車駛過時圖像出現抖動。但是，干擾也可能是致命的，如汽車的安全氣囊（SRS）、制動防抱死系統（ABS） 等在車輛行駛過程中受到電磁干擾很可能被誤觸發或失效，這就可能產生嚴重的交通事故。汽車典型的電磁兼容性問題表現如下：1）某轎車上裝有靈敏的 ABS，下雨時，因啟動刮水器產生的電磁干擾誤觸發了 ABS，導致后車追尾事故。2）某客車行駛在高速公路上，突遇降雨天氣。在啟動刮水器后，出現了電控氣動門自動打開的故障。3）某柴油載貨車行駛至某雷達站附近時，出現了自動熄火的故障，在拖離該路段后故障自動消失。4）進行某混合動力客車 ABS性能試驗時，啟動車輛但還未行駛時，測試儀器的輪速曲線就出現異常波動；但在測試傳統內燃機客車 ABS 性能時，儀器的輪速曲線*正常。

前兩種現象都是由刮水器電機產生的電磁干擾引起的，而且 ABS 和車門的電控泵的抗電磁干擾能力還有待增強。第三個例子是由于發動機電控單元（ECU）不能承受較強的外來電磁干擾信號所引起的。第四個例子一方面說明，該混合動力客車產生的電磁干擾非常嚴重；另一方面也說明該 ABS 性能測試設備的抗電磁干擾的能力還有待進一步加強。總之，汽車電氣系統內部的各種瞬變電壓，火花塞之間、喇叭觸點、調節器觸點、發電機和起動機電刷與換向器之間的火花放電，各種電路開關的電弧放電以及車輪與地面、車身與空氣間摩擦產生的靜電放電等都會產生電磁干擾，并直接影響到車內電子、電器產品或測試設備的正常工作。三、影響汽車電磁兼容性能的因素影響汽車電磁兼容性能的主要因素有電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑和電磁敏感設備。汽車電磁干擾源可分為車內電磁干擾源和車外電磁干擾源。由于車外電磁干擾源幾乎不受汽車行業的約束，能采取的措施主要在于抑制車內電磁干擾源。

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1、車內電磁干擾源車內電磁干擾源主要是指產生電磁干擾信號的車載電器部件或系統，如火花塞、啟動電機、發電機、刮水器、電喇叭、各種儀表等。目前汽車內部的電磁干擾源主要有：1）發動機點火系統。汽車點火系統產生的電磁干擾是車內干擾源的重要組成部分，點火系統工作期間會產生很強的電磁干擾信號。從電路原理來看，點火系統實際上是一個電感、電阻、電容、線圈組成的振蕩電路。當初級電路被切斷后，在初級電路所發生的是一種衰減振蕩，初級線圈的大電壓一般為 300～500V。在次級線圈中所感應的次級電壓至大值一般為 20 000～30 000 V，因此，點火時在點火線圈周圍會產生強烈的電磁干擾。

當次級電路開始擊穿火花塞間隙時，存儲于火花塞分布電容中的能量迅速釋放，在幾微秒時間內放電結束，但形成的電流則非常大，可達幾十安培。這一階段的放電特征是次級電路的電壓和電流形成陡峭的脈沖放電形式。這個放電脈沖不但通過點火線圈與火花塞間的高壓線向外部形成電磁輻射，而且會沿著導線對其它電子、電器傳導干擾信號。同時，在火花塞被擊穿放電時，火花將形成 0.15～1 000 Hz電磁波向周圍輻射，對其它電子電器設備形成強烈的電磁輻射干擾。2）交流發電機。車載交流發電機產生的電磁干擾是感性負載干擾的重要組成部分。一方面，由于交流發電機采用炭刷與滑環將勵磁電流引入轉子線圈，在運轉過程中，只要兩者的接觸狀態稍有變化，就會產生電火花，形成電磁輻射干擾；另一方面，發電機負載和轉速等變化會引起輸出電壓的變化，電壓調節器則通過通斷勵磁繞組、調節勵磁磁通來補償其變動，這會在磁場線圈中引起頻率、峰值不等的瞬變脈沖電壓，如開關時間 2ms，對應 500 Hz 的頻率，由傅里葉分析可知，其諧波頻率將高達數千或上兆赫茲，產生射頻干擾信號。

另外，交流發電機在工作時突然卸載或在額定工作負載時突然與正在放電的蓄電池斷開，會產生嚴重的瞬變電壓。瞬變電壓的幅值可達 75～150 V，衰減時間可持續 100～200 ms。這種瞬變過電壓對汽車其它電子器件會產生相當大的沖擊，導致設備工作異常或損壞。3）電動機。汽車上所用的電機數量越來越多，如起動機、風扇電機、刮水器電機、暖風電機、空調電機、噴水電機、車窗電機、油泵電機和電動座椅電機等都屬于永磁直流電動機。電機在運轉過程中難免產生電火花，會對其它的設備產生電磁干擾，如刮水器電機在換極（換相）時對電路產生較強的電磁干擾。雖然這些電動機一般都有封閉金屬外殼的屏蔽罩，但由于缺乏針對性設計，不但發射輻射電磁干擾信號，而且通過電源線和搭鐵線向外傳導干擾信號。

另外，電動機在工作切換或開關時會產生瞬變電壓，大多以高幅值的負脈沖及隨后的低幅值正向脈沖出現，峰值可達 300 V 左右，持續時間大約 300 ms。這種瞬變脈沖具有浪涌特性，具有豐富的諧波，可能干擾車載電子、電器控制模塊的正常工作，導致電子器件的邏輯混亂或損壞敏感器件。4）電源系統。汽車電路系統由蓄電池和交流發電機作為核心電源，車體作為共用搭鐵，各個電子、電器裝置并聯其上。傳統汽車電源系統（12 V或 24 V）存在著非瞬變性過電壓和瞬變性過電壓兩種過電壓。由磁場回路或調節器故障產生的非瞬變性過電壓峰值可達 75～130 V，很容易直接損壞車載電子、電器設備。因拋負載、磁場衰減或切換感性負載產生的持續時間短而幅值很高的瞬變過電壓（100～150 V）雖然對傳統車載電器影響較小，但可能致使一些敏感的車載電子裝置（如電子調節器、電子點火裝置及其它電子控制單元）出現故障或損壞。

另外，因混合動力或純電動汽車一般采用交流電機作為輔助動力或動力單元，蓄電池的直流電要經過逆變器轉換為電機所需要的交流電，逆變后的交流電含有大量的諧波成分，并通過輸入輸出線向空間發射頻譜范圍較廣（9 kHz～1 GHz）的強電場和磁場，會對車載電子電器件產生很嚴重的電磁干擾。5）靜電放電干擾。靜電是由兩種不同物質相互摩擦，因物體表面間電子移動而產生的。車輛在行駛時，駕乘人員衣物與座椅間的摩擦，車輪與地面間的摩擦，車身與空氣的摩擦等都可能產生靜電，形成靜電干擾源，引發靜電放電現象。在靜電放電過程中產生的放電電流將形成傳導干擾，放電火花則形成輻射干擾。這種類型的干擾特點是高電壓、短時間、小電流，但極可能使一些電子控制單元產生誤動作，甚至造成長期性破壞。

2、車外電磁干擾源汽車的高機動性決定了其可能會處于各種電磁場中，既有電磁環境良好的鄉村地區，又有電磁場環境異常復雜的城市、機場及雷達站。車外電磁干擾源包括人為干擾源和自然干擾源兩類。1）人為電磁干擾是指汽車外部人工裝置產生的電磁干擾，主要有其它車輛點火系統的輻射干擾、電動車電源系統、高壓電力系統、車外雷達、無線電發射機、移動通訊設備等發射的電磁波，以及高壓輸電線的電暈放電產生的電磁輻射干擾等。2）自然干擾是指由自然現象引起的電磁干擾，比較典型的有雷電、大氣層的電場和電離層變化、太陽黑子的電磁輻射以及來自宇宙的射線等。大多數情況下，這種電磁干擾非常復雜，對汽車的干擾影響可以忽略。但由于雷電放電的電流高達幾十千安，上升時間不到 1μs，釋放出頻譜極寬、強場很大的干擾信號，對車輛影響很大，甚至直接損毀車輛和傷亡人員。

3、汽車電磁干擾傳播途徑車載電器產生的電磁干擾信號既可以通過汽車導線直接進入其它電子、電器設備內部，又可以通過等效天線（如點火系統高壓線、設備中較長的線纜、芯片管腳）輻射到無線電設備內部。也就是說，汽車上的電磁干擾傳播途徑主要有沿著導線直接傳導和通過空間輻射兩種方式，即傳導干擾和輻射干擾。1）傳導干擾就是電磁干擾通過導線傳輸，即通過設備的信號線、控制線、電源線等直接侵入電子、電器內部。由于汽車和外界沒有直接的電路連接關系，所以傳導干擾基本上都是由車載電子電器部件引起的，且通常是因電動機、繼電器以及其它感性負載的瞬態脈沖電壓產生的，其瞬態脈沖電壓可達 200 V，可能導致額定工作電壓為 12 V或 24 V 的電子、電器件工作異常或被損壞。2）輻射干擾的實質是電磁干擾源的電磁能量以場的形式向四周空間傳播。汽車上的電磁場強既包括車載電子、電器輻射場強，又包括外界電磁輻射場強。電磁輻射干擾的傳輸路徑非常復雜，既可以直接輻射到電子、電器上，又可以先輻射到線束上然后再以傳導干擾的方式進入電子、電器。

4、電磁敏感設備因遭受電磁干擾而可能偏離其正常工作狀態的電子、電器裝置就是電磁敏感設備。在汽車電控系統中，基于數字電路的控制系統已逐漸替代了早期由機電或模擬設備完成的許多功能。但由于半導體邏輯器件對電磁干擾的敏感度較高，加之汽車線束與某些高場強頻段的波長可以比擬，使得大量車載電子、電器零部件同時也成為了電磁敏感設備 。

如以弱電信號為控制依據的各種氧傳感器、防爆震傳感器、發動機 ECU、車身控制模塊（BCM）、ABS輪速傳感器、CAN總線等，常常是多個信號經過軟件控制復用到同一個硬件總線。一個隨機瞬態脈沖很可能就破壞了內部時鐘晶振的時序、中斷或打亂了正被傳輸的數據以及程序的執行狀態等，導致相關部件收到錯誤信號，使系統的控制功能失效。車載電器低電壓、大電流負載特性使其開關過程在供電線路上會產生很多脈沖干擾，進一步惡化汽車電氣系統的電磁環境。

盡管可以采取一些措施限制車內電磁干擾源產生的干擾噪聲電平處于合理的范圍內，減少車輛對環境的電磁污染，但車輛內部，特別是車輛外的電磁干擾是難以*消除的，無限制地加大干擾抑制措施會成倍地增加生產成本，在實際工程應用中是不可行的。這就要求敏感設備應具有一定的抵抗電磁干擾的能力，以保證其自身正常工作，達到車載設備相互共存、互不影響的狀態。根據實現功能的重要程度，各個汽車廠商對車載零部件抗擾度性能等級要求各不相同。對車載 DVD、音視頻系統，要求至少為 C級，對車身控制模塊（BCM）、發動機 ECU、ABS、CAN 總線等則為 A 級的要求。一般而言，至少都是 C級或以上。

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四、 汽車電磁兼容性能的評價新車型開發時，其電磁兼容性能究竟怎樣，能否滿足相關標準法規的要求，需要進行評價。

目前，國內外采用的至直接、至有效的評價方法就是根據相關標準進行測試評估。當然，還有仿真分析法等。

1、國內現狀由于我國汽車工業整體水平落后，對汽車電磁兼容性問題的認識總體不夠。近年來，逐漸吸收了國外部分研究成果，頒布了一些汽車電磁兼容標準，但與 ISO、IEC等標準還有較大的差距 。目前國內涉及到汽車整車及零部件電磁兼容性能的標準有 GB14023、GB/T18387、GB18655、GB/T17619、GB/T19951、GB/T21437 共 6 個，均為全部或部分等同采用相關標準制定。主要對內燃機汽車的整車輻射騷擾，電動車輛的電磁場發射強度，車載電子、電器部件的傳導和輻射騷擾，車輛電子電器部件的電磁抗擾度性能，整車及零部件抗靜電放電干擾的性能，由傳導和耦合引起的零部件電磁騷擾特性等方面的要求、測量和評價方法作出規定。

我國汽車公告、3C等法規檢測僅對上述前 3 項、前 1 項標準提出了要求，但從零部件配套、車輛出口認證以及切實*汽車電磁兼容性能來看，國內汽車電磁兼容標準化工作還需進一步加強，應采納更多*標準。

2、國外現狀汽車發達國家和地區很早就開展了汽車電磁兼容問題的研究，現在已經取得了不少成果，并頒布了較*的車輛電磁兼容標準法規，一些汽車制造廠商還制定了遠高于標準的企業標準。目前國外涉及汽車整車及零部件的電磁兼容測試標準多達 29 個，主要有以下幾類：標準，如 ISO系列（共 15 個抗擾度標準）、CISPR 系列（2 個騷擾標準） 等；地區標準，如歐洲的72/245/EEC 指令和 ECE R10 法規（涵蓋 ISO、CISPR 所有標準）等；國家標準，如美國汽車工程學會 SAE 系列標準（共 29 個騷擾和抗擾度標準）等；汽車廠商的企業標準，如福特的 ES- XW7T- 1A278- AC，大眾的 VW TL80101、VW TL 82066，現代的 Hyundai ES 39110- 00、HyundaiES96100- 01 等。這些標準法規對汽車整車及零部件的電磁輻射騷擾、傳導騷擾、瞬態傳導騷擾、輻射抗干擾、瞬態傳導抗干擾、抗靜電放電等的測試方法及限值都進行了詳細的規定，既可以有效保證汽車的電磁兼容性能，又能使汽車的整體綜合性能得到顯著提高。

五、總結

由于電子技術在汽車上的廣泛應用，各種車載電子、電器數量增長迅猛，造成車載用電設備密集程度越來越大。因此，汽車的電磁兼容性能已成為影響整車性能的重要因素，甚至將成為制約汽車技術繼續發展的瓶頸之一。為解決此問題，汽車廠家應當建立起一套*的車載電子、電器零部件的管理流程，在確定整車需要達到的 EMC指標情況下，建立起從整車 EMC 指標向車載電子、電器 EMC指標進行分解的技術體系，加強試驗檢測和仿真分析，以終保證整車的電磁兼容性能，從而保障整車可靠的安全性、環保性、節能性和舒適性等綜合性能。