汽車線束搭鐵設(shè)計(jì)對(duì)電磁兼容的影響

張博宇

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201805）

汽車線束搭鐵設(shè)計(jì)對(duì)電磁兼容的影響

張博宇

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201805）

從工程實(shí)際中總結(jié)出搭鐵設(shè)計(jì)規(guī)則，并深入探討就近搭鐵設(shè)計(jì)問題，對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行分析、測(cè)試、模擬仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)規(guī)則。線束工程師從設(shè)計(jì)初期就可以參考這些規(guī)律，將由線束引起的電磁干擾問題消滅在初始階段，為整車電器系統(tǒng)的開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

線束；電磁兼容；設(shè)計(jì)規(guī)則；搭鐵設(shè)計(jì)；模擬仿真

汽車電線束是連接汽車各個(gè)電器與電子設(shè)備的重要部件，在電源、開關(guān)、電器和電子設(shè)備之間傳遞電信號(hào)，素有汽車神經(jīng)之稱，是對(duì)汽車進(jìn)行電信號(hào)控制的載體［1］。隨著電子電氣配置的增加，線束電磁兼容問題日益嚴(yán)重。

在線束研究和設(shè)計(jì)方面，往往重視線束的生產(chǎn)工藝、線徑、線材、熔斷絲選取、配電設(shè)計(jì)、回路設(shè)計(jì)等；在電磁兼容方面，研究更多的是零部件本身的抗干擾和騷擾發(fā)射設(shè)計(jì)，以及整車環(huán)境中的電磁兼容分析，將線束和電磁兼容問題結(jié)合起來的研究相對(duì)較少。線束的電磁兼容問題往往是事后分析，但整車上已經(jīng)裝配了大量的電器零件，電磁環(huán)境復(fù)雜，線束也已經(jīng)被內(nèi)飾零件所覆蓋，難以快速準(zhǔn)確地找到問題根源，消耗了工程師大量的時(shí)間和精力，尤其對(duì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)欠缺的工程師，往往會(huì)走很多彎路才能找到問題的癥結(jié)，工程師往往會(huì)有無規(guī)律可循的無奈。

在實(shí)際開發(fā)過程中，線束的搭鐵設(shè)計(jì)是線束開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，往往對(duì)整車電磁兼容表現(xiàn)有較大影響。

1 線束搭鐵設(shè)計(jì)規(guī)則

搭鐵是汽車內(nèi)部電路及車載電子電氣系統(tǒng)正常工作的前提條件，而且搭鐵的品質(zhì)也影響著整車電磁兼容特性。良好的搭鐵可以使整車電量平衡，也可以釋放電荷。在整車電磁環(huán)境內(nèi)部，良好而且恰當(dāng)?shù)拇铊F可以有效抑制電磁干擾以及提高整體環(huán)境抗擾度，如果搭鐵設(shè)計(jì)不良，則會(huì)成為影響電磁兼容性能的短板。

因此，線束設(shè)計(jì)中的搭鐵設(shè)計(jì)非常重要，需要根據(jù)不同電器設(shè)備的屬性、特質(zhì)、功能等對(duì)搭鐵點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和分配，以保證電器系統(tǒng)正常工作。

通過理論研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本人總結(jié)出以下線束搭鐵設(shè)計(jì)原則。

1）傳感器類零件、對(duì)電流較為敏感的元件，需要單獨(dú)就近搭鐵。

2）控制器類零件都需要采用單獨(dú)搭鐵的布置方式，避免不同信號(hào)之間通過同一個(gè)搭鐵點(diǎn)形成干擾。

3）蓄電池負(fù)極端子搭鐵，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的搭鐵點(diǎn)必須穩(wěn)定且可靠，需要慎重選擇。

4）搭鐵線所使用的端子最好是表面有鍍層的銅質(zhì)端子，裸露的銅端子容易產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，可能會(huì)出現(xiàn)銅端子被氧化后影響搭鐵效果的情況。

5）搭鐵點(diǎn)設(shè)計(jì)是影響整車電量平衡的重要環(huán)節(jié)，需要做好DFMEA（Design Failure Mode and Effects Analysis，設(shè)計(jì)失效模式及后果分析）潛在失效分析，搭鐵點(diǎn)的位置要盡量布置在便于安裝和維修的區(qū)域。

6）搭鐵點(diǎn)在車身上的布置不能過于密集，搭鐵點(diǎn)之間的距離或搭鐵點(diǎn)到下一個(gè)線束分支點(diǎn)之間的距離至少保證30 mm，過于集中的搭鐵點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域過熱，從而導(dǎo)致絕緣層老化開裂，還可能產(chǎn)生燒線。

7）搭鐵線的連接點(diǎn)一般采用PVC膠帶、熱縮管、耐磨膠帶等進(jìn)行保護(hù)。

8）在汽車線束中，像給蓄電池負(fù)極搭鐵、散熱風(fēng)扇、刮水電動(dòng)機(jī)、音響喇叭、影碟機(jī)、空調(diào)、照明等提供回路支持，一般采用單一搭鐵和多電器搭鐵線相連搭鐵［2］。

9）當(dāng)搭鐵線的長(zhǎng)度接近信號(hào)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，它就相當(dāng)于一根終端短路的傳輸線，起不到搭鐵的作用，還會(huì)有很強(qiáng)的天線效應(yīng)，向外輻射干擾信號(hào)，所以要求搭鐵線長(zhǎng)度一般不超過信號(hào)波長(zhǎng)的1/20［3］。

10）搭鐵線、搭鐵面應(yīng)采用低阻抗材料制成，并有足夠的寬度和厚度，搭鐵線應(yīng)短而粗，搭鐵面的面積應(yīng)盡可能大，且接到最大的導(dǎo)體上［4］。

11）建議在進(jìn)行線束搭鐵設(shè)計(jì)時(shí)，將感性、容性負(fù)載的搭鐵盡量與其它控制單元分離，且盡可能將其搭鐵布置在該用電器附近，以減少干擾［5］。

2 搭鐵設(shè)計(jì)案例

在以上的設(shè)計(jì)原則中，就近搭鐵一直是工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)就近搭鐵，怎樣才算就近，這些都是直接影響搭鐵效果的因素。下文通過對(duì)實(shí)際案例的分析和模擬仿真來深入探討。

2.1 就近搭鐵案例分析

隨著汽車造型的不斷發(fā)展，越來越多的車燈采用了LED作為光源，但由于LED對(duì)電流及其他干擾比較敏感，導(dǎo)致一系列新問題發(fā)生。

故障現(xiàn)象：右側(cè)前照燈內(nèi)的駐車燈LED有閃爍的現(xiàn)象。

故障診斷與檢查：使用示波器對(duì)故障車輛進(jìn)行前照燈輸出電流測(cè)試，如圖1、圖2所示，有故障一側(cè)前照燈輸出電流波動(dòng)較大。

圖1 有故障一側(cè)前照燈輸入電流

圖2 無故障一側(cè)前照燈輸入電流

檢查左右兩側(cè)前照燈之間的差異。燈內(nèi)部PCB板電路布置、電子元器件規(guī)格一致，對(duì)駐車燈的控制方式也一致，排除由于PCB板不一致引起的差異。使用示波器對(duì)輸入電流（車身控制器）進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，輸入電流穩(wěn)定，排除電源輸入的干擾。前照燈有2路搭鐵信號(hào)，一路是由車身控制器連接到前照燈，還有一路是由車身搭鐵點(diǎn)連接到前照燈。對(duì)右側(cè)前照燈這2個(gè)搭鐵信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)存在電勢(shì)差，可判斷是由于這個(gè)電勢(shì)差造成了LED的閃爍。

進(jìn)一步檢查搭鐵信號(hào)。從車身控制器到前照燈的搭鐵線是直接相連，但前照燈自身搭鐵是通過一個(gè)共用連接釘連接到車身進(jìn)行搭鐵處理。檢查線束圖紙后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)連接釘在駕駛艙，搭鐵線從右側(cè)前照燈連接到駕駛艙的連接釘，又接回了發(fā)動(dòng)機(jī)艙，最后在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的搭鐵點(diǎn)搭鐵，這樣的線束布置顯然不符合就近搭鐵的要求。

遵循就近搭鐵原則，需要尋找離前照燈較近的搭鐵連接釘代替現(xiàn)在較遠(yuǎn)的走向。如圖3所示，綠色線束走向明顯縮短，這個(gè)連接釘位于前照燈和車身搭鐵點(diǎn)之間，避免了過度布置。更改之后再次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)右側(cè)前照燈駐車燈LED不再閃爍，搭鐵信號(hào)受到的干擾得到了明顯改善。

圖3 前照燈搭鐵更改前后示意圖

2.2 案例模擬仿真

針對(duì)這個(gè)案例，利用EMC Studio軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證整改方案是否合理。

首先在EMC Studio里載入已建立的整車模型（具有完整封閉的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D4所示。然后需要在整車模型上建立局部回路模型，該案例需要建立右側(cè)前照燈、車身控制器、搭鐵點(diǎn)、局部線束的模型。如圖5所示。

圖4 整車模型

圖5 用電器及線束布置

圖5中紅色線束部分描述了從前照燈搭鐵到車身搭鐵點(diǎn)的走向，可以看出原本前照燈距離搭鐵點(diǎn)比較近，但由于搭鐵連接釘位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙前圍附近，所以搭鐵線布置得較長(zhǎng)。

在布置好線束之后，還需要給回路中的各用電器定義屬性和繪制等效電路圖。由于只是對(duì)比搭鐵線差異對(duì)EMC的影響，所以前照燈內(nèi)部電路只簡(jiǎn)化成等效電路，而非實(shí)際電路，如圖6所示。

圖6 局部回路接線圖

建模完成后就可以進(jìn)行仿真，利用模擬在車頂處的天線探測(cè)搭鐵信號(hào)的騷擾發(fā)射情況，仿真結(jié)束將生成一個(gè)曲線圖。

接下來進(jìn)行整改，從圖7可以看出，左側(cè)紅色部分顯示了連接釘?shù)男路桨?，大大縮短了前照燈搭鐵線的長(zhǎng)度。按照同樣的設(shè)置再次進(jìn)行仿真，將得到的曲線圖和改前進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖7 整改后的線束布置

圖8 整改前后EMC仿真結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過仿真結(jié)果的對(duì)比圖，我們可以看出，就近搭鐵使得搭鐵信號(hào)的騷擾發(fā)射表現(xiàn)得到優(yōu)化，整改方案切實(shí)有效。

2.3 搭鐵線長(zhǎng)度對(duì)EMC性能的影響

通過對(duì)以上案例的分析，在進(jìn)行線束設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免搭鐵線路因?yàn)檫B接釘位置不合理而過分加長(zhǎng)。那么，在具體的工程實(shí)踐中，搭鐵線長(zhǎng)度和局部抗擾性有何聯(lián)系，利用前照燈搭鐵點(diǎn)的案例，對(duì)此進(jìn)行深入驗(yàn)證。

案例中前照燈搭鐵線的原始長(zhǎng)度是3.19 m，如圖9所示。此時(shí)搭鐵連接釘?shù)奈恢镁嚯x前照燈較遠(yuǎn)。在之前的試驗(yàn)和仿真中都驗(yàn)證了此處的騷擾發(fā)射問題比較嚴(yán)重，接下來在該連接釘?shù)酱铊F點(diǎn)之間選取3個(gè)搭鐵連接釘位置，它們距搭鐵點(diǎn)的距離逐漸縮小，長(zhǎng)度分別為3.04 m，1.16 m和0.78 m (圖10～圖12) ，加上整改后的方案0.5 m，將該5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)對(duì)比。

圖9 搭鐵線原始長(zhǎng)度3.19 m

圖10 搭鐵線長(zhǎng)度為3.04 m

圖11 搭鐵線長(zhǎng)度為1.16 m

圖12 搭鐵線長(zhǎng)度為0.78 m

利用EMC Studio軟件對(duì)以上5種狀態(tài)進(jìn)行仿真，同樣利用車頂處的天線探測(cè)搭鐵信號(hào)的騷擾發(fā)射情況，將結(jié)果放在同一坐標(biāo)下進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。

圖13 5種搭鐵線長(zhǎng)度下騷擾發(fā)射曲線對(duì)比

從圖13中發(fā)現(xiàn)，在搭鐵線超過3 m時(shí)，騷擾發(fā)射問題較為嚴(yán)重，隨著搭鐵線的逐漸縮短，騷擾發(fā)射得到優(yōu)化，在低于1 m以后已基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。工程師可以綜合整車線束中搭鐵連接釘?shù)奈恢?，選取較近的一個(gè)連接釘。通過對(duì)比我們得出結(jié)論，搭鐵線越短，EMC性能越優(yōu)良。在整車線束設(shè)計(jì)、布置允許的情況下，應(yīng)該盡量尋找就近搭鐵點(diǎn)或連接釘來縮短搭鐵線長(zhǎng)度。

3 總結(jié)

搭鐵設(shè)計(jì)是整車線束設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在線束初期設(shè)計(jì)時(shí)，如果能合理使用本文中所述的設(shè)計(jì)原則和方法，可以規(guī)避由于搭鐵設(shè)計(jì)不良帶來的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，可以減少樣車制造階段檢查問題的成本。

為了驗(yàn)證這些由實(shí)際案例總結(jié)出來的規(guī)則，本文還對(duì)就近搭鐵的案例進(jìn)行了深入分析以及基于EMC Studio的模擬仿真。

本文總結(jié)出來的規(guī)則都與實(shí)際開發(fā)相關(guān)，能夠指導(dǎo)整車廠或線束供應(yīng)商進(jìn)行線束開發(fā)，產(chǎn)生實(shí)際效果，為企業(yè)節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

［1］ 方芳.汽車電線束未來的發(fā)展［J］.機(jī)電元件，2006（2）：50-54.

［2］ 張震華，楊三軍.淺談汽車線束搭鐵線設(shè)計(jì)［J］.汽車電器，2010（1）：14-18.

［3］ 張海泉.EMC中的接地技術(shù)及地線中的干擾［J］.商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23（12）：71-73.

［4］ 余長(zhǎng)青.電磁兼容設(shè)計(jì)中的接地技術(shù)［J］.黔南民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（6）：26-29，58.

［5］ 夏建華.接地技術(shù)在汽車線束設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［C］.河南省汽車工程學(xué)會(huì)第八屆科研學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008.

（編輯 楊 景）

The Influence of Vehicle Wire Harness Ground on Electromagnetic Compatibility

ZHANG Bo-yu
(Tongji University,Shanghai 201805,China)

Ground design rules from engineering experience will be proposed here and be discussed,especially for close ground design.The article analyzes cases in development,provides solutions and conducts simulations based on them,to ensure the accuracy of the solutions.Engineers could reference those rules at the primary stage of designing,to achieve a good basis for following engineering.

wire harness; electromagnetic compatibility; design rules; ground design; simulation

U463.62

A

1003-8639（2017）09-0036-04

2017-06-21

張博宇（1984-），男，青海人，助理工程師，主要從事汽車線束開發(fā)和項(xiàng)目管理工作。