汽車屏蔽線束的應(yīng)用研究

曹 池， 王東升， 王子龍， 趙明麗

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000；2.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

在汽車產(chǎn)品中，線纜作為連接各個零部件或子系統(tǒng)的重要橋梁，需要滿足安規(guī)要求、環(huán)境要求等多種設(shè)計指標(biāo)，但唯獨其電磁特性容易被忽視，尤其是隨著整車電器件數(shù)量不斷增加，工作頻率越來越高，特別是新能源車型上DC-DC、MCU等大功率設(shè)備的應(yīng)用，對車內(nèi)信號的傳輸以及對車外的電磁干擾都會產(chǎn)生很大影響［1］，引發(fā)了很多電磁兼容問題，汽車屏蔽線的采用越來越得到重視。

1 屏蔽線的定義及原理

屏蔽線是使用金屬導(dǎo)體把內(nèi)部導(dǎo)線包裹起來的傳輸線。包裹的導(dǎo)體叫屏蔽層，一般為編織銅網(wǎng)或銅 （鋁）箔。由于屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性導(dǎo)體材料制成，并且厚度很薄，遠(yuǎn)小于其使用頻率上金屬材料的集膚深度，因此屏蔽線可以利用其金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應(yīng)，減少外界干擾信號對電源或通信線路的影響，同時降低傳輸信號的損耗，也可以避免內(nèi)層導(dǎo)體的干擾輻射到外界對外部接收機形成干擾［2］。

屏蔽層的屏蔽效果不是由其本身對電場、磁場的反射、吸收產(chǎn)生的，而是由屏蔽層的搭鐵產(chǎn)生的。在汽車線束中，屏蔽線的屏蔽層一般均建議360°雙端搭鐵，如圖1b、1c所示，以保證其屏蔽效果。同時，如果屏蔽線束經(jīng)過連接器，要求連接器屏蔽層最好采用壓接或焊接的方式，以減小接觸電阻，盡量減小屏蔽系統(tǒng)的搭鐵阻抗。

圖1 屏蔽層搭鐵方式

在實際應(yīng)用中，新能源汽車的高壓線束屏蔽層均必須要求360°雙端搭鐵，但在低壓屏蔽線束中，由于安裝要求及成本控制原因，屏蔽層往往會采用軟辮線，即俗稱“豬尾巴”的形式搭鐵。如圖1a所示。但是為了保證屏蔽層的屏蔽效果，要求“豬尾巴”越短越好。

2 屏蔽線的屏蔽效能

屏蔽線的屏蔽效能是指：在芯線電流不變條件下，電纜有無屏蔽層時空間某點的場強比值。參考高壓屏蔽線束的屏蔽效能，如表1所示，依據(jù)GB/T 37133—2018《電動汽車用高壓大電流線束和連接器技術(shù)要求》，對屏蔽效能進行了分級。屏蔽效能越高，其屏蔽效果越好，但對應(yīng)成本也就越高，因此根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，一般建議乘用車等民用產(chǎn)品達到中等屏蔽要求，即≥40dB即可［3］。

屏蔽線束的屏蔽層分為箔層屏蔽和網(wǎng)狀屏蔽兩種，選用材料一般為編織銅網(wǎng)或銅 （鋁）箔。關(guān)于屏蔽層的選取，需要對屏蔽線束的應(yīng)用環(huán)境和電磁兼容性能進行綜合考慮。

網(wǎng)狀屏蔽在保持良好的柔韌性及抗撓壽命的同時，提供了超群的結(jié)構(gòu)整體性，這些屏蔽對于降低低頻干擾是理想的選擇，比起箔層屏蔽來說，其具有較低的臨界電阻，降低了直流阻抗。網(wǎng)狀屏蔽線束的屏蔽效能，與其屏蔽編織網(wǎng)的編織密度和編織角度參數(shù)息息相關(guān)，網(wǎng)狀屏蔽編織密度越高，編織角度越小，屏蔽效果就越好。根據(jù)GB/T 9330—2020《塑料絕緣控制電纜》標(biāo)準(zhǔn)要求，網(wǎng)狀屏蔽的編織密度需要高于80%（一般設(shè)計經(jīng)驗要求高于85%），編織角度要求小于45°。

箔層屏蔽一般是由聚脂或聚丙烯薄膜上附著一層鋁箔形成。這層薄膜給屏蔽層提供了機械強度及良好的絕緣性能。箔層屏蔽可100%覆蓋電纜，并且質(zhì)量輕、體積小，比網(wǎng)狀屏蔽造價低，在射頻范圍內(nèi)通常更加有效。箔層屏蔽比起網(wǎng)狀屏蔽的柔韌性更好，但抗撓壽命較短。另外，實驗表明，頻率超過5MHz的電磁波只能透過38μm厚的鋁箔［4］，而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，屏蔽帶金屬層最薄處厚度不應(yīng)小于50μm，因此標(biāo)準(zhǔn)屏蔽層的厚度均超過38μm，能夠有效屏蔽5MHz以上的電磁干擾。

另外，不管是網(wǎng)狀屏蔽還是箔層屏蔽，其屏蔽效能還與屏蔽層的金屬材質(zhì)有關(guān)，金屬材質(zhì)的電阻率越低，其轉(zhuǎn)移阻抗越低，屏蔽效能越高。

綜上，不論是網(wǎng)狀屏蔽還是箔層屏蔽，都能達到較高的屏蔽效能要求，但因為網(wǎng)狀屏蔽存在孔縫，其屏蔽能力依賴于波長的變化，所產(chǎn)生的縫隙使得高頻信號可自由進出導(dǎo)體。因此，對于抵抗電磁干擾，選擇網(wǎng)狀屏蔽最為有效，因其具有較低的臨界電阻；而對于較高頻率的干擾或射頻范圍的干擾，采用箔層屏蔽更為有效。而對于高低頻混合的干擾場，則要采用具有寬帶覆蓋功能的箔層加編織網(wǎng)的組合屏蔽方式，網(wǎng)狀屏蔽適用于低頻范圍，而箔層屏蔽適用于高頻范圍［5］。這樣，屏蔽線束的屏蔽效能對于5MHz以上的頻段覆蓋比較完整，而對于5MHz以下的低頻干擾可應(yīng)用雙絞線的平衡原理有效地抵消。

3 屏蔽線在汽車上的應(yīng)用

屏蔽線的作用是將電磁場噪聲源與敏感設(shè)備隔離，切斷噪聲源的空間傳播路徑。在汽車線束的應(yīng)用上主要是針對整車或分系統(tǒng)EMC要求，減弱或消除電磁信號的影響 （EMI），以及防止干擾信號耦合進入敏感設(shè)備，干擾整車的正常工作。同時，屏蔽線束的應(yīng)用也可以減少噪聲源對車外的發(fā)射量，以達到整車輻射發(fā)射的限值要求。

在汽車線束中，根據(jù)干擾頻率及線束應(yīng)用條件，各個零部件或系統(tǒng)均會提出各自的線束要求。一般喇叭、CAN總線、輪速傳感器、安全氣囊線束等采用雙絞線；爆震傳感器、點火線圈驅(qū)動、麥克風(fēng)、驅(qū)動電機、旋變傳感器等線束采用屏蔽線；曲軸傳感器等用屏蔽雙絞線；FM/AM和GPS饋線等使用同軸電纜。

另外，由于車型電氣系統(tǒng)設(shè)計的不同及零部件EMC條件的差異，使得各個車型的EMC問題各不相同，因此，也需要根據(jù)車型的具體條件進行屏蔽線的選用，如對受干擾的雷達線束或LIN總線采用屏蔽線，對新能源汽車高壓部件附近受到干擾的CAN總線采用雙絞加屏蔽的線束等。同時也要設(shè)計好屏蔽線束屏蔽層的雙端搭鐵。

4 結(jié)束語

針對當(dāng)下汽車電磁兼容問題越來越多，尤其是自身兼容問題高發(fā)的現(xiàn)狀，屏蔽線作為除雙絞線外車輛解決線束電磁兼容問題的主要手段之一，能夠有效地減少車輛的EMC問題，降低車輛對外輻射量，整改手段易于量產(chǎn)化應(yīng)用，因此也是汽車電磁兼容整改的主要手段，但只是對電磁兼容三要素的傳播途徑進行了切斷，并未對騷擾源進行有效抑制。