汽车TCU控制器线束间的串扰研究

王爱国

(1.安徽机电职业技术学院，安徽　芜湖　241002；

2.合肥工业大学　机械与汽车工程学院，安徽　合肥　230009)



汽车TCU控制器线束间的串扰研究

王爱国1,2

(1.安徽机电职业技术学院，安徽芜湖241002；

2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009)

摘要：电子技术和车辆技术的紧密结合，使得汽车内部电子设备的电磁干扰问题日益突出。各种功率开关器件大量应用于汽车控制器以满足大的驱动功率需求；同时工作于开关状态的功率器件在开关过程中会在线束上产生很大的浪涌电压和浪涌电流，形成严重的电磁干扰源，通过线间串扰进入线束里的其它控制线和信号线，造成设备的误动作。基于理论建模分析，用S参数对线束的线间串扰进行定性分析，确定多种因素的影响程度，并对线间串扰给出了解决优化措施。

关键词：电磁兼容；计算模型；串扰分析；TCU控制器；优化设计

当今汽车对安全、节能环保以及舒适性、操纵稳定性等的要求越来越高，使得迅速发展的电子技术和车辆技术结合的越来越紧密，电子控制技术逐步取代了传统的机械控制系统，从动力传动总成控制、底盘控制到车身控制和车载多媒体系统等，电子控制技术几乎涵盖了汽车所有的方面。随着车载电子设备的增多，线束作为连接各种电子设备的传输纽带也会与日俱增。而车内空间是有限的，大量的电气设备和与之相连的线束共存于车内有限的狭小空间内，使得车内的电磁兼容问题更加突出[1-4]。

车辆自动变速器TCU是汽车电控技术的一个重要组成部分。采用微型计算机和电力电子驱动技术实现车辆自动变速，能消除驾驶员换档技术的差异，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性，提高车辆的动力性和经济性。TCU主要由微处理器、信号处理模块、电机驱动模块和CAN通信模块等组成，在装车使用前要通过严格的电磁兼容性测试。电机驱动模块一般都是由半导体功率开关器件组成，功率开关管都工作在PWM开关状态，而其开关过程中，在连接电机和控制器之间的线束上会产生极大的浪涌电压和浪涌电流，其产生的电磁干扰会通过容性耦合或感性耦合进入线束里的其它控制线和信号线，造成设备误动作[5-6]。因此，在影响TCU电磁兼容问题的所有因素中，线束占有重要的地位。大量的理论和工程实际表明，90%的系统不能通过辐射发射测试或者对邻近的设备产生辐射干扰，都是由于线束、电缆的电磁辐射和线间串扰所致[7-9]。本文的TCU控制器在使用过程中就出现过在驱动电流电机换挡时，CAN线不能正常通信的情况。

1计算模型

当信号在传输线上传输时，因电磁场而对相邻的传输线产生的不期望的干扰电压或电流噪声即为串扰，串扰是由信号线之间的互感耦合或者互容耦合引起的，按产生机理可分为电感性耦合和电容性耦合。以最简单的平行均匀传输线为例[10-12]，如图1所示的共地两平行传输线模型，其中有激励源的为发射导体，另一根为接收导体，图中的地面可以看作是两芯屏蔽电缆的屏蔽外导体或参考大地。由于传输线与地面存在分布参数，为此可将地面与两传输线看作是三导体传输线。

图1　共地两平行线模型

设发射线上单位长度的自电阻、自电感和自电容分别为R1、L1和C1，接收线上单位长度的自电阻、自电感和自电容分别为R2、L2和C2，两线间的互电感、互电容分别为Lm、Cm。互电感和互电容的表达式分别为：

(1)

式中，aw1是导线1距地平面的高度，aw2是导线2距地平面的高度，rw1、rw1是导线1和导线2的半径。任取一无限小段△z，等效电路如图2所示。

图2　微小段等效模型

当△z→0时线上的电压电流为：

(2)

式中，U(x)、I(x)分别为相电压和相电流向量，R L、和C分别为单位长度电阻矩阵、电感矩阵和电容矩阵：

(3)

2结果与分析

S参数也称散射参数，是微波传输中的一个重要参数，因为其概念简单，便于分析并能开门见山地剖析测量和设计问题，因此在微波传输领域获得了广泛的应用。模型计算中，通过改变线缆间距d12、线缆离车身地高度aw及线缆长度l12，用S参数来研究不同线束配置情况下电缆线间的串扰强度。

(a)　不同电缆间距d对串扰强度的影响

(b)　不同离地高度a对串扰强度的影响

(c) 不同电缆长度l对串扰强度的影响

从仿真结果可以看出，随着频率的增加，电缆间串扰的强度也随之增加，但在频率上升至一定程度时，串扰强度出现周期性振荡现象。这是由于在高频段传输线的分布效应开始显现。从图3(a)可以看出随着电缆间距增加，电缆间的串扰强度随之减小，但这种减小串扰的效果并不是线性的。电缆间距从10mm增加到30mm时，电缆间的串扰强度降低的幅度要大于电缆间距从30mm增大到50mm时。这是因为互电感、互电容的衰减是随距离平方关系变化的。所以，汽车线束在布线时，对于传输大电流的导线尽可能与其它易受干扰的信号线、控制线等分开捆扎。

电缆离车身地高度对于线间串扰同样也有很显著的影响。从图3(b)可以看出，随着离车身地高度的增加，串扰明显增强，这是因为，随着高度的增加，线束和车身地间的分布电容增大，串扰的能量逐渐从车身地吸收转移到相邻线束上。但随着离车身地高度的增加，串扰强度增加的幅值就比较微弱了。所以在布置汽车线束时，应尽量减小线束与车身的距离，线束应尽量贴近车身布置，或者用紧固件将线束紧固在车身表面。

图3(c)示出了电缆长度增加对于电缆间串扰的影响。可以看出，随着电缆长度变化，串扰信号的波峰波谷出现的位置发生明显变化。电缆长度越长，则第一个谐振峰值出现的频率越低。另外，串扰的强度也随电缆长度的增加而增大。所以在汽车线束布线时，对传输大电流的导线，应尽量缩短其与其它传输线并行的距离来减小其对其它电缆的串扰耦合。

模型计算结果与文献[13-14]中给出的测试结果在趋势与谐振频率上基本相似，说明等效计算模型能有效地分析电缆间的串扰问题。对于图3(b)，电缆线束距离车身地越近，则相互之间的串扰越小，串扰的能量逐步转移到汽车车身上；所以，采用屏蔽线传输电功率并将屏蔽层和车身地良好接触，也相当于缩小线束与车身地的距离，增大线束与车身地间的分布电容，一样可以有效的减少线间的串扰[15]。但是如果屏蔽层没有良好接地，则相当于仅仅增大了线间的互电容、互电感，所引起的线间串扰会比不用屏蔽线时更严重。图4(a)示出了屏蔽线对串扰强度的影响，可以看出用屏蔽线基本上可以完全消除串扰的影响。4(b)分别示出了不用屏蔽线(实线)、屏蔽线一端没有接地(倒三角和圆点)和屏蔽线两端都没有接地(正方形)时对串扰强度的影响，可以看出两端都没接地时串扰最大。

(a)　使用屏蔽线对串扰强度的影响

(b)　屏蔽线两端接地对串扰强度的影响

3结论

汽车电子技术的发展带来了汽车电磁兼容问题。目前，国内的汽车电子产品在设计初期往往对电磁兼容没有充分考虑或者针对汽车应用方面不知道如何考虑电磁兼容问题，这样当电磁骚扰对产品造成不利影响或无法通过EMC测试时，往往不得不对产品进行修改或重新设计。因此，在产品设计初期对电子设备的电磁兼容特性进行建模仿真分析就显得尤为重要。从国际上来看，电磁兼容仿真设计已经成为汽车电子设备设计时必备的一个步骤。因此，在汽车控制器研发设计阶段，对于控制器在汽车上的安装和线束布局，通过电磁兼容建模手段对线缆的线间耦合和串扰进行定性研究和定量分析，确定各种因素的影响程度，指导线束的优化设计及实现最佳控制，对于汽车TCU设计安装将具有极为重要的意义。

通过建模分析，对于汽车TCU控制器的安装和线束布局，本文给出了以下意见：

① 对传输大电流的导线尽可能与其它易受干扰的信号线、控制线等分开困扎。即使捆扎在一起也要尽量缩短其与其它传输线并行的距离来减小对其它电缆的串扰耦合影响。

② 使用屏蔽线可以彻底解决串扰耦合问题，但屏蔽层两端都要良好接地，否则，串扰会更加严重。

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(责任编辑：李孟良)

The Research of Crosstalk Between Automobile TCU Controller Harness

WANG Ai-guo1,2

(1. Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu 241002，China;2. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009，China)

Abstract：The close integration of electronics and vehicle technologies makes the problem of automotive electronics electromagnetic interference become increasingly prominent. A large variety of power switching devices are used in automotive controllers to meet the requirement of large driving power; and meanwhile the power devices working in switching state will produce a great beam surge voltage and surge currents during the switching process, which will become a serious source of electromagnetic interference, and the interence will induce the other control and signal lines through crosstalk, causing the device to malfunction. Based on theoretical modeling analysis, the qualitative analysis of crosstalk has been made to determine the degree of influence of various factors based on S parameter, and some optimization measurements has been made to solve the crosstalk between harnesses.

Key words:Electromagnetic compatibility; Calculation model; Crosstalk; TCU controller; Optimization

中图分类号：TP368.2 U463.61

文献标识码：A

文章编号：1673-8772(2016)01-0056-05

作者简介：王爱国(1976-)，男，安徽省肥西县人，硕士，副教授，主要从事汽车技术研究。

基金项目：2014年安徽省高校优秀青年人才支持项目。

收稿日期：2015-10-09