汽车线束搭铁设计对电磁兼容的影响

张博宇

（同济大学，上海 201805）

汽车线束搭铁设计对电磁兼容的影响

张博宇

（同济大学，上海 201805）

从工程实际中总结出搭铁设计规则，并深入探讨就近搭铁设计问题，对实际案例进行分析、测试、模拟仿真，验证设计规则。线束工程师从设计初期就可以参考这些规律，将由线束引起的电磁干扰问题消灭在初始阶段，为整车电器系统的开发工作奠定基础。

线束；电磁兼容；设计规则；搭铁设计；模拟仿真

汽车电线束是连接汽车各个电器与电子设备的重要部件，在电源、开关、电器和电子设备之间传递电信号，素有汽车神经之称，是对汽车进行电信号控制的载体［1］。随着电子电气配置的增加，线束电磁兼容问题日益严重。

在线束研究和设计方面，往往重视线束的生产工艺、线径、线材、熔断丝选取、配电设计、回路设计等；在电磁兼容方面，研究更多的是零部件本身的抗干扰和骚扰发射设计，以及整车环境中的电磁兼容分析，将线束和电磁兼容问题结合起来的研究相对较少。线束的电磁兼容问题往往是事后分析，但整车上已经装配了大量的电器零件，电磁环境复杂，线束也已经被内饰零件所覆盖，难以快速准确地找到问题根源，消耗了工程师大量的时间和精力，尤其对开发经验欠缺的工程师，往往会走很多弯路才能找到问题的症结，工程师往往会有无规律可循的无奈。

在实际开发过程中，线束的搭铁设计是线束开发的重点和难点，往往对整车电磁兼容表现有较大影响。

1 线束搭铁设计规则

搭铁是汽车内部电路及车载电子电气系统正常工作的前提条件，而且搭铁的品质也影响着整车电磁兼容特性。良好的搭铁可以使整车电量平衡，也可以释放电荷。在整车电磁环境内部，良好而且恰当的搭铁可以有效抑制电磁干扰以及提高整体环境抗扰度，如果搭铁设计不良，则会成为影响电磁兼容性能的短板。

因此，线束设计中的搭铁设计非常重要，需要根据不同电器设备的属性、特质、功能等对搭铁点进行合理的设计和分配，以保证电器系统正常工作。

通过理论研究和实际工程经验，本人总结出以下线束搭铁设计原则。

1）传感器类零件、对电流较为敏感的元件，需要单独就近搭铁。

2）控制器类零件都需要采用单独搭铁的布置方式，避免不同信号之间通过同一个搭铁点形成干扰。

3）蓄电池负极端子搭铁，发动机和变速器的搭铁点必须稳定且可靠，需要慎重选择。

4）搭铁线所使用的端子最好是表面有镀层的铜质端子，裸露的铜端子容易产生氧化现象，可能会出现铜端子被氧化后影响搭铁效果的情况。

5）搭铁点设计是影响整车电量平衡的重要环节，需要做好DFMEA（Design Failure Mode and Effects Analysis，设计失效模式及后果分析）潜在失效分析，搭铁点的位置要尽量布置在便于安装和维修的区域。

6）搭铁点在车身上的布置不能过于密集，搭铁点之间的距离或搭铁点到下一个线束分支点之间的距离至少保证30 mm，过于集中的搭铁点可能会导致局部区域过热，从而导致绝缘层老化开裂，还可能产生烧线。

7）搭铁线的连接点一般采用PVC胶带、热缩管、耐磨胶带等进行保护。

8）在汽车线束中，像给蓄电池负极搭铁、散热风扇、刮水电动机、音响喇叭、影碟机、空调、照明等提供回路支持，一般采用单一搭铁和多电器搭铁线相连搭铁［2］。

9）当搭铁线的长度接近信号波长的1/4时，它就相当于一根终端短路的传输线，起不到搭铁的作用，还会有很强的天线效应，向外辐射干扰信号，所以要求搭铁线长度一般不超过信号波长的1/20［3］。

10）搭铁线、搭铁面应采用低阻抗材料制成，并有足够的宽度和厚度，搭铁线应短而粗，搭铁面的面积应尽可能大，且接到最大的导体上［4］。

11）建议在进行线束搭铁设计时，将感性、容性负载的搭铁尽量与其它控制单元分离，且尽可能将其搭铁布置在该用电器附近，以减少干扰［5］。

2 搭铁设计案例

在以上的设计原则中，就近搭铁一直是工程技术人员设计的重点，如何实现就近搭铁，怎样才算就近，这些都是直接影响搭铁效果的因素。下文通过对实际案例的分析和模拟仿真来深入探讨。

2.1 就近搭铁案例分析

随着汽车造型的不断发展，越来越多的车灯采用了LED作为光源，但由于LED对电流及其他干扰比较敏感，导致一系列新问题发生。

故障现象：右侧前照灯内的驻车灯LED有闪烁的现象。

故障诊断与检查：使用示波器对故障车辆进行前照灯输出电流测试，如图1、图2所示，有故障一侧前照灯输出电流波动较大。

图1 有故障一侧前照灯输入电流

图2 无故障一侧前照灯输入电流

检查左右两侧前照灯之间的差异。灯内部PCB板电路布置、电子元器件规格一致，对驻车灯的控制方式也一致，排除由于PCB板不一致引起的差异。使用示波器对输入电流（车身控制器）进行检测，结果显示，输入电流稳定，排除电源输入的干扰。前照灯有2路搭铁信号，一路是由车身控制器连接到前照灯，还有一路是由车身搭铁点连接到前照灯。对右侧前照灯这2个搭铁信号进行测量，发现存在电势差，可判断是由于这个电势差造成了LED的闪烁。

进一步检查搭铁信号。从车身控制器到前照灯的搭铁线是直接相连，但前照灯自身搭铁是通过一个共用连接钉连接到车身进行搭铁处理。检查线束图纸后，发现这个连接钉在驾驶舱，搭铁线从右侧前照灯连接到驾驶舱的连接钉，又接回了发动机舱，最后在发动机舱的搭铁点搭铁，这样的线束布置显然不符合就近搭铁的要求。

遵循就近搭铁原则，需要寻找离前照灯较近的搭铁连接钉代替现在较远的走向。如图3所示，绿色线束走向明显缩短，这个连接钉位于前照灯和车身搭铁点之间，避免了过度布置。更改之后再次测试，发现右侧前照灯驻车灯LED不再闪烁，搭铁信号受到的干扰得到了明显改善。

图3 前照灯搭铁更改前后示意图

2.2 案例模拟仿真

针对这个案例，利用EMC Studio软件进行仿真，验证整改方案是否合理。

首先在EMC Studio里载入已建立的整车模型（具有完整封闭的网络拓扑），如图4所示。然后需要在整车模型上建立局部回路模型，该案例需要建立右侧前照灯、车身控制器、搭铁点、局部线束的模型。如图5所示。

图4 整车模型

图5 用电器及线束布置

图5中红色线束部分描述了从前照灯搭铁到车身搭铁点的走向，可以看出原本前照灯距离搭铁点比较近，但由于搭铁连接钉位于发动机舱前围附近，所以搭铁线布置得较长。

在布置好线束之后，还需要给回路中的各用电器定义属性和绘制等效电路图。由于只是对比搭铁线差异对EMC的影响，所以前照灯内部电路只简化成等效电路，而非实际电路，如图6所示。

图6 局部回路接线图

建模完成后就可以进行仿真，利用模拟在车顶处的天线探测搭铁信号的骚扰发射情况，仿真结束将生成一个曲线图。

接下来进行整改，从图7可以看出，左侧红色部分显示了连接钉的新方案，大大缩短了前照灯搭铁线的长度。按照同样的设置再次进行仿真，将得到的曲线图和改前进行对比，如图8所示。

图7 整改后的线束布置

图8 整改前后EMC仿真结果对比

经过仿真结果的对比图，我们可以看出，就近搭铁使得搭铁信号的骚扰发射表现得到优化，整改方案切实有效。

2.3 搭铁线长度对EMC性能的影响

通过对以上案例的分析，在进行线束设计时应尽量避免搭铁线路因为连接钉位置不合理而过分加长。那么，在具体的工程实践中，搭铁线长度和局部抗扰性有何联系，利用前照灯搭铁点的案例，对此进行深入验证。

案例中前照灯搭铁线的原始长度是3.19 m，如图9所示。此时搭铁连接钉的位置距离前照灯较远。在之前的试验和仿真中都验证了此处的骚扰发射问题比较严重，接下来在该连接钉到搭铁点之间选取3个搭铁连接钉位置，它们距搭铁点的距离逐渐缩小，长度分别为3.04 m，1.16 m和0.78 m (图10～图12) ，加上整改后的方案0.5 m，将该5个点进行仿真试验对比。

图9 搭铁线原始长度3.19 m

图10 搭铁线长度为3.04 m

图11 搭铁线长度为1.16 m

图12 搭铁线长度为0.78 m

利用EMC Studio软件对以上5种状态进行仿真，同样利用车顶处的天线探测搭铁信号的骚扰发射情况，将结果放在同一坐标下进行对比，如图13所示。

图13 5种搭铁线长度下骚扰发射曲线对比

从图13中发现，在搭铁线超过3 m时，骚扰发射问题较为严重，随着搭铁线的逐渐缩短，骚扰发射得到优化，在低于1 m以后已基本满足标准要求。工程师可以综合整车线束中搭铁连接钉的位置，选取较近的一个连接钉。通过对比我们得出结论，搭铁线越短，EMC性能越优良。在整车线束设计、布置允许的情况下，应该尽量寻找就近搭铁点或连接钉来缩短搭铁线长度。

3 总结

搭铁设计是整车线束设计的重点，在线束初期设计时，如果能合理使用本文中所述的设计原则和方法，可以规避由于搭铁设计不良带来的设计风险，可以减少样车制造阶段检查问题的成本。

为了验证这些由实际案例总结出来的规则，本文还对就近搭铁的案例进行了深入分析以及基于EMC Studio的模拟仿真。

本文总结出来的规则都与实际开发相关，能够指导整车厂或线束供应商进行线束开发，产生实际效果，为企业节约开发成本，缩短开发周期。

［1］ 方芳.汽车电线束未来的发展［J］.机电元件，2006（2）：50-54.

［2］ 张震华，杨三军.浅谈汽车线束搭铁线设计［J］.汽车电器，2010（1）：14-18.

［3］ 张海泉.EMC中的接地技术及地线中的干扰［J］.商丘师范学院学报，2007，23（12）：71-73.

［4］ 余长青.电磁兼容设计中的接地技术［J］.黔南民族师范学院学报，2008（6）：26-29，58.

［5］ 夏建华.接地技术在汽车线束设计中的应用［C］.河南省汽车工程学会第八届科研学术研讨会论文集，2008.

（编辑 杨 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

张博宇（1984-），男，青海人，助理工程师，主要从事汽车线束开发和项目管理工作。