线束屏蔽失效方式及可靠性研究

欧文军 方成 王宇 姚旭东

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司）

随着汽车电动化、智能化、网联化和共享化进程不断推进，整车通讯回路数量和数据传输频率持续增大。复杂的回路网络会对周围环境释放大量的电磁信号，回路信号传输频率的提高又使得释放的电磁信号强度增大，整车电磁干扰问题日益严重。线束作为信号传递的载体，屏蔽失效问题尤为突出。大量整车屏蔽失效数据表明，线束的屏蔽失效已成为整车电磁干扰问题的最重要组成部分[1]。但整车线束电磁屏蔽失效干扰源众多，干扰方式各异，这导致对整车干扰失效问题调查困难重重。基于以上问题，该文对线束屏蔽失效的方式进行了归纳总结，并提供了降低线束屏蔽失效的工作方法，提高了线束设计可靠性，对线束屏蔽失效问题的解决有一定的指导意义。

1 线束屏蔽失效方式

1.1 整车线束电磁屏蔽

屏蔽性能良好有2方面的意思，其一是系统不对外释放对其他系统产生影响的电磁波，其二是系统本身不受外部电磁场影响。屏蔽失效的发生有3要素，即干扰源、耦合路径和敏感设备[2]，如图1所示。整车上的干扰源主要包括点火系统、逆变器、继电器等能对外发出电磁信号的设备。耦合路径由空气和整车回路2部分组成，电磁波在耦合路径中传递。敏感设备则是容易被干扰的对象。线束系统比较特殊，线束既可以是传导耦合的载体，又是容易被干扰的设备，因此对线束电磁屏蔽的研究意义重大。

图1 屏蔽失效3要素

线束作为传导耦合干扰的重要传播途径，各种电子设备在工作过程中产生的电磁干扰信号通过线束传导直接进入敏感设备，或者经过容性耦合或感性耦合进入线束中的控制回路和信号回路。线束与线束之间也会产生耦合，这使得导线的电磁兼容问题更为复杂。线束是效率很高的电磁波接收天线，线束周围空间的电磁波能直接耦合到线束上，然后再通过传导耦合进入敏感设备。同时，导线内部信号的变化能产生电磁波并向外发射，引发整车屏蔽失效问题。

1.2 线束屏蔽失效方式

整车线束屏蔽失效的方式主要有3种，控制器局域总线（CAN）故障引起的报码、视频信号的异常和控制回路异常。

1.2.1 CAN总线报码

传统点对点的通讯连接方式要求每对通讯节点间有一根单独的回路。而随着整车电控单元的增加，整车线束越来越复杂，继续使用传统的点对点通讯方式会使得整车成本和质量越来越高。为解决这个问题，车载网络应运而生。在众多车载网络中，CAN以其独特的设计、优异的性能和极高的可靠性得到了最为广泛的应用[3]。

由于整车空间限制，CAN总线常常与其他线束绑在一起布线，这样的布线方式让CAN总线极易受到电磁干扰。CAN总线受电磁干扰后由于信号不符合协议定义会导致模块报码。常见CAN总线的屏蔽失效主要表现形式有信号延迟、幅值变化、信号跳变、时序错乱等[4]。信号延迟是指CAN接收器接收信号的时间大于CAN总线协议定义时间。当时钟频率提高后，总线负载过高，出现类似“堵车”现场，信号传输速率下降。同时，线束过长也会导致信号延迟。幅值变化是指电流或者电压信号被外部电磁场影响后，电压或者电流的最大最小值与设定值之间的差异。当外部信号与线束内部信号耦合作用效果不一致时，差分信号的结果也会与预设值不一致，出现幅值的上升或者下降。信号跳变表示的是信号上升沿或者下降沿的斜率异常，上升沿与下降沿与信号的时钟频率相关。当信号时钟频率较高时，电流变化快，对外释放的电磁波强度大，耦合的电磁场也增大，对原信号产生更强的消弱作用，导致信号跳变。时序是信号的一个重要的参数，不同时序的信号代表承载了不同的信息。线束收到电磁干扰后，局部信息出现滞后或者幅值变化等异常，导致信号的时序错乱，传递错误的信息。

1.2.2 视频信号异常

视频信号传输过程为图像信息经传感器处理后变为电信号进行传递，然后电流或电压信号经过模数转换器转换为数字信号，最后在显示屏上成像。视频信号传输本质是电信号传输，传输的载体仍然是线束，这些决定了视频信号传输逃不开电磁干扰。视频信号在传输的过程中，如果受到电磁干扰，电压或者电流信号出现幅值、时序等异常，会导致传输的信号失真，最终导致视频信号异常。

1.2.3 控制回路异常

电子设备控制回路往往通过电压或者电流的变化执行不同的工作状态。并且控制回路的信号往往比较敏感。线束中的控制回路在耦合过程中电流或电压容易受到电磁干扰，从而出现工作异常的情况。

2 线束屏蔽失效来源

线束作为敏感设备，容易受到整车干扰源的影响。典型的整车干扰源包括点火系统、电动机、变换器和天线等零件[5]。

2.1 点火系统

发动机点火系统主要由蓄电池、点火线圈、火花塞、电容器等部件组成。汽车点火时，蓄电池中的电流进入初级线圈，在线圈电芯的作用下，次级线圈产生感应电流。当次级线圈中的感应电流不断提高，以至于击穿火花塞间隙，火花塞电容中存储的能量迅速得到释放。该放电过程会导致次级电路侧的电流骤然增大，向周围环境空间辐射电磁波。

2.2 电动机

电动机在整车上应用较多，包括雨刮、水泵、座椅调节、后视镜调节等处均有电动机的身影。电动机的换向器在磁场中换向运动和开关触点在工作时反复的开闭这2个特点，使得电动机会对周围环境释放大量的电磁波。即使有金属客体的屏蔽，电动机通过传导传递的电磁波仍不可小觑。

2.3 DC/DC变换器

DC/DC变换器由开关管、整流管、电感和电容等组成。变换器中开关管和整流管在工作过程中产生的电流或电压的突变是变换器成为干扰源的根本原因。开关管工作时，导通时间短，形成电流尖峰。开关管关断的时候，关断时间短，将引起电压突变，形成电压尖峰。电流尖峰和电压尖峰均会释放大量电磁波。

2.4 天线

车载天线是整车通讯电子设备或者娱乐设备收发电磁信号的载体。天线接收空间中的电磁信号，并将其转化为电信号，电信号经放大器调整后，经由线束传递到车载娱乐系统主机。这意味着，空间环境的电磁波可能被天线耦合。同时，天线的本质还是导线，也会对周围环境释放电磁波，干扰周围环境的电子设备。

3 解决办法

基于对线束屏蔽失效的方式和根源的剖析，不难总结出线束屏蔽失效的解决办法，即在设计阶段理清当前整车环境下线束各参数对电磁干扰的贡献，并基于此设计线束布置方案。然后建模分析布置方案是否能达到屏蔽要求，并进行台架验证。最后，整车耐久试验验证线束电磁屏蔽性能。

验证阶段严格执行试验大纲即可，解决办法中最难的在于屏蔽模型的建立。屏蔽模型的建立需要严格考虑整车干扰源的数量、干扰大致强度以及干扰源的特征和对应失效方式。建立模型后将模拟结果与台架实际表现对比，确保模拟结果与实际表现一致。当结果不一致时，通过调整模型参数，使得模型与实际表现一致。调整的依据来自当前线束屏蔽的研究成果，即随着导线长度的增加，或者干扰源强度的提高，或者导线间距离的减小，或者导线离地高度的增大，导线感应电流增大，电磁干扰明显。线径对感应电流的影响存在频率依赖性，在某些频率，电磁干扰效益随导线线径的增大而增大，另外一些频率则相反[1,6]。

同时，为减小线束的屏蔽失效，线束的布置和设计需要遵循以下原则。易干扰线束尽可能靠近接地布置，快速且良好的接地能有效减少电磁屏蔽。同时，将线束尽可能贴近钣金布置，调整线束的方向避开耦合较强区域，远离干扰源，增大线束间的间距，使用屏蔽层隔绝，依据传输频率调整线径。这些设计原则也能指导线束屏蔽失效的排查。

4 结论

线束承担着整车信号传输和电压电流传输的重要作用，而车载用电设备遍布整车各处，线束在连接各设备时不可避免地会暴露在干扰源作用区域内，导致汽车线束失效问题时有发生。如何排查线束屏蔽失效问题，以及如何加强线束屏蔽设计已逐渐成为整车研究的重要问题。文章首先对线束屏蔽失效方式进行了探讨，然后重点对整车干扰源进行分析，并针对各种失效模式和干扰源的特点，提出了解决屏蔽失效的办法。即根据干扰源的特点构建模型，并依据模型分析的结果进行子零件设计和整车线束布置设计。这些方法能提高线束设计的可靠性，同时也为解决线束屏蔽失效问题提供了借鉴。