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作者：李東浩，束照坤
單位：安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

前言
隨著科技的發(fā)展，汽車比以前任何時(shí)候裝備了更多的用電設(shè)備。在車輛的使用壽命期間，這些系統(tǒng)的正常運(yùn)行，受到的眾多潛在干擾的影響。比如電動機(jī)的啟動電流、堵轉(zhuǎn)電流、點(diǎn)火線圈的高壓等過電流、瞬態(tài)高壓等干擾會通過過載、靜電放電、噪聲等疊加方式去影響線束及電路保護(hù)器件的壽命及功能，進(jìn)而影響車輛的正常使用和行車安全。然而面對這些問題時(shí)，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很難考慮周全。本文介紹了對汽車上常見用電器的負(fù)載特性的研究，進(jìn)而分析在整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)、電源分配設(shè)計(jì)、保險(xiǎn)絲選擇設(shè)計(jì)、線束設(shè)計(jì)等方面盡量減小由于不了解各用電器的特性而帶來的電氣故障，為各個(gè)用電器提供一個(gè)良好的電氣環(huán)境，提高整車電氣系統(tǒng)的可靠性。
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整車用電器特性研究
我們對某款車型上的用電器進(jìn)行了全面的電氣負(fù)載特性測試，下面以該車型采集到的雨刮系統(tǒng)系統(tǒng)相關(guān)回路試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，說明整車用電器的種類和對整車用電環(huán)境的影響。我們進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目包括： 單負(fù)載測試：測量單個(gè)負(fù)載在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)（包括電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)）下電壓和電流特性。
全負(fù)載測試：使用一個(gè)特殊的電路保護(hù)裝置測量所有的負(fù)載（被特殊電路保護(hù)裝置保護(hù)）在動態(tài)（從“OFF”到“ON”）和穩(wěn)態(tài)（包括電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)）下的電壓和電流特性。電壓和電流數(shù)據(jù)通過這個(gè)電路保護(hù)裝置進(jìn)行存檔，測試是將一個(gè)設(shè)定為 14.5V（±0.2V）的穩(wěn)壓電源跟蓄電池并聯(lián)，所有的負(fù)載被觸發(fā)一段時(shí)間以確保數(shù)據(jù)的記錄。雨刮電機(jī)單負(fù)載測試如圖1 所示，雨刮洗滌系統(tǒng)全負(fù)載測試如圖2 所示。

圖1 雨刮電機(jī)單負(fù)載測試

圖2 雨刮洗滌系統(tǒng)全負(fù)載測試
通過測試，我們采集到的有代表性的數(shù)據(jù)如下：

圖3 雨刮洗滌系統(tǒng)全負(fù)載測試電流

圖4 雨刮洗滌系統(tǒng)全負(fù)載測試電壓

圖5 雨刮洗滌系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)測試電流

圖6 雨刮洗滌系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)測試電壓

圖7 雨刮電機(jī)單負(fù)載測試電流

圖8 雨刮電機(jī)單負(fù)載測試電壓

圖9 洗滌泵單負(fù)載測試電流

圖10 洗滌泵單負(fù)載測試電壓
分析以上測試數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論：
（1）從圖4 和圖10 可以看出，雨刮電機(jī)和洗滌泵都是感性負(fù)載，在工作和斷開的瞬間會產(chǎn)生電壓的下降，圖4 中電壓的最低值為-5.469V，圖10 中電壓的最低值為-5.921V。
（2）從圖3、圖7 和圖9 可以看出，雨刮電機(jī)和洗滌泵都是感性負(fù)載，在開始工作的瞬間，會產(chǎn)生尖峰脈沖，圖 3中電流的最高值為28.71，圖7中電流的最高值為17.17A, 圖9 中電流的最高值為12.79A。
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整車電源分配設(shè)計(jì)
2.1 整車電源分配的設(shè)計(jì)規(guī)則
整車電源分配設(shè)計(jì)應(yīng)遵守以下基本的設(shè)計(jì)規(guī)則：
（1）保護(hù)每條線束回路
（2）將關(guān)鍵用電器和一般的提高方便性的用電器分開
（3）將“噪音”信號從“干凈”的信號分離開
（4）通用化回路設(shè)計(jì)
2.2 公共車載電源的電流耦合
所有機(jī)動車輛的電氣系統(tǒng)都依靠單一的車載電源網(wǎng)絡(luò)供電。然而通到各個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的導(dǎo)線和線束常常包扎成一根線束，因而反饋脈沖就能輕而易舉地從一個(gè)系統(tǒng)傳入相鄰系統(tǒng)的輸入和輸出接口。各種電氣部件接通和斷開時(shí)，如雨刮電機(jī)和洗滌泵，產(chǎn)生的干擾會以信號脈沖的形式傳播，即電流和電壓的突然急劇跳變。這些脈沖進(jìn)而通過公共的導(dǎo)體，如電源，傳到相鄰系統(tǒng)的輸入和輸出口（電流耦合），或由電磁輻射通過電容和電感耦合來傳播。流經(jīng)同一導(dǎo)電路徑的兩個(gè)不同電路的電流，通過車體接地，都會因公共導(dǎo)線的電阻而在其上產(chǎn)生壓降。干擾源 U1產(chǎn)生的電壓，在信號電路2 內(nèi)會形成一個(gè)附加信號電壓，此信號將使傳感器信號的輸出產(chǎn)生錯(cuò)誤。一個(gè)補(bǔ)救的辦法就是把各電路分開。
2.3 雨刮和洗滌系統(tǒng)電源分配的設(shè)計(jì)
由于雨刮和洗滌系統(tǒng)特殊的工作特性，它們都是感性負(fù)載，在接通和斷開時(shí)，產(chǎn)生的干擾會以信號脈沖的形式傳播，即電流和電壓的突然急劇跳變?？紤]到在電源分配設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將關(guān)鍵用電器和一般的提高方便性的用電器分開，并將“噪音”信號從“干凈”的信號分離開。所以對于雨刮和洗滌系統(tǒng)，不應(yīng)該和其它系統(tǒng)，如車身控制模塊，傳感器信號采集回路等共用電源和地。在進(jìn)行電源分配和接地點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意這個(gè)問題。
另外，由于雨刮和洗滌同屬一個(gè)系統(tǒng)，在洗滌功能開啟時(shí)雨刮電機(jī)需要聯(lián)動工作，所以兩者可以共用一個(gè)保險(xiǎn)。雨刮洗滌系統(tǒng)電源分配示意圖如圖11 所示。

圖11 雨刮洗滌系統(tǒng)電源分配示意圖
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整車脈沖干擾問題分析
3.1 雨刮洗滌系統(tǒng)脈沖干擾現(xiàn)象
由于眾多線束和導(dǎo)線包扎成一根線束，所以每根導(dǎo)線都可以成為電感性和電容性的耦合干擾。電容耦合使變化的周期信號（如脈沖電壓和正弦交流電壓）在相鄰電路內(nèi)產(chǎn)生干擾和交調(diào)失真，甚至不存在直接物理連接的情況下仍然如此。容性干擾電壓的電平正比于一些因素，如相鄰電路的靠近程度和脈沖電壓的上升速率等。電感耦合是指在一導(dǎo)體內(nèi)以變動周期循環(huán)的電流，能在相鄰的電路中感應(yīng)出電壓脈沖，這些電壓脈沖將在二次電路內(nèi)產(chǎn)生電流。決定耦合敏感度的一個(gè)主要因素是信號上升和下降的時(shí)間；還有一個(gè)重要因素，就是有效互感。它由導(dǎo)線粗細(xì)和布線的情況等因素決定。最終脈沖電壓還可能成為寄生信號出現(xiàn)在相鄰系統(tǒng)的輸入端和控制輸出端。從前面的測試分析知道，雨刮電機(jī)和洗滌泵都是感性負(fù)載，在工作和斷開的瞬間會產(chǎn)生電壓的下降，在開始工作的瞬間，會產(chǎn)生尖峰脈沖。這些都是在進(jìn)行雨刮洗滌系統(tǒng)和與其相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源分配時(shí)應(yīng)該考慮到的因素。
3.2 如何避免雨刮洗滌系統(tǒng)脈沖干擾
要避免雨刮洗滌系統(tǒng)脈沖干擾問題對與其相關(guān)的其它系統(tǒng)的影響，如車身控制模塊，傳感器信號采集回路等，應(yīng)該從降低干擾源的脈沖強(qiáng)度、提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力以及優(yōu)化線束布線等方面進(jìn)行控制。
3.2.1 雨刮電機(jī)

圖12 雨刮電機(jī)內(nèi)部原理圖
圖12 是一款雨刮電機(jī)內(nèi)部原理圖，由圖12 可以看出，在雨刮電機(jī)內(nèi)部原理設(shè)計(jì)時(shí)，需要分別在高速和低速工作回路中串聯(lián)電感來減緩回路中的電流變化，進(jìn)而降低雨刮電機(jī)的浪涌電流通過電流耦合對其它系統(tǒng)的干擾；以及分別在高速和低速工作回路中并聯(lián)電容來減小回路中的脈沖電壓的變化。從而達(dá)到降低對外的傳導(dǎo)發(fā)射等級。
3.2.2 控制模塊的防反向脈沖保護(hù)
此處以車身控制模塊的防反向脈沖保護(hù)設(shè)計(jì)為例，介紹如何提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖13 車身控制模塊內(nèi)部輸入接口電路
圖 13 是車身控制模塊內(nèi)部洗滌開關(guān)信號的輸入接口電路，為了防止反向脈沖對BCM 的干擾，在輸入信號采集部分加上二極管D7，以濾除反向脈沖對車身控制器的干擾。
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結(jié)論
本文以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究了雨刮電機(jī)和洗滌電機(jī)的單負(fù)載工作特性，以及雨刮洗滌系統(tǒng)的全負(fù)載的作特性。基于實(shí)車測試的結(jié)果，分析了在進(jìn)行整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如何進(jìn)行電源分配設(shè)計(jì)，以及如何避免類似雨刮電機(jī)和洗滌泵這樣的感性負(fù)載給其它系統(tǒng)帶來的脈沖干擾。汽車電氣電子系統(tǒng)組成了一個(gè)很復(fù)雜的電器工作環(huán)境，在進(jìn)行整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)和各用電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有許多必須考慮的問題。本文僅以雨刮洗滌系統(tǒng)為例，進(jìn)行了一些分析和研究，嘗試在電源分配，減小脈沖干擾等方便尋找了一些解決方法。