留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究

郑浩月 贺宇 何小东 阳禩乾 吴起 杨栋

郑浩月, 贺宇, 何小东, 等. 电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
引用本文: 郑浩月, 贺宇, 何小东, 等. 电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
Zheng Haoyue, He Yu, He Xiaodong, et al. Analysis of safety threat from high electromagnetic pulses and power protection research of vehicle electronic control unit[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
Citation: Zheng Haoyue, He Yu, He Xiaodong, et al. Analysis of safety threat from high electromagnetic pulses and power protection research of vehicle electronic control unit[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092

电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
基金项目: 四川省科技计划项目(2018HH0048)
详细信息
    作者简介:

    郑浩月(1985—),男,硕士,高级工程师,从事系统强电磁脉冲效应与防护技术研究;z_haoyue@163.com

  • 中图分类号: TM937; TN972

Analysis of safety threat from high electromagnetic pulses and power protection research of vehicle electronic control unit

  • 摘要: 强电磁脉冲通过场线耦合的方式,对车辆电子控制系统造成了严重的电磁安全威胁,影响车辆机动性能的发挥。基于典型车辆平台,分析了电控单元在强电磁脉冲环境下的效应机理,开展了整车平台的宽带强电磁脉冲辐照试验,分析了车辆平台发动机系统运行状态与电控单元电源线上耦合脉冲电压之间的关系。试验结果表明宽带电磁脉冲通过电源线缆对车辆电控单元造成干扰效应,导致发动机熄火。根据分析结果,对电控单元直流电源进行了多级防护电路设计,通过切断电磁脉冲能量传输路径的方式实现电磁安全防护,并验证了防护电路的有效性。
  • 图  1  车辆电子控制单元基本组成框图

    Figure  1.  Basic block diagram of the electronic control unit(ECU)

    图  2  电磁脉冲后门耦合作用途径

    Figure  2.  Backdoor coupling approach of the electromagnetic pulse

    图  3  强电磁脉冲效应试验配置

    Figure  3.  Test configuration of high electromagnetic pulse effect

    图  4  车辆底盘电源连接关系图

    Figure  4.  Power connection diagram of vehicle chassis

    图  5  电源线上耦合电压波形

    Figure  5.  Waveform of the voltage coupled on the power line

    图  6  防护电路等效示意图

    Figure  6.  Equivalent schematic diagram of protective circuit

    图  7  防护效能验证试验配置

    Figure  7.  Test configuration for protection effectiveness verification

    图  8  输入端耦合电压波形

    Figure  8.  Coupling voltage waveform of input port

    图  9  输出端残余电压波形

    Figure  9.  Residual voltage waveform of output port

  • [1] 郑浩月, 贺志昂, 宋滔, 等. 车辆平台电磁安全威胁量化分析[J]. 通信技术, 2019, 52(1):460-465. (Zheng Haoyue, He Zhiang, Song Tao, et al. Quantitative analysis of electromagnetic safety threat to vehicle platform[J]. Communications Technology, 2019, 52(1): 460-465
    [2] 秦风, 蔡金良, 曹学军, 等. 车辆强电磁脉冲环境适应性研究[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:103203. (Qin Feng, Cai Jinliang, Cao Xuejun, et al. Investigation on the adaptability of vehicle in high-intensity electromagnetic pulse environment[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 103203 doi:  10.11884/HPLPB201931.190233
    [3] 王宇飞, 陈卓然. 车辆外部电磁环境分析[J]. 机电工程技术, 2013, 42(12):89-93. (Wang Yufei, Chen Zhuoran. The analysis of electromagnetic environment outside vehicles[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2013, 42(12): 89-93
    [4] 刘锋. 汽车电子技术的应用及发展趋势[J]. 电子技术与软件工程, 2018(21):229. (Liu Feng. Application and development trend of automotive electronic technology[J]. Electronic Technology & Software Engineering, 2018(21): 229
    [5] 李名杰, 刘进. 电子装备面临的强电磁脉冲环境分析[J]. 装备环境工程, 2012, 9(2):69-73. (Li Mingjie, Liu Jin. Environmental analysis of high power EMP on electronic equipment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2012, 9(2): 69-73 doi:  10.3969/j.issn.1672-9242.2012.02.017
    [6] 周璧华, 陈彬, 高成. 现代战争面临的高功率电磁环境分析[J]. 微波学报, 2002, 18(1):89-92. (Zhou Bihua, Chen Bin, Gao Cheng. Analysis on high power electromagnetic environment in modern war[J]. Journal of Microwaves, 2002, 18(1): 89-92
    [7] 柴焱杰, 孟丁, 李建军, 等. 复杂电子系统强电磁脉冲效应研究[J]. 无线电工程, 2011, 41(1):38-40. (Chai Yanjie, Meng Ding, Li Jianjun, et al. Study on electromagnetic pulse effect of complex electronic systems[J]. Radio Engineering, 2011, 41(1): 38-40 doi:  10.3969/j.issn.1003-3106.2011.01.013
    [8] 鄢振麟, 李胜红, 许建军, 等. 高功率微波车辆迫停的作用机理及效应试验[J]. 电子信息对抗技术, 2016, 31(5):62-65. (Yan Zhenlin, Li Shenghong, Xu Jianjun. Mechanism and effect test of high power microwave for stopping vehicles[J]. Electronic Information Warfare Technology, 2016, 31(5): 62-65 doi:  10.3969/j.issn.1674-2230.2016.05.014
    [9] 谭志良, 胡小锋, 毕建军. 电磁脉冲防护理论与技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013.

    Tan Zhiliang, Hu Xiaofeng, Bi Jianjun. Electromagnetic pulse protection theory and technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2013
    [10] 秦锋, 钟少武, 崔志同, 等. 核安保典型系统电磁脉冲效应试验研究[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:113201. (Qin Feng, Zhong Shaowu, Cui Zhitong, et al. Experiment research on electromagnetic pulse effects of typical nuclear security system[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 113201 doi:  10.11884/HPLPB201931.190219
    [11] 毛从光, 程引会, 谢彦召. 高空电磁脉冲技术基础[M]. 北京: 科学出版社, 2019.

    Mao Congguang, Cheng Yinhui, Xie Yanzhao. Technical basis of high altitude electromagnetic pulse[M]. Beijing: Science Press, 2019
    [12] 莱夫 K, 孙泽昌. BOSCH汽车电气与电子[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2014.

    Reif K, Sun Zechang. Bosch automotive electrical and electronic[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2014
    [13] ISO 7637-2: 2011 Road vehicles—Electrical disturbances from conduction and coupling—Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only[S]. 2011.
    [14] 侯民胜, 问建. 电子系统的电磁脉冲效应及防护[J]. 航天电子对抗, 2007, 23(3):15-17. (Hou Minsheng, Wen Jian. Electromagnetic pulse effects and protection of electronic system[J]. Aerospace Electronic Warfare, 2007, 23(3): 15-17 doi:  10.3969/j.issn.1673-2421.2007.03.005
    [15] 邓建球, 郝翠. 强电磁脉冲耦合与电源防护研究[J]. 微波学报, 2017, 33(6):85-89. (Deng Jianqiu, Hao Cui. Research on powerful electromagnetic pulse coupling and power source[J]. Journal of Microwaves, 2017, 33(6): 85-89
  • [1] 乐波, 刘忠, 侯志林, 曹春霞.  车辆点火脉冲对短波电磁环境影响的数值模拟与试验研究 . 强激光与粒子束, 2020, 32(7): 073004-1-073004-7. doi: 10.11884/HPLPB202032.190441
    [2] 谢彦召.  “国家关键基础设施电磁安全”专辑出版前言 . 强激光与粒子束, 2019, 31(07): 070000-.
    [3] 秦锋, 钟少武, 崔志同, 刘清, 毛从光.  核安保典型系统电磁脉冲效应试验研究 . 强激光与粒子束, 2019, 31(11): 113201-113201. doi: 10.11884/HPLPB201931.190219
    [4] 丁桥, 程磊, 李雨锴.  一种传导电磁泄漏源的等效模型研究 . 强激光与粒子束, 2019, 31(10): 103218-. doi: 10.11884/HPLPB201931.190129
    [5] 谢彦召, 刘民周, 陈宇浩.  国家关键基础设施电磁恢复力 . 强激光与粒子束, 2019, 31(07): 070001-. doi: 10.11884/HPLPB201931.190202
    [6] 高原, 秦风, 吴双.  一种强电磁脉冲辐射场均匀性校准测试装置 . 强激光与粒子束, 2019, 31(06): 063206-. doi: 10.11884/HPLPB201931.190053
    [7] 秦风, 蔡金良, 曹学军, 马弘舸.  车辆强电磁脉冲环境适应性研究 . 强激光与粒子束, 2019, 31(10): 103203-. doi: 10.11884/HPLPB201931.190233
    [8] 赵振国, 李光荣, 童杰, 徐刚, 周海京.  封装结构强电磁脉冲多物理效应并行计算程序研制 . 强激光与粒子束, 2018, 30(08): 083001-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170429
    [9] 李亚南, 谭志良, 宋培姣.  射频前端强电磁脉冲防护模块设计 . 强激光与粒子束, 2018, 30(01): 013204-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170194
    [10] 束国刚, 杜子韦华, 黄玮, 陈宇浩, 陈卫华, 周熠, 翟守阳, 何奇, 谢彦召.  核电站最小安全系统电磁脉冲效应试验研究 . 强激光与粒子束, 2018, 30(10): 103203-. doi: 10.11884/HPLPB201830.180115
    [11] 杜宝舟, 陈亚洲, 程二威, 张冬晓.  某型无人机收发信机静电放电防护加固 . 强激光与粒子束, 2018, 30(01): 013209-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170286
    [12] 王乾坤, 柴常春, 席晓文, 杨银堂.  强电磁干扰对达林顿管的损伤效应与机理(英) . 强激光与粒子束, 2018, 30(08): 083008-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170472
    [13] 刘强, 杨阳, 周海京, 徐福锴, 黄卡玛.  MNZ超材料的电磁特性 . 强激光与粒子束, 2015, 27(10): 103207-. doi: 10.11884/HPLPB201527.103207
    [14] 孙凤杰, 邓建红.  电子学系统强电磁脉冲干扰场路结合仿真 . 强激光与粒子束, 2015, 27(12): 124003-. doi: 10.11884/HPLPB201527.124003
    [15] 刘顺坤, 聂鑫, 陈向跃.  电磁脉冲辐射场试验技术 . 强激光与粒子束, 2009, 21(06): 0- .
    [16] 陈亚洲, 魏光辉, 刘尚合.  强电磁场对某型无线电引信安全性的影响 . 强激光与粒子束, 2005, 17(07): 0- .
    [17] 陈彦, 杨中海, 雷文强.  径向非均匀磁场下的磁控管工作性能模拟 . 强激光与粒子束, 2005, 17(09): 0- .
    [18] 朱长青, 刘尚合, 魏明.  强电磁脉冲的有效带宽、测量带宽及来自上升时间的影响 . 强激光与粒子束, 2005, 17(01): 0- .
    [19] 贺宏兵, 周璧华, 陈加清.  脉冲泄流时土壤条件对冲击接地阻抗的影响 . 强激光与粒子束, 2004, 16(10): 0- .
    [20] 杜太焦, 程耕, .  强电磁脉冲(激光、微波)在高温离解氮气中的击穿效应 . 强激光与粒子束, 2002, 14(04): 0- .
  • 加载中
图(9)
计量
  • 文章访问数:  64
  • HTML全文浏览量:  40
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-13
  • 修回日期:  2020-06-04
  • 网络出版日期:  2020-06-13
  • 刊出日期:  2020-06-24

电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
    基金项目:  四川省科技计划项目(2018HH0048)
    作者简介:

    郑浩月(1985—),男,硕士,高级工程师,从事系统强电磁脉冲效应与防护技术研究;z_haoyue@163.com

  • 中图分类号: TM937; TN972

摘要: 强电磁脉冲通过场线耦合的方式,对车辆电子控制系统造成了严重的电磁安全威胁,影响车辆机动性能的发挥。基于典型车辆平台,分析了电控单元在强电磁脉冲环境下的效应机理,开展了整车平台的宽带强电磁脉冲辐照试验,分析了车辆平台发动机系统运行状态与电控单元电源线上耦合脉冲电压之间的关系。试验结果表明宽带电磁脉冲通过电源线缆对车辆电控单元造成干扰效应,导致发动机熄火。根据分析结果,对电控单元直流电源进行了多级防护电路设计,通过切断电磁脉冲能量传输路径的方式实现电磁安全防护,并验证了防护电路的有效性。

English Abstract

郑浩月, 贺宇, 何小东, 等. 电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
引用本文: 郑浩月, 贺宇, 何小东, 等. 电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
Zheng Haoyue, He Yu, He Xiaodong, et al. Analysis of safety threat from high electromagnetic pulses and power protection research of vehicle electronic control unit[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
Citation: Zheng Haoyue, He Yu, He Xiaodong, et al. Analysis of safety threat from high electromagnetic pulses and power protection research of vehicle electronic control unit[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 073003. doi: 10.11884/HPLPB202032.200092
  • 随着电磁脉冲技术和现代车辆电子技术的发展,车辆电气系统面临的电磁安全威胁与防护问题日益突出[1-3]。一方面,车辆平台电子化程度越来越高,车辆行车控制、任务保障等电子装置不断整合和增加,发动机舱及平台本身的电气回路数激增,使得电磁脉冲敏感源以及耦合路径不断增多[4-5]。另一方面,强电磁脉冲辐射源的应用也越来越广泛,并且朝着小型化、多样化以及高辐射功率的方向发展,使得电子系统面临电磁脉冲的威胁越来越实际[5-6]。强电磁脉冲辐射源瞬间释放的高能量电磁脉冲通过车辆的壳体、玻璃、孔缝、线缆等耦合途径进入车辆平台,数千伏的峰值电压耦合到电子设备和敏感单元,造成车辆电子系统状态反常、性能下降,甚至损毁[7],导致电子系统正常功能被破坏,严重影响车辆平台的使用属性。因此,需要对车辆在强电磁脉冲环境下的电磁安全威胁进行分析,并针对性的开展电磁防护设计,切实提升车辆平台在强电磁环境下的适应能力。针对车辆平台的强电磁安全威胁问题,国内外学者开展了持续深入的研究,中国工程物理研究院应用电子学研究所秦风及其研究团队从系统层面提出了车辆平台在强电磁环境下的适应性问题以及总体防护建议[2];电子信息控制重点实验室鄢振麟及其团队针对汽油发动机,分析了窄带电磁脉冲环境下电控单元喷油信号和点火信号的变化规律,揭示了窄带电磁脉冲导致发动机熄火的作用机理[8]。本文分析了强电磁脉冲对车辆平台产生的电磁安全威胁,以某型高压共轨柴油发动机车辆平台为试验对象,开展了宽带电磁脉冲对电控单元的效应试验,分析了试验现象和效应机理,并对电控单元电源系统进行了电磁防护设计和试验验证,为从事车辆平台强电磁脉冲效应研究、强电磁脉冲防护技术研究的工程技术人员提供参考。

    • 强电磁脉冲辐射从产生形式上分为核电磁脉冲和非核电磁脉冲[9]。核电磁脉冲是指核爆炸过程中产生的电磁脉冲,包括地面核爆产生的地面源区核电磁脉冲、低空核爆产生的低空核电磁脉冲以及高空核爆产生的高空核电磁脉冲[9]。其中高空核电磁脉冲是指爆高在30 km以上的核爆炸在地面上产生的电磁脉冲,相比其他两种核电磁脉冲,其强度大、覆盖区域广,对电子系统的作用最为明显[10-11]。非核电磁脉冲是指由特殊装置产生的场强非常高、波形上升沿快、持续时间短、能量极高的电磁波,一般分为宽带电磁脉冲和窄带电磁脉冲。宽带电磁脉冲辐射源峰值功率目前已达100 GW,脉冲重复频率可到1 MHz,上升沿小于1 ns[9]。相比窄带电磁脉冲,宽带电磁脉冲频谱范围覆盖更宽,从百MHz到GHz,对长线缆的耦合效率很高,因此对车辆平台电气系统造成的安全威胁最大。

      车辆电气系统主要包括配电系统、发动机系统、制动系统、通信系统以及其他附件系统,电气化的升级使得这些系统已经由单一的任务系统演变成多任务、多目标的综合协调电子系统,各个功能的实现都要通过电子电气部件或者模块来进行控制[12]。电子设备之间通过信号传输线缆、电源线缆连接在一起,构成了分布最广的长线缆网络。电磁脉冲辐射源定向辐射高功率脉冲能量,通过场线空间耦合的方式,直接或间接在线缆上感应产生瞬态高电压和大电流,因此线缆成了电磁脉冲能量耦合的最佳途径。脉冲能量随着线缆传输网络进入电子系统内部,超过一定量级的感应电流或电压会使得电路中的器件发生潜在性失效或永久性损伤,从而导致车辆相对应的功能丧失。

      车辆电气系统中,发动机系统作为车辆的“心脏”,主要为车辆提供动力,其功能的是否完好会直接影响车辆的基本属性。车辆电子控制单元(ECU)是整个发动机系统的枢纽,包括信号输入单元、处理单元、输出单元、电源单元,基本组成如图1所示[12]。处理单元通过对输入的各种传感器信号进行运算后,输出驱动信号,用来驱动喷油电磁阀、轨压调节阀等进行动作,适时、适量的向发动机气缸内喷发燃油,维持发动机的持续运转。

      图  1  车辆电子控制单元基本组成框图

      Figure 1.  Basic block diagram of the electronic control unit(ECU)

      强电磁脉冲环境下,脉冲能量以“后门”耦合的方式,通过发动机引擎盖缝隙进入发动机舱,最后经过场线耦合,感应在ECU互联线缆上的脉冲能量超过内部电路敏感阈值后,造成ECU输入信号畸变、处理数据错误、执行指令紊乱、功能丧失,从而导致车辆熄火,作用途径如图2所示。

      图  2  电磁脉冲后门耦合作用途径

      Figure 2.  Backdoor coupling approach of the electromagnetic pulse

    • 本次试验基于宽带电磁脉冲模拟源和整车平台,采取辐照试验法,通过天线辐射电磁脉冲能量,监测车辆运行状态和ECU电源线上的感应电压,来分析研究强电磁脉冲通过电源线对ECU产生的效应。

      电磁脉冲辐射源是宽带电磁脉冲模拟器,频带宽度为100~700 MHz,脉冲宽度为10 ns。试验对象为某型基于高压共轨柴油发动机的车辆平台,怠速运转,750 r/min。试验布置如图3所示,通过宽带电磁脉冲模拟源产生威胁级环境对受试车辆进行辐照,并对车辆发动机状态和耦合电压数据进行监测。宽带电磁脉冲源、控制设备、数据处理设备、发动机状态监测仪放置于控制室内,发射天线、受试车辆及测量设备放置于微波暗室中。为了防止示波器被电磁脉冲损坏,将其置于屏蔽机柜,通过光纤和同轴线与受试车辆的电源监测点和车载自动诊断系统(On-Board Diagnostics,OBD)接口连接。测量设备和状态监测仪分别在线采集ECU电源线上的耦合电压以及发动机的实时回传数据。

      图  3  强电磁脉冲效应试验配置

      Figure 3.  Test configuration of high electromagnetic pulse effect

      辐照试验过程中,发动机状态监测仪上报故障“工作时断电”,同时发动机转速回传数据变为0,发动机熄火。对车辆进行检查,没有发现硬件故障,重新启动后,发动机恢复正常。按照以上试验方法重复多次试验,当发动机状态监测仪上报“工作时断电”故障时,发动机都会熄火。

      发动机状态监测仪是监测发动机实时运行状态的测试平台,发动机发生故障时会记录故障代码并根据经验数据库给出初步判断。经过分析发动机状态监测仪上报的故障代码和故障现象,并与经验数据库对比,判断造成“工作时断电”的故障是由于ECU异常断电造成的。ECU异常断电可分为两种情况,一种是外部输入断电,一种是内部电源模块断电。车辆底盘电源连接关系如图4所示,电池和自发电系统对ECU,ABS模块以及其他取电单元进行供电,ECU有两路24 V输入,一主一备,一路经过保险盒和总开关,一路直接连接蓄电池,都是物理连接,且在试验过程中总开关钥匙一直处于开启状态,因此外部供电系统没有发生故障,初步判断ECU内部的电源模块发生了异常。

      图  4  车辆底盘电源连接关系图

      Figure 4.  Power connection diagram of vehicle chassis

      对ECU供电单元进行研究,ECU在工作时需要稳定的24 V直流供电,当供电不足或过高超出ECU电源冗余时,将会导致ECU电源单元自我保护,中断输出,从而使得ECU模块断电,类似于关掉电源总开关,使得发动机熄火。强电磁脉冲作用于ECU内部电源模块的耦合途径有三种,分别是电源线的直接耦合、ECU壳体的孔缝耦合以及其他信号线的间接耦合。ECU外部是金属壳体,没有孔缝,良好屏蔽,理论上认为电磁脉冲无法通过壳体缝隙对模块产生效应,因此排除该耦合路径。由图1可知,与ECU连接的信号线分为传感器信号线和执行信号线,其都没有直接与电源模块相连,电磁脉冲耦合的方式属于间接耦合。另外发动机舱的信号线长度相比电源线长度要短,在相同功率和相同频率电磁脉冲情况下,其耦合效率相对较低。因此对于电源模块,信号线不是最主要的耦合路径。电源线直接与电源模块连接,且在发动机舱的分布广,线缆长度最长,因此判定其是强电磁脉冲对内部电源模块产生效应的最主要耦合路径。为了便于问题分析,此次只针对最主要耦合路径电源线进行脉冲电压监测。试验过程中,发现数据处理设备上采集的ECU 24 V供电端线缆的耦合电压峰值为467 V,其波形如图5所示。

      图  5  电源线上耦合电压波形

      Figure 5.  Waveform of the voltage coupled on the power line

      ISO7637-2标准规定,道路车辆电源线耐受的瞬态电磁干扰电压值由相关的试验波形来确定[13]。对于电压值为24 V的系统,上升沿为ns级的快速瞬态电磁干扰对应的波形有3a波形、3b波形、5a波形。其中3a波形的峰值电压范围为−150~−200 V,3b波形的峰值电压范围为150~200 V,5a波形的峰值电压范围为123 ~174 V[13]。从上述试验结果可知,宽带电磁脉冲在电源线上感应电压峰值范围为−409.2~466.7 V,远远超过了ECU电源单元本身设计的最高耐压值。因此,在强电磁脉冲环境下,通过电源线耦合的高电压对ECU电源单元产生了干扰效应,导致ECU停止工作,迫使发动机熄火。

    • 针对ECU电源单元面临的强电磁脉冲威胁,从电磁干扰三要素出发,采用切断强电磁脉冲对电控单元接口耦合通道的防护方法,在电源传输通道上采用“稳态滤波电路”+“瞬态抑制电路”组合的多级防护设计方法,实现电源单元的电磁安全防护。

      宽带强电磁脉冲的波形上升沿达到ns级甚至ps级,一般防护器件的响应时间达不到要求[14-15]。因此,在设计中采用低通稳态滤波,通过对高频能量进行抑制,使得脉冲上升沿变缓并减少耦合到下一级电路的脉冲电压。针对24 V直流电源的特性,低通滤波器只考虑高频幅度的衰减特性和通带内的响应平坦度,对过渡带的要求不高,选取巴特沃斯3阶低通滤波器作为稳态滤波电路。对于电磁脉冲瞬态泄放电路的设计,主要利用气体放电管、压敏电阻(MOV)、瞬态抑制二极管(TVS)等瞬态抑制器件,多级组合来实现大电流的快速泄放。通过对滤波电路和瞬态抑制电路进行级联匹配,实现电磁脉冲的多级防护,电路等效示意如图6所示。

      图  6  防护电路等效示意图

      Figure 6.  Equivalent schematic diagram of protective circuit

      第一级的瞬态抑制电路采取压敏电阻和气体放电管组合的方案。考虑车辆电控单元电源存在频繁启动的工作状况,将气体放电管串联在压敏电阻的接地端,一方面可解决压敏电阻的使用寿命问题,另一方面也能防止压敏电阻产生的漏电流对人员产生危害。

      第二级采取低通滤波电路实现微波频段的宽谱电磁干扰滤除,并延缓电磁脉冲的上升沿时间。

      第三级由两个钳位电压较小的瞬态电压抑制二极管构成,对电磁脉冲进行分流隔离,将残余强电磁脉冲能量进行再次泄放。

      第四级稳态滤波电路由差模电容、共模电容组成,抑制电源线上残留的共模、差模电磁脉冲以及微波频段的宽谱电磁脉冲。

    • 防护效能验证试验配置如图7所示,宽带强电磁脉冲模拟器产生电磁脉冲辐射场,在耦合线缆上转化为脉冲电压,通过线缆注入防护设备的输入端,分别监测电源防护设备输入端口耦合电压和输出端口的残余电压。通过对比注入脉冲电压与输出残压,验证防护设备的防护效能。

      图  7  防护效能验证试验配置

      Figure 7.  Test configuration for protection effectiveness verification

      试验过程中,输入端耦合电压波形和输出端残余电压波形如图8图9所示。输入端耦合电压峰值为1 900 V,输出端残余电压最高值为98.72 V,防护效能达到了26 dB。

      图  8  输入端耦合电压波形

      Figure 8.  Coupling voltage waveform of input port

      图  9  输出端残余电压波形

      Figure 9.  Residual voltage waveform of output port

    • 本文对车辆平台电控单元在强电磁脉冲环境下的效应机理进行了研究,通过电磁脉冲辐照整车平台的试验方法,分析并验证了宽带电磁脉冲对车辆电控单元造成的电磁安全威胁。电磁脉冲能量以空间场线耦合的方式在电源线上产生感应电压,并通过线缆传导到电控单元供电模块,感应电压幅值超出供电模块的敏感阈值,电控单元意外断电,使得发动机喷油信号丢失,从而造成车辆发动机熄火。同时针对电磁脉冲在电源线缆上耦合能量的特点和大小,基于电磁干扰三原则,选择阻断威胁信号传播路径的方法,基于稳态滤波和瞬态抑制的原理设计了多级防护电路,并通过线缆注入的方式对防护效能进行了验证,防护效能达到了26 dB。本文对电控单元在强电磁脉冲环境下的威胁分析以及电源系统的防护设计有助于车辆平台复杂电磁环境适应性的理论和应用研究,整车级的强电磁脉冲试验方法可为车辆平台效应试验的开展提供参考。由于车辆电控单元组成复杂,在整车试验过程中我们发现造成车辆熄火的原因除了电源断电外,还有其他比如执行信号紊乱,输入信号偏离等,为了便于问题分析,本次只针对单一敏感单元电源模块进行了分析,采取注入法进行模块的防护效能验证,下一步工作要对其他功能模块开展相关效应试验以及防护技术的研究和分析,并结合整车级的辐照试验进行防护效能验证。

      致 谢 感谢中国工程物理研究院应用电子学研究所赵刚副研究员、秦奋副研究员、蔡金良博士、王震博士在试验过程中给予的指导和帮助。

参考文献 (15)

目录

    /

    返回文章
    返回