CN113067648B - 一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法，属于车辆电控系统电磁脉冲防护技术领域。包括车辆电控系统的光纤网络化电磁防护，车辆电控系统硬线的电磁防护，对硬线线缆、控制器壳体以及电磁敏感设备采取空间电磁屏蔽吸收的方法，再通过脉冲吸收、滤波的方法实现对传导干扰的电磁防护。优点是针对总线结构的汽车控制系统，CAN和以太网信号采用光纤网络，连接开关、传感器、执行器的硬线采用传统的防护方法，对线缆使用防波套屏蔽、控制器采用金属壳体、壳体内部以及磁敏器件采取空间吸收的方法，对耦合到电路上的传导干扰进行抑制实现车辆电控系统的电磁防护，从而提高车辆电控系统在电磁脉冲环境下的适应性。

Description

一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法

技术领域

本发明涉及车辆电控系统电磁脉冲防护技术领域，具体涉及总线结构的车辆电控系统以CAN和以太网的光纤化为基础，再通过硬线的屏蔽、空间吸波以及电路传导干扰抑制的一种车辆电控系统电磁脉冲防护方法。

背景技术

现代电子技术向高频、高速和高集成化发展，电子、电气设备的数量、种类也不断增加，汽车作为我们当代社会中不可或缺的交通工具，其中车辆电控系统中电子设备的应用愈加的广泛。在面对复杂的电磁环境尤其是强电磁脉冲武器攻击时，会引起车辆内电子、电气元件不同程度的干扰，严重时甚至造成损伤，车辆电控系统作为电子设备应用程度很高的部分会受到极大的影响。

发明内容

本发明提供一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法，以解决车辆电控系统缺乏电磁脉冲防护的问题。

本发明采取的技术方案是，包括：

(一)、车辆电控系统的光纤网络化电磁防护

总线结构的车辆电控中电控单元与各负载之间通过线缆连接，针对车辆电控系统中的发动机、驾驶室控制和仪表控制使用的CAN通信以及车辆音视频、驾驶辅助系统使用的以太网通信系统采用光纤网络化电磁防护，具体如下：

(1)、CAN通信线路的光纤化防护

1)车辆电控系统中发电机控制、驱动控制、发动机控制、灯光控制、车身控制以及驾驶室控制的CAN通信控制器，根据CAN通信速率采取高速或低速CAN转光模块；

2)将整车控制器与其它被控单元的CAN信号通过CAN转光模块，将CAN通信的电信号转换成光信号，并通过光纤进行传输；

3)将整车控制器中CAN转光模块发送端的光信号与各被控单元接收端得光信号光纤分别连接到光纤耦合器，整车控制器中CAN转光模块接收端的光信号与各被控单元发送端采用光纤分别连接到光纤耦合器上，组成光纤网络，从而使整车控制器通过光信号控制各被控单元；

(2)以太网通信线路的光纤化防护

1)车辆电控系统中存在高级驾驶辅助系统(ADAS,Advanced Driving AssistanceSystem)和音视频系统，分别通过以太网组网的方式与整车控制器通信的，根据不同的以太网系统，选取相应的以太网光纤转换模块，实现光纤组网；

2)针对车辆电控系统中通过以太网组网的控制器，通过光纤以太网转换模块，将各以太网控制器的电信号转换成光信号，并通过光纤的方式输出；

3)将车辆电控系统中以太网集成系统中不同设备的光信号通过光纤集成到交换机上，交换机集成的光信号再通过光纤以太网转换，使交换机与整车控制器通过以太网相连接，从而使车辆电控系统通过光纤控制各以太网控制器，达到抗电磁脉冲干扰的目的；

(二)、车辆电控系统硬线的电磁防护

针对硬线采取的防护包括屏蔽以及电磁吸收阻断空间耦合途径，采用脉冲吸收、滤波阻断线路耦合途径；

(1)硬线线缆、壳体屏蔽

车辆电控系统中，整车控制器中采用硬线连接的线缆，根据线缆长度、半径选择防波套对其进行屏蔽处理，将电控系统中控制器壳体更换为金属壳体，针对壳体散热口，使用金属网将其封闭；

(2)空间电磁吸收

1)控制器壳体电磁吸收

电控系统控制器内部贴上吸波材料，吸波材料的选取考虑空间因素，厚度要尽可能的薄，以免挤压控制器壳体内部空间，柔韧性要好，在壳体内弯折时不易损坏；

2)电磁敏感器件电磁吸收

针对电控系统中易受电磁脉冲干扰的电磁敏感传感器(如曲轴、凸轮轴等霍尔型传感器)，在传感器周围或者表面粘贴电磁吸波材料；

(3)硬线信号电路防护

1)脉冲吸收方法

利用陶瓷气体放电管、瞬态二极管TVS(Transient Voltage Suppressor)、微波限幅器、压敏电阻构成脉冲吸收电路，通过两级脉冲吸收电路传导强电磁干扰达到瞬间抑制的作用；

a.第一级脉冲吸收电路采用陶瓷气体放电管、TVS和微波限幅器组合的方式，微波限幅器是一种功率限制器件，当低于门限功率的信号能够无衰减的通过，当输入信号功率高于门限功率时，衰减会迅速增大，起到后续电路的保护作用；

b.第二级脉冲吸收电路使用压敏电阻，压敏电阻是一种限压型保护器件，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

2)滤波方法

电磁干扰主要集中在高频，而且车辆电控系统的信号频率较低，所以针对车辆电控系统的滤波采取低通滤波，通过两级滤波电路滤除高频干扰；

a.第一级滤波电路采用铁氧体磁珠。磁珠的主要原料为铁氧体，铁氧体的特点是高频损耗非常大起到高频阻抗作用，用于抑制线路中的高频电磁干扰；

b.第二级滤波电路采用EMI滤波器，EMI滤波器的滤波频段相对较高一些，结构分π型，L型，C型，信号建议采用π型，电源选用C型，根据信号的正常工作频率进行设计，且经过第一级滤波之后，高频电磁干扰绝大部分已经被滤除，使用EMI滤波对剩余高频电磁干扰再次滤波是很好的补充作用。

本发明通过总线结构的汽车控制系统，其中对CAN信号和以太网信号控制的系统采用光纤化，硬线控制的系统采用综合电磁防护方法，先对硬线线缆、控制器壳体以及电磁敏感设备采取空间电磁屏蔽吸收的方法，再通过脉冲吸收、滤波的方法实现对传导干扰的电磁防护，从而实现对车辆电控系统的电磁防护设计。

本发明的优点是：针对总线结构的汽车控制系统，CAN和以太网信号采用光纤网络，连接开关、传感器、执行器的硬线采用传统的防护方法，对线缆使用防波套屏蔽、控制器采用金属壳体、壳体内部以及磁敏器件采取空间吸收的方法，对耦合到电路上的传导干扰进行抑制实现车辆电控系统的电磁防护，从而提高车辆电控系统在电磁脉冲环境下的适应性。

附图说明

图1是基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护设计流程图；

图2是车辆电控系统控制结构图；

图3是车辆电控系统光纤化及防护方案；

图4是车辆电控系统CAN通信光纤化；

图5是车辆电控系统以太网系统通信光纤化图；

图6是控制器壳体空间电磁屏蔽吸收实施图；

图7是第一级脉冲吸收电路示意图；

图8是第二级脉冲吸收电路示意图；

图9是第一级滤波电路示意图；

图10是第二级滤波电路示意图；

图11是硬线信号电路防护示意图。

具体实施方式

(一)、车辆电控系统的光纤网络化电磁防护

总线结构的车辆电控系统中电控单元与各负载之间通过线缆连接，线缆众多而且有些线缆长度相对较长，电磁脉冲干扰通过车辆孔缝进入车辆内部，线缆由于电磁耦合效应在芯线中产生感应电流，尤其长度较长的线缆更为明显，从而导致干扰电流通过线缆进入电控系统内部，对电控系统产生影响。如图2所示，车辆电控系统中的发动机、驾驶室控制和仪表控制等使用的CAN通信以及车辆音视频、驾驶辅助系统使用的以太网通信系统采用光纤网络化。CAN通信以及以太网通信光纤化方案如图3所示；

(1)CAN通信线路的光纤化防护方法

1)如图3所示，车辆电控系统中发电机控制、驱动控制、发动机控制使用高速CAN传输，灯光控制、车身控制以及驾驶室控制等使用低速CAN通信，确定整车控制器与被控制单元之间CAN信号的通信种类是高速模式还是低速模式，并以此选择合适的光纤CAN转换模块，并调整相对应光纤CAN转换模块的传输码率；

2)如图3所示，整车控制器与其它被控单元的输入端与输出端通过CAN转光模块，将CAN通信的电信号转换成光信号，输出两路光信号分别为光发射端与光接收端，光纤CAN转换模块使用金属壳体对其进行屏蔽处理；

3)如图4所示，由于光纤重量轻、易弯曲、不易折断，所以将整车控制器CAN转光模块中光信号的接收端与各被控单元CAN转光模块中光信号的发射端通过光纤连接，分别连接到光纤耦合器1上，将整车控制器CAN转光模块中光信号的发射端，与各被控单元CAN转光模块中光信号的接收端通过光纤连接，分别连接到光纤耦合器2上，从而实现整车控制器与被控单元之间的相互通信。如图3所示，根据整车控制器中高速CAN信号与低速CAN信号分别组成CAN转光纤网络；。

(2)以太网通信线路的光纤化防护方法

1)如图3所示，车辆电控系统中存在高级驾驶辅助系统(ADAS,Advanced DrivingAssistance System)和音视频系统，它们是通过以太网组网的方式与整车控制器通信的，根据不同的以太网系统，选取合适的以太网光纤转换模块，实现光纤组网；

2)如图5所示，针对车辆电控系统中通过以太网组网的系统中存在众多设备，各设备通过光纤以太网转换模块，将设备中以太网的电信号转换成光信号，并通过光纤的方式输出，光纤以太网转换模块使用金属壳体对其进行屏蔽处理；

3)如图5所示，由于光纤重量轻、易弯曲、不易折断，将车辆电控系统中以太网集成系统中不同设备的光信号通过光纤连接到交换机上，交换机集成的光信号再通过光纤以太网转换，使交换机与整车控制器通过以太网相连接，其中交换机设备使用金属壳体对其进行屏蔽处理，如图3所示使车辆电控系统通过光纤控制以太网集成系统各设备，达到抗电磁脉冲干扰的目的；

(二)、车辆电控系统的硬线电磁防护

针对硬线采取综合防护的方法，采用屏蔽以及电磁吸收技术阻断空间耦合途径，采用脉冲吸收、滤波等方法阻断线路耦合途径。硬线线缆、设备壳体采取屏蔽措施。电磁吸波材料可以通过两种方式吸收电磁波，一是使入射电磁波最大限度地进入到吸波材料中，实现阻抗匹配，减少电磁波反射；二是通过材料内部吸收，通过电阻损耗、介电损耗和磁损耗三种方式将电磁干扰转换成热能或者其他形式能量散发出去，壳体内部和霍尔传感器等磁敏器件采用空间电磁吸波技术进行电磁脉冲抑制。电路上根据车辆电控系统所受电磁脉冲干扰信号特点，从脉冲吸收、滤波等方法进行设计对硬线上电源信号、开关信号，模拟信号(如压力、温度传感器)、正弦和方波信号电路形成多级防护，从而对车辆电控系统电路上的传导干扰进行抑制；

(1)线缆、壳体屏蔽

如图3所示，车辆电控系统中，对这些采用硬线连接的线缆，根据线缆长度、半径等选择合适的防波套，将硬线线缆套入防波套中，如图6所示，将电控系统控制器壳体更换为金属壳体，针对壳体散热口，使用金属网将其封闭；

(2)空间电磁吸收

1)控制器壳体电磁吸收

电控系统控制器壳体一是通过屏蔽措施将电磁脉冲干扰阻挡在壳体外，二是针对进入壳体内部的电磁干扰，易产生谐振，在壳体内部进行电磁吸收处理，对控制器内电子设备起到保护作用，如图6所示，电控系统控制器内部贴上吸波材料，吸波材料的选取硅胶材质吸波材料，硅胶材质吸波材料厚度较薄可以达到1mm，其柔韧性也要好，在壳体内弯折时不易损坏；

2)电磁敏感传感器电磁吸收

针对电控系统中易受电磁脉冲干扰的传感器(曲轴，凸轮轴等霍尔型传感器)，由于传感器空间位置以及工作方式等因素，没办法实施屏蔽，传感器的吸波材料选用抗磨损、耐温高、耐腐蚀、吸波频段选择10MHz-6GHz的吸波材料、将吸波材料贴附于传感器以及传感器的周围，并要保证包裹性。吸波材料通过对电磁脉冲的吸收，从而实现电磁脉冲的隔离；

(3)硬线信号电路防护

1)脉冲吸收方法

利用陶瓷气体放电管、瞬态二极管TVS(Transient Voltage Suppressor)、微波限幅器、压敏电阻等器件构成脉冲吸收电路，通过设计两级脉冲吸收电路传导强电磁干扰达到瞬间抑制的作用；

a.如图7所示，第一级脉冲吸收电路采用陶瓷气体放电管、TVS和微波限幅器组合的方式。气体放电管和TVS并联在输入端前面，利用气体放电管和TVS管的瞬态抑制能力对电磁干扰进行抑制，针对限幅电路，一个限幅器正级接电源，负极接信号，另外一个限幅器正级接地，负极接信号，当输入信号功率高于门限功率时，衰减会迅速增大，对功率起到抑制作用，从而保护电路。如图11所示的防护电路，根据硬线通信中电源信号、开关信号，模拟信号(如压力、温度传感器)、正弦和方波等信号电路的电压、电流以及频率范围特性在输入端首先加入第一级脉冲吸收电路，其中电源信号电路电流较大，选用耐大电流的器件；

b.如图8所示，第二级脉冲吸收电路使用压敏电阻并联在电路中，放在第一级脉冲吸收与第一级滤波电路之后，压敏电阻是一种限压型保护器件，其响应速度没有TVS快，但是其成本低，尺寸小，易安装，故选择在第二级脉冲吸收电路，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。如图11所示的防护电路，在电源信号、开关信号，模拟信号(如压力、温度传感器)、正弦和方波等信号电路中第一级脉冲吸收电路与第一级滤波电路之后加入第二级抑制脉冲吸收电路；

2)滤波方法

电磁干扰干扰主要集中在高频，而且车辆电控系统的信号频率较低，所以针对车辆电控系统的滤波采取低通滤波，通过两级滤波电路滤除高频干扰。

a.如图9所示，第一级滤波电路采用铁氧体磁珠。磁珠的主要原料为铁氧体，铁氧体的特点是高频损耗非常大起到高频阻抗作用，用于抑制线路中的高频电磁干扰，如图11所示，在电源信号、开关信号，模拟信号(如压力、温度传感器)、正弦和方波等信号电路中第一级脉冲吸收电路之后加入第二级脉冲吸收电路；

b.如图10所示第二级滤波电路采用EMI滤波器，EMI滤波器的滤波频段相对较高一些，结构分π型，L型，C型，信号电路建议采用π型，电流较大的电源电路选用C型，根据电源信号、开关信号，模拟信号(如压力、温度传感器)、正弦和方波等信号电路的正常工作频率进行设计，且经过第一级滤波之后，高频电磁干扰绝大部分已经被滤除，使用EMI滤波对剩余高频电磁干扰再次滤波是很好的补充作用，如图11所示，在输出端前加入第二级滤波电路。

Claims (4)

1.一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法，其特征在于，包括：

（一）、车辆电控系统的光纤网络化电磁防护

总线结构的车辆电控系统中电控单元与各负载之间通过线缆连接，针对车辆电控系统中的发动机、驾驶室控制和仪表控制使用的CAN通信以及车辆音视频、驾驶辅助系统使用的以太网通信系统采用光纤网络化电磁防护，具体如下：

（1）、CAN通信线路的光纤化防护，包括：

1）车辆电控系统中发电机控制、驱动控制、发动机控制、灯光控制、车身控制以及驾驶室控制的CAN通信控制器，根据CAN通信速率采取高速或低速CAN转光模块；

2）将整车控制器与其它被控单元的CAN信号通过CAN转光模块，将CAN通信的电信号转换成光信号，并通过光纤进行传输；

3）将整车控制器CAN转光模块中光信号的接收端与各被控单元CAN转光模块中光信号的发射端通过光纤连接，分别连接到光纤耦合器1上，将整车控制器CAN转光模块中光信号的发射端，与各被控单元CAN转光模块中光信号的接收端通过光纤连接，分别连接到光纤耦合器2上，从而实现整车控制器与被控单元之间的相互通信；

（2）、以太网通信线路的光纤化防护，包括：

1）车辆电控系统中存在高级驾驶辅助系统和音视频系统，分别通过以太网组网的方式与整车控制器通信的，根据不同的以太网系统，选取相应的以太网光纤转换模块，实现光纤组网；

2）针对车辆电控系统中通过以太网组网的控制器，通过以太网光纤转换模块，将各以太网控制器的电信号转换成光信号，并通过光纤的方式输出；

3）将车辆电控系统中以太网集成系统中不同设备的光信号通过光纤集成到交换机上，交换机集成的光信号再通过光纤以太网转换，使交换机与整车控制器通过以太网相连接，从而使车辆电控系统通过光纤控制各以太网控制器，达到抗电磁脉冲干扰的目的；

（二）、车辆电控系统的硬线电磁防护

针对硬线采取的防护包括屏蔽以及电磁吸收阻断空间耦合途径，采用脉冲吸收、滤波阻断线路耦合途径；

（1）硬线线缆、壳体屏蔽

车辆电控系统中，整车控制器中采用硬线连接的线缆，根据线缆长度、半径选择防波套对其进行屏蔽处理，将电控系统中控制器壳体更换为金属壳体，针对壳体散热口，使用金属网将其封闭；

（2）空间电磁吸收；

（3）硬线信号电路防护，包括：

1）脉冲吸收方法

利用陶瓷气体放电管、瞬态二极管TVS、微波限幅器、压敏电阻构成脉冲吸收电路，通过两级脉冲吸收电路传导强电磁干扰达到瞬间抑制的作用；

2）滤波方法

电磁干扰主要集中在高频，而且车辆电控系统的信号频率较低，所以针对车辆电控系统的滤波采取低通滤波，通过两级滤波电路滤除高频干扰。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法，其特征在于：所述步骤（二）的（2）空间电磁吸收包括：

1）控制器壳体电磁吸收

电控系统控制器内部贴上吸波材料；

2）电磁敏感器件电磁吸收

针对电控系统中易受电磁脉冲干扰的电磁敏感传感器，在传感器周围或者表面粘贴电磁吸波材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法，其特征在于：所述步骤（二）的（3）硬线信号电路防护的1）脉冲吸收方法包括：

a.第一级脉冲吸收电路采用陶瓷气体放电管、TVS和微波限幅器组合的方式，微波限幅器是一种功率限制器件，当低于门限功率的信号能够无衰减的通过，当输入信号功率高于门限功率时，衰减会迅速增大，起到后续电路的保护作用；

b.第二级脉冲吸收电路使用压敏电阻，压敏电阻是一种限压型保护器件，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤网络的车辆电控系统电磁脉冲防护方法，其特征在于：所述步骤（二）的（3）硬线信号电路防护的2）滤波方法包括：

a.第一级滤波电路采用铁氧体磁珠，磁珠的主要原料为铁氧体，铁氧体的特点是高频损耗非常大起到高频阻抗作用，用于抑制线路中的高频电磁干扰；

b.第二级滤波电路采用EMI滤波器，EMI滤波器的结构分π型，L型，C型，信号滤波电路采用π型EMI滤波器，电源滤波电路选用C型EMI滤波器，经过第一级滤波之后，高频电磁干扰部分已经被滤除，使用EMI滤波对剩余高频电磁干扰再次滤波是很好的补充作用。

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