1、汽车线束等效模型分析及其在电磁兼容仿真中的应用汽车线束等效模型分析及其在电磁兼容仿真中的应用 重庆大学 博士学位论文 姓名：郑亚利 申请学位级别：博士 专业：电气工程 指导教师：汪泉弟 20111202 中文摘要 摘要 在汽车向电子化、智能化方向发展的趋势要求下，车载电子设备不断的增加，而线束作为各种电子设备的连接纽带，在汽车的电器网络中扮演着十分重要的角色，可以说没有线束网络就没有汽车电气系统，汽车的电子化、智能化也就不可能实现。另一方面，车内电子设备增加的同时也恶化了汽车内部的电磁环境，线束的增多则使车内的电磁兼容问题更加严重。因此，为保证汽车的安全性和可靠性，建立适用于汽车电磁兼容仿真的
2、线束模型成为具有重要理论意义和工程价值的研究课题。本论文在国家自然科学基金项目“汽车电磁兼容预测与电磁干扰抑制关键技术研究（）及重庆市自然科学基金重点项目“汽车电气系统电磁兼容性研究（，）的资助下，重点研究了汽车线束在电磁兼容研究中的建模仿真方法，并对建模方法进行了实验验证。在研究过程中，综合运用了电磁场、电路及电磁兼容技术和测试方法的基本理论，实现了用“路的方法对线束的等效、用“场”的方法对线束等效模型电磁辐射敏感度及电磁辐射发射的仿真分析。其主要工作如下： 从基本方程组出发，详细系统的推导出了多导体传输线方程，解释了电容矩阵元素的物理意义；讨论了多导体传输线的单位长度电感、电容矩阵的解析解
3、和数值解，为汽车线束多导体传输线方程的电感矩阵和电容矩阵的计算奠定了基础。 提出了描述多导体传输线电磁特性的等效波阻抗的定义，推导出了计算公式；根据导线终端负载与等效波阻抗的相对大小关系对导线进行了分组，使得线束最多等效为根等效导线，简化了线束建模的复杂度。研究了导线终端的差模负载、共模负载、激励源的等效处理方法，完成了线束等效模型的理论基础研究，建立了线束等效模型。实现了用“路的方法建立线束的等效模型，为线束电磁兼容性的高效计算创造了条件。 推导了外界入射波在导线上产生感应电流的计算公式，分析得到了导线上产生感应电流的外界入射波的耦合方式；仿真验证了有限元方法计算导线感应电流的有效性；讨论了
4、导线终端负载、终端结构及周围绝缘介质对感应电流的影响：以根导线组成的线束为例，详细叙述了建立线束电磁辐射敏感度等效模型的全过程。该算例的仿真结果说明线束等效模型在保证等效前后计算精度不变的前提下明显节约了计算资源。实现了“场”的方法对线束等效模型的仿真分析。设计并搭建了由根导线组成的线束电磁辐射敏感度的实验平台，在半电波暗室中实现了测试，与仿真结果对比说明了等效模型的正确性。 重庆大学博士学位论文 由天线辐射原理建立了导线辐射发射的简单模型，验证了有限元法计算导线周围电场强度、磁场强度和辐射总功率的有效性；讨论了导线终端负载、终端结构及周围绝缘介质对电磁辐射发射的影响；以根导线组成的线束为例，
5、阐述了建立线束电磁辐射发射等效模型的过程，验证了在导线终端负载与线束等效波阻抗相同的情况下，该导线分组的灵活性。该算例的仿真结果说明，在保证计算精度不变的前提下，等效模型提高了计算速度并降低了对计算资源的要求；由根导线组成的线束电磁辐射发射实验说明了等效模型的正确性。 在深入分析汽车点火系统传导电磁干扰的基础上，得出了点火系统的辐射电磁干扰主要来源于点火线圈初级侧电流，并通过初级侧线缆的天线效应对外产生辐射的结论，由此建立了点火系统电磁辐射发射的等效模型：介绍了利用汽车数据在软件中建立电磁兼容预测的有限元整车车体模型的方法，并通过了实验验证：仿真分析了汽车点火系统的电磁辐射发射在车内线柬上产生
6、感应电流，说明了线束等效模型可用于分析研究汽车电磁兼容性问题。 根据汽车底盘的大小设计了复杂的线束网络，建立了线束网络的等效模型；仿真结果表明线束等效模型可以用于结构复杂的线束网络中，并且在保持计算精度不变的情况下，大大降低了计算时间、计算机内存。 关键词：汽车，线束等效模型，有限元法，电磁兼容，线束网络 英文摘要 ，（）， 删，（） ，“ ），（， ， ： ， ，。 砀 ， 重庆大学博士学位论文 （ ， ， （） 灯， ， ， ， ， （）， 髓 ， 田舱 ， 英文摘要 ，叫， ：， ， 重鏖盔堂堡主堂垡堡塞一一一：一 绪论 绪论 课题的背景及意义 汽车电磁兼容的背景及意义 年，研究者发现道
7、路上行驶的汽车的点火系统产生的电磁干扰会对周围无线电收音机产生干扰，自此开始了对汽车电磁干扰的研究【。年，针对越来越严重的电磁干扰问题，国际电工委员会（，）成立了国际无线电干扰特别委员会（，），且于年召开了第一次会议，确定了合理的无线电干扰限值及如何对电磁干扰进行测量【，电磁兼容问题开始受到重视。 电磁兼容是一门既年轻又古老的学科，电气和电子工程师协会（，）对电磁兼容的标准定义是“电磁设备或系统在给定电磁环境下按照设计水平运行的能力”】。汽车电磁兼容的定义按欧洲经济共同体（，）指令则是：“车辆或零部件或独立技术单元在其电磁环境中能令人满意的工作，又不对该环境中任何事物造成不应有的电磁骚扰的能力
8、【】。也即是说汽车电磁兼容是指，在汽车及其周围的空间中、在一定的运行时间内、在可用的频谱资源条件下，汽车本身及周围的用电设备可以共存而不致引起各自功能的降级。 近年来，随着汽车工业和电子技术的迅速发展，为了提高汽车的安全性、高效性和舒适性，汽车上应用的电子设备与微机控制装置越来越多【】。统计表明，在一些发达国家，汽车上应用的电子电器设备的费用已经达到了整车成本的】。这些电子器件在有限的狭小空间中并存，产生的电磁干扰已成为除排放、噪声之后汽车的第三大污染。因此，汽车的电磁兼容技术与汽车排放技术、汽车安全技术同为汽车共性技术，成为汽车工业的关键技术之一【。 汽车工业的发展和汽车市场的竞争促进了汽车
9、上电子设备的应用。对于现今的汽车行业，电子技术的应用程度已成为汽车技术水平提升的重要标志之一。同时，随着电子设备数量和种类的不断增加、工作频率的提高，使得汽车内电磁环境日益复杂。若汽车电磁兼容性能级别低，轻则导致受干扰的电子设备功能降级，重则导致其功能失效，给汽车安全行驶造成严重事故【】。对于汽车消费者来说，良好的汽车电磁兼容性是保证车内设备正常工作的前提条件；而对于汽车生产商来说，良好的汽车电磁兼容性是汽车上市及抢占市场的一个主要因素，因为汽车产品的电磁兼容前期设计，是缩短生产周期与降低产品成本的重要保证【。 重庆大学博士学位论文 汽车线束电磁兼容的背景及意义 现代汽车中电子设备比比皆是，主
10、要可分为三类：动力电子系统、底盘电子系统、车身电子系统。在这些系统中会存在各种各样的线束：电源线、信号控制线等。由于线束是电子信号的传输载体，是连接各类电子设备的纽带，因此无论是普通轿车还是高级轿车，汽车线束成为不可缺少的部分。也正是如此，在影响汽车电磁兼容问题的因素中，导线占有重要的地位【，。 大量的理论和工程实际表明，的系统不能通过辐射发射试验或者对邻近的设备产生辐射干扰，都是由于电线、电缆的电磁辐射所致】。线束的干扰问题成为汽车电磁兼容问题的组成部分，如大部分的传导电磁干扰、电磁辐射及电磁辐射敏感性问题、信号完整性问题等。原因简述如下： 电气电子设备等干扰源产生的电磁干扰会通过导线的传导
11、耦合进入敏感设备，对各种电子设备工作的稳定性和可靠性产生影响。传导耦合可经过容性耦合或感性耦合进入控制线或信号线，耦合干扰电压幅值高，持续时间长，会对车内的电子设备的可靠性产生影响； 导线是效率高的电磁波接收天线，周围空间的电磁辐射可直接耦合到导线上，然后进入敏感设备； 导线也是效率很高的电磁波发射天线，尤其是电子技术的发展，使得汽车电子的工作频率不断提高，导线产生的电磁辐射发射日益严重。 汽车内有大量的连接各种电子设备的导线，导线是汽车电气网络的主体，因此，导线的天线效应成为设备甚至系统不能满足电磁兼容标准的主要原因。汽车及其线束的电磁兼容研究概况 汽车电磁兼容的国内外研究概况 国外对汽车电
12、磁兼容的研究首先是从汽车生产商建立先进的汽车电磁兼容实验室对汽车电磁兼容性进行测试开始的，如，德国大众汽车公司、德国宝马汽车公司、德国奥迪汽车公司、法国、英国汽车工业研究会、意大利菲亚特等。美国也在底特律的戴姆勒克莱斯勒公司的电磁兼容实验室建立了个暗室，通用、福特等汽车公司也都拥有自己的电磁兼容实验室【堋。另外，国外还有较为完善的汽车电磁兼容测试标准和规范，具有对汽车整车和零部件进行电磁兼容测试、管理和认证的机构。如，国际标准化组织（，）、国际电工委员会）、国际无线电干扰特别委员会（）、美国汽车工业学会（，）、德国标准局（，）、德国电气工程师协会（ 了不同干扰类型的干扰等级【。，）等组织均制定
13、 绪论 在汽车电磁兼容预测的研究方面，美国率先在世纪年代末期开始，年代初期，前苏联也开始了对电磁兼容预测技术的研究，紧接着，德国、英国、法国也先后开展了这方面的研究【，。汽车中有很多电器装置和电气系统，因此汽车电磁兼容问题需要针对不同的研究对象采用不同的方法，汽车整车的电磁兼容问题是诸多方法的集成和统一如，美国密西西比大学的和及提出了汽车电磁兼容专家系统，通过对汽车中的基本干扰问题的分析，帮助电磁兼容研究设计人员分析电磁兼容问题，提出有实际意义的电磁兼容经验指导】。德国团队结合了矩量法（。）、传输线法（，）、有限元法（，）等算法对整车电磁兼容预测进行了研究，该团队将整车级电磁预测研究分为个子模
14、块，：车身模型，用网格处理技术得到合适的计算网格；汽车线束模型，利用传输线对其建模；电子装置与器件的模型；天线模型。另外，除了对辐射的研究，该团队还对整车系统的低频电磁兼容问题以及参数的提取做了深入分析【捌。欧盟的工作组正在开发一套适用的汽车电磁兼容计算的建模准则，主要，内容有：适合于电磁场全波计算的汽车车体有限元模型；汽车内部的互连导线与线束的传输线模型；各个电器部件的端口散射参数获得的等效电路模型等欧洲“工作组也致力于开发一套用于汽车电磁兼容仿真预测的方法，其主要内容是汽车的计算机辅助建模、汽车仿真模型的科学性、集成不同的仿真工具、确定电磁兼容计算机仿真的标准等【，】。 国内汽车电磁兼容性研究工作也是从对汽车电磁干扰的测量研究开始的，并：且自年开始颁布一系列的汽车行业电磁兼容的强制性国家标准【阳。国内汽车工业过去长期处于落后地位，汽车电磁兼容问题一直没有受到相应的重视，许多汽车生产商也很少拥有自己的科研机构和电磁兼容实
