汽車電磁兼容中線束串擾及其統計特性研究

陶華勝　陳歡

摘要：針對汽車電磁兼容中需要解決的線束串擾預測問題，本文提出了一種能夠在低頻下完成汽車線束串擾動態預測和統計特性分析的方法。采取該方法，能夠確定汽車線束導線的單位長度分布參數，并利用統計學原理完成線束動態串擾的均值和方差的計算，從而完成串擾最差情況的準確預測。通過仿真實驗分析可以發現，應用該方法能夠完成汽車線束串擾的合理預測，因此具有一定的實用價值。

關鍵詞：汽車；電磁兼容；線束串擾；統計特性

1.引言

現階段，汽車電磁干擾中最首要的傳導干擾就是線束串擾。所以在汽車電磁兼容設計中，還要實現線束串擾的合理預測。而線束串擾與導線在線束中的對地高度和幾何位置等因素有關，會因線束捆扎和汽車運動產生變化，進而導致動態串擾的出現。因此，還要采用一定的方法完成汽車線束串擾及其統計特性的合理分析，從而為汽車電磁兼容設計提供科學的參考依據。

2.汽車電磁兼容中線束串擾分析

2.1分析模型

在汽車線束安裝的過程中，采用的捆扎方式并不固定。所以在汽車行駛的過程中，受道路工況和汽車狀態的影響，線束導線位置將發生改變，從而導致線束導線分布參數和串擾發生變化。在對線束串擾問題進行分析時，將采用標準的汽車線束，其半徑為4.5mm，中心對地高度為25mm，長度為2m，包含7條導線，導體半徑r為0.5mm，絕緣層材料為聚氯乙烯，材料相對介電常數為3.0，絕緣層厚△r=0.5mm。由于汽車線束對地高度具有不確定性，所以還要利用統計模型完成串擾分析與預測。假設導線無耗弱耦合，下圖1為傳輸線等效電路模型，由干擾線、受擾線和參考地構成。由于線束內擁有較多的導線，并且絕緣層較厚，導線位置變化也較大，所以還要進行單位長度電感矩陣和電容矩陣的求取，以確定線束導線的型號。根據干擾線和受擾線的對地高度h.和h₂以及二者的相對距離d，則能完成矩陣中各元素的確定，從而得知線束導線型號。

2.2分布參數的確定

在確定汽車線束分布參數時，還要利用混沌多項式對干擾線對地高度、受擾線對地高度和二者間的相對距離進行計算。假設這三個參數服從高斯分布，并且為隨機獨立變量，則h₁和h₂在20.5-29.5mm范圍內波動，d在1.2-7.8mm范圍內波動。利用汽車線束模型，則能得到h₁=4.5ξ1+25，h₂=4.5ξ2+25，d=3.3ξ3+4.5。

將電感矩陣和電容矩陣展開2階，則能利用混沌多項式得到矩陣中各元素的值。隨著展開階數的增加，對應的展開項數也會增加口。采用同樣的方法，就能完成展開系數的計算。而利用汽車線束導線單位長度電感矩陣和電容矩陣的概率密度，就可以完成導線串擾的準確預測。在實際分析時，需要將Rs、RL、RNE、RFE設為lkΩ，其他導線終端阻抗設為50Ω，發射線激勵電壓為1v。利用鏡像法原理，則能完成單位長度電容的計算，得到下式（1）。

3.導線串擾統計特性分析

使用鏡像法進行等效電路模型的單位長度互電容和互電感的獲取，由于多數現象服從高斯分布，所以能夠假設對地高度概率密度函數服從高斯分布。結合這一條件，可以利用統計學方法進行導線對地高度的獲取，從而對地高度發生變化時線束串擾的統計特性進行分析，進而完成導線串擾最差情況的合理預測。

3.1分析方法

在對導線串擾的統計特性進行分析時，還要對頻域的串擾統計特性進行分析。具體來講，就是利用混沌多項式對導線上的電壓向量和電流向量進行處理，然后利用其多項式的相關性質完成串擾統計特性的分析。為確定某一特定評論下的串擾概率密度函數，還要將串擾變化范圍定義為串擾電壓均值的±3倍方差。根據多項式的相關性質可知，汽車線束導線串擾電壓的頻率在1kHz-300MHz范圍內，激勵電壓源為幅值為1v的電頻正弦信號。在對線束串擾的統計特性進行分析時，主要可以對線束對地高度發生變化時的動態串擾特性進行分析。如果假設線束對地高度變量的概率密度函數符合高斯分布，還要根據實際情況完成合適對地高度變量均值和方差的選取，從而進行函數的描述。如下式（2），式中uc/x為線束對地高度概率分布中近端串擾均值，P（x0為線束不同對地高度對應的概率。在對線束串擾統計特性進行分析時，可以利用下式（3）進行特性參數Uc和σc的計算。

利用上述方法對分析模型的線束串擾統計特性計算計算，需要時線束對地高度的概率密度函數服從u=200mm、σ=100mm的高斯分布。為實現動態串擾最差情況的合理預測，還應將置信水平設定為80%，即80%的預測串擾值將在以均值U。為中心的±1.25σ。范圍內。而采用RDSI算法進行線束隨機性模型的修正，則能更好的體現汽車線束隨機分布特點，進而使線束保持良好連續性。通過仿真分析，可以得到不同對地高度模型的近端動態串擾。采用該種算法，能夠完成線束動態串擾的靈活預測，從而使汽車內線束的真實情況得到反映。而通過對線束對地高度的概率密度函數進行調整，則能完成真實情況的仿真，進而對汽車線束動態串擾進行可靠預測。如下圖2所示，為不同線束對地高度在低阻抗負債下線束動態串擾仿真結果。通過仿真分析可以發現，在汽車線束全長各段實際對地高度與預定高度有較大離散程度的情況下，線束的串擾值將有所提高。因此在進行汽車電磁兼容設計時，還應考慮這一問題。

4.結語

通過分析可以發現，在汽車線束安裝的過程中，無法進行線束內導線對地高度的控制。針對這一情況，可以利用鏡像法進行導線單位分布參數的確定，然后利用線束的統計特性完成串擾最差情況的預測。從仿真結果來看，采用該種方法能夠完成串擾的合理預測，所以能夠為汽車電磁兼容設計提供科學參考依據。此外，該種模型也具有一定的靈活性，所以可以結合實際情況完成摸參數的調整，繼而通過合理預測線束串擾更好的開展電磁兼容設計工作。