作者简介:高印寒(1951-),男,教授,博士生导师.研究方向:车辆测试技术及仪器.E-mail:yinhan@jlu.edu.cn
针对汽车线束中导线相对位置和线束对地高度参数以及由于不同的安装方式和汽车不同的运动状态带来的随机性,提出了一种在低频下用来计算汽车线束动态串扰的统计学模型。利用镜像法计算获得了带有绝缘层导线的单位长度分布参数,运用统计学原理推导得到了线束动态串扰的均值与方差,并将计算所得合理的最差串扰值与273次随机中点布置样条插值法(RDSI)仿真结果进行了对比,验证了模型的准确性和可靠性。所建立的线束动态串扰统计模型可以根据实际情况灵活调整相关参数,实现快速预测,为车辆电磁兼容性设计提供依据。
Different installation methods and different moving states of automobile can bring randomness to the relative position of wire in automobile wiring harness and ground height of wiring hardness. A statistic model is proposed to calculate the dynamic crosstalk of automobile wiring harness under the low frequency. The image method is employed to acquire the unit length distribution parameters of the wire with insulation layer, and the principle of statistics is applied to infer the mean value and variance of the dynamic crosstalk of wiring harness. The reasonable worst-case crosstalk value calculated by the proposed model is compared with the 273 times simulation results of random displacement spline interpolation to verify the accuracy and reliability of the model. The proposed statistic model can also adjust the relevant parameters flexibly according to practical situation and realize rapid prediction, which provide the basis to the design of vehicle electromagnetic compatibility. The model has very important practical significance.
线束串扰已经成为汽车电磁干扰中最重要的传导干扰,同时也成为汽车电磁兼容设计的首要预测目标之一。线束串扰与导线在线束中的几何位置及对地高度等因素有关,但由于汽车线束在捆扎和固定的过程中具有不确定性,以及汽车在运动过程中存在振动、加速和减速等不同运动状态,使导线分布成为非确定性的几何布置,进而串扰也就具有了动态特性。因此,根据针对线束确定性几何布置的传统计算电磁学方法(如矩量法(MOM)、多导体传输线法(MTL)、时域有限差分法(FDTD)等)进行串扰分析,不仅会消耗大量的计算时间和计算机资源,而且生成的结果也并不理想。在导线串扰的动态预测研究中,国外学者已经获得了一定的成果,如分形理论[ 1]、配置法[ 2]、随机中点布置法[ 3]、卷积法[ 4]、随机中点布置样条插值法[ 5]等。汽车线束对地高度和导线相对位置这两个因素的改变都会影响线束串扰的结果,其中国外的研究成果多数是针对导线相对位置变化对串扰的影响,而国内对汽车线束动态串扰的研究则刚刚起步,本文模型将同时考虑这两个因素变化时对汽车线束串扰产生的影响。
由于汽车线束几何布置和线束对地高度等因素的不确定性本质上是随机的,故采用统计模型对其串扰进行预测是最合适的。本文在假设导线无损耗、相互间弱耦合以及电小尺寸的条件下,利用镜像法获得等效电路模型的单位长度互电容和互电感,同时由于绝大多数的随机现象都服从或近似服从高斯分布,假设线束对地高度这个变量的概率密度函数符合高斯分布。在此基础上,运用统计学的方法获得导线相对位置及对地高度两个变量都发生变化时线束串扰的统计特性,并依此获得合理的导线串扰最差情况,最后通过与随机中点布置样条插值法(RDSI)[ 5]仿真结果进行对比,说明本文提出的汽车线束动态串扰预测模型的可靠性。
本文采用VW汽车电缆标准中的由7根18#规格导线组成的线束,线束中导体材料为铜,绝缘层是相对介电常数为 εr=3.0的PVC(聚氯乙烯),导线半径为 R=1 mm,其中导体半径为 r=0.5 mm,绝缘层壁厚Δ r=0.5 mm,线束长度为 L=2 m(电小尺寸),其结构如图1所示。从其中选取导线1为发射线,导线2为受扰线,发射线激励电压 VS=1 V,源阻抗及终端阻抗分为高阻抗和低阻抗两种情况,分别为 RS= RL= RNE= RFE=50 Ω和 RS= RL= RNE= RFE=1 kΩ,因线束导线为电小尺寸、无耗弱耦合,可用如图2的三导体传输线串扰等效电路模型表示,其他导线的终端阻抗均设为50 Ω。
由于假设导线无耗弱耦合,导致导线产生串扰的主要分布参数为单位长度的互电感和互电容[ 6, 7],其中单位长度的互电感
由于绝缘层的存在使导体周围介质不均匀,从而无法通过重要关系式
本文主要讨论的是线束对地高度和线束内导线相对位置两个因素都发生变化时线束的动态串扰特性,根据上述分析获得了线束内处于不同相对位置的两条导线的单位长度分布参数。此时假设线束对地高度变量的概率密度函数符合高斯分布[ 8, 9],线束对地高度模型如图3所示。图4为随机产生的一组符合高斯分布的线束对地高度变量概率密度分布示意图,在本文动态串扰的计算模型中,线束对地高度变量可根据实际情况选取合适的均值和方差来描述符合高斯分布的概率密度函数。
由于线束对地高度的概率密度函数可以根据实际情况进行确定,所以根据近端串扰的表达式[ 10]:
可推导出不同线束对地高度下的串扰统计特性。其中,
在实际汽车线束内发射线与受扰线的相对位置是沿着线束的长度方向具有不确定性的,因此为表现出这一实际特点,将线束划分为
每段线束内导线的分布参数
将式(4)代入式(3)中得:
式中:
从式(5)中可以看出,在 NS被合适选取的情况下,导线在某一对地高度下的近端串扰值与角频率、负载阻抗和分段长度及该段内单位长度的互电感、互电容相关,其中每一段内的单位互电感和互电容具有一定相关性,应对应进行选取。将式(6)(7)代入式(5)中得:
那么近端串扰的均值和方差可表示为:
式(9)中的
分别对
将式(14)(15)(16)代入式(12)(13)得:
从式(17)(18)中可以看出,需要通过式(19)(20)计算获得
式中:
由式(6)可知:
将式(14)(15)(19)(20)(21)代入到式(10)(11)可得线束某一对地高度下近端串扰的均值和方差为:
利用式(22)(23),结合线束对地高度变量的概率分布,同时考虑汽车线束对地高度和导线相对位置两个变量,导线间的近端串扰值表达式为:
式中:
两个因素同时考虑时的串扰值方差可表示为:
某一固定对地高度下线束串扰的方差为:
将式(28)代入式(26)可得:
故式(25)可写成:
至此,同时考虑线束对地高度和导线相对位置两个变量的线束近端串扰统计特性参数
利用上述获得的线束近端动态串扰统计特性参数计算如图1所示的线束模型,其中令线束对地高度变量的概率密度函数是 μ=200 mm、 σ=100 mm的高斯分布,为了保证对动态串扰最差情况预测的合理性,选择置信水平为80%,此时所预测的线束动态串扰值80%都落入以均值
本算法应用到线束动态串扰预测的过程中具有相当高的灵活性,根据汽车内线束的真实情况,可通过调整线束对地高度的高斯分布概率密度函数和线束所分段数
在汽车运动和线束安装的过程中,线束内的导线相对位置和对地高度具有随机变化的特性,本文利用镜像法获得了具有绝缘层线束导线的单位分布参数,利用动态线束在低频下的统计特性获得了合理的最差情况近端串扰模型,通过与273次RDSI算法的仿真结果进行对比可知,在置信水平为80%的情况下,其在低频范围内的串扰值基本吻合,验证了模型的合理性和可靠性。同时,本文通过对实际的汽车线束建模,分析了该线束在不同的负载、线束对地高度分布及线束所分段数等情况下的近端动态串扰情况,说明了该模型的灵活性,能够结合汽车中线束的实际情况对相关参数进行调整,实现汽车线束动态串扰进行合理的快速预测。
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|