汽车线束寄生参数和串扰预测研究

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随着人们对车辆安全性、舒适性和易操纵性追求的提高,车载电子设备数量增长,复杂性增加,混合动力汽车和电动汽车的发展更加剧了这种趋势。汽车电子设备遍布车身各处,不同电子设备之间通过线束紧密相连。设备的电源线和信号线束沿着车体和车辆底盘密集分布,普通汽车中的线束一般可超过1000根,总长可达2000米。在如此紧密联结情况下,各个设备之间的电磁干扰日趋严重。干扰信号沿着四通八达的汽车线束传导到电子设备,对设备性能产生影响。汽车线束串扰是最重要的传导干扰,它能增长临近导线噪声水平,破坏数据,影响系统的传导发射和辐射发射,使得汽车整体电磁兼容性能强烈下降。在汽车电磁兼容性能设计初期,串扰是首要的预测目标。串扰通过导线寄生参数的电感性耦合、电容性耦合产生,寄生参数是串扰产生的根本原因。导线间寄生参数和串扰与导线在线束内的几何布置情况有关。汽车静态时,线束内导线对地高度和相互间距离不变,为确定性几何布置,寄生参数和串扰为确定性值。汽车运动时,汽车的加速、减速、震动等因素使导线对地高度和相互间距离发生变化,为非确定性几何布置,导线对地高度和导线间相互距离是随机变量,寄生参数和串扰是统计量。全文以线束几何布置为主线,提出针对确定性几何布置的寄生参数和串扰确定性预测模型,针对非确定性几何布置的寄生参数和串扰的统计性预测模型和最好、最差情况预测模型,主要研究内容如下:基于镜像法原理和相关电磁场理论结合电感—电容耦合近似方法,建立非均匀媒质导线寄生参数和串扰确定性解析预测模型。根据电磁学的镜像法原理和相关电磁场理论,推导出非均匀媒质导线寄生参数解析解。方法简单、方便,只要知道导线坐标就能快速预测导线寄生参数。利用基于无损、弱耦合,电小尺寸导线的串扰电感—电容耦合近似方法,快速获得导线的近端、远端串扰。根据汽车线束实际情况,利用寄生参数和串扰的确定性解析模型计算汽车线束寄生参数和串扰,并与EMC Studio电磁仿真软件结果比对,一致性良好。分析影响导线寄生参数和串扰的因素,重点是导线对地高度和相互间距离共同变化情况下,寄生参数和串扰如何变化。在此基础上,找到降低寄生参数和串扰的措施。汽车运动时,线束内导线也随汽车共同运动,导线在线束内的几何布置发生改变,寄生参数和串扰随之改变。根据蒙特卡罗法和基于泰勒级数的解析法,提出寄生参数和串扰的统计性预测模型。模型使用蒙特卡罗法求解线束寄生参数和串扰及其均值和标准偏差,并与基于泰勒级数的解析法相对照。为了更全面地了解导线寄生参数和串扰的统计特性,通过均值、标准偏差,在正态分布的假设下,构建寄生参数和串扰的概率密度函数和概率分布函数。汽车线束内导线几何布置的不确定性使得寄生参数和串扰本质上是随机的,因而统计性模型对于预测汽车线束寄生参数和串扰的动态变化是合适的也是最严格的。汽车运动时,导线几何布置变化范围局限在线束内,导线对地高度和导线间相互距离,在封闭区间内变化。可根据导线在线束内闭区间寄生参数和串扰的端点值建立最好、最差情况模型预测寄生参数和串扰的动态变化。根据寄生参数和串扰公式,当导线对地高度最大,相互间距离最小时,导线寄生参数和串扰取得最大值,这是一种寄生参数和串扰最差情况;当导线对地高度最小,导线间的距离最大时,寄生参数和串扰取得最小值,这是一种寄生参数和串扰最好情况。汽车运动时,导线寄生参数和串扰在最好、最差情况之间变化。在线束内随机选择了40个导线对位置,经过EMCStudio计算,导线在这些位置的寄生参数和串扰值都在最好、最差预测区间内,证明了最好、最差预测解析模型的有效性。最好、最差情况模型方便、简单,能够在缺少完整信息的设计阶段初期,快速预测线束导线寄生参数和串扰,保证问题不被漏掉。最好、最差情况法虽然能快速预测寄生参数和串扰的动态变化,但是其用极端值估计一般值有高估和低估的风险。为了提高预测精度,基于得到的寄生参数和串扰的均值和标准偏差,在一定置信水平下,实现了对寄生参数和串扰最好、最差情况预测模型的改进。根据汽车线束的实际情况设定80%置信水平,对寄生参数和串扰的均值进行区间估计,得到置信区间。用置信区间代替最好、最差情况预测区间,能够有效缩短预测区间长度,提高预测精度。
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