汽车电磁兼容中线束串扰及其统计特性研究

陶华胜　陈欢

摘要：针对汽车电磁兼容中需要解决的线束串扰预测问题，本文提出了一种能够在低频下完成汽车线束串扰动态预测和统计特性分析的方法。采取该方法，能够确定汽车线束导线的单位长度分布参数，并利用统计学原理完成线束动态串扰的均值和方差的计算，从而完成串扰最差情况的准确预测。通过仿真实验分析可以发现，应用该方法能够完成汽车线束串扰的合理预测，因此具有一定的实用价值。

关键词：汽车；电磁兼容；线束串扰；统计特性

1.引言

现阶段，汽车电磁干扰中最首要的传导干扰就是线束串扰。所以在汽车电磁兼容设计中，还要实现线束串扰的合理预测。而线束串扰与导线在线束中的对地高度和几何位置等因素有关，会因线束捆扎和汽车运动产生变化，进而导致动态串扰的出现。因此，还要采用一定的方法完成汽车线束串扰及其统计特性的合理分析，从而为汽车电磁兼容设计提供科学的参考依据。

2.汽车电磁兼容中线束串扰分析

2.1分析模型

在汽车线束安装的过程中，采用的捆扎方式并不固定。所以在汽车行驶的过程中，受道路工况和汽车状态的影响，线束导线位置将发生改变，从而导致线束导线分布参数和串扰发生变化。在对线束串扰问题进行分析时，将采用标准的汽车线束，其半径为4.5mm，中心对地高度为25mm，长度为2m，包含7条导线，导体半径r为0.5mm，绝缘层材料为聚氯乙烯，材料相对介电常数为3.0，绝缘层厚△r=0.5mm。由于汽车线束对地高度具有不确定性，所以还要利用统计模型完成串扰分析与预测。假设导线无耗弱耦合，下图1为传输线等效电路模型，由干扰线、受扰线和参考地构成。由于线束内拥有较多的导线，并且绝缘层较厚，导线位置变化也较大，所以还要进行单位长度电感矩阵和电容矩阵的求取，以确定线束导线的型号。根据干扰线和受扰线的对地高度h.和h₂以及二者的相对距离d，则能完成矩阵中各元素的确定，从而得知线束导线型号。

2.2分布参数的确定

在确定汽车线束分布参数时，还要利用混沌多项式对干扰线对地高度、受扰线对地高度和二者间的相对距离进行计算。假设这三个参数服从高斯分布，并且为随机独立变量，则h₁和h₂在20.5-29.5mm范围内波动，d在1.2-7.8mm范围内波动。利用汽车线束模型，则能得到h₁=4.5ξ1+25，h₂=4.5ξ2+25，d=3.3ξ3+4.5。

将电感矩阵和电容矩阵展开2阶，则能利用混沌多项式得到矩阵中各元素的值。随着展开阶数的增加，对应的展开项数也会增加口。采用同样的方法，就能完成展开系数的计算。而利用汽车线束导线单位长度电感矩阵和电容矩阵的概率密度，就可以完成导线串扰的准确预测。在实际分析时，需要将Rs、RL、RNE、RFE设为lkΩ，其他导线终端阻抗设为50Ω，发射线激励电压为1v。利用镜像法原理，则能完成单位长度电容的计算，得到下式（1）。

3.导线串扰统计特性分析

使用镜像法进行等效电路模型的单位长度互电容和互电感的获取，由于多数现象服从高斯分布，所以能够假设对地高度概率密度函数服从高斯分布。结合这一条件，可以利用统计学方法进行导线对地高度的获取，从而对地高度发生变化时线束串扰的统计特性进行分析，进而完成导线串扰最差情况的合理预测。

3.1分析方法

在对导线串扰的统计特性进行分析时，还要对频域的串扰统计特性进行分析。具体来讲，就是利用混沌多项式对导线上的电压向量和电流向量进行处理，然后利用其多项式的相关性质完成串扰统计特性的分析。为确定某一特定评论下的串扰概率密度函数，还要将串扰变化范围定义为串扰电压均值的±3倍方差。根據多项式的相关性质可知，汽车线束导线串扰电压的频率在1kHz-300MHz范围内，激励电压源为幅值为1v的电频正弦信号。在对线束串扰的统计特性进行分析时，主要可以对线束对地高度发生变化时的动态串扰特性进行分析。如果假设线束对地高度变量的概率密度函数符合高斯分布，还要根据实际情况完成合适对地高度变量均值和方差的选取，从而进行函数的描述。如下式（2），式中uc/x为线束对地高度概率分布中近端串扰均值，P（x0为线束不同对地高度对应的概率。在对线束串扰统计特性进行分析时，可以利用下式（3）进行特性参数Uc和σc的计算。

利用上述方法对分析模型的线束串扰统计特性计算计算，需要时线束对地高度的概率密度函数服从u=200mm、σ=100mm的高斯分布。为实现动态串扰最差情况的合理预测，还应将置信水平设定为80%，即80%的预测串扰值将在以均值U。为中心的±1.25σ。范围内。而采用RDSI算法进行线束随机性模型的修正，则能更好的体现汽车线束随机分布特点，进而使线束保持良好连续性。通过仿真分析，可以得到不同对地高度模型的近端动态串扰。采用该种算法，能够完成线束动态串扰的灵活预测，从而使汽车内线束的真实情况得到反映。而通过对线束对地高度的概率密度函数进行调整，则能完成真实情况的仿真，进而对汽车线束动态串扰进行可靠预测。如下图2所示，为不同线束对地高度在低阻抗负债下线束动态串扰仿真结果。通过仿真分析可以发现，在汽车线束全长各段实际对地高度与预定高度有较大离散程度的情况下，线束的串扰值将有所提高。因此在进行汽车电磁兼容设计时，还应考虑这一问题。

4.结语

通过分析可以发现，在汽车线束安装的过程中，无法进行线束内导线对地高度的控制。针对这一情况，可以利用镜像法进行导线单位分布参数的确定，然后利用线束的统计特性完成串扰最差情况的预测。从仿真结果来看，采用该种方法能够完成串扰的合理预测，所以能够为汽车电磁兼容设计提供科学参考依据。此外，该种模型也具有一定的灵活性，所以可以结合实际情况完成摸参数的调整，继而通过合理预测线束串扰更好的开展电磁兼容设计工作。