汽车点火系统电磁干扰的仿真与实验研究

论文摘要

汽车内的干扰电磁场,主要来自发动机点火系统、发电机系统以及电动机和各种继电器触点的开闭等,而其中最强的电磁干扰源是点火系统。一方面,由于点火系统工作过程中所产生的电磁干扰的强度高,频率范围广。另一方面,随着汽车电子技术的不断发展,车载电子设备的不断增多,工作电平不断降低。这使得点火系统对车载设备的电磁危害大幅增加。所以,对汽车点火系统的电磁兼容性进行研究就具有极为重要的理论意义和工程价值。本论文在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”(NO. CSTC, 2006BA6015)的支持下,重点对汽车点火系统在工作过程中形成的电磁干扰进行了仿真和实验研究。主要内容如下:①基于“场—路”结合法对点火系统的传导电磁骚扰进行了仿真研究。根据点火系统各组件的电磁特性建立其等效电路模型,并运用电磁场数值法对各组件的物理模型进行计算以获得其等效电路模型所需的电参数。在此基础之上,联立各组件的等效电路模型构成了点火系统传导电磁骚扰的仿真模型。仿真和实验结果的对比,验证了方法的正确性。②基于FDTD法对点火系统的辐射电磁骚扰进行了仿真研究。以初级线缆和次级高压导线上的瞬变电压所形成的辐射电磁场为主要干扰源,通过建立适于电磁仿真的发动机点火系统和汽车整车的三维CAD实体模型,运用FDTD法对台架上点火系统的辐射电磁场,以及点火系统引起的整车辐射电磁场进行了仿真计算。仿真和实验结果的比较,证明了方法的正确性。③建立了点火系统与车内设备互连线缆间串扰问题的简化模型,提出了运用人工神经网络对串扰模型进行预测的方法。选择对串扰响应有影响的电磁骚扰参数作为输入预测因子,用基于误差反向传播的BP网络构造输入预测因子与串扰响应输出之间的映射关系,用电磁场数值法计算获得的训练样本集对构造好的BP网络进行训练,以获得串扰的BP预测模型。将串扰的BP预测结果和测试样本进行了比较,表明了该方法的有效性。并提出了相应的布线原则以抑制车内设备线缆间的串扰。④研究了汽车点火系统的辐射电磁场通过孔缝和线缆耦合对车内设备形成干扰的仿真方法。首先,运用孔缝衍射、场对线激励和含分布源传输线理论,获得了辐射场通过孔缝耦合形成对设备干扰的数学预测模型。然后,提出了一种求解辐射场通过场线耦合形成对设备干扰的等效替代模型。最后,仿真分析了辐射场的入射角度、设备孔缝的大小及连接线缆的长度对耦合干扰电压的影响。⑤对汽车点火系统电磁骚扰的抑制措施进行了理论分析,并针对部分抑制措施进行了实验测试。理论分析和测试结果表明,采用电阻型火花塞、线绕电阻型高压导线、加铁氧体及采用滤波可以有效降低点火系统的电磁骚扰。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 汽车电磁兼容的基本概念
• 1.1.2 汽车电磁兼容技术的内涵
• 1.1.3 汽车电磁干扰的耦合路径
• 1.1.4 汽车电磁兼容研究的意义
• 1.2 汽车电磁兼容的研究现状
• 1.2.1 汽车电磁兼容的研究内容和方法
• 1.2.2 国外汽车电磁兼容的研究状况
• 1.2.3 国内汽车电磁兼容的研究状况
• 1.3 论文的主要研究工作
• 1.4 论文的章节和结构
• 2 汽车点火系统电磁干扰的形成机理
• 2.1 点火系统的组成及工作原理
• 2.1.1 传统分电器式点火系统
• 2.1.2 无分电器式电子点火系统
• 2.1.3 点火系统工作原理
• 2.1.4 汽油发动机对点火系统的要求
• 2.2 初级电路电磁干扰的形成机理
• 2.3 次级电路电磁干扰的形成机理
• 2.4 本章小结
• 3 汽车点火系统传导电磁骚扰的仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 点火组件的物理模型
• 3.2.1 点火线圈
• 3.2.2 火花塞
• 3.2.3 高压导线
• 3.3 点火组件的等效电路模型
• 3.3.1 点火线圈的电路模型
• 3.3.2 火花塞的电路模型
• 3.3.3 高压导线的电路模型
• 3.3.4 初级线缆的电路模型
• 3.4 仿真模拟和实验测试
• 3.4.1 各点火组件阻抗特性的仿真
• 3.4.2 点火系统传导骚扰的仿真与实验
• 3.5 本章小结
• 4 汽车点火系统辐射电磁骚扰的仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 干扰源的模拟及施加方法
• 4.2.1 FDTD 算法基本理论
• 4.2.2 FDTD 中电阻的处理
• 4.2.3 激励电压的模拟及施加
• 4.3 汽车点火系统及整车的实体建模
• 4.4 仿真模拟和实验测试
• 4.4.1 台架上点火系统的辐射电磁场
• 4.4.2 点火系统引起的整车辐射电磁场
• 4.6 本章小结
• 5 汽车点火系统与车内设备互连线缆间串扰问题的研究
• 5.1 引言
• 5.2 互连线缆串扰模型的建立
• 5.2.1 点火系统电缆与车内设备线缆间的串扰模型
• 5.2.2 车内线缆串扰的神经网络模型
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 互连线缆参数对串扰的影响
• 5.3.2 车内线缆串扰的神经网络预测
• 5.4 抑制线缆间串扰的布线原则
• 5.5 本章小结
• 6 汽车点火系统对车内设备辐射干扰的仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 辐射场通过孔缝对车内设备的干扰
• 6.2.1 穿过孔缝的泄漏电磁场
• 6.2.2 泄漏电磁场沿电路的分布
• 6.2.3 泄漏场在电路上的耦合干扰
• 6.3 辐射场通过线缆对车设备的干扰
• 6.3.1 设备外接线缆的等效模型
• 6.3.2 辐射场激励下线缆的传输线方程
• 6.4 仿真结果与分析
• 6.4.1 设备内电路对孔缝泄漏场的耦合响应
• 6.4.2 辐射场通过线缆对设备的耦合干扰
• 6.5 本章小结
• 7 汽车点火系统电磁骚扰的抑制措施研究
• 7.1 引言
• 7.2 电磁骚扰抑制措施的理论分析
• 7.2.1 火花塞对电磁骚扰的影响
• 7.2.2 高压导线对电磁骚扰的影响
• 7.2.3 其它抑制措施对电磁骚扰的影响
• 7.3 抑制措施的实验研究
• 7.4 本章小结
• 8 论文总结
• 8.1 论文的主要工作及成果
• 8.2 需进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况