摩托车点火系统传导骚扰仿真

徐中明，伍小龙，杜明磊，于海兴

（1.重庆大学 机械传动国家重点传动实验室，重庆 400030；2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400030）

摩托车工业的迅速发展给人们的生活带来了方便，同时也造成了对周边环境的电磁骚扰问题。近年来，随着人们对摩托车EMC问题的重视，相关的企业和学者也进行了这方面的研究。研究主要集中在无线电骚扰抑制技术方面[1-2]，一般采用试验测试的方法，对比分析抑制措施的抑制效果。但摩托车的电磁骚扰试验测试需要专业的测试设备，并配备专业EMC暗室，因而，花费的成本较高、时间周期较长。

随着计算机技术的不断发展，计算机仿真技术越来越多地运用于EMC问题的研究中。利用较为成熟的计算算法[3]，能够在较低成本下有效地对EMC问题进行预测，从而为实际解决EMC问题提供参考。本文基于Saber电路仿真软件，建立了摩托车点火系统传导电磁干扰的预测电路模型，通过仿真分析提出能抑制系统传导电磁干扰的措施。这种仿真计算方法能够为实际研究摩托车点火系统的电磁骚扰特性提供参考，为摩托车EMC方面的设计提供方向性的指导。

1 传导电磁干扰模型的建立

按照点火储能元件的不同，摩托车点火系统主要有CDI和TCI两种类型[4]。CDI点火系统因其成本低、点火性能好而被广泛运用。摩托车数字式CDI点火系统主要由磁电机、传输导线、整流二极管、点火控制部分、点火电容、点火线圈、高压导线、火花塞构成。对于摩托车点火系统传导骚扰的研究，考虑到所涉及的频率较高（0.15～30 MHz），因此在建立系统各个组成部件等效电路模型时需要考虑其高频特性[5]。

1.1 整流二极管模型

整流二极管快速导通和截止产生的浪涌电流及尖峰电压将产生较大的干扰信号，而在多数主流的电路仿真软件中，如Pspice和Saber中的二极管模型，都不能很好地反映其正反向恢复特性。根据二极管正向导通、恢复和反向恢复状态下的集总电荷方程[6]和1N4007数据手册，利用MAST语言，建立能较好反映其正反恢复特性的二极管模型，如图1所示。

1.2 点火线圈模型

摩托车点火线圈（高压包）主要由初级绕组、次级绕组、铁芯和骨架等构成。

在建立等效电路模型时，需要考虑线圈内部绕线与绕线之间、各线饼与线饼之间的分布电容。线圈中每个独立线饼由R、L、C电路模型等效[7]，线饼与线饼之间通过耦合电容Ctnm和互感Mnm相互联系，如图2所示。

将线饼中每层绕线等效为圆筒状实体导体，厚度为绕线线径。利用Maxwell 3D软件的静电场分析[8]，由式（1）计算求解第i层绕线与第j层绕线的层间电容Cij。根据式（2），得到具有N层绕线的线饼自电容Cs。采用式（3）可拟合线饼的自电容与层数之间的关系，从而减少计算量。

式中：Ei为第i层导体施加电压Ui时的电场强度矢量；Dj为第j层导体施加电压Uj时的电位移矢量值；Ki为拟合系数，可根据前几层计算得到。

在线圈中，绕线上流过的电流基本相同，故将各线饼等效为实体导体，导体上激励电流等效为绕线电流与匝数的乘积，根据能量法[8]进行有限元计算即可得到各个线饼的等效自电感以及线饼之间的互感。

线圈各个线饼的等效电阻可直接参考电阻计算式（4）进行计算。

式中：R为等效电阻；ρ为绕线线电阻率；l为绕线长度；S为绕线截面面积。

1.3 火花塞模型

在点火放电过程中，火花塞分布电容放电引起的电压和电流突变会产生很大的骚扰信号。结合火花塞结构及其放电特性建立等效电路模型如图3所示。其中R为火花塞内置电阻；电容参数Cq、Cr、Cp、Cd分别为前端中心电极、内置电阻、后端中心电极与壳体之间电容、电阻分流电容，可通过1.2节中相同有限元法计算得到。在Saber电路仿真软件中有专用模块可模拟点火间隙等效可变电阻rg。

1.4 其它部件模型

在摩托车点火系统工作时，电源由磁电机提供，可由正弦电压源等效；人工电源网络（LISN）采用其标准电路模型；点火电容由普通电容元件高频模型等效；点火系统控制部分可由脉冲电压信号控制晶闸管实现；连接线由电阻串联电感描述。

1.5 点火系统等效电路模型的建立

在以上点火系统各个部件等效电路模型建立的基础上，在Saber电路仿真软件中，根据摩托车点火系统实际电路将所建各部件等效电路进行连接，最终构建成系统的仿真电路模型。

2 结果分析

为了验证所建立等效模型的有效性，搭建了摩托车点火系统传导测试试验系统，如图 4所示。采用DSO3102A带宽为100 MHz的示波器分别对火花塞上B点电压和LISN上A点电压进行测试记录。

设置晶闸管导通频率为30 Hz。得到B点测试与仿真电压时域曲线、A点EMI电压的频域曲线分别，如图5和图6所示。

如图5所示，当磁电机向点火电容充电时，由于点火线圈的互感作用，火花塞两端产生震荡电压，并随电路中阻抗呈衰减趋势。点火电容完成充电后，控制信号使晶闸管导通，点火电容瞬间放电，由于线圈的互感作用，将在次级电路中产生瞬间高压（可达11 000 V），击穿火花塞。持续电弧放电一段时间后火花塞恢复到截止状态，此时由于电路中电感、电容、电阻的相互作用，火花塞两端产生震荡电压，经过3～5个波形后电压衰减至0。

从仿真结果来看，所建模型在时域上能较好地描述火花塞间隙被击穿以及火花放电阶段的特性。在0.15～30 MHz频域范围内LISN上EMI电压频谱与测量值也基本吻合（图6），说明所建立的等效电路模型能够较好地预测点火系统传导干扰。

3 传导电磁干扰抑制

3.1 传导干扰耦合机理

在点火线圈中，初级绕组与次级绕组最里层之间的寄生电容最大，为火花放电干扰源[9]产生的骚扰信号提供了线路间的耦合路径。点火线圈初级绕组为一层，为m匝；次级绕组有K层，每层n匝，对点火线圈模型进行适当简化。初级绕组与次级绕组之间的感应电动势，可以认为是仅初级绕组有感应电动势和次级绕组电动势为0，及仅次级绕组有感应电动势和初级绕组电动势为0，这两种情况的叠加[10]。

仅初级绕组有感应电动势和次级绕组电动势为0的情况如图7所示。此时，点火线圈初级与次级绕组等效电路模型如图7（b）所示，初级侧流向次级的共模电流为式中：ep为每匝初级绕组的感应电动势；Cpj（j=1,2,3,…,m）为一匝初级与最里层次级绕组间的寄生电容；Zs为次级绕阻的等效阻抗。

在仅次级绕组有感应电动势和初级绕组电动势为0的情况下（图8），初级绕组与次级绕组等效电路模型如图8（b）所示。

此时由次级流向初级侧的共模电流为

式中：es为每匝次级绕组的感应电动势；Csj（j=1,2,3,…,n）为一匝次级绕组最里层与初级绕组间的寄生电容；Zp为初级绕阻的等效阻抗。

根据叠加原理，可得在初级绕组与次级绕组最里层间流动的共模电流it。

正是初级绕组与次级绕组间的寄生电容为共模干扰电流在初级电路与次级电路之间的传导提供了耦合路径。为了改变共模干扰电流在线圈初级绕组与次级绕组之间的耦合路径，在初级绕组与最里层次级绕组间添加圆柱形金属屏蔽层[11]，并将屏蔽层接地。此时线圈内部的寄生电容主要分布在初级绕组与屏蔽层和次级绕组最里层与屏蔽层之间，分别为Cpfm和Csfn，如图9（a）所示。初级绕组与金属屏蔽层之间的共模电流i1’、次级绕组最里层与金属屏蔽层之间的共模电流i2’将通过金属屏蔽层流向地，从而在一定程度上减少了初级绕组与次级绕组之间耦合的共模电流，达到减小系统中传导骚扰的效果。

3.2 抑制措施结果

如图9（b）所示，在点火线圈三维模型中，初级绕组与次级绕组间添加金属层，材料为铜，厚度0.08 mm。利用Maxwell 3D软件，计算初级绕组与屏蔽层耦合电容Cpfm、次级绕组与屏蔽层耦合电容Csfn、初级绕组与次级绕组之间的耦合电容Ctnm。将这些电容参数重新导入到已建立的电路模型中，仿真得到结果如图10和图11所示。

从图11仿真结果来看，点火线圈添加屏蔽后，在0.15～1 MHz较低频段对系统传导干扰抑制效果不明显；在1～30 MHz频段内，随着频率的增大，屏蔽取得的抑制效果也就越好，最大可达到10 dBuV。同时，干扰电压的振幅也有所减小，特别在2～10 MHz频段内。总体上来讲，点火线圈屏蔽能对系统传导干扰取得良好的抑制效果。

屏蔽层的添加会改变两级间原有的寄生电容分布，影响两级间能量的传输。图10（a）表明，点火线圈添加屏蔽层后，系统点火电压减小约为0.8 kV；火花放电时间比线圈未加屏蔽提前了0.15 ms；火花放电结束后，火花塞两端的震荡电压相对线圈未加屏蔽时减弱。由图10（b）可知，点火线圈加屏蔽后，火花塞点火能量减小约0.3 mJ。添加屏蔽层引起点火电压、火花放电电流、火花塞点火能量变化量都相对较小，不足以影响整个点火系统的正常工作。因此，对点火线圈进行屏蔽能够运用于抑制系统的传导干扰。

4 结论

本文为了实现对摩托车点火系统产生的传导电磁干扰的计算机仿真研究，建立了可用于预测传导干扰的电路仿真模型并在此基础上仿真分析了传导干扰抑制措施，得到以下结论。

（1）通过分别建立摩托车点火系统各个部件的等效电路模型搭建系统的传导干扰的仿真模型的方法是可行的。在这种方法中可以利用相关的电磁仿真计算软件，在不完全依赖试验测试的情况下计算获得仿真模型的所需参数。

（2）对比仿真结果与试验测试数据可知，所建立的等效电路模型能较好地反映点火系统火花塞击穿到电弧放电结束阶段的点火特性。若需获得更为精确的模型，在建立各个元件等效电路模型时还要考虑更多的杂散参数。

（3）点火线圈内部的寄生电容会给火花塞放电时产生的高频噪声信号提供耦合路径，从而对系统电路中的敏感元件产生干扰。因此，通过对线圈初级绕组与次级绕组之间添加接地金属屏蔽材料可以改变干扰信号的耦合路径，达到对干扰的有效抑制。而且这种方法对系统的点火性能影响有限，能够保证点火系统正常工作。

[1]许响林，刘青松，李彬. 摩托车电磁辐射骚扰抑制试验研究[J]. 小型内燃机与摩托车，2008，37(4)：1-3.Xu Xianglin，Liu Qingsong，Li Bing. Testing Study on Suppressing Electromagnetic Radiation Disturbance of Motorcycle[J]. Small Internal Combustion Engine and Motorcycle，2008，37(4)：1-3. (in Chinese)

[2]李家国，张立鹏，杜鹏. 摩托车无线电骚扰研究 [J]. 安全与电磁兼容，2006(3)：60-64.Li Jiaguo，Zhang Lipeng，Du Peng. Study of Electromagnetic Disturbance of Motorcycle[J]. Safety& EMC，2006(3)：60-64. (in Chinese)

[3]李彬，刘青松，许响林. 汽车电磁兼容仿真预测技术探讨[J]. 电子质量，2008(4)：86-89.Li Bing，Liu Qingsong，Xu Xianglin. Study on Simulation of Automotive Electromagnetic Compatibility[J]. Electronics Quality，2008(4)：86-89. (in Chinese)

[4]Li Binglin，Wei Minxiang. Study on Adaptive Ignition Energy System of Two-Stroke Spark Ignition Engine[C].Energy and Environment Technology，ICEET '09.International Conference. USA：IEEE Computer Society，2009：337-340.

[5]Deng Qianfeng，Li Yongming. Simulation Research of EMI on Automotive Ignition System[C]. Automation Congress，2008.WAC 2008. USA：IEEE Computer Society，2008：1-4.

[6]易荣，赵争鸣，袁立强. 高压大容量变换器中快恢复二极管的模型[J]. 电工技术学报，2008，23(7)：79-81.Yi Rong，Zhao Zhengming，Yuan Liqiang. Fast Recovery Diode Model for Circuit Simulation of High Voltage High Power Three Level Converters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(7)：79-81. (in Chinese)

[7]STEVENSON R C，PALMA R，YANG C S. Comprehensive Modeling of Automotive Ignition Systems[C]. SAE Paper，2007(1)：1589-1599.

[8]刘国强，赵凌志，蒋继娅. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京：电子工业出版社，2005.Liu Guoqiang，Zhao Lingzhi，Jiang Jiya. Ansoft for Engineering Filed of Electromagnetic by Finite Element Method[M]. Beijing：Press of Electronic Industry，2005.(in Chinese)

[9]李旭，吴存学，何举刚. 汽车发动机点火系统电磁兼容优化技术研究[J]. 汽车技术，2010(5)：22-26.Li Xu，Wu Cunxue，He Jugang. Research on Electromagnetic Compatibility Optimization Technology for Automotive Engine Ignition System[J]. Automobile Technology，2010(5)： 22-26. (in Chinese)

[10]左琛，胡莹，常越. 开关电源中电磁干扰的产生极其抑制[J]. 电力电子技术，2007，41(1)：78-80.Zuo Chen，Hu Ying，Chang Yue. Electromagnetic Interference Induced in Switching Power Supply and Its Suppressing Techniques[J]. Power Electronics，2007，41(1)：78-80. (in Chinese)

[11]刘庆升，汪泉弟，李旭. 屏蔽技术应用于汽车点火系统辐射骚扰抑制的讨论[C]//重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集. 北京：中国学术期刊电子杂志社，2010：205-207.Liu Qingshen，Wang Quandi，Li Xu. Discussion of Shielding Technology Applied in Automobile Ignition System for Radiated Disturbance Suppression[C]. 2010 Chongqing Electrical Engineering Annual Conference.Beijing：China Academic Journal Electronic Publishing House，2010：205-207. (in Chinese)