车载电动机瞬态脉冲“场-线”耦合效应预测仿真与实验设计

汶 涛， 秦红波， 白小平， 张 超， 诸文智， 明正峰

（西安电子科技大学机电工程学院，西安 710071）

0 引 言

快速发展的电子信息技术正引领传统汽车制造领域的新一轮革命，电动化、网联化、智能化等成为未来交通模式的标签，高度电气电子化的新一代汽车将大幅度提升驾乘体验［1-4］。各类车载电气电子设备的大量应用毫无疑问成为汽车的电磁干扰源，这些设备通过线束进行互连并分布在车内的有限空间，以致连接线束的布局过于集中，相互耦合产生的串扰极易导致受扰设备功能出现异常。较常的见问题如：ABS系统错误启动，使导航仪、倒车雷达、行车电脑出现死机现象［1-6］。汽车电气电子设备电磁兼容设计是在整车设计完成后按国家标准进行测试，一旦不能通过就要面临修改设计并再次测试，如此反复导致项目整体的延后，增加了设计成本。利用虚拟仿真手段辅助产品设计的模式已经在各大科研院所及企业中得到了全面的应用与推广，培养学生的仿真能力也是适应社会对从业技术人员专业能力精细化的需求［1-4，7］。

为更好地实现产教协同，对如何将电磁兼容预测虚拟仿真技术融入本科电工电气类专业实验教学进行了初步探索［8-10］。由于涉及的基础学科广且贴近工程实际，电磁兼容学科的理论性和实践性均较强。电磁兼容相关测试对实验环境要求苛刻，配套的实验测试设备价格昂贵，导致日常教学中很难开展此类实验。得益于快速发展的计算机仿真技术，在仿真软件环境中可以模拟实验过程，计算并提取分布参数。虚拟仿真可为学生提供直观、形象的学习场景，使学生对电磁兼容技术的概念与意义有更深入的理解和认识［11-13］。

车载电动机瞬态脉冲“场-线”耦合效应预测虚拟仿真，采用理论分析和电磁仿真相结合，力求使学生了解车载电子设备电磁噪声的起因、表现及抑制等电磁兼容设计的基础知识，满足现代汽车电子行业发展对应用型技术人才的需求。希望本文的工作能为学生创新思维培育、高校“新工科”建设等提供借鉴［14-16］。

1 车载电动机线束“场-线”耦合效应基本理论

1.1 车载电动机线束串扰产生机理

研究汽车中多种电气电子设备可靠工作同时不对外部环境产生干扰称之为电磁兼容理论，这已成为车载电气电子系统设计的重要研究方向，随着市场需求和科技进步逐步成为新的技术门类，主旨是确保汽车在正常工作中车载电气电子设备既不发射超过允许限值范围的电磁干扰，又能有效抵抗其他设备电磁干扰对自身的影响。

汽车上很多日常操作如门锁开关、雨刮器运动、天窗启闭等，都是通过电动机来驱动执行的。由于人为操作的不确定性，电动机在工作中会发生频繁启停动作，由此产生的脉冲干扰会沿着电动机电源的连接线和地线传播。由于电动机壳体安装紧密，其内部的电磁辐射很难穿过金属外壳。可以认为电动机对外的电磁干扰主要是通过供电线束向外传播的。线束连接各子系统，执行能量传输、信号传递交互等任务，如果线束受到严重干扰，耦合进线束的能量将作用到连接设备上，使其可能面临无法正常工作的危险。

考虑到后期便于维修并兼顾集成化设计和美观要求，车载电气电子设备的线束常以集中捆扎的形式进行布置，这就给不同线束相互耦合创造了条件，临近线束的电磁耦合，属于近场耦合问题。在车辆使用过程中，车载电动机的频繁启停工作模态极易导致供电线束产生干扰（如引起电压纹波增加，产生高次谐波），并通过串扰形式耦合到临近线束，导致相关设备性能下降或功能异常。车载线束串扰由于具有不确定的电磁兼容风险，可能会严重影响整车的自动控制、无线通信、安全保障等各项关系到行驶安全的性能指标。

1.2 车载电动机线束“场-线”耦合模型

车载电动机线束“场-线”耦合效应预测仿真，选择雨刮电动机进行分析。目前汽车使用的主流雨刮电动机大多采用成熟、稳定、易于控制的永磁式直流有刷电动机，由于雨刮电动机特殊的工作模式，在开启和关闭的瞬间电刷的换相会引起电流与电压的急剧升高，并沿着电源线和地线向外传播。这里从“场和路”的角度，将电动机线束的串扰分析看作典型的传输线问题，如图1、2所示。

平行传输线方程：

式中：u (t，z)、i (t，z)分别为t时刻在z处的电压和电流值；L0、C0分别为单位长度传输线的电感和电容值。

传输线方程的解

如图3所示为双导线线束“场-线”耦合模型。理论上传输线可离散为一系列电路单元，并由电阻、电容和电感等基本元器件构成的电路进行等效，同时为降低电路分布效应带来的影响，要求等效电路长度必须远远小于传输信号的最小工作波长。干扰信号通过电缆间的分布电容和互感作用通过空间进入敏感设备。在计算车载线束间串扰时，需要综合考虑电容性耦合、电感性耦合的影响，同时线束周围的金属结构也需要考虑在内，以保证得到的计算结果更加接近于实际情况。最终通过提取线束的分布参数，就可求得接收线束上的耦合干扰值。

2 仿真预测模型建立与结果分析

汽车线束“场-线”耦合效应的理论是抽象的，学生对于干扰耦合能量的传输路径很难建立直观的认识。本文利用CST三维电磁场仿真软件，在电缆工作室模块中建立全尺寸三维模型，将抽象的汽车电气电子设备及连接线束形象化地呈现出来，再配合真实条件下的实验仿真结果，非常方便学生观察和分析线束间的“场-线”耦合特性。

2.1 电磁仿真模型构建

在建模过程中，考虑到金属外壳严密包裹的雨刮电动机本身对外只有轻微的电磁辐射，可以忽略不计。建立雨刮电动机线束串扰模型时，仅考虑供电线束的传输线模型即可。仿真模型尺寸为通用型家庭轿车模型，在保证计算速度和精度的前提下，对模型做了适当简化。例如，为易于划分网格将车身简化为平面，忽略轮胎、车窗、座椅和车灯等非金属和金属小部件（对整车电磁辐射影响很小），不计车身缝隙和空洞结构，保留整车的主体金属结构。在CST电磁仿真软件环境下，参照实际车辆中雨刮电动机、连接线束和敏感设备的位置进行模型设计，如图4、5所示。

具体模型参数设置：

（1）雨刮电动机外接电源线为半径为0.895 mm的电力线束，敏感设备的信号线采用半径为0.33 mm的线束。根据线束布局，雨刮器电动机外接电源线与敏感设备信号线共同捆扎在一起，共线长度为500 mm。

（2）考虑到汽车大部分传感器的工作电压是5 V，执行器大部分是12 V。设定12 V直流电源为雨刮器电动机供电，内阻为50 Ω，敏感设备直流电源为5 V，电源内阻50 Ω。敏感设备的阻抗设置为250 Ω。

考虑到雨刮电动机的实际工作模态，仿真条件如下：雨刮电动机在起动瞬间电压最高达到24 V，关断时的瞬态电压最高达到130 V。以最严苛的关断瞬态电压作为干扰源，仿真分析不同共线长度、线束间距情况下敏感设备受到的干扰信号。输入时域脉冲干扰信号如图6所示。

2.2 线束辐射场分布特性分析

为观察汽车前端雨刮电动机供电线束的空间辐射特性，得到空间近场条件下的电场分布，比较不同截面高度的电场分布特性。

由图7可见，雨刮电动机线束空间辐射场主要集中在线束周围，越靠近线束的地方场强越大，在远离线束的区域，电场强度的幅值下降明显，同时空间分布更加均匀，整车前端均处于线束的辐射范围之内。对比不同高度电磁辐射场分布图可知，线束越靠车体上部，其产生的辐射越强，传播范围越广，由此可知汽车前端的电子设备极易受到干扰。因此在汽车设计整体布线时，可选择将电动机的供电线束安装在车体下方，削弱其对整车的电磁辐射，也可将部分易受干扰的设备安装在车体后方。

2.3 线束串扰仿真结果及特性分析

线束串扰的指标之一就是在干扰源线束上出现异常电压脉冲时观测目标设备连接线束的敏感程度。根据传输线理论开展仿真分析，分别讨论线束间距、线束共线长度和线束距地高度等因素对线束间串扰耦合电压的影响规律。

（1）线束共线间距对串扰电压的影响。分析图8中的结果可知，随着线束共线间距增加，耦合电压随距离增加呈现指数下降。这是因为线束间电容随间距增加而下降，同时敏感设备线束所处位置的场强随间距增加也下降，两者共同作用造成串扰呈现指数下降。

（2）线束共线长度对串扰电压的影响。由图9的结果可见，共线长度越长，线束上耦合电压响应越强，这是因为线束共线长度的增加使得线束分布电容线性增加，因此干扰也随之增强。

（3）线束距离地板高度对串扰电压的影响。由图10可知，线束距地板高度对平行线束串扰影响较大，随着距地板高度的增加，接收线束上的串扰耦合电压也近一步增高。

2.4 不同线型的串扰抑制效果分析

通过对耦合路径的更改，可以起到抑制串扰产生的效果。双绞线是用两根按照一定规律互相缠绕导线，这种特殊结构具有降低电磁干扰的能力，作为一种常用传输介质被广泛应用于各种布线工程。采用双绞线代替上述的单线传输线，对抗干扰效果进行仿真分析，在施加同样的时域脉冲信号干扰下，保持和单线时相同的线束间距和共线长度等仿真设置，在敏感设备线束上得到的串扰电压如图11所示。

由图11可以得到以下结论：采用单线模型时的串扰电压峰值为1.83 V，采用双绞线时的串扰电压峰值为0.47 V，干扰幅度下降75%，串扰抑制效果非常明显。由此可见，双绞线对线束串扰抑制作用显著。

3 结 语

随着电磁兼容设计在车载电气电子设备互联中日趋重要的地位，以汽车雨刮电动机为例分析了电动机瞬态脉冲引起的“场-线”耦合效应及作用机理，在CST软件仿真环境下建立基于雨刮电动机实际工作模态下的预测仿真电磁模型，通过对比不同高度截面汽车空间电场云图，得到供电线束电磁辐射近场分布特性，通过控制变量仿真分析，得到了线束间距、线束共线长度、线束距离地板高度等因素对串扰电压的作用规律，对比验证了不同信号传输线的干扰抑制效能。