摩托車點火系統(tǒng)傳導騷擾仿真

徐中明，伍小龍，杜明磊，于海興

（1.重慶大學 機械傳動國家重點傳動實驗室，重慶 400030；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400030）

摩托車工業(yè)的迅速發(fā)展給人們的生活帶來了方便，同時也造成了對周邊環(huán)境的電磁騷擾問題。近年來，隨著人們對摩托車EMC問題的重視，相關(guān)的企業(yè)和學者也進行了這方面的研究。研究主要集中在無線電騷擾抑制技術(shù)方面[1-2]，一般采用試驗測試的方法，對比分析抑制措施的抑制效果。但摩托車的電磁騷擾試驗測試需要專業(yè)的測試設備，并配備專業(yè)EMC暗室，因而，花費的成本較高、時間周期較長。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機仿真技術(shù)越來越多地運用于EMC問題的研究中。利用較為成熟的計算算法[3]，能夠在較低成本下有效地對EMC問題進行預測，從而為實際解決EMC問題提供參考。本文基于Saber電路仿真軟件，建立了摩托車點火系統(tǒng)傳導電磁干擾的預測電路模型，通過仿真分析提出能抑制系統(tǒng)傳導電磁干擾的措施。這種仿真計算方法能夠為實際研究摩托車點火系統(tǒng)的電磁騷擾特性提供參考，為摩托車EMC方面的設計提供方向性的指導。

1 傳導電磁干擾模型的建立

按照點火儲能元件的不同，摩托車點火系統(tǒng)主要有CDI和TCI兩種類型[4]。CDI點火系統(tǒng)因其成本低、點火性能好而被廣泛運用。摩托車數(shù)字式CDI點火系統(tǒng)主要由磁電機、傳輸導線、整流二極管、點火控制部分、點火電容、點火線圈、高壓導線、火花塞構(gòu)成。對于摩托車點火系統(tǒng)傳導騷擾的研究，考慮到所涉及的頻率較高（0.15～30 MHz），因此在建立系統(tǒng)各個組成部件等效電路模型時需要考慮其高頻特性[5]。

1.1 整流二極管模型

整流二極管快速導通和截止產(chǎn)生的浪涌電流及尖峰電壓將產(chǎn)生較大的干擾信號，而在多數(shù)主流的電路仿真軟件中，如Pspice和Saber中的二極管模型，都不能很好地反映其正反向恢復特性。根據(jù)二極管正向?qū)ā⒒謴秃头聪蚧謴蜖顟B(tài)下的集總電荷方程[6]和1N4007數(shù)據(jù)手冊，利用MAST語言，建立能較好反映其正反恢復特性的二極管模型，如圖1所示。

1.2 點火線圈模型

摩托車點火線圈（高壓包）主要由初級繞組、次級繞組、鐵芯和骨架等構(gòu)成。

在建立等效電路模型時，需要考慮線圈內(nèi)部繞線與繞線之間、各線餅與線餅之間的分布電容。線圈中每個獨立線餅由R、L、C電路模型等效[7]，線餅與線餅之間通過耦合電容Ctnm和互感Mnm相互聯(lián)系，如圖2所示。

將線餅中每層繞線等效為圓筒狀實體導體，厚度為繞線線徑。利用Maxwell 3D軟件的靜電場分析[8]，由式（1）計算求解第i層繞線與第j層繞線的層間電容Cij。根據(jù)式（2），得到具有N層繞線的線餅自電容Cs。采用式（3）可擬合線餅的自電容與層數(shù)之間的關(guān)系，從而減少計算量。

式中：Ei為第i層導體施加電壓Ui時的電場強度矢量；Dj為第j層導體施加電壓Uj時的電位移矢量值；Ki為擬合系數(shù)，可根據(jù)前幾層計算得到。

在線圈中，繞線上流過的電流基本相同，故將各線餅等效為實體導體，導體上激勵電流等效為繞線電流與匝數(shù)的乘積，根據(jù)能量法[8]進行有限元計算即可得到各個線餅的等效自電感以及線餅之間的互感。

線圈各個線餅的等效電阻可直接參考電阻計算式（4）進行計算。

式中：R為等效電阻；ρ為繞線線電阻率；l為繞線長度；S為繞線截面面積。

1.3 火花塞模型

在點火放電過程中，火花塞分布電容放電引起的電壓和電流突變會產(chǎn)生很大的騷擾信號。結(jié)合火花塞結(jié)構(gòu)及其放電特性建立等效電路模型如圖3所示。其中R為火花塞內(nèi)置電阻；電容參數(shù)Cq、Cr、Cp、Cd分別為前端中心電極、內(nèi)置電阻、后端中心電極與殼體之間電容、電阻分流電容，可通過1.2節(jié)中相同有限元法計算得到。在Saber電路仿真軟件中有專用模塊可模擬點火間隙等效可變電阻rg。

1.4 其它部件模型

在摩托車點火系統(tǒng)工作時，電源由磁電機提供，可由正弦電壓源等效；人工電源網(wǎng)絡（LISN）采用其標準電路模型；點火電容由普通電容元件高頻模型等效；點火系統(tǒng)控制部分可由脈沖電壓信號控制晶閘管實現(xiàn)；連接線由電阻串聯(lián)電感描述。

1.5 點火系統(tǒng)等效電路模型的建立

在以上點火系統(tǒng)各個部件等效電路模型建立的基礎(chǔ)上，在Saber電路仿真軟件中，根據(jù)摩托車點火系統(tǒng)實際電路將所建各部件等效電路進行連接，最終構(gòu)建成系統(tǒng)的仿真電路模型。

2 結(jié)果分析

為了驗證所建立等效模型的有效性，搭建了摩托車點火系統(tǒng)傳導測試試驗系統(tǒng)，如圖 4所示。采用DSO3102A帶寬為100 MHz的示波器分別對火花塞上B點電壓和LISN上A點電壓進行測試記錄。

設置晶閘管導通頻率為30 Hz。得到B點測試與仿真電壓時域曲線、A點EMI電壓的頻域曲線分別，如圖5和圖6所示。

如圖5所示，當磁電機向點火電容充電時，由于點火線圈的互感作用，火花塞兩端產(chǎn)生震蕩電壓，并隨電路中阻抗呈衰減趨勢。點火電容完成充電后，控制信號使晶閘管導通，點火電容瞬間放電，由于線圈的互感作用，將在次級電路中產(chǎn)生瞬間高壓（可達11 000 V），擊穿火花塞。持續(xù)電弧放電一段時間后火花塞恢復到截止狀態(tài)，此時由于電路中電感、電容、電阻的相互作用，火花塞兩端產(chǎn)生震蕩電壓，經(jīng)過3～5個波形后電壓衰減至0。

從仿真結(jié)果來看，所建模型在時域上能較好地描述火花塞間隙被擊穿以及火花放電階段的特性。在0.15～30 MHz頻域范圍內(nèi)LISN上EMI電壓頻譜與測量值也基本吻合（圖6），說明所建立的等效電路模型能夠較好地預測點火系統(tǒng)傳導干擾。

3 傳導電磁干擾抑制

3.1 傳導干擾耦合機理

在點火線圈中，初級繞組與次級繞組最里層之間的寄生電容最大，為火花放電干擾源[9]產(chǎn)生的騷擾信號提供了線路間的耦合路徑。點火線圈初級繞組為一層，為m匝；次級繞組有K層，每層n匝，對點火線圈模型進行適當簡化。初級繞組與次級繞組之間的感應電動勢，可以認為是僅初級繞組有感應電動勢和次級繞組電動勢為0，及僅次級繞組有感應電動勢和初級繞組電動勢為0，這兩種情況的疊加[10]。

僅初級繞組有感應電動勢和次級繞組電動勢為0的情況如圖7所示。此時，點火線圈初級與次級繞組等效電路模型如圖7（b）所示，初級側(cè)流向次級的共模電流為式中：ep為每匝初級繞組的感應電動勢；Cpj（j=1,2,3,…,m）為一匝初級與最里層次級繞組間的寄生電容；Zs為次級繞阻的等效阻抗。

在僅次級繞組有感應電動勢和初級繞組電動勢為0的情況下（圖8），初級繞組與次級繞組等效電路模型如圖8（b）所示。

此時由次級流向初級側(cè)的共模電流為

式中：es為每匝次級繞組的感應電動勢；Csj（j=1,2,3,…,n）為一匝次級繞組最里層與初級繞組間的寄生電容；Zp為初級繞阻的等效阻抗。

根據(jù)疊加原理，可得在初級繞組與次級繞組最里層間流動的共模電流it。

正是初級繞組與次級繞組間的寄生電容為共模干擾電流在初級電路與次級電路之間的傳導提供了耦合路徑。為了改變共模干擾電流在線圈初級繞組與次級繞組之間的耦合路徑，在初級繞組與最里層次級繞組間添加圓柱形金屬屏蔽層[11]，并將屏蔽層接地。此時線圈內(nèi)部的寄生電容主要分布在初級繞組與屏蔽層和次級繞組最里層與屏蔽層之間，分別為Cpfm和Csfn，如圖9（a）所示。初級繞組與金屬屏蔽層之間的共模電流i1’、次級繞組最里層與金屬屏蔽層之間的共模電流i2’將通過金屬屏蔽層流向地，從而在一定程度上減少了初級繞組與次級繞組之間耦合的共模電流，達到減小系統(tǒng)中傳導騷擾的效果。

3.2 抑制措施結(jié)果

如圖9（b）所示，在點火線圈三維模型中，初級繞組與次級繞組間添加金屬層，材料為銅，厚度0.08 mm。利用Maxwell 3D軟件，計算初級繞組與屏蔽層耦合電容Cpfm、次級繞組與屏蔽層耦合電容Csfn、初級繞組與次級繞組之間的耦合電容Ctnm。將這些電容參數(shù)重新導入到已建立的電路模型中，仿真得到結(jié)果如圖10和圖11所示。

從圖11仿真結(jié)果來看，點火線圈添加屏蔽后，在0.15～1 MHz較低頻段對系統(tǒng)傳導干擾抑制效果不明顯；在1～30 MHz頻段內(nèi)，隨著頻率的增大，屏蔽取得的抑制效果也就越好，最大可達到10 dBuV。同時，干擾電壓的振幅也有所減小，特別在2～10 MHz頻段內(nèi)?？傮w上來講，點火線圈屏蔽能對系統(tǒng)傳導干擾取得良好的抑制效果。

屏蔽層的添加會改變兩級間原有的寄生電容分布，影響兩級間能量的傳輸。圖10（a）表明，點火線圈添加屏蔽層后，系統(tǒng)點火電壓減小約為0.8 kV；火花放電時間比線圈未加屏蔽提前了0.15 ms；火花放電結(jié)束后，火花塞兩端的震蕩電壓相對線圈未加屏蔽時減弱。由圖10（b）可知，點火線圈加屏蔽后，火花塞點火能量減小約0.3 mJ。添加屏蔽層引起點火電壓、火花放電電流、火花塞點火能量變化量都相對較小，不足以影響整個點火系統(tǒng)的正常工作。因此，對點火線圈進行屏蔽能夠運用于抑制系統(tǒng)的傳導干擾。

4 結(jié)論

本文為了實現(xiàn)對摩托車點火系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導電磁干擾的計算機仿真研究，建立了可用于預測傳導干擾的電路仿真模型并在此基礎(chǔ)上仿真分析了傳導干擾抑制措施，得到以下結(jié)論。

（1）通過分別建立摩托車點火系統(tǒng)各個部件的等效電路模型搭建系統(tǒng)的傳導干擾的仿真模型的方法是可行的。在這種方法中可以利用相關(guān)的電磁仿真計算軟件，在不完全依賴試驗測試的情況下計算獲得仿真模型的所需參數(shù)。

（2）對比仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)可知，所建立的等效電路模型能較好地反映點火系統(tǒng)火花塞擊穿到電弧放電結(jié)束階段的點火特性。若需獲得更為精確的模型，在建立各個元件等效電路模型時還要考慮更多的雜散參數(shù)。

（3）點火線圈內(nèi)部的寄生電容會給火花塞放電時產(chǎn)生的高頻噪聲信號提供耦合路徑，從而對系統(tǒng)電路中的敏感元件產(chǎn)生干擾。因此，通過對線圈初級繞組與次級繞組之間添加接地金屬屏蔽材料可以改變干擾信號的耦合路徑，達到對干擾的有效抑制。而且這種方法對系統(tǒng)的點火性能影響有限，能夠保證點火系統(tǒng)正常工作。

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