电动汽车高速连接系统屏蔽效能研究

作     者：文亚洲 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李旭

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：电动汽车 射频同轴线缆 高速连接器 转移阻抗 屏蔽衰减 

摘      要：高速连接系统由射频线缆和高速连接器组成,是电动汽车通信系统的重要组成部分,主要用于高速数据传输。与传统燃油车的通信系统相比,电动汽车的高速连接系统工作在高电压、大电流的车载环境中,容易受到更强的电磁干扰,需要具备更好的电磁兼容性能。因此,测试评估及优化设计高速连接系统的电磁兼容性能是高速信号能否安全可靠地传输的关键。屏蔽效能是描述高速连接系统电磁兼容性能的重要参数之一。目前对高速连接系统屏蔽效能的研究还存在一些不足的地方。首先,在测试评估方面,高速连接系统的屏蔽效能测试主要针对射频线缆,针对高速连接器和线缆组件的测试记录比较少。其次,在优化设计方面,线缆和连接器的屏蔽效能仿真主要采用电路解析模型,只能计算低频段的转移阻抗,难以精确地计算高频段的屏蔽衰减。针对上述问题,以高速连接系统中的FAKRA(Fachkreis Automobil)线缆组件为研究对象,开展了基于三同轴测试法的屏蔽效能测试研究,建立了基于二端口数值分析法的射频线缆屏蔽效能仿真分析模型,还建立了基于实际压接工况的FAKRA连接器辐射发射预测与屏蔽效能仿真分析模型。主要研究内容如下: 1、研究了金属全屏蔽和编织屏蔽的屏蔽机理和屏蔽参数。基于电磁屏蔽基础理论,分析了不同屏蔽类型的屏蔽机理。基于耦合传输线理论,在场线耦合模型中引入三同轴设置将场线耦合问题转换为传输线耦合问题,分析了耦合传递函数与截止频率、截止长度和屏蔽参数的关系。 2、基于三同轴法和三同轴“管中管法,开展了FAKRA线缆组件屏蔽效能的测试研究,分析了影响FAKRA线缆组件屏蔽效能的关键因素。详细介绍了三同轴法和三同轴“管中管法的测试原理和测试流程,并采用这两种测试方法测试分析了线缆编织层、连接器与线缆端接、连接器与连接器互配对屏蔽效能的影响。 3、基于数值分析法,建立了射频线缆和FAKRA连接器的屏蔽效能仿真模型。1)基于三同轴测试原理和测试设备,建立了一套二端口数值计算仿真模型,验证了该模型能够仿真线缆在30MHz内的转移阻抗和超过3GHz的屏蔽衰减。2)基于连接器实际压接过程,对压接区的特性阻抗进行补偿设计,建立了一套FAKRA Inline连接器仿真模型,验证了该模型能够实际模拟电磁波在连接器中的传播。 4、基于测试数据与仿真结论,优化设计了FAKRA线缆组件的屏蔽效能。对于线缆与连接器尺寸失配而导致屏蔽效能大幅降低的问题,将屏蔽壳尾端内径调整至3.4mm,保留了0.1mm的压接余量,且增加了0.1mm的屏蔽厚度。对于线缆与连接器压接处受力不均匀而导致的阻抗突变不均匀问题,统一了压接区与连接器尾端的外径尺寸。对于连接器插接区域的电磁泄露问题,设计了点压孔,延长了插接区。通过测试对比验证了优化设计方案的有效性。 基于高速连接系统的电磁屏蔽特性分析,得到了30k Hz-6GHz频段内的屏蔽效能测试数据,建立了射频线缆和FAKRA连接器的屏蔽效能仿真模型,并分别验证了仿真模型的有效性,优化了线缆组件的屏蔽效能。测试数据和仿真方法可为电动汽车射频线缆和FAKRA连接器的选型和结构设计提供一定的指导。