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汽车电控单元电磁脉冲防护研究

汽车电控单元电磁脉冲防护研究

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作者：季桢杰南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着汽车数字化和智能化水平不断提高,汽车内部电子设备使用数量不断增加,如果电控单元受到电磁脉冲(EMP)的干扰或损坏,可能严重威胁汽车安全行驶和乘车人员生命安全,因此针对汽车电控单元开展相应的电磁脉冲防护研究,不仅具有重要的学... 详细信息

随着汽车数字化和智能化水平不断提高,汽车内部电子设备使用数量不断增加,如果电控单元受到电磁脉冲(EMP)的干扰或损坏,可能严重威胁汽车安全行驶和乘车人员生命安全,因此针对汽车电控单元开展相应的电磁脉冲防护研究,不仅具有重要的学术价值,而且对汽车运行可靠性的提高具有重要的意义。本文主要从电磁脉冲作用下的线束耦合机理、电源模块EMP效应、EMP滤波电路设计和冗余优化分配四个方面进行了研究。选用了上升沿时间为2.5±0.5 ns,半宽为100 ns,峰值电压为50 k V/m的双指数波形作为电磁脉冲源,以连接电控单元电源模块的双导线作为研究对象,利用辐射耦合下双导线的Agrawal模型,计算得到了EMP辐照耦合进入双导线终端电压和电流特性,最大耦合电压幅值可以达到1.2k V,最大耦合电流幅值可以达到25 A。同时通过傅里叶变换发现能量主要集中在10 MHz频带范围内,线束耦合进入电控单元的高电压和大电流严重威胁电控单元正常工作。根据仿真,对后续开展电磁脉冲试验研究具有指导作用。利用EMP辐射场等效注入的方法针对ECU内部的反激式开关电源控制模块进行了注入试验,反激式开关电源控制模块可以实现将输入电压DC24 V转换成+5 V MCU工作电压和±15 V执行器工作电压的三通道输出电路。试验过程中对高压脉冲源的注入位置、电源模块的是否上电和有无稳压单元进行了试验研究,得到了反激式开关电源控制模块在不同状态下的损伤阈值,供电下损伤阈值为4 k V,不供电下损伤阈值为5 k V。参考了GJB151B-2013中CE102规定,搭建了ECU内部的反激式开关电源控制模块的EMP滤波器。在滤波器设计的过程中,考虑了防护器件的瞬态特性。针对线束的耦合特性,在稳态滤波电路设计方面考虑了差模和共模干扰情况。试验的过程中,对设计的EMP滤波器进行电磁脉冲差模注入试验,结果表明所设计的滤波器能够对1 k V以下的电磁脉冲干扰高电压完全滤除,对高于1 k V的电磁脉冲信号能起到较好滤波效果。最后根据滤波器中的寄生参数,搭建了EMP高频差模滤波等效仿真电路并进行了仿真,仿真结果与试验结果具有较好的一致性,给出了高频的差模电路插入损耗仿真曲线。针对控制单元中的冗余分配问题,提出了量子混沌自适应粒子群优化算法和热温备份混合策略。将电控单元简化成串并联系统,根据电磁脉冲下出现共因失效的情况,结合β因子,建立了电控单元在电磁脉冲下的最高可靠度目标函数,约束条件为Markov模型的冗余数目。利用量子混沌自适应粒子群优化算法对获取电控单元在电磁脉冲下的最大可靠度进行优化,仿真结果表明,混合策略和优化算法提高了计算效率和冗余分配的精确度,对电控单元在EMP下冗余加固提供了参考依据。

关键词：汽车电控单元电磁脉冲防护电源损伤效应 EMP滤波器冗余优化分配

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