最低阻抗路径

作者:Bernardo Nogueira Giarola,EMC产品分析师; Gabriel Alexandre TerraAlmeidaThiago Lucas de Oliveira,巴西Betim菲亚特-克莱斯勒汽车公司实习生以及Juliano Fujioka Mologni,巴西圣保罗ESSS公司技术顾问

当闪电击中汽车时,金属车架提供了一条阻抗最低的接地路径,从而避免车上乘客受到伤害。但是闪电可能会流经车架或者车辆的电气系统,这有可能破坏敏感元件、甚至融化焊点。随着车内电子器件不断增多,闪电防护功能变得前所未有的重要。在ANSYS南美渠道合作伙伴ESSS的支持下,菲亚特-克莱斯勒汽车公司采用ANSYS电磁场仿真软件模拟了雷击场景,并预测雷击对车载电子装置造成的影响,以便在未来的汽车设计中提高电子装置的防损害能力。

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auto lightning strike simulation

“工程师采用ANSYS Maxwell计算了雷电击中车辆不同部位的几率。”

目前,汽车倚赖电子系统保障其安全性、可靠性,甚至功能性。电子系统一旦发生损伤,不但会造成使用不便,有时甚至会带来危险。全球的雷击事件大约有70%都发生在热带地区,因为这些地区更容易形成可产生雷暴的云层。巴西菲亚特-克莱斯勒汽车公司(FCA)尤为关注汽车的雷电防护功能,因为巴西是全球最大的热带国家,数据显示巴西每年大约会发生8,000万起雷击事件。而测试雷击下车辆性能的成本高昂,因为工程师除了要租赁专用测试设施,还需创建可能在测试中损毁的原型。因此FCA和ESSS的工程师开展合作,针对典型雷击对菲亚特Mobi城市车的影响进行仿真,该项目并非标准汽车研发过程的环节。

Fiat Chrysler Mobi

雷电与汽车

大多数雷电都是由于云层底部的大量负电荷和地面正电荷之间的放电产生的。当云层底部聚集了足够多的负电荷,被称为梯级先导的负电荷流就会冲向地面,地面上的正电荷受到梯级先导的吸引,会向上流动。当上下的先导电荷相遇,就会形成明亮的闪电。

闪电一般流过具有高电荷密度的导电结构,如:尖端和尖角,因为它会选择电阻最低的路径。这就解释了为什么避雷针通常做成尖头金属棒,以及为什么汽车天线会经常被雷击。闪电流经车身时会产生感应电场,而电场会在电子控制单元(ECU)的连接线中产生电压与电流,这就有可能损坏一个或多个作为“汽车大脑”的ECU。

雷击在汽车内部产生的电场与车身的几何结构及材料导电性息息相关。如果结构是完美球体,则形成电荷的电子会在其外表面均匀分布,从而相互抵消,最终不会在球体内部产生任何电荷。对于车辆而言,它具有更复杂的几何结构并且各个部件(如:轮胎与挡风玻璃)的导电性各不相同,遭遇雷击时会产生极大的内部电场,而要测定这些电场的工作却十分棘手。

物理测试绝非理想的解决方案,因为在全球只有少数几家机构能够模拟雷击。这些机构的测试费用高达数百万美元,而且还需要打造一款价值数十万美元并且极可能损毁的原型车。

确定闪电潜在的击中目标

首先,FCA和ESSS的工程师采用ANSYS MaxwellANSYS Maxwell静电求解器,计算了闪电击中车辆不同部位的几率。他们在模型顶面设置了100库仑电荷,并在底面设置了0库仑电荷,从而生成覆盖整个求解域的电场。当他们先求解不带车辆的模型时,电荷在整个求解域上是均匀分布的。

然后,工程师添加了菲亚特Mobi汽车的CAD模型,并根据部件供应商提供的数据和公开数据规定所有部件的导电性能。他们在金属部件之间创建了低阻抗连接。他们把更改后的模型添加到求解域中,并且重复进行Maxwell仿真。结果发现,车辆模型会导致电荷分布扭曲,而且在车辆的尖端和突出位置形成了明显的强电场,而闪电击中模型部位的几率与其所带电荷量成正比。FCA和ESSS的工程师成功证实了天线是汽车中最易遭受雷击的部位。

electrostatic simulation
静电仿真:电磁场中车辆各个部分的静电电荷分布。
transient current simulation
瞬态仿真结果:雷击在车辆表面产生的电流。
 

确定雷击的影响

之后,工程师采用ANSYS HFSS创建了闪电击中汽车天线的瞬态电磁场仿真。根据在巴西Morro do Cachimbo Station进行的闪电测量,他们对车辆施加了45kA的峰值放电。此外,他们还创建了从地面返回到云层的低阻抗回路。

从仿真结果可以得到闪电在车辆外部形成的电流和电压,以及电荷流向地面的路径。另外,仿真还显示了电流产生的电场与磁场以及由此在车辆部件(包括线束)产生的感应电流。与预期的一样,在尖端和边缘等几何特征会产生最大电流。然而,为了研究车身的几何结构和导电性对线束电压与电流的影响,工程师还需要开展3D瞬态电磁场仿真。

discharge pulse

根据放电统计数据在瞬态仿真中对车辆施加脉冲。

 

改善车辆设计

由于能够模拟雷击造成的影响,工程师借此研究能够降低车辆损坏程度的改进计划。例如,他们计划研究提高轮胎和挡风玻璃等高电阻部件的导电性能否减弱车辆内部的电场。FCA会尽快对不同导电性的部件进行仿真,然后与供应商一起确定具体的改进措施。另外,工程师还计划研究线束的改进,如:改变绞合电缆每英寸的匝数、采用不同的线束屏蔽方式以及在屏蔽部位和底盘之间安装不同的连接点。

汽车电子装置的雷击防护没有既定标准,不过FCA工程师正积极通过仿真寻找解决方案,降低雷击对汽车电子控制单元、天线和线束造成的影响。仿真使工程师能够准确预测在雷击过程中 线束和车辆其他部件产生的电流,从而评估潜在的设计改进方案,而且花费的时间和费用仅为传统物理测试的一小部分。

simulation antenna lightning

天线是最可能遭受雷击的部位。

 

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