汽車(chē)電磁兼容仿真流程

汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和汽車(chē)市場(chǎng)的激烈競爭極大地促進(jìn)了各類(lèi)電氣、電子和信息設備在汽車(chē)上的廣泛應用，對于今天的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，應用電子技術(shù)的程度已成為提升汽車(chē)技術(shù)水平的重要標志之一。電子設備廣泛應用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制系統、自動(dòng)變速系統、制動(dòng)系統、調節系統以及行駛系統中，對汽車(chē)的安全性、可靠性、舒適性起著(zhù)決定性作用。隨著(zhù)汽車(chē)電氣設備數量和種類(lèi)的不斷增加，工作頻率的不斷提高，汽車(chē)內的電磁環(huán)境日益復雜。同時(shí)，汽車(chē)上的電子設備和器件，特別是半導體邏輯器件對電磁干擾十分敏感，經(jīng)常發(fā)生汽車(chē)內部電子設備相互干擾的情況。當電磁干擾發(fā)生時(shí)，輕則導致受干擾的敏感電子設備功能發(fā)生降級，重則導致其功能失效，給汽車(chē)的安全行駛造成嚴重影響。

1 汽車(chē)電磁兼容體系

根據產(chǎn)品研發(fā)的生命周期，完整的汽車(chē)電磁兼容體系可以歸納為設計→仿真→測試→整改4個(gè)步驟。汽車(chē)良好的電磁兼容特性來(lái)自好的系統設計，對于電磁兼容問(wèn)題考慮的越早，解決問(wèn)題所能采取的措施就越多，相應的成本也越低。如圖1所示。

圖1 電磁兼容設計成本和可采用的技術(shù)手段在開(kāi)發(fā)過(guò)程各個(gè)階段的關(guān)系

汽車(chē)的電磁兼容性設計首先要根據車(chē)型的安全性、性能、功能和目標市場(chǎng)的法規要求提出整車(chē)、系統和零部件的電磁兼容指標；其次，要制定電磁兼容性控制計劃和試驗計劃；然后，還要根據經(jīng)驗，對系統和整車(chē)層面的電器構架設計提出要求?，F代汽車(chē)的電器設計中如圖2所示。

圖2 汽車(chē)采取的電磁兼容措施

然而，汽車(chē)電磁兼容設計對電磁理論基礎的要求很高，與國外先進(jìn)整車(chē)企業(yè)相比，國內的整車(chē)企業(yè)在這方面還有相當差距，尚處在摸索和經(jīng)驗的初步積累階段。

對于整車(chē)廠(chǎng)而言，電磁兼容測試分為兩個(gè)層次：零部件和整車(chē)層次。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不同階段，需要零部件供應商根據整車(chē)廠(chǎng)標準進(jìn)行零部件測試，測試合格后才能用于裝車(chē)并進(jìn)行整車(chē)的電磁兼容測試。而整車(chē)的測試分為診斷測試和認證測試兩類(lèi)。診斷測試一般針對工程樣車(chē)進(jìn)行，主要目的是尋找干擾源和易受干擾區域，為干擾源的抑制與易受干擾區域的防護提供設計依據，它同時(shí)也是仿真所需要參數和輸入數據的直接來(lái)源。認證測試則是依據電磁兼容標準對車(chē)輛是否符合電磁兼容性要求做出最終判定。電磁兼容標準包括國家標準、國際標準和企業(yè)標準。

汽車(chē)電磁兼容仿真是一種結合理論通過(guò)計算機模擬分析問(wèn)題的方法。在電磁兼容測試之前進(jìn)行仿真可以在設計早期發(fā)現電磁兼容問(wèn)題，減少或避免在后期解決電磁兼容問(wèn)題而引起的技術(shù)或成本障礙。目前，國內整車(chē)廠(chǎng)在電磁兼容仿真的研究還非常少，這主要是因為： （1）國內自主設計的車(chē)型較少，多為直接引進(jìn)，缺乏仿真數據的積累； （2）與電磁兼容設計相同，電磁仿真對電磁理論基礎的要求很高，國內在這方面的研究起步較晚； （3）影響汽車(chē)電磁兼容的因素比較多，仿真過(guò)程中任何對模型不適當的簡(jiǎn)化都將導致與實(shí)際情況相去甚遠的仿真結果； （4）汽車(chē)結構復雜，同時(shí)存在電大與電小結構，對建模技術(shù)及算法的效率要求很高。

2 汽車(chē)電磁兼容仿真流程與方法

2.1 仿真理論

電磁兼容仿真預測的研究?jì)热葜饕墙㈦姶偶嫒萑兀弘姶鸥蓴_源、耦合路徑和敏感設備的數學(xué)模型，并采用適當的數值計算方法求解這些模型，以評估系統各敏感設備是否滿(mǎn)足預定的電磁干擾裕度要求。

2.2 仿真流程和建模方法

完整的電磁仿真流程如圖所示

圖3 電磁兼容仿真流程

建立正確的仿真模型是汽車(chē)電磁兼容仿真預測最重要的一步，所建立的模型與實(shí)際樣車(chē)的匹配程度將直接決定仿真結果的精度與實(shí)用性。而且建模往往占據整個(gè)仿真過(guò)程70%以上的時(shí)間。

針對不同類(lèi)型的汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題，建模也要有針對性。車(chē)外輻射源對車(chē)身線(xiàn)束的干擾分析這些問(wèn)題的建模就不盡相同。但不論是何種模型，核心都是要先確定潛在的干擾源、敏感設備及耦合路徑，然后再對這三要素一一建模。

（1）干擾源：現在的仿真軟件大都提供各種類(lèi)型的激勵源---點(diǎn)源、平面波、高斯波、電流源、脈沖等，對理想模型的仿真可以根據需要直接采用。而對于實(shí)際車(chē)況的模擬，可以使用示波器測量干擾源連接導線(xiàn)上的電壓/電流波形，從而建立干擾源的時(shí)域波形；或者使用近場(chǎng)探頭測量干擾源附近的電場(chǎng)分布，再作為仿真計算的激勵源。

（2）耦合路徑：主要是對汽車(chē)車(chē)身和線(xiàn)束模型化。要根據仿真的頻率范圍確定電磁面網(wǎng)格的劃分精度。計算頻率越高，網(wǎng)格劃分要求越精細。同時(shí)在干擾源和耦合路徑附近的車(chē)身電磁網(wǎng)格也要適當提高劃分精度。線(xiàn)束的建模一般是利用傳輸線(xiàn)理論建立電路模型。對于電信號影響不大的汽車(chē)結構參數精度要求并不高，對結果影響不大的結構可以忽略。

（3）敏感設備：對敏感設備的建模主要是為了判斷其是否發(fā)生干擾。判據對比敏感設備的電磁兼容閾值和通過(guò)耦合路徑耦合的電磁干擾大小。對于傳導干擾，可以通過(guò)分析到達敏感設備的電壓/電流峰值、持續時(shí)間、周期等參數而判斷是否發(fā)生干擾；對于輻射干擾可以通過(guò)敏感設備處的場(chǎng)強的頻域分布判斷是否發(fā)生干擾。

建立模型后，采用易于得到測量結果的簡(jiǎn)單例子進(jìn)行仿真，將仿真結果與測量結果進(jìn)行比較，并根據比較結果對模型進(jìn)行反復修正，增強模型的匹配程度。

3 電磁兼容仿真軟件介紹

3.1 數值計算方法

仿真軟件的核心就是其數值計算方法。這些方法可以按照計算尺寸的不同，時(shí)域和頻域，積分和微分等分類(lèi)標準進(jìn)行劃分。

不同的計算方法有其針對性也有其局限性：時(shí)域有限差分法適合計算寬帶問(wèn)題，可以處理復雜非均勻介質(zhì)，但對微小結構的網(wǎng)格劃分要求精度很高，因而對內存的需求極高；有限元法網(wǎng)格劃分比較靈活，易于處理多種介質(zhì)、復雜結構的問(wèn)題，但開(kāi)域的外部邊界條件不易確定；矩量法因為其數值積分的本質(zhì)允許任意形狀的網(wǎng)格劃分，適合對介質(zhì)表面進(jìn)行模擬，但不易處理多層介質(zhì)問(wèn)題；傳輸線(xiàn)矩陣法易于處理瞬態(tài)變化的場(chǎng)，但頻響特性需要大量重復計算才能得到。

3.2 汽車(chē)電磁兼容主流仿真軟件介紹

目前市場(chǎng)上有很多種計算電磁場(chǎng)和電磁兼容問(wèn)題的軟件，這些軟件大都應用了一種或幾種數值計算方法。由于算法的針對性，并沒(méi)有一種軟件能夠解決所有的電磁場(chǎng)問(wèn)題。

針對汽車(chē)電磁兼容應用的特殊性，仿真軟件需要具備以下能力：計算全3維電磁問(wèn)題；求解涵蓋AM到GPS波段的各種類(lèi)型天線(xiàn)（鞭天線(xiàn)，風(fēng)窗玻璃天線(xiàn)，GPS天線(xiàn)等）；傳輸線(xiàn)法計算各類(lèi)線(xiàn)束，包括單芯、雙絞、同軸等各種線(xiàn)纜間的串擾和信號完整性問(wèn)題； 3維電磁場(chǎng)與傳輸線(xiàn)的耦合；能夠考慮復雜車(chē)身結構以及多種類(lèi)型的介質(zhì)；具備多種干擾源；符合ISO,CISPR標準的測試模型；電路模擬分析；復雜負載的設計和編輯能力。

（1） EMCSTudio

基本情況： EMCStudio 是由格魯吉亞EMCOS 公司專(zhuān)為汽車(chē)電磁兼容開(kāi)發(fā)， EMCOS 的前身是第比利斯大學(xué)電磁研究室。目前使用EMCStudio的整車(chē)廠(chǎng)有奧迪，大眾，三菱，日產(chǎn)，雷諾等。核心算法：矩量法，傳輸線(xiàn)法，等效源法，電路分析，物理光學(xué)法。其最大優(yōu)勢在于很好地將矩量法、傳輸線(xiàn)法和電路分析結合在一起，一次運行就能完成包含車(chē)身和復雜線(xiàn)束的電磁干擾計算。

計算模塊：完全依照ISO、CISPR對汽車(chē)EMC的測試要求進(jìn)行建模。具有抗擾分析，騷擾分析，串擾分析，大電流注入（BCI），虛擬平臺以及電路分析等多個(gè)計算模塊，針對性很強。

前處理：便捷的幾何建模，支持多種CAD數據格式導入。對于CAE分析而言，模型的網(wǎng)格化往往占據前處理50%以上的工作，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接關(guān)系到計算結果的準確性。EMCStudio 內嵌REMESH工具具有強大的電磁網(wǎng)格劃分和編輯能力，可以很方便的建模。

后處理：計算結果顯示相對簡(jiǎn)單，但接口對用戶(hù)完全開(kāi)放。使用者可以自行編輯數據形成各種類(lèi)型的報告。

診斷功能：提供類(lèi)似于計算機編程語(yǔ)言的診斷調試功能，準確而直觀(guān)的告知使用者模型發(fā)生錯誤的具體位置，方便糾錯。

線(xiàn)束工具：對于汽車(chē)電磁兼容而言，線(xiàn)束的建模和分析占據著(zhù)極為重要的地位。EMCStudio除了支持主流線(xiàn)束數據格式（KBL,XML, SteP）的導入以外，還可以自行建立和編輯線(xiàn)束數據。

（2） FEKO+CableMod

核心算法：FEKO有矩量法、快速多級子法、物理光學(xué)法、一致繞射法。CableMod使用傳輸線(xiàn)和電路分析法計算線(xiàn)束。FEKO的優(yōu)勢在于其快速多級子法可以大大減少對內存的需求，從而大幅縮短計算時(shí)間，可以計算電大尺寸問(wèn)題。同時(shí)，FEKO具有自動(dòng)優(yōu)化計算模塊，可以方便地對模型參數進(jìn)行優(yōu)化調整和選擇，為EMC設計提供參考。但由于是兩款分離的軟件，在計算車(chē)身內包含復雜線(xiàn)束的電磁干擾問(wèn)題時(shí)，需要分步進(jìn)行。以外界電磁場(chǎng)干擾車(chē)身內線(xiàn)束為例：要先用FEKO

對不含線(xiàn)束的車(chē)身進(jìn)行計算，得到其表面電流并導出為RSD數據，再將這個(gè)RSD數據作為激勵源導入CableMod計算其對線(xiàn)束的干擾。

前處理：強大的幾何建模能力，人性化的建模工具，支持多種CAD數據格式導入。但不具備復雜網(wǎng)格的編輯功能，需要其他CAD網(wǎng)格劃分工具支持。

后處理：豐富的GUI圖形處理工具，方便使用者編輯計算結果。

診斷功能：利用EDITFEKO里面的選項卡功能進(jìn)行模型錯誤的診斷，比較繁瑣。

線(xiàn)束工具： CableMod軟件本身就是專(zhuān)門(mén)針對線(xiàn)束建模和計算的工具，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)線(xiàn)束所有的建模和計算需求。

EMCStudio 和FEKO+CableMod兩者相比，前者針對性很強，完全符合汽車(chē)電磁環(huán)境的建模和計算。其混合算法方便了用戶(hù)的計算過(guò)程。后者的快速多級子算法極大地提高了計算效率，使得計算高頻率和大尺寸汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題成為了可能。

4 結語(yǔ)

單純通過(guò)測試來(lái)解決汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題費用昂貴，利用電磁仿真技術(shù)可以將汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題的發(fā)現和解決過(guò)程向前延伸。目前市場(chǎng)上主流的兩款仿真軟件各有千秋，用戶(hù)需要根據實(shí)際需要進(jìn)行選擇。同時(shí)需要指出的是，由于建模并不能完全復制汽車(chē)實(shí)際的電磁環(huán)境，仿真結果會(huì )有些誤差，建模技術(shù)和數值計算方法仍有待發(fā)展完善。