汽車電磁兼容仿真流程

汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)極大地促進(jìn)了各類電氣、電子和信息設(shè)備在汽車上的廣泛應(yīng)用，對(duì)于今天的汽車產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用電子技術(shù)的程度已成為提升汽車技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)變速系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及行駛系統(tǒng)中，對(duì)汽車的安全性、可靠性、舒適性起著決定性作用。隨著汽車電氣設(shè)備數(shù)量和種類的不斷增加，工作頻率的不斷提高，汽車內(nèi)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。同時(shí)，汽車上的電子設(shè)備和器件，特別是半導(dǎo)體邏輯器件對(duì)電磁干擾十分敏感，經(jīng)常發(fā)生汽車內(nèi)部電子設(shè)備相互干擾的情況。當(dāng)電磁干擾發(fā)生時(shí)，輕則導(dǎo)致受干擾的敏感電子設(shè)備功能發(fā)生降級(jí)，重則導(dǎo)致其功能失效，給汽車的安全行駛造成嚴(yán)重影響。

1 汽車電磁兼容體系

根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)的生命周期，完整的汽車電磁兼容體系可以歸納為設(shè)計(jì)→仿真→測(cè)試→整改4個(gè)步驟。汽車良好的電磁兼容特性來(lái)自好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)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(yīng)的成本也越低。如圖1所示。

圖1 電磁兼容設(shè)計(jì)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

汽車的電磁兼容性設(shè)計(jì)首先要根據(jù)車型的安全性、性能、功能和目標(biāo)市場(chǎng)的法規(guī)要求提出整車、系統(tǒng)和零部件的電磁兼容指標(biāo)；其次，要制定電磁兼容性控制計(jì)劃和試驗(yàn)計(jì)劃；然后，還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)和整車層面的電器構(gòu)架設(shè)計(jì)提出要求。現(xiàn)代汽車的電器設(shè)計(jì)中如圖2所示。

圖2 汽車采取的電磁兼容措施

然而，汽車電磁兼容設(shè)計(jì)對(duì)電磁理論基礎(chǔ)的要求很高，與國(guó)外先進(jìn)整車企業(yè)相比，國(guó)內(nèi)的整車企業(yè)在這方面還有相當(dāng)差距，尚處在摸索和經(jīng)驗(yàn)的初步積累階段。

對(duì)于整車廠而言，電磁兼容測(cè)試分為兩個(gè)層次：零部件和整車層次。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(yīng)商根據(jù)整車廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行零部件測(cè)試，測(cè)試合格后才能用于裝車并進(jìn)行整車的電磁兼容測(cè)試。而整車的測(cè)試分為診斷測(cè)試和認(rèn)證測(cè)試兩類。診斷測(cè)試一般針對(duì)工程樣車進(jìn)行，主要目的是尋找干擾源和易受干擾區(qū)域，為干擾源的抑制與易受干擾區(qū)域的防護(hù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，它同時(shí)也是仿真所需要參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的直接來(lái)源。認(rèn)證測(cè)試則是依據(jù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛是否符合電磁兼容性要求做出最終判定。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

汽車電磁兼容仿真是一種結(jié)合理論通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析問(wèn)題的方法。在電磁兼容測(cè)試之前進(jìn)行仿真可以在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)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(guó)內(nèi)整車廠在電磁兼容仿真的研究還非常少，這主要是因?yàn)椋?（1）國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的車型較少，多為直接引進(jìn)，缺乏仿真數(shù)據(jù)的積累； （2）與電磁兼容設(shè)計(jì)相同，電磁仿真對(duì)電磁理論基礎(chǔ)的要求很高，國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚； （3）影響汽車電磁兼容的因素比較多，仿真過(guò)程中任何對(duì)模型不適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化都將導(dǎo)致與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)的仿真結(jié)果； （4）汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)存在電大與電小結(jié)構(gòu)，對(duì)建模技術(shù)及算法的效率要求很高。

2 汽車電磁兼容仿真流程與方法

2.1 仿真理論

電磁兼容仿真預(yù)測(cè)的研究?jī)?nèi)容主要是建立電磁兼容三要素：電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解這些模型，以評(píng)估系統(tǒng)各敏感設(shè)備是否滿足預(yù)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電磁兼容仿真預(yù)測(cè)最重要的一步，所建立的模型與實(shí)際樣車的匹配程度將直接決定仿真結(jié)果的精度與實(shí)用性。而且建模往往占據(jù)整個(gè)仿真過(guò)程70%以上的時(shí)間。

針對(duì)不同類型的汽車電磁兼容問(wèn)題，建模也要有針對(duì)性。車外輻射源對(duì)車身線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(shè)備及耦合路徑，然后再對(duì)這三要素一一建模。

（1）干擾源：現(xiàn)在的仿真軟件大都提供各種類型的激勵(lì)源---點(diǎn)源、平面波、高斯波、電流源、脈沖等，對(duì)理想模型的仿真可以根據(jù)需要直接采用。而對(duì)于實(shí)際車況的模擬，可以使用示波器測(cè)量干擾源連接導(dǎo)線上的電壓/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(cè)量干擾源附近的電場(chǎng)分布，再作為仿真計(jì)算的激勵(lì)源。

（2）耦合路徑：主要是對(duì)汽車車身和線束模型化。要根據(jù)仿真的頻率范圍確定電磁面網(wǎng)格的劃分精度。計(jì)算頻率越高，網(wǎng)格劃分要求越精細(xì)。同時(shí)在干擾源和耦合路徑附近的車身電磁網(wǎng)格也要適當(dāng)提高劃分精度。線束的建模一般是利用傳輸線理論建立電路模型。對(duì)于電信號(hào)影響不大的汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)精度要求并不高，對(duì)結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)可以忽略。

（3）敏感設(shè)備：對(duì)敏感設(shè)備的建模主要是為了判斷其是否發(fā)生干擾。判據(jù)對(duì)比敏感設(shè)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(duì)于傳導(dǎo)干擾，可以通過(guò)分析到達(dá)敏感設(shè)備的電壓/電流峰值、持續(xù)時(shí)間、周期等參數(shù)而判斷是否發(fā)生干擾；對(duì)于輻射干擾可以通過(guò)敏感設(shè)備處的場(chǎng)強(qiáng)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(cè)量結(jié)果的簡(jiǎn)單例子進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修正，增強(qiáng)模型的匹配程度。

3 電磁兼容仿真軟件介紹

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

仿真軟件的核心就是其數(shù)值計(jì)算方法。這些方法可以按照計(jì)算尺寸的不同，時(shí)域和頻域，積分和微分等分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

不同的計(jì)算方法有其針對(duì)性也有其局限性：時(shí)域有限差分法適合計(jì)算寬帶問(wèn)題，可以處理復(fù)雜非均勻介質(zhì)，但對(duì)微小結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分要求精度很高，因而對(duì)內(nèi)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，但開(kāi)域的外部邊界條件不易確定；矩量法因?yàn)槠鋽?shù)值積分的本質(zhì)允許任意形狀的網(wǎng)格劃分，適合對(duì)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(fù)計(jì)算才能得到。

3.2 汽車電磁兼容主流仿真軟件介紹

目前市場(chǎng)上有很多種計(jì)算電磁場(chǎng)和電磁兼容問(wèn)題的軟件，這些軟件大都應(yīng)用了一種或幾種數(shù)值計(jì)算方法。由于算法的針對(duì)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(duì)汽車電磁兼容應(yīng)用的特殊性，仿真軟件需要具備以下能力：計(jì)算全3維電磁問(wèn)題；求解涵蓋AM到GPS波段的各種類型天線（鞭天線，風(fēng)窗玻璃天線，GPS天線等）；傳輸線法計(jì)算各類線束，包括單芯、雙絞、同軸等各種線纜間的串?dāng)_和信號(hào)完整性問(wèn)題； 3維電磁場(chǎng)與傳輸線的耦合；能夠考慮復(fù)雜車身結(jié)構(gòu)以及多種類型的介質(zhì)；具備多種干擾源；符合ISO,CISPR標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試模型；電路模擬分析；復(fù)雜負(fù)載的設(shè)計(jì)和編輯能力。

（1） EMCSTudio

基本情況： EMCStudio 是由格魯吉亞EMCOS 公司專為汽車電磁兼容開(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的整車廠有奧迪，大眾，三菱，日產(chǎn)，雷諾等。核心算法：矩量法，傳輸線法，等效源法，電路分析，物理光學(xué)法。其最大優(yōu)勢(shì)在于很好地將矩量法、傳輸線法和電路分析結(jié)合在一起，一次運(yùn)行就能完成包含車身和復(fù)雜線束的電磁干擾計(jì)算。

計(jì)算模塊：完全依照ISO、CISPR對(duì)汽車EMC的測(cè)試要求進(jìn)行建模。具有抗擾分析，騷擾分析，串?dāng)_分析，大電流注入（BCI），虛擬平臺(tái)以及電路分析等多個(gè)計(jì)算模塊，針對(duì)性很強(qiáng)。

前處理：便捷的幾何建模，支持多種CAD數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入。對(duì)于CAE分析而言，模型的網(wǎng)格化往往占據(jù)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。EMCStudio 內(nèi)嵌REMESH工具具有強(qiáng)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(jì)算結(jié)果顯示相對(duì)簡(jiǎn)單，但接口對(duì)用戶完全開(kāi)放。使用者可以自行編輯數(shù)據(jù)形成各種類型的報(bào)告。

診斷功能：提供類似于計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的診斷調(diào)試功能，準(zhǔn)確而直觀的告知使用者模型發(fā)生錯(cuò)誤的具體位置，方便糾錯(cuò)。

線束工具：對(duì)于汽車電磁兼容而言，線束的建模和分析占據(jù)著極為重要的地位。EMCStudio除了支持主流線束數(shù)據(jù)格式（KBL,XML, SteP）的導(dǎo)入以外，還可以自行建立和編輯線束數(shù)據(jù)。

（2） FEKO+CableMod

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

對(duì)不含線束的車身進(jìn)行計(jì)算，得到其表面電流并導(dǎo)出為RSD數(shù)據(jù)，再將這個(gè)RSD數(shù)據(jù)作為激勵(lì)源導(dǎo)入CableMod計(jì)算其對(duì)線束的干擾。

前處理：強(qiáng)大的幾何建模能力，人性化的建模工具，支持多種CAD數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入。但不具備復(fù)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(jì)算結(jié)果。

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

線束工具： CableMod軟件本身就是專門針對(duì)線束建模和計(jì)算的工具，能夠滿足汽車線束所有的建模和計(jì)算需求。

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

4 結(jié)語(yǔ)

單純通過(guò)測(cè)試來(lái)解決汽車電磁兼容問(wèn)題費(fèi)用昂貴，利用電磁仿真技術(shù)可以將汽車電磁兼容問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)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，用戶需要根據(jù)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(fù)制汽車實(shí)際的電磁環(huán)境，仿真結(jié)果會(huì)有些誤差，建模技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法仍有待發(fā)展完善。