張 靖，袁正萍，徐 賢，張明凱，何華強(qiáng)

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

1 背景

1.1 汽車電磁兼容（EMC）的重要性

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，以及人們對汽車的安全性、功能性和舒適性的要求越來越高，相應(yīng)的汽車內(nèi)電子設(shè)備的比例出現(xiàn)了革命性地提高，電子設(shè)備的復(fù)雜度也發(fā)生了根本性的變化，從而使得汽車電磁兼容問題變得非常復(fù)雜。汽車電磁兼容問題是國際汽車業(yè)界公認(rèn)的技術(shù)難題，而它又是考核汽車性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，即有相應(yīng)的汽車EMC國際和國家標(biāo)準(zhǔn)來評估汽車EMC性能。故針對汽車流動性的特點(diǎn)，研究汽車電磁兼容問題以提高汽車安全性和可靠性，并保證汽車不影響周圍設(shè)備的正常工作，已成為當(dāng)前非常迫切和重要的研究課題。

1.2 整車EMC開發(fā)流程

1.2.1 整車EMC開發(fā)介入時(shí)機(jī)

整車在開發(fā)過程中，EMC開發(fā)介入的時(shí)機(jī)對成本以及可采取的整改措施有著非常大的影響。如圖1所示，橫軸為整車開發(fā)各個(gè)階段，縱軸為對應(yīng)的EMC開發(fā)成本和可采取的整改措施的曲線。

汽車良好的電磁兼容特性來自好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對于電磁兼容問題考慮的越早,解決問題所能采取的措施就越多，相應(yīng)的成本也越低。例如在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者在部件、接地、布線和匹配方面都可以進(jìn)行電磁兼容的設(shè)計(jì)，可以選擇最適合產(chǎn)品特性并且成本最低廉的方法。而到了產(chǎn)品推向市場之后，往往只能在匹配方面做改動，且整改的成本將很高。

1.2.2 整車EMC開發(fā)流程

如圖2為一個(gè)整車EMC開發(fā)流程，首先根據(jù)目標(biāo)市場，EMC法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整車EMC需求分析，然后一方面將分析得到的EMC需求用于整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、部件布局設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)；另一方面將EMC需求進(jìn)行電磁兼容指標(biāo)分配，即將EMC需求分配給各個(gè)零部件，包括零部件測試項(xiàng)目設(shè)計(jì)和EMC指標(biāo)分配，并在此基礎(chǔ)上制定零部件EMC測試計(jì)劃并審核，審核通過后，執(zhí)行零部件EMC測試并審核測試報(bào)告，所有零部件EMC測試報(bào)告通過后就可裝車進(jìn)入整車EMC測試流程。在整車進(jìn)入EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行認(rèn)證測試前，要進(jìn)行整車EMC預(yù)測試，即在非暗室條件下，用近場測試方法定性分析整車EMC性能，在低成本下進(jìn)行EMC測試及整改，預(yù)測試通過后進(jìn)行整車認(rèn)證測試可大大提高認(rèn)證測試通過率。

1.2.3 整車EMC仿真的引入

在整車EMC的開發(fā)流程中，零部件裝車前必須通過零部件EMC認(rèn)證測試，但是并不表示這些零部件裝車后，整車能夠通過標(biāo)準(zhǔn)測試。故后續(xù)還是會進(jìn)行大量的EMC測試及整改，這樣會給整車研發(fā)成本和研發(fā)周期帶來較大的壓力。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，EMC仿真技術(shù)也越來越多應(yīng)用于整車EMC開發(fā)過程中，即在整車測試之前引入整車EMC仿真，盡早發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行整改，大大節(jié)約了整車研發(fā)成本和開發(fā)周期。故根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)的生命周期,一個(gè)更加理想和完整的整車EMC開發(fā)流程可以歸納為設(shè)計(jì)→仿真→測試→整改4個(gè)步驟。

整車輻射發(fā)射的EMC仿真是汽車電磁兼容性研究的一個(gè)很重要也是相當(dāng)有難度的一個(gè)環(huán)節(jié)，本文就是基于此背景下，在整車研發(fā)階段引入EMC仿真，并結(jié)合過往車型的EMC測試數(shù)據(jù)和記錄進(jìn)行深入分析，就可以在汽車設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)EMC問題，為企業(yè)減少成本和時(shí)間。

2 汽車EMC仿真軟件

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

EMC仿真軟件的核心就是其數(shù)值計(jì)算模塊。針對介質(zhì)中電磁場、電磁波等傳播規(guī)律的描述一般比較復(fù)雜，目前在電磁兼容領(lǐng)域普遍采用的是數(shù)值分析法進(jìn)行模擬。隨著計(jì)算電磁學(xué)的不斷發(fā)展,產(chǎn)生了很多種基于Maxwell方程組的數(shù)值求解方法：時(shí)域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM），矩量法（MOM）、傳輸線矩陣法（TLM）、局部源等效電路法（PEEC）等。這些方法是按照計(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。

2.2 仿真軟件的選擇

目前市場上出現(xiàn)了很多種電磁兼容仿真軟件,這些軟件大都應(yīng)用了一種或幾種數(shù)值計(jì)算方法。由于算法的針對性,并沒有一種軟件能夠解決所有的電磁場問題。

針對汽車電磁兼容應(yīng)用的特殊性,仿真軟件需要具備以下能力:計(jì)算全三維電磁問題;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)_和信號完整性問題；三維電磁場與傳輸線的耦合;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。

本文根據(jù)以上要求，結(jié)合汽車電磁兼容的特點(diǎn)，選擇了目前市場上適用于汽車電磁兼容仿真的主流仿真軟件EMCStudio。

2.3 EMCStudio仿真軟件介紹

EMCStudio是由格魯吉亞EMCOS公司專為汽車電磁兼容開發(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。其功能特性簡要描述如下：

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

嘉善旅游資源獨(dú)特、文化形態(tài)豐富。從20世紀(jì)90年代開始，嘉善依托得天獨(dú)厚的區(qū)位地理優(yōu)勢和資源特點(diǎn)，堅(jiān)持政府主導(dǎo)戰(zhàn)略，嘉善文化旅游走出了一條以西塘“古鎮(zhèn)旅游“為突破口，發(fā)揮“水鄉(xiāng)、古鎮(zhèn)、田園”文化特色，主動融入“大上海旅游圈”發(fā)展之路，成為縣域旅游經(jīng)濟(jì)的典范?？梢越栉魈凉沛?zhèn)的知名度和共享旅游市場人群，通過文化嫁接和轉(zhuǎn)換，把田歌文化元素植入西塘旅游中，在古鎮(zhèn)以及周邊啟動開發(fā)出以田歌為背景的旅游項(xiàng)目，通過西塘旅游來推動田歌文化傳播和發(fā)展。

2）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。

3）后處理:計(jì)算結(jié)果顯示相對簡單,但接口對用戶完全開放。使用者可以自行編輯數(shù)據(jù)形成各種類型的報(bào)告。

4）診斷功能:提供類似于計(jì)算機(jī)編程語言的診斷調(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)。

5）線束工具:對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)。

綜上所述，EMCStudio針對性很強(qiáng),完全符合汽車電磁環(huán)境的建模和計(jì)算。且其混合算法大大方便了用戶的計(jì)算過程。故EMCStudio仿真軟件是進(jìn)行汽車電磁兼容問題仿真分析的一款非常實(shí)用的軟件。

3 多級聯(lián)合EMC仿真方法

汽車電子的EMC問題具有區(qū)別于其他電子產(chǎn)品的特點(diǎn)，其覆蓋范圍十分廣泛，從電路到PCB、子系統(tǒng)、直至整車系統(tǒng)。雖然EMC仿真技術(shù)在無線射頻、消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，但是由于汽車電子自身的特點(diǎn)，整車級的汽車電子系統(tǒng)EMC分析需要從電路到整車系統(tǒng)的多級聯(lián)合EMC仿真，具體流程如圖3所示。

3.1 干擾源模型建立

產(chǎn)生輻射發(fā)射的干擾源一般是車輛上的電子控制部件和其執(zhí)行器，整車上包括多個(gè)輻射干擾源。干擾源模型可以通過電路或PCB仿真獲得，也可以通過零部件試驗(yàn)測量，以試驗(yàn)結(jié)果作為干擾源模型輸入，如圖 4（b）所示。

3.2 線束的網(wǎng)絡(luò)模型

在仿真分析中，各電子部件之間的互聯(lián)線纜需要被離散為傳輸線的網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而進(jìn)行求解。在此模型中，每個(gè)電子部件是網(wǎng)絡(luò)上的干擾源設(shè)備或負(fù)載設(shè)備，如圖4（c）所示。線纜本身作為傳輸線，在仿真分析中，需要求解傳輸線上的自身電流分布，以及傳輸線之間的線間耦合、傳輸線與車身金屬之間的感應(yīng)電磁場耦合等等。

3.3 車身的網(wǎng)格模型

由于電磁波的特殊屬性，EMC仿真中只需要建立車身金屬部分的模型，一般可以由三維設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入EMC仿真工具中，經(jīng)過有技巧的模型簡化處理而得到?？紤]到車載器件的工作頻率以及電流分布的趨膚效應(yīng)，車身的網(wǎng)格一般是不需要考慮金屬厚度的幾何面模型，這種模型可以大大的節(jié)約仿真分析計(jì)算的時(shí)間。

3.4 仿真求解

建立上述的模型之后，就可以對干擾源、互聯(lián)線束、車身等效模型，進(jìn)行多級聯(lián)合仿真求解。使用電路仿真方法（如PSpice、PEEC）求解干擾源端噪聲大小，使用傳輸線仿真方法（如TLM）求解線纜電流分布，使用全波仿真方法（如MoM、FDTD）求解串?dāng)_及車身金屬上的電流分布。一旦求解出源端噪聲、線纜電流分布、車身電流分布，即可計(jì)算出車輛表面上任意位置的輻射發(fā)射大小以及感應(yīng)電流分布等等，具體如圖 4（d）所示。

4 車輛輻射發(fā)射仿真

4.1 問題描述

根據(jù)GB14023:2011的要求，整車輻射發(fā)射考量的是在距離車輛10 m處，車輛上的電子電氣部件對外傳播的電磁輻射量值。測量方位至少應(yīng)該包括駕駛員側(cè)和副駕駛側(cè)。為了進(jìn)行分析驗(yàn)證，本文對駕駛室內(nèi)的部件造成的輻射發(fā)射進(jìn)行仿真，如圖5所示。

4.2 整車模型

從整車設(shè)計(jì)的CATIA圖紙中提取車身模型導(dǎo)入仿真工具中，為了簡化分析時(shí)間，僅保留車身金屬部分，因?yàn)榉墙饘俨糠謱﹄姶鸥蓴_的影響非常小，這樣可以提高計(jì)算速度。導(dǎo)入模型的金屬部分是有厚度的，而由于趨膚效應(yīng)，電流只會在金屬的表層分布，因此可以把車身模型簡化為無厚度的金屬表面。同時(shí)，為了模擬實(shí)際測試場地信息，還應(yīng)建立地表面模型，即無限大理想導(dǎo)電平面，而車輛應(yīng)該置于地面上的合理高度。

車身金屬表面必須離散為網(wǎng)格，仿真計(jì)算要求解的是每個(gè)網(wǎng)格上的電流分布，網(wǎng)格劃分的大小由仿真所關(guān)注的頻率λ決定，一般為網(wǎng)格大小為λ/10，即網(wǎng)格的尺寸不能超過關(guān)注的頻率的十分之一波長。

經(jīng)過上述步驟，最終形成的車身離散網(wǎng)格模型如圖6所示。

4.3 線束模型

駕駛室內(nèi)包含若干個(gè)EE部件，但由經(jīng)驗(yàn)和理論分析可知，輻射發(fā)射較大的部件主要為部件A和B，其中部件A位于儀表板下方，部件B位于駕駛員座椅下方。二者的線纜合成一股車身線束，通過連接器與底盤線束對插，兩個(gè)部件均采用雙線制供電。

選取可能包含較大干擾的線束端口，以實(shí)車線束布置作為計(jì)算路徑，在仿真軟件中建立線束分析模型，此線束模型中包含了多根硬線。再依據(jù)λ/10原則，把線纜按照傳輸線理論進(jìn)行離散，進(jìn)而形成傳輸線網(wǎng)絡(luò)模型，部件A和部件B簡化為網(wǎng)絡(luò)模型上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.4 干擾源模型

干擾源模型通過電路/PCB仿真的方法來建立，部件A的源模型建立如圖8所示。將PCB導(dǎo)入仿真工具并提取可能產(chǎn)生干擾的關(guān)鍵電路，離散為PEEC網(wǎng)格模型。通過模型計(jì)算環(huán)繞ECU的封閉表面上的電磁場分布，即惠更斯等效的表面電流分布，這些等效電流將會耦合到ECU周圍的電纜中。計(jì)算中應(yīng)該考慮車身因素，ECU應(yīng)該放置在距離金屬地面8 cm處，這也相當(dāng)于在真實(shí)汽車上的情況。

4.5 模型求解

將上述整車、線纜、源的模型進(jìn)行多級協(xié)同仿真，使用MoM方法求解線纜和車身金屬表面的電流分布，如圖9所示。

所有的串?dāng)_、反射、散射等電磁傳播作用都會在仿真中得到計(jì)算。只要獲得了線纜和車身金屬表面的電流分布（這個(gè)分布是頻率的函數(shù)），就可以求解出該頻率下任意位置的電磁場大小。如圖10所示。

4.6 結(jié)果分析

10 m處的輻射發(fā)射仿真結(jié)果如圖11、12所示，圖11a代表垂直極化結(jié)果、圖12a代表水平極化結(jié)果。在實(shí)際測試中，僅激活駕駛室內(nèi)的EE部件，將測量得到的結(jié)果(圖11b，圖12b)跟仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，EMC仿真較好的預(yù)測了整車輻射發(fā)射的趨勢。EMC仿真和實(shí)測結(jié)果的定量對比如表1所示。

表1 仿真與實(shí)測結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文首先介紹了整車EMC仿真課題的背景，然后介紹了汽車EMC仿真軟件，并在此基礎(chǔ)上研究了一種整車發(fā)射的EMC仿真方法，即多級聯(lián)合EMC仿真方法，深入分析了其仿真流程和原理，并結(jié)合一個(gè)仿真實(shí)例驗(yàn)證了該仿真方法很好的預(yù)測了整車輻射發(fā)射的趨勢。故該多級聯(lián)合EMC仿真方法可用于整車EMC設(shè)計(jì)階段，盡早發(fā)現(xiàn)EMC問題并進(jìn)行整改，以免把風(fēng)險(xiǎn)留到后面進(jìn)行EMC測試及整改，從而大大降低成本和研發(fā)周期。

［1］GB14023-2011，車輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無線電騷擾特性 用于保護(hù)車外接收機(jī)的限值和測量方法［S］.

［2］EMC Studio Manual，Version 4.1［C］，EMCoS，2008.

［3］S.Frei，R.Jobava;Coupling of Inhomogeneous Fields into an Automotive Cable Harness with Arbitrary Terminations［C］，14th International Zurich Symposium on EMC；Zurich，2001.

［4］F.G.Canavero，The Challenge of Numerical EMC［C］，Proc.of the Euro-PAM'99 Conference，Darmstadt，Germany，October 1999.