王嘉靖， 付國良， 覃寶山， 林樹潮

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院， 廣東 廣州 510623）

1 引言

隨著汽車行業(yè)朝著電動(dòng)化、 智能化、 網(wǎng)聯(lián)化、 共享化方向發(fā)展， 新一代的汽車從整車架構(gòu)、 系統(tǒng)到零部件都發(fā)生了全新的變化。 整車電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜， 這為新能源電動(dòng)車的電磁兼容性帶來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前許多國內(nèi)外汽車主機(jī)廠在研發(fā)中引入EMC正向開發(fā)機(jī)制， 從整車和零部件的維度分別著手， 力求降低EMC問題發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。 同時(shí)， 在研發(fā)過程中引入計(jì)算機(jī)仿真的方法， 在開發(fā)前期通過仿真進(jìn)行預(yù)判分析， 指導(dǎo)設(shè)計(jì)， 可以有效節(jié)約后期整改帶來的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

2 電動(dòng)車整車電磁兼容性要求

電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。 與傳統(tǒng)燃油汽車相比， 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織在傳統(tǒng)汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的基礎(chǔ)上結(jié)合電動(dòng)車特點(diǎn)進(jìn)行了大量的修訂和拓展， 電動(dòng)車整車EMC試驗(yàn)主要增加了充電狀態(tài)相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目和低頻電磁場(chǎng)類測(cè)試項(xiàng)目。

本文對(duì)整車輻射發(fā)射的仿真選用GB/T 18387—2017《電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法》 中電場(chǎng)和磁場(chǎng)輻射發(fā)射 （表1） 作為參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

表1 GB/T 18387—2017電場(chǎng)、 磁場(chǎng)輻射發(fā)射強(qiáng)度

3 電動(dòng)車電氣系統(tǒng)EMI特性

電動(dòng)車電氣系統(tǒng)的電磁干擾源的種類和分布較為復(fù)雜，尤其以電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)得最為突出。 在控制器上， 控制電路的時(shí)鐘信號(hào)、 數(shù)字信號(hào)、 驅(qū)動(dòng)信號(hào)是主要干擾源， 且相對(duì)于大功率、 大電流設(shè)備， 其抗擾能力較弱。 在主電路的電機(jī)、 逆變器、 線纜間存在大量的雜散電容和電感， 開關(guān)器件的通斷將導(dǎo)致電壓、 電流在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生瞬變， 即產(chǎn)生較大的du/dt和di/dt， 對(duì)系統(tǒng)造成很強(qiáng)的電磁干擾， 其為電氣系統(tǒng)中的主要干擾源。

4 整車EMC仿真分析

4.1 輻射發(fā)射仿真流程

電動(dòng)車整車EMC輻射發(fā)射仿真模擬GB/T 18387—2017的規(guī)范要求， 求解接收天線處的場(chǎng)強(qiáng)。 將車身、 高壓線束、高壓設(shè)備作為整體， 利用電磁仿真軟件求得S參數(shù)模型。 通過試驗(yàn)測(cè)得目標(biāo)工況下高壓系統(tǒng)的干擾電流及阻抗特性，依據(jù)戴維寧原理建立干擾源模型。 利用網(wǎng)絡(luò)耦合特性即可求解天線端接收到的電壓， 再經(jīng)過天線標(biāo)定及換算得到天線側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)。

整車EMC輻射發(fā)射仿真的流程如圖1所示， 通常包括以下步驟。

圖1 輻射發(fā)射建模、 仿真、 求解流程

1） 根據(jù)仿真分析的問題的特點(diǎn)， 收集所需的車體、 關(guān)鍵零部件的幾何模型和物理參數(shù)。

2） 根據(jù)仿真問題的頻率范圍， 在Hyper Mesh中去除不必要和可以忽略的細(xì)小結(jié)構(gòu)， 并對(duì)原始幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

3） 在Hyper Mesh中對(duì)簡(jiǎn)化后的幾何模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分。

4） 在FEKO中導(dǎo)入網(wǎng)格數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行仿真環(huán)境設(shè)置。

5） FEKO仿真計(jì)算出多端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)， 并將S參數(shù)轉(zhuǎn)化為Z參數(shù)， 即網(wǎng)絡(luò)耦合特性。

6） 零部件臺(tái)架實(shí)驗(yàn)或?qū)嵻嚋y(cè)試得到零部件的等效干擾電壓V和內(nèi)阻Z， 即端口特性。

7） 由網(wǎng)絡(luò)耦合特性和零部件端口特性計(jì)算得到測(cè)量天線接收到的電壓值， 進(jìn)一步根據(jù)標(biāo)定出的天線特性， 換算得到天線接收?qǐng)鰪?qiáng)。

4.2 整車幾何模型處理及網(wǎng)格剖分

針對(duì)電動(dòng)車整車輻射發(fā)射電磁干擾問題， 主要關(guān)注高壓系統(tǒng)引起的整車低頻輻射發(fā)射的電磁騷擾。 原始幾何模型數(shù)據(jù)一般來自車身、 零部件和線束的3D數(shù)模。 在收集原始幾何數(shù)據(jù)時(shí)， 著重考慮高壓系統(tǒng)整體布置以及天線的位置和饋線情況。

在選擇車體和零部件數(shù)模時(shí)， 一般會(huì)忽略車內(nèi)乘員艙零部件、 車身連接的螺栓、 焊點(diǎn)、 尺寸小的孔洞等模型以及非金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 只考慮動(dòng)力電池、 發(fā)動(dòng)機(jī)、 動(dòng)力電機(jī)等關(guān)鍵部件的外殼結(jié)構(gòu)。

將完成選取后的幾何數(shù)模導(dǎo)入Hyper Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分處理。 首先在Hyper Mesh中刪除多余的點(diǎn)、 線、 面，并進(jìn)行抽取中面 （midsurface） 處理， 將原模型中有厚度的體積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面。

為了確保網(wǎng)格劃分的品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量的合理性， 在正式剖分前需要進(jìn)行中面結(jié)構(gòu)的處理。 對(duì)于較為簡(jiǎn)單的車身模塊， 可以通過幾何簡(jiǎn)化得到規(guī)則的幾何模型； 對(duì)于較為復(fù)雜的車身模塊， 進(jìn)行初步簡(jiǎn)化后采用手動(dòng)方式劃分網(wǎng)格。對(duì)于高壓線束， 用一條曲線表征軌跡， 并進(jìn)行一維網(wǎng)格剖分。

在完成網(wǎng)格劃分后， 在Hyper Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格檢查，修改后得到合格的整車網(wǎng)格模型。

4.3 整車輻射發(fā)射仿真

在FEKO進(jìn)行整車輻射發(fā)射EMC仿真的流程主要包括以下幾個(gè)部分。

1） 在前處理模塊CAD FEKO新建一個(gè)工程并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2） 創(chuàng)建幾何模型， 參數(shù)化建模或外部導(dǎo)入幾何模型，設(shè)置幾何模型屬性。

3） 定義激勵(lì)源， 包括天線激勵(lì)、 等效源等。

運(yùn)行仿真， 在后處理模塊POSTFEKO中查看S參數(shù)計(jì)算結(jié)果并導(dǎo)出。

如圖2所示， 整車網(wǎng)格模型導(dǎo)入應(yīng)確定模型的尺寸和單位是否合理。 測(cè)量車身長(zhǎng)度， 檢查工程文件的單位，默認(rèn)的網(wǎng)格材料為PEC ( Perfect Electric Conductor）， 更改網(wǎng)格的材料、 厚度等參數(shù)。 在FEKO中三維空間為自由空間， 將地面設(shè)置成無限大金屬面就能夠模擬半電波暗室。

圖2 整車網(wǎng)格模型導(dǎo)入

對(duì)高壓線束進(jìn)行 建 模， 如 圖3 所示。 將一維線束網(wǎng)格模型導(dǎo)入FEKO， 建立線束路徑并刪除原網(wǎng)格。 再進(jìn)行線束類型、 材料、 首位連接器的設(shè)置， 并為除充電口外高壓線束的各個(gè)端口添加1V的激勵(lì)源并搭鐵， 完成線束模型的創(chuàng)建。

圖3 高壓線束建模設(shè)置

根據(jù)GB/T 18387， 在FEKO中的汽車前后左右4個(gè)方向距離汽車3m處分別放置桿天線和環(huán)天線。 將4個(gè)方向的天線的激勵(lì)源設(shè)置為1V電壓源， 特征阻抗設(shè)置為50Ω。 布置如圖4所示。

圖4 整車仿真天線布置

將整車系統(tǒng)作為多端口網(wǎng)絡(luò)， 將由電器部件和測(cè)量天線構(gòu)成的干擾源或敏感設(shè)備統(tǒng)一作為網(wǎng)絡(luò)端口處理， 仿真計(jì)算得到多端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。

在求解設(shè)置中將求解項(xiàng)設(shè)置為S參數(shù)， 運(yùn)行求解器， 完成后可在后處理模塊POSTFEKO中查看運(yùn)行結(jié)果。 測(cè)量前側(cè)天線電場(chǎng)S參數(shù)曲線如圖5a所示， 測(cè)量磁場(chǎng)后側(cè)天線X方向極化的S參數(shù)曲線如圖5b所示。

圖5 電場(chǎng)和磁場(chǎng)S參數(shù)曲線圖

此外， 天線的標(biāo)定也在FEKO進(jìn)行。 后續(xù)計(jì)算直接得到的結(jié)果是天線端口的接收電壓， 為了最終求得天線端的場(chǎng)強(qiáng)， 需對(duì)天線端口接收電壓到天線處場(chǎng)強(qiáng)的比例關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

在FEKO中， 建模長(zhǎng)度為1m的單極子桿天線的特性等效于臂長(zhǎng)為1m的偶極子天線。 用1V/m的均勻平面波照射臂長(zhǎng)為1m的偶極子天線， 偶極子天線端口設(shè)置50Ω的阻抗。 在1V/m的均勻平面波照射下， 運(yùn)行求解天線端口接收電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度， 二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系即為電壓——電場(chǎng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

同樣， 在FEKO中建模環(huán)天線， 并采用120πV/m， 即1A/m的均勻平面波照射，端口設(shè)置50Ω的阻抗， 可以求得環(huán)天線端口接收電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4.4 計(jì)算電場(chǎng)和磁場(chǎng)

4.4.1 參數(shù)轉(zhuǎn)化

Z參數(shù)矩陣由FEKO仿真得到的S參數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)化得到， 其變換關(guān)系如式 （1） 所示：

式中： Z=50Ω； E——單位矩陣。

4.4.2 干擾源電壓

根據(jù)戴維寧原理， 干擾源可等效為直流電壓源與電阻串聯(lián)的形式， 如圖6所示。 電機(jī)系統(tǒng)的主要干擾源為電機(jī)控制器的高頻開關(guān)管工作時(shí)和DC/DC模塊工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。 線束發(fā)射的干擾主要為共模干擾， 而差模干擾可忽略不計(jì)。

圖6 干擾源等效模型

V為等效干擾源電壓， Z為端口阻抗， Z為搭鐵輸入阻抗， I為高頻干擾電流， 則干擾源電壓可表示為式 （2）：

在整車上測(cè)量高壓系統(tǒng)的端口阻抗、 搭鐵阻抗， 并且測(cè)量70km/h和16km/h穩(wěn)定速度行駛狀態(tài)下高壓線的干擾電流，可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)。 根據(jù)式（2） 計(jì)算得到端口等效電壓。

4.4.3 天線接收電壓計(jì)算

根據(jù)多端口網(wǎng)絡(luò)耦合特性可以求得天線端口接收到的電壓值， 可以列寫成如式 （3） 所示的矩陣方程：

式中： U——端口電壓構(gòu)成的向量； V和Z——端口的等效干擾電壓和內(nèi)阻構(gòu)成的向量； Z——描述整車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)耦合特性的Z參數(shù)矩陣。 導(dǎo)入測(cè)量電場(chǎng)、 磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的Z參數(shù)矩陣、 干擾源阻抗及干擾源電壓數(shù)據(jù)， 分別計(jì)算得到各個(gè)方向桿天線、 環(huán)天線端的接收電壓。

4.4.4 場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)天線端口的接收電壓和桿天線、 環(huán)天線所對(duì)應(yīng)的端口電壓——場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)換系數(shù)， 可以求得按照GB/T 18387—2017的規(guī)范要求的輻射發(fā)射仿真計(jì)算結(jié)果。

在測(cè)試中， 后側(cè)輻射發(fā)射強(qiáng)度較高， 因此對(duì)后側(cè)進(jìn)行終掃描測(cè)試， 車速為16km/h及70km/h的情況下， 預(yù)測(cè)車輛輻射電場(chǎng)強(qiáng)度。 仿真結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖7、 圖8所示。

圖7 不同車速電場(chǎng)強(qiáng)度加背景噪聲后的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖8 不同車速磁場(chǎng)強(qiáng)度加背景噪聲后的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

通過仿真與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比， 整體趨勢(shì)基本是一致的， 尤其是在25～30MHz， 實(shí)車測(cè)試是超出標(biāo)準(zhǔn)限值的， 實(shí)車后期進(jìn)行了多次整改驗(yàn)證才通過法規(guī)的測(cè)試。 通過這種仿真的手段基本上可以預(yù)測(cè)出車輛存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)， 提前進(jìn)行應(yīng)對(duì)， 避免項(xiàng)目后期整改帶來成本和周期的壓力。

5 結(jié)語

本文通過CAE建模與電磁仿真的方法對(duì)一款純電車型的EMC輻射發(fā)射騷擾水平進(jìn)行求解， 判斷了該款車型對(duì)于GB/T 18387—2017規(guī)范中電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度限值要求的達(dá)成情況， 并通過與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比， 基本上可以判定出車輛存在的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的頻段。

在整車項(xiàng)目研發(fā)過程中， 引入EMC仿真分析可以在先期識(shí)別EMC問題發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)， 較早地采取相關(guān)措施， 從而提高整車法規(guī)項(xiàng)的通過率， 并有助于整車EMC性能的優(yōu)化。