汽车电子的电磁兼容性分析

中心议题：

• 计算汽车部件电磁兼容性的必需工具
• 计算方法比较
• 汽车电磁兼容性分析流程
• 分析结果比较

随着电子技术的不断发展，新技术越来越多的应用到汽车领域，因此各个电子装置和电子控制系统必须相互适应，这就是电磁兼容性(EMC)要求。为了保证汽车可靠性，设计师必须在早期设计阶段分析电磁兼容性问题。目前市场上推出了一些电磁兼容性分析软件，可以帮助工程师完成汽车的电磁兼容性设计。
　　
按软件的适用性划分，市场上推出的电磁兼容性分析软件可以分为两大类：板级电磁兼容分析软件和系统级电磁兼容分析软件。
　　
汽车电子属于系统级电磁兼容性分析，适用的软件有：EMCstudio，HFSS，FEKO，EMC2000，FLO／EMC，PAM-CEM。
　　
汽车电子的电磁兼容性分析是指在进行汽车电气线路整体设计时根据车辆具体的技术参数和车辆的实际适用环境，从分析各种干扰源的特性和技术参数人手，确定干扰的路径和耦合方式，然后采取各种措施抑制干扰，消除干扰的耦合，增强被干扰对象的抗干扰能力，从而使汽车电子产品及设备正常工作。汽车中的EMC在大多数情况下主要取决于：金属车体、连接电缆、电子控制单元(ECU)和电子元器件、天线。
　　
通过精确的模拟以上所列的要点和选用合适的计算方法，就可能对EMC做出准确的预测。
　　
1计算汽车部件的必需工具
　　
计算汽车部件的必需工具为：

(1)计算3D电磁场的程序：
求解Maxwell方程组、考虑车身结构／测试装置；

(2)传输线计算程序：
传输线方程式解决方案、要考虑到外部场影响到系统内部；

(3)电路计算程序：
电路方程式的计算、考虑到复杂负载的影响。
　　
2计算方法比较
　　
(1)电磁场计算程序MOM的优势为：

场的散射考虑到真实的三维几何结构；局限性为：不能够用于计算定制的电缆包、不可能考虑到具有非线性端结装置的复杂电流、很难处理绝缘的和磁性材料；精度依赖于网格的质量。
　　
(2)传输线计算程序MTL优势为：

频率依赖于考虑的电缆参数、独立的3个成分：源，电缆和负载、计算速度高；局限性为：传输线计算不可以考虑到任何的三维几何结构，只是接近真实的三维情况；精度依赖于LC参数的计算和沿着金属线方向纵向分割精度。
　　
(3)电路计算程序(SPICE)优势为：

复杂电路、时域计算、简单的非线性描述；缺陷为：程序不能够指导EMC问题、限于电磁场的困境、大系统的稳定性问题；精度：用精确模型的时候精度很高、精确的模型非常少。
　　
(4)混合方法
　　
不同方法的结合：集中优势，丢弃缺陷。

①3DEM程序+传输线计算程序
在没有金属线的时候直接用三维电磁求解器计算电磁场、场使用传输线激励源。

②传输线计算程序+电路计算程序
传输线系统细分为小段、每一个线段是一个带有集总参数的电流模型。

在这样的方法之下，负载装置(包括非线性的)可以用电路分析工具(SPICE)。
　　

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3建立模型
　　
建立正确的模型是求解汽车电磁兼容性问题的关键。为了准确计算辐射、传导发射和抗干扰问题必须将车身，连接电缆已经端接的情况详细定义。首先导入车身文件，软件通常会自动划分网格。然后定义连接电缆、天线结构、设备等。定义设备可以使用原理图或者SPICE文件，如图1所示模型。


4汽车电磁兼容性分析流程

(1)根据想要的ECU功能调整组件需求；
(2)根据指定的汽车功能调整组件需求；
(3)定义组件必要规格；
(4)设计和最优化组件；
(5)检查电缆布局是否满足电磁兼容性要求；
(6)汽车EMC计算；
(7)根据问题调整组件和电缆布局后重新分析。
　　
5分析结果比较
　　
使用EMCstudio中TriD(矩量法)和FEKO软件计算外场屏蔽效能(θ=80°，η=90°，φ=45°)，如图2、3所示。


用不同算法计算入射场耦合到电缆线中的电压和电流(TriD-矩量法，FEKO-矩量法，TriD／MTL矩量法和传输线法的混合算法)，如图4、5所示。

使用FEKO和EMCstudio软件的不同算法分析了屏蔽效能，场到电缆的耦合，电缆线辐射，电缆到天线的耦合等发现：不同软件和不同算法的计算结果非常吻合，并且和实际测试结果吻合。只是相同硬件环境下软件计算速度不同，EMCstudio计算更快一些。图6表示的是使用相同配置计算机求解相同数量网格问题所需要的时间。

选择汽车系统电磁兼容性设计分析软件，需要根据用户的需求、针对不同的问题选择不同的工具和算法。每个算法都是成熟的，在正确建立模型基础上不同算法的计算结果基本吻合。借助分析软件的帮助，可以迟早发现和解决汽车系统中的电磁兼容性问题。