汽车电磁兼容仿真流程

当今的汽车,应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要标志,各种电子电器产品占整车成本的比重在不断增加,汽车内部的电磁环境日益复杂。在这样的形势下,汽车电磁兼容的重要性便越来越显著。按照级别的不同,汽车电磁兼容可以划分成3个层次:零部件级、系统级和整车级。零部件主要涉及PCB板级的电磁兼容问题,由零部件供应商负责解决。零部件构成的电器系统以及包含车身等构架件在内形成的整车系统的电磁兼容问题由整车厂解决。本文着重介绍的是系统和整车级的电磁兼容仿真。
1　汽车电磁兼容体系
根据产品研发的生命周期,完整的汽车电磁兼容体系可以归纳为设计→仿真→测试→整改4个步骤。汽车良好的电磁兼容特性来自好的系统设计,对于电磁兼容问题考虑的越早,解决问题所能采取的措施就越多,相应的成本也越低。例如在产品的概念设计阶段,设计者在电路布局、结构封装、屏蔽材料、滤波装置以及软件上都可以进行电磁兼容的设计,可以选择最适合产品特性并且成本最低廉的方法。而到了产品推向市场之后,往往只能在软件上做修改,否则整改的成本将很
高,如图1所示。
汽车的电磁兼容性设计首先要根据车型的安全性、性能、功能和目标市场的法规要求提出整

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车、系统和零部件的电磁兼容指标;其次,要制定电磁兼容性控制计划和试验计划;然后,还要根据经验,对系统和整车层面的电器构架设计提出要求。主要是与电磁兼容密切相关的天线设计、线束布局、总线接收器物理层的ESD保护、车身搭铁、RF器件的频率分配等。现代汽车的电器设计中已经应用了如图2所示的电磁兼容措施。

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然而,汽车电磁兼容设计对电磁理论基础的要求很高,与国外先进整车企业相比,国内的整车企业在这方面还有相当差距,尚处在摸索和经验的初步积累阶段。目前,国内汽车电磁兼容研究主要集中在汽车制成后的电磁兼容测试。
对于整车厂而言,电磁兼容测试分为两个层次:零部件和整车层次。在新产品开发过程中的不同阶段,需要零部件供应商根据整车厂标准进行零部件测试,测试合格后才能用于装车并进行整车的电磁兼容测试。而整车的测试分为诊断测试和认证测试两类。诊断测试一般针对工程样车进行,主要目的是寻找干扰源和易受干扰区域,为干扰源的抑制与易受干扰区域的防护提供设计依据,它同时也是仿真所需要参数和输入数据的直接来源。认证测试则是依据电磁兼容标准对车辆是否符合电磁兼容性要求做出最终判定。电磁兼容标准包括国家标准、国际标准和企业标准。
汽车电磁兼容仿真是一种结合理论通过计算机模拟分析问题的方法。在电磁兼容测试之前进行仿真可以在设计早期发现电磁兼容问题,减少或避免在后期解决电磁兼容问题而引起的技术或成本障碍。目前,国内整车厂在电磁兼容仿真的研究还非常少,这主要是因为: (1)国内自主设计的车型较少,多为直接引进,缺乏仿真数据的积累; (2)与电磁兼容设计相同,电磁仿真对电磁理论基础的要求很高,国内在这方面的研究起步较晚; (3)影响汽车电磁兼容的因素比较多,仿真过
程中任何对模型不适当的简化都将导致与实际情况相去甚远的仿真结果; (4)汽车结构复杂,同时存在电大与电小结构,对建模技术及算法的效率
要求很高。
2　汽车电磁兼容仿真流程与方法
2.1　仿真理论
电磁兼容仿真预测的研究内容主要是建立电磁兼容三要素:电磁干扰源、耦合路径和敏感设备的数学模型,并采用适当的数值计算方法求解这些模型,以评估系统各敏感设备是否满足预定的电磁干扰裕度要求。电磁干扰源产生的信号通常

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2.2　仿真流程和建模方法
完整的电磁仿真流程如图所示

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建立正确的仿真模型是汽车电磁兼容仿真预测最重要的一步,所建立的模型与实际样车的匹配程度将直接决定仿真结果的精度与实用性。而且建模往往占据整个仿真过程70%以上的时间。
针对不同类型的汽车电磁兼容问题,建模也要有针对性。比如信号线间的串扰分析,车载天线方向图的分析,车外辐射源对车身线束的干扰分析这些问题的建模就不尽相同。但不论是何种模型,核心都是要先确定潜在的干扰源、敏感设备及耦合路径,然后再对这三要素一一建模。
(1)干扰源:现在的仿真软件大都提供各种类型的激励源———点源、平面波、高斯波、电流源、脉冲等,对理想模型的仿真可以根据需要直接采用。而对于实际车况的模拟,可以使用示波器测量干扰源连接导线上的电压/电流波形,从而建立干扰源的时域波形;或者使用近场探头测量干扰源附近的电场分布,再作为仿真计算的激励源。
(2)耦合路径:主要是对汽车车身和线束模型化。要根据仿真的频率范围确定电磁面网格的划分精度。计算频率越高,网格划分要求越精细。同时在干扰源和耦合路径附近的车身电磁网格也要适当提高划分精度。线束的建模一般是利用传输线理论建立电路模型。对于电信号影响不大的汽车结构参数精度要求并不高,对结果影响不大的结构可以忽略。
(3)敏感设备:对敏感设备的建模主要是为了判断其是否发生干扰。判据对比敏感设备的电磁兼容阈值和通过耦合路径耦合的电磁干扰大小。对于传导干扰,可以通过分析到达敏感设备的电压/电流峰值、持续时间、周期等参数而判断是否发生干扰;对于辐射干扰可以通过敏感设备处的场强的频域分布判断是否发生干扰。
建立模型后,采用易于得到测量结果的简单例子进行仿真,将仿真结果与测量结果进行比较,并根据比较结果对模型进行反复修正,增强模型的匹配程度。

3　电磁兼容仿真软件介绍
3.1　数值计算方法
仿真软件的核心就是其数值计算方法。随着计算电磁学的不断发展,产生了很多种Maxwell方程组的数值求解方法。这些方法可以按照计算尺寸的不同,时域和频域,积分和微分等分类标准进行划分。
不同的计算方法有其针对性也有其局限性:时域有限差分法适合计算宽带问题,可以处理复杂非均匀介质,但对微小结构的网格划分要求精度很高,因而对内存的需求极高;有限元法网格划分比较灵活,易于处理多种介质、复杂结构的问题,但开域的外部边界条件不易确定;矩量法因为其数值积分的本质允许任意形状的网格划分,适合对介质表面进行模拟,但不易处理多层介质问题;传输线矩阵法易于处理瞬态变化的场,但频响特性需要大量重复计算才能得到。
3.2　汽车电磁兼容主流仿真软件介绍
目前市场上有很多种计算电磁场和电磁兼容问题的软件,这些软件大都应用了一种或几种数值计算方法。由于算法的针对性,并没有一种软件能够解决所有的电磁场问题。
针对汽车电磁兼容应用的特殊性,仿真软件需要具备以下能力:计算全3维电磁问题;求解涵盖AM到GPS波段的各种类型天线(鞭天线,风窗玻璃天线,GPS天线等);传输线法计算各类线束,包括单芯、双绞、同轴等各种线缆间的串扰和信号完整性问题; 3维电磁场与传输线的耦合;能够考虑复杂车身结构以及多种类型的介质;具备多种干扰源;符合ISO,CISPR标准的测试模型;电路模拟分析;复杂负载的设计和编辑能力。
目前市场上符合以上要求的主流仿真软件有EMCStudio和FEKO+CableMod。

(1) EMCStudio
基本情况: EMCStudio 是由格鲁吉亚EMCOS 公司专为汽车电磁兼容开发, EMCOS 的前身是第比利斯大学电磁研究室。目前使用EMCStudio的整车厂有奥迪,大众,三菱,日产,雷诺等。核心算法:矩量法,传输线法,等效源法,电路分析,物理光学法。其最大优势在于很好地将矩量法、传输线法和电路分析结合在一起,一次运行就能完成包含车身和复杂线束的电磁干扰计算。
计算模块:完全依照ISO、CISPR对汽车EMC的测试要求进行建模。具有抗扰分析,骚扰分析,串扰分析,大电流注入(BCI),虚拟平台以及电路分析等多个计算模块,针对性很强。
前处理:便捷的几何建模,支持多种CAD数据格式导入。对于CAE分析而言,模型的网格化往往占据前处理50%以上的工作,网格划分的质量直接关系到计算结果的准确性。EMCStudio 内嵌REMESH工具具有强大的电磁网格划分和编辑能力,可以很方便的建模。
后处理:计算结果显示相对简单,但接口对用户完全开放。使用者可以自行编辑数据形成各种类型的报告。

诊断功能:提供类似于计算机编程语言的诊断调试功能,准确而直观的告知使用者模型发生错误的具体位置,方便纠错。
线束工具:对于汽车电磁兼容而言,线束的建模和分析占据着极为重要的地位。EMCStudio除了支持主流线束数据格式(KBL,XML, STEP)的导入以外,还可以自行建立和编辑线束数据。
(2) FEKO+CableMod
基本情况: FEKO由南非的EMSS公司开发,CableMod由德国Simlab公司开发。由于FEKO本身无法计算复杂线束,需要两个软件相配合使用。
目前使用FEKO/CableMod的国际OEM有宝马,奔驰等。
核心算法:FEKO有矩量法、快速多级子法、物理光学法、一致绕射法。CableMod使用传输线和电路分析法计算线束。FEKO的优势在于其快速多级子法可以大大减少对内存的需求,从而大幅缩短计算时间,可以计算电大尺寸问题。同时,FEKO具有自动优化计算模块,可以方便地对模型参数进行优化调整和选择,为EMC设计提供参考。但由于是两款分离的软件,在计算车身内包含复杂线束的电磁干扰问题时,需要分步进行。以外界电磁场干扰车身内线束为例:要先用FEKO
对不含线束的车身进行计算,得到其表面电流并导出为RSD数据,再将这个RSD数据作为激励源导入CableMod计算其对线束的干扰。
前处理:强大的几何建模能力,人性化的建模工具,支持多种CAD数据格式导入。但不具备复杂网格的编辑功能,需要其他CAD网格划分工具支持。
后处理:丰富的GUI图形处理工具,方便使用者编辑计算结果。
诊断功能:利用EDITFEKO里面的选项卡功能进行模型错误的诊断,比较繁琐。
线束工具: CableMod软件本身就是专门针对线束建模和计算的工具,能够满足汽车线束所有的建模和计算需求。
EMCStudio 和FEKO+CableMod两者相比,前者针对性很强,完全符合汽车电磁环境的建模和计算。其混合算法方便了用户的计算过程。后者的快速多级子算法极大地提高了计算效率,使得计算高频率和大尺寸汽车电磁兼容问题成为了可能。
4　结语
随着汽车电子技术的发展,汽车电磁兼容问题日益凸现其重要性。单纯通过测试来解决汽车电磁兼容问题费用昂贵,利用电磁仿真技术可以将汽车电磁兼容问题的发现和解决过程向前延伸。目前市场上主流的两款仿真软件各有千秋,用户需要根据实际需要进行选择。同时需要指出的是,由于建模并不能完全复制汽车实际的电磁环境,仿真结果会有些误差,建模技术和数值计算方法仍有待发展完善。