當今的汽車,應用電子技術的程度已成為提升汽車技術水平的重要標志,各種電子電器產(chǎn)品占整車成本的比重在不斷增加,汽車內部的電磁環(huán)境日益復雜。在這樣的形勢下,汽車電磁兼容的重要性便越來越顯著。按照級別的不同,汽車電磁兼容可以劃分成3個層次:零部件級、系統(tǒng)級和整車級。零部件主要涉及PCB板級的電磁兼容問題,由零部件供應商負責解決。零部件構成的電器系統(tǒng)以及包含車身等構架件在內形成的整車系統(tǒng)的電磁兼容問題由整車廠解決。本文著重介紹的是系統(tǒng)和整車級的電磁兼容仿真。
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計→仿真→測試→整改4個步驟。汽車良好的電磁兼容特性來自好的系統(tǒng)設計,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,相應的成本也越低。例如在產(chǎn)品的概念設計階段,設計者在電路布局、結構封裝、屏蔽材料、濾波裝置以及軟件上都可以進行電磁兼容的設計,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,往往只能在軟件上做修改,否則整改的成本將很
高,如圖1所示。
汽車的電磁兼容性設計首先要根據(jù)車型的安全性、性能、功能和目標市場的法規(guī)要求提出整
 

車、系統(tǒng)和零部件的電磁兼容指標;其次,要制定電磁兼容性控制計劃和試驗計劃;然后,還要根據(jù)經(jīng)驗,對系統(tǒng)和整車層面的電器構架設計提出要求。主要是與電磁兼容密切相關的天線設計、線束布局、總線接收器物理層的ESD保護、車身搭鐵、RF器件的頻率分配等。現(xiàn)代汽車的電器設計中已經(jīng)應用了如圖2所示的電磁兼容措施。
 

然而,汽車電磁兼容設計對電磁理論基礎的要求很高,與國外先進整車企業(yè)相比,國內的整車企業(yè)在這方面還有相當差距,尚處在摸索和經(jīng)驗的初步積累階段。目前,國內汽車電磁兼容研究主要集中在汽車制成后的電磁兼容測試。
對于整車廠而言,電磁兼容測試分為兩個層次:零部件和整車層次。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的不同階段,需要零部件供應商根據(jù)整車廠標準進行零部件測試,測試合格后才能用于裝車并進行整車的電磁兼容測試。而整車的測試分為診斷測試和認證測試兩類。診斷測試一般針對工程樣車進行,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)域的防護提供設計依據(jù),它同時也是仿真所需要參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的直接來源。認證測試則是依據(jù)電磁兼容標準對車輛是否符合電磁兼容性要求做出最終判定。電磁兼容標準包括國家標準、國際標準和企業(yè)標準。
汽車電磁兼容仿真是一種結合理論通過計算機模擬分析問題的方法。在電磁兼容測試之前進行仿真可以在設計早期發(fā)現(xiàn)電磁兼容問題,減少或避免在后期解決電磁兼容問題而引起的技術或成本障礙。目前,國內整車廠在電磁兼容仿真的研究還非常少,這主要是因為: (1)國內自主設計的車型較少,多為直接引進,缺乏仿真數(shù)據(jù)的積累; (2)與電磁兼容設計相同,電磁仿真對電磁理論基礎的要求很高,國內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
程中任何對模型不適當?shù)暮喕紝е屡c實際情況相去甚遠的仿真結果; (4)汽車結構復雜,同時存在電大與電小結構,對建模技術及算法的效率
要求很高。
2　汽車電磁兼容仿真流程與方法
2.1　仿真理論
電磁兼容仿真預測的研究內容主要是建立電磁兼容三要素:電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備的數(shù)學模型,并采用適當?shù)臄?shù)值計算方法求解這些模型,以評估系統(tǒng)各敏感設備是否滿足預定的電磁干擾裕度要求。電磁干擾源產(chǎn)生的信號通常

2.2　仿真流程和建模方法
完整的電磁仿真流程如圖所示

建立正確的仿真模型是汽車電磁兼容仿真預測最重要的一步,所建立的模型與實際樣車的匹配程度將直接決定仿真結果的精度與實用性。而且建模往往占據(jù)整個仿真過程70%以上的時間。
針對不同類型的汽車電磁兼容問題,建模也要有針對性。比如信號線間的串擾分析,車載天線方向圖的分析,車外輻射源對車身線束的干擾分析這些問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、敏感設備及耦合路徑,然后再對這三要素一一建模。
(1)干擾源:現(xiàn)在的仿真軟件大都提供各種類型的激勵源———點源、平面波、高斯波、電流源、脈沖等,對理想模型的仿真可以根據(jù)需要直接采用。而對于實際車況的模擬,可以使用示波器測量干擾源連接導線上的電壓/電流波形,從而建立干擾源的時域波形;或者使用近場探頭測量干擾源附近的電場分布,再作為仿真計算的激勵源。
(2)耦合路徑:主要是對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。計算頻率越高,網(wǎng)格劃分要求越精細。同時在干擾源和耦合路徑附近的車身電磁網(wǎng)格也要適當提高劃分精度。線束的建模一般是利用傳輸線理論建立電路模型。對于電信號影響不大的汽車結構參數(shù)精度要求并不高,對結果影響不大的結構可以忽略。
(3)敏感設備:對敏感設備的建模主要是為了判斷其是否發(fā)生干擾。判據(jù)對比敏感設備的電磁兼容閾值和通過耦合路徑耦合的電磁干擾大小。對于傳導干擾,可以通過分析到達敏感設備的電壓/電流峰值、持續(xù)時間、周期等參數(shù)而判斷是否發(fā)生干擾;對于輻射干擾可以通過敏感設備處的場強的頻域分布判斷是否發(fā)生干擾。
建立模型后,采用易于得到測量結果的簡單例子進行仿真,將仿真結果與測量結果進行比較,并根據(jù)比較結果對模型進行反復修正,增強模型的匹配程度。

3　電磁兼容仿真軟件介紹
3.1　數(shù)值計算方法
仿真軟件的核心就是其數(shù)值計算方法。隨著計算電磁學的不斷發(fā)展,產(chǎn)生了很多種Maxwell方程組的數(shù)值求解方法。這些方法可以按照計算尺寸的不同,時域和頻域,積分和微分等分類標準進行劃分。
不同的計算方法有其針對性也有其局限性:時域有限差分法適合計算寬帶問題,可以處理復雜非均勻介質,但對微小結構的網(wǎng)格劃分要求精度很高,因而對內存的需求極高;有限元法網(wǎng)格劃分比較靈活,易于處理多種介質、復雜結構的問題,但開域的外部邊界條件不易確定;矩量法因為其數(shù)值積分的本質允許任意形狀的網(wǎng)格劃分,適合對介質表面進行模擬,但不易處理多層介質問題;傳輸線矩陣法易于處理瞬態(tài)變化的場,但頻響特性需要大量重復計算才能得到。
3.2　汽車電磁兼容主流仿真軟件介紹
目前市場上有很多種計算電磁場和電磁兼容問題的軟件,這些軟件大都應用了一種或幾種數(shù)值計算方法。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用的特殊性,仿真軟件需要具備以下能力:計算全3維電磁問題;求解涵蓋AM到GPS波段的各種類型天線(鞭天線,風窗玻璃天線,GPS天線等);傳輸線法計算各類線束,包括單芯、雙絞、同軸等各種線纜間的串擾和信號完整性問題; 3維電磁場與傳輸線的耦合;能夠考慮復雜車身結構以及多種類型的介質;具備多種干擾源;符合ISO,CISPR標準的測試模型;電路模擬分析;復雜負載的設計和編輯能力。
目前市場上符合以上要求的主流仿真軟件有EMCStudio和FEKO+CableMod。

(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發(fā), EMCOS 的前身是第比利斯大學電磁研究室。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合在一起,一次運行就能完成包含車身和復雜線束的電磁干擾計算。
計算模塊:完全依照ISO、CISPR對汽車EMC的測試要求進行建模。具有抗擾分析,騷擾分析,串擾分析,大電流注入(BCI),虛擬平臺以及電路分析等多個計算模塊,針對性很強。
前處理:便捷的幾何建模,支持多種CAD數(shù)據(jù)格式導入。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)格劃分的質量直接關系到計算結果的準確性。EMCStudio 內嵌REMESH工具具有強大的電磁網(wǎng)格劃分和編輯能力,可以很方便的建模。
后處理:計算結果顯示相對簡單,但接口對用戶完全開放。使用者可以自行編輯數(shù)據(jù)形成各種類型的報告。

診斷功能:提供類似于計算機編程語言的診斷調試功能,準確而直觀的告知使用者模型發(fā)生錯誤的具體位置,方便糾錯。
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)的導入以外,還可以自行建立和編輯線束數(shù)據(jù)。
(2) FEKO+CableMod
基本情況: FEKO由南非的EMSS公司開發(fā),CableMod由德國Simlab公司開發(fā)。由于FEKO本身無法計算復雜線束,需要兩個軟件相配合使用。
目前使用FEKO/CableMod的國際OEM有寶馬,奔馳等。
核心算法:FEKO有矩量法、快速多級子法、物理光學法、一致繞射法。CableMod使用傳輸線和電路分析法計算線束。FEKO的優(yōu)勢在于其快速多級子法可以大大減少對內存的需求,從而大幅縮短計算時間,可以計算電大尺寸問題。同時,FEKO具有自動優(yōu)化計算模塊,可以方便地對模型參數(shù)進行優(yōu)化調整和選擇,為EMC設計提供參考。但由于是兩款分離的軟件,在計算車身內包含復雜線束的電磁干擾問題時,需要分步進行。以外界電磁場干擾車身內線束為例:要先用FEKO
對不含線束的車身進行計算,得到其表面電流并導出為RSD數(shù)據(jù),再將這個RSD數(shù)據(jù)作為激勵源導入CableMod計算其對線束的干擾。
前處理:強大的幾何建模能力,人性化的建模工具,支持多種CAD數(shù)據(jù)格式導入。但不具備復雜網(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,方便使用者編輯計算結果。
診斷功能:利用EDITFEKO里面的選項卡功能進行模型錯誤的診斷,比較繁瑣。
線束工具: CableMod軟件本身就是專門針對線束建模和計算的工具,能夠滿足汽車線束所有的建模和計算需求。
EMCStudio 和FEKO+CableMod兩者相比,前者針對性很強,完全符合汽車電磁環(huán)境的建模和計算。其混合算法方便了用戶的計算過程。后者的快速多級子算法極大地提高了計算效率,使得計算高頻率和大尺寸汽車電磁兼容問題成為了可能。
4　結語
隨著汽車電子技術的發(fā)展,汽車電磁兼容問題日益凸現(xiàn)其重要性。單純通過測試來解決汽車電磁兼容問題費用昂貴,利用電磁仿真技術可以將汽車電磁兼容問題的發(fā)現(xiàn)和解決過程向前延伸。目前市場上主流的兩款仿真軟件各有千秋,用戶需要根據(jù)實際需要進行選擇。同時需要指出的是,由于建模并不能完全復制汽車實際的電磁環(huán)境,仿真結果會有些誤差,建模技術和數(shù)值計算方法仍有待發(fā)展完善。