當(dāng)今的汽車,應(yīng)用電子技術(shù)的程度已成為提升汽車技術(shù)水平的重要標(biāo)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(nèi)部的電磁環(huán)境日益復(fù)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(gè)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(yīng)商負(fù)責(zé)解決。零部件構(gòu)成的電器系統(tǒng)以及包含車身等構(gòu)架件在內(nèi)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(shè)計(jì)→仿真→測試→整改4個(gè)步驟。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)者在電路布局、結(jié)構(gòu)封裝、屏蔽材料、濾波裝置以及軟件上都可以進(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(shè)計(jì)首先要根據(jù)車型的安全性、性能、功能和目標(biāo)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(biāo);其次,要制定電磁兼容性控制計(jì)劃和試驗(yàn)計(jì)劃;然后,還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對系統(tǒng)和整車層面的電器構(gòu)架設(shè)計(jì)提出要求。主要是與電磁兼容密切相關(guān)的天線設(shè)計(jì)、線束布局、總線接收器物理層的ESD保護(hù)、車身搭鐵、RF器件的頻率分配等?，F(xiàn)代汽車的電器設(shè)計(jì)中已經(jīng)應(yīng)用了如圖2所示的電磁兼容措施。
 

然而,汽車電磁兼容設(shè)計(jì)對電磁理論基礎(chǔ)的要求很高,與國外先進(jìn)整車企業(yè)相比,國內(nèi)的整車企業(yè)在這方面還有相當(dāng)差距,尚處在摸索和經(jīng)驗(yàn)的初步積累階段。目前,國內(nèi)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(gè)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(yīng)商根據(jù)整車廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行零部件測試,測試合格后才能用于裝車并進(jìn)行整車的電磁兼容測試。而整車的測試分為診斷測試和認(rèn)證測試兩類。診斷測試一般針對工程樣車進(jìn)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(hù)提供設(shè)計(jì)依據(jù),它同時(shí)也是仿真所需要參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的直接來源。認(rèn)證測試則是依據(jù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)包括國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
汽車電磁兼容仿真是一種結(jié)合理論通過計(jì)算機(jī)模擬分析問題的方法。在電磁兼容測試之前進(jìn)行仿真可以在設(shè)計(jì)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(shù)或成本障礙。目前,國內(nèi)整車廠在電磁兼容仿真的研究還非常少,這主要是因?yàn)? (1)國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的車型較少,多為直接引進(jìn),缺乏仿真數(shù)據(jù)的積累; (2)與電磁兼容設(shè)計(jì)相同,電磁仿真對電磁理論基礎(chǔ)的要求很高,國內(nèi)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(dāng)?shù)暮喕紝?dǎo)致與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)的仿真結(jié)果; (4)汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)存在電大與電小結(jié)構(gòu),對建模技術(shù)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(yù)測的研究內(nèi)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(shè)備的數(shù)學(xué)模型,并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解這些模型,以評估系統(tǒng)各敏感設(shè)備是否滿足預(yù)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(yù)測最重要的一步,所建立的模型與實(shí)際樣車的匹配程度將直接決定仿真結(jié)果的精度與實(shí)用性。而且建模往往占據(jù)整個(gè)仿真過程70%以上的時(shí)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?dāng)_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(shè)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(diǎn)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(shí)際車況的模擬,可以使用示波器測量干擾源連接導(dǎo)線上的電壓/電流波形,從而建立干擾源的時(shí)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(jì)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(jì)算頻率越高,網(wǎng)格劃分要求越精細(xì)。同時(shí)在干擾源和耦合路徑附近的車身電磁網(wǎng)格也要適當(dāng)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(jié)構(gòu)參數(shù)精度要求并不高,對結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)可以忽略。
(3)敏感設(shè)備:對敏感設(shè)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(shè)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(dǎo)干擾,可以通過分析到達(dá)敏感設(shè)備的電壓/電流峰值、持續(xù)時(shí)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(shè)備處的場強(qiáng)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(jié)果的簡單例子進(jìn)行仿真,將仿真結(jié)果與測量結(jié)果進(jìn)行比較,并根據(jù)比較結(jié)果對模型進(jìn)行反復(fù)修正,增強(qiáng)模型的匹配程度。

3　電磁兼容仿真軟件介紹
3.1　數(shù)值計(jì)算方法
仿真軟件的核心就是其數(shù)值計(jì)算方法。隨著計(jì)算電磁學(xué)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(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。
不同的計(jì)算方法有其針對性也有其局限性:時(shí)域有限差分法適合計(jì)算寬帶問題,可以處理復(fù)雜非均勻介質(zhì),但對微小結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分要求精度很高,因而對內(nèi)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(zhì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的問題,但開域的外部邊界條件不易確定;矩量法因?yàn)槠鋽?shù)值積分的本質(zhì)允許任意形狀的網(wǎng)格劃分,適合對介質(zhì)表面進(jìn)行模擬,但不易處理多層介質(zhì)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(fù)計(jì)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(jì)算電磁場和電磁兼容問題的軟件,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(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; 3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。
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(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。
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)。
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。EMCStudio 內(nèi)嵌REMESH工具具有強(qiáng)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(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。

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)。
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)。
(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(jì)算復(fù)雜線束,需要兩個(gè)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(xué)法、一致繞射法。CableMod使用傳輸線和電路分析法計(jì)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(nèi)存的需求,從而大幅縮短計(jì)算時(shí)間,可以計(jì)算電大尺寸問題。同時(shí),FEKO具有自動優(yōu)化計(jì)算模塊,可以方便地對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和選擇,為EMC設(shè)計(jì)提供參考。但由于是兩款分離的軟件,在計(jì)算車身內(nèi)包含復(fù)雜線束的電磁干擾問題時(shí),需要分步進(jìn)行。以外界電磁場干擾車身內(nèi)線束為例:要先用FEKO
對不含線束的車身進(jìn)行計(jì)算,得到其表面電流并導(dǎo)出為RSD數(shù)據(jù),再將這個(gè)RSD數(shù)據(jù)作為激勵源導(dǎo)入CableMod計(jì)算其對線束的干擾。
前處理:強(qiáng)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(dǎo)入。但不具備復(fù)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(jì)算結(jié)果。
診斷功能:利用EDITFEKO里面的選項(xiàng)卡功能進(jìn)行模型錯(cuò)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(jì)算的工具,能夠滿足汽車線束所有的建模和計(jì)算需求。
EMCStudio 和FEKO+CableMod兩者相比,前者針對性很強(qiáng),完全符合汽車電磁環(huán)境的建模和計(jì)算。其混合算法方便了用戶的計(jì)算過程。后者的快速多級子算法極大地提高了計(jì)算效率,使得計(jì)算高頻率和大尺寸汽車電磁兼容問題成為了可能。
4　結(jié)語
隨著汽車電子技術(shù)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(fèi)用昂貴,利用電磁仿真技術(shù)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(shí)際需要進(jìn)行選擇。同時(shí)需要指出的是,由于建模并不能完全復(fù)制汽車實(shí)際的電磁環(huán)境,仿真結(jié)果會有些誤差,建模技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法仍有待發(fā)展完善。