[电磁兼容]整车系统级EMC计算机数值仿真分析关键技术的探究 [复制链接]

随着整车产业的不断发展，整车电子技术的应用，整车正由传统的机械化时代向着电子化时代迈进。根据有关人士的统计，目前研发、研制的整车电子电器成本已达到了30%。同时，在信息化的触角不断伸入到人类生活的每一个角落的环境下，传统整车技术与现代信息技术相结合，体现在整车与网络技术的高度结合的网络整车概念也逐步形成。同其他电子、电气设备类似，整车也不可避免地需要解决其电磁兼容性（EMC）问题。目前，许多国家和国际性组织都制定了整车电磁干扰和电磁敏感度标准。尤其国外著名整车厂在建立暗室及编制试验规范的基础上，与相关科研院校合作，开始着手数值仿真分析工作。

    著名的通用整车公司（General Motors）正在与美国Missouri-Rolla大学电磁兼容实验室合作，研究专为整车设计而开发的系统级电磁兼容专家系统。欧洲‘AutoEMC’工作组正致力于开发一整套用于整车电磁兼容仿真和预测的计算机仿真方法。该工作组由欧洲两大整车制造商(宝马和雷诺)、欧洲两大软件提供商(ESI和Analogy),菲亚特技术研究中心，以及电磁兼容咨询服务提供商等组成。欧盟还组织了一个‘GEMCAR’项目组，该项目组致力于开发一整套实用的整车电磁兼容计算机建模的准则，它认为计算电磁技术将在整车的设计和开发上会获得越来越多的应用。工作组由欧盟5个国家中的九个组织组成，其中包括整车制造商、整车电器厂商、软件提供商、第三方认证机构、以及有丰富电磁兼容仿真经验的航空局等。但是，由于国内整车电子工业处于相对落后地位，整车电磁兼容问题一直没能得到很好的重视，整车电磁兼容方面的工作也还处于测试认证的水平。

    本文以开展整车EMC数值仿真分析工作为背景，融合行业内认证测试标准，探讨了针对车辆EMC问题数值仿真分析工作的关键性技术。

一、 整车系统级EMC数值仿真分析

1.1车身、线束模型的建立及前处理

    整车EMC问题数值仿真的精度主要取决于：金属车体、连接电缆、电子控制单元和电子元器件、天线等的实体几何模型及原参数测试。整车电磁系统建模是EMC分析的重要部分，模型建立的合理与否关系到最后仿真数据的可信性和准确性。20年的发展，像整车这样复杂大型电磁系统的数字仿真取得了巨大的进步，使得现在很容易的对整车EMC问题进行建模，以获得通用的电磁耦合模型，防止有意或无意的电磁干扰及潜在威胁。这主要取决于三个过程的并行发展：计算电磁学、数值计算技术以及计算机性能。

一般复杂的车身几何三维模型主要是面向机械性能分析，因此很可能包含大量的局部细节，对于电磁场仿真来说，很多的局部细节结构都是不重要的。因此建立几何三维模型，一般不能直接应用EMC分析，需要通过车身几何三维模型进行优化。在进行EMC分析的表面网格模型剖分之前，需要对车身及线束几何三维模型进行优化处理。如下图为车身模型处理前后对比。

图1　车身模型处理前后对比

    针对复杂的车身几何三维模型的时候，局部细节会带来庞大的计算量。所以针对车身实体几何模型中的不重要局部细节区域需根据经验做相应的预处理。为了使计算机数值仿真可以更加接近实际情况，需要把整个车体模型划分为电导体和电介质。而对于金属车体，可以不考虑传播损耗，即把金属部件等效为理想电导体（PEC）。这样可以大大减少对车身实体参数的输入，而对计算结果的精度影响不大。

1.2仿真激励源的建立

    前期对车身实体几何几何三维模型简化后，就可以直接把几何三维数据直接导入到相应分析软件中。在对整车EMC仿真分析中把恰当的激励源引入到数值计算中对于正确的模拟EMC电磁场问题是至关重要的。选择合理的激励源，可以避免截止频率分量引起的有害影响，而且可以有效地提高计算效率，大大的节省计算时间和计算机内存空间。针对简单的电气总车可以建立其随频率变化的等效电流源或电压源模型（如下图中红圈中所示），对应复杂的控制器类，就需建立其相应的等效电路模型。

图2　等效调制激励源模型及同轴导线模型

1.3虚拟天线标定

由数值分析结果可以得到计算空间中任一点的X，Y，Z方向与计算频率所对应的电场/磁场强度。但是整车实际辐射发射测试认证为采用峰值、准峰值或均值检波方式得到的接受天线端口电压值，而通过计算而得到的空间中一点的场强值实际中是无法测量的。这就导致了计算机仿真分析结果只可以进行不同电磁学计算方法之间结果的对比，而无法同实际测试数据进行比对。所以，在仿真分析中对于计算结果予以特殊考虑。

GB14023（CISPR 12）标准中实际测量系统的电场强度关系表达式为：

F电场强度=R测量仪器读数+AF天线系数+T馈线系数

则根据此式可以对应在模型中建立实车测试中所需要的组合天线，并对其进行虚拟标定。由于仿真计算中无连接导线，则上式T=0。仿真计算结果等同实际测试也为天线端口电压值与标定后的天线系数之和。

图3　虚拟天线及标定

图4　虚拟测试布置

二、 整车EMC数值仿真的关键技术

    在现代整车电子计算机辅助设计中，一项具体的设计措施包含：原有状态分析-设计措施-实施效果的估计验证三个阶段。“原有状态分析”为设计提供依据，“估计验证”是为了检验设计的效果，通常它们都是借助计算机数字仿真技术来事项的。而整车EMC计算机仿真分析是可以在上述全部三个阶段都可以实施的技术并提出指导性建议的技术。整车EMC计算机仿真技术，是解决整车电子技术发展的关键，因此能很好的带动我国整车工业的发展，从而带来良好的市场前景和经济效益。

所以，开展整车EMC计算机仿真分析的迫切性及显著的经济效益是毋庸置疑的，但是实施这项技术并不仅仅依靠单一工作站的数值仿真。由于整车EMC问题是属于整车工业内的交叉领域的范畴，所以进行EMC问题的数值仿真需要车身、电子电控、测试等领域的通配合作。总的来说，如要系统地开展整车EMC数值仿真分析，需要解决以下几项关键技术：

? 前期分析参数整理

前期分析参数主要包括车载电子设备的电气参数和几何参数。这些可以根据设计、装车调试、整车试验的不同阶段由以下方法获得：①根据设计数据得到；②使用相似产品数据代替；③根据经验或资料数据；④实际测试；⑤由规范或标准的数据获得。

? 车身实体几何模型的简化

为了减少不必要的计算量，前期需要对车身几何实体模型进行简化。如微小的螺丝孔、细小的孔缝等，都需要删除。并把有多个平面合成的实体等效为同一个。国外整车厂现有的研究表明，在整车EMC数值仿真分析中，对车身实体几何模型的预处理占全部EMC仿真分析的工作量80％以上。但是目前所针对车身模型的简化并无统一规范化的方法，计算所得到的结果差异很大，所以制定相应模型简化规范十分必要。

? 仿真分析激励源

    无论整车或零部件的传导、辐射干扰，其最基本的原因都是在车内线束中存在无意传导谐波信号。即引起整车或零部件EMC问题的源头是各电气总成中的有意/无意传导干扰信号。在设计初期或零部件装车前，这些信息是未知的，而影响整个仿真分析工作有效性最关键的就是激励源模型建立的准确性。针对不同的控制部件（如ECU、TCU），可以采取简单等效电路抹胸，或SPICE模型、S参数模型或早期型号类似数据代替。而对于结构比较简单的电机类、闪光器类则可根据设计参数建立简单的调制电流源或电压源来等效。

目前，高端整车网络化的电气节点有几十个，与复杂类的电控单元所连接的线束多达上百根，建立这些线束端口节点的激励源模型是不现实的。所以对所有车载电气设备建立所对应的激励源就有所取舍。可以根据大功率设备、关键敏感类部件（关系行车安全）等对应建立模型，而其他相对次要的可以不予考虑。但是对各电气节点模型的取舍问题，并无规范化原则。

三、结论

    目前，国内整车制造行业内掌握整车EMC技术的人员不多，且对EMC技术不重视，总是出现问题后才去解决，对此类技术的重视和投资程度不够。

    开展整车系统级EMC数值仿真分析的最终目的是提高整车电器产品的EMC测试一次性通过率，避免了在产品定型、生产后的实际EMC测试未达标，而采取相应的整改措施，浪费大量的人力、物力，变相地提高了产品的成本。同时也缩短了整车电器产品的研发周期，减少产品成本、缩短开发新车型的周期, 增加新车型更新换代、占领市场的速度，提高整车制造厂商的竞争力。但使整车EMC数值仿真分析融入到产品开发流程、指导设计、进行真正意义的虚拟测试，还有一段崎岖、漫长的路要走。