整车辐射发射的EMC仿真

张 靖，袁正萍，徐 贤，张明凯，何华强

（东风汽车有限公司 东风商用车技术中心，武汉 430056）

1 背景

1.1 汽车电磁兼容（EMC）的重要性

随着汽车电子技术的发展，以及人们对汽车的安全性、功能性和舒适性的要求越来越高，相应的汽车内电子设备的比例出现了革命性地提高，电子设备的复杂度也发生了根本性的变化，从而使得汽车电磁兼容问题变得非常复杂。汽车电磁兼容问题是国际汽车业界公认的技术难题，而它又是考核汽车性能的一项重要指标，即有相应的汽车EMC国际和国家标准来评估汽车EMC性能。故针对汽车流动性的特点，研究汽车电磁兼容问题以提高汽车安全性和可靠性，并保证汽车不影响周围设备的正常工作，已成为当前非常迫切和重要的研究课题。

1.2 整车EMC开发流程

1.2.1 整车EMC开发介入时机

整车在开发过程中，EMC开发介入的时机对成本以及可采取的整改措施有着非常大的影响。如图1所示，横轴为整车开发各个阶段，纵轴为对应的EMC开发成本和可采取的整改措施的曲线。

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，设计者在部件、接地、布线和匹配方面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，往往只能在匹配方面做改动，且整改的成本将很高。

1.2.2 整车EMC开发流程

如图2为一个整车EMC开发流程，首先根据目标市场，EMC法规标准及积累的实践经验进行整车EMC需求分析，然后一方面将分析得到的EMC需求用于整车结构设计中，包括网络拓扑设计、部件布局设计、布线设计和接地设计；另一方面将EMC需求进行电磁兼容指标分配，即将EMC需求分配给各个零部件，包括零部件测试项目设计和EMC指标分配，并在此基础上制定零部件EMC测试计划并审核，审核通过后，执行零部件EMC测试并审核测试报告，所有零部件EMC测试报告通过后就可装车进入整车EMC测试流程。在整车进入EMC实验室进行认证测试前，要进行整车EMC预测试，即在非暗室条件下，用近场测试方法定性分析整车EMC性能，在低成本下进行EMC测试及整改，预测试通过后进行整车认证测试可大大提高认证测试通过率。

1.2.3 整车EMC仿真的引入

在整车EMC的开发流程中，零部件装车前必须通过零部件EMC认证测试，但是并不表示这些零部件装车后，整车能够通过标准测试。故后续还是会进行大量的EMC测试及整改，这样会给整车研发成本和研发周期带来较大的压力。随着CAD技术的发展，EMC仿真技术也越来越多应用于整车EMC开发过程中，即在整车测试之前引入整车EMC仿真，尽早发现问题进行整改，大大节约了整车研发成本和开发周期。故根据产品研发的生命周期,一个更加理想和完整的整车EMC开发流程可以归纳为设计→仿真→测试→整改4个步骤。

整车辐射发射的EMC仿真是汽车电磁兼容性研究的一个很重要也是相当有难度的一个环节，本文就是基于此背景下，在整车研发阶段引入EMC仿真，并结合过往车型的EMC测试数据和记录进行深入分析，就可以在汽车设计早期发现绝大多数EMC问题，为企业减少成本和时间。

2 汽车EMC仿真软件

2.1 数值计算方法

EMC仿真软件的核心就是其数值计算模块。针对介质中电磁场、电磁波等传播规律的描述一般比较复杂，目前在电磁兼容领域普遍采用的是数值分析法进行模拟。随着计算电磁学的不断发展,产生了很多种基于Maxwell方程组的数值求解方法：时域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM），矩量法（MOM）、传输线矩阵法（TLM）、局部源等效电路法（PEEC）等。这些方法是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。

2.2 仿真软件的选择

目前市场上出现了很多种电磁兼容仿真软件,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:计算全三维电磁问题;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；三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。

本文根据以上要求，结合汽车电磁兼容的特点，选择了目前市场上适用于汽车电磁兼容仿真的主流仿真软件EMCStudio。

2.3 EMCStudio仿真软件介绍

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。其功能特性简要描述如下：

1）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。

嘉善旅游资源独特、文化形态丰富。从20世纪90年代开始，嘉善依托得天独厚的区位地理优势和资源特点，坚持政府主导战略，嘉善文化旅游走出了一条以西塘“古镇旅游“为突破口，发挥“水乡、古镇、田园”文化特色，主动融入“大上海旅游圈”发展之路，成为县域旅游经济的典范。可以借西塘古镇的知名度和共享旅游市场人群，通过文化嫁接和转换，把田歌文化元素植入西塘旅游中，在古镇以及周边启动开发出以田歌为背景的旅游项目，通过西塘旅游来推动田歌文化传播和发展。

2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

综上所述，EMCStudio针对性很强,完全符合汽车电磁环境的建模和计算。且其混合算法大大方便了用户的计算过程。故EMCStudio仿真软件是进行汽车电磁兼容问题仿真分析的一款非常实用的软件。

3 多级联合EMC仿真方法

汽车电子的EMC问题具有区别于其他电子产品的特点，其覆盖范围十分广泛，从电路到PCB、子系统、直至整车系统。虽然EMC仿真技术在无线射频、消费电子等领域具有一定的应用基础，但是由于汽车电子自身的特点，整车级的汽车电子系统EMC分析需要从电路到整车系统的多级联合EMC仿真，具体流程如图3所示。

3.1 干扰源模型建立

产生辐射发射的干扰源一般是车辆上的电子控制部件和其执行器，整车上包括多个辐射干扰源。干扰源模型可以通过电路或PCB仿真获得，也可以通过零部件试验测量，以试验结果作为干扰源模型输入，如图 4（b）所示。

3.2 线束的网络模型

在仿真分析中，各电子部件之间的互联线缆需要被离散为传输线的网络模型，进而进行求解。在此模型中，每个电子部件是网络上的干扰源设备或负载设备，如图4（c）所示。线缆本身作为传输线，在仿真分析中，需要求解传输线上的自身电流分布，以及传输线之间的线间耦合、传输线与车身金属之间的感应电磁场耦合等等。

3.3 车身的网格模型

由于电磁波的特殊属性，EMC仿真中只需要建立车身金属部分的模型，一般可以由三维设计图导入EMC仿真工具中，经过有技巧的模型简化处理而得到。考虑到车载器件的工作频率以及电流分布的趋肤效应，车身的网格一般是不需要考虑金属厚度的几何面模型，这种模型可以大大的节约仿真分析计算的时间。

3.4 仿真求解

建立上述的模型之后，就可以对干扰源、互联线束、车身等效模型，进行多级联合仿真求解。使用电路仿真方法（如PSpice、PEEC）求解干扰源端噪声大小，使用传输线仿真方法（如TLM）求解线缆电流分布，使用全波仿真方法（如MoM、FDTD）求解串扰及车身金属上的电流分布。一旦求解出源端噪声、线缆电流分布、车身电流分布，即可计算出车辆表面上任意位置的辐射发射大小以及感应电流分布等等，具体如图 4（d）所示。

4 车辆辐射发射仿真

4.1 问题描述

根据GB14023:2011的要求，整车辐射发射考量的是在距离车辆10 m处，车辆上的电子电气部件对外传播的电磁辐射量值。测量方位至少应该包括驾驶员侧和副驾驶侧。为了进行分析验证，本文对驾驶室内的部件造成的辐射发射进行仿真，如图5所示。

4.2 整车模型

从整车设计的CATIA图纸中提取车身模型导入仿真工具中，为了简化分析时间，仅保留车身金属部分，因为非金属部分对电磁干扰的影响非常小，这样可以提高计算速度。导入模型的金属部分是有厚度的，而由于趋肤效应，电流只会在金属的表层分布，因此可以把车身模型简化为无厚度的金属表面。同时，为了模拟实际测试场地信息，还应建立地表面模型，即无限大理想导电平面，而车辆应该置于地面上的合理高度。

车身金属表面必须离散为网格，仿真计算要求解的是每个网格上的电流分布，网格划分的大小由仿真所关注的频率λ决定，一般为网格大小为λ/10，即网格的尺寸不能超过关注的频率的十分之一波长。

经过上述步骤，最终形成的车身离散网格模型如图6所示。

4.3 线束模型

驾驶室内包含若干个EE部件，但由经验和理论分析可知，辐射发射较大的部件主要为部件A和B，其中部件A位于仪表板下方，部件B位于驾驶员座椅下方。二者的线缆合成一股车身线束，通过连接器与底盘线束对插，两个部件均采用双线制供电。

选取可能包含较大干扰的线束端口，以实车线束布置作为计算路径，在仿真软件中建立线束分析模型，此线束模型中包含了多根硬线。再依据λ/10原则，把线缆按照传输线理论进行离散，进而形成传输线网络模型，部件A和部件B简化为网络模型上的一个节点。

4.4 干扰源模型

干扰源模型通过电路/PCB仿真的方法来建立，部件A的源模型建立如图8所示。将PCB导入仿真工具并提取可能产生干扰的关键电路，离散为PEEC网格模型。通过模型计算环绕ECU的封闭表面上的电磁场分布，即惠更斯等效的表面电流分布，这些等效电流将会耦合到ECU周围的电缆中。计算中应该考虑车身因素，ECU应该放置在距离金属地面8 cm处，这也相当于在真实汽车上的情况。

4.5 模型求解

将上述整车、线缆、源的模型进行多级协同仿真，使用MoM方法求解线缆和车身金属表面的电流分布，如图9所示。

所有的串扰、反射、散射等电磁传播作用都会在仿真中得到计算。只要获得了线缆和车身金属表面的电流分布（这个分布是频率的函数），就可以求解出该频率下任意位置的电磁场大小。如图10所示。

4.6 结果分析

10 m处的辐射发射仿真结果如图11、12所示，图11a代表垂直极化结果、图12a代表水平极化结果。在实际测试中，仅激活驾驶室内的EE部件，将测量得到的结果(图11b，图12b)跟仿真结果进行对比验证。分析结果表明，EMC仿真较好的预测了整车辐射发射的趋势。EMC仿真和实测结果的定量对比如表1所示。

表1 仿真与实测结果对比

5 结论

本文首先介绍了整车EMC仿真课题的背景，然后介绍了汽车EMC仿真软件，并在此基础上研究了一种整车发射的EMC仿真方法，即多级联合EMC仿真方法，深入分析了其仿真流程和原理，并结合一个仿真实例验证了该仿真方法很好的预测了整车辐射发射的趋势。故该多级联合EMC仿真方法可用于整车EMC设计阶段，尽早发现EMC问题并进行整改，以免把风险留到后面进行EMC测试及整改，从而大大降低成本和研发周期。

［1］GB14023-2011，车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车外接收机的限值和测量方法［S］.

［2］EMC Studio Manual，Version 4.1［C］，EMCoS，2008.

［3］S.Frei，R.Jobava;Coupling of Inhomogeneous Fields into an Automotive Cable Harness with Arbitrary Terminations［C］，14th International Zurich Symposium on EMC；Zurich，2001.

［4］F.G.Canavero，The Challenge of Numerical EMC［C］，Proc.of the Euro-PAM'99 Conference，Darmstadt，Germany，October 1999.