除雪车电磁兼容仿真分析

李旭俊，莫玉振，陆 地

（中国重汽集团柳州运力科迪亚克机械有限责任公司，广西 柳州545112）

随着汽车功能的日益增多，汽车电子系统也变得更加复杂，而随着汽车的电动化、智能化等趋势，电磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）问题日益突出。电磁兼容设计是汽车开发过程中必须考虑的课题，电磁兼容试验的失败将直接导致整车推迟投产或上市。线束作为供电、传输信号的路径，遍布整车的各个区域，容易产生电磁兼容问题，是汽车电磁兼容设计的重点和难点之一[1]。

传统的产品设计方式遵循的是设计—样品生产—测试的模式，一旦测试不能通过测试标准，就必需按照设计流程重新开始。无疑，这样做的代价是冗长的设计周期和昂贵的设计成本。

本文以中国重汽集团柳州运力科迪亚克机械有限责任公司某型号用于机场跑道除雪车为研究对象，从车辆EMI模型建立到进行EMI仿真分析，提出抑制干扰的一些方法，其几何外观如图1所示。

图1 机场跑道除雪车

1 除雪车身结构EMI模型建立

除雪车系统的EMI模型包括车身结构模型和线缆束模型，车身结构又包含车厢与驾驶舱结构、孔阵结构、细长缝隙结构和车厢内重要设备结构。对这些模型进行合理的简化与等效，才能够有效地降低仿真分析复杂度与提高仿真分析效率。

1.1 车身结构EMI模型的建立

除雪车车体结构由车厢、车架、驾驶舱、属具等构成，属具几何结构复杂，且其位于驾驶舱前侧，对车厢内线缆的辐射场扰动效应比较小（通常测试辐射场的天线位于车体侧面），为了降低计算复杂度，在本研究中忽略属具部分对辐射场的影响，轮胎、观察窗等橡胶、塑料、玻璃材料属于非金属材质，其电导率很小，其对电磁场的扰动可以忽略，因此在简化模型中不必考虑。车厢与车架金属材质的结构对电磁场扰动较大，但一些微小结构可以忽略，一些特殊位置的金属结构如支架对整车EMI的影响也较小，可不必考虑。除雪车车厢与驾驶舱尺寸较大，导致求解域很大，对求解域进行网格剖分的网格数量极大，模型简化就显得十分必要，需要对除雪车车厢和驾驶舱模型进行必要简化，除去对辐射场影响小的细微结构，并使用通风孔阵、细长缝隙的子网格精简模型来模拟实际结构，模型如图2所示。

图2 车身EMI模型

1.2 车内线缆束EMI模型的建立

车厢内线缆束包括电源线与控制、信号线缆束等，这些都是重要的电磁场辐射源。电源线由电瓶出发，将电能传输到各个用电设备；控制信号线则将电控箱的控制信号传送到各个执行设备，同时各设备的执行状态也可反馈到驾驶舱。根据传输线理论，载有直流电流的线缆将产生静磁场，而载有交变电流（包括共模电流与差模电流）的线缆将产生电磁辐射。车厢内各设备通常都具有良导体制成的机箱保护，机箱起到了对内部电路很好的保护作用，一方面限制内部电路的辐射泄漏出设备外部，另一方面则保护敏感电路元件不受设备外部电磁场的干扰。

各设备之间必然存在这能量与信号传输的问题，这些传输依赖者设备之间的互联线缆束。因此，线缆束及线缆接头成为重要的EMI干扰源。为了降低线缆对外辐射，线缆导线外层一般都具有屏蔽层，屏蔽层一般都需要接地，常用的线缆如同轴线、双绞线等的屏蔽层都具有一定的屏蔽效果。然而，屏蔽层并不能完全将导线上的辐射限制在屏蔽层内部，且线缆接头位置也往往存在着电磁泄漏。因此，对除雪车内部线缆束的建模非常重要。建立的简化模型如图3所示。

图3 车内线缆EMI模型

2 除雪车系统EMI仿真分析

在建立完成除雪车系统EMI仿真分析模型之后，设置三维电磁场数值计算的相关参数，包括单位、边界条件、仿真频率、求解器算法、收敛条件、并行求解设置、网格剖分参数、后处理探针等，就可以根据整车的EMI特性进行仿真分析，得到整车的辐射 EMI结果[2]。

2.1 仿真条件设置

根据除雪车电磁干扰标准要求，仿真频段为30 MHz～ 1000 MHz[3]，为保证低频仿真边界频率处的结果准确性，设置的仿真频段需略大于所分析的频段，故仿真分析频段为10 kHz～1000 MHz。由于仿真边界条件要与实际测试情况相符合，即开阔场地或半波暗室仿真（暗室地面为良导体，其余面均为吸波材料组成），为模拟无限大地平面的作用，设置边界底面为Conducting Wall，电导率为s/m，其与车身距离为车辆放置于地面的实际高度，其他五个面为吸收边界条件，模拟无反射的无限大空间。

2.2 网格划分

本项目分网采用Hexahedral TLM方法，即六面体传输线矩阵网格划分方法，对应于TLM求解器[4]。由于电磁仿真中网格是根据仿真频域划分的，网格划分必须在设置仿真频域之后进行，在频率范围设置为10 kHz～1 000 MHz的条件下，采用自适应网格划分方式。

2.3 求解器与收敛条件

本项目三维电磁场的计算采用传输线矩阵法，该方法基于等效传输线法对三维电磁场求解域采用六面体网格进行离散，采用脉冲最为系统的激励信号，一次仿真求解就可以得到系统宽频带的响应，适合求解具有复杂结构、复杂媒质、宽带电磁场边值问题。其求解精度取决于求解域的网格剖分密度及迭代次数，通常来说，网格越密集，精度越高，迭代计算次数越多，系统能量衰减越彻底，精度也就越高。但是，过于密集的网格与过大的迭代次数会导致过长的计算时间和过大的计算资源消耗。本项目求解器收敛的判据主要依据系统电磁能量的衰减情况，当整个系统的能量衰减为-30 dB的时候，认为求解已经收敛，结果已经足够精确。

3 除雪车EMI仿真结果

3.1 车身表面电场分布仿真结果

为了直观地显示出车辆表面电场强度的大小分布，可以采用云图的形式将电场强度显示出来，总体上随着频率增大，车辆表面的电场强度呈现增大趋势。此外，在缝隙、孔阵等电磁能量泄露较大的区域，电场强度也较大，如图4所示为900 MHz的分析结果。

图4 车身表面电场分布云图

3.2 车身表面电流密度分布仿真结果

车辆表面的电流密度分布情况也能够间接反映车辆的辐射情况，900 MHz频率点的电流密度分布情况如图5所示，总体上随着频率增大，车辆表面的电场密度呈现增大趋势。此外，在缝隙、孔阵等电磁能量泄露较大的区域，电流密度也较大。

图5 车身表面电流分布云图

3.3 线缆束EMI仿真结果（如图6）

图6 线束EMI仿真云图

4 结果分析

通过仿真研究可见，车体与车厢能够有效地屏蔽其内部线缆束与设备的电磁辐射干扰，从而降低整车的EMI水平。但是，由于装配、通风散热、观察、维护等需要而在屏蔽体上存在的孔缝却能够泄漏电磁能量，成为减弱车厢屏蔽效能的重要因素。因此，合理地设计车厢与车体结构，提高其屏蔽效能，具有重要意义。

除雪车车载设备的输入输出端虽然都用连接器连接，但接口处密封不好，有明显缝隙，可能导致电磁泄漏。此外，线缆束长度较长，部分线缆的空间分布相当于发射天线，且部分线缆远离接地平面，以上因素均为辐射超标的可能原因。因此需要在满足使用要求的前提下，尽量使用短的线缆，同时减小共模电压，目的是减小共模电流。当共模回路阻抗一定时，减小共模电压就可以减小共模电流，增加电流环路阻抗，另外使用屏蔽线缆，可以使用辐射量变小。

5 结束语

本项目基于CST Design Environment仿真分析除雪车及其相关线路的EMI特性。实现三维电磁场仿真、线缆线束仿真、电路系统仿真并实现场、线、路之间耦合的无缝对接，最终初步得到了除雪车及其相关线路的EMI辐射仿真结果。针对除雪车系统可能存在的EMI超标问题，提出了整改措施。本文的建模、仿真方法可以为除雪车整车及关键部件的电磁兼容分析与设计提供指导及方法支撑，所提出的整改措施可以为其电磁兼容干扰抑制提供参考。