整车重点区域场强仿真与分析

王 冲，鲍 宇，郭加加，任桂莹，王东升

（中汽研 （天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

随着汽车电子化、智能化、网联化的发展，车辆内集成的电器零部件日益增多，汽车EMC风险不断提高。整车自由场抗扰测试为整车EMC常规测试项，为测量车辆在不同抗扰波形下的车内电器部件的EMC抗风险能力。在自由场抗扰测试中，车内电器零部件存在失效风险，造成整车零部件设计布置难题和零部件抗扰能力管控困难。在整车开发过程中，可在前期模拟整车自由场抗扰，计算车内重点区域场强，分析零部件布置风险，为整车零部件布置及管控提供指导。

本文模拟整车自由场抗扰，对车内关键位置的电场强度进行仿真与测试。在20~1000MHz频段内，施加75V/m抗扰强度波形，仿真计算车内重要位置电场强度，并通过测试验证仿真准确性。通过结果分析，评价车内不同位置的电器零部件的抗扰要求。

1 仿真软件

本文中采用电磁仿真软件Altair FEKO进行仿真求解计算，该软件可以对多尺度电磁问题进行有效精确仿真求解。其核心算法为矩量法 （Method Of Moment，MOM），计算单元为三角形。

矩量法MOM算法广泛用于各种天线辐射、复杂散射体散射以及静态或准静态等问题的求解。矩量法是一种严格的数值方法，其精度主要取决于目标几何建模的精度和正确的基，权函数选择以及阻抗元素的机损等。求解电磁问题对应的麦克斯韦方程组可以归结为求解如下的算子方程：

式中：x——未知等效流或场；b——已知激励源。用MOM算法求解该算子方程的步骤如下。

1）选择一组带有未知数的基函数{ji}Ni=1表示未知的等效流或场，即

2）选择加权函数或检验函数tj，并对算子方程两边求内积得：

式中：［A］——N×N的矩阵，表征阻抗网络；［a］和［f］——均为N×1的向量；［a］——电流系数；［f］——激励向量；N——未知量数目。

3） 用直接法或迭代法这一矩阵方程［A］［a］=［f］，从而获得等效流或场的未知数向量［a］。

4）由求得的等效流带入积分方程求解任意点的场。

用MOM法求解电磁场问题的优点是能够严格计算各子散射体间的互耦，保证计算误差的系统总体最小而且不会产生数值色散问题。

2 仿真建模

1）整车网格模型创建

为模拟整车自由场抗扰测试，需建立整车仿真模型。因采用MOM算法，需使用三角形贴片网格建立整车模型。首先，收集某MPV车型3D数模，并进行模型简化；去除车内塑料结构及小尺寸金属部件，保留白车身、电器零部件等。然后使用Hypermesh软件，对车体模型几何清理，填补尺寸孔洞，压缩多余边，保证模型表面简化，方便网格剖分。最后对车体结构进行网格剖分，并连接为整车网格模型。整车理想网格为等边三角形，网格尺寸应为最小波长的1/10。考虑到自由场抗扰频段为20~1000MHz，该频带过宽，波长变化大，因此需建立2套不同尺寸的车体网格模型，以适应于不同计算频率的算例。图1为车体网格模型，车辆网格参数详见表1。

图1 车体网格模型

表1 车辆网格参数

2）抗扰天线建模

实车自由场抗扰测试中，在20~1000MHz频段内，采用2种测试天线对车辆施加干扰，如图2所示。为模拟实车测试，需建立2套抗扰天线模型。通过测量与收集2种自由场抗扰天线设计数据，在FEKO软件内下，对于天线进行天线建模。抗扰天线为不同类型的对数周期天线，天线激励源为天线前部顶端。在创建对数周期天线后，仿真计算天线方向图；方向图的方向性符合预期，最大辐射方向为沿着集合线从最长振子指向最短振子的方向。因此，可采用该天线进行自由场仿真计算。

图2 抗扰天线模型

3）抗扰天线校准

根据对数周期天线的辐射特性，为达到同一发射的电场强度，在不同频段需施加不同的前向功率。图3为收集到的测试常用前向功率数据，从图3中可知，从低频到高频，前向功率是由大变小的。在ISO 11451-2的测试标准要求中，对测试天线采用4探头法标定。在天线前部2m处设置4个探头进行天线标定，高度分别为0.5m、0.8m、1m及1.2m。依照测试前向功率曲线，并参照ISO 11451-2进行仿真天线的标定；在仿真模型的天线馈源设置加载功率，设置4个观测点进行场强校准。不断调整功率值，当4点场强平均值达到75V/m时，加载功率正确。以此逆向得到仿真天线的发射功率曲线。

图3 75V/m抗扰强度-测试前向功率曲线

3 车内场强求解

为模拟暗室环境，在FEKO软件中建立无限大的金属地板，其他方向为空气材质。导入整车及天线模型，并依照自由场测试标准进行移动布置。抗扰测试天线为垂直极化，车辆参考点与天线间距为2m。在车内仪表、多媒体屏幕、副驾气囊、挡位开关、车内后视镜共5个位置设置观察点。运行FEKO软件进行求解车内场强。自由场仿真布置如图4所示。

图4 自由场仿真布置

4 车内场强测试

为验证自由场抗扰仿真的准确性，需对样车进行实测验证测试。在暗室环境下，通过抗扰测试天线对样车施加75V/m抗扰无调制波形，并在5个车内重要区域布置探头，用于测量观测区域的电场强度。为减少车内电器零部件的电磁干扰，需将车辆断电。车内场强测试探头布置如图5所示。

图5 车内场强测试布置

5 结果分析

将车内5个位置的自由场抗扰测试场强结果与仿真场强结果对比分析。对比5个位置的测试结果，发现挡位开关处，在20~200MHz出现明显的尖峰。此位置出现谐振，导致场强较大，大大超过75V/m抗扰强度。同时，屏幕处场强亦高，并在多个频段超过75V/m。针对该问题进行车内场强分布计算，图6为168MHz处的车内场强分布图，红色区域场强较大，蓝色区域场强较小。可看出车内屏幕处场强大大超过其他区域，场强高达300V/m。由此可判断，车内中央区域对车内场强有聚集及加强的作用，在该位置的电器零部件需加强电磁抗干扰能力。

图6 168MHz处的车内场强分布

通过仿真与测试数据对比，发现在20~1000MHz频段内，仿真场强数据曲线与测试数据曲线趋势较为一致，对于部分频段的高强度场强预测准确。同时，存在仿真数值与测试数值相差较大的问题，因为整车模型建立过程中，对车体结构进行了简化，导致仿真与实测存在一定的数据差距。图7为仪表、屏幕、副驾气囊处、挡位开关处、车内后视镜处的场强对比图。

图7 仪表、屏幕、副驾气囊处、挡位开关处、车内后视镜处的场强对比

6 结论

本文通过仿真方法研究整车自由场抗扰的车内区域场强分布问题，建立整车模型及抗扰天线模型，搭建暗室仿真环境，计算车内重要区域场强，并通过实车测试验证，确定仿真预测的准确性。通过分析得到如下结论。

1）目标车型车体结构对车内场强分布影响较大。在20~200MHz，车体存在谐振，造成车内中央区域场强增强，大大提高了电器零部件EMC风险。电气零部件布置中需要绕开这些位置或对该位置部件提高抗扰要求。

2）该自由场抗扰仿真方法预测较为准确，可计算出车内重点区域的场强，预测出场强在频域上的变化趋势。在整车开发阶段可通过此仿真手段预测车内场强分布情况，调整零部件布置位置或对零部件辐射抗扰强度提出针对性的要求，以辅助整车电气系统的开发工作。