汽车电磁仿真技术与应用

　　摘要随着汽车智能化和网联化的发展，对汽车电磁兼容(electromagneticcompatibility，EMC)设计提出了更高的要求.在这一背景下，需要加快提升汽车EMC仿真预测的设计方法和手段，将电磁仿真预测融入整车开发过程中，减少后期整改的时间和成本，以适应新趋势所提出的EMC需求.本文主要介绍了汽车电磁仿真国内外的发展现状，对基于FEKO软件的汽车电磁仿真方法、仿真过程中发现的问题进行了阐述.

　　关键词智能化和网联化；电磁兼容(EMC)；仿真预测；发展现状；FEKO软件

　　引言

　　汽车电磁兼容(electromagneticcompatibility，EMC)实质上是汽车安全与可靠性问题.随着新能源与智能网联汽车的发展，车载电子电器设备数量和种类越来越多，工作频率不断提高，相互间干扰越来越大，EMC问题也越来越多，汽车面临着愈来愈严峻的EMC挑战.对纯电动汽车来说，其动力源、驱动电机及控制系统与传统车辆差异较大，工作电压高、电流大，所以电磁环境更恶劣，使零部件相互干扰，不但会影响汽车周围的无线电设备，而且还会影响汽车内部电子控制单元的可靠性工作，直接关系到车辆的运行安全[1].

　　汽车良好的EMC特性需要好的系统设计，越早考虑EMC问题，针对该类问题所能采取的整改措施就越多，从而成本也就越低.在产品推向市场之后，再进行整改的难度和成本都很高.随着计算机辅助设计(computeraideddesign，CAD)技术的发展，在整车开发阶段引入整车EMC仿真来进行EMC性能预测，尽早发现问题并进行整改，能够大大节约整车的研发成本和开发周期.因此，EMC仿真技术被广泛地应用于整车EMC开发过程中，开展电动汽车的电磁仿真具有现实价值和工程实用意义[2].

　　1汽车EMC仿真技术基础

　　汽车电磁仿真预测通过理论计算对系统EMC干扰程度进行分析预估，需要建立基于EMC的三要素——干扰源、耦合路径和敏感设备的数学模型，然后采用合适的数值方法进行求解计算，再以可视化的形式显示结果，以便直观地观察和评估整车的EMC性能[3-4].

　　1.1主要数值计算方法

　　电磁场计算方法主要有高频近似方法、数值方法和混合方法等.其中数值方法有两大类：一类是以电磁场积分方程为基础的数值方法，如矩量法(methodofmoment，MoM)系列；另一类是以磁场微分方程为基础的数值方法，如有限元法(finiteelementmethod，FEM)等.

　　目前，在电磁仿真预测中，常采用MoM、传输线矩阵法、FEM、时域有限差分(finite-differencetime-domain，FDTD)法等数值计算方法.而MoM在天线辐射、复杂散射体散射以及静态或准静态等领域应用比较广泛，优点是解析部分比较简单，应用比较方便，但是计算量大，对计算硬件资源的需求较高.FDTD法适合宽频带电磁问题分析，如宽带天线和电磁屏蔽效能、雷击等应用，其优点是容易对复杂媒质进行建模，并实时观察场的空间分布，各种散射体和辐射体的散射特性及辐射特性都能精确地模拟，而且计算时间较短；但是，受限于计算机的存储容量，不适用于较大尺寸及细薄结构媒质.传输线矩阵法可以精确地等效空间线缆的走线、缝隙、搭接、通风孔或波导孔、滤波电路和线缆接地等结构传输线模型，在电子设备系统级的电磁仿真分析中比较适用.FEM适用于处理非均匀介质或介质与金属的组合结果、微带结果以及填充非均匀介质或各项异性介质的波导问题，具有较高的计算精度，但是难以处理开放区域的辐射与散射问题.而近些年FEM与自适应网格剖分技术和加密技术相结合，减少了计算时间，降低了对计算机存储量的要求.仿真过程中，通常根据求解问题的类型，选择合适的算法进行求解[4].

　　1.2电磁仿真软件

　　到目前为止，各个软件公司也研制出汽车EMC预测、分析和设计软件，并不断改进及完善其功能，各个软件具有不同的算法和特点，见表1.

　　各个软件都有自身的优势.如CST软件采用时域算法的仿真速率较快.HFSS在电小尺寸的小天线以及高频仿真方面具有很大的优势.FEKO一般采用频域的算法，能很好地解决电大尺寸问题，并且有丰富的算法，针对不同的电磁问题采用不同的算法，因此汽车上的EMC问题基本都能进行仿真预测，但是对于宽频带的情况仿真速度较慢，而且对硬件配置要求较高[5-6].本文也主要以FEKO为例，来讨论电磁仿真的方法和存在的问题.

　　2汽车电磁仿真研究现状及研究内容

　　2.1国内外研究现状

　　国外的各机构对汽车EMC的基本算法、汽车车体建模进行了一系列研究；也有根据CISPR的标准来建立零部件EMC仿真模型，并据此提出了不用暗室测量部件辐射发射的几个替代法；还有采用多种方法建立汽车上多个部件、线缆的静电放电(electrostaticdischarge，ESD)仿真模型的研究，以及对电机驱动系统电磁干扰(electromagneticinterference，EMI)的机理并建立精确的仿真模型来预测传导干扰研究等[4].

　　近年来，国内的研究人员也对汽车电磁仿真进行了一系列研究.中国汽车工程研究院股份有限公司从2012年开始培养仿真团队，与整车企业合作正向开发项目，进行整车辐射发射、高低压耦合、整车抗扰、天线方向性及布局优化等的仿真预测.西安交通大学、北京理工大学、吉林大学、重庆大学、天津汽车研究所、上海大众、长安汽车公司等高校、汽车厂家、检测机构，在汽车驱动系统、点火系统传导干扰预测电路模型的建立、串扰仿真预测、车载天线性能预测及布局优化等方面取得了显著成效[7].

　　目前，越来越多的汽车企业重视汽车EMC的仿真，如北汽新能源、上汽通用五菱、江淮汽车、蔚来汽车、东南汽车等整车企业都纷纷建设电磁仿真能力，以期将仿真预测手段嵌入整车开发过程中，指导整车设计中的EMC问题.

　　综上所述，目前国内外对电动汽车EMC的预测仿真研究已取得一定的进展和成果，主要研究工作集中在电机驱动系统，对电机驱动系统EMI机理研究也比较成熟，在车载天线性能仿真方面的预测评估也取得较大的进步.

　　2.2研究内容

　　电动汽车具有非常复杂的电磁骚扰形式，频谱范围覆盖较广，传播路径也具有多样化.汽车上EMC主要包括两类问题：整车系统EMC问题和车载天线问题.目前，对汽车EMC的仿真主要从电磁辐射、传导骚扰、线束串扰、抗扰以及天线辐射性能几个方面展开，如表2所示.

　　3汽车电磁仿真研究方法

　　3.1整车电磁建模

　　进行电子设备的电磁辐射仿真，通常需要先将研究对象的三维物理模型转化为电磁模型，再进行电磁仿真[8].因此，车体模型的建立在整车级电磁仿真分析中是关键一步.由于电磁波有特殊属性，考虑到车载器件的工作频率以及车体金属结构上电流分布的趋肤效应，整车建模时车身的网格一般是忽略金属厚度的几何面模型，因此仿真中只需要建立车身金属部分的电磁模型，这样可以大幅度减少仿真时间，提高仿真效率.

　　对于FEKO常用的积分方程方法如MoM，以及基于MoM的多层快速多级子算法(multilevelfastmultipolemethod，MLFMM)，一般选择以三角形面网格来模拟汽车金属模型即可用来进行一系列电磁仿真分析.将面剖分成三角形网格模型，网格尺寸是一个比较关键的参数.在汽车电磁辐射仿真中，网格尺寸与波长的关系为

　　width=87，height=32，dpi=110

　　(1)

　　式中：Lmax是剖分网格中出现的最大尺寸；λmin是仿真时对应电磁波最小波长(最高频率所对应的波长).这里1/10只是理论值，对于FEKO而言，工程应用中该值只要控制在1/5即可(FEKO报错阈值为1/3.5).

　　在电磁仿真软件中，网格数量与占用的硬件资源有很大关系.FEKO中采用MoM计算时，计算复杂度为N×N量级，网格数为n.对于封闭结构金属，未知量N=1.5×n；对于介质，未知量N=3×n，双精度内存需求RAM=16×N2/(10242)MB，单精度内存需求RAM=8×N2/10242MB.因此，网格数量越多占用计算机内存就越多，仿真计算时间就越长，这就对硬件资源有更高的要求，若硬件配置达不到要求，仿真就无法进行.因此，在保持模型逼真的条件下，减少模型的网格数量对于电磁仿真的顺利进行至关重要.对于整车EMC的仿真，通常1GHz以下频率的电磁仿真采用50mm的剖分尺寸即可，如整车辐射发射、RKE天线等；对于1GHz以上频率的电磁仿真，如GPS天线性能的仿真，通常采用30mm的整车网格模型.图1为50mm的网格示例.

　　Fig.1Triangularmesh

　　汽车车体结构通常较为复杂，其中有大量的局部细节，而一般电磁仿真软件在这方面的功能都不强，因此需要借助专业的网格剖分软件，如利用Hypermesh来建立一个合理可靠的整车车体电磁仿真模型.

　　3.2传导干扰仿真

　　整车的EMC干扰主要来自电控主驱、DC-DC、辅驱等电气设备，因此对传导干扰的仿真研究主要集中在车载电力电子变换器、驱动电机及其控制器、点火系统等方面[9].传导干扰的仿真主要是通过分析系统传导干扰的机理，并建立差模干扰和共模干扰的电路模型，以此来预测系统的传导干扰.如建立混合动力电动汽车驱动系统各部分的高频模型，包括逆变器、绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)以及线缆，并搭建传导干扰的等效电路模型，较为准确地预测驱动系统的传导干扰性能[10]；建立电池、逆变器和永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)的SPICE模型，依据标准CISPR25的测试布置进行仿真分析，预测电动汽车逆变器产生传导发射现象可行性[11]；根据变频器电路寄生参数的理论计算方法，通过实验提取并建立电动机高频等效模型，然后建立系统级差模干扰和共模干扰的高频预测电路模型以及脉冲宽度调制(plusewidthmodulation，PWM)上升时间的高频干扰源模型，对变频驱动装置在电网侧和负载电机侧的传导干扰进行预测[12]；基于干扰源加干扰通道的建模思路，在时频域中建立PWM电机驱动系统的等效电路模型，然后建立电机驱动系统的共模和差模干扰的数学模型来进行相互验证[13]；运用阻抗幅频特性测量电机的阻抗特性，并采用最小二乘法拟合的方法建立电机的高频等效电路，通过在电机三相输入端和接地线间施加脉冲电压激励，比较响应电压波形及频谱的仿真和测量结果[14]；建立点火系统传导预测电路模型，分析预测系统的传导干扰，以此来传导干扰的抑制方法[15].因此，零部件等效模型的建立是决定仿真预测是否准确的关键.

　　3.3辐射发射仿真

　　整车辐射骚扰主要由线束上的干扰信号产生，因此对辐射发射的仿真也是基于线束建立仿真模型.例如通过建立直流母线电磁辐射的数学模型，采用多软件联合分别建立整车车身模型、直流母线的电气模型与整体电磁仿真模型，以直流母线上的电流为干扰源，运用MoM与传输线法相结合的方法，仿真分析得到直流母线电磁辐射在车内外的分布规律[16].另外，提出一种基于多端口网络理论的整车EMC预测方法，建立整车上所分析的网络耦合特性和端口等效特性模型，能够进行汽车多干扰源/敏感设备并存情况下的EMC预测，并通过台架试验模拟整车辐射发射问题，来进行有效性验证[17].

　　以电动车辐射发射的仿真分析为例，主要对标电动车辆的电磁场发射强度测试标准GB/T18387-2017以及车辆、船和内燃机无线电骚扰特性测试标准GB14023-2011.在整车建模的基础上，提取标准规定工况下工作的零部件线束，并采集相应线束上的干扰电流作为线束端口的信号激励，仿真得到车辆前、后、左、右四个方向的电场、磁场分布情况，仿真模型如图2所示.

　　通过仿真分析预测在车内主要骚扰源作用的条件下，整车通过公告E4项目存在的风险，包括超标风险频段和超标风险等级，帮助整车厂提前半年左右基本掌握现有设计方案的整车EMC性能水平.若此时发现严重风险，可及时进行整车EMC设计整改.分析结果同时可用于对车上主要骚扰源零部件的EMC特性提出针对性的要求.

　　3.4线束串扰仿真

　　对于线束串扰的仿真，一般的仿真方法是根据测试所得骚扰信号的幅度谱重建其相位谱和时域信号，并结合传统的线缆间串扰参数分析方法，得到敏感设备侧产生的时域骚扰电压，由此评估敏感设备的受干扰程度[18].另一种方法是建立线束等效模型，根据多导体传输线单位长度电容矩阵和电感矩阵的计算方法，推导等效导线的电感矩阵和电容矩阵，以此来研究线束辐射敏感度的问题[19].而对汽车线束中导线相对位置和线束对地高度参数以及由于不同的安装方式和汽车不同的运动状态带来的随机性，可以采用基于混沌多项式展开法的线束串扰统计分析方法，得到表征线束串扰统计特征的相关参数，在保证计算结果准确可靠的同时，大幅度地提高计算效率，能够实现复杂系统线束EMC性能的高效预测[20].图3为两根线束的耦合仿真模型.

　　3.5抗扰仿真

　　整车抗扰的仿真主要分析车载线束、端接电气零部件在受到外界干扰下耦合的干扰信号，为在整车线束电磁模型计算阶段制定零部件和线束抗干扰指标以及布置方式提供科学的依据.整车抗扰的仿真主要对标ISO11451-2标准，通过建立车体模型、线束模型、零部件端口阻抗等效模型以及外部抗扰天线模型，搭建整车级抗扰仿真平台，仿真预测车内重要控制器如车载通信装置(vehicularcommunicationunit，VCU)、控制器(microcontrollerunit，MCU)等布置位置的电磁场分布，以及车载线束耦合的干扰信号、零部件端口的干扰信号在受到外界辐射干扰下的变化，合理布置零部件、线束的安装位置[21].仿真模型如图4所示.

　　3.6天线方向性及布局优化

　　随着车载通信技术和车联网技术的不断发展和进步，汽车对天线的要求也越来越高，车载天线系统涵盖了收音机、无线遥控、GPS、蓝牙、4G上网以及雷达等多种功能.汽车要与外界通信，天线是至关重要的.

　　对于车载天线，由于天线安装位置金属的反射会影响天线的辐射性能，有可能性能良好的天线安装在车上后，在某些方向上辐射或接收信号及能量的能力变差，影响通信效果.图5和图6是某RKE接收天线单体以及装车过后的方向图，比较二者可以发现，天线在整车上的布局和安装，有可能对其方向性造成颠覆性的影响.车载天线的管控流程中，若无法提前预测和优化天线的装车性能，仅通过样车阶段的测试来管控，直接后果就是当天线整体性能不佳导致相关系统功能问题时，已无法解决.因而整车级天线性能的仿真分析对汽车开发，尤其是天线数量日益增多的智能网联车辆的开发，都非常重要.仿真分析能够快速了解天线的性能，以及安装在整车上车体对天线性能的影响，便于进行天线的优化设计.

　　对于车载天线的仿真，主要关注天线方向性、天线工作频率和天线阻抗特性.要保证天线方向性与该天线要求的方向性一致，避免不同位置收发性能差异过大；保证天线的特征频率与该天线的通信频率保持一致，实现良好的收发性能；保证天线系统的特征阻抗保持良好的匹配度，避免因为阻抗不匹配产生的反射使得收发性能降低.如GPS天线，要求主波瓣垂直向天空，旁瓣越小越好，且主波束内方向均匀性应满足要求.而收音机天线通常为全向天线，要求在某些水平剖面上的全向性达到要求，无明显盲区，与水平面垂直方向的波瓣越小越好.遥控钥匙天线与收音机天线类似.

　　对于天线性能不满足要求的情况，要进行天线的优化，主要从天线在车内的布局、天线结构的朝向、天线与周围金属结构的相对位置关系等几个方面进行考虑.通常仿真分析天线的反射系数和汽车上不同位置处天线增益方向图的变化情况来评估天线不同布局方式的优劣性[22-23].另外，可以通过分析理想导体平面上收发天线对的电磁耦合度，以及车辆车载收发天线间的电磁耦合，来评估车载多天线之间的相互影响[24-25].

　　4汽车电磁仿真过程中的问题

　　整车电磁仿真领域的研究和应用在近些年发展迅速，限于工程应用的时效要求和成本要求，十分精确的仿真有时是不经济或者不可行的.但提出该领域面临的问题仍然有助于我们进一步提高仿真效率和准确度，用有限的计算条件去得到更好更实用的仿真分析结果.以下以FEKO软件为例，列举了我们在工程开发中发现的一些问题，可能并不适用于所有软件和算法，在此仅供读者参考.

　　1)由于计算量的原因，对整车模型作了简化，从而导致仿真不够准确.电磁仿真与其他结果、流体等仿真不一样，由于算法迭代过程计算量大，对计算机计算内存提出很高要求.如表3所示是几种不同仿真所用资源和时间，可以看出，未知量数量的增多，对硬件资源及时间的需求急剧增加.

　　用三角形面网格进行车体金属体的模拟，为了减少资源的占用，一般通过增大网格剖分尺寸方式来减少网格的数量从而达到目的，而网格尺寸较大往往会丢失一些细节，如微小金属结构、孔缝，复杂曲面的简化，这样会造成一定程度上的失真.对于一辆四座的汽车，采用30mm和50mm剖分得到的网格数量相差较大，如表3中序号4和5所示，按照30mm更精确地建模，会产生约33万的未知量.而将其按照50mm简化剖分，未知量接近14万左右，这样会很大程度减少内存和时间的使用，但也会造成一定程度上的失真.另外，建模过程是将汽车上各个部件分别剖分，然后在金属连接的位置通过网格连接保证点连接性，这同样与实车上的电磁环境有一些差别，也是失真的来源.

　　在实际工程应用中，为了减少仿真时间，可以增大车体网格剖分尺寸，这样会很大程度上减少网格数量，从而减少仿真时间，但这会导致网格失真较严重.而减小车体网格剖分尺寸虽然能够一定程度上提高仿真精度，但又会占用过多的计算资源和时间，实际工程开发中往往满足不了.因此，需要对车体模型进行合理简化，要求所建立的整车网格模型，既不能过于消耗计算资源，又必须能够准确描述车内外的电磁波传递过程.

　　以整车抗扰的仿真为例，目前的研究情况是对于中控台、挡风玻璃等金属遮挡较少的位置，车身金属的反射对该点的场强影响较小，因此仿真能够较好地预测这些位置的场强分布.而对于车身内部座椅、地板等位置，由于车内金属较为复杂，金属的反射影响较大，仿真建模时忽略掉的小块金属都可能对测试点处的电场产生很大的影响，因此采用仿真方式还不能精确地预估汽车内部的场强分布.

　　2)线束建模方法与实际情况有差别.在FEKO中线束的建模是采用提取线束路径，然后在FEKO里设置相应的尺寸及材料的方式，在线束端口添加采集到的干扰信号作为仿真的激励，利用传输线矩阵法进行求解.如辐射发射的仿真，若骚扰线束是屏蔽线，由于软件功能的限制，并不能直接在屏蔽层上加激励，只能用单线代替屏蔽线的屏蔽层的方式建模，但这样可能会引起结果的误差.

　　3)干扰信号采集及数据处理过程问题.目前，干扰信号的采集是通过电流探头连接示波器采集线束上的时域信号，需要通过傅里叶变换将其转换成频域的电流信号，导入软件中作为仿真的激励.而电流探头本身会引入部分干扰，需要判断哪些频点是底噪，然后将其排除进行仿真.另外，为了缩短仿真时间，在工程开发允许的时限内完成仿真，工程师往往会选取部分主要频点对应的电流作为激励进行仿真分析，这会导致有些次要频率被忽略，其响应无法在分析结果中体现.对于宽频带的电磁仿真，需要能够快速准确进行计算的算法，来推动仿真分析在实际车型开发中的工程应用.

　　4)端接阻抗问题.整车电磁仿真过程中，所有线束的末端都有对应的零部件连接，需要设置端口阻抗特性.实际工程应用中，每一根线束所连接的零部件，在不同工作频率下的等效阻抗都不相同.要实现精确的仿真，需要建立每一个零部件的等效电路模型，这对于一些高阻的小信号电路来说，相对容易，但对于低阻的电流驱动电路来说，有一定难度.整车上线束连接极其复杂，考虑到工程可行性，对所有线束的端接都精确建模是不现实也不经济的.因而确定哪些线束与其端接的零部件是影响仿真结果的重要因素，就成为非常重要和亟待解决的问题.

　　5)车载天线建模及验证测试问题.通常天线建模是由零部件厂商提供对应的印制电路板(printedcircuitboard，PCB)模型以及介质基板或其他材料的参数，在此基础上建立用于电磁的模型.但是，有时候天线厂家并不愿意提供原始PCB模型，这就需要利用游标卡尺等测量天线各部分的尺寸，然后建立仿真模型，这可能会引起模型的一些误差，特别是对于频率较高的天线，些微的偏差可能对结果产生较大的影响.不确定的材料参数也会对结果影响较大.通过实际测试验证天线建模的精度，只有天线单体建模精度满足要求，才能将其安装在整车上评估其装车后的性能，而车载天线单体的性能测试目前还没有依据的标准，各实验室也只有自己制定测试方案.因此，确定统一的车载天线及整车级天线性能测试标准也是需要解决的问题.

　　6)车载分集天线的仿真分析与评估问题.虽然应用范围较小，但分集天线在汽车行业也有应用.分集天线是通过在车上多个位置布设面向同一应用的天线，并通过将多个天线的信号进行分集叠加，以增强接收信号或改善信噪比的天线.但分集天线的分析是面向单根天线进行还是将同一系统的多根天线同时分析，其分集效应如何评估，仍在讨论中，尚无定论.

　　尽管国内汽车行业对电磁仿真的研究和应用近些年取得了长足的进步，但实现高准确度仿真和高效仿真仍然是将仿真应用到工程实际中不可回避的问题，其中充满了有趣的挑战.

　　5结束语

　　电动汽车和智能网联汽车的迅速发展必然会带动汽车行业对电磁仿真的需求飞速增长.我国汽车行业对电磁仿真的应用也还处在初级阶段，推动电磁仿真真正高效准确应用于整车开发，需要学术界和工业界深度合作，携手并进.