汽车电磁兼容仿真流程

  汽车工业的快速发展和汽车市场的激烈竞争极大地促进了各类电气、电子和信息设备在汽车上的大范围的应用，对于今天的汽车产业，应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要标志之一。电子设备广泛应用于汽车发动机控制管理系统、自动变速系统、制动系统、调节系统和行驶系统中，对汽车的安全性、可靠性、舒适性起着决定性作用。随着汽车电气设备数量和种类的持续不断的增加，工作频率的逐步的提升，汽车内的电磁环境日益复杂。同时，汽车上的电子设备和器件，特别是半导体逻辑器件对电磁干扰十分敏感，经常发生汽车内部电子设备相互干扰的情况。当电磁干扰发生时，轻则导致受干扰的敏感电子设备功能发生降级，重则导致其功能失效，给汽车的安全行驶造成严重影响。

  根据产品研发的生命周期，完整的体系可以归纳为设计仿真测试整改4个步骤。汽车良好的电磁兼容特性来自好的系统模块设计，对电磁兼容问题考虑的越早，处理问题所能采取的措施就越多，相应的成本也越低。如图1所示。

  汽车的电磁兼容性设计首先要根据车型的安全性、性能、功能和目标市场的法规要求提出整车、系统和零部件的电磁兼容指标；其次，要制定电磁兼容性控制计划和试验计划；然后，还要根据经验，对系统和整车层面的电器构架设计提出要求。现代汽车的电器设计中如图2所示。

  然而，汽车电磁兼容设计对电磁理论基础的要求很高，与国外先进整车企业相比，国内的整车企业在这方面还有相当差距，尚处在摸索和经验的初步积累阶段。

  对于整车厂而言，电磁兼容测试分为两个层次：零部件和整车层次。在新产品研究开发过程中的不同阶段，需要零部件供应商根据整车厂标准做零部件测试，测试合格后才能用于装车并进行整车的电磁兼容测试。而整车的测试分为诊断测试和认证测试两类。诊断测试一般针对工程样车进行，最大的目的是寻找干扰源和易受干扰区域，为干扰源的抑制与易受干扰区域的防护提供设计按照，它同时也是仿真所需要参数和输入数据的直接来源。认证测试则是依据电磁兼容标准对车辆是不是满足电磁兼容性要求做出最终判定。电磁兼容标准包括国家标准、国际标准和企业标准。

  汽车电磁兼容仿真是一种结合理论通过计算机模拟分析问题的方法。在电磁兼容测试之前进行仿真可以在设计早期发现电磁兼容问题，减少或避免在后期解决电磁兼容问题而引起的技术或成本障碍。目前，国内整车厂在电磁兼容仿真的研究还非常少，这主要是因为： （1）国内自主设计的车型较少，多为直接引进，缺乏仿线）与电磁兼容设计相同，电磁仿真对电磁理论基础的要求很高，国内在这方面的研究起步较晚； （3）影响汽车电磁兼容的因素比较多，仿真过程中任何对模型不适当的简化都将导致与真实的情况相去甚远的仿线）汽车结构较为复杂，同时存在电大与电小结构，对建模技术及算法的效率要求很高。

  建立正确的仿真模型是汽车电磁兼容仿真预测最重要的一步，所建立的模型与实际样车的匹配程度将直接决定仿真结果的精度与实用性。而且建模往往占据整个仿线%以上的时间。

  （1）干扰源：现在的仿真软件大都提供很多类型的激励源---点源、平面波、高斯波、电流源、脉冲等，对理想模型的仿真能够准确的通过需要直接采用。而对于实际车况的模拟，能够正常的使用示波器测量干扰源连接导线上的电压/电流波形，从而建立干扰源的时域波形；或者使用近场探头测量干扰源附近的电场分布，再作为仿线）耦合路径：主要是对汽车车身和线束模型化。要根据仿真的频率范围确定电磁面网格的划分精度。计算频率越高，网格划分要求越精细。同时在干扰源和耦合路径附近的车身电磁网格也要适当提高划分精度。线束的建模一般是利用传输线理论建立电路模型。对于电信号影响不大的汽车结构参数精度要求并不高，对结果影响不大的结构可以忽略。

  不同的计算方式有其针对性也有其局限性：时域有限差分法适合计算宽带问题，能处理复杂非均匀介质，但对微小结构的网格划分要求精度很高，因而对内存的需求极高；有限元法网格划分比较灵活，易于处理多种介质、复杂结构的问题，但开域的外部边界条件不易确定；矩量法因为其数值积分的本质允许任意形状的网格划分，适合对介质表明上进行模拟，但不易处理多层介质问题；传输线矩阵法易于处理瞬态变化的场，但频响特性需要大量重复计算才能得到。

  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3维电磁问题；求解涵盖AM到GPS波段的很多类型天线（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； 3维电磁场与传输线的耦合；能够考虑复杂车身结构和多种类型的介质；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。

  基本情况： 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。其最大优点是很好地将矩量法、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。

  核心算法：FEKO有矩量法、快速多级子法、物理光学法、一致绕射法。CableMod使用传输线和电路分析法计算线束。FEKO的优点是其快速多级子法可以大幅度减少对内存的需求，从而大幅度缩短计算时间，可以计算电大尺寸问题。同时，FEKO具有自动优化计算模块，可以方便地对模型参数来优化调整和选择，为EMC设计提供参考。但由于是两款分离的软件，在计算车身内包含复杂线束的电磁干扰问题时，需要分步进行。以外界电磁场干扰车身内线束为例：要先用FEKO

  单纯通过测试来解决汽车电磁兼容问题费用昂贵，利用电磁仿真技术能将汽车电磁兼容问题的发现和解决过程向前延伸。目前市场上主流的两款仿真软件各有千秋，用户要根据实际需要进行选择。同时需要指出的是，由于建模并不能完全复制汽车实际的电磁环境，仿真结果会有些误差，建模技术和数值计算方式仍有待发展完善。