電動車整車輻射發(fā)射EMC 仿真分析

王嘉靖， 付國良， 覃寶山， 林樹潮

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院， 廣東 廣州 510623）

1 引言

隨著汽車行業(yè)朝著電動化、 智能化、 網(wǎng)聯(lián)化、 共享化方向發(fā)展， 新一代的汽車從整車架構(gòu)、 系統(tǒng)到零部件都發(fā)生了全新的變化。 整車電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜， 這為新能源電動車的電磁兼容性帶來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前許多國內(nèi)外汽車主機(jī)廠在研發(fā)中引入EMC正向開發(fā)機(jī)制， 從整車和零部件的維度分別著手， 力求降低EMC問題發(fā)生的風(fēng)險。 同時， 在研發(fā)過程中引入計算機(jī)仿真的方法， 在開發(fā)前期通過仿真進(jìn)行預(yù)判分析， 指導(dǎo)設(shè)計， 可以有效節(jié)約后期整改帶來的時間和經(jīng)濟(jì)成本。

2 電動車整車電磁兼容性要求

電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。 與傳統(tǒng)燃油汽車相比， 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織在傳統(tǒng)汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的基礎(chǔ)上結(jié)合電動車特點(diǎn)進(jìn)行了大量的修訂和拓展， 電動車整車EMC試驗(yàn)主要增加了充電狀態(tài)相關(guān)測試項(xiàng)目和低頻電磁場類測試項(xiàng)目。

本文對整車輻射發(fā)射的仿真選用GB/T 18387—2017《電動車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度的限值和測量方法》 中電場和磁場輻射發(fā)射 （表1） 作為參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

表1 GB/T 18387—2017電場、 磁場輻射發(fā)射強(qiáng)度

3 電動車電氣系統(tǒng)EMI特性

電動車電氣系統(tǒng)的電磁干擾源的種類和分布較為復(fù)雜，尤其以電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)表現(xiàn)得最為突出。 在控制器上， 控制電路的時鐘信號、 數(shù)字信號、 驅(qū)動信號是主要干擾源， 且相對于大功率、 大電流設(shè)備， 其抗擾能力較弱。 在主電路的電機(jī)、 逆變器、 線纜間存在大量的雜散電容和電感， 開關(guān)器件的通斷將導(dǎo)致電壓、 電流在短時間內(nèi)發(fā)生瞬變， 即產(chǎn)生較大的du/dt和di/dt， 對系統(tǒng)造成很強(qiáng)的電磁干擾， 其為電氣系統(tǒng)中的主要干擾源。

4 整車EMC仿真分析

4.1 輻射發(fā)射仿真流程

電動車整車EMC輻射發(fā)射仿真模擬GB/T 18387—2017的規(guī)范要求， 求解接收天線處的場強(qiáng)。 將車身、 高壓線束、高壓設(shè)備作為整體， 利用電磁仿真軟件求得S參數(shù)模型。 通過試驗(yàn)測得目標(biāo)工況下高壓系統(tǒng)的干擾電流及阻抗特性，依據(jù)戴維寧原理建立干擾源模型。 利用網(wǎng)絡(luò)耦合特性即可求解天線端接收到的電壓， 再經(jīng)過天線標(biāo)定及換算得到天線側(cè)的場強(qiáng)。

整車EMC輻射發(fā)射仿真的流程如圖1所示， 通常包括以下步驟。

圖1 輻射發(fā)射建模、 仿真、 求解流程

1） 根據(jù)仿真分析的問題的特點(diǎn)， 收集所需的車體、 關(guān)鍵零部件的幾何模型和物理參數(shù)。

2） 根據(jù)仿真問題的頻率范圍， 在Hyper Mesh中去除不必要和可以忽略的細(xì)小結(jié)構(gòu)， 并對原始幾何模型進(jìn)行簡化處理。

3） 在Hyper Mesh中對簡化后的幾何模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分。

4） 在FEKO中導(dǎo)入網(wǎng)格數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行仿真環(huán)境設(shè)置。

5） FEKO仿真計算出多端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)， 并將S參數(shù)轉(zhuǎn)化為Z參數(shù)， 即網(wǎng)絡(luò)耦合特性。

6） 零部件臺架實(shí)驗(yàn)或?qū)嵻嚋y試得到零部件的等效干擾電壓V和內(nèi)阻Z， 即端口特性。

7） 由網(wǎng)絡(luò)耦合特性和零部件端口特性計算得到測量天線接收到的電壓值， 進(jìn)一步根據(jù)標(biāo)定出的天線特性， 換算得到天線接收場強(qiáng)。

4.2 整車幾何模型處理及網(wǎng)格剖分

針對電動車整車輻射發(fā)射電磁干擾問題， 主要關(guān)注高壓系統(tǒng)引起的整車低頻輻射發(fā)射的電磁騷擾。 原始幾何模型數(shù)據(jù)一般來自車身、 零部件和線束的3D數(shù)模。 在收集原始幾何數(shù)據(jù)時， 著重考慮高壓系統(tǒng)整體布置以及天線的位置和饋線情況。

在選擇車體和零部件數(shù)模時， 一般會忽略車內(nèi)乘員艙零部件、 車身連接的螺栓、 焊點(diǎn)、 尺寸小的孔洞等模型以及非金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 只考慮動力電池、 發(fā)動機(jī)、 動力電機(jī)等關(guān)鍵部件的外殼結(jié)構(gòu)。

將完成選取后的幾何數(shù)模導(dǎo)入Hyper Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分處理。 首先在Hyper Mesh中刪除多余的點(diǎn)、 線、 面，并進(jìn)行抽取中面 （midsurface） 處理， 將原模型中有厚度的體積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面。

為了確保網(wǎng)格劃分的品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量的合理性， 在正式剖分前需要進(jìn)行中面結(jié)構(gòu)的處理。 對于較為簡單的車身模塊， 可以通過幾何簡化得到規(guī)則的幾何模型； 對于較為復(fù)雜的車身模塊， 進(jìn)行初步簡化后采用手動方式劃分網(wǎng)格。對于高壓線束， 用一條曲線表征軌跡， 并進(jìn)行一維網(wǎng)格剖分。

在完成網(wǎng)格劃分后， 在Hyper Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格檢查，修改后得到合格的整車網(wǎng)格模型。

4.3 整車輻射發(fā)射仿真

在FEKO進(jìn)行整車輻射發(fā)射EMC仿真的流程主要包括以下幾個部分。

1） 在前處理模塊CAD FEKO新建一個工程并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2） 創(chuàng)建幾何模型， 參數(shù)化建模或外部導(dǎo)入幾何模型，設(shè)置幾何模型屬性。

3） 定義激勵源， 包括天線激勵、 等效源等。

運(yùn)行仿真， 在后處理模塊POSTFEKO中查看S參數(shù)計算結(jié)果并導(dǎo)出。

如圖2所示， 整車網(wǎng)格模型導(dǎo)入應(yīng)確定模型的尺寸和單位是否合理。 測量車身長度， 檢查工程文件的單位，默認(rèn)的網(wǎng)格材料為PEC ( Perfect Electric Conductor）， 更改網(wǎng)格的材料、 厚度等參數(shù)。 在FEKO中三維空間為自由空間， 將地面設(shè)置成無限大金屬面就能夠模擬半電波暗室。

圖2 整車網(wǎng)格模型導(dǎo)入

對高壓線束進(jìn)行 建 模， 如 圖3 所示。 將一維線束網(wǎng)格模型導(dǎo)入FEKO， 建立線束路徑并刪除原網(wǎng)格。 再進(jìn)行線束類型、 材料、 首位連接器的設(shè)置， 并為除充電口外高壓線束的各個端口添加1V的激勵源并搭鐵， 完成線束模型的創(chuàng)建。

圖3 高壓線束建模設(shè)置

根據(jù)GB/T 18387， 在FEKO中的汽車前后左右4個方向距離汽車3m處分別放置桿天線和環(huán)天線。 將4個方向的天線的激勵源設(shè)置為1V電壓源， 特征阻抗設(shè)置為50Ω。 布置如圖4所示。

圖4 整車仿真天線布置

將整車系統(tǒng)作為多端口網(wǎng)絡(luò)， 將由電器部件和測量天線構(gòu)成的干擾源或敏感設(shè)備統(tǒng)一作為網(wǎng)絡(luò)端口處理， 仿真計算得到多端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。

在求解設(shè)置中將求解項(xiàng)設(shè)置為S參數(shù)， 運(yùn)行求解器， 完成后可在后處理模塊POSTFEKO中查看運(yùn)行結(jié)果。 測量前側(cè)天線電場S參數(shù)曲線如圖5a所示， 測量磁場后側(cè)天線X方向極化的S參數(shù)曲線如圖5b所示。

圖5 電場和磁場S參數(shù)曲線圖

此外， 天線的標(biāo)定也在FEKO進(jìn)行。 后續(xù)計算直接得到的結(jié)果是天線端口的接收電壓， 為了最終求得天線端的場強(qiáng)， 需對天線端口接收電壓到天線處場強(qiáng)的比例關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

在FEKO中， 建模長度為1m的單極子桿天線的特性等效于臂長為1m的偶極子天線。 用1V/m的均勻平面波照射臂長為1m的偶極子天線， 偶極子天線端口設(shè)置50Ω的阻抗。 在1V/m的均勻平面波照射下， 運(yùn)行求解天線端口接收電壓和電場強(qiáng)度， 二者的對應(yīng)關(guān)系即為電壓——電場強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

同樣， 在FEKO中建模環(huán)天線， 并采用120πV/m， 即1A/m的均勻平面波照射，端口設(shè)置50Ω的阻抗， 可以求得環(huán)天線端口接收電壓和磁場強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4.4 計算電場和磁場

4.4.1 參數(shù)轉(zhuǎn)化

Z參數(shù)矩陣由FEKO仿真得到的S參數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)化得到， 其變換關(guān)系如式 （1） 所示：

式中： Z=50Ω； E——單位矩陣。

4.4.2 干擾源電壓

根據(jù)戴維寧原理， 干擾源可等效為直流電壓源與電阻串聯(lián)的形式， 如圖6所示。 電機(jī)系統(tǒng)的主要干擾源為電機(jī)控制器的高頻開關(guān)管工作時和DC/DC模塊工作時產(chǎn)生的高頻噪聲。 線束發(fā)射的干擾主要為共模干擾， 而差模干擾可忽略不計。

圖6 干擾源等效模型

V為等效干擾源電壓， Z為端口阻抗， Z為搭鐵輸入阻抗， I為高頻干擾電流， 則干擾源電壓可表示為式 （2）：

在整車上測量高壓系統(tǒng)的端口阻抗、 搭鐵阻抗， 并且測量70km/h和16km/h穩(wěn)定速度行駛狀態(tài)下高壓線的干擾電流，可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)。 根據(jù)式（2） 計算得到端口等效電壓。

4.4.3 天線接收電壓計算

根據(jù)多端口網(wǎng)絡(luò)耦合特性可以求得天線端口接收到的電壓值， 可以列寫成如式 （3） 所示的矩陣方程：

式中： U——端口電壓構(gòu)成的向量； V和Z——端口的等效干擾電壓和內(nèi)阻構(gòu)成的向量； Z——描述整車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)耦合特性的Z參數(shù)矩陣。 導(dǎo)入測量電場、 磁場對應(yīng)的Z參數(shù)矩陣、 干擾源阻抗及干擾源電壓數(shù)據(jù)， 分別計算得到各個方向桿天線、 環(huán)天線端的接收電壓。

4.4.4 場強(qiáng)計算結(jié)果

根據(jù)天線端口的接收電壓和桿天線、 環(huán)天線所對應(yīng)的端口電壓——場強(qiáng)轉(zhuǎn)換系數(shù)， 可以求得按照GB/T 18387—2017的規(guī)范要求的輻射發(fā)射仿真計算結(jié)果。

在測試中， 后側(cè)輻射發(fā)射強(qiáng)度較高， 因此對后側(cè)進(jìn)行終掃描測試， 車速為16km/h及70km/h的情況下， 預(yù)測車輛輻射電場強(qiáng)度。 仿真結(jié)果與實(shí)車測試結(jié)果對比如圖7、 圖8所示。

圖7 不同車速電場強(qiáng)度加背景噪聲后的仿真與實(shí)測對比圖

圖8 不同車速磁場強(qiáng)度加背景噪聲后的仿真與實(shí)測對比圖

通過仿真與實(shí)車測試結(jié)果對比， 整體趨勢基本是一致的， 尤其是在25～30MHz， 實(shí)車測試是超出標(biāo)準(zhǔn)限值的， 實(shí)車后期進(jìn)行了多次整改驗(yàn)證才通過法規(guī)的測試。 通過這種仿真的手段基本上可以預(yù)測出車輛存在的潛在風(fēng)險， 提前進(jìn)行應(yīng)對， 避免項(xiàng)目后期整改帶來成本和周期的壓力。

5 結(jié)語

本文通過CAE建模與電磁仿真的方法對一款純電車型的EMC輻射發(fā)射騷擾水平進(jìn)行求解， 判斷了該款車型對于GB/T 18387—2017規(guī)范中電磁場發(fā)射強(qiáng)度限值要求的達(dá)成情況， 并通過與實(shí)車測試結(jié)果對比， 基本上可以判定出車輛存在的超標(biāo)風(fēng)險的頻段。

在整車項(xiàng)目研發(fā)過程中， 引入EMC仿真分析可以在先期識別EMC問題發(fā)生的風(fēng)險， 較早地采取相關(guān)措施， 從而提高整車法規(guī)項(xiàng)的通過率， 并有助于整車EMC性能的優(yōu)化。