除雪車電磁兼容仿真分析

李旭俊，莫玉振，陸 地

（中國重汽集團柳州運力科迪亞克機械有限責任公司，廣西 柳州545112）

隨著汽車功能的日益增多，汽車電子系統(tǒng)也變得更加復雜，而隨著汽車的電動化、智能化等趨勢，電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）問題日益突出。電磁兼容設計是汽車開發(fā)過程中必須考慮的課題，電磁兼容試驗的失敗將直接導致整車推遲投產或上市。線束作為供電、傳輸信號的路徑，遍布整車的各個區(qū)域，容易產生電磁兼容問題，是汽車電磁兼容設計的重點和難點之一[1]。

傳統(tǒng)的產品設計方式遵循的是設計—樣品生產—測試的模式，一旦測試不能通過測試標準，就必需按照設計流程重新開始。無疑，這樣做的代價是冗長的設計周期和昂貴的設計成本。

本文以中國重汽集團柳州運力科迪亞克機械有限責任公司某型號用于機場跑道除雪車為研究對象，從車輛EMI模型建立到進行EMI仿真分析，提出抑制干擾的一些方法，其幾何外觀如圖1所示。

圖1 機場跑道除雪車

1 除雪車身結構EMI模型建立

除雪車系統(tǒng)的EMI模型包括車身結構模型和線纜束模型，車身結構又包含車廂與駕駛艙結構、孔陣結構、細長縫隙結構和車廂內重要設備結構。對這些模型進行合理的簡化與等效，才能夠有效地降低仿真分析復雜度與提高仿真分析效率。

1.1 車身結構EMI模型的建立

除雪車車體結構由車廂、車架、駕駛艙、屬具等構成，屬具幾何結構復雜，且其位于駕駛艙前側，對車廂內線纜的輻射場擾動效應比較小（通常測試輻射場的天線位于車體側面），為了降低計算復雜度，在本研究中忽略屬具部分對輻射場的影響，輪胎、觀察窗等橡膠、塑料、玻璃材料屬于非金屬材質，其電導率很小，其對電磁場的擾動可以忽略，因此在簡化模型中不必考慮。車廂與車架金屬材質的結構對電磁場擾動較大，但一些微小結構可以忽略，一些特殊位置的金屬結構如支架對整車EMI的影響也較小，可不必考慮。除雪車車廂與駕駛艙尺寸較大，導致求解域很大，對求解域進行網格剖分的網格數(shù)量極大，模型簡化就顯得十分必要，需要對除雪車車廂和駕駛艙模型進行必要簡化，除去對輻射場影響小的細微結構，并使用通風孔陣、細長縫隙的子網格精簡模型來模擬實際結構，模型如圖2所示。

圖2 車身EMI模型

1.2 車內線纜束EMI模型的建立

車廂內線纜束包括電源線與控制、信號線纜束等，這些都是重要的電磁場輻射源。電源線由電瓶出發(fā)，將電能傳輸?shù)礁鱾€用電設備；控制信號線則將電控箱的控制信號傳送到各個執(zhí)行設備，同時各設備的執(zhí)行狀態(tài)也可反饋到駕駛艙。根據(jù)傳輸線理論，載有直流電流的線纜將產生靜磁場，而載有交變電流（包括共模電流與差模電流）的線纜將產生電磁輻射。車廂內各設備通常都具有良導體制成的機箱保護，機箱起到了對內部電路很好的保護作用，一方面限制內部電路的輻射泄漏出設備外部，另一方面則保護敏感電路元件不受設備外部電磁場的干擾。

各設備之間必然存在這能量與信號傳輸?shù)膯栴}，這些傳輸依賴者設備之間的互聯(lián)線纜束。因此，線纜束及線纜接頭成為重要的EMI干擾源。為了降低線纜對外輻射，線纜導線外層一般都具有屏蔽層，屏蔽層一般都需要接地，常用的線纜如同軸線、雙絞線等的屏蔽層都具有一定的屏蔽效果。然而，屏蔽層并不能完全將導線上的輻射限制在屏蔽層內部，且線纜接頭位置也往往存在著電磁泄漏。因此，對除雪車內部線纜束的建模非常重要。建立的簡化模型如圖3所示。

圖3 車內線纜EMI模型

2 除雪車系統(tǒng)EMI仿真分析

在建立完成除雪車系統(tǒng)EMI仿真分析模型之后，設置三維電磁場數(shù)值計算的相關參數(shù)，包括單位、邊界條件、仿真頻率、求解器算法、收斂條件、并行求解設置、網格剖分參數(shù)、后處理探針等，就可以根據(jù)整車的EMI特性進行仿真分析，得到整車的輻射 EMI結果[2]。

2.1 仿真條件設置

根據(jù)除雪車電磁干擾標準要求，仿真頻段為30 MHz～ 1000 MHz[3]，為保證低頻仿真邊界頻率處的結果準確性，設置的仿真頻段需略大于所分析的頻段，故仿真分析頻段為10 kHz～1000 MHz。由于仿真邊界條件要與實際測試情況相符合，即開闊場地或半波暗室仿真（暗室地面為良導體，其余面均為吸波材料組成），為模擬無限大地平面的作用，設置邊界底面為Conducting Wall，電導率為s/m，其與車身距離為車輛放置于地面的實際高度，其他五個面為吸收邊界條件，模擬無反射的無限大空間。

2.2 網格劃分

本項目分網采用Hexahedral TLM方法，即六面體傳輸線矩陣網格劃分方法，對應于TLM求解器[4]。由于電磁仿真中網格是根據(jù)仿真頻域劃分的，網格劃分必須在設置仿真頻域之后進行，在頻率范圍設置為10 kHz～1 000 MHz的條件下，采用自適應網格劃分方式。

2.3 求解器與收斂條件

本項目三維電磁場的計算采用傳輸線矩陣法，該方法基于等效傳輸線法對三維電磁場求解域采用六面體網格進行離散，采用脈沖最為系統(tǒng)的激勵信號，一次仿真求解就可以得到系統(tǒng)寬頻帶的響應，適合求解具有復雜結構、復雜媒質、寬帶電磁場邊值問題。其求解精度取決于求解域的網格剖分密度及迭代次數(shù)，通常來說，網格越密集，精度越高，迭代計算次數(shù)越多，系統(tǒng)能量衰減越徹底，精度也就越高。但是，過于密集的網格與過大的迭代次數(shù)會導致過長的計算時間和過大的計算資源消耗。本項目求解器收斂的判據(jù)主要依據(jù)系統(tǒng)電磁能量的衰減情況，當整個系統(tǒng)的能量衰減為-30 dB的時候，認為求解已經收斂，結果已經足夠精確。

3 除雪車EMI仿真結果

3.1 車身表面電場分布仿真結果

為了直觀地顯示出車輛表面電場強度的大小分布，可以采用云圖的形式將電場強度顯示出來，總體上隨著頻率增大，車輛表面的電場強度呈現(xiàn)增大趨勢。此外，在縫隙、孔陣等電磁能量泄露較大的區(qū)域，電場強度也較大，如圖4所示為900 MHz的分析結果。

圖4 車身表面電場分布云圖

3.2 車身表面電流密度分布仿真結果

車輛表面的電流密度分布情況也能夠間接反映車輛的輻射情況，900 MHz頻率點的電流密度分布情況如圖5所示，總體上隨著頻率增大，車輛表面的電場密度呈現(xiàn)增大趨勢。此外，在縫隙、孔陣等電磁能量泄露較大的區(qū)域，電流密度也較大。

圖5 車身表面電流分布云圖

3.3 線纜束EMI仿真結果（如圖6）

圖6 線束EMI仿真云圖

4 結果分析

通過仿真研究可見，車體與車廂能夠有效地屏蔽其內部線纜束與設備的電磁輻射干擾，從而降低整車的EMI水平。但是，由于裝配、通風散熱、觀察、維護等需要而在屏蔽體上存在的孔縫卻能夠泄漏電磁能量，成為減弱車廂屏蔽效能的重要因素。因此，合理地設計車廂與車體結構，提高其屏蔽效能，具有重要意義。

除雪車車載設備的輸入輸出端雖然都用連接器連接，但接口處密封不好，有明顯縫隙，可能導致電磁泄漏。此外，線纜束長度較長，部分線纜的空間分布相當于發(fā)射天線，且部分線纜遠離接地平面，以上因素均為輻射超標的可能原因。因此需要在滿足使用要求的前提下，盡量使用短的線纜，同時減小共模電壓，目的是減小共模電流。當共模回路阻抗一定時，減小共模電壓就可以減小共模電流，增加電流環(huán)路阻抗，另外使用屏蔽線纜，可以使用輻射量變小。

5 結束語

本項目基于CST Design Environment仿真分析除雪車及其相關線路的EMI特性。實現(xiàn)三維電磁場仿真、線纜線束仿真、電路系統(tǒng)仿真并實現(xiàn)場、線、路之間耦合的無縫對接，最終初步得到了除雪車及其相關線路的EMI輻射仿真結果。針對除雪車系統(tǒng)可能存在的EMI超標問題，提出了整改措施。本文的建模、仿真方法可以為除雪車整車及關鍵部件的電磁兼容分析與設計提供指導及方法支撐，所提出的整改措施可以為其電磁兼容干擾抑制提供參考。