電動車整車輻射發射EMC 仿真分析

王嘉靖， 付國良， 覃寶山， 林樹潮

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣東 廣州 510623）

1 引言

隨著汽車行業朝著電動化、 智能化、 網聯化、 共享化方向發展， 新一代的汽車從整車架構、 系統到零部件都發生了全新的變化。 整車電磁環境變得越來越復雜， 這為新能源電動車的電磁兼容性帶來更加嚴峻的挑戰。

目前許多國內外汽車主機廠在研發中引入EMC正向開發機制， 從整車和零部件的維度分別著手， 力求降低EMC問題發生的風險。 同時， 在研發過程中引入計算機仿真的方法， 在開發前期通過仿真進行預判分析， 指導設計， 可以有效節約后期整改帶來的時間和經濟成本。

2 電動車整車電磁兼容性要求

電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。 與傳統燃油汽車相比， 國內外標準組織在傳統汽車EMC標準法規的基礎上結合電動車特點進行了大量的修訂和拓展， 電動車整車EMC試驗主要增加了充電狀態相關測試項目和低頻電磁場類測試項目。

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

表1 GB/T 18387—2017電場、 磁場輻射發射強度

3 電動車電氣系統EMI特性

電動車電氣系統的電磁干擾源的種類和分布較為復雜，尤其以電機驅動系統表現得最為突出。 在控制器上， 控制電路的時鐘信號、 數字信號、 驅動信號是主要干擾源， 且相對于大功率、 大電流設備， 其抗擾能力較弱。 在主電路的電機、 逆變器、 線纜間存在大量的雜散電容和電感， 開關器件的通斷將導致電壓、 電流在短時間內發生瞬變， 即產生較大的du/dt和di/dt， 對系統造成很強的電磁干擾， 其為電氣系統中的主要干擾源。

4 整車EMC仿真分析

4.1 輻射發射仿真流程

電動車整車EMC輻射發射仿真模擬GB/T 18387—2017的規范要求， 求解接收天線處的場強。 將車身、 高壓線束、高壓設備作為整體， 利用電磁仿真軟件求得S參數模型。 通過試驗測得目標工況下高壓系統的干擾電流及阻抗特性，依據戴維寧原理建立干擾源模型。 利用網絡耦合特性即可求解天線端接收到的電壓， 再經過天線標定及換算得到天線側的場強。

整車EMC輻射發射仿真的流程如圖1所示， 通常包括以下步驟。

圖1 輻射發射建模、 仿真、 求解流程

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

2） 根據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小結構， 并對原始幾何模型進行簡化處理。

3） 在Hyper Mesh中對簡化后的幾何模型進行三角形網格劃分。

4） 在FEKO中導入網格數據， 并進行仿真環境設置。

5） FEKO仿真計算出多端口網絡的S參數， 并將S參數轉化為Z參數， 即網絡耦合特性。

6） 零部件臺架實驗或實車測試得到零部件的等效干擾電壓V和內阻Z， 即端口特性。

7） 由網絡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， 進一步根據標定出的天線特性， 換算得到天線接收場強。

4.2 整車幾何模型處理及網格剖分

針對電動車整車輻射發射電磁干擾問題， 主要關注高壓系統引起的整車低頻輻射發射的電磁騷擾。 原始幾何模型數據一般來自車身、 零部件和線束的3D數模。 在收集原始幾何數據時， 著重考慮高壓系統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模時， 一般會忽略車內乘員艙零部件、 車身連接的螺栓、 焊點、 尺寸小的孔洞等模型以及非金屬材質的結構。 只考慮動力電池、 發動機、 動力電機等關鍵部件的外殼結構。

將完成選取后的幾何數模導入Hyper Mesh軟件進行網格剖分處理。 首先在Hyper Mesh中刪除多余的點、 線、 面，并進行抽取中面 （midsurface） 處理， 將原模型中有厚度的體積結構轉化為平面。

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

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

4.3 整車輻射發射仿真

在FEKO進行整車輻射發射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新建一個工程并進行參數設置。

2） 創建幾何模型， 參數化建模或外部導入幾何模型，設置幾何模型屬性。

3） 定義激勵源， 包括天線激勵、 等效源等。

運行仿真， 在后處理模塊POSTFEKO中查看S參數計算結果并導出。

如圖2所示， 整車網格模型導入應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，默認的網格材料為PEC ( Perfect Electric Conductor）， 更改網格的材料、 厚度等參數。 在FEKO中三維空間為自由空間， 將地面設置成無限大金屬面就能夠模擬半電波暗室。

圖2 整車網格模型導入

對高壓線束進行 建 模， 如 圖3 所示。 將一維線束網格模型導入FEKO， 建立線束路徑并刪除原網格。 再進行線束類型、 材料、 首位連接器的設置， 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， 完成線束模型的創建。

圖3 高壓線束建模設置

根據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天線。 將4個方向的天線的激勵源設置為1V電壓源， 特征阻抗設置為50Ω。 布置如圖4所示。

圖4 整車仿真天線布置

將整車系統作為多端口網絡， 將由電器部件和測量天線構成的干擾源或敏感設備統一作為網絡端口處理， 仿真計算得到多端口網絡的S參數。

在求解設置中將求解項設置為S參數， 運行求解器， 完成后可在后處理模塊POSTFEKO中查看運行結果。 測量前側天線電場S參數曲線如圖5a所示， 測量磁場后側天線X方向極化的S參數曲線如圖5b所示。

圖5 電場和磁場S參數曲線圖

此外， 天線的標定也在FEKO進行。 后續計算直接得到的結果是天線端口的接收電壓， 為了最終求得天線端的場強， 需對天線端口接收電壓到天線處場強的比例關系進行標定。

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， 偶極子天線端口設置50Ω的阻抗。 在1V/m的均勻平面波照射下， 運行求解天線端口接收電壓和電場強度， 二者的對應關系即為電壓——電場強度的轉換系數。

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

4.4 計算電場和磁場

4.4.1 參數轉化

Z參數矩陣由FEKO仿真得到的S參數經轉化得到， 其變換關系如式 （1） 所示：

式中： Z=50Ω； E——單位矩陣。

4.4.2 干擾源電壓

根據戴維寧原理， 干擾源可等效為直流電壓源與電阻串聯的形式， 如圖6所示。 電機系統的主要干擾源為電機控制器的高頻開關管工作時和DC/DC模塊工作時產生的高頻噪聲。 線束發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的端口阻抗、 搭鐵阻抗， 并且測量70km/h和16km/h穩定速度行駛狀態下高壓線的干擾電流，可以得到相關數據。 根據式（2） 計算得到端口等效電壓。

4.4.3 天線接收電壓計算

根據多端口網絡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——端口電壓構成的向量； V和Z——端口的等效干擾電壓和內阻構成的向量； Z——描述整車系統網絡耦合特性的Z參數矩陣。 導入測量電場、 磁場對應的Z參數矩陣、 干擾源阻抗及干擾源電壓數據， 分別計算得到各個方向桿天線、 環天線端的接收電壓。

4.4.4 場強計算結果

根據天線端口的接收電壓和桿天線、 環天線所對應的端口電壓——場強轉換系數， 可以求得按照GB/T 18387—2017的規范要求的輻射發射仿真計算結果。

在測試中， 后側輻射發射強度較高， 因此對后側進行終掃描測試， 車速為16km/h及70km/h的情況下， 預測車輛輻射電場強度。 仿真結果與實車測試結果對比如圖7、 圖8所示。

圖7 不同車速電場強度加背景噪聲后的仿真與實測對比圖

圖8 不同車速磁場強度加背景噪聲后的仿真與實測對比圖

通過仿真與實車測試結果對比， 整體趨勢基本是一致的， 尤其是在25～30MHz， 實車測試是超出標準限值的， 實車后期進行了多次整改驗證才通過法規的測試。 通過這種仿真的手段基本上可以預測出車輛存在的潛在風險， 提前進行應對， 避免項目后期整改帶來成本和周期的壓力。

5 結語

本文通過CAE建模與電磁仿真的方法對一款純電車型的EMC輻射發射騷擾水平進行求解， 判斷了該款車型對于GB/T 18387—2017規范中電磁場發射強度限值要求的達成情況， 并通過與實車測試結果對比， 基本上可以判定出車輛存在的超標風險的頻段。

在整車項目研發過程中， 引入EMC仿真分析可以在先期識別EMC問題發生的風險， 較早地采取相關措施， 從而提高整車法規項的通過率， 并有助于整車EMC性能的優化。