電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0081-05

ApplicationofElectromagnetic CompatibilityNumericalAnalysisTechnologyinAutomotiv

LiJunjian，F(xiàn)u Guoliang，Lan Xianping，Huang Yanqiong，Lin Shuchao（GACRamp;D CENTER，Guangzhou511434，China）

【Abstract】In this paper，the electromagneticcompatibilitynumerical analysis methods are described and summarized fromthetwo aspectsof finite element numericalcalculationresearch andvehicle practicalapplication bycombing through thedomesticpublishednumerical analysis methodsof electromagneticcompatibility.Thispaperaims tosummarize the currentappicationstatusofdomesticelectromagneticcompatibilitynumericalanalysismethodsinthefieldofautomotive electromagneticcompatibility，and exploretheapplicationofnewelectromagneticcompatibilitynumericalanalysis methodsinnewenergyintellgentnetworkedvehiclesincombinationwiththeincreasinglycomplexelectromagnetic environment of the vehicle.

【Key Words】 numerical analysis method;intelligent connected vehicles；complex electromagnetic environme

0 引言

隨著汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，目前新能源汽車上的電子零部件數(shù)量遠多于傳統(tǒng)燃油車，特別是高壓大功率的三電系統(tǒng)，給汽車電磁兼容設(shè)計帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。面對新能源汽車如此復(fù)雜和惡劣的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)汽車電磁兼容設(shè)計方法已經(jīng)無法應(yīng)對整車開發(fā)需求，亟需電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)在汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更為廣泛地應(yīng)用。

國內(nèi)整車電磁兼容數(shù)值分析方法起步相對較晚，公開見刊的文章可追溯的時間也只有二十年左右，相比汽車工業(yè)比較成熟的美國、德國和日本等國，中國的電磁兼容數(shù)值分析方法在汽車領(lǐng)域的研究及應(yīng)用均較晚，發(fā)展也較為緩慢。雖然國內(nèi)電磁兼容數(shù)值分析方法起步較晚，但國內(nèi)的高校、科研院所和企業(yè)機構(gòu)依然在電磁兼容數(shù)值分析方法方面取得了一定的進展，這方面尤其以高校的研究較為突出，高校主要是基于簡化的整車模型，進行理論公式推演和有限元數(shù)值計算方面的研究。

1國內(nèi)高校電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)研究

1.1干擾源的干擾機理研究

汽車電磁環(huán)境的惡化主要是由于車上存在諸多大功率的電子器件，尤其隨著智能化、電動化的發(fā)展，大功率的電子器件在車上更加常見，造成干擾的現(xiàn)象也更為普遍。針對汽車上干擾器件的干擾機理，國內(nèi)高校基于電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)開展了研究工作，以期能夠在干擾源頭對電磁干擾進行抑制，從而保證整車的電磁兼容性能滿足要求。

重慶大學的周尚華對汽車上的雨刮電機的換向過程進行了有限元數(shù)值計算分析和試驗研究，揭示了雨刮電機傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生機理。在考慮雨刮電機工作時高頻分布參數(shù)和雨刮電機設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上建立了高頻等效電路模型，進而進行雨刮電機傳導(dǎo)干擾的有限元分析。重慶大學的賈晉對傳統(tǒng)汽車的點火系統(tǒng)的干擾模式進行了研究，分析出點火系統(tǒng)是輻射干擾的主要原因，并對點火系統(tǒng)的傳導(dǎo)預(yù)測建立了電路模型，對點火系統(tǒng)進行了參數(shù)化有限元數(shù)值計算分析。重慶大學的季飛對間歇工作雨刮電機的傳導(dǎo)干擾進行了有限元計算研究，對雨刮電機產(chǎn)生輻射干擾的機理和干擾的傳輸路徑進行了分析，并考慮了電磁分布參數(shù)和高頻等效電路的影響，建立雨刮電機傳導(dǎo)干擾的有限元分析模型，并進行整車上雨刮電機輻射干擾有限元分析研究。此外，其通過分析鐵氧體濾波器濾波機理，考慮高頻寄生參數(shù)的影響，對雨刮電機間歇工況下濾波器的濾波效果進行了有限元分析。

吉林大學的周睿敏對混合動力汽車上DC/AC逆變器產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾、輻射部件產(chǎn)生電磁干擾的機理進行了分析，并根據(jù)有限元分析結(jié)果，對DC/AC逆變器的電磁干擾進行針對性解決。吉林大學的楊開宇利用協(xié)同學理論以及基于計算電磁學，對增程式汽車電磁系統(tǒng)建立模型，并對驅(qū)動電機和增程器發(fā)動機點火開關(guān)的電磁兼容性進行了理論和有限元計算分析。確定了影響發(fā)動機對外干擾的主要因素，并通過對點火電流的有限元計算，分析得到抑制點火電流對外電磁干擾的方法。

重慶理工大學的董立對電動汽車的電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機理進行了研究，利用仿真軟件建立了驅(qū)動信號模型、IGBT行為模型、驅(qū)動電機阻抗等效電路模型得到三相線纜電流并將之作為輸入進行電磁輻射發(fā)射激勵源。利用三維電磁兼容分析軟件對整車級電驅(qū)系統(tǒng)輻射發(fā)射進行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果與測試數(shù)據(jù)進行了對標分析，驗證了有限元分析方法的有效性。

1.2 電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)研究

汽車上僅存在干擾源還不至于導(dǎo)致電磁干擾問題發(fā)生，電磁干擾傳播路徑的不確定是電磁干擾發(fā)生的另一個關(guān)鍵因素。國內(nèi)高校基于電磁兼容的數(shù)值分析技術(shù)，對整車上的主要干擾源的干擾路徑進行了分析，從而寄希望于在無法規(guī)避干擾源的情況下通過消除干擾路徑來解決電磁兼容問題。

1.2.1 串擾的仿真分析

線束串擾作為干擾源影響敏感器件的常見方式，國內(nèi)不少高校研究人員以線束干擾路徑為切入點，采用電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)對線束的傳導(dǎo)干擾進行了研究。

重慶大學的曾鉉重點研究了汽車線束的串擾和輻射問題，建立了模糊推理預(yù)測的方法以及采用等效方法對復(fù)雜線束進行研究，降低了計算的復(fù)雜程度。利用三維電磁仿真軟件對簡化前后的線束模型進行計算，并將計算結(jié)果進行對比分析，進一步驗證了模型簡化計算結(jié)果的準確性。重慶大學的鄧亞利研究了導(dǎo)線的等效簡化、外界入射波在導(dǎo)線上耦合感應(yīng)電流以及導(dǎo)線輻射發(fā)射的天線模型。以汽車點火系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾為基礎(chǔ)，利用有限元計算方法分析了車內(nèi)線束因汽車點火系統(tǒng)輻射發(fā)射引起的感應(yīng)電流。重慶大學的姚沫分析了電動汽車高壓動力電池作為DC/DC、DC/AC和驅(qū)動電機的干擾耦合路徑，研究了十擾電流通過線纜進入控制器及低壓系統(tǒng)對整車電磁兼容的影響，同時通過建立動力電池的高頻模型對其傳導(dǎo)干擾耦合路徑進行了分析，并利用有限元分析方法對仿真波形進行了時域和頻域的分析。

重慶理工大學的魯毅通過對電磁傳播路徑的研究，對傳導(dǎo)耦合與輻射耦合的理論深人分析，利用有限元分析方法得到整車電磁分布仿真數(shù)據(jù)，并與測試結(jié)果進行仿測對標，總結(jié)了提升有限元分析精度的方法。

1.2.2 輻射騷擾的仿真分析

由于整車線纜走線復(fù)雜，導(dǎo)致線束傳導(dǎo)干擾路徑分析難度較大，而輻射發(fā)射干擾相比傳導(dǎo)干擾具有路徑多樣性高、作用機理難以辨識等特點。針對這一問題，高校已引入電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)展開相關(guān)研究。

重慶大學的尹華平研究了雨刮電機在整車模型上的輻射干擾，分析了抑制雨刮電機輻射干擾的原理，并仿真分析了雨刮電機加載鐵氧體磁環(huán)前后的輻射場強。重慶大學的梁凌紅利用聯(lián)合建模方法對整車模型建模，通過有限元仿真分析整車點火系統(tǒng)的輻射干擾，并將仿真結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析，驗證有限元分析的準確性。

河北工業(yè)大學的齊蒙3利用有限元分析方法對整車模型的輻射發(fā)射進行了分析，重點分析了逆變器騷擾源在車內(nèi)車外的輻射發(fā)射情況。根據(jù)整車測試工況分析了不同車速下，電場和磁場輻射曲線的變化情況。

吉林大學的趙輝14利用電磁拓撲理論對車輛線纜的電磁效應(yīng)問題進行研究，對車輛線纜應(yīng)用電磁拓撲理論進行分析，分別建立車輛外殼和車內(nèi)線纜的電磁拓撲模型，進而逐層分析車內(nèi)線纜和外界電磁場的耦合機理。利用有限元分析方法驗證了理論分析算法的有效性，以及利用有限元分析算法對車內(nèi)線纜網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的電磁效應(yīng)進行求解，同時驗證了車內(nèi)屏蔽線采用多點接地方式而能達到的良好屏蔽性能。吉林大學的趙明麗5對整車輻射發(fā)射的建模方法進行了研究，并將有限元預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果進行對比。利用有限元預(yù)測數(shù)據(jù)對整車上的輻射發(fā)射主要干擾源進行定位，分析了高壓系統(tǒng)的電磁干擾耦合途徑及耦合的主要形式，并對整車輻射發(fā)射整改提供了改進方案和建議。

河南理工大學的蘇亞輝分析了電機驅(qū)動系統(tǒng)中動力線纜電磁干擾的產(chǎn)生機理，同時對整車有限元模型的建模技術(shù)進行了研究，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)在單一軟件中建模困難的難題創(chuàng)造性地利用多種軟件進行聯(lián)合建模的方法進行解決，并研究了整車輻射干擾工況和以直流母線電流和相電流為激勵源電動車內(nèi)外的電磁場分布。

2國內(nèi)企業(yè)電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)應(yīng)用

電磁兼容數(shù)值分析在高校中已經(jīng)有較為深人和廣泛的研究，而在電磁兼容有限元應(yīng)用的前沿一線針對不同的實際問題也有大量的研究分析案例，汽車行業(yè)的電磁兼容工程師針對具體問題也已經(jīng)有不少的經(jīng)驗總結(jié)和解決問題的方法。

電磁兼容數(shù)值分析結(jié)果依賴于電磁兼容分析模型處理的優(yōu)劣，對此不少電磁兼容工程師基于工作經(jīng)驗，梳理了整車電磁兼容分析的建模要求及需要注意的事項。

付國良等提出了適用于整車電磁兼容的多層級聯(lián)的有限元方法，對電氣部件、線束線纜及車身金屬結(jié)構(gòu)等進行有限元分析建模，并將該方法對相關(guān)的實際問題進行有限元分析，定位了干擾源和相應(yīng)的耦合路徑，體現(xiàn)了有限元分析方法的有效性。馬喜來等8針對有限元分析的整車建模技術(shù)進行了詳細的研究，提出了有限元分析整車建模方面需要著重注意的地方。

整車的輻射發(fā)射問題一直是困擾電磁兼容工程師的主要難題，其中輻射源頭難以定位，傳播路徑不好判斷是輻射發(fā)射問題的兩大痛點。借助電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)，電磁兼容工程師可以更有效地分析整車輻射發(fā)射問題。

李彬等基于整車輻射發(fā)射的測試方法，對汽車電磁兼容有限元分析的建模技術(shù)進行了分析總結(jié)，并利用三維電磁兼容仿真軟件對發(fā)動機艙干擾源的發(fā)射情況進行了有限元分析研究，并將有限元分析結(jié)果與測試結(jié)果進行了比對分析，驗證了有限元分析方法的實用性。金楚涵2著重闡述了電磁兼容有限元分析方法，對整車級的電磁兼容有限元分析流程和方法進行了探討，并且對當時主流的有限元分析軟件進行了介紹和比較。馬喜來等2針對電磁兼容問題的特性分析，運用電磁兼容有限元分析方法對整車輻射發(fā)射進行了仿真分析研究，對比了有限元分析結(jié)果及實測結(jié)果之間的差距，并就有限元分析與實測之間的差距進行了原因分析，提出了幾個可能的主要原因，為有限元分析的精度提升指出了方向。

目前整車天線性能評價是電磁兼容數(shù)值分析主要的應(yīng)用方向，基于不同的數(shù)值分析軟件均可以對整車天線的集成性能進行比較明確的評價，從而為整車天線布局、優(yōu)化提供方案。

宋宇22提供了基于CST軟件的電磁兼容有限元驗證分析方案，具體提供了電磁兼容有限元分析方法在車載天線和車內(nèi)布線方向的應(yīng)用及在電動汽車方向上的電磁兼容問題解決方案。肖運輝23以FEKO軟件為主要的有限元分析手段，系統(tǒng)介紹了車載天線的有限元分析方法和流程，同時將有限元分析結(jié)果與實測結(jié)果進行了分析比對，體現(xiàn)了文中所述的有限元分析方法的有效性。馬謙等2利用FEKO仿真軟件建立了整車和遙控鑰匙系統(tǒng)模型，并通過有限元分析得到遙控鑰匙有效距離，并將有限元分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行分析對比，驗證了有限元分析的有效性。黎小嬌等25利用有限元分析方法研究了整車線束間的電磁干擾問題，討論了高低壓線束間的共線長度、線束間距、離地高度以及低壓敏感線束端接負載阻抗對線束串擾的影響，并通過有限元分析方法確認了高低壓線束的良好布置方式。信長安等2通過電磁兼容有限元分析方法分析了整車上射頻天線間的干擾矩陣表，并分析了系統(tǒng)間的電磁干擾裕度，同時驗證了不同的優(yōu)化措施對車載射頻設(shè)備間干擾風險的降低效果。韓彬等2提出一種新的有限元分析方法，即多級聯(lián)合有限元分析方法，并利用該分析方法對整車的電磁兼容性能進行分析，分析了車載天線的電場近遠場傳播特性，并就有限元分析在整車電磁兼容性能方面的應(yīng)用指出了方向。

3電磁兼容數(shù)值分析主要的應(yīng)用方向及難點

3.1電磁兼容數(shù)值分析主要的應(yīng)用方向

國內(nèi)電磁兼容數(shù)值分析經(jīng)過二十年左右的發(fā)展，目前仿真技術(shù)已相對成熟，部分仿真技術(shù)已經(jīng)能夠協(xié)助解決整車電磁兼容問題。目前應(yīng)用比較完善的方向主要有整車天線布置評價及優(yōu)化、線束并行走線風險判別、整車抗擾線束耦合等。

目前整車上對天線性能的評價主要還是依賴于功能測試，依靠傳統(tǒng)方法無法在項目開發(fā)前期對整車天線的集成性能進行評估。由于整車電磁環(huán)境的愈發(fā)復(fù)雜，同時高精度天線的布置要求更為苛刻，而且在設(shè)計凍結(jié)階段再進行布置調(diào)整往往需要造成大范圍的變更，給開發(fā)成本和周期帶來較大的壓力。借助整車天線集成性能仿真可以在天線布置前期根據(jù)整車布置的情況，進行天線性能的驗證，以及提前進行多個位置的仿真分析，確定最佳的布置位置，并為后期布置變更預(yù)留較為合理的位置作為備選。對比不同天線的布局位置處的方向圖和增益可以很容易發(fā)現(xiàn)天線在整車上的最佳位置，再綜合考慮天線周邊的電器件情況即可確認天線的布置位置，同時也可確定備選位置，方便后續(xù)天線位置優(yōu)化。

圖1為某款車型天線布置在整車IP臺、內(nèi)后視鏡及后車頂位置處天線的集成性能的方向圖及增益對比，通過對比數(shù)值分析結(jié)果確認了天線的最佳布置位置，并給出了該車型備選的天線布置位置，以備天線布置受其他干擾受限的情況下的優(yōu)化選擇。

整車電動化、智能化的突破發(fā)展，使得整車上高壓部件、低壓部件的應(yīng)用較傳統(tǒng)燃油車大幅增加，增大了整車電磁兼容環(huán)境的復(fù)雜性，也使得高低壓耦合問題更為突出，典型問題有高低壓線束間的串擾問題，低壓干擾和敏感線束的串擾問題，這些問題使得整車自兼容性能受到極大的挑戰(zhàn)，也不利于整車功能的順利實現(xiàn)。而且在整車開發(fā)的早期階段，無法通過測試手段對此類問題進行確認及優(yōu)化，而等到實車階段再進行確認會因設(shè)計凍結(jié)而導(dǎo)致開發(fā)成本大為增加甚至開發(fā)周期的延長。

線束串擾的有限元分析為該問題的解決提供了新的途徑，在整車開發(fā)的早期階段，根據(jù)線束的走向和整車簡化模型對風險無法準確識別的走線進行仿真分析，如確認風險存在及時進行走線優(yōu)化，排除對敏感線束的干擾風險。后續(xù)的線束設(shè)計變更存在風險不確定的情況，也很容易通過有限元分析方法進行驗證。目前開展的仿真工作是結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的線束校核標準，以及對零部件信號類型的識別，確認敏感信號走線以及強干擾信號走線等工作的基礎(chǔ)上進行開展的。依據(jù)整車設(shè)計線束走線校核結(jié)果，針對識別出的無法進行有效確認的設(shè)計風險項，利用有限元分析方法及相應(yīng)的仿真輸入對相關(guān)風險項進行分析、判別、優(yōu)化等。

整車上常見的干擾主要還是集中在高壓線束部分，敏感信號線束多見于整車上控制器連接的視頻信號線束以及單線信號線束。圖2分析了某車型快慢充線束對車身域控制器連接的敏感線束的耦合分析，評估了快慢充線束與敏感線束并行走線情況下對敏感線束的影響程度。同時對開發(fā)過程中的不同設(shè)計方案進行了評估，規(guī)避了設(shè)計驗證不及時的問題。

整車零部件布置校核作為整車正向開發(fā)工作的重要一環(huán)同樣存在校核風險無法有效確認的問題，尤其在目前整車高壓件和低壓件的數(shù)量和類型都大大增長的情況下準確識別布置風險越來越重要。由于整車布置空間有限，低壓部件布置在高壓部件周邊，甚至直接在高壓部件上的情況已經(jīng)時有出現(xiàn)，這種情況由于高壓部件存在較強的干擾噪聲對低壓部件的影響往往一時難以確定。因此利用有限元仿真分析方法對布置風險情況進行分析判別很有必要，可有效避免數(shù)據(jù)凍結(jié)后再做設(shè)計變更造成的開發(fā)周期、開發(fā)成本的增加。圖3分析了整車控制器與充電機布置方案，確認了不同布置方案對整車控制器的影響，進而優(yōu)化了整車控制器的布置方案。

整車線束設(shè)計不僅要考慮線束間的耦合問題，同樣需要確認線束在輻射抗擾條件下的風險情況，尤其對于較大環(huán)路面積走線在輻射抗擾工況下往往會導(dǎo)致整車功能問題。抗擾條件下的線束走線風險識別對于整車功能的正常實現(xiàn)同樣重要，因此設(shè)計線束走線時提前進行仿真分析，可以提前識別出線束設(shè)計風險，并可對線束設(shè)計進行優(yōu)化。

3.2電磁兼容數(shù)值分析整車應(yīng)用難點

電磁兼容數(shù)值分析技術(shù)作為整車正向開發(fā)的重要一環(huán)，目前在整車上應(yīng)用的還存在諸多難點，其中主要難點主要集中在兩大方面，首先是整車電磁兼容數(shù)值分析計算效率較低，其次是整車電磁兼容數(shù)值分析計算精度還有待提升。

整車電磁兼容數(shù)值分析計算效率低下，主要是由于整車模型大尺寸，復(fù)雜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致劃分網(wǎng)格數(shù)量較多，整車電磁兼容數(shù)值分析計算需要較長的計算時間，使得計算效率偏低。針對整車電磁兼容數(shù)值分析計算效率偏低的情況，需要從整車模型簡化和數(shù)值分析工具兩方面進行解決。對于整車模型，在數(shù)值分析前，需要精簡模型結(jié)構(gòu)，刪除對于數(shù)值分析結(jié)果影響較小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而保證在數(shù)值分析計算中減少劃分的網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率。另外，對于不同的數(shù)值分析計算軟件，其計算能力也存在較大差異，數(shù)值分析計算軟件自身計算能力的提升對于數(shù)值分析計算效率的提升也是主要影響因素。

整車數(shù)值分析計算精度提升同樣與整車模型處理和數(shù)值分析計算軟件具有很大的關(guān)聯(lián)。要想得到高精度的數(shù)值分析結(jié)果，就需要對模型進行最大程度的保留，以減小模型結(jié)構(gòu)對數(shù)值分析結(jié)果的影響。數(shù)值分析計算軟件算法的高精度是整車數(shù)值分析的基礎(chǔ)，為此需要對數(shù)值分析軟件的底層計算方法進行了解，對數(shù)值分析計算設(shè)置進行合理設(shè)置。

電磁兼容數(shù)值分析在整車領(lǐng)域的應(yīng)用難點還有許多，但整車領(lǐng)域發(fā)展電磁兼容數(shù)值分析已經(jīng)刻不容緩。隨著汽車智能化、電動化的發(fā)展必然需要更為快速地發(fā)展整車數(shù)值分析技術(shù)，為整車正向開發(fā)設(shè)計提供更有力的支持。

4總結(jié)

整車電磁兼容的數(shù)值分析技術(shù)隨著電動汽車的興起和電動汽車的智能化發(fā)展必將迎來更進一步的快速發(fā)展。未來對整車數(shù)值分析精度和效率也必然有更高的要求，整車電磁兼容數(shù)值分析需要所有電磁兼容工程師與高校研究院一道，立足自主創(chuàng)新，借鑒有益經(jīng)驗，實現(xiàn)整車電磁兼容數(shù)值分析的跨越發(fā)展，為整車電磁兼容設(shè)計提供更強勁的幫助和指導(dǎo)。

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（編輯楊凱麟）