汽車電子的電磁兼容性分析

0 引 言

　　隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)越來越多的應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，因此各個電子裝置和電子控制系統(tǒng)必須相互適應(yīng)，這就是電磁兼容性(EMC)要求。為了保證汽車可靠性，設(shè)計師必須在早期設(shè)計階段分析電磁兼容性問題。目前市場上推出了一些電磁兼容性分析軟件，可以幫助工程師完成汽車的電磁兼容性設(shè)計。

　　按軟件的適用性劃分，市場上推出的電磁兼容性分析軟件可以分為兩大類：板級電磁兼容分析軟件和系統(tǒng)級電磁兼容分析軟件。

　　汽車電子屬于系統(tǒng)級電磁兼容性分析，適用的軟件有：EMC studio，HFSS，F(xiàn)EKO，EMC2000，F(xiàn)LO／EMC，PAM-CEM。

　　汽車電子的電磁兼容性分析是指在進(jìn)行汽車電氣線路整體設(shè)計時根據(jù)車輛具體的技術(shù)參數(shù)和車輛的實際適用環(huán)境，從分析各種干擾源的特性和技術(shù)參數(shù)人手，確定干擾的路徑和耦合方式，然后采取各種措施抑制干擾，消除干擾的耦合，增強被干擾對象的抗干擾能力，從而使汽車電子產(chǎn)品及設(shè)備正常工作。汽車中的EMC 在大多數(shù)情況下主要取決于：金屬車體、連接電纜、電子控制單元(ECU)和電子元器件、天線。

　　通過精確的模擬以上所列的要點和選用合適的計算方法，就可能對EMC做出準(zhǔn)確的預(yù)測。

　　1計算汽車部件的必需工具

　　計算汽車部件的必需工具為：(1)計算3D電磁場的程序：求解Maxwell方程組、考慮車身結(jié)構(gòu)／測試裝置；(2)傳輸線計算程序：傳輸線方程式解決方案、要考慮到外部場影響到系統(tǒng)內(nèi)部；(3)電路計算程序：電路方程式的計算、考慮到復(fù)雜負(fù)載的影響。

　　2計算方法比較

　　(1)電磁場計算程序MOM的優(yōu)勢為：場的散射考慮到真實的三維幾何結(jié)構(gòu)；局限性為：不能夠用于計算定制的電纜包、不可能考慮到具有非線性端結(jié)裝置的復(fù)雜電流、很難處理絕緣的和磁性材料；精度依賴于網(wǎng)格的質(zhì)量。

　　(2)傳輸線計算程序MTL優(yōu)勢為：頻率依賴于考慮的電纜參數(shù)、獨立的3個成分：源，電纜和負(fù)載、計算速度高；局限性為：傳輸線計算不可以考慮到任何的三維幾何結(jié)構(gòu)，只是接近真實的三維情況；精度依賴于LC參數(shù)的計算和沿著金屬線方向縱向分割精度。

　　(3)電路計算程序(SPICE)優(yōu)勢為：復(fù)雜電路、時域計算、簡單的非線性描述；缺陷為：程序不能夠指導(dǎo)EMC問題、限于電磁場的困境、大系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題；精度：用精確模型的時候精度很高、精確的模型非常少。

　　(4)混合方法

　　不同方法的結(jié)合：集中優(yōu)勢，丟棄缺陷。

①3D EM程序+傳輸線計算程序
在沒有金屬線的時候直接用三維電磁求解器計算電磁場、場使用傳輸線激勵源。
②傳輸線計算程序+電路計算程序
傳輸線系統(tǒng)細(xì)分為小段、每一個線段是一個帶有集總參數(shù)的電流模型。
在這樣的方法之下，負(fù)載裝置(包括非線性的)可以用電路分析工具(SPICE)。

　　3建立模型

　　建立正確的模型是求解汽車電磁兼容性問題的關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確計算輻射、傳導(dǎo)發(fā)射和抗干擾問題必須將車身，連接電纜已經(jīng)端接的情況詳細(xì)定義。首先導(dǎo)入車身文件，軟件通常會自動劃分網(wǎng)格。然后定義連接電纜、天線結(jié)構(gòu)、設(shè)備等。定義設(shè)備可以使用原理圖或者SPICE文件，如圖1所示模型。

4汽車電磁兼容性分析流程

(1)根據(jù)想要的ECU功能調(diào)整組件需求；
(2)根據(jù)指定的汽車功能調(diào)整組件需求；
(3)定義組件必要規(guī)格；
(4)設(shè)計和最優(yōu)化組件；
(5)檢查電纜布局是否滿足電磁兼容性要求；
(6)汽車EMC計算；
(7)根據(jù)問題調(diào)整組件和電纜布局后重新分析。

　　5分析結(jié)果比較

　　使用EMC studio中TriD(矩量法)和FEKO軟件計算外場屏蔽效能(θ=80°，η=90°，φ=45°)，如圖2、3所示。

用不同算法計算入射場耦合到電纜線中的電壓和電流(TriD-矩量法，F(xiàn)EKO-矩量法，TriD／MTL矩量法和傳輸線法的混合算法)，如圖4、5所示。

使用FEKO和EMC studio軟件的不同算法分析了屏蔽效能，場到電纜的耦合，電纜線輻射，電纜到天線的耦合等發(fā)現(xiàn)：不同軟件和不同算法的計算結(jié)果非常吻合，并且和實際測試結(jié)果吻合。只是相同硬件環(huán)境下軟件計算速度不同，EMC studio計算更快一些。圖6表示的是使用相同配置計算機求解相同數(shù)量網(wǎng)格問題所需要的時間。

　　6 結(jié)束語

　　選擇汽車系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計分析軟件，需要根據(jù)用戶的需求、針對不同的問題選擇不同的工具和算法。每個算法都是成熟的，在正確建立模型基礎(chǔ)上不同算法的計算結(jié)果基本吻合。借助分析軟件的幫助，可以遲早發(fā)現(xiàn)和解決汽車系統(tǒng)中的電磁兼容性問題。