除雪車(chē)電磁兼容仿真分析

李旭俊，莫玉振，陸 地

（中國(guó)重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力科迪亞克機(jī)械有限責(zé)任公司，廣西 柳州545112）

隨著汽車(chē)功能的日益增多，汽車(chē)電子系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜，而隨著汽車(chē)的電動(dòng)化、智能化等趨勢(shì)，電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）問(wèn)題日益突出。電磁兼容設(shè)計(jì)是汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須考慮的課題，電磁兼容試驗(yàn)的失敗將直接導(dǎo)致整車(chē)推遲投產(chǎn)或上市。線束作為供電、傳輸信號(hào)的路徑，遍布整車(chē)的各個(gè)區(qū)域，容易產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題，是汽車(chē)電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[1]。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式遵循的是設(shè)計(jì)—樣品生產(chǎn)—測(cè)試的模式，一旦測(cè)試不能通過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，就必需按照設(shè)計(jì)流程重新開(kāi)始。無(wú)疑，這樣做的代價(jià)是冗長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期和昂貴的設(shè)計(jì)成本。

本文以中國(guó)重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力科迪亞克機(jī)械有限責(zé)任公司某型號(hào)用于機(jī)場(chǎng)跑道除雪車(chē)為研究對(duì)象，從車(chē)輛EMI模型建立到進(jìn)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(jī)場(chǎng)跑道除雪車(chē)

1 除雪車(chē)身結(jié)構(gòu)EMI模型建立

除雪車(chē)系統(tǒng)的EMI模型包括車(chē)身結(jié)構(gòu)模型和線纜束模型，車(chē)身結(jié)構(gòu)又包含車(chē)廂與駕駛艙結(jié)構(gòu)、孔陣結(jié)構(gòu)、細(xì)長(zhǎng)縫隙結(jié)構(gòu)和車(chē)廂內(nèi)重要設(shè)備結(jié)構(gòu)。對(duì)這些模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化與等效，才能夠有效地降低仿真分析復(fù)雜度與提高仿真分析效率。

1.1 車(chē)身結(jié)構(gòu)EMI模型的建立

除雪車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)由車(chē)廂、車(chē)架、駕駛艙、屬具等構(gòu)成，屬具幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且其位于駕駛艙前側(cè)，對(duì)車(chē)廂內(nèi)線纜的輻射場(chǎng)擾動(dòng)效應(yīng)比較小（通常測(cè)試輻射場(chǎng)的天線位于車(chē)體側(cè)面），為了降低計(jì)算復(fù)雜度，在本研究中忽略屬具部分對(duì)輻射場(chǎng)的影響，輪胎、觀察窗等橡膠、塑料、玻璃材料屬于非金屬材質(zhì)，其電導(dǎo)率很小，其對(duì)電磁場(chǎng)的擾動(dòng)可以忽略，因此在簡(jiǎn)化模型中不必考慮。車(chē)廂與車(chē)架金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)擾動(dòng)較大，但一些微小結(jié)構(gòu)可以忽略，一些特殊位置的金屬結(jié)構(gòu)如支架對(duì)整車(chē)EMI的影響也較小，可不必考慮。除雪車(chē)車(chē)廂與駕駛艙尺寸較大，導(dǎo)致求解域很大，對(duì)求解域進(jìn)行網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格數(shù)量極大，模型簡(jiǎn)化就顯得十分必要，需要對(duì)除雪車(chē)車(chē)廂和駕駛艙模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，除去對(duì)輻射場(chǎng)影響小的細(xì)微結(jié)構(gòu)，并使用通風(fēng)孔陣、細(xì)長(zhǎng)縫隙的子網(wǎng)格精簡(jiǎn)模型來(lái)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，模型如圖2所示。

圖2 車(chē)身EMI模型

1.2 車(chē)內(nèi)線纜束EMI模型的建立

車(chē)廂內(nèi)線纜束包括電源線與控制、信號(hào)線纜束等，這些都是重要的電磁場(chǎng)輻射源。電源線由電瓶出發(fā)，將電能傳輸?shù)礁鱾€(gè)用電設(shè)備；控制信號(hào)線則將電控箱的控制信號(hào)傳送到各個(gè)執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)各設(shè)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(chǎn)生靜磁場(chǎng)，而載有交變電流（包括共模電流與差模電流）的線纜將產(chǎn)生電磁輻射。車(chē)廂內(nèi)各設(shè)備通常都具有良導(dǎo)體制成的機(jī)箱保護(hù)，機(jī)箱起到了對(duì)內(nèi)部電路很好的保護(hù)作用，一方面限制內(nèi)部電路的輻射泄漏出設(shè)備外部，另一方面則保護(hù)敏感電路元件不受設(shè)備外部電磁場(chǎng)的干擾。

各設(shè)備之間必然存在這能量與信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題，這些傳輸依賴(lài)者設(shè)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(duì)外輻射，線纜導(dǎo)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(dǎo)線上的輻射限制在屏蔽層內(nèi)部，且線纜接頭位置也往往存在著電磁泄漏。因此，對(duì)除雪車(chē)內(nèi)部線纜束的建模非常重要。建立的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 車(chē)內(nèi)線纜EMI模型

2 除雪車(chē)系統(tǒng)EMI仿真分析

在建立完成除雪車(chē)系統(tǒng)EMI仿真分析模型之后，設(shè)置三維電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的相關(guān)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(shè)置、網(wǎng)格剖分參數(shù)、后處理探針等，就可以根據(jù)整車(chē)的EMI特性進(jìn)行仿真分析，得到整車(chē)的輻射 EMI結(jié)果[2]。

2.1 仿真條件設(shè)置

根據(jù)除雪車(chē)電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果準(zhǔn)確性，設(shè)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(shí)際測(cè)試情況相符合，即開(kāi)闊場(chǎng)地或半波暗室仿真（暗室地面為良導(dǎo)體，其余面均為吸波材料組成），為模擬無(wú)限大地平面的作用，設(shè)置邊界底面為Conducting Wall，電導(dǎo)率為s/m，其與車(chē)身距離為車(chē)輛放置于地面的實(shí)際高度，其他五個(gè)面為吸收邊界條件，模擬無(wú)反射的無(wú)限大空間。

2.2 網(wǎng)格劃分

本項(xiàng)目分網(wǎng)采用Hexahedral TLM方法，即六面體傳輸線矩陣網(wǎng)格劃分方法，對(duì)應(yīng)于TLM求解器[4]。由于電磁仿真中網(wǎng)格是根據(jù)仿真頻域劃分的，網(wǎng)格劃分必須在設(shè)置仿真頻域之后進(jìn)行，在頻率范圍設(shè)置為10 kHz～1 000 MHz的條件下，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式。

2.3 求解器與收斂條件

本項(xiàng)目三維電磁場(chǎng)的計(jì)算采用傳輸線矩陣法，該方法基于等效傳輸線法對(duì)三維電磁場(chǎng)求解域采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，采用脈沖最為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)，一次仿真求解就可以得到系統(tǒng)寬頻帶的響應(yīng)，適合求解具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜媒質(zhì)、寬帶電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題。其求解精度取決于求解域的網(wǎng)格剖分密度及迭代次數(shù)，通常來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格越密集，精度越高，迭代計(jì)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(guò)于密集的網(wǎng)格與過(guò)大的迭代次數(shù)會(huì)導(dǎo)致過(guò)長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和過(guò)大的計(jì)算資源消耗。本項(xiàng)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(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的能量衰減為-30 dB的時(shí)候，認(rèn)為求解已經(jīng)收斂，結(jié)果已經(jīng)足夠精確。

3 除雪車(chē)EMI仿真結(jié)果

3.1 車(chē)身表面電場(chǎng)分布仿真結(jié)果

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

圖4 車(chē)身表面電場(chǎng)分布云圖

3.2 車(chē)身表面電流密度分布仿真結(jié)果

車(chē)輛表面的電流密度分布情況也能夠間接反映車(chē)輛的輻射情況，900 MHz頻率點(diǎn)的電流密度分布情況如圖5所示，總體上隨著頻率增大，車(chē)輛表面的電場(chǎng)密度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。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(chē)身表面電流分布云圖

3.3 線纜束EMI仿真結(jié)果（如圖6）

圖6 線束EMI仿真云圖

4 結(jié)果分析

通過(guò)仿真研究可見(jiàn)，車(chē)體與車(chē)廂能夠有效地屏蔽其內(nèi)部線纜束與設(shè)備的電磁輻射干擾，從而降低整車(chē)的EMI水平。但是，由于裝配、通風(fēng)散熱、觀察、維護(hù)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(chē)廂屏蔽效能的重要因素。因此，合理地設(shè)計(jì)車(chē)廂與車(chē)體結(jié)構(gòu)，提高其屏蔽效能，具有重要意義。

除雪車(chē)車(chē)載設(shè)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(dǎo)致電磁泄漏。此外，線纜束長(zhǎng)度較長(zhǎng)，部分線纜的空間分布相當(dāng)于發(fā)射天線，且部分線纜遠(yuǎn)離接地平面，以上因素均為輻射超標(biāo)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(shí)減小共模電壓，目的是減小共模電流。當(dāng)共模回路阻抗一定時(shí)，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(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目基于CST Design Environment仿真分析除雪車(chē)及其相關(guān)線路的EMI特性。實(shí)現(xiàn)三維電磁場(chǎng)仿真、線纜線束仿真、電路系統(tǒng)仿真并實(shí)現(xiàn)場(chǎng)、線、路之間耦合的無(wú)縫對(duì)接，最終初步得到了除雪車(chē)及其相關(guān)線路的EMI輻射仿真結(jié)果。針對(duì)除雪車(chē)系統(tǒng)可能存在的EMI超標(biāo)問(wèn)題，提出了整改措施。本文的建模、仿真方法可以為除雪車(chē)整車(chē)及關(guān)鍵部件的電磁兼容分析與設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)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。