整車(chē)重點(diǎn)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)仿真與分析

王 沖，鮑 宇，郭加加，任桂瑩，王東升

（中汽研 （天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300）

隨著汽車(chē)電子化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，車(chē)輛內(nèi)集成的電器零部件日益增多，汽車(chē)EMC風(fēng)險(xiǎn)不斷提高。整車(chē)自由場(chǎng)抗擾測(cè)試為整車(chē)EMC常規(guī)測(cè)試項(xiàng)，為測(cè)量車(chē)輛在不同抗擾波形下的車(chē)內(nèi)電器部件的EMC抗風(fēng)險(xiǎn)能力。在自由場(chǎng)抗擾測(cè)試中，車(chē)內(nèi)電器零部件存在失效風(fēng)險(xiǎn)，造成整車(chē)零部件設(shè)計(jì)布置難題和零部件抗擾能力管控困難。在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可在前期模擬整車(chē)自由場(chǎng)抗擾，計(jì)算車(chē)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)，分析零部件布置風(fēng)險(xiǎn)，為整車(chē)零部件布置及管控提供指導(dǎo)。

本文模擬整車(chē)自由場(chǎng)抗擾，對(duì)車(chē)內(nèi)關(guān)鍵位置的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真與測(cè)試。在20~1000MHz頻段內(nèi)，施加75V/m抗擾強(qiáng)度波形，仿真計(jì)算車(chē)內(nèi)重要位置電場(chǎng)強(qiáng)度，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證仿真準(zhǔn)確性。通過(guò)結(jié)果分析，評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)不同位置的電器零部件的抗擾要求。

1 仿真軟件

本文中采用電磁仿真軟件Altair FEKO進(jìn)行仿真求解計(jì)算，該軟件可以對(duì)多尺度電磁問(wèn)題進(jìn)行有效精確仿真求解。其核心算法為矩量法 （Method Of Moment，MOM），計(jì)算單元為三角形。

矩量法MOM算法廣泛用于各種天線輻射、復(fù)雜散射體散射以及靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)等問(wèn)題的求解。矩量法是一種嚴(yán)格的數(shù)值方法，其精度主要取決于目標(biāo)幾何建模的精度和正確的基，權(quán)函數(shù)選擇以及阻抗元素的機(jī)損等。求解電磁問(wèn)題對(duì)應(yīng)的麥克斯韋方程組可以歸結(jié)為求解如下的算子方程：

式中：x——未知等效流或場(chǎng)；b——已知激勵(lì)源。用MOM算法求解該算子方程的步驟如下。

1）選擇一組帶有未知數(shù)的基函數(shù){ji}Ni=1表示未知的等效流或場(chǎng)，即

2）選擇加權(quán)函數(shù)或檢驗(yàn)函數(shù)tj，并對(duì)算子方程兩邊求內(nèi)積得：

式中：［A］——N×N的矩陣，表征阻抗網(wǎng)絡(luò)；［a］和［f］——均為N×1的向量；［a］——電流系數(shù)；［f］——激勵(lì)向量；N——未知量數(shù)目。

3） 用直接法或迭代法這一矩陣方程［A］［a］=［f］，從而獲得等效流或場(chǎng)的未知數(shù)向量［a］。

4）由求得的等效流帶入積分方程求解任意點(diǎn)的場(chǎng)。

用MOM法求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)是能夠嚴(yán)格計(jì)算各子散射體間的互耦，保證計(jì)算誤差的系統(tǒng)總體最小而且不會(huì)產(chǎn)生數(shù)值色散問(wèn)題。

2 仿真建模

1）整車(chē)網(wǎng)格模型創(chuàng)建

為模擬整車(chē)自由場(chǎng)抗擾測(cè)試，需建立整車(chē)仿真模型。因采用MOM算法，需使用三角形貼片網(wǎng)格建立整車(chē)模型。首先，收集某MPV車(chē)型3D數(shù)模，并進(jìn)行模型簡(jiǎn)化；去除車(chē)內(nèi)塑料結(jié)構(gòu)及小尺寸金屬部件，保留白車(chē)身、電器零部件等。然后使用Hypermesh軟件，對(duì)車(chē)體模型幾何清理，填補(bǔ)尺寸孔洞，壓縮多余邊，保證模型表面簡(jiǎn)化，方便網(wǎng)格剖分。最后對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并連接為整車(chē)網(wǎng)格模型。整車(chē)?yán)硐刖W(wǎng)格為等邊三角形，網(wǎng)格尺寸應(yīng)為最小波長(zhǎng)的1/10。考慮到自由場(chǎng)抗擾頻段為20~1000MHz，該頻帶過(guò)寬，波長(zhǎng)變化大，因此需建立2套不同尺寸的車(chē)體網(wǎng)格模型，以適應(yīng)于不同計(jì)算頻率的算例。圖1為車(chē)體網(wǎng)格模型，車(chē)輛網(wǎng)格參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖1 車(chē)體網(wǎng)格模型

表1 車(chē)輛網(wǎng)格參數(shù)

2）抗擾天線建模

實(shí)車(chē)自由場(chǎng)抗擾測(cè)試中，在20~1000MHz頻段內(nèi)，采用2種測(cè)試天線對(duì)車(chē)輛施加干擾，如圖2所示。為模擬實(shí)車(chē)測(cè)試，需建立2套抗擾天線模型。通過(guò)測(cè)量與收集2種自由場(chǎng)抗擾天線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在FEKO軟件內(nèi)下，對(duì)于天線進(jìn)行天線建模。抗擾天線為不同類型的對(duì)數(shù)周期天線，天線激勵(lì)源為天線前部頂端。在創(chuàng)建對(duì)數(shù)周期天線后，仿真計(jì)算天線方向圖；方向圖的方向性符合預(yù)期，最大輻射方向?yàn)檠刂暇€從最長(zhǎng)振子指向最短振子的方向。因此，可采用該天線進(jìn)行自由場(chǎng)仿真計(jì)算。

圖2 抗擾天線模型

3）抗擾天線校準(zhǔn)

根據(jù)對(duì)數(shù)周期天線的輻射特性，為達(dá)到同一發(fā)射的電場(chǎng)強(qiáng)度，在不同頻段需施加不同的前向功率。圖3為收集到的測(cè)試常用前向功率數(shù)據(jù)，從圖3中可知，從低頻到高頻，前向功率是由大變小的。在ISO 11451-2的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求中，對(duì)測(cè)試天線采用4探頭法標(biāo)定。在天線前部2m處設(shè)置4個(gè)探頭進(jìn)行天線標(biāo)定，高度分別為0.5m、0.8m、1m及1.2m。依照測(cè)試前向功率曲線，并參照ISO 11451-2進(jìn)行仿真天線的標(biāo)定；在仿真模型的天線饋源設(shè)置加載功率，設(shè)置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)。不斷調(diào)整功率值，當(dāng)4點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)平均值達(dá)到75V/m時(shí)，加載功率正確。以此逆向得到仿真天線的發(fā)射功率曲線。

圖3 75V/m抗擾強(qiáng)度-測(cè)試前向功率曲線

3 車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)求解

為模擬暗室環(huán)境，在FEKO軟件中建立無(wú)限大的金屬地板，其他方向?yàn)榭諝獠馁|(zhì)。導(dǎo)入整車(chē)及天線模型，并依照自由場(chǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行移動(dòng)布置。抗擾測(cè)試天線為垂直極化，車(chē)輛參考點(diǎn)與天線間距為2m。在車(chē)內(nèi)儀表、多媒體屏幕、副駕氣囊、擋位開(kāi)關(guān)、車(chē)內(nèi)后視鏡共5個(gè)位置設(shè)置觀察點(diǎn)。運(yùn)行FEKO軟件進(jìn)行求解車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)。自由場(chǎng)仿真布置如圖4所示。

圖4 自由場(chǎng)仿真布置

4 車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

為驗(yàn)證自由場(chǎng)抗擾仿真的準(zhǔn)確性，需對(duì)樣車(chē)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證測(cè)試。在暗室環(huán)境下，通過(guò)抗擾測(cè)試天線對(duì)樣車(chē)施加75V/m抗擾無(wú)調(diào)制波形，并在5個(gè)車(chē)內(nèi)重要區(qū)域布置探頭，用于測(cè)量觀測(cè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度。為減少車(chē)內(nèi)電器零部件的電磁干擾，需將車(chē)輛斷電。車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試探頭布置如圖5所示。

圖5 車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試布置

5 結(jié)果分析

將車(chē)內(nèi)5個(gè)位置的自由場(chǎng)抗擾測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果與仿真場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果對(duì)比分析。對(duì)比5個(gè)位置的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)擋位開(kāi)關(guān)處，在20~200MHz出現(xiàn)明顯的尖峰。此位置出現(xiàn)諧振，導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)較大，大大超過(guò)75V/m抗擾強(qiáng)度。同時(shí)，屏幕處場(chǎng)強(qiáng)亦高，并在多個(gè)頻段超過(guò)75V/m。針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布計(jì)算，圖6為168MHz處的車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布圖，紅色區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)較大，藍(lán)色區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)較小。可看出車(chē)內(nèi)屏幕處場(chǎng)強(qiáng)大大超過(guò)其他區(qū)域，場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)300V/m。由此可判斷，車(chē)內(nèi)中央?yún)^(qū)域?qū)?chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)有聚集及加強(qiáng)的作用，在該位置的電器零部件需加強(qiáng)電磁抗干擾能力。

圖6 168MHz處的車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布

通過(guò)仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在20~1000MHz頻段內(nèi)，仿真場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)曲線與測(cè)試數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)較為一致，對(duì)于部分頻段的高強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。同時(shí)，存在仿真數(shù)值與測(cè)試數(shù)值相差較大的問(wèn)題，因?yàn)檎?chē)模型建立過(guò)程中，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，導(dǎo)致仿真與實(shí)測(cè)存在一定的數(shù)據(jù)差距。圖7為儀表、屏幕、副駕氣囊處、擋位開(kāi)關(guān)處、車(chē)內(nèi)后視鏡處的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比圖。

圖7 儀表、屏幕、副駕氣囊處、擋位開(kāi)關(guān)處、車(chē)內(nèi)后視鏡處的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比

6 結(jié)論

本文通過(guò)仿真方法研究整車(chē)自由場(chǎng)抗擾的車(chē)內(nèi)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)分布問(wèn)題，建立整車(chē)模型及抗擾天線模型，搭建暗室仿真環(huán)境，計(jì)算車(chē)內(nèi)重要區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)，并通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證，確定仿真預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)分析得到如下結(jié)論。

1）目標(biāo)車(chē)型車(chē)體結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布影響較大。在20~200MHz，車(chē)體存在諧振，造成車(chē)內(nèi)中央?yún)^(qū)域場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，大大提高了電器零部件EMC風(fēng)險(xiǎn)。電氣零部件布置中需要繞開(kāi)這些位置或?qū)υ撐恢貌考岣呖箶_要求。

2）該自由場(chǎng)抗擾仿真方法預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，可計(jì)算出車(chē)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)，預(yù)測(cè)出場(chǎng)強(qiáng)在頻域上的變化趨勢(shì)。在整車(chē)開(kāi)發(fā)階段可通過(guò)此仿真手段預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布情況，調(diào)整零部件布置位置或?qū)α悴考椛淇箶_強(qiáng)度提出針對(duì)性的要求，以輔助整車(chē)電氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。