汽車控制器線束的電磁兼容仿真研究*

任國峰 田 豐 張樹梅 楊 林

（上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所）

1 前言

目前，電子技術(shù)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用[1～4]，提升了汽車性能，但大量車載電子設(shè)備在汽車有限的狹小空間內(nèi)并存所產(chǎn)生的電磁干擾問題越來越嚴重。特別是在混合動力汽車上，由于增加了動力電機和DC/AC逆變器等強電磁輻射裝置，控制器的電磁兼容問題就更嚴重。汽車電子電磁兼容技術(shù)就是要保證車載電子設(shè)備在汽車的運行過程中，既能抵抗車內(nèi)其它電子設(shè)備的電磁干擾，同時又不釋放超過允許限值范圍的電磁干擾。傳統(tǒng)的汽車控制器電磁兼容設(shè)計方法是在汽車控制器設(shè)計制作完成后按標準對其進行試驗測試，若未通過測試則修改設(shè)計后再測試，直到通過測試為止，如此反復(fù)的設(shè)計、測試、整改、再測試的過程，延長了設(shè)計周期，增加了設(shè)計成本。

近年來，隨著計算電磁學(xué)的快速發(fā)展，將電磁場數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車電磁兼容分析已經(jīng)成為汽車電磁兼容研究的熱點之一。相對于傳統(tǒng)的汽車電磁兼容設(shè)計方法，基于數(shù)值仿真的電磁兼容設(shè)計方法可以分析各種設(shè)計條件下汽車控制器的電磁兼容性。在控制器設(shè)計初期運用數(shù)值仿真技術(shù)，能及時發(fā)現(xiàn)潛在的EMC問題，并采取相應(yīng)的整改措施，使最終產(chǎn)品的電磁兼容性得到保證，在很大程度上避免了由于控制器電磁兼容性不滿足法規(guī)要求所造成的反復(fù)整改情況，進而縮短了開發(fā)周期。

2 汽車電磁兼容測試標準

汽車電子電磁兼容測試標準針對整車和零部件的干擾限值、抗干擾水平、測試方法和測試環(huán)境等都作了具體規(guī)定。目前，汽車電子電磁兼容測試領(lǐng)域中的標準主要有汽車電磁兼容國際標準（ISO、CISPR等）、歐洲汽車電磁兼容標準、美國汽車工程學(xué)會（SAE）電磁兼容標準等。各大汽車公司也有自己的企業(yè)EMC測試標準和規(guī)范，如我國與汽車相關(guān)的電磁兼容測試標準主要有等同采用CISPR 25:2008的GB/T 18655－2010《用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》、等同采用歐盟95/54/EC規(guī)定的機動車電子電器組件對電磁輻射的抗擾度以及測量方法的GB/T 17619－1998《機動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法》、等同采用 ISO 7637－2004 的 GB/T 21437《道路車輛－由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》系列標準以及等同采用ISO 10605:2001規(guī)定的車輛內(nèi)電子模塊和系統(tǒng)的靜電放電試驗方法的GB/T 19951－2005《道路車輛－靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗方法》等4類。標準規(guī)定的測試內(nèi)容主要包括傳導(dǎo)發(fā)射（CE，Conduction Emission）、 輻 射 發(fā) 射 （RE，Radiation Emission）、傳導(dǎo)抗擾（CS，Conduction Susceptibility）、輻射抗擾（RS，Radiation Susceptibility）和靜電放電（ESD，Electro－Static Discharge）等 5 個方面。 在這 5個測試內(nèi)容中，較難通過的是輻射發(fā)射標準測試，從文獻[5]提供的數(shù)據(jù)可知，輻射發(fā)射測試的抽樣合格率小于10%。

影響汽車電磁兼容問題的主要因素是汽車線束。大量的理論和工程實際表明，90%不能通過輻射發(fā)射測試的系統(tǒng)均由于線束、電纜的電磁輻射所致[6～8]。 標準 GB/T 18655—2010規(guī)定了測試汽車電子零部件輻射發(fā)射限值的標準測試方法[9，10]，即ALSE屏蔽室法，其測試頻率范圍為150～2 500 MHz，其中傳導(dǎo)發(fā)射頻段為150～108 MHz，輻射發(fā)射頻段為150～1 000 MHz，且傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的測量頻段不連續(xù)，其測試原理如圖1所示。

測試在一個四壁和天花板都裝有吸波材料的屏蔽室內(nèi)進行，測試裝置放在一塊金屬接地黃銅板上，線束前方1 m處放置天線，測量頻段不同則天線種類不同，從低頻段到高頻段分別為棒狀天線、雙錐天線、對數(shù)周期天線和喇叭天線。將汽車控制器所有的輸入輸出信號線、通信線、控制線捆扎成一段2 m長的測試線束，其中測量輻射的線束長度為1.5 m，多余的線束兩頭成直角彎折，一端連接控制器，另一端連接負載模擬箱，負載模擬箱內(nèi)裝有電感和電阻來模擬汽車上的用電設(shè)備，如果用電設(shè)備體積較小也可直接放在模擬箱內(nèi)。

3 數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)

3.1 多導(dǎo)體傳輸線模型

如果控制器和各被控設(shè)備之間的連接距離較短或信號頻率較低時，即信號的傳輸波長遠大于設(shè)備的體積（“電小電路系統(tǒng)”），在信號傳輸過程中，傳輸線的長度可忽略不計，導(dǎo)線上任一點的電壓都可視為同一時刻到達同一個值，因此可采用“集總電路參數(shù)”電路模型來處理這種問題。但當導(dǎo)線較長或信號頻率較高的時，即電子設(shè)備的體積遠大于信號傳輸波長（“電大電路系統(tǒng)”），則導(dǎo)線上的傳輸電壓不是均勻一致的，即導(dǎo)線上任一點處的電壓不僅是時間的函數(shù)而且是位置的函數(shù)，即使在同一時刻，不同位置上的電壓值也是不同的。在電磁兼容測試中，頻率掃描信號頻率范圍達2.5 GHz，此時傳輸信號的波長λ=3×108/2.5×109=0.012 m，而標準ALSE屏蔽室法規(guī)定的測量線束長度為1.5 m，約為100倍的信號波長長度，因此必須將連接線束當作是分布參數(shù)元件，即線束的電阻、電容、電感等參數(shù)必須按每單位長度來計算。

由于汽車線束是由多根導(dǎo)線捆扎組成，每根都由車身作為電流返回地線，所以每根傳輸線的傳輸特性可用單位長度分布的電阻R、電導(dǎo)G、電感L、電容C等4個參數(shù)來描述[11]，如圖3所示。利用多導(dǎo)體傳輸線模型可提取出線束上的電流隨頻率掃描的分布變化，得到線束在不同頻率、不同位置處的電流分布。將此電流隨頻率的變化作為激勵源導(dǎo)入基于電基本振子模型建立的輻射場分析模型，從而可分析線束的輻射發(fā)射，解決復(fù)雜的汽車線束電磁兼容仿真分析模型的建立問題。

3.2 電基本振子模型

在汽車控制器電磁兼容分析輻射騷擾源時，常用到一個最基本的輻射騷擾源（短線天線）模型[12]，即圖3所示的長為l的電基本振子模型。電基本振子實質(zhì)上是指一段載有高頻電流的短直導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑和波長相比可忽略，可以用電流元模型近似。所謂“短”是相對于其輻射的電磁波的波長而言，即l?λ，也就是導(dǎo)線電流的長度與波長相比可忽略，所以短直導(dǎo)線上各點電流的振幅和相位可視為相同。任何載有時變電流的導(dǎo)體都能向外輻射電磁場，因此汽車線束輻射騷擾源都可被當作這種形式的電磁波發(fā)射天線。

電基本振子在空間任意位置P點產(chǎn)生的電場強度為：

由式（1）～式（3）可知，電場強度的各項數(shù)值均隨距場源的距離的增加而減小，但是各項的減小程度不同，在距場源較遠的地方場強變得很小。

4 基于CST建立線束的輻射發(fā)射分析模型

4.1 仿真模型建立

CST微波工作室是一款用于微波電磁場及天線、汽車線束仿真分析和設(shè)計的專業(yè)級軟件包，可快速精確地進行電子設(shè)備的三維信號完整性分析（SI）、傳導(dǎo)發(fā)射分析（CE）、輻射發(fā)射分析（RE），尤其適用于復(fù)雜“電大電路系統(tǒng)”的汽車線束輻射和抗擾度分析。汽車控制器的線束按信號功能類型可分為信號線、功率驅(qū)動線和通信線三類，并采用車身地板作為公共地線。信號線一般用于控制器測量傳感器信號，其一端連接傳感器，另一端連接控制器測量電路；功率驅(qū)動線一般用于驅(qū)動汽車上的用電設(shè)備，其一端連接功率負載，另一端連接控制器的功率驅(qū)動電源。按這種分類方法，可將控制器線束抽象為7根線[11]，分別為1根供電電源線、1根信號變化緩慢的模擬信號采樣線和1根PWM脈沖信號采樣線，2根CAN通信雙絞線，1根持續(xù)載有大電流的功率驅(qū)動線和1根載有大電流的PWM脈寬型功率驅(qū)動線。7根線基本涵蓋了汽車線束的所有類型。在線束的輻射發(fā)射仿真模型中，對輻射發(fā)射影響較大的是線束兩端的對地阻抗，本文抽象出的7根線兩端的對地阻抗見表1。

基于CST仿真軟件，按照國家標準規(guī)定的ALSE屏蔽室測量方法，建立控制器線束的輻射發(fā)射分析模型，如圖4所示。從圖4可看出，該線束分析模型模擬了ALSE法規(guī)定的線束測試布置方案，線束被放在一塊面積為3 m×2 m的接地金屬板上，距金屬板表面距離為50 mm。汽車線束內(nèi)部的捆扎情況復(fù)雜多樣，圖5為接近于實際情況的線束捆扎橫截面圖。線束兩端連接的負載如圖6所示，線束右側(cè)一端連接控制器，左側(cè)一端連接傳感器或執(zhí)行器等模擬負載?？刂破鞯碾娫从靡粋€交流電壓源模擬，電壓源的幅值為+24 V，CAN雙絞線的信號源也用一個交流電壓源模擬，信號源幅值為+1.5 V。電源經(jīng)過控制器的電源線將電能送入控制器，其中很大一部分能量經(jīng)過內(nèi)部的低內(nèi)阻開關(guān)（0.5 Ω，如MOSFET管等）后驅(qū)動外部的感性負載，感性負載用一個5 Ω的電阻和1 mH的電感模擬。線束模型同時也考慮了線間的串擾影響。

4.2 仿真結(jié)果

由式（1）～式（3）可知，在線束周圍測量到的電場強度不但與測量點距線束的距離r有關(guān)，還與線束上的電流I有關(guān)。類似連接傳感器的一些信號線由于線束上的電流很小，所以產(chǎn)生的電場輻射強度也很小，線束周圍產(chǎn)生的電場輻射能量主要由于一些載有大電流的功率驅(qū)動線造成[13]，并且汽車上的很多執(zhí)行器都是由半導(dǎo)體功率開關(guān)器件來控制的，在半導(dǎo)體功率器件開關(guān)過程中，線束上會產(chǎn)生很大的浪涌電壓和浪涌電流，這是造成控制器線束輻射發(fā)射超標的最主要原因。

通過對建立的線束輻射發(fā)射分析模型做交流AC掃描分析，可獲得線束上的電壓和電流隨頻率的變化情況，如圖7所示。基于傳輸線理論建立的輻射模型只適合于TEM波的傳播，TEM波的傳播會受線束橫截面尺寸的限值，頻率不能太高，本文建立的模型取600 MHz最大頻率[12]。從圖7可看出，在24 V的交流電源激勵下，在頻率較低處 （0～50 MHz）線束上的電流幅值很大，直流狀態(tài)下電源電流幅值達6.5 A、感性負載端的電流為3.2 A，而在信號線和CAN通信線上的電流值都較?。浑S著頻率的增大，在功率驅(qū)動線端由于感性負載的存在，抑制了電流的大幅度波動，電流幅值變得非常小。然后將電流隨頻率的變化分布作為激勵源對線束用“場”的方法做3D（三維）全波分析，可獲得線束周圍的電磁場分布情況，圖8為在線束前方1 m位置垂直平面內(nèi)、500 MHz時的電場分布結(jié)果。

借助仿真模型可分析減小控制器線束輻射發(fā)射強度的設(shè)計規(guī)律，研究各參數(shù)變化對輻射強度的影響程度。如在線束模型中，將模擬感性負載中的1 mH電感量增大為10 mH，在控制器電源輸入處加入100 μF的濾波電容來抑制功率驅(qū)動線束上大的浪涌電壓和浪涌電流。仿真結(jié)果顯示，線束前方的電場輻射強度從4.86 V/m減小為1.12 V/m，如圖9所示。

抑制電磁輻射最好的方法是對輻射源進行金屬屏蔽并將屏蔽層可靠接地[11]。在模型中，將電源線和功率驅(qū)動線用屏蔽線代替后，仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可看出，使用屏蔽線后，電場輻射強度從屏蔽前的1.120 0 V/m降低到屏蔽后的0.006 4 V/m，減小了3個數(shù)量級。

CST仿真軟件中的MICROSTRIPES軟件包是專門用“場”的分析方法分析線束的近場和遠場輻射發(fā)射的另一工具軟件，相比傳輸線模型的瞬態(tài)仿真分析，MS軟件可做空間三維電磁場的傳播分析。同樣也是將傳輸線模型獲得的電流隨頻率的變化 （圖7）作為激勵源導(dǎo)入CST MS分析軟件，研究線束的近場和遠場輻射分布，用“場”的方法建立的線束空間輻射模型及其求解網(wǎng)格劃分，如圖11所示。該模型也較真實地模擬了ALSE屏蔽室法的測試環(huán)境，模型的四壁和天花板都裝有吸波材料，地板是金屬地板，可模擬自由空間電磁波的反射；模型可在GB/T 18655—2010規(guī)定的線束前方1m天線位置處檢測頻率掃描下的電場輻射強度[9]，結(jié)果如圖12所示。由圖12可看出，如果在某一頻率處線束上的電流變化幅值較大，則在該頻率下測得的電場強度也會較大，如在圖9的100MHz和400MHz頻率時，線束上形成的共模電流幅值較大，在該頻率處的輻射電場強度也較大。

5 結(jié)束語

汽車電子技術(shù)的發(fā)展帶來了汽車電磁兼容問題，而通過測試解決汽車設(shè)計過程中的電磁兼容問題費用昂貴，使得仿真預(yù)測技術(shù)成為近年來的研究熱點。本文針對電磁兼容測試標準規(guī)定的汽車控制器輻射測試方法，分析給出了數(shù)值仿真的模型理論基礎(chǔ)，即多導(dǎo)體傳輸線模型和電偶極子模型?；诜抡孳浖﨏ST建立了控制器的輻射發(fā)射測試仿真分析模型，并借助該模型研究了良好的屏蔽、濾波和可靠接地對電磁兼容的改善程度。通過仿真結(jié)果探討了汽車控制器線束周圍電磁場輻射發(fā)射的分布情況，從而對空間電磁場分布給出了形象化的平面圖形表示，有助于在研發(fā)設(shè)計階段深入透徹的理解汽車控制器電磁兼容的輻射發(fā)射特性。

1 魏學(xué)哲,戴海峰,孫澤昌.汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程.同濟大學(xué)學(xué)報，2012，40（7）:1064～1070.

2 John G Kassakian,David J Perrault.The Future of Electronics in Automobiles.IEEE Spectrum,Aug.1996,pp:15－19.

3 肖軍.汽車電子產(chǎn)業(yè)已成為新的經(jīng)濟增長點.天津汽車，2005.

4 徐立.汽車電子發(fā)展狀況與對策.信息技術(shù)與標準化，2006,（8）17～19.

5 向云秀,覃開宇.汽車電磁兼容:標準、現(xiàn)狀、措施與建議.磁性材料及器件,2011（4）:10～13.

6 馬喜來.汽車電磁兼容性預(yù)估計的研究：[博士論文].長春：吉林大學(xué)，2008.

7 吳定超.汽車電磁兼容仿真預(yù)測技術(shù)的研究：[博士論文].長春：吉林大學(xué)，2009.

8 Michel Mardiguian.Controlling Radiated Emissions by Design.New York,Uanuostrand Reinhold.1992.

9 GB/T 18655:2010.用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限制和測最方法.北京：中國標準出版社.

10 CISPR 25 Ed.3,Vehicles,boats and internal combustion engines－Radio disturbance characteristics– Limits and methods of measurements for the protection of on－board receivers,2008.

11 張戟,孫澤昌.現(xiàn)代汽車電磁兼容理論與設(shè)計基礎(chǔ).北京：北京交通大學(xué)出版社,2009.

12 陳抗生.電磁場理論與微波工程基礎(chǔ).浙江：浙江大學(xué)出版社,2009.