電動汽車150kHz～30MHz 電磁輻射發(fā)射仿真建模方法研究

曾 霞， 黎小嬌， 程 娟， 雷劍梅， 高陽春

（1.汽車噪聲、 振動與安全技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 400039；2.重慶市汽車電磁兼容性能開發(fā)工程技術(shù)研究中心， 重慶 401122）

1 引言

隨著新能源汽車的迅速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備加劇了整車的電磁兼容環(huán)境的惡化。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，EMC仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于整車EMC開發(fā)過程中，其優(yōu)勢也日益凸顯，通過線纜建模仿真預(yù)測整車電磁輻射，可以幫助解決整車輻射超標(biāo)和整改問題，可以提前預(yù)測整車輻射發(fā)射，具有一定的工程實用價值。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對車輛輻射發(fā)射的仿真也開展了很多研究。文獻[1]通過建立直流母線電磁輻射的數(shù)學(xué)模型，采用多軟件聯(lián)合分別建立整車車身模型、直流母線的電氣模型與整體電磁仿真模型，以直流母線上的電流為干擾源，運用矩量法與傳輸線法相結(jié)合的方法，仿真分析得到直流母線電磁輻射在車內(nèi)外的分布規(guī)律。文獻[2]提出一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的整車EMC預(yù)測方法，建立整車上所分析的網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性模型，能夠進行汽車多干擾源/敏感設(shè)備并存情況下的EMC預(yù)測，并通過臺架試驗?zāi)M整車輻射發(fā)射問題，進行有效性驗證。對于直接加載測試電流作為仿真激勵進行EMC性能仿真預(yù)測的方法，線束建模方式對仿真結(jié)果的影響，以及接收天線建模計算電磁場強度和近場觀測點直接得到的電磁場強度是否存在差異未見有分析。

汽車上產(chǎn)生干擾的零部件外殼大多采用的是封閉的金屬材質(zhì)，對于電磁干擾具有較好的屏蔽作用，因此汽車低頻磁場大多是通過線束的電流感應(yīng)產(chǎn)生。本文采用電磁仿真軟件FEKO，以整車模型和2條高壓線束為例，建立桿天線模型和環(huán)天線模型，以測試得到的線束電流作為線束激勵源驅(qū)動產(chǎn)生電磁波，搭建整車電磁輻射發(fā)射仿真平臺進行整車低頻輻射發(fā)射性能預(yù)測。仿真分析：①采用桿天線和環(huán)天線獲取電磁場結(jié)果，與直接采用近場觀測點得到電場和磁場分布情況是否存在不一致性。②線束采用實體線模型、FEKO軟件自帶的Cable工具建立單線以及Cable工具建立屏蔽線3種方式得到的仿真結(jié)果是否存在差異。通過仿真結(jié)果對比來確定是否可以采用近場觀測點代替桿天線和環(huán)天線來觀測測試中的電場和磁場分布，減少仿真計算流程以及線束建模采用哪種方式可靠性更高。

2 整車低頻輻射發(fā)射仿真方法

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18387—2017電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測試方法》規(guī)定的測試頻段和測試方法，在整車建模的基礎(chǔ)上，提取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況下工作的零部件線束，定義線束類型、端口電路并采集線束上的干擾電流作為線束端口的信號激勵，仿真所觀測位置的電場、磁場分布情況。仿真對應(yīng)的測試參數(shù)見表1。

表1 仿真對應(yīng)的測試參數(shù)

由于FEKO軟件可以直接用近場觀測點得到仿真環(huán)境內(nèi)的電磁場分布情況，但是實際測試時采用放置在地面上，長1m的單極子天線來測試電場，用直徑為60cm的圓環(huán)來測試磁場，環(huán)中心距地面1.3m，環(huán)垂直地面放置。因此，用近場觀測點求解電磁場時，設(shè)置求解距離車輛3m、高0.5m處位置（桿天線相位中心） 的電場以及距離車輛3m、高1.3m處位置（環(huán)天線相位中心） 的磁場。

整車低頻輻射騷擾主要來自高壓線束上的屏蔽層，用電流探頭連接示波器采集高壓線束上的干擾電流時，實際得到的也基本上是屏蔽層上的電流信號，可以認(rèn)為屏蔽層上的輻射發(fā)射與同尺寸的單線輻射量幾乎一致。因此，用FEKO進行整車輻射發(fā)射建模時，理論上可以用單線代替高壓線束的屏蔽層，單線的內(nèi)導(dǎo)體直徑是屏蔽線的屏蔽層外徑，單線絕緣層厚度與屏蔽線外絕緣層厚度相同。FEKO軟件建立線束模型時，可以采用實體線方式建立單線，采用Cable工具建立單線和屏蔽線，單線的一端用于激勵的添加，另一端直接搭鐵；屏蔽線的屏蔽層一端用于激勵的添加，屏蔽層另一端直接搭鐵，而芯線兩端均懸空。仿真時激勵添加端與實際高壓信號采集端一致，與實際激勵采集相符。

3 整車低頻輻射發(fā)射仿真建模

3.1 接收天線標(biāo)定

按照測試天線的實際模型來計算電磁場，需要在電磁仿真軟件FEKO中對桿天線和環(huán)天線進行標(biāo)定，分別得到桿天線和環(huán)天線的天線系數(shù)。天線系數(shù)AF定義為電磁場強度與天線接收電壓的比值，即天線接收1V電壓時天線周圍均勻平面波的電磁場強度。因此，在單位平面波照射下，AF為接收電壓的倒數(shù)。

標(biāo)定時，通過測量得到桿天線的大小、形狀等尺寸，在FEKO軟件中建立桿天線和環(huán)天線的模型，并按照實際測試設(shè)置搭鐵、饋電位置以及端口阻抗，標(biāo)定的仿真模型如圖1所示。對于桿天線的標(biāo)定，天線為長1m的單極子天線，天線與搭鐵之間的端口接50Ω阻抗，用電場強度為1V/m垂直于地面的均勻平面波照射桿天線，仿真得到桿天線接收端口的接收電壓U0；對于環(huán)天線的標(biāo)定，天線為直徑60cm的圓環(huán)，環(huán)中心距地面1.3m，環(huán)垂直地面放置，底部設(shè)置饋電端口并添加50Ω阻抗，用磁場強度為1A/m（電場強度為120πV/m） 沿環(huán)天線軸線方向的均勻平面波照射環(huán)天線，仿真得到環(huán)天線接收端口的接收電壓U0。

圖1 接收天線標(biāo)定模型

3.2 仿真建模

為對比分析不同的仿真方法和不同的建模方式對仿真結(jié)果的影響，分別建立實體線模型、Cable工具-單線以及Cable工具-屏蔽線方式對應(yīng)的桿天線、環(huán)天線-徑向、環(huán)天線-橫向以及近場觀測點的求解模型，總共12個模型。

由于頻率較低，所以仿真采用FEKO默認(rèn)的矩量法（MOM） 進行電磁場仿真預(yù)測計算即可。在FEKO中仿真，導(dǎo)入2條騷擾源線束的路徑，然后定義線束的性質(zhì)。線束采用單線的方式建模時，單線的內(nèi)導(dǎo)體半徑2.21mm，絕緣層厚度0.6mm，絕緣層材料XLPE。線束采用屏蔽線建模時，芯線半徑1.25mm，內(nèi)絕緣層厚度0.6mm，材料XLPE，屏蔽層金屬絲直徑0.18mm，總共16股，每股6根，外絕緣層厚度為0.6mm，材料為PVC。保證單線的內(nèi)導(dǎo)體直徑與屏蔽線的屏蔽層外徑一致（均為2.21mm），外絕緣層厚度一致（均為0.6mm）。所有仿真模型中，線束剖分規(guī)則要設(shè)置一致，排除剖分帶來的誤差。3種不同線束建模方式如圖2所示。

圖2 線束建模方式

桿天線、環(huán)天線-徑向、環(huán)天線-橫向以及近場觀測點仿真模型如圖3所示，天線及近場點觀測位置按照仿真對應(yīng)的測試參數(shù)進行設(shè)置。仿真過程中，在線纜端口添加頻域的電流信號作為仿真的激勵，利用電流探頭連接到示波器采集得到激勵信號。為了減少仿真時間并確保仿真精度，通過提取峰值的方式提取出騷擾源信號在150kHz～30MHz頻段的約51個頻點的干擾電流值作為激勵信號，將其導(dǎo)入FEKO中驅(qū)動線束產(chǎn)生電磁波，仿真運算完成即可得到電流驅(qū)動線束在汽車周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁場分布情況。

圖3 整車低頻輻射發(fā)射仿真模型

4 仿真結(jié)果計算

4.1 接收天線系數(shù)

仿真得到桿天線和環(huán)天線分別在1V/m電場和1A/m磁場平面波照射下，天線位于車輛后側(cè)（Back）、前側(cè)（Front）、左側(cè)（Left） 和右側(cè)（Right） 的接收電壓幅值U0，通過公式AF=1/U0，得到桿天線的天線系數(shù)AFE和環(huán)天線的天線系數(shù)AFH，如圖4所示，用于下文計算天線位置的電場和磁場。

圖4 桿天線和環(huán)天線標(biāo)定接收電壓及天線系數(shù)

4.2 接收天線的電磁場結(jié)果計算

對于桿天線、環(huán)天線-徑向和環(huán)天線-橫向3種直接采用接收天線的求解方法，仿真得到桿天線和環(huán)天線端口的接收電壓，需要利用天線系數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電場或磁場，計算公式如下。

由于數(shù)據(jù)較多，這里僅展示線束采用實體單線方式建模時的仿真及計算結(jié)果，此時分別得到桿天線、環(huán)天線-徑向和環(huán)天線-橫向3個仿真模型對應(yīng)的車輛前（Front）、后（Back）、左（Left）、右（Right） 4個方向的接收電壓，以及轉(zhuǎn)換得到的電場-垂直極化結(jié)果、磁場-徑向分量和磁場-橫向分量的結(jié)果，分別如圖5～圖7所示。

圖5 實體單線-桿天線的仿真和計算結(jié)果

圖7 實體單線-環(huán)天線-橫向的仿真和計算結(jié)果

4.3 近場觀測點電磁場仿真結(jié)果

通過近場觀測點的方式，仿真運行完成后可以直接得到車輛前、后、左、右4個方向的電場和磁場強度分布情況。由于測試的是電場強度的垂直極化以及磁場強度-徑向方向的分量和磁場強度-橫向方向的分量，因此電場強度的結(jié)果只選取電場幅值Z方向的分量。前、后兩側(cè)磁場強度-徑向方向的分量對應(yīng)近場觀測點磁場幅值的Y方向分量，左、右兩側(cè)對應(yīng)近場觀測點磁場幅值的X方向分量。前、后兩側(cè)的磁場強度-橫向方向的分量對應(yīng)近場觀測點磁場幅值的X方向分量，左、右兩側(cè)對應(yīng)近場觀測點磁場幅值的Y方向分量，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 近場觀測點位置的電場-垂直極化、 磁場-徑向和磁場-橫向方向的分量

5 仿真結(jié)果對比分析

5.1 天線模型方式與近場點方式對比

對于直接采用接收天線的接收電壓來計算電磁場強度和近場觀測點兩種方法來進行整車低頻輻射發(fā)射性預(yù)測，仿真計算結(jié)果的對比如圖9～圖11所示，分別顯示前、后、左、右4個方向車輛產(chǎn)生的電場-垂直極化、磁場-徑向方向分量以及磁場-橫向方向分量。

圖9 兩種仿真方法下的電場-垂直極化結(jié)果

圖10 兩種仿真方法下的磁場-徑向方向的仿真結(jié)果

圖11 兩種仿真方法下的磁場-橫向方向的仿真結(jié)果

從對比結(jié)果可以看出，采用距地面中心0.5m高位置的近場點來觀測電場的垂直極化分量，相比于采用實際桿天線的接收電壓來計算電場強度，兩種方式得到的電場強度在整個仿真頻段的趨勢完全一致，只是近場觀測點方式由于近場點離地面較近，其電場值整體偏小約5dB左右，說明采用距地面中心0.5m高位置的近場點來觀測電場會使電場值偏小。而采用實體環(huán)天線來求解磁場強度，與采用1.3m高位置的近場觀測點來計算磁場強度，在2MHz以下頻段，磁場強度基本一致，而在2～30MHz頻段，磁場趨勢完全一致，只是磁場值存在約6dB左右的差異，說明采用近場點來觀測測試的電磁場強度，趨勢完全一致，只有高頻部分磁場值存在些微誤差。

5.2 不同線束建模方式結(jié)果對比

對于線束采用實體單線（Entity_Model）、Cable工具-單線（Single_Cable） 以及Cable工具-屏蔽線（Shield_Cable） 3種方式建模，預(yù)測整車低頻輻射發(fā)射性能，仿真計算結(jié)果對比如圖12～圖14所示，分別顯示車輛前、后、左、右4個方向車輛產(chǎn)生的電場-垂直極化、磁場-徑向方向以及磁場-橫向方向的分量。

圖12 不同線束建模方式下電場-垂直極化的仿真結(jié)果

圖13 不同線束建模方式下磁場-徑向方向的仿真結(jié)果

圖14 不同線束建模方式下磁場-橫向方向的仿真結(jié)果

從對比結(jié)果可以看出，對于較為簡單的線束，采用實體單線、Cable工具-單線以及Cable工具-屏蔽線3種方式建模，所計算得到的電場強度完全一致，左、右兩側(cè)的磁場-徑向分量以及前、后兩側(cè)的磁場-橫向分量也完全一致，只前、后兩側(cè)的磁場-徑向分量以及左、右兩側(cè)的磁場-橫向分量在幾個諧振頻點的磁場強度值存在些微的差異。說明線束采用這3種方式建模時，只要保證向外輻射部分的外徑相同，求解的電磁場結(jié)果可以認(rèn)為具有一致性。

6 結(jié)語

本文在線束電流驅(qū)動線束感應(yīng)產(chǎn)生電磁場的仿真方法的基礎(chǔ)上，采用接收天線感應(yīng)電壓計算電磁場和近場觀點直接觀測場強來分析兩種方法的一致性，以及對比線束實體單線、Cable工具-單線和Cable工具-屏蔽線3種建模方法對低頻電磁輻射仿真結(jié)果的影響。研究表明采用近場觀測點觀測測試位置的電場強度和磁場強度，與桿天線和環(huán)天線接收到的電場和磁場趨勢完全一致，只是采用0.5m的近場點代替放置在地面上的1m長單極子天線得到的電場值偏小，后續(xù)應(yīng)該研究近場點距離地面多高能夠代替實體天線來進行電場強度的預(yù)測。而采用距離地面1.3m高位置的近場點代替環(huán)中心在地面1.3m的環(huán)天線進行磁場的預(yù)測，在低頻2MHz以下基本一致，在2MHz以上磁場趨勢完全一致，但是磁場值存在些微差異。因此，雖然近場點不能完全替代實際測試天線來計算測試環(huán)境內(nèi)的電磁場值，若沒有桿天線和環(huán)天線的尺寸從而無法建立天線模型時，還是可以采用近場觀測點來預(yù)測低頻輻射電磁場的整體趨勢，以及電磁場強度的大致范圍，簡化分析整車系統(tǒng)產(chǎn)生電磁波諧振的影響因素或進行線束和零部件優(yōu)化分析的流程，從而在設(shè)計階段快速為車內(nèi)各種電器布置和線束布局提供參考。而對于簡單的線束建立模型時，只要保證向外輻射部分的外徑相同，可以采用實體單線、Cable工具-單線以及Cable工具-屏蔽線其中任何一種方式，對電磁場預(yù)測結(jié)果影響基本可以忽略。

本文中的仿真模型只是簡化的2根線束模型，實際汽車上有大量的高壓或低壓線束工作時會產(chǎn)生輻射電磁場，通過本文的仿真研究，可將其延伸到整車更高頻率復(fù)雜系統(tǒng)工作時的電磁場仿真。