基于電磁屏蔽的專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

陳一哲，于成杰，楊郁森，霍嘉宸，王 輝

（1.武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，武漢 430000，中國(guó)）

在智能化與數(shù)字化的浪潮下，精密電子設(shè)備在專(zhuān)用汽車(chē)中的應(yīng)用越來(lái)越多，隨之而來(lái)的是對(duì)電磁的干擾越來(lái)越敏感，這些干擾已成為一種新的社會(huì)危害。任何電子、電器設(shè)備運(yùn)行時(shí)都在向周?chē)鷤鬟f電磁信號(hào)，這些信號(hào)可能會(huì)對(duì)周?chē)渌娮釉O(shè)備造成干擾，同時(shí)，電子設(shè)備也可能受環(huán)境中的電磁的影響。電磁干擾(electromagnetic interference， EMI)雖然可能是暫時(shí)的，但也可能是致命的，例如，安全氣囊、輔助駕駛系統(tǒng)和防抱死系統(tǒng)收到干擾被誤觸發(fā)和失效等。此外，電磁干擾可能會(huì)對(duì)特定人群造成干擾，如身體內(nèi)有金屬支架的人等，嚴(yán)重危害了駕駛員和乘客的安全。

在電磁屏蔽的傳輸線(xiàn)理論中，通常把屏蔽體看成傳輸線(xiàn)的一段,當(dāng)電磁波輻射場(chǎng)靠近屏蔽體時(shí)，一部分電磁波被反射，剩余部分透射進(jìn)入屏蔽體進(jìn)行傳輸。而屏蔽體的主要作用就是在傳輸過(guò)程中，使電磁波在自由界面和屏蔽體界面發(fā)生多次反射、投射以達(dá)到減弱電磁的目的[1]。根據(jù)屏蔽類(lèi)型，電磁材料可以分為：金屬和合金電磁屏蔽材料、表面導(dǎo)電屏蔽材料和本征導(dǎo)電聚合物電磁屏蔽材料等。電子設(shè)備往往需要考慮散熱、外部電源供電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩兀瑢?dǎo)致屏蔽腔體存在復(fù)雜的不可避免的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，如散熱孔、導(dǎo)線(xiàn)孔等等，大幅度降低了屏蔽效能的同時(shí)也大大增加了屏蔽效能分析的難度[2-3]。因此，如何減小專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體因自身結(jié)構(gòu)而受到的電磁干擾就成了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用供電車(chē)優(yōu)良的電磁屏蔽性能，常常會(huì)選取具有電磁屏蔽性能的材料作為屏蔽箱體的基體，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)—電磁屏蔽一體化。金屬擁有卓越的屏蔽性能，然而，由于重量大、易腐蝕等缺點(diǎn)，不適合在專(zhuān)用汽車(chē)電磁屏蔽箱體中使用。因此，專(zhuān)用汽車(chē)對(duì)輕量化、耐腐蝕的新型電磁屏蔽材料的需求越來(lái)越高[4]。

高分子復(fù)合材料具有重量輕、耐腐蝕、易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，是理想的電磁屏蔽材料，隨著對(duì)碳系材料電磁屏蔽性能的不斷研究， 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)逐漸在電磁屏蔽材料中嶄露頭角[5]。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有導(dǎo)電性，可以充分發(fā)揮電磁屏蔽的特性。近幾年來(lái)，炭黑、碳納米管、碳纖維、柔性石墨等碳材料作為填充材料的新型復(fù)合型屏蔽材料得到了較快發(fā)展。國(guó)內(nèi)外等學(xué)者[6-9]對(duì)CFRP 進(jìn)行了電磁屏蔽效能測(cè)試，表明它具有良好的屏蔽效能。陳旭[10]對(duì)碳纖維復(fù)合材料機(jī)箱進(jìn)行電磁屏蔽效能測(cè)試以及減重設(shè)計(jì)，在核電磁脈沖下屏蔽效能達(dá)到40 dB。相關(guān)研究[11-12]表明，一般認(rèn)為達(dá)到20 dB 可滿(mǎn)足商用屏蔽要求，在特定頻段內(nèi)其電磁屏蔽參數(shù)可達(dá)70 dB。因此，本設(shè)計(jì)選取碳纖維復(fù)合材料為專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的材料，在提高專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體屏蔽效能的同時(shí)也達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)與降低能耗的目的。

本文以合理簡(jiǎn)化后的一個(gè)專(zhuān)用供電車(chē)電磁屏蔽箱體為對(duì)象，采用完全密封并接地的導(dǎo)電屏蔽材料通過(guò)Ansys Electronics Desktop 軟件進(jìn)行建模仿真，經(jīng)分析比較后為其賦予合適的復(fù)合材料，并根據(jù)GB/T 12190-2021[13]電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法的規(guī)定，按照單一變量的原則對(duì)電磁波的頻率、箱體的厚度、開(kāi)口的形狀進(jìn)行研究，得到了相應(yīng)的電場(chǎng)/磁場(chǎng)分布云圖，經(jīng)整理分析后得出不同因素對(duì)箱體電磁屏蔽效能的影響。在此研究基礎(chǔ)上，考慮屏蔽材料厚度對(duì)其尺寸和輕量化的影響[14]，貼近實(shí)際情況對(duì)專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，提升專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體電磁屏蔽性能。

1 屏蔽效能評(píng)價(jià)

1.1 電磁屏蔽效能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

電磁屏蔽的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是屏蔽效能SE，定義為

其中：Sinc為入射功率密度，是指加屏蔽前測(cè)量點(diǎn)的功率密度；Stran為透入功率密度，是指加屏蔽后同一測(cè)量點(diǎn)的功率密度。

上述方程中的功率密度，在具有同一波阻抗的同一介質(zhì)中，可由電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)替代，則上述方程即可用場(chǎng)強(qiáng)定義。

其中：Ea為安裝屏蔽前測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度；Eb為安裝屏蔽體后同一測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度；Ha為安裝屏蔽體前測(cè)量點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，Hb為安裝屏蔽體后同一測(cè)量點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度[15]。屏蔽效能SE 越大，表明材料的電磁屏蔽效果越好。

2 專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體屏蔽效能的影響因素

2.1 箱體厚度對(duì)電磁屏蔽效能的影響

由于實(shí)際中供電車(chē)系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備繁雜，并且頻段覆蓋廣泛，因此進(jìn)行電磁屏蔽效能的試驗(yàn)成本高，且定位困難，調(diào)試依靠猜測(cè)，抗風(fēng)險(xiǎn)能力差，產(chǎn)品周期長(zhǎng)。因此，通過(guò)簡(jiǎn)化某公司的產(chǎn)品，并利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究是更加可行的方法[16]。高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)是Ansys 旗下的基于電磁有限元法分析各種復(fù)雜微波工程問(wèn)題的三維電磁仿真軟件，它采用自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)來(lái)提高計(jì)算精度和速度，可直接提供特性電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)等仿真結(jié)果[17]。故選擇HFSS 軟件為工具進(jìn)行仿真分析研究。

為了達(dá)到最佳的屏蔽效能，理論上可以采用完全密封并接地的碳纖維復(fù)合材料作為專(zhuān)用供電車(chē)電磁屏蔽箱體，為了減少運(yùn)算量，將箱體尺寸簡(jiǎn)化為460 mm×600 mm×720 mm，本文預(yù)選取電磁屏蔽箱體本身的厚度為14 mm，在其他條件不變的情況下，改變箱體厚度為6、10、14 mm，并在低頻率、諧振頻率、高頻率范圍內(nèi)分別選取1 個(gè)頻率點(diǎn)，分析3 種不同厚度下的電磁屏蔽效能。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12190-2021電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法，不同頻率范圍內(nèi)屏蔽效能的數(shù)學(xué)表達(dá)式各有不同，因此測(cè)試的電磁屏蔽效能所用的電磁參數(shù)各有不同，具體參數(shù)如表 1所示。

表1 屏蔽效能的數(shù)學(xué)表達(dá)式

根據(jù)表 1，分別選擇15 kHz、100 MHz、1 GHz 作為低頻率范圍、諧振頻率范圍和高頻率范圍的測(cè)試頻率。通過(guò)Ansys Electronics Desktop 軟件給壁厚(d)為6、10、14 mm 的箱體施加除頻率以外其他條件都相同的激勵(lì)，進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布仿真云圖，見(jiàn)圖1—圖3。

圖1 d = 6 mm 屏蔽箱體電場(chǎng)和磁場(chǎng)云圖

圖2 d = 10 mm 屏蔽箱體磁場(chǎng)和電場(chǎng)云圖

圖3 d = 14 mm 屏蔽箱體磁場(chǎng)和電場(chǎng)云圖

圖 4 不同壁厚的箱體磁場(chǎng)和電場(chǎng)分布

規(guī)定箱體右側(cè)壁面向箱體外側(cè)法線(xiàn)方向?yàn)閤軸正向，前側(cè)壁面向箱體外側(cè)法線(xiàn)方向?yàn)閥軸正向，上側(cè)壁面向箱體外側(cè)法線(xiàn)方向?yàn)閦軸正向，以箱體左壁面中心點(diǎn)外左側(cè)300 mm 處為零點(diǎn)，記錄圖1—圖3 中由零點(diǎn)沿x軸正向至右側(cè)壁面中心點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值和磁場(chǎng)強(qiáng)度值，得到圖4 所示不同頻率電磁波下該段距離(S)上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)。

通過(guò)以上電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布云圖及變化曲線(xiàn)可知，在頻率為15 kHz 和1 GHz 的電磁波下，箱體的綜合屏蔽效能隨著壁厚的增加得到加強(qiáng)；而在頻率為100 MHz 的電磁波下，箱體的屏蔽效能則幾乎沒(méi)有變化?？梢?jiàn)在低頻率和高頻率范圍內(nèi)，箱體的厚度與屏蔽效能呈正相關(guān)，在諧振頻率范圍內(nèi)，箱體厚度不是影響其屏蔽效能的主要因素。

2.2 開(kāi)孔形狀對(duì)屏蔽效能的影響

考慮實(shí)際情況，專(zhuān)用供電車(chē)內(nèi)部的屏蔽箱體結(jié)構(gòu)不可能做到完全封閉，箱體表面或多或少都會(huì)有一定數(shù)量的孔狀結(jié)構(gòu)用以散熱或使電線(xiàn)等線(xiàn)纜得以進(jìn)出，因此，對(duì)屏蔽箱體的電磁仿真也需要考慮不同的開(kāi)孔形狀。為探究不同形狀的開(kāi)孔對(duì)電磁屏蔽效能的影響，本文選取方形和圓形2 種典型形狀進(jìn)行探討[18]。對(duì)于方形開(kāi)口，在面積保持不變的情況下，選取長(zhǎng)寬比作為主要目標(biāo)；圓形開(kāi)口則與方形開(kāi)口屏蔽效能最好的形狀進(jìn)行比較。圖5 是矩形孔開(kāi)口長(zhǎng)寬比為3:1、2:1、1:1和圓孔的建模模型。

圖5 矩形開(kāi)口和圓形開(kāi)口模型

圖 6 不同長(zhǎng)寬比矩形開(kāi)口模型在不同頻率磁場(chǎng)下的磁場(chǎng)和電場(chǎng)

首先對(duì)矩形開(kāi)口進(jìn)行研究。在模型表面開(kāi)孔后，其余條件均不變，分別加15 kHz、100 MHz、1 GHz的電磁波激勵(lì)，經(jīng)仿真分析后得到專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體磁場(chǎng)、電場(chǎng)的分布云圖，并按上述處理壁厚云圖的方法作圖，在15 kHz、100 MHz、1 GHz 的電磁波下矩形孔長(zhǎng)寬比分別為3:1、2:1、1:1 時(shí)電、磁場(chǎng)分布如圖6 所示。

通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)云圖和電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布圖可以直觀地看出，隨著長(zhǎng)寬比的減小，綜合屏蔽效能逐漸增加。

圓形孔的專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的電、磁場(chǎng)在15 kHz、100 MHz 和1 GHz 的電磁波下場(chǎng)分布如圖7 所示。

圖7 圓形開(kāi)口模型在不同頻率磁場(chǎng)下的磁場(chǎng)和電場(chǎng)分布云圖

規(guī)定箱體左側(cè)壁面向箱體外側(cè)法線(xiàn)方向?yàn)閤軸正向，以箱體左壁面中心點(diǎn)外左側(cè)300 mm 處為零點(diǎn)，記錄由零點(diǎn)沿x軸正向至右側(cè)壁面中心點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值和磁場(chǎng)強(qiáng)度值，將這些數(shù)值顯化成如圖8 所示的電場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)圖。

圖8 圓形和矩形開(kāi)口模型在不同頻率下的磁場(chǎng)和電場(chǎng)

圖中300～900 mm 范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)位于箱體內(nèi)腔。由圖8 可以看出，開(kāi)孔面積基本一樣時(shí)，在頻率為15 kHz 和1 GHz 的電磁波下，箱體的屏蔽效能在箱體左側(cè)開(kāi)孔為圓形時(shí)都要更強(qiáng)一些，而在頻率為100 MHz 時(shí)，箱體的屏蔽效能與其左側(cè)開(kāi)孔形狀無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)，相同開(kāi)孔面積下，在低頻率和高頻率階段，箱體的開(kāi)孔形狀為圓形時(shí)屏蔽效能更好；而在諧振頻率階段，箱體的開(kāi)口形狀對(duì)屏蔽效能幾乎無(wú)影響。

3 車(chē)用箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

3.1 車(chē)用箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從上文的研究結(jié)果可知，箱體的厚度、開(kāi)孔的形狀對(duì)專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能都有著重要的影響。在低頻率和高頻率的電磁波作用下，專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能與其厚度呈正相關(guān)，所以要想從厚度方面加強(qiáng)專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能，必須適當(dāng)增加專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的厚度，但這會(huì)不可避免地使專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體增重?？梢?jiàn)只增加厚度的方法并不是加強(qiáng)專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體電磁屏蔽效能的最佳選擇。因此，要在滿(mǎn)足輕量化的條件下提高專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能，應(yīng)從適當(dāng)增加專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的厚度和改變開(kāi)孔形狀2 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

由前文的研究結(jié)論可知總開(kāi)孔面積相同情況下，在低頻率和高頻率的電磁波干擾下，箱體的開(kāi)孔形狀為圓形時(shí)屏蔽效能更好，因此選擇將箱體模型厚度增加為22 mm，其余與上文方案相同，使開(kāi)口面積近乎一致，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，改進(jìn)后箱體外形如圖9 所示。

圖9 改進(jìn)后的專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體模型圖

圖 10 優(yōu)化開(kāi)口模型在不同頻率下的磁場(chǎng)和電場(chǎng)分布圖

3.2 專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體電磁屏蔽效能優(yōu)化仿真驗(yàn)證

為研究其優(yōu)化后的電磁屏蔽效能大小，分別對(duì)改進(jìn)前、后的專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體進(jìn)行仿真分析。以箱體右側(cè)壁面為研究面，在距離其幾何中心外部法線(xiàn)方向300 mm 處添加一個(gè)偶極天線(xiàn)，電流元大小為1 AM，電流方向指向箱體中心點(diǎn)，分別設(shè)置激勵(lì)源頻率為15 kHz、100 MHz、1 GHz。屏蔽箱體在這些頻率的電磁波下周?chē)捌鋬?nèi)部的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布云圖如圖10 所示。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12190-2021 電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法，箱體的電磁屏蔽效能參數(shù)根據(jù)在距離天線(xiàn)0.6 m 處的電磁場(chǎng)強(qiáng)決定。取激勵(lì)源至箱體左壁面幾何中心的線(xiàn)上距激勵(lì)源60 cm 處的改進(jìn)前后的電磁場(chǎng)強(qiáng)度值，由式(2)、(3)計(jì)算出15 kHz、100 MHz 和1 GHz電磁屏蔽箱體的效能分別為46.3、9.4、32.2 dB。

由分析數(shù)據(jù)可以看出：經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體電磁屏蔽效能得到了明顯的提高，其抗電磁干擾能力得到了改善，在低頻和高頻段符合電磁屏蔽的標(biāo)準(zhǔn)，具有極強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文以專(zhuān)用供電汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料屏蔽箱體為研究對(duì)象，研究了箱體厚度、開(kāi)孔形狀對(duì)電磁屏蔽效能影響。通過(guò)Ansys Electronics Desktop 仿真得到以下結(jié)論：

1) 在低頻率和高頻率范圍內(nèi)的電磁干擾下，專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的厚度與箱體屏蔽效能呈正相關(guān)；相同開(kāi)孔面積下，開(kāi)圓形孔時(shí)箱體屏蔽效能優(yōu)于開(kāi)方形孔；而在諧振頻率階段上述要素對(duì)屏蔽效能無(wú)明顯影響。

2) 對(duì)專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析，得到在15 kHz、100 MHz、1 GHz 等3 種頻率下，專(zhuān)用車(chē)輛屏蔽箱體的電磁屏蔽效能分別為46.3、9.4 和32.2 dB。

本研究表明使用碳纖維復(fù)合材料作為專(zhuān)用車(chē)輛箱體屏蔽材料可以在滿(mǎn)足輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)有效地提高其抗電磁干擾的能力，為基于電磁屏蔽而進(jìn)行的交通設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種新的可行性；通過(guò)開(kāi)發(fā)新型碳纖維復(fù)合材料，如在碳纖維板之間夾金屬合金，可以降低局部磁場(chǎng)，增強(qiáng)其綜合性能，是未來(lái)碳纖維復(fù)合材料的電磁屏蔽性能的研究方向之一。