汽车控制器线束的电磁兼容仿真研究

汽车控制器线束的电磁兼容仿真研究 任国峰;田丰;张树梅;杨林 【摘 要】According to the current automotive EMC test stabdard, methods and test status in China, the basic theoretical model of EMC numerical simulation is presented in this paper, and based on simulation software CST, an automotive controller wire harness simulation and analysis model is established. The distribution of electromagnetic field around the wire harness has been studied with the simulation model. With the help of simulation model, the effect of shielding, filtering and reliable grounding on controller EMC property has been studied. It is proposed in this paper to suppress current oscillation in the wire harness to effectively reduce radiation electric field intensity. With the application of this EM field numerical simulation technology, the shortcomings of traditional test method such as prolonged test cycle and overhigh expense are eliminated.%针对目前我国汽车电子电磁兼容检测标准、检测方法和现状，给出了电磁兼容数值仿真分析的基础理论模型，并基于仿真软件CST建立了标准规定的汽车控制器线束的辐射发射测试仿真分析模型。通过仿真模型对控制器线束周围电磁场的分布情况进行了分析，研究了屏蔽、滤波和可靠接地对控制器电磁兼容特性的影响，提出了通过抑制线束上的电流振荡有效减小其辐射电场强度的方法。该电磁场数值仿真技术的应用解决了传统测试方法周期长、费用高的问题。

【期刊名称】《汽车技术》 【年(卷),期】2014(000)006 【总页数】5页(P57-61) 【关键词】汽车控制器线束;电磁兼容;仿真模型;优化 【作 者】任国峰;田丰;张树梅;杨林 【作者单位】上海交通大学汽车电子技术研究所;上海交通大学汽车电子技术研究所;上海交通大学汽车电子技术研究所;上海交通大学汽车电子技术研究所

【正文语种】中 文 【中图分类】U463.6

1 前言 目前，电子技术在汽车上得到了广泛应用[1～4]，提升了汽车性能，但大量车载电子设备在汽车有限的狭小空间内并存所产生的电磁干扰问题越来越严重。特别是在混合动力汽车上，由于增加了动力电机和DC/AC逆变器等强电磁辐射装置，控制器的电磁兼容问题就更严重。汽车电子电磁兼容技术就是要保证车载电子设备在汽车的运行过程中，既能抵抗车内其它电子设备的电磁干扰，同时又不释放超过允许限值范围的电磁干扰。传统的汽车控制器电磁兼容设计方法是在汽车控制器设计制作完成后按标准对其进行试验测试，若未通过测试则修改设计后再测试，直到通过测试为止，如此反复的设计、测试、整改、再测试的过程，延长了设计周期，增加了设计成本。 近年来，随着计算电磁学的快速发展，将电磁场数值仿真技术应用到汽车电磁兼容分析已经成为汽车电磁兼容研究的热点之一。相对于传统的汽车电磁兼容设计方法，基于数值仿真的电磁兼容设计方法可以分析各种设计条件下汽车控制器的电磁兼容性。在控制器设计初期运用数值仿真技术，能及时发现潜在的EMC问题，并采取相应的整改措施，使最终产品的电磁兼容性得到保证，在很大程度上避免了由于控制器电磁兼容性不满足法规要求所造成的反复整改情况，进而缩短了开发周期。 2 汽车电磁兼容测试标准 汽车电子电磁兼容测试标准针对整车和零部件的干扰限值、抗干扰水平、测试方法和测试环境等都作了具体规定。目前，汽车电子电磁兼容测试领域中的标准主要有汽车电磁兼容国际标准（ISO、CISPR等）、欧洲汽车电磁兼容标准、美国汽车工程学会（SAE）电磁兼容标准等。各大汽车公司也有自己的企业EMC测试标准和规范，如我国与汽车相关的电磁兼容测试标准主要有等同采用CISPR 25:2008的GB/T 18655－2010《用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》、等同采用欧盟95/54/EC规定的机动车电子电器组件对电磁辐射的抗扰度以及测量方法的GB/T 17619－1998《机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法》、等同采用 ISO 7637－2004 的 GB/T 21437《道路车辆－由传导和耦合引起的电骚扰》系列标准以及等同采用ISO 10605:2001规定的车辆内电子模块和系统的静电放电试验方法的GB/T 19951－2005《道路车辆－静电放电产生的电骚扰试验方法》等4类。标准规定的测试内容主要包括传导发射（CE，Conduction Emission）、 辐 射 发 射 （RE，Radiation Emission）、传导抗扰（CS，Conduction Susceptibility）、辐射抗扰（RS，Radiation Susceptibility）和静电放电（ESD，Electro－Static Discharge）等 5 个方面。 在这 5个测试内容中，较难通过的是辐射发射标准测试，从文献[5]提供的数据可知，辐射发射测试的抽样合格率小于10%。 影响汽车电磁兼容问题的主要因素是汽车线束。大量的理论和工程实际表明，90%不能通过辐射发射测试的系统均由于线束、电缆的电磁辐射所致[6～8]。 标准 GB/T 18655—2010规定了测试汽车电子零部件辐射发射限值的标准测试方法[9，10]，即ALSE屏蔽室法，其测试频率范围为150～2 500 MHz，其中传导发射频段为150～108 MHz，辐射发射频段为150～1 000 MHz，且传导发射和辐射发射的测量频段不连续，其测试原理如图1所示。 图1 汽车控制器的辐射发射测量原理示意 测试在一个四壁和天花板都装有吸波材料的屏蔽室内进行，测试装置放在一块金属接地黄铜板上，线束前方1 m处放置天线，测量频段不同则天线种类不同，从低频段到高频段分别为棒状天线、双锥天线、对数周期天线和喇叭天线。将汽车控制器所有的输入输出信号线、通信线、控制线捆扎成一段2 m长的测试线束，其中测量辐射的线束长度为1.5 m，多余的线束两头成直角弯折，一端连接控制器，另一端连接负载模拟箱，负载模拟箱内装有电感和电阻来模拟汽车上的用电设备，如果用电设备体积较小也可直接放在模拟箱内。 3 数学模型基础 3.1 多导体传输线模型 如果控制器和各被控设备之间的连接距离较短或信号频率较低时，即信号的传输波长远大于设备的体积（“电小电路系统”），在信号传输过程中，传输线的长度可忽略不计，导线上任一点的电压都可视为同一时刻到达同一个值，因此可采用“集总电路参数”电路模型来处理这种问题。但当导线较长或信号频率较高的时，即电子设备的体积远大于信号传输波长（“电大电路系统”），则导线上的传输电压不是均匀一致的，即导线上任一点处的电压不仅是时间的函数而且是位置的函数，即使在同一时刻，不同位置上的电压值也是不同的。在电磁兼容测试中，频率扫描信号频率范围达2.5 GHz，此时传输信号的波长λ=3×108/2.5×109=0.012 m，而标准ALSE屏蔽室法规定的测量线束长度为1.5 m，约为100倍的信号波长长度，因此必须将连接线束当作是分布参数元件，即线束的电阻、电容、电感等参数必须按每单位长度来计算。 由于汽车线束是由多根导线捆扎组成，每根都由车身作为电流返回地线，所以每根传输线的传输特性可用单位长度分布的电阻R、电导G、电感L、电容C等4个参数来描述[11]，如图3所示。利用多导体传输线模型可提取出线束上的电流随频率扫描的分布变化，得到线束在不同频率、不同位置处的电流分布。将此电流随频率的变化作为激励源导入基于电基本振子模型建立的辐射场分析模型，从而可分析线束的辐射发射，解决复杂的汽车线束电磁兼容仿真分析模型的建立问题。 图2 多导体传输线模型 3.2 电基本振子模型 在汽车控制器电磁兼容分析辐射骚扰源时，常用到一个最基本的辐射骚扰源（短线天线）模型[12]，即图3所示的长为l的电基本振子模型。电基本振子实质上是指一段载有高频电流的短直导线，导线的直径和波长相比可忽略，可以用电流元模型近似。所谓“短”是相对于其辐射的电磁波的波长而言，即l≪λ，也就是导线电流的长度与波长相比可忽略，所以短直导线上各点电流的振幅和相位可视为相同。任何载有时变电流的导体都能向外辐射电磁场，因此汽车线束辐射骚扰源都可被当作这种形式的电磁波发射天线。 图3 电基本振子辐射模型 电基本振子在空间任意位置P点产生的电场强度为：

式中，k=ω为相位常数 （ω为角频率）；r为电偶极子到观察点的距离；ε0=8.85×10－12F/m 和 μ0=4π×10－7A/m分别为自由空间的介电常数和磁导率。 由式（1）～式（3）可知，电场强度的各项数值均随距场源的距离的增加而减小，但是各项的减小程度不同，在距场源较远的地方场强变得很小。 4 基于CST建立线束的辐射发射分析模型 4.1 仿真模型建立