汽车电子的电磁兼容性分析

EMC analysis in the application of automotive industry

摘要：技术的发展促进了汽车产业的进步，诸多新技术在汽车中的应用对汽车电器系统的可靠性提出了更高的要求。我们必须尽早的对整车电磁环境测试进行分析和描述，找出潜在的问题才可以进行指标的再分配。本文对市场上现有的电磁兼容性分析软件进行了介绍，阐述了不同算法的特点。结合汽车电磁兼容性分析实例得出不同软件和算法的仿真结果均与实际测试结果相吻合，均可用于汽车早期的电磁兼容性分析，不同算法的求解速度差异较大。
Aabstract:The auto industry has progressed as technology evolves. The application of many new technologies in autos puts forward higher require to the reliability of auto electrical system. The test for electromagnetic environment should be analyzed and described as fast as possible. The reallocation for the performance indices can just be done after the underlying problems have been clear. The current analyzing softwares in use for the electromagnetic compatibility are introduced, and the characteristic of different algorithms are discussed. In comparison with the instances of auto electromagnetic compatibility analysis, all the simulation results of different softwares and algorithms are consistent with the actual test results, and they can be used in the early compatibility analysis. But the calculation speeds of different algorithms are prominence.

关键词：EMC, EMI, 电磁兼容性分析，汽车，算法。
Keywords:EMC, EMI, EMC Analysis，Algorithm.

随着电子技术的不断发展，新技术越来越多的应用到汽车领域，因此各个电子装置和电子控制系统必须相互适应，这就是电磁兼容性（EMC）要求。为了保证汽车可靠性，设计师必须在早期设计阶段分析电磁兼容性问题。目前市场上推出了一些电磁兼容性分析软件，可以帮助工程师完成汽车的电磁兼容性设计。

电磁兼容性设计分析软件
按软件的适用性划分，市场上推出的电磁兼容性分析软件可以分为两大类：
1、板级电磁兼容分析软件
2、系统级电磁兼容分析软件
汽车电子属于系统级电磁兼容性分析，适用的软件有：EMC studio，HFSS,  FEKO,  EMC2000,  FLO/EMC, PAM-CEM。
FEKO软件:
ANSYS公司推出的EMAX的辅助工具。具有矩量法MOM计算核心，能够混合物理光学方法PO和一致性集合绕射理论UTD等高频方法的针对电大尺寸问题的计算模块FEKO。
HFSS软件:
Ansoft公司的HFSS软件采用的有限元计算方法，针对高频电磁场分析软件，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准。
EMC2000:
EMC2000.利用交互式的工具定义传导和辐射端口源，综合矩量法和改进的物理光学法，可同时处理电磁场和电路参数，可卷积和快速傅立叶变换进行时域分析。
FLO/EMC:
FLO/EMC采用先进的时域传输线法(MTL)。
PAM-CEM:
ESI集团推出的采用三维有限元算法，在时域求解。适合宽频带的电磁兼容问题。也可利用有限差分法快速洞察电磁状况。
EMC Studio:
EMC-Studio专门针对有复杂电缆连接的电子系统中的抗干扰、EMI和串扰问题。计算的核心是矩量法MoM、辅助源法MAS、传输线法MTL和网格分析SPICE，新版软件将增加辅助光学算法PO。

汽车电子的电磁兼容性分析
汽车电子的电磁兼容性分析是指在进行汽车电气线路整体设计时根据车辆具体的技术参数和车辆的实际适用环境，从分析各种干扰源的特性和技术参数入手，确定干扰的路径和耦合方式，然后采取各种措施抑制干扰，消除干扰的耦合，增强被干扰对象的抗干扰能力，从而使汽车电子产品及设备正常工作。汽车中的EMC在大多数情况下主要取决于：
· 金属车体
· 连接电缆
· 电子控制单元（ECU）和电子元器件
· 天线
通过精确的模拟以上所列的要点和选用合适的计算方法，就可能对EMC做出准确的预测。

１，计算汽车部件的必需工具
　　计算3D电磁场的程序
　　求解Maxwell方程组
　　考虑车身结构／测试装置
　　传输线计算程序
　　传输线方程式解决方案
　　要考虑到外部场影响到系统内部
　　电路计算程序
　　电路方程式的计算
　　考虑到复杂负载的影响

２，计算方法比较：电磁场计算程序MOM

　　优势
　　场的散射考虑到真实的三维几何结构

　　局限性
　　不能够用于计算定制的电缆包
　　不可能考虑到具有非线性端结装置的复杂电流
　　很难处理绝缘的和磁性材料

　　精度
　　依赖于网格的质量
　　传输线计算程序MTL

　　优势
　　频率依赖于考虑的电缆参数
　　独立的三个成分：源，电缆和负载
　　计算速度高

　　局限性
　　传输线计算不可以考虑到任何的三维几何结构，只是接近真实的三维情况

　　精度
　　依赖于LC参数的计算和沿着金属线方向纵向分割精度
　　电路计算程序（SPICE）

　　优势
　　复杂电路
　　时域计算
　　简单的非线性描述

　　缺陷
　　程序不能够指导EMC问题
　　限于电磁场的困境
　　大系统的稳定性问题

　　精度
　　用精确模型的时候精度很高
　　精确的模型非常少
　　
　　混合方法
　　不同方法的结合：集中优势，丢弃缺陷
　　3D EM程序＋传输线计算程序
　　在没有金属线的时候直接用3维电磁求解器计算电磁场
　　场使用传输线激励源
　　传输线计算程序＋电路计算程序
　　传输线系统细分为小段
　　每一个线段是一个带有集总参数的电流模型
　　在这样的方法之下，负载装置（包括非线性的）可以用电路分析工具（SPICE）

３，建立模型
建立正确的模型是求解汽车电磁兼容性问题的关键。为了准确计算辐射、传导发射和抗干扰问题必须将车身，连接电缆已经端接的情况详细定义。首先导入车身文件，软件通常会自动划分网格。然后定义连接电缆、天线结构、设备等。定义设备可以使用原理图或者SPICE文件。

图1　建立模型

４，汽车电磁兼容性分析流程
　 根据想要的ECU功能调整组件需求
    根据指定的汽车功能调整组件需求
    定义组件必要规格
    设计和较优化组件
    检查电缆布局是否满足电磁兼容性要求
    汽车EMC计算
    根据问题调整组件和电缆布局后重新分析

５，分析结果比较
　　使用EMC studio 中TriD（矩量法）和FEKO软件计算外场屏蔽效能（θ＝80˚,η=90˚,Φ=45˚）

图２　电场屏蔽效能	图３　磁场屏蔽效能

　　用不同算法计算入射场耦合到电缆线中的电压和电流（TriD－矩量法，FEKO－矩量法，TriD/MTL矩量法和传输线法的混合算法）

图4.外场耦合到电缆线的电压	图5.外场耦合到电缆线的电流

使用FEKO和EMC studio软件的不同算法分析了屏蔽效能，场到电缆的耦合，电缆线辐射，电缆到天线的耦合等发现：不同软件和不同算法的计算结果非常吻合，并且和实际测试结果吻合。只是相同硬件环境下软件计算速度不同，EMC studio计算更快一些。图6显示的是使用相同配置计算机求解相同数量网格问题所需要的时间。

结束语
选择汽车系统电磁兼容性设计分析软件，需要根据用户的需求、针对不同的问题选择不同的工具和算法。每个算法都是成熟的，在正确建立模型基础上不同算法的计算结果基本吻合。借助分析软件的帮助，可以尽早发现和解决汽车系统中的电磁兼容性问题。

参考资料：
1.EMCstudio use manual　EMCoS
2.TriD Benchmark Report  E

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