汽車電磁兼容中的建模挑戰(zhàn)（一）

同過去相比，現(xiàn)代車輛包含了更多的大功率且敏感的電氣部件，如牽引電機 / 電池、雷達 / 攝像頭傳感器和高速通信系統(tǒng)，并且正變得越來越復雜。新興智能互聯(lián)汽車（ICV）技術以****的速度加速了這一趨勢。車載電子設備將成為車輛**和保障的關鍵。Tr?scher 介紹了電子產(chǎn)品在汽車總成本中平均份額的一些數(shù)據(jù)和估計。如圖 1 所示，平均份額從 1950 年的 1% 呈指數(shù)級增長至 2020 年的約 35%。隨著車輛不斷朝著電氣化、自動駕駛和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）發(fā)展，2030 年車載電子產(chǎn)品的平均份額可能達到 50%。

圖 1? 電子產(chǎn)品在汽車總成本中所占份額的增長趨勢

大功率車載部件通常會發(fā)出過量的射頻（RF）噪聲，而車載敏感部件往往容易受到外部噪音的影響。由于它們集成在同一平臺上，可能會出現(xiàn)各種干擾和易感性 /** / 安保問題（車輛內部、車輛之間，車輛與其他事物之間），系統(tǒng)運行可能會發(fā)生意想不到的變化。因此，汽車電磁兼容性（EMC）的測試范圍應遠遠超過規(guī)范要求的測試，可能包括射頻干擾、無線共存、空中下載（OTA）、駕駛**、信息**等新內容。

在汽車設計中，有效且高效地解決這些廣義電磁兼容問題變得日益重要。與其他電磁兼容問題類似，對公司來說后期修改都是噩夢，因為必須公布問題和提供大規(guī)模的更換。這不僅會損害公司的公眾形象，還會消耗其預算。因此強烈建議在早期階段，特別是概念和開發(fā)階段考慮電磁兼容性。Gaviao 等人用簡單的圖表（圖 2）直觀地表示了在早期的概念階段考慮電磁兼容問題，可以*大限度地降低公司的潛在成本。圖 2 中可以清楚地看到，如果在后期階段考慮 / 處理電磁兼容性，修改成本呈指數(shù)級增長。與此同時，潛在成本的降低效應也由于后期電磁兼容整改顯著下降。

圖 2? 在不同的產(chǎn)品開發(fā)階段，由于 EMC 修改而可能降低的成本和修改成本是不同的

在早期階段，特別是當硬件還沒有準備好進行測量時，仿真可以非常有效地識別潛在的電磁兼容問題。此外，仿真還特別適合研究假設場景，以發(fā)現(xiàn)可能的困境或探索設計優(yōu)化。因此，所謂的虛擬電磁兼容測試，就是使用電磁兼容仿真來預測在標準測試環(huán)境下的測試結果，這對于其他類型的電磁兼容仿真也非常有意義。

在研究汽車電磁兼容性時，通常進行部件級 ( 和 /或模塊級 ) 電磁干擾測試，以幫助車輛制造商控制供應部件的質量。然而，在現(xiàn)實中，經(jīng)常出現(xiàn)零部件級測試結果與車輛級測試結果不完全相關的情況。換句話說，就電磁兼容性能而言，部件級測試中性能更好的部件在車輛級測試中不一定能更好地工作。這就影響了部件級測試的必要性和重要性。我們認為，電磁兼容仿真可以幫助理解這種不相關，并能提供一個有效的工具來根據(jù)部件級測試的結果對車輛級電磁兼容性能進行預測。這也是為什么電磁兼容仿真對汽車電磁兼容變得更加重要的另一個原因。

近十幾年來，虛擬電磁干擾測試技術取得了重大進展。Klingler 等人探索了頻域和時域常規(guī)仿真方法來預測車輛級抗擾度。研究表明，矩量法（MoM）和時域有限差分法（FDTD）都能得到滿意的仿真結果，但仿真時間較長（2~6 周，帶有 96 核無圖形處理單元加速）。雖然可以通過改善計算資源來減少仿真時間，但是探索替代解決方案來進一步加快仿真速度是非常必要的。文獻 [4] 中，作者建立了混合動力汽車（HEV）驅動系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用數(shù)值仿真的方法對絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT）器件進行了仿真，其余部分采用測量數(shù)據(jù)進行建模，這種方法成功地解決了仿真時間長的問題，但它需要樣機來測量并且可能需要大量的測量數(shù)據(jù)。文獻 [5] 中，作者沒有依靠測量，而是探索改進傳統(tǒng)算法來加快仿真速度的可能性。研究表明，在車輛抗擾度分析中，混合有限元邊界積分法（FEBI）比傳統(tǒng)的有限元法（FEM）速度更快、計算量更小 ；但該方法在低頻分析方面存在內在缺陷，而且目前還沒有成熟的商業(yè)工具可以支持它。

前面所述的問題實際上在當前的車輛電磁兼容建模中仍普遍存在。汽車電磁兼容通常需要大型復雜的系統(tǒng)仿真，因此會出現(xiàn)計算時間和內存大小的問題。此外，不可避免的多尺度模型，包括車輛、模塊、組件和 / 或集成電路（IC）級特性，通常使得傳統(tǒng)仿真效率低下，有時甚至無法使用 ；其次，存在潛在的知識產(chǎn)權問題。數(shù)字模型、幾何 / 材料細節(jié)和設計細節(jié)可能被視為機密信息，并且通常不會在供應商和汽車原始設備制造商（OEMs）之間共享，這導致難以采用基于測量和 /或已知信息的富有創(chuàng)造性和高效的建模方法 ；*后要強調的是，建模和數(shù)值算法有不同的假設和要求，算法的選擇和設置不當容易影響建模的準確性和效率。

為了解決汽車電磁兼容建模中的一些難題，我們以混合動力電動汽車中射頻干擾問題的建模為例，提出了一種分而治之的方法。簡而言之，就是將一個復雜的大型問題智能地劃分為多個領域，并對每個領域應用*合適的方法。

在電動汽車（EV）或混合電動汽車中，大功率電動馬達的引入增加了潛在電磁兼容問題（包括同一車輛平臺中各部件 / 模塊之間的噪聲干擾）出現(xiàn)的可能性，圖 3 展示了混合動力汽車的剖面圖。如圖 3 中所示，混合動力汽車的結構與內燃機汽車（ICE）非常相似，它只是有一些額外的電氣部件，如高壓電池、電動機和混合動力控制單元（HPCU，一個包含逆變器、啟動器和發(fā)電機的模塊）。然而，由于大功率電動機和脈沖寬度調制逆變器的應用，可能會出現(xiàn)更多的電磁兼容問題。

圖 3? 混合動力電動汽車電機驅動系統(tǒng)實例

在類似于圖 3 所示的混合動力汽車的案例中，射頻干擾（RFI）發(fā)生在電機驅動系統(tǒng)和射頻天線之間。下文將研究并解釋噪聲機理。研究發(fā)現(xiàn)，主要的噪聲源是脈沖寬度調制逆變器。圖 4 顯示了驅動牽引電機的三相脈沖寬度調制逆變器的典型輸出電壓波形（時域波形及頻譜）。可以看出，脈沖寬度調制波形中含有大量的諧波。雖然基頻大約為 100 Hz，但在幾兆赫茲內的范圍存在多次諧波，其幅值不容忽視，脈沖寬度調制逆變器輸出波形中的這些高頻成分成為該混合動力電動汽車系統(tǒng)中射頻干擾問題的源頭。

圖 4? 脈沖寬度調制逆變器的輸出電壓波形及其頻譜

圖 5 中進一步描述了噪聲耦合路徑。為了電氣的**性和可靠性，采用高壓的電機驅動系統(tǒng)與車輛金屬本體物理分離，但它通過寄生電容進行電連接，為共模電流提供返回路徑。發(fā)動機安裝在發(fā)動機缸體上，發(fā)動機缸體也與車輛主體物理分離，以減少電機運行時的振動。發(fā)動機缸體通過寄生電容與所述車體進行電連接。流經(jīng)車體的共模噪聲（如圖 5 中帶箭頭的虛線）可以通過傳導和 / 或輻射耦合機制干擾安裝在車輛內部的音頻和射頻接收器。

圖 5? 共模電流返回路徑和噪聲耦合路徑的簡化框圖

為了建立這個車輛級別的射頻干擾問題模型，首先研究了 Brute-force 算法。作為要建模的主要結構（如圖 6 所示），車體用劃分的計算網(wǎng)格來表示，電機驅動系統(tǒng)中的電纜束用綠色表示，后窗天線用橙色表示。電動機用包含寄生效應的等效電路建模。由于半導體開關器件在逆變器中的非線性，時域仿真是電磁干擾分析的優(yōu)選方法。然而，在場仿真工具提供的電路仿真器中很難對空間矢量脈寬調制逆變器進行建模。因此，分段線性電壓作為一種近似值被用作逆變器建模。以天線端口的電壓作為仿真結果對從電機驅動系統(tǒng)到天線的車輛級射頻干擾水平進行評估。然后，使用 EMCoS EMCStudio 對整個模型進行仿真。雖然建立這個模型很簡單，但是即使有大量的計算資源，這種蠻力求解算法也是極其緩慢。為了獲得合理的結果，可能需要許多天的仿真，這對于工程設計和優(yōu)化來說顯然是不切實際的。此外，使用分段線性電壓作為逆變器的近似值也會影響仿真的準確性。

圖 6? 用 Brute-force 算法對車輛射頻干擾問題進行建模