任國峰 田 豐 張樹梅 楊 林

（上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所）

1 前言

目前，電子技術(shù)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用[1～4]，提升了汽車性能，但大量車載電子設(shè)備在汽車有限的狹小空間內(nèi)并存所產(chǎn)生的電磁干擾問題越來越嚴(yán)重。特別是在混合動力汽車上，由于增加了動力電機(jī)和DC/AC逆變器等強(qiáng)電磁輻射裝置，控制器的電磁兼容問題就更嚴(yán)重。汽車電子電磁兼容技術(shù)就是要保證車載電子設(shè)備在汽車的運(yùn)行過程中，既能抵抗車內(nèi)其它電子設(shè)備的電磁干擾，同時又不釋放超過允許限值范圍的電磁干擾。傳統(tǒng)的汽車控制器電磁兼容設(shè)計方法是在汽車控制器設(shè)計制作完成后按標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行試驗測試，若未通過測試則修改設(shè)計后再測試，直到通過測試為止，如此反復(fù)的設(shè)計、測試、整改、再測試的過程，延長了設(shè)計周期，增加了設(shè)計成本。

近年來，隨著計算電磁學(xué)的快速發(fā)展，將電磁場數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車電磁兼容分析已經(jīng)成為汽車電磁兼容研究的熱點之一。相對于傳統(tǒng)的汽車電磁兼容設(shè)計方法，基于數(shù)值仿真的電磁兼容設(shè)計方法可以分析各種設(shè)計條件下汽車控制器的電磁兼容性。在控制器設(shè)計初期運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)，能及時發(fā)現(xiàn)潛在的EMC問題，并采取相應(yīng)的整改措施，使最終產(chǎn)品的電磁兼容性得到保證，在很大程度上避免了由于控制器電磁兼容性不滿足法規(guī)要求所造成的反復(fù)整改情況，進(jìn)而縮短了開發(fā)周期。

2 汽車電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)

汽車電子電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)針對整車和零部件的干擾限值、抗干擾水平、測試方法和測試環(huán)境等都作了具體規(guī)定。目前，汽車電子電磁兼容測試領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)主要有汽車電磁兼容國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO、CISPR等）、歐洲汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、美國汽車工程學(xué)會（SAE）電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)等。各大汽車公司也有自己的企業(yè)EMC測試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如我國與汽車相關(guān)的電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)主要有等同采用CISPR 25:2008的GB/T 18655－2010《用于保護(hù)車載接收機(jī)的無線電騷擾特性的限值和測量方法》、等同采用歐盟95/54/EC規(guī)定的機(jī)動車電子電器組件對電磁輻射的抗擾度以及測量方法的GB/T 17619－1998《機(jī)動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法》、等同采用 ISO 7637－2004 的 GB/T 21437《道路車輛－由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》系列標(biāo)準(zhǔn)以及等同采用ISO 10605:2001規(guī)定的車輛內(nèi)電子模塊和系統(tǒng)的靜電放電試驗方法的GB/T 19951－2005《道路車輛－靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗方法》等4類。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試內(nèi)容主要包括傳導(dǎo)發(fā)射（CE，Conduction Emission）、 輻 射 發(fā) 射 （RE，Radiation Emission）、傳導(dǎo)抗擾（CS，Conduction Susceptibility）、輻射抗擾（RS，Radiation Susceptibility）和靜電放電（ESD，Electro－Static Discharge）等 5 個方面。 在這 5個測試內(nèi)容中，較難通過的是輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)測試，從文獻(xiàn)[5]提供的數(shù)據(jù)可知，輻射發(fā)射測試的抽樣合格率小于10%。

影響汽車電磁兼容問題的主要因素是汽車線束。大量的理論和工程實際表明，90%不能通過輻射發(fā)射測試的系統(tǒng)均由于線束、電纜的電磁輻射所致[6～8]。 標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18655—2010規(guī)定了測試汽車電子零部件輻射發(fā)射限值的標(biāo)準(zhǔn)測試方法[9，10]，即ALSE屏蔽室法，其測試頻率范圍為150～2 500 MHz，其中傳導(dǎo)發(fā)射頻段為150～108 MHz，輻射發(fā)射頻段為150～1 000 MHz，且傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的測量頻段不連續(xù)，其測試原理如圖1所示。

測試在一個四壁和天花板都裝有吸波材料的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，測試裝置放在一塊金屬接地黃銅板上，線束前方1 m處放置天線，測量頻段不同則天線種類不同，從低頻段到高頻段分別為棒狀天線、雙錐天線、對數(shù)周期天線和喇叭天線。將汽車控制器所有的輸入輸出信號線、通信線、控制線捆扎成一段2 m長的測試線束，其中測量輻射的線束長度為1.5 m，多余的線束兩頭成直角彎折，一端連接控制器，另一端連接負(fù)載模擬箱，負(fù)載模擬箱內(nèi)裝有電感和電阻來模擬汽車上的用電設(shè)備，如果用電設(shè)備體積較小也可直接放在模擬箱內(nèi)。

3 數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)

3.1 多導(dǎo)體傳輸線模型

如果控制器和各被控設(shè)備之間的連接距離較短或信號頻率較低時，即信號的傳輸波長遠(yuǎn)大于設(shè)備的體積（“電小電路系統(tǒng)”），在信號傳輸過程中，傳輸線的長度可忽略不計，導(dǎo)線上任一點的電壓都可視為同一時刻到達(dá)同一個值，因此可采用“集總電路參數(shù)”電路模型來處理這種問題。但當(dāng)導(dǎo)線較長或信號頻率較高的時，即電子設(shè)備的體積遠(yuǎn)大于信號傳輸波長（“電大電路系統(tǒng)”），則導(dǎo)線上的傳輸電壓不是均勻一致的，即導(dǎo)線上任一點處的電壓不僅是時間的函數(shù)而且是位置的函數(shù)，即使在同一時刻，不同位置上的電壓值也是不同的。在電磁兼容測試中，頻率掃描信號頻率范圍達(dá)2.5 GHz，此時傳輸信號的波長λ=3×108/2.5×109=0.012 m，而標(biāo)準(zhǔn)ALSE屏蔽室法規(guī)定的測量線束長度為1.5 m，約為100倍的信號波長長度，因此必須將連接線束當(dāng)作是分布參數(shù)元件，即線束的電阻、電容、電感等參數(shù)必須按每單位長度來計算。

由于汽車線束是由多根導(dǎo)線捆扎組成，每根都由車身作為電流返回地線，所以每根傳輸線的傳輸特性可用單位長度分布的電阻R、電導(dǎo)G、電感L、電容C等4個參數(shù)來描述[11]，如圖3所示。利用多導(dǎo)體傳輸線模型可提取出線束上的電流隨頻率掃描的分布變化，得到線束在不同頻率、不同位置處的電流分布。將此電流隨頻率的變化作為激勵源導(dǎo)入基于電基本振子模型建立的輻射場分析模型，從而可分析線束的輻射發(fā)射，解決復(fù)雜的汽車線束電磁兼容仿真分析模型的建立問題。

3.2 電基本振子模型

在汽車控制器電磁兼容分析輻射騷擾源時，常用到一個最基本的輻射騷擾源（短線天線）模型[12]，即圖3所示的長為l的電基本振子模型。電基本振子實質(zhì)上是指一段載有高頻電流的短直導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑和波長相比可忽略，可以用電流元模型近似。所謂“短”是相對于其輻射的電磁波的波長而言，即l?λ，也就是導(dǎo)線電流的長度與波長相比可忽略，所以短直導(dǎo)線上各點電流的振幅和相位可視為相同。任何載有時變電流的導(dǎo)體都能向外輻射電磁場，因此汽車線束輻射騷擾源都可被當(dāng)作這種形式的電磁波發(fā)射天線。

電基本振子在空間任意位置P點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為：

由式（1）～式（3）可知，電場強(qiáng)度的各項數(shù)值均隨距場源的距離的增加而減小，但是各項的減小程度不同，在距場源較遠(yuǎn)的地方場強(qiáng)變得很小。

4 基于CST建立線束的輻射發(fā)射分析模型

4.1 仿真模型建立

CST微波工作室是一款用于微波電磁場及天線、汽車線束仿真分析和設(shè)計的專業(yè)級軟件包，可快速精確地進(jìn)行電子設(shè)備的三維信號完整性分析（SI）、傳導(dǎo)發(fā)射分析（CE）、輻射發(fā)射分析（RE），尤其適用于復(fù)雜“電大電路系統(tǒng)”的汽車線束輻射和抗擾度分析。汽車控制器的線束按信號功能類型可分為信號線、功率驅(qū)動線和通信線三類，并采用車身地板作為公共地線。信號線一般用于控制器測量傳感器信號，其一端連接傳感器，另一端連接控制器測量電路；功率驅(qū)動線一般用于驅(qū)動汽車上的用電設(shè)備，其一端連接功率負(fù)載，另一端連接控制器的功率驅(qū)動電源。按這種分類方法，可將控制器線束抽象為7根線[11]，分別為1根供電電源線、1根信號變化緩慢的模擬信號采樣線和1根PWM脈沖信號采樣線，2根CAN通信雙絞線，1根持續(xù)載有大電流的功率驅(qū)動線和1根載有大電流的PWM脈寬型功率驅(qū)動線。7根線基本涵蓋了汽車線束的所有類型。在線束的輻射發(fā)射仿真模型中，對輻射發(fā)射影響較大的是線束兩端的對地阻抗，本文抽象出的7根線兩端的對地阻抗見表1。

基于CST仿真軟件，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ALSE屏蔽室測量方法，建立控制器線束的輻射發(fā)射分析模型，如圖4所示。從圖4可看出，該線束分析模型模擬了ALSE法規(guī)定的線束測試布置方案，線束被放在一塊面積為3 m×2 m的接地金屬板上，距金屬板表面距離為50 mm。汽車線束內(nèi)部的捆扎情況復(fù)雜多樣，圖5為接近于實際情況的線束捆扎橫截面圖。線束兩端連接的負(fù)載如圖6所示，線束右側(cè)一端連接控制器，左側(cè)一端連接傳感器或執(zhí)行器等模擬負(fù)載?？刂破鞯碾娫从靡粋€交流電壓源模擬，電壓源的幅值為+24 V，CAN雙絞線的信號源也用一個交流電壓源模擬，信號源幅值為+1.5 V。電源經(jīng)過控制器的電源線將電能送入控制器，其中很大一部分能量經(jīng)過內(nèi)部的低內(nèi)阻開關(guān)（0.5 Ω，如MOSFET管等）后驅(qū)動外部的感性負(fù)載，感性負(fù)載用一個5 Ω的電阻和1 mH的電感模擬。線束模型同時也考慮了線間的串?dāng)_影響。

4.2 仿真結(jié)果

由式（1）～式（3）可知，在線束周圍測量到的電場強(qiáng)度不但與測量點距線束的距離r有關(guān)，還與線束上的電流I有關(guān)。類似連接傳感器的一些信號線由于線束上的電流很小，所以產(chǎn)生的電場輻射強(qiáng)度也很小，線束周圍產(chǎn)生的電場輻射能量主要由于一些載有大電流的功率驅(qū)動線造成[13]，并且汽車上的很多執(zhí)行器都是由半導(dǎo)體功率開關(guān)器件來控制的，在半導(dǎo)體功率器件開關(guān)過程中，線束上會產(chǎn)生很大的浪涌電壓和浪涌電流，這是造成控制器線束輻射發(fā)射超標(biāo)的最主要原因。

通過對建立的線束輻射發(fā)射分析模型做交流AC掃描分析，可獲得線束上的電壓和電流隨頻率的變化情況，如圖7所示?；趥鬏斁€理論建立的輻射模型只適合于TEM波的傳播，TEM波的傳播會受線束橫截面尺寸的限值，頻率不能太高，本文建立的模型取600 MHz最大頻率[12]。從圖7可看出，在24 V的交流電源激勵下，在頻率較低處 （0～50 MHz）線束上的電流幅值很大，直流狀態(tài)下電源電流幅值達(dá)6.5 A、感性負(fù)載端的電流為3.2 A，而在信號線和CAN通信線上的電流值都較小；隨著頻率的增大，在功率驅(qū)動線端由于感性負(fù)載的存在，抑制了電流的大幅度波動，電流幅值變得非常小。然后將電流隨頻率的變化分布作為激勵源對線束用“場”的方法做3D（三維）全波分析，可獲得線束周圍的電磁場分布情況，圖8為在線束前方1 m位置垂直平面內(nèi)、500 MHz時的電場分布結(jié)果。

借助仿真模型可分析減小控制器線束輻射發(fā)射強(qiáng)度的設(shè)計規(guī)律，研究各參數(shù)變化對輻射強(qiáng)度的影響程度。如在線束模型中，將模擬感性負(fù)載中的1 mH電感量增大為10 mH，在控制器電源輸入處加入100 μF的濾波電容來抑制功率驅(qū)動線束上大的浪涌電壓和浪涌電流。仿真結(jié)果顯示，線束前方的電場輻射強(qiáng)度從4.86 V/m減小為1.12 V/m，如圖9所示。

抑制電磁輻射最好的方法是對輻射源進(jìn)行金屬屏蔽并將屏蔽層可靠接地[11]。在模型中，將電源線和功率驅(qū)動線用屏蔽線代替后，仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可看出，使用屏蔽線后，電場輻射強(qiáng)度從屏蔽前的1.120 0 V/m降低到屏蔽后的0.006 4 V/m，減小了3個數(shù)量級。

CST仿真軟件中的MICROSTRIPES軟件包是專門用“場”的分析方法分析線束的近場和遠(yuǎn)場輻射發(fā)射的另一工具軟件，相比傳輸線模型的瞬態(tài)仿真分析，MS軟件可做空間三維電磁場的傳播分析。同樣也是將傳輸線模型獲得的電流隨頻率的變化 （圖7）作為激勵源導(dǎo)入CST MS分析軟件，研究線束的近場和遠(yuǎn)場輻射分布，用“場”的方法建立的線束空間輻射模型及其求解網(wǎng)格劃分，如圖11所示。該模型也較真實地模擬了ALSE屏蔽室法的測試環(huán)境，模型的四壁和天花板都裝有吸波材料，地板是金屬地板，可模擬自由空間電磁波的反射；模型可在GB/T 18655—2010規(guī)定的線束前方1m天線位置處檢測頻率掃描下的電場輻射強(qiáng)度[9]，結(jié)果如圖12所示。由圖12可看出，如果在某一頻率處線束上的電流變化幅值較大，則在該頻率下測得的電場強(qiáng)度也會較大，如在圖9的100MHz和400MHz頻率時，線束上形成的共模電流幅值較大，在該頻率處的輻射電場強(qiáng)度也較大。

5 結(jié)束語

汽車電子技術(shù)的發(fā)展帶來了汽車電磁兼容問題，而通過測試解決汽車設(shè)計過程中的電磁兼容問題費(fèi)用昂貴，使得仿真預(yù)測技術(shù)成為近年來的研究熱點。本文針對電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽車控制器輻射測試方法，分析給出了數(shù)值仿真的模型理論基礎(chǔ)，即多導(dǎo)體傳輸線模型和電偶極子模型?；诜抡孳浖﨏ST建立了控制器的輻射發(fā)射測試仿真分析模型，并借助該模型研究了良好的屏蔽、濾波和可靠接地對電磁兼容的改善程度。通過仿真結(jié)果探討了汽車控制器線束周圍電磁場輻射發(fā)射的分布情況，從而對空間電磁場分布給出了形象化的平面圖形表示，有助于在研發(fā)設(shè)計階段深入透徹的理解汽車控制器電磁兼容的輻射發(fā)射特性。

1 魏學(xué)哲,戴海峰,孫澤昌.汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2012，40（7）:1064～1070.

2 John G Kassakian,David J Perrault.The Future of Electronics in Automobiles.IEEE Spectrum,Aug.1996,pp:15－19.

3 肖軍.汽車電子產(chǎn)業(yè)已成為新的經(jīng)濟(jì)增長點.天津汽車，2005.

4 徐立.汽車電子發(fā)展?fàn)顩r與對策.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2006,（8）17～19.

5 向云秀,覃開宇.汽車電磁兼容:標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀、措施與建議.磁性材料及器件,2011（4）:10～13.

6 馬喜來.汽車電磁兼容性預(yù)估計的研究：[博士論文].長春：吉林大學(xué)，2008.

7 吳定超.汽車電磁兼容仿真預(yù)測技術(shù)的研究：[博士論文].長春：吉林大學(xué)，2009.

8 Michel Mardiguian.Controlling Radiated Emissions by Design.New York,Uanuostrand Reinhold.1992.

9 GB/T 18655:2010.用于保護(hù)車載接收機(jī)的無線電騷擾特性的限制和測最方法.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

10 CISPR 25 Ed.3,Vehicles,boats and internal combustion engines－Radio disturbance characteristics– Limits and methods of measurements for the protection of on－board receivers,2008.

11 張戟,孫澤昌.現(xiàn)代汽車電磁兼容理論與設(shè)計基礎(chǔ).北京：北京交通大學(xué)出版社,2009.

12 陳抗生.電磁場理論與微波工程基礎(chǔ).浙江：浙江大學(xué)出版社,2009.