汽車(chē)電磁兼容中的建模挑戰（一）

同過(guò)去相比，現代車(chē)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，并且正變得越來(lái)越復雜。新興智能互聯(lián)汽車(chē)（ICV）技術(shù)以****的速度加速了這一趨勢。車(chē)載電子設備將成為車(chē)輛**和保障的關(guān)鍵。Tr?scher 介紹了電子產(chǎn)品在汽車(chē)總成本中平均份額的一些數據和估計。如圖 1 所示，平均份額從 1950 年的 1% 呈指數級增長(cháng)至 2020 年的約 35%。隨著(zhù)車(chē)輛不斷朝著(zhù)電氣化、自動(dòng)駕駛和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）發(fā)展，2030 年車(chē)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(chē)總成本中所占份額的增長(cháng)趨勢

大功率車(chē)載部件通常會(huì )發(fā)出過(guò)量的射頻（RF）噪聲，而車(chē)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(huì )出現各種干擾和易感性 /** / 安保問(wèn)題（車(chē)輛內部、車(chē)輛之間，車(chē)輛與其他事物之間），系統運行可能會(huì )發(fā)生意想不到的變化。因此，汽車(chē)電磁兼容性（EMC）的測試范圍應遠遠超過(guò)規范要求的測試，可能包括射頻干擾、無(wú)線(xiàn)共存、空中下載（OTA）、駕駛**、信息**等新內容。

在汽車(chē)設計中，有效且高效地解決這些廣義電磁兼容問(wèn)題變得日益重要。與其他電磁兼容問(wèn)題類(lèi)似，對公司來(lái)說(shuō)后期修改都是噩夢(mèng)，因為必須公布問(wèn)題和提供大規模的更換。這不僅會(huì )損害公司的公眾形象，還會(huì )消耗其預算。因此強烈建議在早期階段，特別是概念和開(kāi)發(fā)階段考慮電磁兼容性。Gaviao 等人用簡(jiǎn)單的圖表（圖 2）直觀(guān)地表示了在早期的概念階段考慮電磁兼容問(wèn)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，修改成本呈指數級增長(cháng)。與此同時(shí)，潛在成本的降低效應也由于后期電磁兼容整改顯著(zhù)下降。

圖 2? 在不同的產(chǎn)品開(kāi)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(méi)有準備好進(jìn)行測量時(shí)，仿真可以非常有效地識別潛在的電磁兼容問(wèn)題。此外，仿真還特別適合研究假設場(chǎng)景，以發(fā)現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(lái)預測在標準測試環(huán)境下的測試結果，這對于其他類(lèi)型的電磁兼容仿真也非常有意義。

在研究汽車(chē)電磁兼容性時(shí)，通常進(jìn)行部件級 ( 和 /或模塊級 ) 電磁干擾測試，以幫助車(chē)輛制造商控制供應部件的質(zhì)量。然而，在現實(shí)中，經(jīng)常出現零部件級測試結果與車(chē)輛級測試結果不完全相關(guān)的情況。換句話(huà)說(shuō)，就電磁兼容性能而言，部件級測試中性能更好的部件在車(chē)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(guān)，并能提供一個(gè)有效的工具來(lái)根據部件級測試的結果對車(chē)輛級電磁兼容性能進(jìn)行預測。這也是為什么電磁兼容仿真對汽車(chē)電磁兼容變得更加重要的另一個(gè)原因。

近十幾年來(lái)，虛擬電磁干擾測試技術(shù)取得了重大進(jìn)展。Klingler 等人探索了頻域和時(shí)域常規仿真方法來(lái)預測車(chē)輛級抗擾度。研究表明，矩量法（MoM）和時(shí)域有限差分法（FDTD）都能得到滿(mǎn)意的仿真結果，但仿真時(shí)間較長(cháng)（2~6 周，帶有 96 核無(wú)圖形處理單元加速）。雖然可以通過(guò)改善計算資源來(lái)減少仿真時(shí)間，但是探索替代解決方案來(lái)進(jìn)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(dòng)力汽車(chē)（HEV）驅動(dòng)系統的數學(xué)模型，采用數值仿真的方法對絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT）器件進(jìn)行了仿真，其余部分采用測量數據進(jìn)行建模，這種方法成功地解決了仿真時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題，但它需要樣機來(lái)測量并且可能需要大量的測量數據。文獻 [5] 中，作者沒(méi)有依靠測量，而是探索改進(jìn)傳統算法來(lái)加快仿真速度的可能性。研究表明，在車(chē)輛抗擾度分析中，混合有限元邊界積分法（FEBI）比傳統的有限元法（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(méi)有成熟的商業(yè)工具可以支持它。

前面所述的問(wèn)題實(shí)際上在當前的車(chē)輛電磁兼容建模中仍普遍存在。汽車(chē)電磁兼容通常需要大型復雜的系統仿真，因此會(huì )出現計算時(shí)間和內存大小的問(wèn)題。此外，不可避免的多尺度模型，包括車(chē)輛、模塊、組件和 / 或集成電路（IC）級特性，通常使得傳統仿真效率低下，有時(shí)甚至無(wú)法使用 ；其次，存在潛在的知識產(chǎn)權問(wèn)題。數字模型、幾何 / 材料細節和設計細節可能被視為機密信息，并且通常不會(huì )在供應商和汽車(chē)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(chē)電磁兼容建模中的一些難題，我們以混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中射頻干擾問(wèn)題的建模為例，提出了一種分而治之的方法。簡(jiǎn)而言之，就是將一個(gè)復雜的大型問(wèn)題智能地劃分為多個(gè)領(lǐng)域，并對每個(gè)領(lǐng)域應用*合適的方法。

在電動(dòng)汽車(chē)（EV）或混合電動(dòng)汽車(chē)中，大功率電動(dòng)馬達的引入增加了潛在電磁兼容問(wèn)題（包括同一車(chē)輛平臺中各部件 / 模塊之間的噪聲干擾）出現的可能性，圖 3 展示了混合動(dòng)力汽車(chē)的剖面圖。如圖 3 中所示，混合動(dòng)力汽車(chē)的結構與內燃機汽車(chē)（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(dòng)機和混合動(dòng)力控制單元（HPCU，一個(gè)包含逆變器、啟動(dòng)器和發(fā)電機的模塊）。然而，由于大功率電動(dòng)機和脈沖寬度調制逆變器的應用，可能會(huì )出現更多的電磁兼容問(wèn)題。

圖 3? 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統實(shí)例

在類(lèi)似于圖 3 所示的混合動(dòng)力汽車(chē)的案例中，射頻干擾（RFI）發(fā)生在電機驅動(dòng)系統和射頻天線(xiàn)之間。下文將研究并解釋噪聲機理。研究發(fā)現，主要的噪聲源是脈沖寬度調制逆變器。圖 4 顯示了驅動(dòng)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(shí)域波形及頻譜）?？梢钥闯?，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(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)系統中射頻干擾問(wèn)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(jìn)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(dòng)系統與車(chē)輛金屬本體物理分離，但它通過(guò)寄生電容進(jìn)行電連接，為共模電流提供返回路徑。發(fā)動(dòng)機安裝在發(fā)動(dòng)機缸體上，發(fā)動(dòng)機缸體也與車(chē)輛主體物理分離，以減少電機運行時(shí)的振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機缸體通過(guò)寄生電容與所述車(chē)體進(jìn)行電連接。流經(jīng)車(chē)體的共模噪聲（如圖 5 中帶箭頭的虛線(xiàn)）可以通過(guò)傳導和 / 或輻射耦合機制干擾安裝在車(chē)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(jiǎn)化框圖

為了建立這個(gè)車(chē)輛級別的射頻干擾問(wèn)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(chē)體用劃分的計算網(wǎng)格來(lái)表示，電機驅動(dòng)系統中的電纜束用綠色表示，后窗天線(xiàn)用橙色表示。電動(dòng)機用包含寄生效應的等效電路建模。由于半導體開(kāi)關(guān)器件在逆變器中的非線(xiàn)性，時(shí)域仿真是電磁干擾分析的優(yōu)選方法。然而，在場(chǎng)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(jìn)行建模。因此，分段線(xiàn)性電壓作為一種近似值被用作逆變器建模。以天線(xiàn)端口的電壓作為仿真結果對從電機驅動(dòng)系統到天線(xiàn)的車(chē)輛級射頻干擾水平進(jìn)行評估。然后，使用 EMCoS EMCStudio 對整個(gè)模型進(jìn)行仿真。雖然建立這個(gè)模型很簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)顯然是不切實(shí)際的。此外，使用分段線(xiàn)性電壓作為逆變器的近似值也會(huì )影響仿真的準確性。

圖 6? 用 Brute-force 算法對車(chē)輛射頻干擾問(wèn)題進(jìn)行建模