汽車正快速成為移動(dòng)熱點(diǎn)。無線鏈接、多媒體設(shè)備、電子控制模塊和混合動(dòng)力/ 電力驅(qū)動(dòng)等組件不斷被添加到車輛中，這就使得電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)變得日益重要。巴西菲亞特克萊斯勒的工程師團(tuán)隊(duì)正采用ANSYS HFSS和整車試驗(yàn)來分析潛在的車輛EMI問題，從而保證整體產(chǎn)品完整性。
隨著汽車中的電子組件快速增加，一系列指南應(yīng)運(yùn)而生，包括立法要求、行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和針對(duì)具體汽車生產(chǎn)商的限制。
最早的行業(yè)指令之一是1972年歐洲對(duì)電子火花塞噪聲的要求，隨后許多組織機(jī)構(gòu)都針對(duì)汽車行業(yè)制定了各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
許多標(biāo)準(zhǔn)、指令和監(jiān)管要求的目的是確保汽車安全，讓所有板上系統(tǒng)在EMI環(huán)境下保持正常工作，在受干擾后要么能自動(dòng)重返正常狀況，要么通過手動(dòng)復(fù)位返回正常狀況。菲亞特克萊斯勒工程師的一大擔(dān)憂是現(xiàn)在汽車包含的線路太多，一輛車中的線路總長(zhǎng)達(dá)到5公里。布線本身顯然是EMI源，同時(shí)現(xiàn)代汽車中還包含許多電子產(chǎn)品，也構(gòu)成了EMI源。此外，駕駛員攜帶的手機(jī)、平板電腦、藍(lán)牙設(shè)備等也構(gòu)成EMI源。生產(chǎn)智能汽車的汽車制造商必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，減少故障風(fēng)險(xiǎn)。
傳統(tǒng)的EMI/EMC程序和技術(shù)不再適合最新一代的電子設(shè)備和組件要求，一些汽車標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)采用了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，目的就是減少車內(nèi)出現(xiàn)EMI干擾的可能性。ISO 11451-2 是一項(xiàng)重要的國際實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提出要檢測(cè)在無回聲環(huán)境內(nèi)源天線對(duì)整車的輻射，所有電子子系統(tǒng)的性能都不得被源天線的電磁干擾影響。
ISO 11451-2 旨在確定專用或公共道路上行駛車輛對(duì)車外輻射源的抗電氣干擾性，無論車輛采用什么推進(jìn)系統(tǒng)（包括混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛）。測(cè)試程序規(guī)定了電波暗室中的整車性能，創(chuàng)造了反映開放場(chǎng)測(cè)試的環(huán)境。測(cè)試地面通常不覆蓋吸收材料，但這種覆蓋材料是允許的。
標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試包括用源天線生成輻射電磁場(chǎng)，射頻（RF）源能生成所需的場(chǎng)強(qiáng)度，范圍在25V/m到100V/m乃至更高。測(cè)試涵蓋的頻率范圍為10kHz到18GHz。在程序期間，所有嵌入式電子設(shè)備都必須無瑕工作。無瑕性能也適用于源天線的掃頻。
物理上進(jìn)行ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試會(huì)占用大量時(shí)間，也需要昂貴的設(shè)備，使用昂貴的測(cè)試設(shè)施。數(shù)值仿真法能提供低成本的替代方案，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低相關(guān)研發(fā)成本。過去幾年內(nèi)，整車有限元法（FEM）仿真能用域分解（DDM）法實(shí)現(xiàn)，ANSYS HFSS軟件正是推廣這種方法的先驅(qū)。DDM創(chuàng)建一系列子域，每個(gè)子域用不同計(jì)算內(nèi)核或連接到網(wǎng)絡(luò)的不同計(jì)算機(jī)求解，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真域的并行處理。DDM幫助工程師進(jìn)行整車仿真，HFSS還提供另外的方法求解大型電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，那就是FE-BI（混合有限元—邊界積分）法。
遠(yuǎn)場(chǎng)行為對(duì)比顯示FE-BI法相對(duì)于傳統(tǒng)方法而言更準(zhǔn)確。
FE-BI用積分方程（IE）求解法作為FEM問題空間的截?cái)噙吔纾芙Y(jié)合FEM和IE二者之長(zhǎng)。不同求解模式的組合使得菲亞特克萊斯勒的工程師相對(duì)于FEM方法的要求而言，能大幅縮小仿真求解規(guī)模。由于輻射源到FE-BI邊界的距離可以任意小，因此求解時(shí)間能縮短，同樣整體計(jì)算工作也能減少。
ISO 11451-2 測(cè)試裝置（左）。用于ANSYS HFSS仿真的虛擬測(cè)試室（右）。
FEM、IE 和FE-BI模型的對(duì)比。使用FE-BI后求解區(qū)域減小（相對(duì)于傳統(tǒng)FEM或其它數(shù)值3D場(chǎng)求解器而言）有助于加快仿真速度。
天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，整個(gè)模型的Φ=90度
兩個(gè)子區(qū)域同時(shí)用HFSS FE-BI求解器求解。空域顯示為淺藍(lán)色，大部分空氣量已被除去。
兩個(gè)平面殼上的電場(chǎng)和平分汽車傳統(tǒng)FEM（頂部）和FE-BI（底部）求解量結(jié)果的平面
為了展示FE-BI方法的功能，菲亞特克萊斯勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)與ANSYS的南美渠道合作伙伴ESSS用FE-BI功能進(jìn)行整車仿真。該團(tuán)隊(duì)就ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用了相關(guān)結(jié)果，以確定電子子系統(tǒng)的EMI。就仿真而言，該團(tuán)隊(duì)在測(cè)試區(qū)將較大空域減小為兩個(gè)小得多的空間，并符合包含的結(jié)構(gòu)。空域表面靠近天線和汽車。
菲亞特克萊斯勒工程師沒有在仿真中建模吸收元件，因?yàn)镕E-BI中的IE邊界相當(dāng)于自由空間仿真，與物理測(cè)量所用的吸收材料相同。整體計(jì)算時(shí)間只有28分鐘，比傳統(tǒng)FEM求解加快了10倍多。此外，F(xiàn)E-BI仿真所需的全部RAM為6.8GB，相對(duì)于此前用FEM時(shí)減少了10倍多。
用FE-BI法所得的求解結(jié)果顯示數(shù)量值預(yù)測(cè)與用FEM所得的結(jié)果有著很好的一致性。汽車表面和二分之一截面用這兩種求解方法計(jì)算所得的電場(chǎng)都很類似，整個(gè)模型的整體遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖也一樣。
此外，F(xiàn)E-BI法也可用于檢測(cè)嵌入式控制單元模塊的抗干擾性。為了展示這種功能，工程團(tuán)隊(duì)在仿真中用印刷電路板（PCB）連接引擎線束。發(fā)送信號(hào)從引擎底部的傳感器，使用路由在引擎周圍的線束傳到PCB。線束一端用紅色四通連接器連接到PCB。一個(gè)四通連接器的引腳焊接到跡線（開始于連接器側(cè)PCB的頂部，通過通孔到底側(cè)）上，在此連接到微控制器。在此情況下，團(tuán)隊(duì)只分析單個(gè)車載診斷系統(tǒng)（OBD）協(xié)議CAN J1913信號(hào)。
線束在EMI中扮演重要角色，因?yàn)樗鼤?huì)成為一個(gè)輻射源。為了更好地了解線束影響，ESSS工程師執(zhí)行了兩個(gè)仿真。第一個(gè)采用PCB和線束以及底盤和源天線。在第二個(gè)仿真中，團(tuán)隊(duì)除去線束，并把隨機(jī)的CAN J1939信號(hào)直接施加給PCB連接器，而不是引擎底部的傳感器位置。
PCB 相對(duì)于汽車的位置
CAN J1939信號(hào)仿真，左圖為僅有PCB，右圖為帶線束的PCB：a）電場(chǎng)圖分布；b）微處理器接收信號(hào)的眼圖。連接線束時(shí)觀察到EMI。C）微控制器正在接收信號(hào)時(shí)的浴缸圖。浴缸曲線受到EMI源的很大影響，最后位誤碼率為1E-2，這意味著每100個(gè)里面就有一個(gè)位被微控制器錯(cuò)誤解釋。
在HFSS 中使用FE-BI求解器，團(tuán)隊(duì)能方便地計(jì)算電磁場(chǎng)和兩個(gè)仿真的散射參數(shù)（無論帶不帶線束）。仿真顯示連接到線束時(shí)的PCB上的諧振。諧振頻率是連接PCB線纜長(zhǎng)度的函數(shù)。連接到PCB時(shí)，線束會(huì)將源天線和PCB之間的耦合增加30dB以上，范圍為152MHz到191MHz。
最后，工程師將3-D電磁場(chǎng)模型和HFSS中的ANSYS電路求解器動(dòng)態(tài)鏈接起來，從而仿真線束和PCB中的CANJ1939信號(hào)。ANSYS Designer軟件可將HFSS生成的頻域結(jié)果和基于時(shí)間的信號(hào)無縫整合。在Designer中，我們能指定不同信號(hào)，以激勵(lì)天線和線束。對(duì)仿真來說，團(tuán)隊(duì)設(shè)置天線激勵(lì)為150V正弦信號(hào)常量，延遲為8μs，掃頻范圍在10MHz到50MHz之間。初始時(shí)間延遲的設(shè)置能清晰看到EMI對(duì)傳輸信號(hào)的影響。團(tuán)隊(duì)生成首次仿真線束傳感器末端的CAN J1939信號(hào)，第二次仿真時(shí)信號(hào)直接注入連接器，沒有線束。帶線束的仿真顯示整體傳感器系統(tǒng)性能會(huì)受到入射輻射的很大影響，其頻帶為152MHz到191MHz。
線束連接到PCB的點(diǎn)
S-矩陣和PCB，包括帶和不帶線束的情況
ANSYS HFSS FE-BI功能作為數(shù)值方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，能根據(jù)汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車仿真。FE-BI法比傳統(tǒng)FEM仿真速度快10倍多，而且所需的計(jì)算減少10倍。因此，EMI/EMC工程師能在虛擬無回聲室中開始仿真整車和子系統(tǒng)，以滿足EMC和EMI標(biāo)準(zhǔn)。此外，采用仿真技術(shù)能準(zhǔn)確進(jìn)行假設(shè)分析，確定駕駛員或乘客所攜帶的電子通信設(shè)備帶來的潛在EMI問題。同時(shí)，我們也能更好地了解每臺(tái)車中各種電機(jī)造成的瞬態(tài)噪聲問題。
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本文標(biāo)題：借助仿真技術(shù)分析潛在的車輛EMI問題
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