汽车控制器线束的电磁兼容仿真研究*

任国峰 田 丰 张树梅 杨 林

（上海交通大学汽车电子技术研究所）

1 前言

目前，电子技术在汽车上得到了广泛应用[1～4]，提升了汽车性能，但大量车载电子设备在汽车有限的狭小空间内并存所产生的电磁干扰问题越来越严重。特别是在混合动力汽车上，由于增加了动力电机和DC/AC逆变器等强电磁辐射装置，控制器的电磁兼容问题就更严重。汽车电子电磁兼容技术就是要保证车载电子设备在汽车的运行过程中，既能抵抗车内其它电子设备的电磁干扰，同时又不释放超过允许限值范围的电磁干扰。传统的汽车控制器电磁兼容设计方法是在汽车控制器设计制作完成后按标准对其进行试验测试，若未通过测试则修改设计后再测试，直到通过测试为止，如此反复的设计、测试、整改、再测试的过程，延长了设计周期，增加了设计成本。

近年来，随着计算电磁学的快速发展，将电磁场数值仿真技术应用到汽车电磁兼容分析已经成为汽车电磁兼容研究的热点之一。相对于传统的汽车电磁兼容设计方法，基于数值仿真的电磁兼容设计方法可以分析各种设计条件下汽车控制器的电磁兼容性。在控制器设计初期运用数值仿真技术，能及时发现潜在的EMC问题，并采取相应的整改措施，使最终产品的电磁兼容性得到保证，在很大程度上避免了由于控制器电磁兼容性不满足法规要求所造成的反复整改情况，进而缩短了开发周期。

2 汽车电磁兼容测试标准

汽车电子电磁兼容测试标准针对整车和零部件的干扰限值、抗干扰水平、测试方法和测试环境等都作了具体规定。目前，汽车电子电磁兼容测试领域中的标准主要有汽车电磁兼容国际标准（ISO、CISPR等）、欧洲汽车电磁兼容标准、美国汽车工程学会（SAE）电磁兼容标准等。各大汽车公司也有自己的企业EMC测试标准和规范，如我国与汽车相关的电磁兼容测试标准主要有等同采用CISPR 25:2008的GB/T 18655－2010《用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》、等同采用欧盟95/54/EC规定的机动车电子电器组件对电磁辐射的抗扰度以及测量方法的GB/T 17619－1998《机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法》、等同采用 ISO 7637－2004 的 GB/T 21437《道路车辆－由传导和耦合引起的电骚扰》系列标准以及等同采用ISO 10605:2001规定的车辆内电子模块和系统的静电放电试验方法的GB/T 19951－2005《道路车辆－静电放电产生的电骚扰试验方法》等4类。标准规定的测试内容主要包括传导发射（CE，Conduction Emission）、 辐 射 发 射 （RE，Radiation Emission）、传导抗扰（CS，Conduction Susceptibility）、辐射抗扰（RS，Radiation Susceptibility）和静电放电（ESD，Electro－Static Discharge）等 5 个方面。 在这 5个测试内容中，较难通过的是辐射发射标准测试，从文献[5]提供的数据可知，辐射发射测试的抽样合格率小于10%。

影响汽车电磁兼容问题的主要因素是汽车线束。大量的理论和工程实际表明，90%不能通过辐射发射测试的系统均由于线束、电缆的电磁辐射所致[6～8]。 标准 GB/T 18655—2010规定了测试汽车电子零部件辐射发射限值的标准测试方法[9，10]，即ALSE屏蔽室法，其测试频率范围为150～2 500 MHz，其中传导发射频段为150～108 MHz，辐射发射频段为150～1 000 MHz，且传导发射和辐射发射的测量频段不连续，其测试原理如图1所示。

测试在一个四壁和天花板都装有吸波材料的屏蔽室内进行，测试装置放在一块金属接地黄铜板上，线束前方1 m处放置天线，测量频段不同则天线种类不同，从低频段到高频段分别为棒状天线、双锥天线、对数周期天线和喇叭天线。将汽车控制器所有的输入输出信号线、通信线、控制线捆扎成一段2 m长的测试线束，其中测量辐射的线束长度为1.5 m，多余的线束两头成直角弯折，一端连接控制器，另一端连接负载模拟箱，负载模拟箱内装有电感和电阻来模拟汽车上的用电设备，如果用电设备体积较小也可直接放在模拟箱内。

3 数学模型基础

3.1 多导体传输线模型

如果控制器和各被控设备之间的连接距离较短或信号频率较低时，即信号的传输波长远大于设备的体积（“电小电路系统”），在信号传输过程中，传输线的长度可忽略不计，导线上任一点的电压都可视为同一时刻到达同一个值，因此可采用“集总电路参数”电路模型来处理这种问题。但当导线较长或信号频率较高的时，即电子设备的体积远大于信号传输波长（“电大电路系统”），则导线上的传输电压不是均匀一致的，即导线上任一点处的电压不仅是时间的函数而且是位置的函数，即使在同一时刻，不同位置上的电压值也是不同的。在电磁兼容测试中，频率扫描信号频率范围达2.5 GHz，此时传输信号的波长λ=3×108/2.5×109=0.012 m，而标准ALSE屏蔽室法规定的测量线束长度为1.5 m，约为100倍的信号波长长度，因此必须将连接线束当作是分布参数元件，即线束的电阻、电容、电感等参数必须按每单位长度来计算。

由于汽车线束是由多根导线捆扎组成，每根都由车身作为电流返回地线，所以每根传输线的传输特性可用单位长度分布的电阻R、电导G、电感L、电容C等4个参数来描述[11]，如图3所示。利用多导体传输线模型可提取出线束上的电流随频率扫描的分布变化，得到线束在不同频率、不同位置处的电流分布。将此电流随频率的变化作为激励源导入基于电基本振子模型建立的辐射场分析模型，从而可分析线束的辐射发射，解决复杂的汽车线束电磁兼容仿真分析模型的建立问题。

3.2 电基本振子模型

在汽车控制器电磁兼容分析辐射骚扰源时，常用到一个最基本的辐射骚扰源（短线天线）模型[12]，即图3所示的长为l的电基本振子模型。电基本振子实质上是指一段载有高频电流的短直导线，导线的直径和波长相比可忽略，可以用电流元模型近似。所谓“短”是相对于其辐射的电磁波的波长而言，即l≪λ，也就是导线电流的长度与波长相比可忽略，所以短直导线上各点电流的振幅和相位可视为相同。任何载有时变电流的导体都能向外辐射电磁场，因此汽车线束辐射骚扰源都可被当作这种形式的电磁波发射天线。

电基本振子在空间任意位置P点产生的电场强度为：

由式（1）～式（3）可知，电场强度的各项数值均随距场源的距离的增加而减小，但是各项的减小程度不同，在距场源较远的地方场强变得很小。

4 基于CST建立线束的辐射发射分析模型

4.1 仿真模型建立

CST微波工作室是一款用于微波电磁场及天线、汽车线束仿真分析和设计的专业级软件包，可快速精确地进行电子设备的三维信号完整性分析（SI）、传导发射分析（CE）、辐射发射分析（RE），尤其适用于复杂“电大电路系统”的汽车线束辐射和抗扰度分析。汽车控制器的线束按信号功能类型可分为信号线、功率驱动线和通信线三类，并采用车身地板作为公共地线。信号线一般用于控制器测量传感器信号，其一端连接传感器，另一端连接控制器测量电路；功率驱动线一般用于驱动汽车上的用电设备，其一端连接功率负载，另一端连接控制器的功率驱动电源。按这种分类方法，可将控制器线束抽象为7根线[11]，分别为1根供电电源线、1根信号变化缓慢的模拟信号采样线和1根PWM脉冲信号采样线，2根CAN通信双绞线，1根持续载有大电流的功率驱动线和1根载有大电流的PWM脉宽型功率驱动线。7根线基本涵盖了汽车线束的所有类型。在线束的辐射发射仿真模型中，对辐射发射影响较大的是线束两端的对地阻抗，本文抽象出的7根线两端的对地阻抗见表1。

基于CST仿真软件，按照国家标准规定的ALSE屏蔽室测量方法，建立控制器线束的辐射发射分析模型，如图4所示。从图4可看出，该线束分析模型模拟了ALSE法规定的线束测试布置方案，线束被放在一块面积为3 m×2 m的接地金属板上，距金属板表面距离为50 mm。汽车线束内部的捆扎情况复杂多样，图5为接近于实际情况的线束捆扎横截面图。线束两端连接的负载如图6所示，线束右侧一端连接控制器，左侧一端连接传感器或执行器等模拟负载。控制器的电源用一个交流电压源模拟，电压源的幅值为+24 V，CAN双绞线的信号源也用一个交流电压源模拟，信号源幅值为+1.5 V。电源经过控制器的电源线将电能送入控制器，其中很大一部分能量经过内部的低内阻开关（0.5 Ω，如MOSFET管等）后驱动外部的感性负载，感性负载用一个5 Ω的电阻和1 mH的电感模拟。线束模型同时也考虑了线间的串扰影响。

4.2 仿真结果

由式（1）～式（3）可知，在线束周围测量到的电场强度不但与测量点距线束的距离r有关，还与线束上的电流I有关。类似连接传感器的一些信号线由于线束上的电流很小，所以产生的电场辐射强度也很小，线束周围产生的电场辐射能量主要由于一些载有大电流的功率驱动线造成[13]，并且汽车上的很多执行器都是由半导体功率开关器件来控制的，在半导体功率器件开关过程中，线束上会产生很大的浪涌电压和浪涌电流，这是造成控制器线束辐射发射超标的最主要原因。

通过对建立的线束辐射发射分析模型做交流AC扫描分析，可获得线束上的电压和电流随频率的变化情况，如图7所示。基于传输线理论建立的辐射模型只适合于TEM波的传播，TEM波的传播会受线束横截面尺寸的限值，频率不能太高，本文建立的模型取600 MHz最大频率[12]。从图7可看出，在24 V的交流电源激励下，在频率较低处 （0～50 MHz）线束上的电流幅值很大，直流状态下电源电流幅值达6.5 A、感性负载端的电流为3.2 A，而在信号线和CAN通信线上的电流值都较小；随着频率的增大，在功率驱动线端由于感性负载的存在，抑制了电流的大幅度波动，电流幅值变得非常小。然后将电流随频率的变化分布作为激励源对线束用“场”的方法做3D（三维）全波分析，可获得线束周围的电磁场分布情况，图8为在线束前方1 m位置垂直平面内、500 MHz时的电场分布结果。

借助仿真模型可分析减小控制器线束辐射发射强度的设计规律，研究各参数变化对辐射强度的影响程度。如在线束模型中，将模拟感性负载中的1 mH电感量增大为10 mH，在控制器电源输入处加入100 μF的滤波电容来抑制功率驱动线束上大的浪涌电压和浪涌电流。仿真结果显示，线束前方的电场辐射强度从4.86 V/m减小为1.12 V/m，如图9所示。

抑制电磁辐射最好的方法是对辐射源进行金属屏蔽并将屏蔽层可靠接地[11]。在模型中，将电源线和功率驱动线用屏蔽线代替后，仿真结果如图10所示。由图10可看出，使用屏蔽线后，电场辐射强度从屏蔽前的1.120 0 V/m降低到屏蔽后的0.006 4 V/m，减小了3个数量级。

CST仿真软件中的MICROSTRIPES软件包是专门用“场”的分析方法分析线束的近场和远场辐射发射的另一工具软件，相比传输线模型的瞬态仿真分析，MS软件可做空间三维电磁场的传播分析。同样也是将传输线模型获得的电流随频率的变化 （图7）作为激励源导入CST MS分析软件，研究线束的近场和远场辐射分布，用“场”的方法建立的线束空间辐射模型及其求解网格划分，如图11所示。该模型也较真实地模拟了ALSE屏蔽室法的测试环境，模型的四壁和天花板都装有吸波材料，地板是金属地板，可模拟自由空间电磁波的反射；模型可在GB/T 18655—2010规定的线束前方1m天线位置处检测频率扫描下的电场辐射强度[9]，结果如图12所示。由图12可看出，如果在某一频率处线束上的电流变化幅值较大，则在该频率下测得的电场强度也会较大，如在图9的100MHz和400MHz频率时，线束上形成的共模电流幅值较大，在该频率处的辐射电场强度也较大。

5 结束语

汽车电子技术的发展带来了汽车电磁兼容问题，而通过测试解决汽车设计过程中的电磁兼容问题费用昂贵，使得仿真预测技术成为近年来的研究热点。本文针对电磁兼容测试标准规定的汽车控制器辐射测试方法，分析给出了数值仿真的模型理论基础，即多导体传输线模型和电偶极子模型。基于仿真软件CST建立了控制器的辐射发射测试仿真分析模型，并借助该模型研究了良好的屏蔽、滤波和可靠接地对电磁兼容的改善程度。通过仿真结果探讨了汽车控制器线束周围电磁场辐射发射的分布情况，从而对空间电磁场分布给出了形象化的平面图形表示，有助于在研发设计阶段深入透彻的理解汽车控制器电磁兼容的辐射发射特性。

1 魏学哲,戴海峰,孙泽昌.汽车嵌入式系统开发方法、体系架构和流程.同济大学学报，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 肖军.汽车电子产业已成为新的经济增长点.天津汽车，2005.

4 徐立.汽车电子发展状况与对策.信息技术与标准化，2006,（8）17～19.

5 向云秀,覃开宇.汽车电磁兼容:标准、现状、措施与建议.磁性材料及器件,2011（4）:10～13.

6 马喜来.汽车电磁兼容性预估计的研究：[博士论文].长春：吉林大学，2008.

7 吴定超.汽车电磁兼容仿真预测技术的研究：[博士论文].长春：吉林大学，2009.

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

9 GB/T 18655:2010.用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限制和测最方法.北京：中国标准出版社.

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 张戟,孙泽昌.现代汽车电磁兼容理论与设计基础.北京：北京交通大学出版社,2009.

12 陈抗生.电磁场理论与微波工程基础.浙江：浙江大学出版社,2009.