基于多端口网络理论的整车EMC预测方法*

高锋，叶城恺，熊禹，汪春华

(1.重庆大学电气工程学院，重庆400044;2.东风柳州汽车有限公司，柳州545005;3.中国汽车技术研究中心，天津300300)

基于多端口网络理论的整车EMC预测方法*

高锋1，叶城恺1，熊禹2，汪春华3

(1.重庆大学电气工程学院，重庆400044;2.东风柳州汽车有限公司，柳州545005;3.中国汽车技术研究中心，天津300300)

随着汽车电子/电气化程度的提高，汽车EMC问题日益突出。本文中提出了一种基于多端口网络理论的汽车EMC预测方法。该方法能实现汽车多干扰源/敏感设备并存情况下的EMC预测，并能应用于整车开发的全过程。文中给出了整车EMC的预测方法，以及预测所需的网络耦合特性和端口等效特性的建模方法，并通过台架试验模拟整车辐射发射问题，对所提出方法的有效性进行了验证。

汽车;电磁兼容;预测;多端口网络

前言

汽车90%以上的技术创新与电子技术相关［1］，在提升汽车性能的同时，使得汽车上电子设备的种类和数量大大增加，导致电磁环境恶化，尤其是电动汽车。目前，电磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)已成为电子技术在汽车应用中面临的关键问题［2－6］。在汽车开发过程中，能越早进行EMC设计，发现EMC问题，解决问题所能采取的措施越多，成本越低［7－8］。目前，国内企业主要依赖后期测试和改进来解决EMC问题，由此产生的投入巨大［9］。而依靠提高零部件EMC来保证整车性能存在如下问题:(1)即使零部件满足EMC要求，整车依然存在风险;(2)零部件EMC要求过高，易导致安全裕量过大，成本增加［9－10］。因此亟需建立一种能在汽车开发早期进行整车EMC预测的方法。

与常规电器产品相比，汽车由于整车结构复杂，电大与电小结构共存(结构尺寸大于其电信号波长10倍的电器，称之‘电大结构’;否则称‘电小结构’)，干扰源和敏感设备种类众多，耦合途径复杂多样，很难建立起兼顾精度和效率的计算模型，导致整车EMC预测非常困难［11－13］。针对整车EMC的预测，受自主品牌车企技术水平的限制，国内学者研究较少。国外已形成了一些预测方法，基本思路是通过零部件台架实验建立端口模型，再结合零部件与整车的耦合特性实现整车EMC预测。对于整车EMC预测来说，耦合特性的建模是关键。针对耦合问题，文献［14］和文献［15］中分别采用ABCD参数和S参数来表征不同系统间的耦合关系，两种描述方法均可以通过实测或CAE分析得到。为实现辐射发射的预测，文献［16］～文献［18］中采用激励端口到观测端口传递函数来表征传递特性。其中，文献［16］中实现了线束引起的辐射预测，文献［17］和文献［18］中则实现了由于零部件屏蔽壳体泄露电流引起的辐射预测。此外，在端口建模方面，文献［19］和文献［20］中提出了一种激励端口的解耦方法，以同时表征多种激励端口，并能够独立建模。总结现有成果，目前的预测方法通常都针对特定问题，只能实现单干扰源和传播途径引起的EMC问题，尚未形成一套适用于整车级EMC预测的通用方法。

为解决汽车EMC预测面临的问题，本文中提出了一种基于多端口网络理论的整车EMC预测方法。该方法通过将三维电磁场数值求解与电路仿真相结合，将物理建模与实验建模相结合，在实现多干扰源和敏感设备、复杂耦合下整车EMC预测的同时，解决了预测精度与计算效率间的矛盾。同时，由于能够兼容多种建模方式，可以适用于汽车开发的整个过程［9］。在理论分析基础上，通过台架实验验证了本方法的有效性。

1 整车EMC预测方法

针对汽车同时存在多种干扰源和敏感设备，电磁耦合途径复杂，电大和电小结构并存等问题，本文中提出了一种基于多端口网络理论的整车EMC预测方法，如图1所示。该方法将电小结构作为网络端口，采用多端口网络描述干扰源与敏感设备之间的耦合特性，即视为电大结构。通过S/Z参数转化，将建模和整车EMC预测过程分离，从而提高计算效率。汽车内不同零部件间通过线束产生耦合，由于其以线性特性为主，可采用S/Z参数进行表征。

应用该方法进行整车EMC预测时，将整车系统作为多端口网络，将由电器部件或测量设备构成的干扰源或敏感设备统一作为网络端口处理，从而降

图1 整车EMC预测方法

低模型复杂性和计算难度。文中采用频域方法描述端口特性，对于非线性端口，其频域特性受信号大小影响。构建的整车EMC预测模型如图2所示，图中，VS(k)(若是敏感设备，VS(k)=0)，ZS(k)，U(k)和I(k)分别表示端口k的等效干扰电压、输出阻抗、端口电压和电流，k=1，…，n。

图2EMC预测多端口网络模型

文中采用Z参数矩阵描述网络耦合特性，由端口电压电流关系可得

式中:U和I分别为端口电压和电流构成的向量;VS和ZS则分别为端口的等效干扰电压和内阻构成的向量。式(1)经过化简可得

由式(2)可知，若已知Z参数矩阵和端口等效特性(等效干扰电压VS和输出阻抗ZS)，则可得到敏感设备端口上的电压和电流的值，即干扰电压和电流。根据问题不同，选择不同的Z参数矩阵和等效端口，即可实现多种整车EMC的预测。Z参数矩阵和端口等效特性的建模方法将在第2节介绍。值得注意的是这里对建模数据的获取方式并无要求，根据建模数据的来源不同，可将上述方法应用于整车开发的不同阶段［9］。

1.1 与整车开发流程的集成

在整车开发的不同阶段，上述整车EMC预测方法的应用讨论如下。

(1)电子样车设计阶段

在电子样车设计阶段优先考虑系统布局，而不对电气部件开模［21］。此时，可利用三维电磁场数值求解软件建立整车模型，仿真得到所需的端口耦合特性。而电器部件的端口等效特性可由类似部件或借用件的数据得到。这一阶段，通过对整车EMC的预测，对整车电气系统布局和零部件EMC技术要求的制订都具有指导意义。

(2)电器部件开发完成后

电器部件开发完成后，则可通过零部件台架实验得到更加准确的等效端口特性(见2.2节和2.3节)。此时，通过整车级EMC预测可发现潜在的风险和问题，并提前进行设计变更。

(3)样车开发完成后

此时，整车级端口耦合特性和部件级端口等效特性皆可通过实验数据得到，预测结果也更加可信。可对实车的EMC测试结果进行预测，减少实车实验量。

(4)实车EMC测试

这一阶段，可将整车EMC预测方法用于问题及其改进方案的定量分析。减少改进产生的投入。1.2不同EMC问题的转化

采用图2所示的预测模型，通过选择不同的Z参数矩阵和等效端口，根据式(2)可以实现多种EMC问题的预测。

(1)预测整车辐射发射/抗扰时，将车内的干扰源/敏感设备、电磁场的接收/产生天线作为网络端口;

(2)分析线束耦合串扰问题时，则将关注的干扰源和敏感设备作为网络端口。

2 整车和部件特性建模

本节将给出EMC预测模型式(2)中网络耦合特性和端口等效特性的建模方法。

2.1 网络耦合模型

考虑散射系数(即S参数)适用于高频，且可用网络分析仪或三维电磁场数值求解软件直接得到［20］。因此本文中采用散射系数来表征不同端口间的耦合关系，然后通过理论分析建立其与Z参数的转换关系，得到多端口网络的耦合模型。对于n端口网络，根据散射系数定义有［22－23］

式中:Vr和Vi分别为端口的反射和入射电压;Ir和Ii分别为端口的反射和入射电流;S为该网络的散射系数。进一步由入射和反射量得到端口电压和电流为

式中:E为单位阵;U和I分别为端口的电压和电流。将式(4)代入Z参数与端口电压电流的关系式U=ZI得到

散射系数由网络分析仪或三维电磁场数值求解软件在标准阻抗Z0(一般为50Ω)下得到。根据特征阻抗的定义，有

将式(6)代入式(5)，经化简得到Z参数与散射系数的转化关系:

根据式(7)，即可由散射系数计算得到由多种干扰源和敏感设备构成的多端口网络的Z参数。在此基础上，进一步建立端口的等效阻抗模型，即可实现整车EMC预测。根据部件在EMC问题中作用的不同，可分为敏感设备和干扰源设备两类，下面分别介绍通过实验来建立两种设备等效特性模型的方法。

2.2 敏感设备

对于连接敏感设备的端口，主要关心其等效阻抗特性。可通过阻抗仪直接测量端口阻抗，但考虑到阻抗仪的适用频带比网络分析仪低，文中给出一种根据散射系数计算等效阻抗的方法，原理如图3所示。

图3 网络分析仪测阻抗原理

此时，将敏感设备看作单端口网络，由式(7)可得到该端口的阻抗特性为式中S0为该单端口网络的散射系数。

2.3 干扰源

与敏感设备相比，干扰源的建模更加复杂。除关心等效阻抗特性外，还要描述干扰的大小。根据戴维宁等效原理，文中采用等效输出电压和输出阻抗表征干扰源的特性，并假设负载阻抗的变化不会影响干扰源的特性，提出一种基于双阻抗的实验建模方法，原理如图4所示。这里所谓的双阻抗是指有无外加负载两种状态。两种情况下测量的电压和电流分别使用下标“1”和“2”表示。

图4 干扰源实验建模原理

在实际应用时，若负载影响干扰源特性，可通过在多种工作状态和负载条件下进行测试，以获得干扰源的最大值。

由图可得

式(9)经过整理即可得到干扰源的等效输出电压和等效输出阻抗:

式中:ZR和ZL分别为已知的原负载和外加负载的阻抗;U1和U2为实验测得的干扰电压。

2.4 应用讨论

2.4.1 零部件台架实验

在实车条件下按2.2节和2.3节的实验建模方法可得到最准确的模型，但需要完成样车开发。为在汽车开发初期进行EMC预测，可通过零部件台架实验建立等效端口模型。为减小所建立模型的误差，在进行台架实验时需注意:

(1)零部件的工作状态应尽可能与实车上的典型状态或发生EMC问题的状态保持一致，保证台架实验建立的模型能反映出其主要特征;

(2)零部件在实验桌上的布置应尽可能与实车环境下的安装布置方式保持一致，尤其需要注意地线的长度和连接方式、零部件外壳在车身上的安装方式和零部件的朝向，上述因素对零部件与车身间寄生参数影响较大;

(3)为充分反映干扰源与敏感负载间的耦合，搭建台架时，应采用实车负载，定义的台架实验状态能够充分反映出两者间的耦合过程。

2.4.2 差模和共模特性

车载电器作为干扰源或敏感设备时，正负极线之间(差模回路)，及其与外壳或地之间的寄生参数都可能构成回路(共模回路)［24］。由于现有的整车EMC预测方法只能处理单一干扰源，通常只考虑共模回路。由于电气系统安全和成本的制约，应用于实际问题时存在如下局限性:

(1)车内存在很多电器的正负极线，不可能完全平行走线，因此差模回路的影响不可忽略;

(2)即使正负极线尽可能平行走线，由于汽车电气系统多点/单点接地混合使用，以及保险分配的需要，正负极线的长度往往存在较大差异，也无法将正负极线等价成一根辐射天线。

文中提出的方法能实现涉及多干扰源/敏感设备的EMC问题预测。将正负极间的差模特性、正极-地和负极-地间的共模特性作为3个端口，从而实现车载电器共模和差模特性并存时整车EMC的预测。

3 台架验证

为验证提出的整车EMC预测方法的有效性，采用文献［15］中的整车辐射发射模拟台架，如图5所示。预测频率范围为0.3～3GHz，在高频段，该模拟车体为电大结构;在低频段，倾向于电小结构。

图5 台架示意图(单位:cm)

该台架将实际汽车按比例缩小，底盘下方设置一条导线模拟干扰的发射天线，在模型外设置一单极子天线作为测量天线。在激励端口通过网络分析仪施加干扰信号，干扰电压为1V，输出阻抗为50Ω。负载端连接150Ω电阻。该辐射发射问题可以采用双端口网络进行等效:端口1连接激励;端口2连接负载。

根据图5所示的辐射发射台架模型，采用Feko三维电磁场数值求解软件计算得到该二端口网络的散射系数，如图6所示。

图6 散射系数

图7Z参数

根据图7所示的Z参数、激励和负载端口的等效特性，由式(2)可以预测出天线端的接收电压，预测值与实测值对比如图8所示。图中的辐射发射实测值源于文献［15］。

图8 辐射发射预测和实测对比

从图8可以看出，预测结果与实测值在整个分析频带内的变化规律大致相同。此外，文中提出的EMC预测方法成功预测出了1，1.6，2.1和2.4GHz附近主要的4个辐射发射峰值点，辐射发射强度的预测误差小于3dB。相对而言，1.5和2.9GHz附近的峰谷点的预测误差较大。分析原因，主要是峰谷点附近激励源在接收天线端耦合的能量较小，更容易受到环境干扰。综上所述，文中提出的基于多端口网络理论的EMC预测方法较好地实现图5所示的辐射发射的预测，可用于整车EMC问题的预测和分析。

4 结论

本文中提出了一种基于多端口网络理论的整车EMC预测方法，通过理论分析和台架实验验证，表明该方法具有如下特点:

(1)采用多端口网络描述电器部件间的耦合特性，能实现汽车多干扰源/敏感设备并存下的EMC问题预测;

(2)根据问题不同，选择不同的Z参数矩阵和等效端口，该方法可适用于多种整车EMC问题;

(3)通过S/Z参数转化，将部件及其耦合特性的建模和整车EMC预测过程分离，从而提高计算效率，一定程度上解决了目前整车EMC预测方法计算资源消耗巨大的问题;

(4)可通过实验测试或理论分析的方式建立网络耦合特性和端口等效特性，使其适用于整车开发的全过程，从而实现汽车EMC的正向开发，减少后期的实验和改进的投入。

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Vehicle EMC Prediction Technique Based on Multi-port Network Theory

Gao Feng1，Ye Chengkai1，Xiong Yu2＆Wang Chunhua3
1.School of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing400044;2.Dongfong Liuzhou Motor Co．，Ltd．，Liuzhou545005; 3.China Automotive Technology＆Research Center，Tianjing300300

With the rise in the level of electrification and electronization，the EMC problem of a vehicle become more and more critical．In this paper，a vehicle EMC prediction method based on multi-port network theory is put forward，which can perform EMC prediction for a vehicle with multi interference sources and multi sensitive devices coexisted，and can be applied to the whole process of vehicle development．Baside EMC prediction technique，the modeling schemes for network coupling characteristics and the equivalent characteristics of ports needed for EMC prediction are also given，and the effectiveness of the technique proposed is verified through the bench tests simulating vehicle radiation．

vehicle;EMC;prediction;multi-port network

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．017

*国家自然科学基金(51177183)、国家重点研发计划项目(JFYS2016ZY02001610)和重庆市科技计划项目(cstc2015zdcyztzx60005)资助。

原稿收到日期为2016年3月2日，修改稿收到日期为2016年8月15日。

高锋，博士，E-mail:gaofeng1@cqu．edu．cn。