电动汽车150kHz～30MHz 电磁辐射发射仿真建模方法研究

曾 霞， 黎小娇， 程 娟， 雷剑梅， 高阳春

（1.汽车噪声、 振动与安全技术国家重点实验室， 重庆 400039；2.重庆市汽车电磁兼容性能开发工程技术研究中心， 重庆 401122）

1 引言

随着新能源汽车的迅速发展，越来越多的电子设备加剧了整车的电磁兼容环境的恶化。随着CAD技术的发展，EMC仿真技术被广泛应用于整车EMC开发过程中，其优势也日益凸显，通过线缆建模仿真预测整车电磁辐射，可以帮助解决整车辐射超标和整改问题，可以提前预测整车辐射发射，具有一定的工程实用价值。

近年来，国内外学者对车辆辐射发射的仿真也开展了很多研究。文献[1]通过建立直流母线电磁辐射的数学模型，采用多软件联合分别建立整车车身模型、直流母线的电气模型与整体电磁仿真模型，以直流母线上的电流为干扰源，运用矩量法与传输线法相结合的方法，仿真分析得到直流母线电磁辐射在车内外的分布规律。文献[2]提出一种基于多端口网络理论的整车EMC预测方法，建立整车上所分析的网络耦合特性和端口等效特性模型，能够进行汽车多干扰源/敏感设备并存情况下的EMC预测，并通过台架试验模拟整车辐射发射问题，进行有效性验证。对于直接加载测试电流作为仿真激励进行EMC性能仿真预测的方法，线束建模方式对仿真结果的影响，以及接收天线建模计算电磁场强度和近场观测点直接得到的电磁场强度是否存在差异未见有分析。

汽车上产生干扰的零部件外壳大多采用的是封闭的金属材质，对于电磁干扰具有较好的屏蔽作用，因此汽车低频磁场大多是通过线束的电流感应产生。本文采用电磁仿真软件FEKO，以整车模型和2条高压线束为例，建立杆天线模型和环天线模型，以测试得到的线束电流作为线束激励源驱动产生电磁波，搭建整车电磁辐射发射仿真平台进行整车低频辐射发射性能预测。仿真分析：①采用杆天线和环天线获取电磁场结果，与直接采用近场观测点得到电场和磁场分布情况是否存在不一致性。②线束采用实体线模型、FEKO软件自带的Cable工具建立单线以及Cable工具建立屏蔽线3种方式得到的仿真结果是否存在差异。通过仿真结果对比来确定是否可以采用近场观测点代替杆天线和环天线来观测测试中的电场和磁场分布，减少仿真计算流程以及线束建模采用哪种方式可靠性更高。

2 整车低频辐射发射仿真方法

依据国家标准《GB/T 18387—2017电动车辆的电磁场发射强度的限值和测试方法》规定的测试频段和测试方法，在整车建模的基础上，提取标准规定工况下工作的零部件线束，定义线束类型、端口电路并采集线束上的干扰电流作为线束端口的信号激励，仿真所观测位置的电场、磁场分布情况。仿真对应的测试参数见表1。

表1 仿真对应的测试参数

由于FEKO软件可以直接用近场观测点得到仿真环境内的电磁场分布情况，但是实际测试时采用放置在地面上，长1m的单极子天线来测试电场，用直径为60cm的圆环来测试磁场，环中心距地面1.3m，环垂直地面放置。因此，用近场观测点求解电磁场时，设置求解距离车辆3m、高0.5m处位置（杆天线相位中心） 的电场以及距离车辆3m、高1.3m处位置（环天线相位中心） 的磁场。

整车低频辐射骚扰主要来自高压线束上的屏蔽层，用电流探头连接示波器采集高压线束上的干扰电流时，实际得到的也基本上是屏蔽层上的电流信号，可以认为屏蔽层上的辐射发射与同尺寸的单线辐射量几乎一致。因此，用FEKO进行整车辐射发射建模时，理论上可以用单线代替高压线束的屏蔽层，单线的内导体直径是屏蔽线的屏蔽层外径，单线绝缘层厚度与屏蔽线外绝缘层厚度相同。FEKO软件建立线束模型时，可以采用实体线方式建立单线，采用Cable工具建立单线和屏蔽线，单线的一端用于激励的添加，另一端直接搭铁；屏蔽线的屏蔽层一端用于激励的添加，屏蔽层另一端直接搭铁，而芯线两端均悬空。仿真时激励添加端与实际高压信号采集端一致，与实际激励采集相符。

3 整车低频辐射发射仿真建模

3.1 接收天线标定

按照测试天线的实际模型来计算电磁场，需要在电磁仿真软件FEKO中对杆天线和环天线进行标定，分别得到杆天线和环天线的天线系数。天线系数AF定义为电磁场强度与天线接收电压的比值，即天线接收1V电压时天线周围均匀平面波的电磁场强度。因此，在单位平面波照射下，AF为接收电压的倒数。

标定时，通过测量得到杆天线的大小、形状等尺寸，在FEKO软件中建立杆天线和环天线的模型，并按照实际测试设置搭铁、馈电位置以及端口阻抗，标定的仿真模型如图1所示。对于杆天线的标定，天线为长1m的单极子天线，天线与搭铁之间的端口接50Ω阻抗，用电场强度为1V/m垂直于地面的均匀平面波照射杆天线，仿真得到杆天线接收端口的接收电压U0；对于环天线的标定，天线为直径60cm的圆环，环中心距地面1.3m，环垂直地面放置，底部设置馈电端口并添加50Ω阻抗，用磁场强度为1A/m（电场强度为120πV/m） 沿环天线轴线方向的均匀平面波照射环天线，仿真得到环天线接收端口的接收电压U0。

图1 接收天线标定模型

3.2 仿真建模

为对比分析不同的仿真方法和不同的建模方式对仿真结果的影响，分别建立实体线模型、Cable工具-单线以及Cable工具-屏蔽线方式对应的杆天线、环天线-径向、环天线-横向以及近场观测点的求解模型，总共12个模型。

由于频率较低，所以仿真采用FEKO默认的矩量法（MOM） 进行电磁场仿真预测计算即可。在FEKO中仿真，导入2条骚扰源线束的路径，然后定义线束的性质。线束采用单线的方式建模时，单线的内导体半径2.21mm，绝缘层厚度0.6mm，绝缘层材料XLPE。线束采用屏蔽线建模时，芯线半径1.25mm，内绝缘层厚度0.6mm，材料XLPE，屏蔽层金属丝直径0.18mm，总共16股，每股6根，外绝缘层厚度为0.6mm，材料为PVC。保证单线的内导体直径与屏蔽线的屏蔽层外径一致（均为2.21mm），外绝缘层厚度一致（均为0.6mm）。所有仿真模型中，线束剖分规则要设置一致，排除剖分带来的误差。3种不同线束建模方式如图2所示。

图2 线束建模方式

杆天线、环天线-径向、环天线-横向以及近场观测点仿真模型如图3所示，天线及近场点观测位置按照仿真对应的测试参数进行设置。仿真过程中，在线缆端口添加频域的电流信号作为仿真的激励，利用电流探头连接到示波器采集得到激励信号。为了减少仿真时间并确保仿真精度，通过提取峰值的方式提取出骚扰源信号在150kHz～30MHz频段的约51个频点的干扰电流值作为激励信号，将其导入FEKO中驱动线束产生电磁波，仿真运算完成即可得到电流驱动线束在汽车周围环境产生的电磁场分布情况。

图3 整车低频辐射发射仿真模型

4 仿真结果计算

4.1 接收天线系数

仿真得到杆天线和环天线分别在1V/m电场和1A/m磁场平面波照射下，天线位于车辆后侧（Back）、前侧（Front）、左侧（Left） 和右侧（Right） 的接收电压幅值U0，通过公式AF=1/U0，得到杆天线的天线系数AFE和环天线的天线系数AFH，如图4所示，用于下文计算天线位置的电场和磁场。

图4 杆天线和环天线标定接收电压及天线系数

4.2 接收天线的电磁场结果计算

对于杆天线、环天线-径向和环天线-横向3种直接采用接收天线的求解方法，仿真得到杆天线和环天线端口的接收电压，需要利用天线系数转换成对应的电场或磁场，计算公式如下。

由于数据较多，这里仅展示线束采用实体单线方式建模时的仿真及计算结果，此时分别得到杆天线、环天线-径向和环天线-横向3个仿真模型对应的车辆前（Front）、后（Back）、左（Left）、右（Right） 4个方向的接收电压，以及转换得到的电场-垂直极化结果、磁场-径向分量和磁场-横向分量的结果，分别如图5～图7所示。

图5 实体单线-杆天线的仿真和计算结果

图7 实体单线-环天线-横向的仿真和计算结果

4.3 近场观测点电磁场仿真结果

通过近场观测点的方式，仿真运行完成后可以直接得到车辆前、后、左、右4个方向的电场和磁场强度分布情况。由于测试的是电场强度的垂直极化以及磁场强度-径向方向的分量和磁场强度-横向方向的分量，因此电场强度的结果只选取电场幅值Z方向的分量。前、后两侧磁场强度-径向方向的分量对应近场观测点磁场幅值的Y方向分量，左、右两侧对应近场观测点磁场幅值的X方向分量。前、后两侧的磁场强度-横向方向的分量对应近场观测点磁场幅值的X方向分量，左、右两侧对应近场观测点磁场幅值的Y方向分量，仿真结果如图8所示。

图8 近场观测点位置的电场-垂直极化、 磁场-径向和磁场-横向方向的分量

5 仿真结果对比分析

5.1 天线模型方式与近场点方式对比

对于直接采用接收天线的接收电压来计算电磁场强度和近场观测点两种方法来进行整车低频辐射发射性预测，仿真计算结果的对比如图9～图11所示，分别显示前、后、左、右4个方向车辆产生的电场-垂直极化、磁场-径向方向分量以及磁场-横向方向分量。

图9 两种仿真方法下的电场-垂直极化结果

图10 两种仿真方法下的磁场-径向方向的仿真结果

图11 两种仿真方法下的磁场-横向方向的仿真结果

从对比结果可以看出，采用距地面中心0.5m高位置的近场点来观测电场的垂直极化分量，相比于采用实际杆天线的接收电压来计算电场强度，两种方式得到的电场强度在整个仿真频段的趋势完全一致，只是近场观测点方式由于近场点离地面较近，其电场值整体偏小约5dB左右，说明采用距地面中心0.5m高位置的近场点来观测电场会使电场值偏小。而采用实体环天线来求解磁场强度，与采用1.3m高位置的近场观测点来计算磁场强度，在2MHz以下频段，磁场强度基本一致，而在2～30MHz频段，磁场趋势完全一致，只是磁场值存在约6dB左右的差异，说明采用近场点来观测测试的电磁场强度，趋势完全一致，只有高频部分磁场值存在些微误差。

5.2 不同线束建模方式结果对比

对于线束采用实体单线（Entity_Model）、Cable工具-单线（Single_Cable） 以及Cable工具-屏蔽线（Shield_Cable） 3种方式建模，预测整车低频辐射发射性能，仿真计算结果对比如图12～图14所示，分别显示车辆前、后、左、右4个方向车辆产生的电场-垂直极化、磁场-径向方向以及磁场-横向方向的分量。

图12 不同线束建模方式下电场-垂直极化的仿真结果

图13 不同线束建模方式下磁场-径向方向的仿真结果

图14 不同线束建模方式下磁场-横向方向的仿真结果

从对比结果可以看出，对于较为简单的线束，采用实体单线、Cable工具-单线以及Cable工具-屏蔽线3种方式建模，所计算得到的电场强度完全一致，左、右两侧的磁场-径向分量以及前、后两侧的磁场-横向分量也完全一致，只前、后两侧的磁场-径向分量以及左、右两侧的磁场-横向分量在几个谐振频点的磁场强度值存在些微的差异。说明线束采用这3种方式建模时，只要保证向外辐射部分的外径相同，求解的电磁场结果可以认为具有一致性。

6 结语

本文在线束电流驱动线束感应产生电磁场的仿真方法的基础上，采用接收天线感应电压计算电磁场和近场观点直接观测场强来分析两种方法的一致性，以及对比线束实体单线、Cable工具-单线和Cable工具-屏蔽线3种建模方法对低频电磁辐射仿真结果的影响。研究表明采用近场观测点观测测试位置的电场强度和磁场强度，与杆天线和环天线接收到的电场和磁场趋势完全一致，只是采用0.5m的近场点代替放置在地面上的1m长单极子天线得到的电场值偏小，后续应该研究近场点距离地面多高能够代替实体天线来进行电场强度的预测。而采用距离地面1.3m高位置的近场点代替环中心在地面1.3m的环天线进行磁场的预测，在低频2MHz以下基本一致，在2MHz以上磁场趋势完全一致，但是磁场值存在些微差异。因此，虽然近场点不能完全替代实际测试天线来计算测试环境内的电磁场值，若没有杆天线和环天线的尺寸从而无法建立天线模型时，还是可以采用近场观测点来预测低频辐射电磁场的整体趋势，以及电磁场强度的大致范围，简化分析整车系统产生电磁波谐振的影响因素或进行线束和零部件优化分析的流程，从而在设计阶段快速为车内各种电器布置和线束布局提供参考。而对于简单的线束建立模型时，只要保证向外辐射部分的外径相同，可以采用实体单线、Cable工具-单线以及Cable工具-屏蔽线其中任何一种方式，对电磁场预测结果影响基本可以忽略。

本文中的仿真模型只是简化的2根线束模型，实际汽车上有大量的高压或低压线束工作时会产生辐射电磁场，通过本文的仿真研究，可将其延伸到整车更高频率复杂系统工作时的电磁场仿真。