汽车电缆线束的电磁兼容仿真分析

1汽车电缆线束的电磁兼容仿真分析孙佳伟，张敏（同济大学，电子与信息工程学院）摘要：汽车上电子器件的增加，使汽车电磁兼容（EMC）问题日益凸现。使用数值仿真技术能在产品定型前，对产品电磁兼容进行分析和预测。汽车电缆线束及车身的复杂性，使得汽车电缆的电磁干扰仿真分析成为一个难点。本文介绍使用CSTMICROWAVESTUDIO®（CSTMWS）和CableMod的协同仿真的方法来解决这一问题。利用CableMod在汽车模型中建立了简单电缆布局，并计算出沿着电缆的电流分布，此电流分布导入到CSTMWS中，进行电缆辐射分析。关键词：汽车，电磁兼容，电缆线束，仿真ElectromagneticCompatibilityAnalysisofVehicleCableHarnessbySimulationJiaweiSUN,MinZHANG(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TONGJIUNIVERSITY)AbstractInconsequenceofmoreandmoreelectricalequipmentsthathavebeenintroducedintothecar,ElectromagneticCompatibility(EMC)isbecominganimportantissueinautomotiveindustry.NumericalEMCsimulationisapowerfultooltoanalyzethepotentialEMCproblemsearlyinthedesignprocess.Butoneofthemainproblemsinsimulationofelectromagneticinterferenceinvehiclesiscausedbythecomplexityofcableharness.ThispaperintroducesacombinedEMCsimulationwithCSTMICROWAVESTUDIO®(CSTMWS)andCableModtosolvetheproblem.AsimplecableharnessismodeledinsidevehiclebodyandthecurrentdistributionalongtheharnessthatsimulatedwithCableModisimportedintoCSTMWSforradiationanalysis.KeywordsAutomobiles,EMC,CableHarness,Simulation1.前言现在越来越多的电子产品应用到汽车上，以增加汽车的经济性、舒适性及安全性。但车内随之不断增加的电磁噪声水平，也成为汽车行业关注的问题之一。目前，汽车的电磁兼容性（EMC）主要由相关的电磁兼容标准以及试验检测来控制。但标准一般滞后于新电子产品的开发，加之电磁兼容检测只能针对已有的硬件产品进行，因此使得整改措施受到局限。一旦多次反复设计的样品没有达到电磁兼容要求，就会使整个设计的费用大大增加。更为严重的是，这势必将拖延新的产品推入市场，造成很大的损失。数值仿真能在产品设计的前期就对潜在的电磁兼容问题做出分析预测，从而能及时地采取有效的抑制和防护措施。比如三维全波时域分析软件（如CSTMICROWAVESTUDIO®）是处理辐射干扰问题的有力工具。但如果使用三维全波分析软件直接分析电缆线束EMC问题，就必须要对电缆进行网格剖分。而电缆线束的捆扎本身非常复杂，汽车内电缆的总长度可达3km，加上其横截面相对于汽车车身结构来说非常小等原因，会导致三维全波仿真分析需要极大的网格数，这将使仿真需要非常长的计算时间和巨大的内存需求，有时可能已超出现有计算机的性能[1]。本文采用CSTMICROWAVESTUDIO®[2]和CableMod[3]的协同仿真来分析汽车电缆线束的EMC。通过CSTMWS和CableMod间辐射数据交换，用能处理复杂的电缆线束，第二章中详细说明了此仿真策略。第三章中我们建立了简化的汽车电缆布局，对其进行辐射干扰分析。2.仿真策略2使用CSTMWS和CableMod的协同仿真，将电缆线束的仿真分为2个主要步骤进行。首先，CableMod基于积分方程和边界元（BEM）的算法，能快速准确地从电缆结构和布线数据中抽取电路仿真用的二维传输线模型，而不受电缆复杂性的限制。通过电路仿真，计算出沿电缆的电流分布。第二步，通过CSTMWS与CableMod的数据交换接口，将此电流分布直接导入到CSTMWS时域求解器中，作为辐射源来进行辐射分析。这样做的好处在于，电流分布在三维全波分析中替代了复杂的电缆线束模型，避免了对实际电缆线束的网格剖分，这将大大减少整个仿真的网格数，从而降低内存需求，加快仿真速度。只要辐射场对于电缆线束本身的电流分布没有较大影响，那么这种近似就是有效可行的，而大多数情况下，这一条件总是可以满足的，并已被测试结果所验证[4]。图1描述了整个仿真流程的主要步骤。图1汽车电缆EMC仿真流程图CableMod提供NASTRAN格式的CAD接口，而CSTMWS更是提供了SAT、STL、STEP、CATIA®、Pro/E®等多种CAD接口，方便导入汽车车身模型。在CableMod中可完成车身内的电缆线束布局设计，然后利用内建2D传输线求解器将车内整个电缆线束结构分为若干部分，沿着每一部分电缆段被认为是均匀的。随后，通过多传输线理论，计算出单位电缆长度上的电感、电容，电阻，从而把整个电缆线束抽取为等效电路模型（SPICE）。接下来，将电缆SPICE模型加上相应的负载和激励进行电路分析，并由此得到电缆线束的电流分布，此电流分布在CableMod中由辐射数据文件（RSD文件）表示。CSTMWS可将RSD文件导入，作为电缆线束电磁辐射干扰分析的辐射源。通过CSTMWS基于时域有限积分技术（FIT）的三维全波分析，便可对汽车电磁兼容指标作出分析研究，及时发现问题原因，并采取相应整改措施。3.实例分析3.1仿真模型BMW汽车车身模型可CableMod和CSTMWS提供的通用CAD接口导入。在CableMod中在BMW汽车车身模型中，建立了简单的电缆布局，如图2所示，此电缆线束由一对双绞线（从P1端到P2端）和一根单线（从P3端到P4端）组成。电缆线束的总长度约为3m。(1)双绞线和单线的横截面（2）车内电缆图2CableMod中汽车电缆布局在P1端口处，对双绞线的双芯（1和2）使用5V电压源差模激励，其余端口处3均接载50欧姆的电阻。CableMod中计算得到的电流分布，直接导入到CSTMWS中汽车车身模型中进行辐射分析，导入后的模型结构如图3所示。可以看到，电流分布代替了CableMod中电缆的模型，CSTMWS中电流分布的坐标位置、走线布局和CableMod中的电缆模型完全一致。图3CSTMWS的电流分布3.2结果CableMod中的网络分析可得到各条线缆在各端口处的电压电流值。图4分别给出单线及双绞线在各观测点的电流值。可以看出，随着频率的增加，电缆的阻抗特性发生明显的改变。（1）单线在P3端和P4端的电流值（2）双绞线在P1和P4端的电流值图4电缆在各观测点的电流值CSTMWS中进行电缆辐射分析时，在汽车的左侧距模型中心X=3m、Y＝0.5m和Z=0m处设置了远场电场探针，如图5所示。图5电场探针位置图6显示了汽车车身表面电流分布情况。图6汽车车身表面电流测试点各个方向上的电场值如图7中所示。随着频率的增加，电缆在探针处辐射干扰明显地增大。图7电缆在探针处得到的电场国家汽车电磁兼容标准GB14023-200：车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的无线电骚扰特性的限值4和测量方法中规定了整车在测试距离为10m时的骚扰限值要求。若测量距离为3m，则限值应增加10dB。通过CSTMWS的VBA宏，可直接求出由汽车内电缆线束在3m和10m处的场强值指标，对汽车电缆电磁骚扰值做出判断。如图8所示，VBA宏还自动将GB14023-2000中规定的窄带发射限值、宽带发射（带宽为120kHz）限值及宽带发射（带宽为1MHz）限值曲线绘出，方便比较电缆电磁骚扰值与标准要求值。图8CSTMWS计算的场强最大值与标准限值比较可以看到，此电缆线束设计远没有达到电磁兼容标准所要求的限值。应当说明的是，限于条件所限，本仿真试验中只是使用了简化的电缆模型和汽车车身模型进行分析。如若采用更为接近实际情况的汽车模型和电缆布局，将会对实际汽车电缆的电磁兼容问题提供更为准确的参考。使用CSTMWS时域求解器，仿真总网格数为241920，整个三维全波分析过程在4GB的工作站机上进行，总共用时仅为18分钟。4.结束语汽车电缆系统的辐射干扰是汽车电磁兼容性中重要的环节。直接使用一般三维电磁场仿真软件却难于处理复杂的电缆辐射问题，CSTMWS和CableMod协同仿真的策略，通过CSTMWS和CableMod间的辐射数据的交换，可大大简化电缆辐射仿真的复杂性，达到快速准确的分析车内电缆线束EMC问题的目的。同济大学现代集成电磁仿真研发中心和CSTChina对论文的完成提供了很多帮助，在此表示感谢！参考文献[1]J.C.Kedzia.“NumericalEMCinGroundTransportation:HowtoManageEfficientlyprocessRealisticAutomotiveProblems,”inProc.PAMUsersConferenceinAsia-PUCA'99,Nov.1999.[2]CST工作室套装系列丛书[DB/OL]，2006.[3]CableModUser‘sManual,Version2.7,2nded.,SimLabSoftwareGmbH,Jan.2005.[4]F.Canavera,J.C.Kedzaia,P.Ravier,B.Scholl,“NumericalSimulationforEarlyEMCDesignofCars,”inProc.CEM2000Symposium,Brugge,Sept.2000.作者简介：孙佳伟男，同济大学电子与信息工程学院，信息与通信工程系，硕士研究生，上海市曹安路4800号同济大学。Email：[e-mail]张敏男,同济大学电子与信息工程学院，信息与通信工程系，教授，博士。Email:[e-mail]联系人：张敏Email:[e-mail]电话：[phone]传真：[phone]