EMI试驾

ANSYS HFSS 中的新技术能更高效地确定汽车电磁干扰和兼容性问题

无线链接、多媒体设备、电子控制模块和混合动力/ 电力驱动等 组件不断被添加到车辆中，这就使得电磁干扰（EMI）和电磁 兼容性（EMC）设计变得日益重要。

汽车正快速成为移动热点。无线链接、多媒体设 备、电子控制模块和混合动力/ 电力驱动等组件不 断被添加到车辆中，这就使得电磁干扰（EMI）和 电磁兼容性（EMC）设计变得日益重要。巴西菲亚特克莱斯勒的工程师团队正采用ANSYS HFSS 和整车试验来分析潜在 的车辆EMI 问题，从而保证整体产品完整性。

随着汽车中的电子组件快速增加，一系列指南应运而生， 包括立法要求、行业协会标准和针对具体汽车生产商的监管限制。最早的行业指令之一是1972 年欧洲 对电子火花塞噪声的要求，随后许多组 织机构都针对汽车行业制定了各种相关 标准。

许多标准、指令和监管要求的目 的是确保汽车安全，让所有板上系统在 EMI 环境下保持正常工作，在受干扰后 要么能自动重返正常状况，要么通过手 动复位返回正常状况。菲亚特克莱斯勒 工程师的一大担忧是现在汽车包含的线 路太多，一辆车中的线路总长达到5 公 里。布线本身显然是EMI 源，同时现代 汽车中还包含许多电子产品，也构成了 EMI 源。此外，驾驶员携带的手机、平 板电脑、蓝牙设备等也构成EMI 源。生 产智能汽车的汽车制造商必须满足相关 标准要求，减少故障风险。

传统的EMI/EMC 程序和技术不再适 合最新一代的电子设备和组件要求，一 些汽车标准的开发采用了实验室测试， 目的就是减少车内出现EMI 干扰的可能 性。ISO 11451-2 是一项重要的国际实 验室标准。该标准提出要检测在无回声 环境内源天线对整车的辐射，所有电子子系统的性能都不得被源天线的电磁干 扰影响。ISO 11451-2 旨在确定专用或公共 道路上行驶车辆对车外辐射源的抗电气 干扰性，无论车辆采用什么推进系统（包 括混合动力和电动车辆）。测试程序规定 了电波暗室中的整车性能，创造了反映 开放场测试的环境。测试地面通常不覆 盖吸收材料，但这种覆盖材料是允许的。

远场行为对比显示FE-BI 法相对于传统方法而言更 准确。

标准测试包括用源天线生成辐射电 磁场，射频（RF）源能生成所需的场强 度，范围在25 V/m 到100 V/m 乃至更 高。测试涵盖的频率范围为10 kHz 到 18 GHz。在程序期间，所有嵌入式电子 设备都必须无瑕工作。无瑕性能也适用 于源天线的扫频。

物理上进行ISO 11451-2 标准测 试会占用大量时间，也需要昂贵的设 备，使用昂贵的测试设施。数值仿真法 能提供低成本的替代方案，缩短设计时 间，降低相关研发成本。过去几年内，整车有限元法（FEM）仿真能用域分解 （DDM）法实现，ANSYS HFSS 软件正是推广这种方法的先驱。DDM 创建一系 列子域，每个子域用不同计算内核或连接到网络的不同计算机求解，从而实现 整个仿真域的并行处理。DDM 帮助工程 师进行整车仿真，HFSS 还提供另外的方 法求解大型电磁场结构，那就是FE-BI （混合有限元—边界积分）法。

FE-BI 用积分方程（IE）求解法作 为FEM 问题空间的截断边界，能结合 FEM 和IE 二者之长。不同求解模式的 组合使得菲亚特克莱斯勒的工程师相对 于FEM 方法的要求而言，能大幅缩小仿 真求解规模。由于辐射源到FE-BI 边界 的距离可以任意小，因此求解时间能缩 短，同样整体计算工作也能减少。

为了展示FE-BI 方法的功能，菲亚 特克莱斯勒团队与ANSYS 的南美渠道合 作伙伴ESSS 用FE-BI 功能进行整车仿 真。该团队就ISO 11451-2 标准应用了 相关结果，以确定电子子系统的EMI。 就仿真而言，该团队在测试区将较大空 域减小为两个小得多的空间，并符合包 含的结构。空域表面靠近天线和汽车。

菲亚特克莱斯勒工程师没有在仿真 中建模吸收元件，因为FE-BI 中的IE 边 界相当于自由空间仿真，与物理测量所 用的吸收材料相同。整体计算时间只有 28 分钟，比传统FEM 求解加快了10 倍 多。此外，FE-BI 仿真所需的全部RAM 为6.8 GB，相对于此前用FEM 时减少了 10 倍多。

用FE-BI 法所得的求解结果显示数 量值预测与用FEM 所得的结果有着很好 的一致性。汽车表面和二分之一截面用 这两种求解方法计算所得的电场都很类 似，整个模型的整体远场方向图也一样。

此外，FE-BI 法也可用于检测嵌入 式控制单元模块的抗干扰性。为了展示 这种功能，工程团队在仿真中用印刷电 路板（PCB）连接引擎线束。发送信号 从引擎底部的传感器，使用路由在引擎 周围的线束传到PCB。线束一端用红色 四通连接器连接到PCB。一个四通连接 器的引脚焊接到迹线（开始于连接器侧 PCB 的顶部，通过通孔到底侧）上，在 此连接到微控制器。在此情况下，团队 只分析单个车载诊断系统（OBD）协议 CAN J1913 信号。

线束在EMI 中扮演重要角色，因为 它会成为一个辐射源。为了更好地了解 线束影响，ESSS 工程师执行了两个仿真。第一个采用PCB 和线束以及底盘和 源天线。在第二个仿真中，团队除去线 束，并把随机的CAN J1939 信号直接施 加给PCB 连接器，而不是引擎底部的传 感器位置。

ANSYS HFSS FE-BI 功能作为数值方法 具有明显优势，能根据汽车EMC 标准 进行整车仿真

在HFSS 中使用FE-BI 求解器，团 队能方便地计算电磁场和两个仿真的散 射参数（无论带不带线束）。仿真显示 连接到线束时的PCB 上的谐振。谐振频 率是连接PCB 线缆长度的函数。连接到 PCB 时，线束会将源天线和PCB 之间的 耦合增加30 dB 以上，范围为152 MHz 到191 MHz。

PCB 相对于汽车的位置。

CAN J1939 信号仿真，左图为仅有PCB，右图为带线束的PCB ：a）电场图分布；b）微处理器接收信号的眼图。 连接线束时观察到EMI。C）微控制器正在接收信号时的浴缸图。浴缸曲线受到EMI 源的很大影响，最后位误码率为 1E-2，这意味着每100 个里面就有一个位被微控制器错误解释。

线束连接到PCB 的点

最后，工程师将3-D 电磁场模型和 HFSS 中的ANSYS 电路求解器动态链接 起来，从而仿真线束和PCB 中的CAN J1939 信号。ANSYS Designer 软件可 将HFSS 生成的频域结果和基于时间的 信号无缝整合。在Designer 中，我们能 指定不同信号，以激励天线和线束。对 仿真来说，团队设置天线激励为150 V 正弦信号常量，延迟为8 μs，扫频范围 在10 MHz 到500 MHz 之间。初始时间 延迟的设置能清晰看到EMI 对传输信号 的影响。团队生成首次仿真线束传感器 末端的CAN J1939 信号，第二次仿真时 信号直接注入连接器，没有线束。带线 束的仿真显示整体传感器系统性能会受 到入射辐射的很大影响，其频带为152 MHz 到191 MHz。

ANSYS HFSS FE-BI 功能作为数值 方法具有明显优势，能根据汽车EMC 标准进行整车仿真。FE-BI 法比传统FEM 仿真速度快10 倍多，而且所需的计算 减少10 倍。因此，EMI/ EMC 工程师能 在虚拟无回声室中开始仿真整车和子系 统，以满足EMC 和EMI 标准。此外， 采用仿真技术能准确进行假设分析，确 定驾驶员或乘客所携带的电子通信设备 带来的潜在EMI 问题。同时，我们也能 更好地了解每台车中各种电机造成的瞬 态噪声问题。