深度：新能源汽車EMC仿真算法

來源：網(wǎng)絡
1、電磁兼容測試在新能源汽車中的必要性
電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱emc)。指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。
EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值，即所謂的電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMI）。
另一方面是指設備對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即所謂的電磁抗干擾（Electro Magnetic Susceptibility，簡稱EMS）。
與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車EMC問題更加突出。新能源汽車動力直接使用電驅動系統(tǒng)，高壓附件的使用會使電磁干擾問題的更為嚴重。動力系統(tǒng)由于電流在極短時間內的跳動以及大功率半導體開關的快速移動會發(fā)出強烈的輻射以及電磁干擾。
加上電子電氣部件都占據(jù)著極大的比重，其中的電磁兼容性問題又與整車的安全密切相關。汽車內各種控制器，DCDC.DCAC都是強干擾源，而且線束又多又長，輻射干擾很嚴重。隨著CISPR25-2016的發(fā)布，高壓系統(tǒng)的EMC要求越來越嚴，EMC測試已成為汽車廠商所要面對的最嚴峻的挑戰(zhàn)之一。


▲一個典型的DCDC拓撲結構
為了減小電磁干擾，我們就必須要加強電磁兼容性測試。

2、EMC的分析原理
傳統(tǒng)EMC設計中一般遵循：產(chǎn)品設計--樣品生產(chǎn)--EMC 測試--測試不通過--整改--更改設計--樣品生產(chǎn)--測試通過。
定位困難，反復重復的工作。
EMC仿真是基于軟件分析的一種正向電磁兼容設計方法，包括3D仿真，PCB仿真和系統(tǒng)及電路仿真。
電磁場的分析方法有解析法和數(shù)值法。EMC仿真軟件都是基于數(shù)值法。
常用的數(shù)值法




電磁干擾中所有算法的基礎，Maxwell方程：


▲Maxwell方程積分形式


▲Maxwell方程微分形式

現(xiàn)在比較主流的EMC仿真軟件有ANSYS系列和CST系列


EMC仿真可以得出精確的結果



3、EMC三要素
要想解決電磁兼容問題，需要從三個要點處著手，EMC問題萬變不離其宗的三要素：
干擾源，產(chǎn)生干擾的電路或設備。
優(yōu)化設備的電氣架構，選用合適的電子元器件，降低設備的功率。
傳輸途徑（耦合途徑），能夠將干擾產(chǎn)生的干擾能量傳遞到敏感源的路徑。屏蔽干擾源設備和相關線束，增加線束濾波，合理規(guī)劃線束。
敏感設備，受干擾的電路或設備。高壓系統(tǒng)，每一個依靠波形控制的高壓電器，如果受到電磁干擾，可能輸出錯誤的控制信號。低壓系統(tǒng)，比如整車控制器VCU、CAN通訊系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)BMS（尤其開關觸發(fā)電路和傳感器），能量管理單元，制動控制器等等，幾乎每一個具備控制調節(jié)功能的電氣都是敏感源。
減小設備接收干擾的面積，增大設備到干擾源的距離。選取合適的地，就近接地。對于敏感頻段加強濾波設計。


干擾源、傳播途徑和敏感源， 三要素中任何一個條件被控制，系統(tǒng)的抗電磁干擾性能都將得到改善。



抑制干擾方法有三類：屏蔽，濾波和搭鐵
屏蔽，主要解決輻射干擾，防止干擾源向周圍環(huán)境傳播干擾或者被環(huán)境中的電磁信號干擾。屏蔽的效果與屏蔽層材料，屏蔽層厚度，環(huán)境中的信號類型、信號強度，屏蔽層的完整性等因素有關。
濾波，主要解決傳導干擾，通過電路傳導的干擾，無法依靠屏蔽手段避免，只有在電路中設置濾波裝置。濾波器的參數(shù)設置與被保護回路及干擾源的頻率有直接關系，可以根據(jù)兩者之間的差距選擇濾波器類型和參數(shù)。動力系統(tǒng)中的導線，具有很強的天線特性，既可以接收外來干擾信號，也可以發(fā)射干擾信號到環(huán)境中。
搭鐵，是針對共模干擾采取的抑制措施，聯(lián)通干擾源與系統(tǒng)地，可以減小干擾信號的電流或者電壓。但并不是直接使用導線連接就能完全起到抗干擾的作用，接地的效果與接地模式密切相關。不合適的接地，反而會將汽車搭鐵系統(tǒng)中的干擾信號傳輸給原本屏蔽措施非常完善的系統(tǒng)。
屏蔽，同時實現(xiàn)阻斷傳播通道和消滅干擾源或者敏感源的目的；濾波，基于阻斷傳播通道的理論；搭鐵，基于消滅干擾源理論。
4、EMC測試及新標準
針對電動汽車的電磁兼容，國際上制定出嚴格的行業(yè)標準。汽車EMC的標準，包括整車、零部件、IC的EMC標準。
整車EMC測試及標準包括：
整車對外干擾，整車輻射干擾；整車抗干擾，整車輻射抗干擾。



零部件EMC測試：零部件對外干擾，零部件抗干擾，


▲輔助變頻器EMC測試
芯片EMC測試標準
芯片中傳導發(fā)射和傳導干擾注入（DPI）是IC比較常見的測試。
每個整車廠都有自己的標準，測試項大同小異，測試限值稍有不同
國內電動汽車發(fā)展迅猛，但就電動汽車各個部件的EMC而言，相關標準的完善程度，還遠遠跟不上技術進步的需求。目前國內基本上所有與新能源汽車相關的動力部件都是按照GB/T 18655-2010來進行傳導和輻射的測試。
今年6月份，國家標準化管理委員會發(fā)布了《電動汽車用驅動電機系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗方法》，標準號為GB/T 36282-2018，該標準將于2019年1月1號開始實施。
這個新標準，包含了輻射發(fā)射（分為寬帶、窄帶試驗，參考GB/T 18655），輻射抗擾度（分為BCI大電流注入和ALSE電波暗室法，分別參考ISO 11452-4和ISO 11452-2），電源線瞬態(tài)傳導抗擾度（參考ISO 7637-2）以及靜電放電抗擾度（參考ISO 10605）。
這個標準，與以往的汽車電子的標準，都不太一樣，這個標準將輻射，大電流注入，輻射抗擾度，脈沖抗擾度，以及靜電等多個標準提出的內容，提取出來，針對驅動系統(tǒng)，合并到一個標準上了，所以說這是一個產(chǎn)品標準。
新標準的發(fā)布，很大程度上會加速完善和提高國內現(xiàn)有的電動汽車驅動部件的EMC測試水平，給該領域EMC從業(yè)者一個更加明確的努力方向。這是新能源從業(yè)者的一個挑戰(zhàn)，同時也是機遇。
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