韩 彬，蔡伯松，刘忠臣，陈立霆，马文聪，王关海
（一汽解放汽车有限公司，吉林 长春 130011）
汽车电子技术是汽车领域先进技术发展的重点。对于汽车行业来说，已然成为评价汽车领域技术水平的标杆。和其他电子工业技术相仿，汽车电子技术也面临着电磁兼容性（EMC）这个所有电子类产品避不开的问题。电磁兼容是指各种用电设备之间的电磁干扰和抗电磁干扰。汽车在实际使用过程是不断移动并暴露在各种不同来源和强度的电磁辐射中，随着汽车上电子设备种类和数量越来越多，电磁兼容问题也在不断增加，已经对驾驶员和行车安全形成了隐患，因此汽车电磁兼容性技术应运而生。汽车电磁兼容技术是研究并解决汽车内部电磁兼容和外部环境对汽车电磁兼容的一项综合性技术，也是在汽车领域伴随着电子技术创新和市场需求变化而产生的新技术。
据调查，国际上汽车产业发达的国家已经形成了一套相对完善的电磁兼容体系。这个完善的电磁兼容体系包含4个组成部分：一是全面可实施的标准规范，二是被公众认可的电磁兼容性检测认证组织，三是高精尖的电磁兼容试验系统和实验室，四是可以普及到业内的具有电磁兼容设计开发仿真测试的软件工具。
1.1 相对完善的汽车电磁兼容标准
已知的著名汽车制造商和汽车电子产品供应商都已认同电磁兼容标准规范并融入到自身企业标准规范中，众多国际组织和协会也在其相关文件中体现了汽车电磁兼容的内容，其中比较权威的有英国标准协会（简称BSI）、国际电工委员会（简称IEC）、国际标准化组织（简称ISO）等。
1.2 众多大型电磁兼容实验室
德国大众汽车在20世纪中期完成了针对汽车防无线电干扰的实验基地，经过20年的发展，在20世纪80年代建成大型汽车电磁兼容检测中心。欧洲诸国的电磁兼容实验室数量也已经达到3个数量级。法国著名标致雪铁龙集团建立了可用于整车零部件电磁兼容测试的电磁兼容实验室。除此之外，著名汽车制造商德国豪华汽车宝马、德国大众集团、意大利菲亚特汽车公司等也拥有了自己的大型电磁兼容实验室。
1）MBtech实验室：拥有12个小型车和一个大型车电波暗室，可以进行零部件级和整车级的电磁兼容设计开发的验证测试，并且涵盖所有通用标准的测试。如图1所示。
图1 MBtech实验室
2）MIRA实验室：第一个暗室于20多年前建立，是当时世界上最先进的暗室。现如今拥有总共9个零部件和整车电波暗室及相关实验系统，可进行零部件级和整车级的电磁兼容实验。还具备电气零部件及整车产品开发电磁兼容的测试能力及大量整改经验，并可以利用数值仿真分析技术帮助设计进行整改。如图2所示。
图2 MIRA实验室
1.3 汽车电磁兼容仿真技术的开展
随着汽车电子技术的进步，原本局限于传统汽车的电磁兼容试验也有了更高的要求，更多更全面、功能更复杂的电子电气系统也越发突显车辆电磁兼容的必要性和重要性。针对电磁兼容领域研究开发的数字化技术应运而生，将电磁兼容数模设计和仿真测试作为电磁兼容试验前的一环，可以极大地缩短设计周期，提高解决电磁兼容问题的效率，同时可以降低实验成本。
20世纪80年代，中国针对电磁干扰特性做了相关测试试验，为后来的进一步发展提供了基础。20世纪90年代中国汽车技术研究中心做了一次全国范围汽车的检查，主要是针对电磁兼容EMI的传导和辐射干扰。普查结果显示不合格车辆高达76%，其中很多已经属于严重超标范畴。从20世纪末我国开始大力推动汽车电磁兼容技术的研究工作，一些国家重点的汽车检测中心也逐渐具备汽车电磁兼容的实验能力，这标志着国内汽车电磁兼容技术有了实质性的提高。21世纪初，中国汽车技术研究中心大型电磁兼容实验室正式竣工，这个实验室包括电波暗室和屏蔽室，具备整车级电磁兼容试验能力，这意味着我国在汽车电磁兼容技术领域有了突飞猛进的进步。
目前中国第一汽车股份有限公司也具有电磁兼容的试验测试能力。检测中心具有1个零部件及3m法整车（乘用车）暗室，后续陆续建成一个10m法整车暗室及1个零部件屏蔽室。可进行CISPR12、CISPR25、ISO 11451、ISO 11452、TL82033、TL82166、TL82366、TL82466、ECER10、EEC等标准的测试，具有ESD、BCI、GJB 151B等民标及军标测试设备，并具备一定的数值仿真分析能力。如图3所示。
图3 一汽检测中心
电磁兼容技术是特种装备越野车电子电气系统实现其功能及可靠性的关键技术。中国第一汽车股份有限公司技术中心自主研发的越野车从设计伊始就建立健全的电磁兼容工作组织，加强电磁兼容性研究的管控，不断监督、改进电磁兼容性工作，保证电磁兼容性工作的成果。
在车辆系统的方案论证阶段，充分研究和学习现有电磁兼容标准，详细地考察分析整车系统内部复杂的电磁分布情况和外部繁杂的电磁环境，结合越野车车载电子电气设备的种类、数量、功能和电磁特性等实际情况，通过数模设计和仿真分析技术，对总成零部件电磁兼容性进行风险评估，对整车的电磁兼容指标进行评估分析。电磁兼容性评估分析工作涵盖从方案设计、工程研制、试验验证到成果验收整个研发流程。
电磁兼容性分析应考虑邻近的和有信号接口的每一组合、零部件、总成、分系统和整车乃至整个项目的电气与机械结构、电参数、信号频谱、电磁环境条件等对电磁兼容性的影响。确保在方案设计阶段和工程研制阶段消除电磁干扰隐患，最大限度减少电磁干扰问题，以降低研制费用和缩短研制周期。电磁兼容性试验的目标是寻找和发现已经暴露和仍在潜藏的电磁干扰问题，根据试验现象做出相应的整改措施，来确保最终整车系统可以满足电磁兼容性的设计要求。
在设计阶段就以越野车全部寿命周期内的电磁环境条件和GJB151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中规定的电磁兼容性指标为设计方针，针对零部件→总成→分系统→整车，通过逐层递进、层层把控的方式确保可以控制住电磁干扰（包括系统内部的电磁干扰极限和系统外部典型电磁环境条件）。从各电气总成的结构设计、电路设计及制造工艺等方面出发，直到整车电气系统布局、电源系统设计、系统接地设计等都充分考虑了其电磁兼容性的影响，采取屏蔽、滤波、去耦等有效处理手段，进一步完善产品的电磁兼容性。
3.1 流程体系的建立
建立系统的汽车领域电磁兼容性工作方法，加强管控电磁兼容设计流程规范，将新的电磁兼容设计理念融入到整个产品研发的过程中，满足电磁兼容标准要求。建立包括需求分析、设计开发、产品开发、试验验收和技术积累共5个模块的系统化电磁兼容管理、评估和控制流程。如图4所示。
图4 电磁兼容实施流程图
车辆网络化程度较高，系统内各个部件设计的匹配性、隔离措施，频率使用的合理性，接口设计、互连电缆（包括电源）之间的电磁干扰以及与其它系统的连接控制关系等都需要综合考虑，例如在采用总线传输数据时，传感器供应商和ECU设计师已经不是传统的采购选择关系，而是要从电磁兼容的设计要求出发，综合考虑信号传输特征、线束选择、接口设计、接地等方面来制定接口设计准则。如图5所示。
图5 具体实施流程图
3.2 电磁兼容仿真技术的应用
固然电磁兼容仿真技术在无线射频技术和消费类电子产品等领域已经具备一定的能力基础，但是汽车领域的电磁兼容问题涵盖范围更大，从电路、印制线路板、零部件、总成、分系统到整车系统都包含在内。整车电子系统电磁兼容性进行仿真分析需要基于汽车电子自身的特性，采用多级联合仿真，确保整车能满足电磁兼容设计要求。如图6所示。
图6 用于整车电磁兼容的多级联合仿真方法流程
电磁兼容仿真模型的建立
一个可用于仿真分析的汽车电磁兼容仿真模型往往脱胎于正常研发过程中的复杂的车体三维数据，这些数据模型中必然包含设计使用的很多局部数据，而这些细节在电磁兼容仿真中是不重要的，过多的局部细节会对仿真造成阻碍。汽车电磁兼容数值仿真模型的核心部分是实体几何模型及其相关的参数，几何模型主要是电子产品和电子元器件、电子控制单元、车身车体、典型的电台等容易受电磁干扰和容易产生电磁干扰的零部件。整车电磁兼容仿真建模是电磁兼容分析的基础和关键，建立仿真模型时需要着重考虑其合理性，这关系到后续仿真结果是否准确可靠。经过30多年的发展，电磁系统的模拟仿真技术在处理大型数据层面已经获得了相当大的提升，现在已经可以很容易地针对整车电磁兼容问题进行建模仿真，模拟出各种环境下已知的电磁干扰及潜在影响。这种进步主要归功于计算电磁学、仿真分析能力以及计算机软硬件基础3个领域的并行发展。
正常产品研发中使用的车体几何模型主要是为了分析其机械性能，而对于电磁兼容仿真来说，庞大的局部细节数据会严重影响到仿真计算，我们往往会对原有的车体几何数据进行优化，不进行优化的模型无法用于电磁兼容仿真分析，所以在数据模型转化成电磁仿真模型时需要先进行预处理。预处理就是针对局部细节进行删减或合并，例如把叠加在一起很多个平面合成一个整体，因为电磁兼容仿真不需要分析这些平面之间的数据，完全可以将这些平面当成一个整体来分析；
例如一些不重要的细小的安装孔和缝隙，这些对电磁兼容影响极小，忽略不计，所以可以去除。
电磁兼容仿真分析中激励源的数值模拟
在汽车电磁兼容仿真分析的流程中，对电磁兼容电磁场问题进行模拟是必不可少的一环，也是进行仿真分析计算的前提。模拟的核心是激励源，而引入数值计算中的激励源是否合适，将决定整个模拟计算的准确度，从而影响最终的仿真结果。一个合适的激励源能够极大提高计算效率，节省电子计算机的内存，提高运行速度。
将对实际测量中得到的频谱进行模拟后得到的频谱作为汽车自身的干扰源是常用的既方便又准确有效的方法。在对电磁感应辐射干扰和传导干扰的测量中，按照汽车电磁兼容测试标准中所规定的要求，干扰信号的频谱特征是采用带通扫频的方式在接收机端采集到的。但是这个实测得到的频谱不能直接用于模拟激励源，因为实际频谱的干扰峰值随着频率的变化会显得过于杂乱导致无法使用，所以需要对频谱进行处理，提取出频谱的干扰值的主要变化趋势，以便模拟更合适的激励源。干扰源峰值会随频率变化，其变化的特征可以通过小波包处理后再提取特征的方式得到。
基于小波变换按照式（1）将所得信号进行分解：
式中：j——尺度系数；
k——时间平移系数；
φ（t）——尺度函数；
ψ（t）——小波函数。φ（t）和ψ（t）满足以下公式：
其递归定义为：
式中：g（n）——尺度函数；
h（n）——小波函数滤波器；
n——信号的采样点数。由于小波系统是标准正交的，g（n）和h（n）有如下关系：
式（4）中变换系数递归定义为：
式（5）是对信号进行塔式多分辨率分析与重构的一种便捷算法，这种算法也叫塔式算法，可以基于空间层面对小波的多分辨率特征进行阐述，然后利用小波包分解着重对信号的低频段和高频段进行进一步分析。
通过小波包分解分析信号是一种很具象的方法，可以将时频平面划分得更为细致，并根据被分析信号的频率特征，自适应地选取最佳基函数，使之与信号相匹配。根据小波包分解理论可知小波包的分解层数为J，其分解数有2J个，可以用传统的基于熵的标准来确定使用的分解数，这对后续计算影响很大，最小熵标准也能进行给定信号的信息相关的性能描述。根据最小熵标准可以得出4层分解小波包的最佳分解和系数，见图7。
图7 最佳分解树及相关小波包系数
图8为激励源频谱的小波包分解系数。根据图中的曲线变化可以算出小波包的分解系数随着频率升高逐渐变小，当频率是高频时，分解系数是离散的。可以定义其第j级分解中的第k个子频带的能量的平均值，可以得出式（6）：
图8 激励源频谱小波包分解系数（从高频到低频）
因此经过小波包分解之后的各频带的能量能按照公式（6）计算，然后提取各个频带内一定值以上的能量的分解系数，对信号进行再生。一般情况下，可以将这个一定值定义为总能量的5%，这样就能实现只损失少量能量就可以将原有频谱转换为具有相同干扰峰值趋势的频谱，转换后的频谱就可以用于模拟仿真。
根据图9可得第1条曲线是原有干扰源的频谱，第2条曲线是分解后的特征频谱，第3条曲线是前2条曲线的绝对误差，分析可知绝对误差值均小于7dBμV，因此可以认为经过小波包分解特征提取后的频谱与实际测量中的特征频谱相似度很高，说明方法可行性很高。因为能量较小的高频系数在处理时会丢失，所以在变换前，需要先对频谱的峰值采取+∞方向数值取整的计算，这样一是可以将高频系数的丢失对原频谱峰值的影响最小化，二是可以排除掉实际测量中各种复杂情况引起的繁杂干扰，从而得到准确的干扰源特性频谱。在实际操作中，激励源的调制数组一般筛选出-10dBμV以上峰值的频点，从而得到最终频谱，经过观察发现最终频谱的峰值大于原有频谱的峰值，这也正好符合电磁兼容设计中总的不确定度的允许值。
图9 特征提取前后收放机传导干扰测试数据及误差曲线
数值仿真结果和实际测试对比及误差分析
电磁兼容标准中规定了实际测试的测试要求，包括布置方法和测试方法。其中模拟测试的工况要求是汽车发动机处于不工作状态，电子控制单元和控制器处于工作状态，收音机电台天线处于接收信号状态，雨刮电机洗涤器电机等处于不工作状态。同时数值仿真软件中也需要根据实车状态建立三维数据模型并进行相同的布置。实际测试中需要确定车内零部件总成的干扰源位置，可以通过分别控制车内所有电子电气零部件在中央配电盒熔断器通断的方法，来控制各零部件的工作状态，使其分别单独工作。经过实际测试后发现车载收放机在高频段发射超标，这也与实际调查过程中装配收放机的车辆容易发生事故相符。图10为整车实际窄带辐射发射测试数据和整车经过仿真计算后测量值的对比。
根据图10中2组数据的对比可以看出：数值仿真结果在高频段可以模拟出实际窄带辐射发射数据中的超标位置，可以认为能够表达出干扰峰值-频率的整体走势，在低频段的信号失真较大；
在高频段的仿真计算误差为10dBuV/m，在低频段的仿真计算误差则大于20dBuV/m。
图10 实际窄带辐射发射测试数据与数值仿真结果
在电磁兼容问题的实际测试中往往有很多重要但难以测量的性能参数，通过软件模拟仿真可以得到这些参数。图11分别是低频段和高频段金属车体表面产生的感应电流，可以根据图11显示的分布状况针对性地设计改善电气系统的接地回路。汽车电磁兼容中的辐射发射内容主要包含两个部分：一是近场环境下的磁场电场相辅相生的互感耦合，二是在远场环境下以波动形式移动的发射规律。图12和图13分别是车载收放机天线辐射发射引起的电场近场传播和远场辐射的发射图。近场和远场分布可以用来分析不同位置的电子电气设备相互之间的电磁干扰。
图11 低频和高频金属车体感应电流
图12 车载收放机天线辐射发射引起的电场近场传播
图13 远场辐射发射
根据实际经验可以总结出，干扰源与敏感体的位置至关重要，因此可以根据位置的远近分近场屏蔽和远场屏蔽两种方式进行电磁屏蔽。
近场条件下的电磁屏蔽一般使用具有高磁导率的金属屏蔽体，高磁导率的材料吸收损耗大，针对较难屏蔽的低频磁场很有效。从理论上讲，磁导率越高的材料其对磁场的屏蔽就越好，像铁、非晶态合金、硅钢片、坡莫合金等，但是当外界磁场过强时，高磁导率的材料会因磁饱和现象而失去屏蔽磁场的能力，这时可以采用先低磁导，后高磁导的双层屏蔽。磁导率会随着频率升高而降低，损耗也升高，对于高频磁场，高磁导材料将不再适用，此时可以使用高电导率的金属材料，高电导率材料在接地良好的情况下有效屏蔽高频电场。
远场条件下的电磁屏蔽一般使用具有高电导率的金属屏蔽体，例如铜、铝和相应的合金等。因为交流电具有趋肤效应，趋肤效应可以使内部电流很小，所以也可以在电子电气设备的塑料外壳上涂导电漆，能起到良好的屏蔽作用。
电磁兼容数值仿真的关键技术总结
汽车领域电磁兼容电子计算机仿真技术，是解决汽车电磁兼容问题的有效手段，是推动汽车电子技术发展的关键。汽车领域电磁兼容电子计算机仿真分3个阶段：根据实际状态提供有效设计输入，根据分析结果进行仿真设计，根据实验结果进行设计估计验证。这3个阶段都可以通过电子计算机仿真提出指导性建议，帮助解决电磁兼容问题。
综上，开展汽车领域电磁兼容电子计算机仿真分析的重要性、紧急性和发展前景是有目共睹的。
汽车电磁兼容问题隶属于汽车行业多领域的交集部分，往往需要电子电气、车身、计算机仿真、电磁兼容实验室等多个领域专家通力配合才能完成。要发展到可以系统地进行汽车领域电磁兼容电子计算机仿真开发的程度，几项关键技术亟需解决。
1）获取前期分析参数。前期参数主要指车内电子电气设备的几何三维数据和相关电气参数。一般有以下几种获取方式：①实际测试中获取的；
②经验总结和权威资料里提供的；
③从标准规范等文件中获得；
④理论上可替换的同类产品数据（例如同一厂家生产的数据和参数都十分接近的其他产品）；
⑤进行方案设计时设计的三维数据和参数。这5种获取方式中的实际测试中获取的数据最精确，值得注意的是前期参数的建立会严重影响到仿真分析的结果，所以参数的选取尤为重要。
2）简化车体几何三维模型。上文提过车体三维数据中很多的局部细节数据对于电磁兼容仿真都是不重要的，因此在前期需要先对数据进行简化处理，例如将小型安装孔、细微的缝隙和凸起进行填补或删除，将多层叠加在一起的结构合成整体等。这些工作非常繁杂耗时，但又对后续工作效率有很大提升。事实上，简化车体几何三维模型的工作量往往占据全部工作量8成以上。
3）整车的电线束设计。车内的电线束是引起整车电磁兼容问题的关键成分之一，因此车内电线束种类、具体走向和回路结构是汽车电磁兼容分析的重要部分。线束的三维设计考虑得越全面，电磁兼容数值分析就越准确，甚至可以评估线束设计穿舱方式的屏蔽效果。进行电线束三维设计时应该在车体坐标系下进行，这对简化电磁兼容仿真分析工作帮助很大。
4）采集车载电气电子设备的传导干扰数据。一般来说，整车或零部件总成发生电磁兼容问题往往都是因为电线束中存在传导干扰信号。传统方式是利用电源阻抗稳定网络和电磁传干扰测试接收机，可以收集低频谐波，但是无法收集高频谐波。目前所采用的测试方法是利用辐射测试接收机，将带宽及频率步进设置得足够小，然后进行传导干扰数据的采集。
3.3 试验与验证
针对分系统、系统的DV或PV样品的电磁兼容试验贯穿整个产品开发过程。在电磁兼容试验中，受试设备、分系统和系统所规定的结构必须完整，各项功能调试正常，且属于实际工作中各种可能的主要功能状态。为保证整车级电磁兼容试验，在设计开发阶段就要对设备和分系统下要求，要求通过设备级和分系统级的电磁兼容性试验。为确保电磁兼容性试验的规范性，试验方法应按规定标准执行，试验中应明确设备的工作状态。具体的实验大纲可以由使用方和技术组协商确定。对于一些未满足要求的被测样品，需进行相应的整改措施并再次试验，直至样品满足要求。
随着汽车电子技术的发展和生活水平的提升，用户对于汽车安全性、舒适性的要求越来越高，因此汽车电子电气设备也越来越多，汽车电磁兼容性能成为评价汽车性能必不可少的指标。特种装备越野车因其特殊用途，对电磁兼容性能的要求尤为严苛。随着国内汽车电磁兼容技术规范化，可以预见在未来几年，我国将着重推动汽车零部件电磁兼容性研发，加强整车电磁兼容研究和测试，加快国内电磁兼容技术的发展，提高企业汽车技术水平。
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