新能源汽車EMC仿真算法介紹
2020-11-25 搜狐網
01
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)。指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁幹擾的能力。
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境產生的電磁幹擾不能超過一定的限值，即所謂的電磁幹擾（Electromagnetic Interference，簡稱EMI）。
另一方面是指設備對所在環境中存在的電磁幹擾具有一定程度的抗擾度，即所謂的電磁抗幹擾（Electro Magnetic Susceptibility，簡稱EMS）。
與傳統汽車相比，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，高壓附件的使用會使電磁幹擾問題的更為嚴重。動力系統由於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出強烈的輻射以及電磁幹擾。
加上電子電氣部件都佔據著極大的比重，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都是強幹擾源，而且線束又多又長，輻射幹擾很嚴重。隨著CISPR25-2016的發布，高壓系統的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之一。
▲一個典型的DCDC拓撲結構
為了減小電磁幹擾，我們就必須要加強電磁兼容性測試。
02
EMC的分析原理
傳統EMC設計中一般遵循：產品設計--樣品生產--EMC 測試--測試不通過--整改--更改設計--樣品生產--測試通過。
定位困難，反覆重複的工作。
EMC仿真是基於軟體分析的一種正向電磁兼容設計方法，包括3D仿真，PCB仿真和系統及電路仿真。
電磁場的分析方法有解析法和數值法。EMC仿真軟體都是基於數值法。
常用的數值法
電磁幹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
現在比較主流的EMC仿真軟體有ANSYS系列和CST系列
EMC仿真可以得出精確的結果
03
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：
幹擾源，產生幹擾的電路或設備。
優化設備的電氣架構，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），能夠將幹擾產生的幹擾能量傳遞到敏感源的路徑。
屏蔽幹擾源設備和相關線束，增加線束濾波，合理規劃線束。
敏感設備，受幹擾的電路或設備。高壓系統，每一個依靠波形控制的高壓電器，如果受到電磁幹擾，可能輸出錯誤的控制信號。低壓系統，比如整車控制器VCU、CAN通訊系統、電池管理系統BMS（尤其開關觸發電路和傳感器），能量管理單元，制動控制器等等，幾乎每一個具備控制調節功能的電氣都是敏感源。
減小設備接收幹擾的面積，增大設備到幹擾源的距離。選取合適的地，就近接地。對於敏感頻段加強濾波設計。
幹擾源、傳播途徑和敏感源， 三要素中任何一個條件被控制，系統的抗電磁幹擾性能都將得到改善。
抑制幹擾方法有三類：屏蔽，濾波和搭鐵
屏蔽，主要解決輻射幹擾，防止幹擾源向周圍環境傳播幹擾或者被環境中的電磁信號幹擾。屏蔽的效果與屏蔽層材料，屏蔽層厚度，環境中的信號類型、信號強度，屏蔽層的完整性等因素有關。
濾波，主要解決傳導幹擾，通過電路傳導的幹擾，無法依靠屏蔽手段避免，只有在電路中設置濾波裝置。濾波器的參數設置與被保護迴路及幹擾源的頻率有直接關係，可以根據兩者之間的差距選擇濾波器類型和參數。動力系統中的導線，具有很強的天線特性，既可以接收外來幹擾信號，也可以發射幹擾信號到環境中。
搭鐵，是針對共模幹擾採取的抑制措施，聯通幹擾源與系統地，可以減小幹擾信號的電流或者電壓。但並不是直接使用導線連接就能完全起到抗幹擾的作用，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中的幹擾信號傳輸給原本屏蔽措施非常完善的系統。
屏蔽，同時實現阻斷傳播通道和消滅幹擾源或者敏感源的目的；濾波，基於阻斷傳播通道的理論；搭鐵，基於消滅幹擾源理論。
04
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：
整車對外幹擾，整車輻射幹擾；整車抗幹擾，整車輻射抗幹擾。
零部件EMC測試：
零部件對外幹擾，零部件抗幹擾，
▲輔助變頻器EMC測試
晶片EMC測試標準
晶片中傳導發射和傳導幹擾注入（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布了《電動汽車用驅動電機系統電磁兼容性要求和試驗方法》，標準號為GB/T 36282-2018，該標準將於2019年1月1號開始實施。
這個新標準，包含了輻射發射（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，脈衝抗擾度，以及靜電等多個標準提出的內容，提取出來，針對驅動系統，合併到一個標準上了，所以說這是一個產品標準。
新標準的發布，很大程度上會加速完善和提高國內現有的電動汽車驅動部件的EMC測試水平，給該領域EMC從業者一個更加明確的努力方向。這是新能源從業者的一個挑戰，同時也是機遇。
文章來自：汽車學堂、清研車聯
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