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汽車電磁兼容中的建模挑戰(zhàn)(一)

日期:2024-10-18 19:56
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摘要: 隨著汽車向智能化和互聯(lián)化發(fā)展,汽車電磁兼容性(EMC)變得越來(lái)越重要。相較于傳統(tǒng)的在*后階段解決電磁兼容問(wèn)題,將 EMC 設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)控制納入早期設(shè)計(jì)階段至關(guān)重要,可以有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的仿真技術(shù)也變得愈發(fā)關(guān)鍵。通過(guò)仿真還可以研究許多電磁兼容問(wèn)題,如模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的電磁干擾(EMI)測(cè)試的不一致問(wèn)題。但由于計(jì)算資源、計(jì)算機(jī)算法的限制以及關(guān)鍵信息的缺乏,汽車電磁兼容的仿真往往具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)安裝在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)上的射頻天線的射頻干擾為例,說(shuō)明了混合動(dòng)力車輛級(jí)仿真面臨的挑戰(zhàn)...

       隨著汽車向智能化和互聯(lián)化發(fā)展,汽車電磁兼容性(EMC)變得越來(lái)越重要。相較于傳統(tǒng)的在*后階段解決電磁兼容問(wèn)題,將 EMC 設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)控制納入早期設(shè)計(jì)階段至關(guān)重要,可以有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的仿真技術(shù)也變得愈發(fā)關(guān)鍵。通過(guò)仿真還可以研究許多電磁兼容問(wèn)題,如模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的電磁干擾(EMI)測(cè)試的不一致問(wèn)題。但由于計(jì)算資源、計(jì)算機(jī)算法的限制以及關(guān)鍵信息的缺乏,汽車電磁兼容的仿真往往具有很大的挑戰(zhàn)性。本文以電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)安裝在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)上的射頻天線的射頻干擾為例,說(shuō)明了混合動(dòng)力車輛級(jí)仿真面臨的挑戰(zhàn),提出了一種分而治之的解決方案,并驗(yàn)證了其有效性。



1 概述

同過(guò)去相比,現(xiàn)代車輛包含了更多的大功率且敏感的電氣部件,如牽引電機(jī) / 電池、雷達(dá) / 攝像頭傳感器和高速通信系統(tǒng),并且正變得越來(lái)越復(fù)雜。新興智能互聯(lián)汽車(ICV)技術(shù)以****的速度加速了這一趨勢(shì)。車載電子設(shè)備將成為車輛**和保障的關(guān)鍵。Tr?scher 介紹了電子產(chǎn)品在汽車總成本中平均份額的一些數(shù)據(jù)和估計(jì)。如圖 1 所示,平均份額從 1950 年的 1% 呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)至 2020 年的約 35%。隨著車輛不斷朝著電氣化、自動(dòng)駕駛和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)發(fā)展,2030 年車載電子產(chǎn)品的平均份額可能達(dá)到 50%。

圖 1? 電子產(chǎn)品在汽車總成本中所占份額的增長(zhǎng)趨勢(shì)

大功率車載部件通常會(huì)發(fā)出過(guò)量的射頻(RF)噪聲,而車載敏感部件往往容易受到外部噪音的影響。由于它們集成在同一平臺(tái)上,可能會(huì)出現(xiàn)各種干擾和易感性 /** / 安保問(wèn)題(車輛內(nèi)部、車輛之間,車輛與其他事物之間),系統(tǒng)運(yùn)行可能會(huì)發(fā)生意想不到的變化。因此,汽車電磁兼容性(EMC)的測(cè)試范圍應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范要求的測(cè)試,可能包括射頻干擾、無(wú)線共存、空中下載(OTA)、駕駛**、信息**等新內(nèi)容。

在汽車設(shè)計(jì)中,有效且高效地解決這些廣義電磁兼容問(wèn)題變得日益重要。與其他電磁兼容問(wèn)題類似,對(duì)公司來(lái)說(shuō)后期修改都是噩夢(mèng),因?yàn)楸仨毠紗?wèn)題和提供大規(guī)模的更換。這不僅會(huì)損害公司的公眾形象,還會(huì)消耗其預(yù)算。因此強(qiáng)烈建議在早期階段,特別是概念和開發(fā)階段考慮電磁兼容性。Gaviao 等人用簡(jiǎn)單的圖表(圖 2)直觀地表示了在早期的概念階段考慮電磁兼容問(wèn)題,可以*大限度地降低公司的潛在成本。圖 2 中可以清楚地看到,如果在后期階段考慮 / 處理電磁兼容性,修改成本呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。與此同時(shí),潛在成本的降低效應(yīng)也由于后期電磁兼容整改顯著下降。

圖 2? 在不同的產(chǎn)品開發(fā)階段,由于 EMC 修改而可能降低的成本和修改成本是不同的

在早期階段,特別是當(dāng)硬件還沒(méi)有準(zhǔn)備好進(jìn)行測(cè)量時(shí),仿真可以非常有效地識(shí)別潛在的電磁兼容問(wèn)題。此外,仿真還特別適合研究假設(shè)場(chǎng)景,以發(fā)現(xiàn)可能的困境或探索設(shè)計(jì)優(yōu)化。因此,所謂的虛擬電磁兼容測(cè)試,就是使用電磁兼容仿真來(lái)預(yù)測(cè)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果,這對(duì)于其他類型的電磁兼容仿真也非常有意義。

在研究汽車電磁兼容性時(shí),通常進(jìn)行部件級(jí) ( 和 /或模塊級(jí) ) 電磁干擾測(cè)試,以幫助車輛制造商控制供應(yīng)部件的質(zhì)量。然而,在現(xiàn)實(shí)中,經(jīng)常出現(xiàn)零部件級(jí)測(cè)試結(jié)果與車輛級(jí)測(cè)試結(jié)果不完全相關(guān)的情況。換句話說(shuō),就電磁兼容性能而言,部件級(jí)測(cè)試中性能更好的部件在車輛級(jí)測(cè)試中不一定能更好地工作。這就影響了部件級(jí)測(cè)試的必要性和重要性。我們認(rèn)為,電磁兼容仿真可以幫助理解這種不相關(guān),并能提供一個(gè)有效的工具來(lái)根據(jù)部件級(jí)測(cè)試的結(jié)果對(duì)車輛級(jí)電磁兼容性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。這也是為什么電磁兼容仿真對(duì)汽車電磁兼容變得更加重要的另一個(gè)原因。

近十幾年來(lái),虛擬電磁干擾測(cè)試技術(shù)取得了重大進(jìn)展。Klingler 等人探索了頻域和時(shí)域常規(guī)仿真方法來(lái)預(yù)測(cè)車輛級(jí)抗擾度。研究表明,矩量法(MoM)和時(shí)域有限差分法(FDTD)都能得到滿意的仿真結(jié)果,但仿真時(shí)間較長(zhǎng)(2~6 周,帶有 96 核無(wú)圖形處理單元加速)。雖然可以通過(guò)改善計(jì)算資源來(lái)減少仿真時(shí)間,但是探索替代解決方案來(lái)進(jìn)一步加快仿真速度是非常必要的。文獻(xiàn) [4] 中,作者建立了混合動(dòng)力汽車(HEV)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,采用數(shù)值仿真的方法對(duì)絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)器件進(jìn)行了仿真,其余部分采用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,這種方法成功地解決了仿真時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,但它需要樣機(jī)來(lái)測(cè)量并且可能需要大量的測(cè)量數(shù)據(jù)。文獻(xiàn) [5] 中,作者沒(méi)有依靠測(cè)量,而是探索改進(jìn)傳統(tǒng)算法來(lái)加快仿真速度的可能性。研究表明,在車輛抗擾度分析中,混合有限元邊界積分法(FEBI)比傳統(tǒng)的有限元法(FEM)速度更快、計(jì)算量更小 ;但該方法在低頻分析方面存在內(nèi)在缺陷,而且目前還沒(méi)有成熟的商業(yè)工具可以支持它。

前面所述的問(wèn)題實(shí)際上在當(dāng)前的車輛電磁兼容建模中仍普遍存在。汽車電磁兼容通常需要大型復(fù)雜的系統(tǒng)仿真,因此會(huì)出現(xiàn)計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存大小的問(wèn)題。此外,不可避免的多尺度模型,包括車輛、模塊、組件和 / 或集成電路(IC)級(jí)特性,通常使得傳統(tǒng)仿真效率低下,有時(shí)甚至無(wú)法使用 ;其次,存在潛在的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。數(shù)字模型、幾何 / 材料細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可能被視為機(jī)密信息,并且通常不會(huì)在供應(yīng)商和汽車原始設(shè)備制造商(OEMs)之間共享,這導(dǎo)致難以采用基于測(cè)量和 /或已知信息的富有創(chuàng)造性和高效的建模方法 ;*后要強(qiáng)調(diào)的是,建模和數(shù)值算法有不同的假設(shè)和要求,算法的選擇和設(shè)置不當(dāng)容易影響建模的準(zhǔn)確性和效率。

為了解決汽車電磁兼容建模中的一些難題,我們以混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中射頻干擾問(wèn)題的建模為例,提出了一種分而治之的方法。簡(jiǎn)而言之,就是將一個(gè)復(fù)雜的大型問(wèn)題智能地劃分為多個(gè)領(lǐng)域,并對(duì)每個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用*合適的方法。

2  問(wèn)題描述

在電動(dòng)汽車(EV)或混合電動(dòng)汽車中,大功率電動(dòng)馬達(dá)的引入增加了潛在電磁兼容問(wèn)題(包括同一車輛平臺(tái)中各部件 / 模塊之間的噪聲干擾)出現(xiàn)的可能性,圖 3 展示了混合動(dòng)力汽車的剖面圖。如圖 3 中所示,混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)汽車(ICE)非常相似,它只是有一些額外的電氣部件,如高壓電池、電動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力控制單元(HPCU,一個(gè)包含逆變器、啟動(dòng)器和發(fā)電機(jī)的模塊)。然而,由于大功率電動(dòng)機(jī)和脈沖寬度調(diào)制逆變器的應(yīng)用,可能會(huì)出現(xiàn)更多的電磁兼容問(wèn)題。

圖 3? 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例

在類似于圖 3 所示的混合動(dòng)力汽車的案例中,射頻干擾(RFI)發(fā)生在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和射頻天線之間。下文將研究并解釋噪聲機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),主要的噪聲源是脈沖寬度調(diào)制逆變器。圖 4 顯示了驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)的三相脈沖寬度調(diào)制逆變器的典型輸出電壓波形(時(shí)域波形及頻譜)??梢钥闯觯}沖寬度調(diào)制波形中含有大量的諧波。雖然基頻大約為 100 Hz,但在幾兆赫茲內(nèi)的范圍存在多次諧波,其幅值不容忽視,脈沖寬度調(diào)制逆變器輸出波形中的這些高頻成分成為該混合動(dòng)力電動(dòng)汽車系統(tǒng)中射頻干擾問(wèn)題的源頭。

圖 4? 脈沖寬度調(diào)制逆變器的輸出電壓波形及其頻譜

圖 5 中進(jìn)一步描述了噪聲耦合路徑。為了電氣的**性和可靠性,采用高壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與車輛金屬本體物理分離,但它通過(guò)寄生電容進(jìn)行電連接,為共模電流提供返回路徑。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上,發(fā)動(dòng)機(jī)缸體也與車輛主體物理分離,以減少電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體通過(guò)寄生電容與所述車體進(jìn)行電連接。流經(jīng)車體的共模噪聲(如圖 5 中帶箭頭的虛線)可以通過(guò)傳導(dǎo)和 / 或輻射耦合機(jī)制干擾安裝在車輛內(nèi)部的音頻和射頻接收器。

圖 5? 共模電流返回路徑和噪聲耦合路徑的簡(jiǎn)化框圖

為了建立這個(gè)車輛級(jí)別的射頻干擾問(wèn)題模型,首先研究了 Brute-force 算法。作為要建模的主要結(jié)構(gòu)(如圖 6 所示),車體用劃分的計(jì)算網(wǎng)格來(lái)表示,電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電纜束用綠色表示,后窗天線用橙色表示。電動(dòng)機(jī)用包含寄生效應(yīng)的等效電路建模。由于半導(dǎo)體開關(guān)器件在逆變器中的非線性,時(shí)域仿真是電磁干擾分析的優(yōu)選方法。然而,在場(chǎng)仿真工具提供的電路仿真器中很難對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制逆變器進(jìn)行建模。因此,分段線性電壓作為一種近似值被用作逆變器建模。以天線端口的電壓作為仿真結(jié)果對(duì)從電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到天線的車輛級(jí)射頻干擾水平進(jìn)行評(píng)估。然后,使用 EMCoS EMCStudio 對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行仿真。雖然建立這個(gè)模型很簡(jiǎn)單,但是即使有大量的計(jì)算資源,這種蠻力求解算法也是極其緩慢。為了獲得合理的結(jié)果,可能需要許多天的仿真,這對(duì)于工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化來(lái)說(shuō)顯然是不切實(shí)際的。此外,使用分段線性電壓作為逆變器的近似值也會(huì)影響仿真的準(zhǔn)確性。

圖 6? 用 Brute-force 算法對(duì)車輛射頻干擾問(wèn)題進(jìn)行建模


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