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。

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