文章來源：1.一汽奔騰轎車有限公司，2.中國汽車技術研究中心有限公司

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1 前言

目前，對汽車 EMC 的仿真主要從電磁輻射、傳導騷擾、線束串擾、抗擾以及天線輻射性能幾個方面展開。 在整車級的電磁耦合預測方面，國內外已形成系列方法。

Chen 通過獲得散射參數（Scattering Parameters，S 參 數），在臺架試驗中預測整車 EMC 性能。Zeng 等利用 傳遞函數法預測整車電磁耦合問題。Hiroki 等采用傳遞函數的方式進行電動汽車的 EMC 設計。 高鋒等 基于多端口理論方法，通過臺架試驗模擬整車輻射發 射問題。葉城愷等基于多端口理論法預測汽車電機 系統對外的輻射發射，并進行了實測驗證。

以上方 法取得了較好的預測效果 ，本 文在上述方法的基礎 上，更加全面地進行高壓系統電磁輻射發射仿真并與 GB/T 18387—2017《電 動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法》 實測結果進行對比分析。利用 FEKO軟件進行高壓系統輻射發射仿真建模，計算高壓系統各部件端口間的S參數，獲得高壓系統端口耦合特性；根據GB/T 18387—2017中的試驗布置以及測量方法，分別從車輛預掃描結果和終掃描結果等多方面驗證該方 法在整車電磁輻射發射仿真預測應用中的可靠性。

2    高壓系統 S 參數仿真模型建立

在 FEKO 軟件中導入整車網格模型并建立高壓系 統輻射發射線束模型，計算車內高壓線束與車外測試天 線端口之間耦合的 S 參數。在整車前艙內建立高壓系 統線束模型如圖 1 所示，搭建高壓線束 S 參數仿真端 口。為保證 S 參數仿真的準確性，前艙網格模型需盡可 能符合實際結構。

對應 GB/T 18387—2017 中的試驗流程，分別設置電磁場天線的接地方式以及天線位置。電場天線仿真 布置如圖 2a 所示，其中，4 個單極天線置于地面，在前后左右 4 個方向上與車輛距離為 3 m±0.03 m，其中 2 根天線分別置于車輛左右對稱面上的前、后兩側，另 2 個 天線分別置于前后輪軸對稱面上的左、右兩側。磁場天線仿真布置如圖 2b 所示，其中，4 個環天線距離地面 1.3 m±0.05 m，布置方式與電場天線仿真布置的方式相 同。按照此布置方式，分別在 FEKO 中仿真得到高壓系 統與電場天線和磁場天線端口間的 S 參數。

3    整車高壓系統輻射發射預測方法

3.1多端口網絡理論

在整車 EMC 問題的預測中，因系統內部電磁耦合環境復雜，故將耦合路徑等效為具有能量傳遞關系的 多端口網絡，干擾源和敏感設備直接連接網絡端口。 此時，忽略網絡的內部結構，將整車 EMC 預測問題簡 化為多端口網絡的等效建模計算問題。圖 3 所示為多 端口網絡，該網絡具有數量為 m 的端口，各端口之間具 有電磁耦合關系。其端口電壓與電流之間的關系可描 述為：

式中，um  為端口電壓；im  為端口電流；Zmm  為描述高頻端口特性關系的轉移阻抗，可由 S 參數轉換得到。

3.2高壓系統端口建模

針對某車型的高壓系統進行低頻輻射發射預測，將 其進行端口等效建模，系統內零部件分別等效為干擾源 和一般設備，外部天線等效為敏感設備，高壓系統輻射 發射端口分布如圖 4 所示。

由圖 4 可知，分別將 DC/DC 轉換器、電機控制器、高壓電池包、壓縮機和正溫度系數（Positive TemperatureCoefficient，PTC）加熱器作為 5 個端口。由于高壓系統的輻射發射主要來源于 DC/DC 及電機控制器，故將 DC/DC 和電機控制器作為干擾源，即端口 1 和端口 2 作為干擾源 端口；高壓電池包、壓縮機和 PTC 加熱器作為一般設備， 即端口 3~端口 5 為一般設備端口；將 4 個電場天線作為 敏感設備，即端口 6~端口 9 為敏感設備端口。

用戴維南等效電路表征各端口特性，其中，干擾源用等效干擾電壓和等效輸出阻抗串聯的電路形式表征， 一般設備和敏感設備僅用等效輸出阻抗表征。整車級EMC 多端口網絡模型如圖 5 所示，其中，Zs1~Zs9 分別為 端口 1~端口 9 的阻抗，I1~I9 分別為端口 1~端口 9 的電 流，Vs1、Vs2 為干擾源端口戴維南等效電壓。

3.3     整車低頻輻射發射預測公式推導

建立整車 EMC 模型后，結合整車網絡特性和零部 件端口特性即可實現整車級 EMC 預測。根據圖 5，用戴 維南等效電路表征的零部件端口特性與端口電壓、電流 之間的關系為：

式中，U=(U1,U2,…,U9) T為端口電壓；U1~U9 分別為端口 1~ 端口 9 的電壓；I=(I1,I2,…,I9)T 為端口電流；Z 為端口轉移 阻抗矩陣；Zs=diag(Zs1,Zs2,…,Zs9)為零部件端口等效內阻； V=(V1,V2,…,V9)  為干擾源端口戴維南等效電壓。

根據端口電壓和電流的關系，經式（2）推導可得到 用戴維南等效電壓、等效阻抗、端口轉移阻抗矩陣等參數表示的端口電壓、電流公式：

其中，阻抗參數可在實車或臺架上通過矢量網絡分 析儀獲得，電流通過電流鉗采集，戴維南等效電壓可通 過端口電流和阻抗計算得到。

因高頻時轉移阻抗參數無法直接測得，故經 S 參數 轉換得到，S 參數可通過在 FEKO 軟件中建模仿真獲得， 端口 S 參數矩陣為：

式中，Z0 為參考阻抗，取 Z0=50 Ω；E 為單位矩陣。

由式（3）和式（4）可知，根據整車網絡特性以及零部件等效輸出阻抗即可計算敏感設備端口的電壓、電流。 針對輻射發射問題，可通過天線系數將敏感設備端口的 電壓、電流轉換為對應電場強度和磁場強度，完成輻射 發射預測。

4 仿真計算及驗證

基于多端口網絡方法，在實車條件下仿真計算高壓系統輻射發射的電磁場強度，實現整車級 EMC 預測；根據高壓系統的端口分布設置，在 FEKO 中仿真獲得各端口間的 S 參數，即端口耦合關系；實車斷電情況下，利用 矢量網絡分析儀采集各零部件端口以及線束端口阻抗，用于仿真計算。

4.1整車輻射發射預掃描仿真計算

在車速為 40 km/h 時 ，實 車采集高壓系統端口電 流，基于多端口網絡方法進行整車高壓系統輻射發射 預測，仿真結果通過天線系數進行轉換，可分別獲得 4 個電場天線和 4 個磁場天線位置處的場強。 基于GB/T 18387—2017 的測試準則進行實車輻射發射電 磁場數據采集，將仿真預測結果與實測場強數據進行對比分析，分別可得不同天線位置處的仿真場強與實測場強對比結果。電、磁場天線預掃描結果分別如圖 6、 圖 7 所示。

由圖 6a 可知，不同位置天線所接收場強的大小有所差別，但曲線總體趨勢相同，這是由于電磁波呈衰減 狀態，不同空間位置所接收電磁波的大小不同，但各電 氣件所產生干擾的頻段固定，因此總體趨勢一致；將圖 6a 與圖 6b 對比可得，仿真與實測場強整體趨勢較為一致，波 峰 、波 谷 一 致 性 較 好 。

其 中 ，在 接 近 7 MHz、 17 MHz 等處的峰值預測明顯，證明了多端口等效方法 在整車輻射發射預測中的有效性；由圖 6b 可得，右側電 場天線在 17 MHz 的頻點處具有較高的輻射超標風險， 因此后續將針對右側天線進行終掃描仿真以及測試。

同樣分析可得，在圖 7a 中，不同磁場天線所接收的 磁場強度曲線總體趨勢一致，大小有所差別；將圖 7a 與 圖 7b 對比可得，仿真與實測場強整體趨勢較為一致，在 17 MHz 處的峰值預測明顯，證明了該預測方法在輻射發射仿真中應用的有效性；由圖 7b 可得，確定右側磁場 天線具有最大的輻射面，后續將針對右側天線進行終掃 描仿真以及測試。

已知在車速為 40 km/h 的預掃描測量結果中，車輛 右側為最大發射方向，因此在車速為 16 km/h 和 70 km/h 的終掃描中，只進行右側天線的電磁場掃描和仿真。

 4.2整車輻射發射終掃描仿真計算

根據 GB/T 18387—2017 中的試驗流程，將多端口 網絡方法應用于整車輻射發射的終掃描仿真計算中。 在車速為 16 km/h 以及 70 km/h 時，分別實車采集高壓系 統干擾件端口的電流，基于多端口網絡方法進行整車高 壓系統輻射發射預測，并進行右側電場和磁場天線仿真 與實測場強對比，結果分別如圖 8、圖 9 所示。

從圖 8 中可看出，仿真與實測電場結果整體趨勢較 為吻合，峰值預測較為明顯，由此說明，多端口網絡方法 對于整車 EMC 預測有效，該方法在整車開發階段應用， 可在一定程度上降低輻射發射超標風險。

從圖 9 中可看出，仿真與實測磁場結果整體趨勢較 為吻合，峰值預測較為明顯，進一步驗證了多端口網絡方法在整車 EMC 預測中的有效性。

5 結束語

本文將多端口網絡方法所預測得到的輻射發射結 果與標準測試的結果進行了全面對比。利用 FEKO 軟 件進行高壓系統輻射發射仿真建模，仿真計算得到高壓 系統各端口間的 S 參數，解決了復雜網絡端口 S 參數測 試難問題；基于多端口網絡理論方法與 FEKO 建模仿真 S 參數相結合，將高壓系統各零部件進行端口等效，仿 真預測了高壓系統對外低頻輻射發射強度，獲得了整車 高壓系統的低頻輻射發射預測方法；根據 GB/T  18387—2017 中的電磁場強度測量方法，在車速為 40 km/h 時 獲得最大發射方向后，又分別進行車速為 16 km/h 和 70  km/h 時的終掃描測量，通過仿真與實測結果對比，仿 真與實測場強曲線整體趨勢較為吻合，波峰、波谷預測 明顯，驗證了基于該方法預測整車輻射發射的有效性。 將該方法應用在整車開發階段，預測整車高壓系統低頻 輻射發射強度，可在一定程度上提前識別并采取優化措 施降低輻射發射超標風險。