高鋒，葉城愷，熊禹，汪春華

(1.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400044;2.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州545005;3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300)

基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的整車EMC預(yù)測方法*

高鋒1，葉城愷1，熊禹2，汪春華3

(1.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400044;2.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州545005;3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300)

隨著汽車電子/電氣化程度的提高，汽車EMC問題日益突出。本文中提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的汽車EMC預(yù)測方法。該方法能實現(xiàn)汽車多干擾源/敏感設(shè)備并存情況下的EMC預(yù)測，并能應(yīng)用于整車開發(fā)的全過程。文中給出了整車EMC的預(yù)測方法，以及預(yù)測所需的網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性的建模方法，并通過臺架試驗?zāi)M整車輻射發(fā)射問題，對所提出方法的有效性進行了驗證。

汽車;電磁兼容;預(yù)測;多端口網(wǎng)絡(luò)

前言

汽車90%以上的技術(shù)創(chuàng)新與電子技術(shù)相關(guān)［1］，在提升汽車性能的同時，使得汽車上電子設(shè)備的種類和數(shù)量大大增加，導(dǎo)致電磁環(huán)境惡化，尤其是電動汽車。目前，電磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)已成為電子技術(shù)在汽車應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題［2－6］。在汽車開發(fā)過程中，能越早進行EMC設(shè)計，發(fā)現(xiàn)EMC問題，解決問題所能采取的措施越多，成本越低［7－8］。目前，國內(nèi)企業(yè)主要依賴后期測試和改進來解決EMC問題，由此產(chǎn)生的投入巨大［9］。而依靠提高零部件EMC來保證整車性能存在如下問題:(1)即使零部件滿足EMC要求，整車依然存在風(fēng)險;(2)零部件EMC要求過高，易導(dǎo)致安全裕量過大，成本增加［9－10］。因此亟需建立一種能在汽車開發(fā)早期進行整車EMC預(yù)測的方法。

與常規(guī)電器產(chǎn)品相比，汽車由于整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電大與電小結(jié)構(gòu)共存(結(jié)構(gòu)尺寸大于其電信號波長10倍的電器，稱之‘電大結(jié)構(gòu)’;否則稱‘電小結(jié)構(gòu)’)，干擾源和敏感設(shè)備種類眾多，耦合途徑復(fù)雜多樣，很難建立起兼顧精度和效率的計算模型，導(dǎo)致整車EMC預(yù)測非常困難［11－13］。針對整車EMC的預(yù)測，受自主品牌車企技術(shù)水平的限制，國內(nèi)學(xué)者研究較少。國外已形成了一些預(yù)測方法，基本思路是通過零部件臺架實驗建立端口模型，再結(jié)合零部件與整車的耦合特性實現(xiàn)整車EMC預(yù)測。對于整車EMC預(yù)測來說，耦合特性的建模是關(guān)鍵。針對耦合問題，文獻［14］和文獻［15］中分別采用ABCD參數(shù)和S參數(shù)來表征不同系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，兩種描述方法均可以通過實測或CAE分析得到。為實現(xiàn)輻射發(fā)射的預(yù)測，文獻［16］～文獻［18］中采用激勵端口到觀測端口傳遞函數(shù)來表征傳遞特性。其中，文獻［16］中實現(xiàn)了線束引起的輻射預(yù)測，文獻［17］和文獻［18］中則實現(xiàn)了由于零部件屏蔽殼體泄露電流引起的輻射預(yù)測。此外，在端口建模方面，文獻［19］和文獻［20］中提出了一種激勵端口的解耦方法，以同時表征多種激勵端口，并能夠獨立建模?？偨Y(jié)現(xiàn)有成果，目前的預(yù)測方法通常都針對特定問題，只能實現(xiàn)單干擾源和傳播途徑引起的EMC問題，尚未形成一套適用于整車級EMC預(yù)測的通用方法。

為解決汽車EMC預(yù)測面臨的問題，本文中提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的整車EMC預(yù)測方法。該方法通過將三維電磁場數(shù)值求解與電路仿真相結(jié)合，將物理建模與實驗建模相結(jié)合，在實現(xiàn)多干擾源和敏感設(shè)備、復(fù)雜耦合下整車EMC預(yù)測的同時，解決了預(yù)測精度與計算效率間的矛盾。同時，由于能夠兼容多種建模方式，可以適用于汽車開發(fā)的整個過程［9］。在理論分析基礎(chǔ)上，通過臺架實驗驗證了本方法的有效性。

1 整車EMC預(yù)測方法

針對汽車同時存在多種干擾源和敏感設(shè)備，電磁耦合途徑復(fù)雜，電大和電小結(jié)構(gòu)并存等問題，本文中提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的整車EMC預(yù)測方法，如圖1所示。該方法將電小結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)端口，采用多端口網(wǎng)絡(luò)描述干擾源與敏感設(shè)備之間的耦合特性，即視為電大結(jié)構(gòu)。通過S/Z參數(shù)轉(zhuǎn)化，將建模和整車EMC預(yù)測過程分離，從而提高計算效率。汽車內(nèi)不同零部件間通過線束產(chǎn)生耦合，由于其以線性特性為主，可采用S/Z參數(shù)進行表征。

應(yīng)用該方法進行整車EMC預(yù)測時，將整車系統(tǒng)作為多端口網(wǎng)絡(luò)，將由電器部件或測量設(shè)備構(gòu)成的干擾源或敏感設(shè)備統(tǒng)一作為網(wǎng)絡(luò)端口處理，從而降

圖1 整車EMC預(yù)測方法

低模型復(fù)雜性和計算難度。文中采用頻域方法描述端口特性，對于非線性端口，其頻域特性受信號大小影響。構(gòu)建的整車EMC預(yù)測模型如圖2所示，圖中，VS(k)(若是敏感設(shè)備，VS(k)=0)，ZS(k)，U(k)和I(k)分別表示端口k的等效干擾電壓、輸出阻抗、端口電壓和電流，k=1，…，n。

圖2EMC預(yù)測多端口網(wǎng)絡(luò)模型

文中采用Z參數(shù)矩陣描述網(wǎng)絡(luò)耦合特性，由端口電壓電流關(guān)系可得

式中:U和I分別為端口電壓和電流構(gòu)成的向量;VS和ZS則分別為端口的等效干擾電壓和內(nèi)阻構(gòu)成的向量。式(1)經(jīng)過化簡可得

由式(2)可知，若已知Z參數(shù)矩陣和端口等效特性(等效干擾電壓VS和輸出阻抗ZS)，則可得到敏感設(shè)備端口上的電壓和電流的值，即干擾電壓和電流。根據(jù)問題不同，選擇不同的Z參數(shù)矩陣和等效端口，即可實現(xiàn)多種整車EMC的預(yù)測。Z參數(shù)矩陣和端口等效特性的建模方法將在第2節(jié)介紹。值得注意的是這里對建模數(shù)據(jù)的獲取方式并無要求，根據(jù)建模數(shù)據(jù)的來源不同，可將上述方法應(yīng)用于整車開發(fā)的不同階段［9］。

1.1 與整車開發(fā)流程的集成

在整車開發(fā)的不同階段，上述整車EMC預(yù)測方法的應(yīng)用討論如下。

(1)電子樣車設(shè)計階段

在電子樣車設(shè)計階段優(yōu)先考慮系統(tǒng)布局，而不對電氣部件開模［21］。此時，可利用三維電磁場數(shù)值求解軟件建立整車模型，仿真得到所需的端口耦合特性。而電器部件的端口等效特性可由類似部件或借用件的數(shù)據(jù)得到。這一階段，通過對整車EMC的預(yù)測，對整車電氣系統(tǒng)布局和零部件EMC技術(shù)要求的制訂都具有指導(dǎo)意義。

(2)電器部件開發(fā)完成后

電器部件開發(fā)完成后，則可通過零部件臺架實驗得到更加準(zhǔn)確的等效端口特性(見2.2節(jié)和2.3節(jié))。此時，通過整車級EMC預(yù)測可發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險和問題，并提前進行設(shè)計變更。

(3)樣車開發(fā)完成后

此時，整車級端口耦合特性和部件級端口等效特性皆可通過實驗數(shù)據(jù)得到，預(yù)測結(jié)果也更加可信?？蓪嵻嚨腅MC測試結(jié)果進行預(yù)測，減少實車實驗量。

(4)實車EMC測試

這一階段，可將整車EMC預(yù)測方法用于問題及其改進方案的定量分析。減少改進產(chǎn)生的投入。1.2不同EMC問題的轉(zhuǎn)化

采用圖2所示的預(yù)測模型，通過選擇不同的Z參數(shù)矩陣和等效端口，根據(jù)式(2)可以實現(xiàn)多種EMC問題的預(yù)測。

(1)預(yù)測整車輻射發(fā)射/抗擾時，將車內(nèi)的干擾源/敏感設(shè)備、電磁場的接收/產(chǎn)生天線作為網(wǎng)絡(luò)端口;

(2)分析線束耦合串?dāng)_問題時，則將關(guān)注的干擾源和敏感設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)端口。

2 整車和部件特性建模

本節(jié)將給出EMC預(yù)測模型式(2)中網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性的建模方法。

2.1 網(wǎng)絡(luò)耦合模型

考慮散射系數(shù)(即S參數(shù))適用于高頻，且可用網(wǎng)絡(luò)分析儀或三維電磁場數(shù)值求解軟件直接得到［20］。因此本文中采用散射系數(shù)來表征不同端口間的耦合關(guān)系，然后通過理論分析建立其與Z參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到多端口網(wǎng)絡(luò)的耦合模型。對于n端口網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)散射系數(shù)定義有［22－23］

式中:Vr和Vi分別為端口的反射和入射電壓;Ir和Ii分別為端口的反射和入射電流;S為該網(wǎng)絡(luò)的散射系數(shù)。進一步由入射和反射量得到端口電壓和電流為

式中:E為單位陣;U和I分別為端口的電壓和電流。將式(4)代入Z參數(shù)與端口電壓電流的關(guān)系式U=ZI得到

散射系數(shù)由網(wǎng)絡(luò)分析儀或三維電磁場數(shù)值求解軟件在標(biāo)準(zhǔn)阻抗Z0(一般為50Ω)下得到。根據(jù)特征阻抗的定義，有

將式(6)代入式(5)，經(jīng)化簡得到Z參數(shù)與散射系數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系:

根據(jù)式(7)，即可由散射系數(shù)計算得到由多種干擾源和敏感設(shè)備構(gòu)成的多端口網(wǎng)絡(luò)的Z參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進一步建立端口的等效阻抗模型，即可實現(xiàn)整車EMC預(yù)測。根據(jù)部件在EMC問題中作用的不同，可分為敏感設(shè)備和干擾源設(shè)備兩類，下面分別介紹通過實驗來建立兩種設(shè)備等效特性模型的方法。

2.2 敏感設(shè)備

對于連接敏感設(shè)備的端口，主要關(guān)心其等效阻抗特性?？赏ㄟ^阻抗儀直接測量端口阻抗，但考慮到阻抗儀的適用頻帶比網(wǎng)絡(luò)分析儀低，文中給出一種根據(jù)散射系數(shù)計算等效阻抗的方法，原理如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀測阻抗原理

此時，將敏感設(shè)備看作單端口網(wǎng)絡(luò)，由式(7)可得到該端口的阻抗特性為式中S0為該單端口網(wǎng)絡(luò)的散射系數(shù)。

2.3 干擾源

與敏感設(shè)備相比，干擾源的建模更加復(fù)雜。除關(guān)心等效阻抗特性外，還要描述干擾的大小。根據(jù)戴維寧等效原理，文中采用等效輸出電壓和輸出阻抗表征干擾源的特性，并假設(shè)負載阻抗的變化不會影響干擾源的特性，提出一種基于雙阻抗的實驗建模方法，原理如圖4所示。這里所謂的雙阻抗是指有無外加負載兩種狀態(tài)。兩種情況下測量的電壓和電流分別使用下標(biāo)“1”和“2”表示。

圖4 干擾源實驗建模原理

在實際應(yīng)用時，若負載影響干擾源特性，可通過在多種工作狀態(tài)和負載條件下進行測試，以獲得干擾源的最大值。

由圖可得

式(9)經(jīng)過整理即可得到干擾源的等效輸出電壓和等效輸出阻抗:

式中:ZR和ZL分別為已知的原負載和外加負載的阻抗;U1和U2為實驗測得的干擾電壓。

2.4 應(yīng)用討論

2.4.1 零部件臺架實驗

在實車條件下按2.2節(jié)和2.3節(jié)的實驗建模方法可得到最準(zhǔn)確的模型，但需要完成樣車開發(fā)。為在汽車開發(fā)初期進行EMC預(yù)測，可通過零部件臺架實驗建立等效端口模型。為減小所建立模型的誤差，在進行臺架實驗時需注意:

(1)零部件的工作狀態(tài)應(yīng)盡可能與實車上的典型狀態(tài)或發(fā)生EMC問題的狀態(tài)保持一致，保證臺架實驗建立的模型能反映出其主要特征;

(2)零部件在實驗桌上的布置應(yīng)盡可能與實車環(huán)境下的安裝布置方式保持一致，尤其需要注意地線的長度和連接方式、零部件外殼在車身上的安裝方式和零部件的朝向，上述因素對零部件與車身間寄生參數(shù)影響較大;

(3)為充分反映干擾源與敏感負載間的耦合，搭建臺架時，應(yīng)采用實車負載，定義的臺架實驗狀態(tài)能夠充分反映出兩者間的耦合過程。

2.4.2 差模和共模特性

車載電器作為干擾源或敏感設(shè)備時，正負極線之間(差?；芈?，及其與外殼或地之間的寄生參數(shù)都可能構(gòu)成回路(共?；芈?［24］。由于現(xiàn)有的整車EMC預(yù)測方法只能處理單一干擾源，通常只考慮共?；芈?。由于電氣系統(tǒng)安全和成本的制約，應(yīng)用于實際問題時存在如下局限性:

(1)車內(nèi)存在很多電器的正負極線，不可能完全平行走線，因此差模回路的影響不可忽略;

(2)即使正負極線盡可能平行走線，由于汽車電氣系統(tǒng)多點/單點接地混合使用，以及保險分配的需要，正負極線的長度往往存在較大差異，也無法將正負極線等價成一根輻射天線。

文中提出的方法能實現(xiàn)涉及多干擾源/敏感設(shè)備的EMC問題預(yù)測。將正負極間的差模特性、正極-地和負極-地間的共模特性作為3個端口，從而實現(xiàn)車載電器共模和差模特性并存時整車EMC的預(yù)測。

3 臺架驗證

為驗證提出的整車EMC預(yù)測方法的有效性，采用文獻［15］中的整車輻射發(fā)射模擬臺架，如圖5所示。預(yù)測頻率范圍為0.3～3GHz，在高頻段，該模擬車體為電大結(jié)構(gòu);在低頻段，傾向于電小結(jié)構(gòu)。

圖5 臺架示意圖(單位:cm)

該臺架將實際汽車按比例縮小，底盤下方設(shè)置一條導(dǎo)線模擬干擾的發(fā)射天線，在模型外設(shè)置一單極子天線作為測量天線。在激勵端口通過網(wǎng)絡(luò)分析儀施加干擾信號，干擾電壓為1V，輸出阻抗為50Ω。負載端連接150Ω電阻。該輻射發(fā)射問題可以采用雙端口網(wǎng)絡(luò)進行等效:端口1連接激勵;端口2連接負載。

根據(jù)圖5所示的輻射發(fā)射臺架模型，采用Feko三維電磁場數(shù)值求解軟件計算得到該二端口網(wǎng)絡(luò)的散射系數(shù)，如圖6所示。

圖6 散射系數(shù)

圖7Z參數(shù)

根據(jù)圖7所示的Z參數(shù)、激勵和負載端口的等效特性，由式(2)可以預(yù)測出天線端的接收電壓，預(yù)測值與實測值對比如圖8所示。圖中的輻射發(fā)射實測值源于文獻［15］。

圖8 輻射發(fā)射預(yù)測和實測對比

從圖8可以看出，預(yù)測結(jié)果與實測值在整個分析頻帶內(nèi)的變化規(guī)律大致相同。此外，文中提出的EMC預(yù)測方法成功預(yù)測出了1，1.6，2.1和2.4GHz附近主要的4個輻射發(fā)射峰值點，輻射發(fā)射強度的預(yù)測誤差小于3dB。相對而言，1.5和2.9GHz附近的峰谷點的預(yù)測誤差較大。分析原因，主要是峰谷點附近激勵源在接收天線端耦合的能量較小，更容易受到環(huán)境干擾。綜上所述，文中提出的基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的EMC預(yù)測方法較好地實現(xiàn)圖5所示的輻射發(fā)射的預(yù)測，可用于整車EMC問題的預(yù)測和分析。

4 結(jié)論

本文中提出了一種基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論的整車EMC預(yù)測方法，通過理論分析和臺架實驗驗證，表明該方法具有如下特點:

(1)采用多端口網(wǎng)絡(luò)描述電器部件間的耦合特性，能實現(xiàn)汽車多干擾源/敏感設(shè)備并存下的EMC問題預(yù)測;

(2)根據(jù)問題不同，選擇不同的Z參數(shù)矩陣和等效端口，該方法可適用于多種整車EMC問題;

(3)通過S/Z參數(shù)轉(zhuǎn)化，將部件及其耦合特性的建模和整車EMC預(yù)測過程分離，從而提高計算效率，一定程度上解決了目前整車EMC預(yù)測方法計算資源消耗巨大的問題;

(4)可通過實驗測試或理論分析的方式建立網(wǎng)絡(luò)耦合特性和端口等效特性，使其適用于整車開發(fā)的全過程，從而實現(xiàn)汽車EMC的正向開發(fā)，減少后期的實驗和改進的投入。

［1］漓沙．Capital新工具應(yīng)對汽車行業(yè)新挑戰(zhàn)［J］．汽車與配件，2011(27):44－45．

［2］李彬，劉青松，許響林．汽車電磁兼容仿真預(yù)測技術(shù)探討［J］．電子質(zhì)量，2008(4):86－89．

［3］向云秀，覃開宇．汽車電磁兼容:標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀、措施與建議［J］．磁性材料及器件，2011(4):10－13．

［4］藍波，孫誼，張琦．汽車電磁兼容研究發(fā)展現(xiàn)狀［J］．信息技術(shù)，2010，34(8):210－212．

［5］方成，黃緒鵬．汽車電磁兼容技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］．汽車零部件，2011(5):75－77．

［6］CHEN Chingchi．Examination of electronic module immunity using transfer functions［C］．International Symposium on EMC，2005:8－12．

［7］CANAVERO F．Numerical simulation for early EMC design of cars［C］．European Conference on Electromagnetic Compatibility，2000:32－39．

［8］趙陽．電磁兼容工程入門教程［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

［9］高鋒，吳存學(xué)，張強，等．整車寬帶輻射騷擾分析與整改［C］．中國汽車工程學(xué)會年會，2008:1205－1207．

［10］HIRSCH H，JESCHKE S，WEI Luping，et al．Latest development of the national and international EMC-standards for electric vehicles and their charging infrastructure［C］．IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2015:708－713．

［11］李旭，熊榮飛，王麗芳，等．復(fù)雜整車結(jié)構(gòu)的電磁兼容多軟件聯(lián)合建模［J］．微波學(xué)報，2014，30(1):15－19．

［12］高鋒，陳立東，翟建鵬，等．汽車點火系統(tǒng)建模及傳導(dǎo)騷擾仿真［J］．汽車工程，2008，30(10):893－897．

［13］鄭亞利，汪泉弟，鄭淑利，等．汽車點火系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射的建模與仿真［J］．汽車工程，2014，36(9):1157－1161．

［14］CHEN C．Predicting vehicle-level EMC performance utilizing onbench component characterization results［C］．IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1999:765－769．

［15］LIU G，CHEN Chingchi，TU Yuhua，et al．Anticipating full vehicle radiated EMI from module-level testing in automobiles［C］．IEEE International Symposium on EMC，2002:982－986．

［16］CHEN C．Predicting vehicle-level radiated EMI emissions using module-level conducted EMIs and harness radiation efficiencies［C］．IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2001:1146－1151．

［17］FUNATO Hiroki，LI Jia，Takahashi Masayoshi，et al．Vehiclelevel analysis technique for EMC design of automotive inverters［J］．Hitachi Review，2015，64(8):501－505．

［18］ZENG H，HODA I，IVAN W，et al．Vehicle-level EMC modeling for HEV/EV applications［J］．SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems，2015，8(2):278－281．

［19］HUBING T．Component-level characterization for vehicle-level electromagnetic simulations［C］．SAE Paper 2010－01－0237．

［20］HUBING T．Module-level characterization for vehicle-level emissions modeling［C］．Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility，2010:680－682．

［21］高新杰，李燕俠，李國珍，等．電動汽車的系統(tǒng)級EMC設(shè)計［J］．安全與電磁兼容，2015(3):27－31．

［22］姜永美．S參數(shù)與HP8753C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀［J］．雷達與對抗，1993(3):57－59．

［23］閆旭鵬，魏哲，劉傳利．基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻無源器件阻抗測量［J］．電信網(wǎng)技術(shù)，2013(6):61－65．

［24］PAUL C R．電磁兼容導(dǎo)論(第二版)［M］．聞映紅，等譯．北京:人民郵電出版社，2007．

Vehicle EMC Prediction Technique Based on Multi-port Network Theory

Gao Feng1，Ye Chengkai1，Xiong Yu2＆Wang Chunhua3
1.School of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing400044;2.Dongfong Liuzhou Motor Co．，Ltd．，Liuzhou545005; 3.China Automotive Technology＆Research Center，Tianjing300300

With the rise in the level of electrification and electronization，the EMC problem of a vehicle become more and more critical．In this paper，a vehicle EMC prediction method based on multi-port network theory is put forward，which can perform EMC prediction for a vehicle with multi interference sources and multi sensitive devices coexisted，and can be applied to the whole process of vehicle development．Baside EMC prediction technique，the modeling schemes for network coupling characteristics and the equivalent characteristics of ports needed for EMC prediction are also given，and the effectiveness of the technique proposed is verified through the bench tests simulating vehicle radiation．

vehicle;EMC;prediction;multi-port network

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．017

*國家自然科學(xué)基金(51177183)、國家重點研發(fā)計劃項目(JFYS2016ZY02001610)和重慶市科技計劃項目(cstc2015zdcyztzx60005)資助。

原稿收到日期為2016年3月2日，修改稿收到日期為2016年8月15日。

高鋒，博士，E-mail:gaofeng1@cqu．edu．cn。