如今的車輛電氣系統(tǒng)工程因電氣化和自動駕駛功能而日益復(fù)雜。電動總成 (EPT)會帶來高水平寬頻電磁干擾(EMI)，可能損害敏感電子和射頻設(shè)備，例如與網(wǎng)聯(lián)汽車、信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)以及自動駕駛系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)備。另外，高壓和大電流電氣系統(tǒng)還增加了散熱問題的復(fù)雜性。因此，EMI、電磁兼容性(EMC)和熱評估對車輛電氣系統(tǒng)工程至關(guān)重要。

本文探討了整車電氣系統(tǒng)工程中的EMI/EMC和散熱挑戰(zhàn)及其帶來的復(fù)雜性，并介紹了西門子仿真解決方案如何支持工程師在原型設(shè)計階段盡早解決這些挑戰(zhàn)。

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序言

當(dāng)前，自動駕駛和電氣化正在推動汽車電子電氣架構(gòu)的重大變革。其中顯著的變化莫過于用于車輛連接、信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 和自動駕駛(AD)的信號/數(shù)據(jù)通信劇增，以及高壓電動總成。
未來的電動汽車將利用5G和車聯(lián)網(wǎng)(V2X)技術(shù)實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)，通過低壓網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、傳輸和處理的數(shù)據(jù)要遠遠多于傳統(tǒng)汽車。同時，業(yè)界還在不斷突破電池容量、續(xù)航里程、發(fā)動機功率及大功率/大電流快充等技術(shù)的邊界。大功率/大電流會產(chǎn)生強電磁場和高熱損耗。這些問題必須在設(shè)計所有電氣組件時加以解決。低壓網(wǎng)絡(luò)要安全可靠地運行，EMI/EMC和散熱問題評估起到至關(guān)重要的作用，因為其中的電子和射頻設(shè)備在與高壓驅(qū)動系統(tǒng)并聯(lián)時容易受到影響。于是，針對商業(yè)產(chǎn)品2的 EMC法規(guī)1也愈加嚴格。電氣工程不僅要從組件層面，還要從整車層面考慮電磁和散熱問題。本文介紹多物理場、多域、高保真仿真如何助力企業(yè)克服關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖1b：動力總成組件。

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電動總成是電磁干擾源

相較于傳統(tǒng)汽車，由于電動汽車的電動總成(EPT)包含逆變器，其內(nèi)部環(huán)境對于敏感電子設(shè)備的運行更為苛刻。逆變器在大功率快速開關(guān)頻率下工作時會產(chǎn)生快速的電壓和電流瞬變，而這正是傳導(dǎo)和輻射電磁噪聲的主要來源。電動總成的架構(gòu)通常由電池組、逆變器和電動機組成。其中，逆變器可將電池組產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，供電動機使用：逆變器通過高頻脈寬調(diào)制(PWM)運行，而直流總線上的電流會因PWM的高速開關(guān)頻率（約幾十千赫）而遭受極快瞬變的干擾。開關(guān)時的高上升時間和高電流值（從幾十到幾百安培不等，視電動機運行條件而定）會產(chǎn)生射頻噪聲電流，后者在寬頻范圍內(nèi)（高達100MHz）頻譜成分顯著。3、4逆變器通常位于前車廂，離電動機非常近。它的電子組件被封裝在金屬盒中，并通過小電纜連接電動機。電池組與之相反，通常安裝在后車廂，離逆變器相當(dāng)遠，并通過車輛底盤上兩根三四米長的屏蔽電纜（直流電源總線）連接到逆變器。

圖2：動力總成架構(gòu)：典型的組件位置。

由于場線耦合機制，直流電源總線上噪聲電流產(chǎn)生的輻射場也會影響敏感電路的運行5、6，并可能危害車內(nèi)人員健康。7、8為此，有必要預(yù)測射頻噪聲電流（傳導(dǎo)發(fā)射，CE）及其輻射（輻射發(fā)射，RE）的產(chǎn)生和傳播，以及隨之而來的與低壓車載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的耦合。從電動汽車的早期設(shè)計階段開始，我們就必須制定適當(dāng)對策，以確保電磁兼容性和安全性，大幅減少測試和認證階段的故障和返工風(fēng)險。

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電動總成建模

為滿足混合動力汽車/電動汽車(HEV/EV)應(yīng)用領(lǐng)域日益增長的需求，并縮短車輛上市時間，企業(yè)必須通過仿真而不是采用過時的試錯原型測試方法來解決潛在的EMI/EMC問題。而要解決各種運行條件下HEV/EV動力總成 EMC/EMI問題的復(fù)雜性，就需要采用特定的解決方案，將許多數(shù)值工具集成到一個專用的工作程序中。該解決方案必須具備以下特點：

• 多維-系統(tǒng)/子系統(tǒng)可以是0D（電路邏輯/區(qū)塊圖）、1D（電纜線束路徑上的電壓/電流）、2D（線束截面分析）或3D（車輛幾何體和傳感器的復(fù)雜性）
• 多域-通過在時域中發(fā)生的主要現(xiàn)象（例如絕緣柵雙極型晶體管的非線性和開關(guān)）控制系統(tǒng)/子系統(tǒng)，而通過頻域描述車輛底盤上的感應(yīng)電流和電纜的屏蔽傳輸阻抗
• 多物理場-通過多個物理場控制系統(tǒng)/子系統(tǒng)
• 多尺度-從不同尺度模擬物理現(xiàn)象（從組件層面的微觀尺度，到整車層面的宏觀尺度）

圖3：電動總成EMI/EMC的集成建模方法。最重要的是，直流電源總線傳導(dǎo)發(fā)射、車輛內(nèi)部輻射發(fā)射和場線耦合的建模方法必須集成到同一流程中，這樣才能提供一個整體解決方案。

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傳導(dǎo)發(fā)射建模

電路仿真與設(shè)計CAE工具可以模擬典型的CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)測試裝置進行EPT CE測量（圖4），因為它可以輕松為所有不同動力總成單元和測試設(shè)備創(chuàng)建參數(shù)電路模型：9電池、直流電源總線、逆變器、三相永磁同步電動機 (PMSM)、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)等。

圖4：CISPR-25測試設(shè)置：CAE工具電路區(qū)塊圖示例。

而要管理絕緣柵雙極型晶體管(IBGT)和二極管的非線性和相關(guān)開關(guān)信號，就必須在時域中進行仿真。然后，通過快速傅里葉變換(FFT)處理時域信號，以獲得直流電源總線共模(CM)電流的頻譜成分。這些電流是由直流電源線和底盤之間的寄生電感和電容產(chǎn)生的。

多導(dǎo)體傳輸線網(wǎng)絡(luò)(MTLN)分析可用于實現(xiàn)電源總線模型，以此作為Π集總電路基本單元的級聯(lián)，其中R、L、C和G值（單位長度參數(shù)）可通過分析/數(shù)值方法根據(jù)給定的線束截面和離地高度計算獲得，也可通過測量（屏蔽電纜傳輸阻抗）獲得。一般說來，每最小波長有10個基本單元就足以適當(dāng)模擬線束上的CE傳播。10

圖5：用于電路分析的直流電源總線模型：集總電路基本單元的級聯(lián)。

每個集總電路基本單元中的電流負責(zé)直流電源總線CE，是下一分析步驟的輸入：它們作為“激勵源”，用于對直流電源總線輻射以及與低壓信號線束相關(guān)的場線耦合進行3D全波仿真。11、12、13

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輻射發(fā)射和場線耦合建模

面對復(fù)雜的車輛環(huán)境，我們需要使用3D全波方法來對直流電源總線在典型發(fā)射頻率（從數(shù)千赫茲到上百兆赫茲不等）下的電纜輻射進行建模。下文介紹了典型工作流程和一些建模挑戰(zhàn)。
首先對車輛的CAD模型進行網(wǎng)格劃分，然后將材料的電磁特性分配到網(wǎng)格的不同部分。材料屬性可由分析公式確定，或通過測量來描述（例如，成分未知且單靠參數(shù)模型一般無法描述的的工程材料）。低壓電纜束路徑和設(shè)備（音頻系統(tǒng)、汽車報警和安全、車門開關(guān)模塊、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、發(fā)動機控制單元、防抱死制動系統(tǒng)、安全氣囊控制、碰撞預(yù)警和避險控制）都有可能受到干擾，因而必須加以識別并納入仿真模型，以便進行后續(xù)場線耦合分析。對于低壓電纜束層面的MTLN分析，需要考慮的EMI源是線束路徑上的干擾電場的切向分量（參考文獻11，Agrawal方法），或線束屏蔽上的感應(yīng)電流。使用3D全波方法時，要達到所需的精度，就必須對普遍存在的低頻擊穿數(shù)值問題（相當(dāng)于時域建模算法的“后時問題”）具有抗擾性14、15，并能夠進行高保真建模，以及管理多機制（電阻電感RLC電磁）和多尺度（內(nèi)在病態(tài)）問題。隨著復(fù)合材料的使用日益廣泛，在計算場線耦合時，以及通常在考慮整車 EMI傳播時，越來越有必要考慮此類材料在低頻下的導(dǎo)電性和屏蔽效果降低。鑒于車輛的復(fù)雜性，標(biāo)準(zhǔn)建模算法不適合用來正確表示該現(xiàn)象，而這對于EMI評估和接地設(shè)計都很重要。16此外，為實現(xiàn)整車高保真建模（在電流傳導(dǎo)、電磁場傳播、電磁屏蔽等方面），有必要適當(dāng)處理高磁導(dǎo)率的薄板材料層，而不必對層厚度進行體積建模（薄板的等效曲面模型可確保控制車輛模型的數(shù)值復(fù)雜性，而不必犧牲結(jié)果準(zhǔn)確性）：以汽車底盤為例，相對磁導(dǎo)率通常高達500-1,000，厚度約為0.1mm。如上所述，將直流電源總線噪聲電流作為3D全波仿真的激勵源，計算相關(guān)位置的輻射場（E、H）、感應(yīng)電流及感應(yīng)電壓：低壓電纜束和敏感設(shè)備。使用Simcenter軟件套件進行仿真可計算出符合標(biāo)準(zhǔn)和合格水平的數(shù)值、干擾容限和輻射危險量，用以驗證敏感設(shè)備和公眾及人員可能遇到的危險情況。

圖6：輻射發(fā)射和場線耦合建模方法。

示例

本部分介紹了應(yīng)用上述集成建模方法獲得的EMC/EMI仿真結(jié)果。此示例評估了胎壓傳感器對電動總成中逆變器產(chǎn)生的共模電流（典型的束間串?dāng)_問題）的抗擾性。圖7所示為EPT配置和所研究的胎壓傳感器線束。

圖7：EPT配置和受影響線束。

分析的胎壓傳感器線束（受影響線束）配置有兩種：從兩側(cè)連接底盤的無屏蔽線束（圖8）和屏蔽線束。

圖8：無屏蔽電纜配置。

本例中將直流電源總線（源線束）作為屏蔽電纜進行建模。圖10所示為將直流電源總線共模電流用作3D全波計算源時的頻譜成分（50KW永磁同步電動機在最大扭矩和最大功率下以3,500轉(zhuǎn)/分的速度運行）。這些電流是使用上文“傳導(dǎo)發(fā)射建模”部分所述方法計算得到的。然后，根據(jù)ISO11452-4標(biāo)準(zhǔn)–BCI測試嚴重級別I，將受影響組件（輪胎傳感器）線束上的感應(yīng)電流與假定的傳感器合格水平進行比較。17

圖10：直流電源總線共模電流的頻譜成分。

最后，由于高強度磁場和電場可能危害人體健康，我們根據(jù)國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)規(guī)范計算了場圖和危險量，從而評估乘客可能遇到的危險情況。整個建模和仿真過程都是在Simcenter 3D中進行的。為解決物理層面的重大電磁挑戰(zhàn)（束內(nèi)電纜和導(dǎo)線之間串?dāng)_、從源頭到電纜的侵擾、電纜發(fā)射或其任意組合），西門子已將Simcenter 3D Electromagnetics與 Capital軟件集成，后者是一套用于大型平臺中電子電氣系統(tǒng)工程的綜合工具。該集成支持導(dǎo)入線束數(shù)據(jù)（3D路徑、電纜表、結(jié)點和連接），并創(chuàng)建配電系統(tǒng)3D模型進行EMC/EMI分析。通過場線耦合EM仿真，工程師能夠快速驗證EMC兼容性，并設(shè)計相應(yīng)線束，以降低成本和重量。

在10MHz下由直流電源總線共模電流產(chǎn)生的整車和底盤上的感應(yīng)電流。圖12和13所示為胎壓傳感器上的感應(yīng)電流水平與無屏蔽線束配置及屏蔽線束配置的傳感器合格水平對比。圖14所示為根據(jù)ICNIRP規(guī)范確定的直流電源總線電流輻射磁場的危險量示例。

圖12：無屏蔽線束配置下的胎壓傳感器噪聲電流。

圖13：屏蔽線束配置下的胎壓傳感器噪聲電流。

圖14：直流電源總線產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的危險量。圖15和16所示分別為縱向掃描平面上直流電源總線電流輻射總電場和總磁場分布。

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導(dǎo)線和連接器的散熱設(shè)計問題

隨著汽車電氣化的到來，傳統(tǒng)車輛中的連接器數(shù)量正急劇增加，而連接器是確保車輛安全可靠的關(guān)鍵組件。連接器的熱狀況涉及多個物理過程：電流和電磁學(xué)、焦耳（電）加熱、傳導(dǎo)、對流和輻射。為節(jié)省空間，連接器中的端子和導(dǎo)線包裝緊密，導(dǎo)致能量密度高，冷卻條件差。分隔導(dǎo)體的絕緣材料導(dǎo)熱性相對較差，散熱效率不高。由于連接器是批量生產(chǎn)的，在成本和可制造性方面均有嚴格限制。鑒于連接器的復(fù)雜幾何體和物理性質(zhì)，通過人工或簡單計算很難準(zhǔn)確預(yù)測連接器內(nèi)部溫度。

物理測試雖能提供詳細數(shù)據(jù)，但也有不少缺點：成本高昂、需要專業(yè)設(shè)施、生產(chǎn)量和可擴展性有限，所以要通過測試來準(zhǔn)確測量溫度難度很大。而數(shù)值仿真能夠考慮實際連接器的幾何體和物理性質(zhì)，從而準(zhǔn)確預(yù)測連接器的熱性能，并具有多個優(yōu)點：易擴展、可在本地或遠程進行、可提供模型中任意點的所有相關(guān)參數(shù)值。因此，通過實驗室測試驗證數(shù)值仿真是理想解決方案。然而，數(shù)值仿真也存在一些挑戰(zhàn)。連接器的幾何體非常復(fù)雜，并具有諸多繁復(fù)的小特征，再加上涉及多個物理過程，就有可能會延長計算時間，并影響解決方案的穩(wěn)定性。一些數(shù)值仿真解決方案提供的功能可以克服這些挑戰(zhàn)。例如，Simcenter FLOEFD軟件可直接處理主流CAD系統(tǒng)中的幾何體，并與這些CAD環(huán)境無縫集成，因而適合設(shè)計工程師在開發(fā)早期使用。此外，該CAD集成還可消除CAD-仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟，并通過設(shè)計更改自動同步仿真模型與CAD 幾何體，縮短從設(shè)計到仿真的迭代周期。

圖18：30路汽車電氣連接器的CAD嵌入式熱仿真。

有了自動網(wǎng)格劃分技術(shù)，設(shè)計工程師即使沒有計算流體力學(xué)(CFD)的專業(yè)知識，也能夠從最初階段就使用仿真來指導(dǎo)設(shè)計。網(wǎng)格劃分速度快，可輕松處理復(fù)雜的幾何體，針對精細的幾何特征自動調(diào)整單元密度，從而顯著減少傳統(tǒng)網(wǎng)格劃分解決方案所需的人工輸入和幾何體簡化及清理。

所有電氣流程的仿真都需要物理模型，包括導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性及焦耳加熱。與其他一些物理現(xiàn)象（例如傳導(dǎo)）不同，電流在很大程度上取決于幾何體的小特征，因為接觸面積小，導(dǎo)致插座接觸葉片的地方局部溫度上升。網(wǎng)格可在同一單元內(nèi)求解多個固體和流體體積，而求解器則可將理論分析和經(jīng)驗解應(yīng)用于指定條件下某些幾何體的仿真流程。此方法適用于網(wǎng)格密度低于傳統(tǒng)純有限體積法要求的區(qū)域，且與傳統(tǒng)方法相比，可減少求解時間和資源。此外，該求解器還可應(yīng)用先進的壁面處理方法（例如雙尺度邊界層模型），能夠在有數(shù)百個零件的實際工業(yè)應(yīng)用中減少網(wǎng)格密度和求解時間。電氣連接器的熱仿真旨在滿足適用法規(guī)關(guān)于最高溫度的要求，確保產(chǎn)品安全、可靠。它有助于發(fā)現(xiàn)端子設(shè)計中的瓶頸，從而改善熱性能。以30端子連接器為例（圖17）。要對連接器進行仿真建模，就必須為30個電路逐一指定電流和電壓。用戶可使用材料庫為連接器裝配中的每個零件（導(dǎo)線、葉片和插座）定義材料屬性（密度、導(dǎo)熱性、比熱容和電阻率），也可指定周圍環(huán)境的壓力、溫度和重力。除體積中的電阻率外，接觸電阻還可應(yīng)用于兩個導(dǎo)體的對接處，表示因表面粗糙、氧化或其他因素而造成的損耗。為簡化這一過程，Simcenter FLOEFD可識別CAD模型中的相同零件幾何體，并將相同條件傳播到所有副本，從而顯著減少分析定義時間。

圖20：為仿真指定電流、電壓和電阻。

該求解器包含了許多有助于加速求解過程的功能，更便于設(shè)計工程師理解。通過該軟件，用戶可指定仿真的相關(guān)參數(shù)，并將其用作跟蹤仿真進展的收斂標(biāo)準(zhǔn)。這些參數(shù)被指定為仿真目標(biāo)，而該軟件可監(jiān)測目標(biāo)收斂，在收斂時停止仿真以節(jié)省機器資源，并在仿真結(jié)束后通知工程師。由于會將仿真的實際輸出參數(shù)考慮在內(nèi)，此方法比傳統(tǒng)方法（基于分析特定求解器殘值）更加直觀。此外，要加速求解，可采用流凍結(jié)和輻射凍結(jié)等技術(shù)，中斷對流場和輻射通量的更新，使求解專注于傳導(dǎo)。連接器仿真旨在監(jiān)測焦耳熱生成、組件溫度、整體熱量和輻射平衡，以及重力矢量上的自然對流速度。如上文所述，對于這樣一個能夠相對快速建立流場的問題，可使用流凍結(jié)技術(shù)來加速求解。

連接器仿真示例：電氣參數(shù)

該仿真結(jié)果給出了電氣參數(shù)，包括單位體積和面積的電流密度和焦耳熱的分布和最小值/最大值。電流方向可以用矢量圖來表示。后處理工具能夠以 2D截面圖或3D曲面顯示結(jié)果，讓用戶明確了解電流流向和加熱位置（圖 21）。此類圖像有助于確定熱瓶頸或當(dāng)前突破口。此外，還有必要進行實驗設(shè)計研究，以發(fā)現(xiàn)因果關(guān)系，或進行參數(shù)優(yōu)化研究，以改變幾何體和仿真參數(shù)（例如電流和材料），實現(xiàn)理想電氣和熱性能。該軟件具有執(zhí)行此類研究的內(nèi)置功能，并可連接外部專業(yè)優(yōu)化工具（例如 Simcenter HEEDSTM軟件），以提供高級功能。

圖21：仿真電氣結(jié)果。

連接器仿真示例：熱參數(shù)

該熱仿真結(jié)果給出了溫度分布和最小值/最大值（圖22），同時考慮到傳導(dǎo)、對流和輻射，包括端子和塑料外殼之間狹小的空間。通過對結(jié)果進行后處理，工程師能夠輕松檢查性能是否符合最高溫度規(guī)定。

圖22：溫度結(jié)果。了解特定組件或組件組的熱平衡對于發(fā)現(xiàn)和糾正熱設(shè)計缺陷至關(guān)重要。

通過通量圖功能，工程師能夠了解所選組件或組件組的能量和熱平衡（圖 23）。此熱交換圖顯示了組件之間的散熱路徑、大小和矢量，以及物理機制（傳導(dǎo)、對流、輻射），可幫助用戶全面了解熱平衡。這樣工程師就可以改進設(shè)計，以改變平衡并改善能量流分布，從而實現(xiàn)更低溫度。

圖23：通量圖。

連接器仿真示例：流場

電氣連接器的運行條件可以包括強制對流和自然對流環(huán)境。通過分析連接器周圍流場，工程師可以發(fā)現(xiàn)停滯和再循環(huán)區(qū)域，并改進外殼設(shè)計或特定車廂內(nèi)的連接器位置。本例中，通過CFD仿真結(jié)果可深入了解連接器外殼內(nèi)部和周圍自然對流。后處理結(jié)果顯示了對流冷卻的流場速度、流線和矢量（圖24）。在對流的驅(qū)動下，流速會在有熱空氣從連接器升起時增加。工程師可以利用這些洞見優(yōu)化連接器的幾何體或內(nèi)部間隙，實現(xiàn)更好的冷卻效果。

圖24：流場結(jié)果-對流冷卻的速度、流線和矢量。

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結(jié)語

動力總成的電氣化和自主性顯著增加了汽車電力電子架構(gòu)的復(fù)雜性。電動汽車的大功率水平和在大電流下的大功率充電都會產(chǎn)生強電磁場和高熱損耗，用于自動駕駛、V2X連接和其他系統(tǒng)的電子組件和信號線受其影響可能無法安全可靠地運行。因此，電氣工程必須利用多物理場仿真從組件、系統(tǒng)/子系統(tǒng)和整車層面評估EMC/EMI和熱性能。