汽车正快速成为移动热点。无线链接、多媒体设备、电子控制模块和混合动力/ 电力驱动等组件不断被添加到车辆中，这就使得电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）设计变得日益重要。巴西菲亚特克莱斯勒的工程师团队正采用ANSYS HFSS和整车试验来分析潜在的车辆EMI问题，从而保证整体产品完整性。
随着汽车中的电子组件快速增加，一系列指南应运而生，包括立法要求、行业协会标准和针对具体汽车生产商的限制。
最早的行业指令之一是1972年欧洲对电子火花塞噪声的要求，随后许多组织机构都针对汽车行业制定了各种相关标准。
许多标准、指令和监管要求的目的是确保汽车安全，让所有板上系统在EMI环境下保持正常工作，在受干扰后要么能自动重返正常状况，要么通过手动复位返回正常状况。菲亚特克莱斯勒工程师的一大担忧是现在汽车包含的线路太多，一辆车中的线路总长达到5公里。布线本身显然是EMI源，同时现代汽车中还包含许多电子产品，也构成了EMI源。此外，驾驶员携带的手机、平板电脑、蓝牙设备等也构成EMI源。生产智能汽车的汽车制造商必须满足相关标准要求，减少故障风险。
传统的EMI/EMC程序和技术不再适合最新一代的电子设备和组件要求，一些汽车标准的开发采用了实验室测试，目的就是减少车内出现EMI干扰的可能性。ISO 11451-2 是一项重要的国际实验室标准。该标准提出要检测在无回声环境内源天线对整车的辐射，所有电子子系统的性能都不得被源天线的电磁干扰影响。
ISO 11451-2 旨在确定专用或公共道路上行驶车辆对车外辐射源的抗电气干扰性，无论车辆采用什么推进系统（包括混合动力和电动车辆）。测试程序规定了电波暗室中的整车性能，创造了反映开放场测试的环境。测试地面通常不覆盖吸收材料，但这种覆盖材料是允许的。
标准测试包括用源天线生成辐射电磁场，射频（RF）源能生成所需的场强度，范围在25V/m到100V/m乃至更高。测试涵盖的频率范围为10kHz到18GHz。在程序期间，所有嵌入式电子设备都必须无瑕工作。无瑕性能也适用于源天线的扫频。
物理上进行ISO 11451-2标准测试会占用大量时间，也需要昂贵的设备，使用昂贵的测试设施。数值仿真法能提供低成本的替代方案，缩短设计时间，降低相关研发成本。过去几年内，整车有限元法（FEM）仿真能用域分解（DDM）法实现，ANSYS HFSS软件正是推广这种方法的先驱。DDM创建一系列子域，每个子域用不同计算内核或连接到网络的不同计算机求解，从而实现整个仿真域的并行处理。DDM帮助工程师进行整车仿真，HFSS还提供另外的方法求解大型电磁场结构，那就是FE-BI（混合有限元—边界积分）法。
远场行为对比显示FE-BI法相对于传统方法而言更准确。
FE-BI用积分方程（IE）求解法作为FEM问题空间的截断边界，能结合FEM和IE二者之长。不同求解模式的组合使得菲亚特克莱斯勒的工程师相对于FEM方法的要求而言，能大幅缩小仿真求解规模。由于辐射源到FE-BI边界的距离可以任意小，因此求解时间能缩短，同样整体计算工作也能减少。
ISO 11451-2 测试装置（左）。用于ANSYS HFSS仿真的虚拟测试室（右）。
FEM、IE 和FE-BI模型的对比。使用FE-BI后求解区域减小（相对于传统FEM或其它数值3D场求解器而言）有助于加快仿真速度。
天线远场方向图，整个模型的Φ=90度
两个子区域同时用HFSS FE-BI求解器求解。空域显示为浅蓝色，大部分空气量已被除去。
两个平面壳上的电场和平分汽车传统FEM（顶部）和FE-BI（底部）求解量结果的平面
为了展示FE-BI方法的功能，菲亚特克莱斯勒团队与ANSYS的南美渠道合作伙伴ESSS用FE-BI功能进行整车仿真。该团队就ISO 11451-2标准应用了相关结果，以确定电子子系统的EMI。就仿真而言，该团队在测试区将较大空域减小为两个小得多的空间，并符合包含的结构。空域表面靠近天线和汽车。
菲亚特克莱斯勒工程师没有在仿真中建模吸收元件，因为FE-BI中的IE边界相当于自由空间仿真，与物理测量所用的吸收材料相同。整体计算时间只有28分钟，比传统FEM求解加快了10倍多。此外，FE-BI仿真所需的全部RAM为6.8GB，相对于此前用FEM时减少了10倍多。
用FE-BI法所得的求解结果显示数量值预测与用FEM所得的结果有着很好的一致性。汽车表面和二分之一截面用这两种求解方法计算所得的电场都很类似，整个模型的整体远场方向图也一样。
此外，FE-BI法也可用于检测嵌入式控制单元模块的抗干扰性。为了展示这种功能，工程团队在仿真中用印刷电路板（PCB）连接引擎线束。发送信号从引擎底部的传感器，使用路由在引擎周围的线束传到PCB。线束一端用红色四通连接器连接到PCB。一个四通连接器的引脚焊接到迹线（开始于连接器侧PCB的顶部，通过通孔到底侧）上，在此连接到微控制器。在此情况下，团队只分析单个车载诊断系统（OBD）协议CAN J1913信号。
线束在EMI中扮演重要角色，因为它会成为一个辐射源。为了更好地了解线束影响，ESSS工程师执行了两个仿真。第一个采用PCB和线束以及底盘和源天线。在第二个仿真中，团队除去线束，并把随机的CAN J1939信号直接施加给PCB连接器，而不是引擎底部的传感器位置。
PCB 相对于汽车的位置
CAN J1939信号仿真，左图为仅有PCB，右图为带线束的PCB：a）电场图分布；b）微处理器接收信号的眼图。连接线束时观察到EMI。C）微控制器正在接收信号时的浴缸图。浴缸曲线受到EMI源的很大影响，最后位误码率为1E-2，这意味着每100个里面就有一个位被微控制器错误解释。
在HFSS 中使用FE-BI求解器，团队能方便地计算电磁场和两个仿真的散射参数（无论带不带线束）。仿真显示连接到线束时的PCB上的谐振。谐振频率是连接PCB线缆长度的函数。连接到PCB时，线束会将源天线和PCB之间的耦合增加30dB以上，范围为152MHz到191MHz。
最后，工程师将3-D电磁场模型和HFSS中的ANSYS电路求解器动态链接起来，从而仿真线束和PCB中的CANJ1939信号。ANSYS Designer软件可将HFSS生成的频域结果和基于时间的信号无缝整合。在Designer中，我们能指定不同信号，以激励天线和线束。对仿真来说，团队设置天线激励为150V正弦信号常量，延迟为8μs，扫频范围在10MHz到50MHz之间。初始时间延迟的设置能清晰看到EMI对传输信号的影响。团队生成首次仿真线束传感器末端的CAN J1939信号，第二次仿真时信号直接注入连接器，没有线束。带线束的仿真显示整体传感器系统性能会受到入射辐射的很大影响，其频带为152MHz到191MHz。
线束连接到PCB的点
S-矩阵和PCB，包括带和不带线束的情况
ANSYS HFSS FE-BI功能作为数值方法具有明显优势，能根据汽车EMC标准进行整车仿真。FE-BI法比传统FEM仿真速度快10倍多，而且所需的计算减少10倍。因此，EMI/EMC工程师能在虚拟无回声室中开始仿真整车和子系统，以满足EMC和EMI标准。此外，采用仿真技术能准确进行假设分析，确定驾驶员或乘客所携带的电子通信设备带来的潜在EMI问题。同时，我们也能更好地了解每台车中各种电机造成的瞬态噪声问题。
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本文标题：借助仿真技术分析潜在的车辆EMI问题
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