汽車正快速成為移動熱點。無線鏈接、多媒體設備、電子控制模塊和混合動力/ 電力驅動等組件不斷被添加到車輛中，這就使得電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）設計變得日益重要。巴西菲亞特克萊斯勒的工程師團隊正采用ANSYS HFSS和整車試驗來分析潛在的車輛EMI問題，從而保證整體產品完整性。
隨著汽車中的電子組件快速增加，一系列指南應運而生，包括立法要求、行業協會標準和針對具體汽車生產商的限制。
最早的行業指令之一是1972年歐洲對電子火花塞噪聲的要求，隨后許多組織機構都針對汽車行業制定了各種相關標準。
許多標準、指令和監管要求的目的是確保汽車安全，讓所有板上系統在EMI環境下保持正常工作，在受干擾后要么能自動重返正常狀況，要么通過手動復位返回正常狀況。菲亞特克萊斯勒工程師的一大擔憂是現在汽車包含的線路太多，一輛車中的線路總長達到5公里。布線本身顯然是EMI源，同時現代汽車中還包含許多電子產品，也構成了EMI源。此外，駕駛員攜帶的手機、平板電腦、藍牙設備等也構成EMI源。生產智能汽車的汽車制造商必須滿足相關標準要求，減少故障風險。
傳統的EMI/EMC程序和技術不再適合最新一代的電子設備和組件要求，一些汽車標準的開發采用了實驗室測試，目的就是減少車內出現EMI干擾的可能性。ISO 11451-2 是一項重要的國際實驗室標準。該標準提出要檢測在無回聲環境內源天線對整車的輻射，所有電子子系統的性能都不得被源天線的電磁干擾影響。
ISO 11451-2 旨在確定專用或公共道路上行駛車輛對車外輻射源的抗電氣干擾性，無論車輛采用什么推進系統（包括混合動力和電動車輛）。測試程序規定了電波暗室中的整車性能，創造了反映開放場測試的環境。測試地面通常不覆蓋吸收材料，但這種覆蓋材料是允許的。
標準測試包括用源天線生成輻射電磁場，射頻（RF）源能生成所需的場強度，范圍在25V/m到100V/m乃至更高。測試涵蓋的頻率范圍為10kHz到18GHz。在程序期間，所有嵌入式電子設備都必須無瑕工作。無瑕性能也適用于源天線的掃頻。
物理上進行ISO 11451-2標準測試會占用大量時間，也需要昂貴的設備，使用昂貴的測試設施。數值仿真法能提供低成本的替代方案，縮短設計時間，降低相關研發成本。過去幾年內，整車有限元法（FEM）仿真能用域分解（DDM）法實現，ANSYS HFSS軟件正是推廣這種方法的先驅。DDM創建一系列子域，每個子域用不同計算內核或連接到網絡的不同計算機求解，從而實現整個仿真域的并行處理。DDM幫助工程師進行整車仿真，HFSS還提供另外的方法求解大型電磁場結構，那就是FE-BI（混合有限元—邊界積分）法。
遠場行為對比顯示FE-BI法相對于傳統方法而言更準確。
FE-BI用積分方程（IE）求解法作為FEM問題空間的截斷邊界，能結合FEM和IE二者之長。不同求解模式的組合使得菲亞特克萊斯勒的工程師相對于FEM方法的要求而言，能大幅縮小仿真求解規模。由于輻射源到FE-BI邊界的距離可以任意小，因此求解時間能縮短，同樣整體計算工作也能減少。
ISO 11451-2 測試裝置（左）。用于ANSYS HFSS仿真的虛擬測試室（右）。
FEM、IE 和FE-BI模型的對比。使用FE-BI后求解區域減小（相對于傳統FEM或其它數值3D場求解器而言）有助于加快仿真速度。
天線遠場方向圖，整個模型的Φ=90度
兩個子區域同時用HFSS FE-BI求解器求解。空域顯示為淺藍色，大部分空氣量已被除去。
兩個平面殼上的電場和平分汽車傳統FEM（頂部）和FE-BI（底部）求解量結果的平面
為了展示FE-BI方法的功能，菲亞特克萊斯勒團隊與ANSYS的南美渠道合作伙伴ESSS用FE-BI功能進行整車仿真。該團隊就ISO 11451-2標準應用了相關結果，以確定電子子系統的EMI。就仿真而言，該團隊在測試區將較大空域減小為兩個小得多的空間，并符合包含的結構。空域表面靠近天線和汽車。
菲亞特克萊斯勒工程師沒有在仿真中建模吸收元件，因為FE-BI中的IE邊界相當于自由空間仿真，與物理測量所用的吸收材料相同。整體計算時間只有28分鐘，比傳統FEM求解加快了10倍多。此外，FE-BI仿真所需的全部RAM為6.8GB，相對于此前用FEM時減少了10倍多。
用FE-BI法所得的求解結果顯示數量值預測與用FEM所得的結果有著很好的一致性。汽車表面和二分之一截面用這兩種求解方法計算所得的電場都很類似，整個模型的整體遠場方向圖也一樣。
此外，FE-BI法也可用于檢測嵌入式控制單元模塊的抗干擾性。為了展示這種功能，工程團隊在仿真中用印刷電路板（PCB）連接引擎線束。發送信號從引擎底部的傳感器，使用路由在引擎周圍的線束傳到PCB。線束一端用紅色四通連接器連接到PCB。一個四通連接器的引腳焊接到跡線（開始于連接器側PCB的頂部，通過通孔到底側）上，在此連接到微控制器。在此情況下，團隊只分析單個車載診斷系統（OBD）協議CAN J1913信號。
線束在EMI中扮演重要角色，因為它會成為一個輻射源。為了更好地了解線束影響，ESSS工程師執行了兩個仿真。第一個采用PCB和線束以及底盤和源天線。在第二個仿真中，團隊除去線束，并把隨機的CAN J1939信號直接施加給PCB連接器，而不是引擎底部的傳感器位置。
PCB 相對于汽車的位置
CAN J1939信號仿真，左圖為僅有PCB，右圖為帶線束的PCB：a）電場圖分布；b）微處理器接收信號的眼圖。連接線束時觀察到EMI。C）微控制器正在接收信號時的浴缸圖。浴缸曲線受到EMI源的很大影響，最后位誤碼率為1E-2，這意味著每100個里面就有一個位被微控制器錯誤解釋。
在HFSS 中使用FE-BI求解器，團隊能方便地計算電磁場和兩個仿真的散射參數（無論帶不帶線束）。仿真顯示連接到線束時的PCB上的諧振。諧振頻率是連接PCB線纜長度的函數。連接到PCB時，線束會將源天線和PCB之間的耦合增加30dB以上，范圍為152MHz到191MHz。
最后，工程師將3-D電磁場模型和HFSS中的ANSYS電路求解器動態鏈接起來，從而仿真線束和PCB中的CANJ1939信號。ANSYS Designer軟件可將HFSS生成的頻域結果和基于時間的信號無縫整合。在Designer中，我們能指定不同信號，以激勵天線和線束。對仿真來說，團隊設置天線激勵為150V正弦信號常量，延遲為8μs，掃頻范圍在10MHz到50MHz之間。初始時間延遲的設置能清晰看到EMI對傳輸信號的影響。團隊生成首次仿真線束傳感器末端的CAN J1939信號，第二次仿真時信號直接注入連接器，沒有線束。帶線束的仿真顯示整體傳感器系統性能會受到入射輻射的很大影響，其頻帶為152MHz到191MHz。
線束連接到PCB的點
S-矩陣和PCB，包括帶和不帶線束的情況
ANSYS HFSS FE-BI功能作為數值方法具有明顯優勢，能根據汽車EMC標準進行整車仿真。FE-BI法比傳統FEM仿真速度快10倍多，而且所需的計算減少10倍。因此，EMI/EMC工程師能在虛擬無回聲室中開始仿真整車和子系統，以滿足EMC和EMI標準。此外，采用仿真技術能準確進行假設分析，確定駕駛員或乘客所攜帶的電子通信設備帶來的潛在EMI問題。同時，我們也能更好地了解每臺車中各種電機造成的瞬態噪聲問題。
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本文標題：借助仿真技術分析潛在的車輛EMI問題
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