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FEKO汽车电磁兼容解决方案


1、概述

汽车电子产品正朝着日益增多的趋势,电子技术在解决汽车的经济性、安全性、舒适性等方面起着非常重要的作用。越来越多的高科技汽车电子产品的开发和应用,带来了一个不容忽视的重要课题 — EMC性能的分析。EMC性能是指电气装置或电气系统不产生干扰或不受环境干扰,工作在指定环境中的能力。汽车电子电器设备所产生的电磁波将对周围的环境带来电磁污染,同时,外界的无线电干扰也会给汽车上的高科技电子产品的正常工作带来不利干扰。因此,伴随电子产品在汽车上的广泛应用,怎么解决汽车电子设备的EMC技术,提高汽车的可靠性和安全性,保证行驶的汽车不干扰周围设备的正常工作,已成为一个非常重要和迫切的分析课题。

汽车电磁兼容仿真技术是通过计算机模拟分析问题的方法。在电磁兼容测试之前进行仿真可以在设计早期发现电磁兼容问题减少或避免在后期解决电磁兼容问题而引起的技术或成本障碍。国外对汽车的EMC仿真技术非常重视,很早就开始了EMC仿真工作,目前已经形成了较为完善的汽车EMC仿真手段。建立正确的仿真模型是汽车电磁兼容仿真预测最重要的一步,可以有效的预估整车电磁问题,并可以在概念设计阶段发现潜在电磁问题,应用电磁兼容处理手段,提前解决问题,缩短了研发周期,节约了反复做EMC试验的成本,并为产品批量生产、快速进入市场打下了坚实的基础。


2、解决方案

FEKO系统级电磁兼容分析提供了全面的解决方案,可以满足电缆互连网络、多PCB板与机箱系统、系统间及空间电磁环境的所有电磁问题的分析要求,能够高效地促进用户的产品研发。FEKO是针对系统的电磁兼容性能等高频电磁辐射问题开发的专业电磁场分析软件,从严格的电磁场积分方程出发,以经典的矩量法(MOMMethod Of Moment)为基础,采用了多层快速多极子(MLFMMMulti-Level Fast Multipole Method)算法在保持精度的前提下大大提高了计算规模(专门针对电大尺寸的高频电磁问题)及计算效率;并将矩量法与经典的高频分析方法(物理光学POPhysical Optics,几何光学法GOGeometric Optic,一致性绕射理论UTDUniform Theory of Diffraction)完美结合,从而非电磁兼容-EMI/EMI、开域的辐射等领域的各类电磁场问题。此外,FEKO软件混合了有限元法(FEMFinite Element Method),能更精确的处理多层复杂电介质、生物体吸收率的问题。

FEKO作为系统级电磁兼容分析软件自身包含了强大线缆分析模块。另外,FEKOPCB板级的电磁兼容软件具有开放的接口。支持导入PCB板级分析软件计算的近场数据导入,支持测量设备测试的近场数据导入。因此FEKO软件与第三方PCB分析软件形成了完整的电磁兼容分析方案,能够完成复杂线缆束电磁兼容分析、电路板机箱系统电磁兼容分析、机箱屏蔽效能分析、系统级电磁环境分析等各种电磁兼容问题。

 

3、应用

3.1智能钥匙

      为提高驾驶者的便捷性、舒适性,无钥匙进入系统已经广泛使用,FEKO电磁仿真技术可以帮助工程快速验证其有效性。智能钥匙的功能:

无钥匙进入功能

      a) 当钥匙靠近车体时,车门自动开锁并解除防盗警戒状态,同时方向灯闪烁2次;当钥匙离开车体时,车门自动上锁并进入防盗警戒状态,此时转向灯闪烁1次,喇叭响一短声;

      b) 主门的有效检测距离不小于1.5m,其他门要求在门边时有效。

自动升窗与设防功能

      a) 当钥匙离开车体3-5时,车门自动上锁并进入防盗警戒状态,此时转向灯闪烁1次,喇叭响一短声;

      b) 车窗会自动升起。

无线遥控功能

       a) 遥控上锁:按此按键,车门上锁,转向灯闪烁1次,同时喇叭响一声,汽车进入防盗警戒状态;

       b) 遥控开锁:按此按键,车门开锁,转向灯闪烁2次,同时解除防盗报警状态;

       c) 寻车功能:按此按键,电子喇叭响8,转向灯闪烁8次;若主机检测到钥匙或接收到开门信号,则自动终止寻车功能;

       d) 无线遥控距离不小于20米;

 

智能钥匙工作范围                                                        遥控钥匙有效覆盖

3.2 Windscreen天线

       通信是现代汽车所必需设备,不断增加的功能要求汽车制造商引入越来越多的天线。例如:需要有FM/AM天线、GPS、电视天线等。天线应安装汽车不显眼的位置。挡风玻璃天线,这些包括玻璃和挡风玻璃多层线路构成的天线。与设计其他天线相同,工程师们需要能够模拟不同类型的玻璃天线,评估性能指标,例如:效率、S参数、阻抗、驻波和增益等。

       传统的鞭天线优点设计简单,缺陷也比较明显,它比较很容易破裂或折损与物体接触的干扰。在有大风或高速行驶条件下的存在噪声,影响车辆的气动性能。并且由于鞭天线的存在,车身外部增加了很多凸出物,洗车或停在机械停车场,很容易造成损坏,从而影响信号的有效接收。印刷玻璃天线相比鞭天线的更具有优势。

       印刷天线玻璃取代杆式天线的基本原理:利用金属涂料将接收线印在玻璃上,连结车内的低噪声放大器(Amplifier),电磁波信号输入收音机或电视。 AMFM天线可设计成两个独立部分。调幅和调频输出相结合。一个单一的玻璃窗口式天线设计AMFM接收通常只有一个输入和一个输出。后部的天线可以安装在后挡玻璃,从单独的或除霜结合除霜线。如果集成了除霜除雾器,印刷天线需要包括一个特殊的过滤器来防止噪音干扰除霜器。

         

FEKO仿真玻璃天线模型 

        

FEKO仿真FM/ TV频段玻璃天线反射系数VS测试

 

FEKO仿真XX整车玻璃反射系数仿真结果VS测试结果

 

FEKO仿真玻璃天线增益(3D)与近场分布

3.3 胎压传感器

       轮胎压力监测系统(TPMS),英文Tire Pressure Monitor System。它的的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测,并对轮胎漏气和低气压进行报警,以确保行车安全。有数据表明,由爆胎引起的车祸在恶性交通事故中所占的比例非常高,而所有会造成爆胎的因素中胎压不足当为首要原因。在欧洲和北美国家,通过相应的法律法规提高人们的安全意识(如:欧盟委员会将强制汽车安装胎压监测系统)。FEKO电磁仿真帮助电子工程师提前评估各种工况下胎压监测系统的有效性。

胎压天线模型

FEKO仿真轮胎压力感应天线的场分布(工作频率315MHz

3.4 车载3G天线

       车载3G设备应用也越来越广泛,为汽车提供更多的娱乐服务与数据方面的支持,3G设备涉及到数据的有效接收与发送,天线的布局影响到设备的性能,进而影响数据传输的速率,对用户的体验同样会产生影响。3G设备本身是对外辐射,与手机设备是相似,同样也存在辐射对其他电子设备和人体影响的问题。这就需要FEKO帮助电子工程师仿真得到最合适的安装位置。

3.5 GPS设备

       车载GPS设备已经广泛应用于车辆导航,如何获得最优的性能,GPS的天线布局显得至关重要,GPS天线是由零部件厂商供应,而零部件厂商仅考虑天线本身的性能。实际应用中GPS设备需要考虑车体对其的影响,为了获得最佳性能,电子工程师就需要考虑不同的布局位置。FEKO软件可以在白车身的数模上进行GPS布局仿真分析,获得不同位置的设备的性能情况,在设计阶段评估处最好的方案,减少反复测试的数量,降低开发成本,缩短研发周期。

 

               

            GPS天线                                                         FEKO仿真GSP单元方向图

 

           整车模型                                                                      FEKO仿真车载GPS天线性能

3.6 雨刮器

       雨刮器系统是安全性产品,因而它需要经受多个循环的耐疲劳度测试,雨刮器频繁的停-摆产生复杂的电磁干扰(EMI)及电磁兼容性(EMC)问题。闪光器、暖风机电机和雨刮器电机成为需强制检测的汽车零部件,其中刮器电机的检测通过率是汽车零部件中通过率最低的,如何解决雨刮器电机的电磁兼容问题,提高汽车的可靠性和安全性已成为一个非常重要和迫切需要研究的课题,雨刮器电机在启动过程中会产生超过电流额定,会在其电源线上产生高频瞬变电压,试数据及经验表明电源线是雨刮器电机对外引起电磁干扰的重要途径,这些电磁干扰不仅会通过导线之间的杂散电容和电感耦合进入控制线信号,线等线路还会通过导线的天线效应将干扰电磁能量以电磁波的形式向周围空间传播,产生辐射干扰,严重影响汽车内外电子设备的正常工作,需要通过电磁仿真软件FEKO评估雨刮器对空间辐射情况,对关键设备的干扰。


       上图是雨刮器电磁兼容示意图。FEKO软件在分析复杂汽车器件如雨刮器电磁兼容问题中,可结合企业现有的测试手段分析雨刮器系统的电磁兼容。具体思路如下:

       1、空间中A点的辐射场的E total 的贡献来源于雨刮器点击和电源线。即:Etotal E电机E电源线的矢量叠加。

       2、由于雨刮器电机结构复杂不适合做电磁场全波分析。通过测试可以得到雨刮器电机对空间A点贡献的场E电机。并测试得到电源信号线输入端的输入信号Uce

       3、将Uce作为线缆束的激励源,对电缆束在FEKO中进行仿真得到对空间A点的贡献场E电源线,即得到Etotal= E电机 + E电源线 ,实现了整个系统的仿真;

       4、通过分析不同频率下Etotal,得到这个雨刮器系统的电磁辐射情况;

 

3.7全自动制动防撞技术

       防撞雷达能根据车辆当前的方向和速度测量到在车辆前方路上可能引起碰撞的危险障碍物,因此它适用于大气能见度低的情况以及实际判断力不理想(车距太短、速度太高)的情况。它的目的是警告驾驶员要打开气囊或其他制动设备,控制汽车的速度。毫米波RF带宽大,分辨率高,天线部件尺寸小,能适应恶劣环境,所以毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点。

       主动汽车防碰撞是以雷达测距、测速为基础的。防撞雷达系统实时监测车辆的前方,当有危险目标(如行驶前方停止或慢行的车辆)出现,雷达系统提前向司机发出报警,使司机及时作出反应,同时雷达输出信号到达汽车控制系统,根据情况进行自动刹车或减速。

       由于汽车在高速行车中变道存在一定的危险性,提高驾驶安全性的主动安全系统显得越来越重要;但由于该系统中最重要的防碰撞雷达安装在汽车前部后部的塑料或带有薄层喷涂的外壳下,验证该系统有效性的工作也就显得尤为重要。

       在防碰撞安全系统中,汽车电子电子部就需要对防碰撞雷达进行了辐射性能设计,在进一步验证了带有电阻材料薄层对雷达辐射模式具有影响后,通过FEKO软件对防碰撞安全系统进行仿真,并优化调整,提高了汽车主动安全系统的有效性。

 

                         自动制动                                                                  自适应巡航控制系统

       升级的自适应巡航控制系统 — 在交通堵塞时可自动跟车

                             

 防撞雷达天线模型                                           防撞雷达天线阵实物

 

防撞雷达E面方向图对比                                           S参数实测结果

                     

77GHz防撞雷达天线

防撞雷达安装在车体上

            

3.8 汽车电缆

       在现代汽车上,汽车线束特别多,电子控制系统与线束有着密切关系。有人曾经打了一个形象的比喻:如果把微机、传感器与执行元件的功能用人体来比喻,可以说微机相当于人脑,传感器相当于感觉器官,执行元件相当于运动器管,那么线束就是神经和血管了。

       汽车线束是汽车电路的网络主体,连接汽车的电气电子部件并使之发挥功能,没有线束也就不存在汽车电路。在目前,不管是高级豪华汽车还是经济型普通汽车,线束编成的形式基本上是一样的,都是由电线、联插件和包裹胶带组成,它既要确保传送电信号,也要保证连接电路的可靠性,向电子电气部件供应规定的电流值,防止对周围电路的电磁干扰,并要排除电器短路。另一方面,线缆对外部的辐射也值得关注。

汽车内部复杂线束

                              

FEKO仿真汽车线缆抗干扰性能(负载不同)

 

FEKO仿真FM频段线缆抗干扰                     FEKO仿真AM频段线缆抗干扰

                       

FEKO仿真复杂线缆束布局


汽车线束模型                                                                         汽车线束负载         

  

    车体表面电流分布                                                                 线缆端口电压              


3.9 汽车电磁兼容测试环境仿真

       暗室主要用来测试汽车电子设备以及电磁兼容性能的环境,实际产品完成后通过暗室来进行测试,获得测试数据,并检验相关技术指标是否达到要求,例如:天线的增益,电缆抗干扰、整车的辐射是否超标。FEKO软件可以帮助工程师在样车设计阶段仿真得到设备的性能,帮助工程师提前了解车载电子设备的性能,做为测试之前把关性能的重要手段,提高了产品测试的通过率。

整车暗室测试                                                   FEKO模拟汽车EMC测试系统

       

Peugeot 508 网格模型                                               抗干扰分析状态

 

仿真与测试对比


3.10 汽车生物电磁危害

       大能量的电磁效应对人体健康存在危害,目前已经制定各种相应的电磁标准来限制这类干扰,使得汽车电子设备受其的影响减小。汽车生物电磁效应的关注来自一向非常关注自身权益的北美消费者,一些消费者声称,他们车内的电磁辐射问题较为严重,甚至引发身体不适。加拿大的一家监测机构也表示,他们在混合动力汽车内监测到较强的电磁辐射。

       虽然这一问题目前尚未有定论,但消费者对于电磁辐射的担忧并非杞人忧天。如今在汽车技术中,无钥匙启动、GPS、蓝牙等电子技术也得到越来越多的应用。因此可能带来的隐性电磁辐射伤害,将成为汽车安全的一部分。

 

FEKO仿真车载手机对人体辐射(无防辐射服与有防辐射服)

 

FEKO仿真车载手机SAR


 

       车内后视镜旁的环天线仿真,工作频率433MHz:显示了在人体纵向剖面上的近场分布。通过加上电介质的车窗并对比仿真结果,电介质车窗导致了车内电磁场的谐振大大增强,因而大大降低了辐射效率。

4 小结

       汽车电磁兼容仿真技术是通过计算机模拟分析问题的方法。在电磁兼容测试之前进行,电磁兼容仿真,可以在设计早期发现电磁兼容问题,减少或避免在后期解决电磁兼容问题而引起的技术或成本障碍。国外对汽车的EMC仿真技术非常重视,很早就开始了EMC仿真工作,目前已经形成了较为完善的汽车EMC仿真手段。建立正确的仿真模型是汽车电磁兼容仿真预测最重要的一步,可以有效的预估整车电磁问题,并可以在概念设计阶段发现潜在电磁问题,应用电磁兼容处理手段,提前解决问题,缩短了研发周期,节约了反复做EMC试验的成本,并为产品批量生产、快速进入市场打下了坚实的基础。


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