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SAECCE 2020 | Ansys侯明刚:验证导向型复杂线束系统评估与认证

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SAECCE 2020 | 诚臻电子李楠:​光电收发器相关研究

2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办,汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日,Ansys技术经理侯明刚在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录:

大家下午好!我是Ansys公司负责电磁兼容解决方案的技术经理,今天跟大家交流一下Ansys这边对于平台级的复杂电缆电磁兼容性能仿真手段的分析方法。我的题目里有两个关键词,一个是验证导向,还有复杂电缆。验证导向是指通过仿真的手段为最终产品的验证和认证提供参考。复杂电缆,像车、船、氢大型的工程载体平台,有整车的,整机、或者整氢、整弹这一类,因为这类东西对于系统而言,所有里面的电子部件的互联都是同电缆来实现的,所以电缆在这样的平台里面比重会很大,尤其我们以电动车为例,刨掉电池组的重量和体积以外,在车载系统里面电缆所占的体积和重量比重非常大,而减重对于汽车而言也是一个比较重要的指标,所以我们对于汽车而言如何设计好电缆系统,电缆系统在车内它的拓扑结构、布局、布线怎么样才能够最好的发挥它的性能,并且能够提供很好的抗干扰能力,这样的整车级电缆系统设计一个重要的任务。

今天大会上很多的议题讲的都是跟测试相关的事情,测试有它的必要性,但是测试也有它的规律,对于从部件到整车这样的一个过程而言,越往后端进行测试,部件级的测试,相关的设备级的测试,到最后总设计的测试,越往后测试成本越高,所以必须用真实的样机进行测试,所以问题在于时间成本和测试设备的成本,以及场地的要求都非常高。对于设计而言,如何能够在设计阶段,我们希望在设计阶段提前对日后的产品性能产生预知,尤其对EMI测试而言,它的好处可以看到,传统的设计是先设计,后制造样品,然后进行测试的流程。重头戏都不会在流程的后端,就在样品制造出来以后测试出问题再整改,这部分会造成很大的设计周期的迭代和产品成本的比重。如果使用仿真的手段好处在于,我们可以在设计阶段,也就是说我们可以在电脑上通过仿真软件的手段,做很多的分析和探索,这样的话可以从诸多方案中选出最佳的设计方案,尽管会在设计初期或者说在设计阶段花比较大的精力,或投入比较多的资源做各种分析,但是好处就在于制造和测试阶段会减少很多的麻烦,这就相当于对EMI、EMC来讲,如果在前期对设计进行电磁兼容仿真的设计,找出设计中的隐患,或者对一些物理现象通过仿真查明或者了解它的一些问题本质,或者问题的原因,对于我们的设计改善以及后期通过测试的机率,就一次性通过设计这样的好处是非常明确的。

回到我们的主题电缆这块,对于电缆系统而言,本身来讲,因为对于整车级别的电缆而言,它的数量、重量、长度都非常多。如何把电缆系统设计好,这是比较有难度的事情。现在很多时候我们是凭着一些经验或者感觉对电缆进行一些空间的拓扑,基本上就是说如何把电缆走顺,都是采用这样的思路把排线尽量短的连接,排线出来的结果如何只能通过后续的测试来了解。

如果我们通过仿真的手段能够在CAD工具里面,在设计阶段,在绘制电缆空间拓扑的时候,就能够对电缆的性能,以及它的抗干扰能力以及对外干扰都有所了解的话,这样对于我们的设计效率提高有很大的帮助。

对于电缆而言,它的仿真方案会有特殊点,因为对于整车而言,或者是整机而言,这种平台级的电缆而言,因为整个平台的尺寸都是几米或者几十米的级别,而相对来说电缆的尺寸,比如电缆里面内部的芯线都是毫米级的,所以尺寸差异非常大。如果采用传统的数值计算的仿真算法而言,大尺寸差异同时存在同一个模型里面。有过数值仿真经历的朋友们可能会有感觉,这种感觉由于非常大的纵横比会造成整个仿真抛砖效率很低,或者质量很差,这样必须采用专用算法,既能考虑三维空间的电磁场情况,又能同时考虑电缆细长结构,至少需要两种算法综合起来互相耦合的进行分析。

Ansys推出的EMA3D  Cable解决方案,就是针对整车、整船平台级的电缆进行分析,主要处理的是几种常见的应用场景,一种外界的强电磁场环境,HIPR或者EMP,强电磁场、强电磁脉冲的环境,这种更多的是一般是一些特殊场合的需求,比如说战场,电子对抗或者什么之类的,或者在一些类似于高压电网或者外界有强电磁场存在的情况,去了解、评估我们的平台汽车内部的电缆上面的感应噪声。还有屏蔽效能,车体的屏蔽效能,还有等飞机的情况,大家经常会有在雷雨天的时候,在家居里面都会有在雷雨天产生浪涌电流、浪涌噪声损坏电子,车内或者飞机内部也有同样的问题。

线缆件的串扰也是比较常见的问题,还有电缆对外的辐射,前面说到RE的问题,辐射发射的问题。RA或者RS,辐射抗扰度或者辐射敏感度,还有传导敏感度,对于电缆更多像BZI,用大电流注入的情况。它整个的应用特别适合飞机、汽车、轨道交通,这种大载体的应用。

这一块来讲,前面我们提的也是为什么用仿真的手段,主要好处是在射频阶段帮助我们去了解物理现象的本质,相当于提升我们对设计的洞察力,我们对这个物理现象问题了解清楚了,我们知道它的根源是什么,才好进行改善。

对于整个复杂电缆系统而言,因为它是连接车内所有的电子部件,或者连接车内所有的传感器或者控制器,进行向导传输的。所有车载电子设备之间的干扰和被干扰主要的路径是通过电缆耦合的,电缆跟电电缆互相之间的耦合,或者电缆跟某个设备之间的耦合,所以电缆是非常重要的介质。

对电缆的分析,对整车和电气性能的分析,抗干扰能力的分析非常重要,对这样的分析有一个自信度的要求,自信度表现在三个方面,一个是说这样的分析结果能够帮助我们改善、优化设计。另外一个要能够进行完整性的分析,也就是说我们必须把整车和整车的电缆放到一个模型里面,一块进行分析,而不需要进行简化,这也是为了达到高执行度的目的。因为我们做简化的时候很难判断或者评估我们这样的简化到底对精度有多大的影响,所以为了能够达到高执行度,就需要能够达到在单一模型里面把整车和整车电缆全部一体化的作为一个模型来分析。第三个点我们需要结果跟相关的测试结果进行吻合,这样才能够为整个认证提供参考。

对于整车电缆而言,因为我们的解决方案更多的,我们EMA3D的解决方案最开始用在飞机上,四航认证这块。在飞机的认证这块标准比汽车更为严格、苛刻一些。所以它可以直接把我们的设计,比如说电缆设计里面包括CAD里面的拓扑结构布局、布线,这些设计直接导入进行分析。

这里面可以看到的是有足够的案例,因为我们这个方案已经在很多的民航客机上所使用,因为在民航里面有相关的DO-160四航认证,在这个规范里面详细规定了可靠性测试的要求以及电磁兼容测试要求,大部分的要求是关于抗扰度的。用在汽车里面,对于仿真而言汽车的方法是一样的,对于仿真手段而言,这样的方法和工具是可以直接拿来用的,分析的工具是类似的。

我们看看汽车这块,对于车载电缆而言,我们主要在这五类问题的分析上,一类是CISPR12里面的辐射发射问题,还有互相缠绕的电缆,然后BCI大电容注入,还有辐射免疫度的问题,另外是功率电缆,比润高压电缆,我们跟射频电路或者是射频收发器之间的干扰,这个主要是车载电缆需要考虑的五类问题。

看一下CISPR12里面的辐射发射的问题,它的方法就是在整车+电缆的模型里面,给电缆车直接注入我们所关注的相关的噪声波形,然后看它另外的辐射发射。采用仿真的手段我们可以很方便的获得3米、4米,或者空间任何位置的场强,很方便的获取辐射发射的强度波,来评估电缆在里面不同拓扑的时候,或者说电缆拓扑结构的变化对辐射场强的影响,如何去优化拓扑结构来改善它的辐射发射。

另外是串扰,主要针对的是线束,我们为了排线的顺畅会进行捆扎,线与线之间的串扰进行分析。仿真测试的数据,屏蔽线与屏蔽线,非屏蔽线与非屏蔽线多种不同的电缆组合互相之间的串扰影响测试以及结果,提供结果精度,可以看到仿真结果跟测试结果的差异非常像,就差几个db,而且本身它的耦合度比较低,所以差几个db足以说明仿真的精度是足够的。

第三类传导的抗扰度,BCI大电流注入的分析。仿真手段跟测试的原理是一样的,也是采用BCI探头的方式,通过射频信号提供噪声注入,注入到电缆里面去,然后我们去分析,在线束上面每根线上面端口上得到的电压和电流的信息,用来评估,在电缆上对噪声的感应和噪声的传输情况。

对于这样的分析来讲我们可以很方便的去调整我们需要注入的射频信号的波形,按照不同的一系列标准根据不同的波形注入抗干扰。这个视频里面是三根线缠绕的电缆,它的仿真结果跟测试波形完全有区别。

还有一类,辐射抗扰度的分析,这里面重点是要考虑连接器的影响,或者说电缆端子的影响。在连接器这块或者电缆端子这块,一些普通的低成本信号线或者线缆,连接的时候在连接器头上会有不同的松散情况,这种松散的情况,因为这一段缠绕关系已经解除了,它们对信号的一些抗干扰能力就会由于共模抑制能力会降低。通过这样的仿真评估端子这块,就是实际安装情况的端子对抗扰度的影响。右边两个图上可以看到,两种连接器连接的端头松散的情况不一样,它在电缆上感觉出来噪声蓝色的波形和黑色的差异还是比较大的。

最后一个对于电缆器关注的问题,功率电缆和天线之间的耦合情况,这也是下午前面几个议题里面多次提到的问题。车载上面的无线收发器比较常见的AM、FM、DAB,现在车里面更多的天线在里面,蓝牙、wifi,功率电缆对它的影响都是要进行考虑的。我们可以看到常见的雨雪天气,还有后座方的调频天线,可以进行分析,我们关注的是天线端口上看到耦合出来的波形。

看一个案例,这是一个车灯电缆,跟后侧窗的电缆在车内布局发生了耦合,对它产生了影响。对这样和的问题我们可以在整个车线缆设计阶段的时候通过相应的仿真进行布局。这两个电缆被放在一个线束里面,在车内进行布线,我们在仿真的时候把整车的结构以及电缆拓扑的结构,可以通过从CAD工具里面导入到仿真环境里面去,给它设置相关的材料属性,做一些相关的端口设置,采用全国电子厂算法就可以很方便的求解出它们之间的耦合关系。

开头我也说到这种同时存在大尺寸,就是尺寸差异非常大,大到10的6次方级别以上的情况,通常的数值计算的算法非常吃力,而需要采用专用算法,既考虑三维空间的,又考虑细长的电缆结构的算法进行处理,这样可以很高效的完成整个车内的分析。这里面不光包含线缆跟线缆之间的,线缆跟车体之间也是有相互的作用。如果刨掉车体,光看线缆之间的耦合,那个结果跟放在车体里面的耦合肯定是不一样的,所以作为平台级的电缆分析,需要把载体和电缆同时进行分析是非常必要的,这样才能保证它的结果跟测试结果的一致性。

前面说到电缆,对于车载电子而言,从抗扰度角度而言一般说的是设备,比如某某收音机,或者某某T-box之类的,某某电子设备有足够的电子抗扰度。最后我们需要关注电缆噪声传到电子设备上的对设备到底有什么样的影响,这个设备上会不会有足够的抗干扰能力,能够消除电子设备噪声。

我们把电缆分析模块和设备分析模块合在一块进行分析,电缆上感应出来的噪声传递给具体的电子设备,比如电路板,进行分析。因为电路板是复杂结构,它有它自己的算法,更加高效,跟刚才电缆的算法肯定是不一样的,所以这样的话,通过这样的链接关系我们就很方便的去验证,我们的电路板设计上面是不是有足够的保护,足够的抗干扰的电路存在。如果抗干扰电路效果不好,如何改善它让它更好,在电路板的分析软件里面进行分析。

同时我们也可以反过来,刚才我们在测试里面提到,对于整车的抗干扰的时候,在我们这个案例里面关注整车电缆对外界的噪声感应情况,有的时候需要模拟特定的场景,这时候需要特定的非标天线来提供非标的特定电磁环境,做天线设计的FIELDS,这是做天线的标准工具,可以用FIELDS做特定的天线设计,把它的场链接到电缆分析模块里面,提供特定的电磁环境来分析特定工况下电缆上感应噪声。

我这边的介绍就到这里,谢谢大家。

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(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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