1、汽车维修技师2023年第5期124职教天地 CAREER EDUCATION摘要：高低压线束耦合是电动汽车电磁兼容中需要重视的骚扰问题之一，因此在设计初期，汽车高低压线束电磁兼容设计非常重要。本文主要对电动汽车高低压线束耦合特性进行分析，在FEKO软件中建立高低压线束耦合模型及整车模型，通过S参数对高低压线束的耦合特性进行了仿真分析。并在实车进行了测试，仿真及测试结果表明高低压线束不同的布置方式线束的耦合特性也不同，可以通过适当拉大线束间距和在线束间增加金属结构降低高压骚扰源线束对低压线束的影响。这为整车设计开发过程中选择合理的高低压线束布置方式奠定基础。关键词：线束耦合；EMC仿真；S参数；
2、线束布置 随着新能源汽车、智能驾驶的快速发展，汽车内电子设备大量普及应用，电子设备间的连接线束数量不断增多。在众多线束传输电流及信号时，易出现线束耦合感应作用，导致敏感器件所在线束产生干扰电流，影响电子设备的正常工作。尤其是高压线束工作电流大，干扰强，容易对周边线束产生耦合干扰。车内电磁环境变得复杂与恶劣，给汽车电磁兼容开发带来更多挑战。目前，对车载线束电磁兼容仿真分析的研究有很多。文献1对车载线束进行台架模拟测试分析，为车载线束走线布置提出了限定。文献2对高低压线束布置方式进行多角度研究，文献3对线缆仿真研究，为抑制线束串扰提出解决措施。文献4对车辆、线束及零部件仿真建模做了探索，为线束耦合
3、仿真分析提供了依据。本论文重点研究高低压线束布局对耦合特性的影响，利用FEKO软件建立高压与低压线束耦合模型，仿真分析线束间的耦合特性。模拟分析线束捆绑、线束平行与线束交叉布置对线束耦合特性的影响。结合仿真与实车测试，提出汽车高低压线束布置优化措施，为整车自兼容性能设计提供了依据。在设计开发阶段，减小电磁兼容风险。1 EMC仿真软件当前，快节奏的市场压缩着工程设计的研发周期，电动汽车的高低压线束耦合特性浅析中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司/王冲 郭加加电磁仿真预测技术在前期开发愈发重要。在计算机性能和数值仿真技术不断提升的基础上，各公司研发推出多款电磁场仿真软件，如CST、HFSS、FEK
4、O等。每个仿真软件都有各自的特点。本文中采用FEKO电磁仿真软件，对车内线束进行耦合仿真。FEKO是基于矩量法（MOM）的全波求解的电磁仿真软件，该软件中设有线束建模模块Cable，拥有丰富的线缆类型、支持复杂线束电磁辐射、抗干扰以及串扰分析，采用MTL/MOM混合技术分析线缆EMC5。2 电磁骚扰的耦合路径耦合是指由于两个或两个以上相互独立的电路之间存在着分布电容和互感，骚扰通过电磁场的形式从一侧传递至另一侧的现象。对于车内高压与低压线束耦合方式，可以分为电容耦合、电感耦合与电磁辐射耦合。线束间的耦合原理图如图1所示，其中左图为线束的感性耦合等效电路，右图为线束的容性耦合等效电路。电感耦合是
5、一种近场耦合，也称为磁场耦合。当骚扰源为低压大电流时，对外干扰主要为电感耦合。如图1左图所示，电路1所在回路为骚扰源电路，电路2所在回路为敏感电路。L1与L2所在的线束间存在着互感M，电路2感应产生的耦合电压为式中：I1为电路1的产生电磁骚扰的电流；U为电路2感应产生的耦合干扰电压。电容耦合又称之为电场耦合。当骚扰源为高压小电流时，对外干扰主要为电容耦合。如图1右图所示，电路3所在回路为骚扰源电路，电路4所在回路为敏感电路。电路4感应产生的干扰电压为式中：U1为电路3的骚扰源电压；U2为电路4感应产生的干扰电压；Z为敏感电路对地阻抗；C12为电路3与电路4间的单位长度分布电容；C1为电路3对地
6、寄生电容；C2为电路4对地寄生电容。辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能力从骚扰源经空间传输到接收机（敏感线束及设备），大多数耦合可看成近场区耦合。设备外部线束易受到骚扰辐射场的耦合而感应出骚扰电压或者骚扰电流，沿导线进入设备形成辐射 图1 线束耦合途径汽车维修技师2023年第5期125职教天地 CAREER EDUCATION骚扰6。3 S参数S参数是散射参数，属于多端口网络系统的参数，是微波传输中的一个重要参数。在传输线中，2根线束模型可以等效成一个4端口网格，如图2所示为四端口S参数示意图，在一端口接输入信号，其他端口接输出信号。若以S11表示在port1的输入端口，port2、port3与
7、port4作为信号的输出端口，那么S11表示的是回波损耗，S21表示插入损耗，S31和S41表示的是2条传输线发生串扰的反射系数。S31表示近端串扰，S41表示远端串扰。近端串扰表示在某端口施加激励，在相近的一端的另外一个端口耦合到的信号。远端串扰的含义就是在较远的一端耦合到的信号。S参数是两个物理量的比值，S参数求解公式为式中：Vin为入射电压；Vout为反射电压。实际上，各种耦合途径是同时存在的。为方便分析评估，可将电磁场等效电路与传播途径看作黑盒，2根线束可等效为4端口网络模型。通过S31评价线束耦合特性的参数。S31数值高说明线束耦合特性强，干扰线束对敏感线束干扰大；S31数值小说明线
8、束耦合特性弱，干扰线束对敏感线束干扰小，线束布置合理。4 线束耦合特性预测建模及仿真分析选择金属平板上3对不同布置方式单线与车辆环境下的3对高低压线束作为仿真分析对象，分析不同布置方式对线束耦合特性的影响。最后对于车内存在风险的线束进一步添加整改措施，在仿真模型中更改线束布置，仿真对比分析优化结果。考虑电动汽车高压线束对外干扰集中于低频，因此设定仿真频率为1100MHz。同时，使用S参数评价仿真耦合结果。（1）金属地板上线束的耦合特性。以金属地板上的一对单线作为分析对象，仿真对比分析3种不同线束布置的耦合特性。在FEKO仿真软件环境下，建立PEC金属平板，设置一对同长度单线，2根线束长度均为1
9、.5m。在线束端口电路中，设置S参数计算端口，并将端口接地。同时，为减小地面反射对线束耦合的影响，设置线束距地高度为25cm。将线束分别依照捆绑、平行和交叉的方式调整布置，捆绑线束间距1cm；平行线束间距20cm；交叉线束为线束相互垂直，交叉点间距10cm。最后求解各线束间的耦合S参数，进而分析3对线束的耦合特性。图3为3对线束不同布置方式下的耦合特性结果，其中黑色线为线束捆绑布置的S参数曲线，蓝色线为线束平行布置的S参数曲线，红色线为线束交叉布置的S参数曲线。由图可知，3对线束在频谱图中的耦合特性有较大差异。从整体数据而言，线束捆绑布置的S31最大，线束平行布置的S31次之，线束交叉布置的S
10、31最小。表明线束捆绑的方式下，干扰线束对敏感线束端口3和4耦合干扰最大，EMC风险较高。而线束交叉布置的干扰较小，说明该布置能够有效减小高压线束对低压线束的耦合干扰。（2）车内线束的耦合特性。在金属平板上线束耦合分析的基础上，对车内高低压线束间的布局方式的耦合特性仿真分析。选择同一车型的3对存在线束耦合风险的高低压线束作为仿真分析对象，建立高低压线束模型，运算求解3对不同布局线束间的S参数。表写明了3对高低压线束参数及布置信息。如图4所示，收集车辆仿真网格模型、线束截面参数及走线路径数据，在FEKO 搭建束耦合分析计算模型，设置电路计算端口并接地，最后求解每1对线束4个端口的S参数。图中Pr
11、ot1为高压线束中连接干扰源设备的端口，高压系统骚扰电压从此端口进入。Port3为低压线束中连接敏感设备的端口，耦合干扰电压通过该端口进入敏感设备。图2 四端口S参数 图3 两条线束不同布线方式的耦合S参数线束布置特性线束布置方式高压线束（干扰电路）低压线束（敏感电路）布置信息线束捆绑图（a）高压逆变器线束安全气囊控制器线束捆绑走线55cm线束平行图（b）电机控制器高压线束雷达信号线束平行走线1.2m线束交叉图（c）三合一控制器高压线束转角传感器线束交叉点间距6cm线束捆绑布置线束平行布置线束交叉布置汽车维修技师2023年第5期126职教天地 CAREER EDUCATION图5为车内3对高低
12、压线束仿真得到的耦合S参数。黑色线为捆绑布置的高低压线束耦合S参数结果，蓝色线为高低压线束平行布置的S参数曲线，红色线为高低线束交叉布置的S参数曲线。将车内3对线束与金属地板3对单线对比分析可知。S参数随频率变化而变化，但从整体趋势看，车内高低压线束捆绑布置的S31数值最高，线束平行与线束交叉的耦合S参数较小。3对线束的耦合特性曲线排序分布与单线耦合的曲线排序分布一致。表明当高压线束对低压线束捆绑布置时，高压线束对低压线束的干扰能力最强。而高低压线束平行布置与交叉布置相对较好。因此在车辆设计开发过程中，应避免高压线束与低压线束捆绑布置，降低高压线束对车内低压线束的干扰风险。在1100MHz频率
13、内，高低压平行线束布置的S31数值整体较高，高压线束对低压线束的干扰风险很大。通过线束布置，线束平行布置走线长度大，因此高压线束对低压线束干扰强。在1100MHz频率内，高低压线束垂直交叉布置的S31在6090MHz频段内较高。分析车内布置可知，因高低压间交叉点间距过小，导致低压线束易受到高压线束的干扰。（3）线束走线设计调整。调整平行布置线束与交叉布置线束设计，进一步仿真分析线束调整前后的耦合特性。在车内高低压平行布置线束间添加金属部件，仿真分析金属结构对高低压线束耦合的影响，结果如图6所示。在增加金属部件后，高低压线束间的耦合S参数降低510dB，高低压线束间的耦合特性减弱。说明金属部件等
14、结构，有效隔离电磁干扰，降低了高低压线束耦合，有效保护了低压线束。图4 3对不同高低压线束的布置分布图（b）高低压线束平行走线（c）高低压线束交叉布置 图6 平行线束间布置金属结构 图7 交叉线束间距增加10cm 图5 3对线束耦合S参数（a）高低压线束捆绑走线线束捆绑布置低压线束低压线束低压线束高压线束高压线束高压线束线束平行布置线束交叉布置线束交叉布置线束间存在金属结构线束间金属结构减少线束交叉布置间距加大10cm汽车维修技师2023年第5期127职教天地 CAREER EDUCATION将车内高低压交叉布置线束分离10cm后，仿真得到S参数结果如图7所示。对比数据曲线可知，高低压线束间耦
15、合S参数在6090MHz频段内下降510dB，说明高压线束对传感器线束耦合干扰降低，有效保护了传感器正常工作。拉远交叉布置线束间距，对降低交叉线束耦合特性有效。5 实车测试验证通过实车测量，验证上一节2种高低压线束布置优化措施的合理性。使用手持频谱仪和天线探头，进行实测数据采集。调整线束布置，扫描低压线束被干扰前后线束周边场强数据。对比场强数据变化，进而分析高压线束对低压线束耦合干扰影响。（1）金属结构对平行耦合特性的影响。对比金属结构对高压线束辐射至低压线束周边能量的差异，验证金属结构对高低压线束耦合干扰的影响。扫描高低压平行线束原始位置中低压线束周边能量；然后调整低压线束走线，将金属支架部
16、件添加在高低压线束之间，扫描该布置下的低压线束周边场强。2次扫描结果如图8所示。对比图中数据曲线可知，在增加线束间的金属结构后，低压线束周边场强降低，高压线束对低压线束的干扰减小。金属结构能够阻挡电磁波传播，隔离高压线束的电磁干扰。（2）线束间距对线束耦合特性分析。针对车内高低压交叉布置调整，拉大交叉点处间 距。使 用 手 持 频 谱 仪 扫 描 调 整 前 后 的 低 压 线 束周边场强。数据结果如图9所示，对比数据曲线可知，在线束间距增加10cm后，低压线束周边场强在48100MHz频段内减小，说明高压线束对低压线束的干扰减弱。仿真预测与实测结果相符合，该措施对低压线束防护有效。图8 高低压平行线束采集数据 图9 高低压交叉线束采集数据6 分析与结论本文通过建立高低压线束模型，对比分析线束间耦合特性。通过线束仿真分析，可知线束交叉布置的抗干扰能力大于线束平行布置与线束捆绑布置。通过车内线束仿真与实车测试对比验证，可知对于高低压线束布置，可拉大线束间距与增加线束间金属结构，以此减小高压线束对低压线束的电磁干扰辐射。同时，在整车EMC开发设计阶段，可从高压系统设计分布考虑，将高压线束与
