CST電動汽車Cable Harness Simulation全流程電磁模擬(上)

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在電動車的設計過程中,整車線束(Cable Harness)作為實現車輛功能的主要連接載體,支撐了動力、供電、訊號傳輸、自動駕駛、安全監測等多方面功能的實現。工程師在設計過程中,也要同時兼顧多方面的需求,包括電氣性能、安全可靠性、熱設計、佈置走向、EMC防護、電磁屏蔽、成本、生產等。從EMC方面來看,電動車中的馬達控制器、OBC、DCDC等高壓模組是最主要的干擾源之一,易受影響的子系統包括先進駕駛輔助(ADAS)系統、導航系統、多媒體系統、FCM碰撞預警系統,以及其他低壓類控制訊號。

傳統的汽車以車身結構、造型為主,再增加各功能部件的設計流程,完全無法適應電動化的需求。汽車電動化的設計流程離不開電磁模擬,小到一個汽車鑰匙,大到整車級EMC問題分析,達梭系統SIMULIA CST都能提供完整的電磁模擬解決方案。

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CST電汽車線束全流程的電磁模擬方案包括:Cable模型建立、Cable特徵阻抗、S參數模擬、傳輸特性分析、耦合模擬、屏效模擬等EMC問題模擬。接下來透過一個真實的案例,詳細介紹CST的整車線束電磁模擬方案。

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上圖是此模擬的系統框圖,包含了電池、DAB、FCM、ECU4個子模組。噪音源頭來自DCDC電源線,受擾的是DAB的同軸線和FCM的雙絞線。首先是要完成Cable模型的建立,可以藉助達梭系統CATIA建立整車及Cable模型,透過達梭系統3DEXPERIENCE平台直接導入CST Studio Suite,這個過程非常自動化。

Cable建模

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上圖是根據實際走線情況所建立的CST模擬模型,透過CST Cable Studio可以對每一段走線的類型、材質、間距等資訊進行定義。

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Cable特徵阻抗模擬

接下來模擬Cable的差模及共模特徵阻抗。以紅色N11-N12這段線束為例,這段走線包含了兩種類型的走線,分別是同軸線和電源線。透過軟體自帶的Impedance Calculator功能,可以很方便的計算出同軸線的差模特徵阻抗是45.83歐,線束對結構件的共模特徵阻抗為269.3歐。

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也可以直接計算Cable的RLC參數,如下圖所示。

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有了這個結果,我們將進入下一步汽車Cable的傳輸特性模擬,包括Cable的S參數、Crosstalk模擬。

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上圖是此模擬的3D模型,包含了Cable模型(由CST Cable Studio建立)、簡化的3D結構模型(模擬整車結構)。這裡要說明的是,整車結構模型對Cable之間的耦合有非常大的影響,此處用簡化模型是為了提高模擬效率,在實際情況下,如果想獲得比較準確的模擬結果,一定要使用真實的車身結構模型。

建立Cable Port

建立3D模型之後,需要為Cable新增Port。從CST 2023版本開始,Cable新增的方式有些變化,增加了一個Cable Ports圖標,點擊之後開啟Cable Ports Manager。使用者可以依需求來定義差模Port和共模Port,想要了解更多細節的話可以參考CST Help文件。在這個模型中,所有Cable的Ports都定義成共模Port(Cable Port to Reference)。

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訊號線的S參數模擬

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如上圖所示,本案例中有兩種規格的訊號線,分別是N1-N2段的雙絞線和N11-N12段的同軸線,在雙絞線的兩端加上Mode converter,可以同時對雙絞線的差模和共模態進行分析。還記得一開始我們有計算過Cable的特徵阻抗嗎? Port的阻抗值設定要參考Cable特徵阻抗的計算結果。

透過建立S-Parameter Task,可以很快地拿到訊號線Cable的插損(S21)、回損(S11)曲線,以及差模轉共模(S31、S41)曲線。

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電源線與訊號線的Crosstalk模擬

電源線和訊號線之間的串擾問題,是電動車上常見的電磁干擾問題。為了模擬電源線的干擾,在電源線的一端添加Port6(如下圖所示),電源線其他連接埠端接負載電阻。如果想獲得更準確的模擬結果,在模擬建模時需要增加PCB的模型。

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噪音源的設定可以選擇兩種不同的方法。

  • 方法一:建立AC Task

選擇1V的寬頻訊號作為激勵來源。透過模擬可以看到訊號線(雙絞線和同軸線)上耦合的頻域雜訊。這種方法可以幫助工程師判斷高風險的諧振點。

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  • 方法二:建立Trans Task

設定真實的時域訊號作為激勵來源(需要考慮PCB)。透過模擬可以看到訊號線(雙絞線和同軸線)上耦合的時域及頻域雜訊。這種方法可以幫助工程師獲得更準確的模擬結果。

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資料來源:  周明 - CST電動汽車Cable Harness Simulation全流程電磁仿真(三)
 周明 - CST電動汽車Cable Harness Simulation全流程電磁仿真(四)

關鍵字:電動汽車、Cable、電磁模擬、EMC、線束、Crosstalk