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CISPR25 CE协议仿真应用案例

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1.摘要

电磁兼容（EMC），是指设备或系统在电磁环境中性能不降级的状态。随着汽车电气化智能化的需求越来越高，电磁兼容已经成为汽车尤其是新能源汽车设计生产不可回避的关键问题之一。目前汽车需要经过各类EMC标准的严苛检测才能上市，汽车EMC标准体系上可以分为国际标准体系如ISO、 IEC、 CISPR等，国家标准体系如ANSI、 DIN、GB等、企业标准体系如EMC-CS-2009、 GMW-3097等、地区标准体系如欧盟的ECE法规/EEC指令等。

图1 电磁兼容分类图

车企传统的EMC协议符合度评价方式是采用后端测试方式，由于测试处于研发流程的后端，碰到问题往往整改的成本和时间代价大。仿真作为一种虚拟测试手段，能灵活应用于研发流程的各个阶段，能随时发现问题解决问题，将后端风险降到最低。它能否在EMC协议符合度评价和优化整改方面起到一定辅助作用？本案例讲解了如何利用Ansys电磁仿真软件包进行CISPR25 CE协议仿真评估的流程。

2.仿真思路

CISPR25 CE协议仿真分析的第一步是建立相应的虚拟测试平台三维电磁场模型。在Ansys HFSS Component Libraries里有丰富的模型库，里面就有CISPR25 CE和RE测试台的三维模型库，我们可以直接调用，省去了测试平台建模时间。有了测试平台模型，我们需要对仿真对象PCB进行精细化建模，Ansys电磁仿真平台支持业界主流EDA设计文件的一键导入，网表信息、层叠信息、布局布线都与EDA原始设计保持一致，无需重复设置，方便快捷。完成测试平台及待测PCB建模工作后，我们就可以开展三维电磁场仿真工作。由于测试需要LISN电源，我们还需要借助场路结合仿真，将三维电磁场仿真结果带入电路仿真器中，进行电路搭建并仿真出波形频谱，将仿真结果频谱与CISPR25协议定义限值进行对比，即可知道是否CE超标及超标频点。我们可通过优化PCB布局布线改善传导发射， Ansys电磁仿真平台将通过直观的仿真结果对比，让我们找到优化方案，降低和规避CE风险，增强设计的鲁棒性。

3.仿真流程与结果

仿真流程

Importing PCB

打开Ansys电子桌面，Importing 待测PCB设计文件，电子桌面会自动建立一个HFSS 3DLayout工程并导入PCB文件。将待测PCB导出为HFSS 3D文件。新版本也可将PCB模型生成3D Component文件。

图2 HFSS 3DLayout导出PCB给HFSS 3D

在HFSS工程导入CISPR25_CE组件

打开3.1.1导出的PCB HFSS工程，将Solution Type设置成Terminal模式。在Component Libraries里面找到CE_CISPR25_Locally_Grounded，点击鼠标左键拖动到模型工作区即可。

图3 从Component Libraries中

导入CISPR25测试平台组件

建立待测PCB与测试平台模型的连接

移动PCB模型坐标到测试平台模型对应位置，并进行PCB与测试平台模型对接连接器建模，调整模型，完成后模型如下图示。

图4 CISPR25虚拟测试三维模型

仿真设置

在Project Manager里右键Analysis，添加一个仿真需求，如下图示。设置完成后即可点击Analyze开始仿真。

图5 仿真设置

建立电路工程

建立一个Circuit Design，点击仿真完成的HFSS Design并拖拽到Circuit Design上，Circuit模型工作区会显示如下图示的电路模型，此模型其实是含有上面HFSS电磁场仿真的结果信息。下面我们将进行场路结合仿真。

图6 Circuit电路仿真器中的HFSS电磁场模型推送

搭建电路仿真模型

我们可以右键点击电路仿真器中的HFSS模型，通过Edit Symbol调整各端口的位置名称等信息。并利用Component Libraries添加CISPR25_LISN电源、R电阻和CLOCK等器件。完成后原理图如下图所示。

图7 CISPR25电路仿真原理图

Circuit仿真设置

在Project Manager中右键点击Analysis，进行瞬态仿真设置，设置示意图如下。完成设置后即可开始仿真。

图8 Circuit电路仿真设置示意图

仿真结果查看

仿真完成后，可以在Result查看输出信号的波形及频谱图。在频谱图中，可以右键点击Add Limit Line加入协议限值进行协议对比，直观获取整个频谱带宽的超标频点及幅值。

图9 Circuit电路仿真结果输出

图10 瞬态波形结果图

图11 CLK波形结果图

图12 CE频谱结果图

4.结论

通过Ansys场路结合仿真，我们可以进行虚拟测试评估所研发产品是否符合协议要求，并由此对所设计产品进行优化改进，在物理原型机生产之前提前预判产品特性，大大减小后期测试风险和代价。

来源：艾迪捷

基于GT-SUITE的电池包热失控传播仿真

概要热失控以及热失控传播是锂电池面临的主要安全问题。本文将基于GT-SUITE针对一个模组进行热失控传播分析，介绍GT-SUITE进行热失控传播仿真的基本方法。热失控传播仿真一般有两种方法：① 直接利用化学反应动力学计算各电芯中不断发生的副反应。该方法是有用的，但计算成本高，且许多反应动力学参数需要标定；② 避免计算化学反应动力学，基于量热器的测试数据，将电芯热失控过程中总的产热量按照一定比例分配到电芯各部分中（如卷芯、正负极喷出物等）。该方法计算成本低，更为实用。本文采用方法二，后续我们将介绍GT-SUITE 基于反应动力学的热失控仿真方法。01 模型介绍下图为本文所用模组。该模组由14个18650型圆柱形电池并联而成，该电芯的标称容量为3.6Ah，标称电压3.6V。模型中包含电池壳（23micro）、卷芯、上下采集板（capture plate）、泡沫衬套（foam liner）。冷却液方式为水冷，冷却位置为电芯底部，假设水冷板的温度为25℃，这样就不必建立冷却水的流体回路。另外，外壳与环境之间也发生辐射传热，环境温度为20℃。模组几何下表为所用材料的热特性。卷芯与外壳之间的接触热阻假设为0.00125~0.0025 m2-K/W。其他固体部件之间的接触热阻均为0.001m2-K/W。 02 模型处理下图为在GT中进行详细模组热管理的模型处理过程。本模型共14000个有限元网格，可以得到固体部分的温度分布。该模型的计算速度可以达到实时仿真的水平。 03 控制设定热失控传播仿真一般有两种方法：① 直接利用化学反应动力学计算各副反应。该方法是有用的，但计算成本高，且许多反应动力学参数需要标定；② 避免计算化学反应动力学，基于量热测试数据，将电芯热失控过程中总的产热量按照一定比例分配到电芯各部分中（如卷芯、正负极喷出物等）。该方法计算成本低，更为实用。本文采用方法二。下面将介绍如何触发热失控，以及热失控之后的电芯是如何发热的。热失控的触发热失控的触发一般由3种诱因：机械滥用触发、电滥用触发和热滥用触发。在热失控传播仿真中，可以不考虑单体热失控是如何触发的，而只关注单体热失控触发之后的传播问题。故可以指定14个电芯中的任意一个发生热失控。在模型中这是通过给定该电芯一个60W的热源来实现的。当该电芯外壳顶部的温度达到180℃时，认为热失控被触发。热失控之后热失控发生后，热量的传递路径可能有三种：电池壁面、极耳、射流火焰。如下图所示。有试验[1]表明通过电池壁面的路径是最重要的。故本文中主要考虑通过电池壁面的传热路径。热失控传播的传热路径[1]在指定的电芯触发热失控之后，电芯会在很短的时间内（如在0.5-1.5s之内），将热量释放。将热失控过程中总的放热量按照比例进行分配。本例中的电芯在热失控时总的放热量为70kJ，假设40%的热量进入电芯本体（卷芯），其他通过泄压阀喷出。总的放热时间为1.5s。另外，热失控发生后，该电芯相当于处在开路状态，在模型中将相邻的bus bar设置为开路状态。对于复杂的模型，应该分步骤进行建模，如下图所示：建模步骤04 结果分析下面将分别触发两个位置的电芯，使其发生热失控。一个在模组的Corner位置，一个在模组的中部位置。然后观察其他电芯的响应。 Corner 处的电芯触发热失控如下图所示，Cell 1触发热失控，而其他电芯都没有发生热失控，其他电芯的最大温度能达到100℃。这表明电芯之间的泡沫衬套起到了很好的隔热效果。电芯的温度变化下图为不同电芯的电流变化，发生热失控的Cell 1的电流将为0，而其他电芯的电流负载仍然比较均衡。不同电芯的电流负载 Middle处的电芯触发热失控如下图所示，Cell 7触发热失控。而其他电芯都没有发生热失控，其他电芯的最大温度能达到90℃。这表明电芯之间的泡沫衬套起到了很好的隔热效果。电芯的温度变化下图为不同电芯的电流变化，发生热失控的Cell 7的电流将为0，而其他电芯的电流负载仍然比较均衡。不同电芯的电流负载综上所述，基于方法2的热失控传播仿真能够得到很多有价值的信息，且计算速度快，可用于较大规模的DOE优化设计。后续我们将介绍基于反应动力学的热失控仿真方法。[1] Xuning Feng, Jing Sun, Minggao Ouyang, Fang Wang, Xiangming He, Languang Lu, Huei Peng, Characterization of penetration induced thermal runaway propagation process within a large format lithium ion battery module, Journal of Power Sources, Volume 275, 2015.来源：艾迪捷