燃料电池汽车缓冲电池的三维热模拟

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