電動(dòng)汽車(chē)輻射源的仿真分析

鄒新龍，石丹，王子浩，高攸綱

（北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876）

引言

目前，環(huán)境和能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)環(huán)境污染嚴(yán)重，能源消耗大，引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注與擔(dān)憂。電動(dòng)汽車(chē)具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，可有效緩解能源資源緊張、大氣污染嚴(yán)重等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年我國(guó)上市的新能源汽車(chē)數(shù)量達(dá)50 萬(wàn)量。但由于純電動(dòng)車(chē)用電動(dòng)機(jī)取代了內(nèi)燃機(jī)，能量來(lái)源由燃油改成車(chē)載電池。因此主動(dòng)力電路上功率高(100 KW 左右)、電流大(幾百安培) 、工作頻率高(10KHz 或20KHz)，引發(fā)了一系列的電磁兼容問(wèn)題，由此電動(dòng)汽車(chē)的電磁輻射問(wèn)題成為亟需分析和解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)生電磁干擾的來(lái)源有很多：絕緣柵雙極晶體管在高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓峰值，在電池、逆變器和電機(jī)與地盤(pán)之間又會(huì)形成共模和差模干擾，輻射的電磁波也是一種影響電磁兼容的干擾源。

目前，在電動(dòng)汽車(chē)輻射源的實(shí)驗(yàn)方法中，測(cè)試和仿真是目前最為有效和常用的手段。本實(shí)驗(yàn)采用軟件仿真工具主要包括CST、MATLAB 和3D MAX。

1 電動(dòng)汽車(chē)輻射源的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)流程

本實(shí)驗(yàn)的仿真分為兩步完成，第一步：在3D max 軟件中得到汽車(chē)模型，然后將模型導(dǎo)入到CST 中，以便于最后的仿真；第二步：在MATLAB 中建立幾種輻射源的電路模型，并進(jìn)行仿真，將仿真的結(jié)果通過(guò)曲線擬合的方式得到信號(hào)源的輻射表達(dá)式，并把表達(dá)式輸入到CST中作為仿真的激勵(lì)源，圖1 是本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2 汽車(chē)模型的整體架構(gòu)

要仿真汽車(chē)電磁輻射環(huán)境就先需要畫(huà)出汽車(chē)的整體模型，在CST 中畫(huà)出汽車(chē)模型是十分困難的，我們采用了目前較為流行的3D 畫(huà)圖工具3D max，得到汽車(chē)的整體模型后將模型導(dǎo)入CST 中即可。圖2 是在3D max 中得到的汽車(chē)模型，圖3 是導(dǎo)入到CST 后的效果圖。

圖2 MAX 中汽車(chē)效果圖

圖3 CST 中汽車(chē)效果圖

3 電磁模型的建立與仿真

EMTP 是電磁暫態(tài)分析專(zhuān)用的，MATLAB 雖然功能強(qiáng)大，但在電力專(zhuān)業(yè)性上可能還稍微差點(diǎn)。很多時(shí)候，在EMTP 中ATP 是應(yīng)用最廣泛的，而且它其中很多模型的準(zhǔn)確度也都是有實(shí)測(cè)驗(yàn)證的，這一點(diǎn)上MATLAB 差很多，在一些文獻(xiàn)中也看到，驗(yàn)證它的模型則是通過(guò)和ATP 做比較的。但可以用ATP 進(jìn)行電力仿真，將仿真結(jié)果導(dǎo)入MATLAB 進(jìn)行分析。

由于電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果將整個(gè)系統(tǒng)混在一起進(jìn)行全波仿真，則需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。因此可將其分割成不同模塊，分塊進(jìn)行模擬，根據(jù)模塊特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)姆抡娣椒ǎ詈笤龠M(jìn)行系統(tǒng)綜合。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)通用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電池組位于車(chē)輛后座的下方，逆變器位于車(chē)輛前蓋內(nèi)，電動(dòng)機(jī)位于車(chē)輛前輪的上方。電池組與逆變器之間有較長(zhǎng)的連接電纜，逆變器與電動(dòng)機(jī)之間連接電纜相對(duì)較短。因此，逆變器采用考慮了分布參數(shù)的等效電路模型，而復(fù)雜的電纜束采用傳輸線模型，最后結(jié)合全波方法和車(chē)體原型計(jì)算這些干擾源產(chǎn)生的輻射。由此可見(jiàn)，通過(guò)分塊模擬和不同計(jì)算方法的結(jié)合，能夠大大節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，從而為電磁兼容仿真提供一種快速有效的方法。通過(guò)查閱資料得到汽車(chē)內(nèi)部關(guān)鍵部件之一，也就是牽引電機(jī)的簡(jiǎn)單模型圖，模型使用EMTP 軟件，通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，仿真后得到電流波形。

圖4 是電動(dòng)汽車(chē)Traction Battery 部件的電路等效模型，圖5 是電路電流的波形圖，通過(guò)matlab 自帶的cftool工具，將圖5 中的電流曲線擬合，擬合后的函數(shù)為:

式中dtime 是表示時(shí)域。曲線擬合是通過(guò)MATLAB自帶工具箱—曲線擬合工具實(shí)現(xiàn)的。它能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑預(yù)處理工作，數(shù)據(jù)擬合可以通過(guò)參量化、非參量化方法，參量化擬合方式包括通用公式法、多項(xiàng)式法和高斯法。非參量化擬合方式有平滑法和內(nèi)插法。能對(duì)各種結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，比較數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，圖6 是擬合后的波形。

圖4 電池等效模型

圖5 仿真電流波形

圖6 擬合后的波形

圖7 CST 同軸電纜

圖8 cst 中激勵(lì)源的波形

4 擬合函數(shù)導(dǎo)入CST 并仿真

有了擬合函數(shù)，就可以通過(guò)cst 的vba 宏語(yǔ)言將該函數(shù)導(dǎo)入到cst 中，作為激勵(lì)源。

圖7 是在cst 中建立的簡(jiǎn)易線纜。圖8 是激勵(lì)信號(hào)波形，圖9 是S11 參數(shù)。圖10 是2D 的E 場(chǎng)圖。

5 結(jié)論

隨著科技發(fā)展和人民生活水平的提高，即便是普通的家用轎車(chē)，其電子系統(tǒng)也變得越來(lái)越復(fù)雜，汽車(chē)將向著系統(tǒng)化、智能化的方向發(fā)展，所以電磁干擾問(wèn)題將變得越來(lái)越嚴(yán)重，因此亟需解決電磁兼容問(wèn)題。

圖9 仿真后的S11 參數(shù)

圖10 仿真后的E 場(chǎng)圖

在本次汽車(chē)輻射源的仿真分析中，雖然我們?cè)谧詈鬀](méi)有仿真完整的汽車(chē)模型，但是通過(guò)建模，得到Battery電路開(kāi)關(guān)閉合瞬間的工作電流，最終用電磁仿真軟件仿真的過(guò)程，是后期整個(gè)模型的搭建與分析非常重要的環(huán)節(jié)，將對(duì)以后汽車(chē)輻射源的分析起著直接的指導(dǎo)意義。

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