混合動(dòng)力轎車動(dòng)力線纜對整車電磁輻射干擾的仿真與試驗(yàn)研究*

杜明磊，徐中明，丁良旭

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030; 2.重慶通信學(xué)院電力工程系，重慶 400035;3.重慶市電磁兼容工程技術(shù)研究中心，重慶 401122)

前言

隨著節(jié)能減排日益受到重視，混合動(dòng)力車成為近年來汽車發(fā)展的熱點(diǎn)。然而，隨著車內(nèi)電子器件和連接線束日益增多，電磁兼容問題越發(fā)突出。

與傳統(tǒng)汽車相比，混合動(dòng)力車多采用以“蓄電池+驅(qū)動(dòng)電機(jī)”為主的輔助動(dòng)力系統(tǒng)。工作時(shí)蓄電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變和整流之后提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而隨之產(chǎn)生的高頻電磁干擾極易通過線纜向外輻射，成為混合動(dòng)力轎車的重要電磁干擾源。

針對線束的電磁兼容問題，常采用傳輸線法等建立線束的電路模型加以研究［1－4］，或以天線效應(yīng)考察線束的電磁輻射特性［5］。對于汽車線束而言，研究時(shí)必須結(jié)合車身的結(jié)構(gòu)特性［6－8］。

本文中以某型混合動(dòng)力轎車為例，參照GB18655—2002測試標(biāo)準(zhǔn)［9］，采用“場-路耦合”方法［10］，將傳輸線法和有限積分法相結(jié)合，研究混合動(dòng)力轎車內(nèi)動(dòng)力線纜的電磁輻射干擾特性。

1 動(dòng)力線纜電磁輻射干擾的耦合路徑分析

某型混合動(dòng)力轎車采用的是并聯(lián)結(jié)構(gòu)的中度混合動(dòng)力系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)見圖1。

如圖1所示，混合動(dòng)力轎車的輔助動(dòng)力系統(tǒng)主要包括鎳氫動(dòng)力蓄電池組，ISG驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器(IPU)。其中動(dòng)力蓄電池組和電機(jī)控制器安裝在車廂后排座椅背后，通過布置在底板上的動(dòng)力線纜與車前部發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的ISG驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連。當(dāng)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力蓄電池組提供的144V直流電經(jīng)過電機(jī)控制器內(nèi)的逆變電路變換成ISG驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的125V交流電。當(dāng)動(dòng)力蓄電池組電能不足時(shí)，也可以由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，經(jīng)電機(jī)控制器給動(dòng)力蓄電池組充電。

可見，該車混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)決定了有較長的動(dòng)力線纜貫通車體，IPU工作時(shí)產(chǎn)生的干擾信號極易通過線纜向外輻射電磁干擾波，成為整車的重要電磁干擾源。

該混合動(dòng)力轎車在怠速狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)參照GB18655—2002標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行整車測試時(shí)，動(dòng)力線纜的電磁輻射干擾耦合路徑如圖2所示。

圖2中動(dòng)力蓄電池提供的電流經(jīng)過電機(jī)控制器內(nèi)的逆變電路時(shí)產(chǎn)生帶有高頻諧波的干擾信號，此干擾信號經(jīng)過動(dòng)力線纜時(shí)會(huì)以天線效應(yīng)的方式向外輻射電磁干擾。輻射干擾被車頂后方的車載天線所接收，通過同軸線傳輸?shù)綔y試接收機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到車輛怠速狀態(tài)下的電磁輻射強(qiáng)度。

2 動(dòng)力線纜電磁輻射干擾模型的建立與計(jì)算

參照混合動(dòng)力轎車動(dòng)力線纜的電磁輻射耦合路徑，分別建立整車和動(dòng)力線纜的電磁仿真模型，采用“場-路”耦合的方法先計(jì)算線纜上的電流分布，進(jìn)而考察其電磁輻射特性。

2.1 車身電磁仿真模型的建立

實(shí)際轎車車身多采用大跨度曲面，且接縫很多，如果按照詳細(xì)結(jié)構(gòu)建立實(shí)車模型，會(huì)造成過細(xì)的網(wǎng)格劃分和過多的縫隙耦合，計(jì)算量將非常巨大，難以實(shí)現(xiàn)。因此，在保證一定計(jì)算精度的前提下，必須對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化。

以某型混合動(dòng)力轎車為原型，利用Solidworks建立車身的三維模型，車身尺寸5 034mm×1 973mm×1 115mm(不含輪胎)，如圖3所示。

該車模型主要做如下簡化:將車身的頂、前/后蓋和兩側(cè)等均簡化成平面結(jié)構(gòu);略去對電磁輻射傳播影響很小的輪胎、座椅、車窗和車燈等非金屬部件以及車身上的曲面接縫和微小孔洞，僅保留整車的主體金屬結(jié)構(gòu);車門、后備箱和前發(fā)動(dòng)機(jī)艙等都簡化成金屬實(shí)體。

2.2 動(dòng)力線纜傳輸線模型的建立

為滿足大電流工作狀態(tài)，混合動(dòng)力轎車的動(dòng)力線纜采用大直徑多股線纜，簡化的傳輸線模型如圖4所示。

由圖4可以看出，動(dòng)力線纜實(shí)際上是由許多直徑、長度、材料均相同的細(xì)銅導(dǎo)線綁扎在一起而成，因此具有相同的電磁輻射特性，所以在研究動(dòng)力線纜的電磁輻射特性時(shí)，只須以線纜內(nèi)單根導(dǎo)線為研究對象即可［11］。

因此，動(dòng)力線纜的電路模型可以采用電磁兼容中常用的傳輸線法(TLM)，仿真中考慮線上損耗，因此將多股的線纜簡化為傳輸線雙線模型［12］。

參照簡化模型，建立動(dòng)力線纜的電磁仿真模型。線纜選用雙股銅導(dǎo)線，單股橫截面積1mm2，線纜長2m，線間距0.1mm，距車底板距離10mm。

將動(dòng)力線纜導(dǎo)入到整車三維模型中，線纜安裝位置與實(shí)車一致，置于車廂內(nèi)偏左側(cè)的底板上。從后排座椅延伸到車廂前端，如圖5所示。

仿真模型的其它主要設(shè)置如下:

(1)線纜的激勵(lì)源為125V直流電壓源，線纜終端阻抗(電機(jī)內(nèi)阻)初始值設(shè)置為50Ω，計(jì)算中考慮歐姆損耗和介質(zhì)損耗;

(2)將車身設(shè)置為動(dòng)力線纜共模電流的回路地線;

(3)參照GB18655—2002的測試要求，場強(qiáng)測試點(diǎn)設(shè)在車頂后部的汽車天線處(圖2);

(4)邊界條件:將車身底面設(shè)置成電壁(模擬大地)，其余5個(gè)方向設(shè)置成開放邊界;

(5)頻率范圍:0～1GHz。

2.3 動(dòng)力線纜電磁輻射模型的計(jì)算

仿真中考慮了線束的歐姆損耗，因此動(dòng)力線纜的分布參數(shù)電路模型可以簡化為有耗傳輸線方程，即

式中:u(t，z)、i(t，z)分別表示 t時(shí)刻在坐標(biāo) z處的電壓和電流;R為單位長度傳輸線電阻;G為單位長度傳輸線電導(dǎo);L0為單位長度傳輸線電感;C0為單位長度傳輸線電容。方程通解為

式中:A1、A2、A3、A4為常數(shù)。假設(shè)已知傳輸線的初始端電壓U0和電流I0，則有耗傳輸線方程的解為

計(jì)算時(shí)須將傳輸線模型離散化成一系列相串聯(lián)的電路單元組合，每段電路單元尺寸要遠(yuǎn)小于所考察頻率對應(yīng)的波長，以忽略電磁波的傳播影響。分別計(jì)算離散化的電路單元，即可得到線纜上的電壓和電流分布。

將計(jì)算得到的線纜電流分布作為線纜輻射的電流元場源，當(dāng)離散化的電路單元尺寸l足夠小(l＜＜波長λ)，測試點(diǎn)距離導(dǎo)線符合遠(yuǎn)場特性時(shí)，可以用簡化的共模/差模電流輻射模型［13］，即

式中:ECM、EDM分別為考察點(diǎn)的共模和差模輻射電場強(qiáng)度，V/m;IC、ID分別為電偶極子電流和電流環(huán)電流;l0為電偶極子長度;S為電流環(huán)面積;r為測試點(diǎn)到線纜的距離;f為頻率。

3 動(dòng)力線纜的電磁輻射特性仿真分析

電磁仿真時(shí)，分別研究動(dòng)力線纜的長度、終端負(fù)載、離地距離和屏蔽等因素對其輻射特性的影響，結(jié)果如下。

3.1 線纜長度的影響

保持動(dòng)力線纜的激勵(lì)源直流125V、端接電阻50Ω、離地距離10mm等參數(shù)不變，僅改變其長度，計(jì)算得到車載天線處的電場強(qiáng)度值如圖6所示。

由圖6可知，其它參數(shù)不變，動(dòng)力線纜長度分別為0.5、1和2m時(shí)，線纜的電磁輻射強(qiáng)度變化較小，只是輻射峰值對應(yīng)的頻點(diǎn)發(fā)生了位移，符合陣子天線的特性，即電基本陣子天線的物理長度與其輻射特性相關(guān)，長度越短其共振頻率越高。

3.2 線纜上端接電阻的影響

保持動(dòng)力線纜的激勵(lì)源直流125V、長度2m、離地距離10mm等參數(shù)不變，僅改變其端接電阻值，計(jì)算得到車載天線處的電場強(qiáng)度值如圖7所示。

不難看出，隨著線纜上的電阻值增大，線纜輻射強(qiáng)度也隨著增大。由于電機(jī)繞組線圈呈電感性，而在頻率高過其諧振點(diǎn)后表現(xiàn)為電容性，因此電機(jī)在高頻狀態(tài)下的阻抗變化復(fù)雜而劇烈。

3.3 線纜離地距離的影響

保持動(dòng)力線纜的激勵(lì)源直流125V、長度2m、端接電阻50Ω等參數(shù)不變，分別設(shè)置其離地距離為3、10和30cm，計(jì)算得到相應(yīng)的車載天線處的電場強(qiáng)度值如圖8所示。

由圖8可知，動(dòng)力線纜離底板距離越大，其電磁干擾輻射強(qiáng)度越大。該結(jié)果也驗(yàn)證了共模電流所引起的電磁輻射強(qiáng)度與電路、地線組成的回路面積相關(guān)，回路面積越大，輻射強(qiáng)度越大。因此，為減小動(dòng)力線纜的電磁干擾輻射，線纜應(yīng)該緊貼車廂底板，避免懸空。

3.4 屏蔽效果

為減小線纜的電磁干擾輻射，屏蔽是較為有效的措施。仿真中，保持動(dòng)力線纜的激勵(lì)源直流125V、長度2m、端接電阻50Ω、離地距離10cm等參數(shù)不變，分別考察3種情況下線纜的輻射特性。一是未采取措施的動(dòng)力線纜。二是采用相同直徑的雙絞線代替原先的直導(dǎo)線，線的“絞距”是10mm。三是在直導(dǎo)線外加一層金屬屏蔽層，厚度0.5mm，并做好接地。將3種情況下計(jì)算得到的動(dòng)力線纜電磁輻射特性進(jìn)行對比，獲得的最終結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見，采用雙絞線代替直導(dǎo)線后，線纜電磁輻射強(qiáng)度的減小幅度不明顯，且對于多股線纜來說，采用雙絞線結(jié)構(gòu)加工制作較為復(fù)雜，因此該措施的實(shí)際意義不大。而對線纜采用屏蔽措施后，只要接地良好，線纜的電磁輻射強(qiáng)度明顯降低，而且線纜外加屏蔽層也容易實(shí)施，因此外加屏蔽層是降低線纜電磁干擾輻射的有效措施。

4 線纜電磁輻射干擾的改進(jìn)試驗(yàn)

某型混合動(dòng)力汽車在怠速狀態(tài)下參照GB18655—2002進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)整車的輻射超標(biāo)嚴(yán)重。具體測試結(jié)果見圖10。圖中水平線為GB18655—2002的電場強(qiáng)度限值線?？梢姕y得的實(shí)車電磁干擾輻射明顯超過標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，測試結(jié)果不合格，須進(jìn)行電磁兼容改進(jìn)。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，怠速時(shí)混動(dòng)車由動(dòng)力蓄電池經(jīng)電機(jī)控制器通過動(dòng)力線纜驅(qū)動(dòng)ISG電機(jī)工作，由于蓄電池組和電機(jī)控制器均做了良好的濾波和屏蔽措施，只有動(dòng)力線纜未加任何處理措施，因此參照仿真計(jì)算的結(jié)果，決定對線纜進(jìn)行屏蔽處理。

采用銅質(zhì)的屏蔽編制網(wǎng)將動(dòng)力線纜包裹住，然后用導(dǎo)電膠布將其緊緊纏繞，以保證屏蔽層的良好電連續(xù)。然后將動(dòng)力線纜重新布置在車廂底板上，并且線屏蔽層與車底板做好多點(diǎn)良好的接地。在動(dòng)力線連接端口屏蔽層也與電機(jī)控制器和電機(jī)接口做到360°良好連接，不讓動(dòng)力線纜直接裸露。做好線纜的屏蔽后，重新測試整車，得到的結(jié)果見圖11。

測試結(jié)果表明，采取線纜屏蔽后，整車的電磁干擾輻射明顯降低，說明之前的干擾主要就是由裸露的動(dòng)力線纜向外輻射產(chǎn)生，也說明線纜屏蔽對于降低混動(dòng)車的電磁干擾輻射效果良好。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過建模、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證說明，所建的動(dòng)力線纜與整車的簡化模型能反映實(shí)際混動(dòng)車動(dòng)力線纜的電磁干擾輻射特性，該方法對于研究車輛的線束電磁干擾輻射特性及其抑制具有較好的指導(dǎo)意義。

(2)僅改變動(dòng)力線纜的長度并不能明顯減小其輻射強(qiáng)度，而會(huì)改變其輻射強(qiáng)度的頻譜分布。

(3)動(dòng)力線纜的端接負(fù)載大小對線纜的輻射特性影響明顯，端接阻抗越大，線纜的電磁輻射越強(qiáng)。與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連時(shí)，由于高頻狀態(tài)電機(jī)阻抗變化劇烈，因此線纜的電磁輻射也會(huì)隨之明顯變化。

(4)動(dòng)力線纜應(yīng)盡可能緊貼車身布置，減小線纜與地之間的回路面積，以減小線纜的電磁輻射。

(5)相比未采取電磁降噪措施的動(dòng)力線纜，采用雙絞線對于降低動(dòng)力線纜的電磁輻射來說效果不明顯，采用線纜屏蔽措施能夠明顯降低其電磁輻射強(qiáng)度，屏蔽時(shí)要注意與車身的良好接地以及線纜接頭處的端接屏蔽。

［1］Mohammad K A.Analysis of Coupled Nonuniform Transmission Lines Using Taylor's Series Expansion［J］.IEEE Trans.Electromagnetic Compatibility，2006，48(3):594 －600.

［2］Da Costa E A，Borges G A，De Menezes L R A.Uncertainty Propagation in One-dimensional Transmission Line Modeling(TLM)Method［C］.Antennas and Propagation International Symposium，2007:5227－5230.

［3］Nguyen T T，Chan H Y.Evaluation of Modal Transformation Ma-trices for Overhead Transmission Lines and Underground Cables by Optimization Method［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17:200 －209.

［4］Jaroslaw Luszcz.Modeling of Common Mode Currents Induced by Motor Cable in Converter Fed AC Motor Drives［C］.2011 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，EMC 2011-Proceedings，2011:459 －464.

［5］汪泉弟，李飛，周尚華.汽車雨刮器電機(jī)電磁輻射干擾預(yù)測模型［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(4):26 －30.

［6］俞集輝，鄭亞利，鄒志星.車內(nèi)導(dǎo)線串?dāng)_和輻射仿真研究［J］.2006，20(17):4737 －4739.

［7］Shiraki Y.Electromagnetic Field Distribution Inside an Automobile Vehicle［C］.Electromagnetic Compatibility，2003 IEEE International Symposium on，18 － 22 Aug.USA:IEEE，2003，2:730 －734.

［8］Anzaldi G，Riu P J.Finite Difference Time Domain Low Cost Modeling for Automotive Environments［C］.Electromagnetic Compatibility，2004 International Symposium On Volume 3，9 －13 Aug.USA:IEEE，2004，3:775 －780.

［9］GB 18655—2002用于保護(hù)車載接收機(jī)的無線電騷擾特性的限值和測量方法［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2002.

［10］吳琛，張敏，吳睿.整車線纜線束信號完整性及電磁干擾仿真分析［J］.機(jī)電一體化，2009，15(11):70 －73.

［11］Anzaldi G，Riu P J.Finite Difference Time Domain Low Cost Modeling for Automotive Environments［C］.Electromagnetic Compatibility，2004 International Symposium On Volume 3，9 －13 Aug.USA:IEEE，2004，3:775 －780.

［12］特奇，艾諾茨，卡爾松.EMC分析方法與計(jì)算模型［M］.呂英華，王旭瑩，譯.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2009:145－153.

［13］Hall S H，Hall G W，Mccall J A.High-Speed Digital System Design:A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices［M］.New York(NY，USA):John Wiley＆ Sons，2000:74－90.