純電動客車線束電磁耦合串擾研究

王洪軍， 許明明， 武云龍， 徐 勇

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

有電的地方就存在對應(yīng)的電場與磁場,由于純電動客車高低壓布線的復(fù)雜性導(dǎo)致整車電磁場環(huán)境十分復(fù)雜，與之相關(guān)的電磁兼容問題也就接踵而來。整車高低壓走線并沒有明確的規(guī)范要求，線束之間會經(jīng)常出現(xiàn)耦合串擾的問題，解決問題的前提就需要了解它的特性，嘗試把不可見的電磁場耦合干擾量化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1 耦合串擾介紹

耦合是指由于2個或2個以上相互獨立的電路之間存在著分布電容和互感，騷擾通過電磁場的形式從一側(cè)傳遞至另一側(cè)的現(xiàn)象。針對不同的騷擾傳遞方式，耦合可以分為容性耦合和感性耦合[1]。

1.1 容性耦合

圖1(a)為純電動汽車某系統(tǒng)的容性耦合模型等效電路，R1與R2等效為串聯(lián)關(guān)系，互相分壓，通過容性耦合公式I2=C1dU1/dt可計算出R2處的騷擾電流。

1.2 感性耦合

圖1(b)為純電動汽車某系統(tǒng)的感性耦合模型等效電路，R1與R2的線纜之間存在著互感M，次級電路R2處的騷擾電壓值可通過感性耦合公式U2=MdI1/dt求出。

(a)容性耦合 (b)感性耦合

1.3 耦合串擾區(qū)

常見的EMC整車認證測試頻段f為9 kHz～2 GHz，電磁波的速度c為3×108m/s。根據(jù)近場區(qū)的計算公式：

可知，耦合串擾可能發(fā)生在以電動汽車的幾何中心為圓心的5.3 km半徑范圍內(nèi)。

純電動汽車中經(jīng)常出現(xiàn)低壓系統(tǒng)被低壓系統(tǒng)或高壓系統(tǒng)耦合干擾的問題，下面針對這兩大系統(tǒng)進行對應(yīng)的測試分析。

2 低壓對低壓的耦合分析

2.1 電磁閥對標志燈的耦合串擾

1) 側(cè)標志燈異常閃爍問題。某電動客車的右前門側(cè)標志燈在操作應(yīng)急閥或門開關(guān)的瞬間會異常閃爍，標志燈電壓峰峰值可達24.4 V。現(xiàn)場用示波器測試發(fā)現(xiàn)，門電磁閥在斷電的瞬間會產(chǎn)生峰峰值達174.67 V的沖擊電壓。將該電磁閥更換為另一個廠家的電磁閥后標志燈不再異常閃爍，且測試出無明顯的沖擊電壓，從而判斷出門電磁閥為導(dǎo)致標志燈異常閃爍的騷擾源。

2) 線束耦合分析。對實車走線進行分析發(fā)現(xiàn)，門電磁閥正極線束經(jīng)后艙配電盒供電，但負極線束從該車二層底架回到蓄電池負極的過程中，與標志燈正、負極線束在同一層底架線束中平行走線約5.5 m。根據(jù)互感效應(yīng)可知，兩線束距離越近，平行走線長度越長，互感越強烈，故初步判斷共同走線的一段線束為騷擾電壓的傳遞途徑。

2.2 臺架模擬試驗

2.2.1 搭建耦合試驗臺架及判斷耦合類型

根據(jù)門電磁閥對標志燈的耦合串擾模型搭建對應(yīng)的試驗臺架，試驗臺架模型如圖2所示。

圖2 耦合試驗臺架模型

其中標志燈正負極線束與門電磁閥負極線束平行走線，供電端為24 V蓄電池，通過門電磁閥負極線束的通斷來控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)。

測試后，對電磁閥和標志燈間的電壓波形進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者波形上升沿和下降沿趨勢相反，如圖3所示。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[2]，當騷擾源處磁通量發(fā)生變化時，會在敏感源端感應(yīng)出阻止其變化的反電動勢，那么可判斷該耦合系統(tǒng)是感性耦合起主要騷擾作用，即磁場耦合[3-4]。

圖3 耦合類型的判斷

2.2.2 推算耦合公式

已知感性耦合計算公式為：

U2=MdI1/dt

(1)

式中：U2為敏感源端耦合電壓值；M為兩線束間互感系數(shù)；dI1/dt為該零部件特性值，可看作定值a。

根據(jù)文獻[5]得兩平行線束間互感的計算公式為：

(2)

式中：μ0為線束磁導(dǎo)率；d為兩平行線束的中心距；h為線束距離地面的高度；l為兩線束共線耦合長度[6]。

搭建臺架時，通過控制線束間隔D和耦合長度l的方式控制變量，其中線束間隔D=d-0.16 cm(實測臺架低壓線束的直徑為0.16 cm)。則

(3)

將式(3)代入式(1)可知，當線束間隔D不變時，耦合電壓與耦合長度l成線性關(guān)系；當耦合長度l不變時，耦合電壓與中心距d成對數(shù)關(guān)系。

表1 線束間隔、耦合長度和耦合電壓的關(guān)系

對表1中測試數(shù)據(jù)用Excel分別進行線性擬合、對數(shù)擬合后，可得式(4)和式(5)。

線束間隔為0 cm，耦合長度和耦合電壓的關(guān)系為：

U2=2.8l+8.7

(4)

耦合長度為4 m，線束間隔和耦合電壓的關(guān)系為：

U2=-4.689 lnD+7.216 7

(5)

根據(jù)式(4)可推導(dǎo)出，線束間隔為0 cm，耦合長度為5.5 m時，耦合電壓值為：

U2=2.8×5.5+8.7=24.1 V

該數(shù)值與實車中測試值24.4 V接近。耦合長度為5.5 m相比耦合長度為4 m增加耦合電壓4.2 V，結(jié)合式(5)粗略推算出：

即需要增加線束間隔至11.26 cm才能消除耦合串擾值。

3 高壓對低壓的耦合分析

由于測試高壓—低壓耦合的臺架不便搭建，所以采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來對其進行測試[7-8]。

3.1 測試原理

如圖4所示，在屏蔽室內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口接約11 m周長的高壓線束回路，輸出端口接約8 m周長的低壓線束回路，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射一個含有不同頻率諧波成分的標準波，可以測試出其在低壓線束端的衰減電平分貝值[9]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試布置

已知衰減電平分貝的計算公式為[10]：

A=20 lg(U1/U2)

(5)

式中：U2為輸入端口電壓值，即為騷擾源電壓值；U1為輸出端口電壓值，即為敏感源耦合電壓值。

在確定分貝衰減值和騷擾源電壓值的前提下，可知耦合電壓值:

(6)

3.2 數(shù)據(jù)測試

為判斷某電動客車高壓系統(tǒng)中電池包直流母線的騷擾頻段，用手持頻譜儀進行了實車測試。圖5(a)為電池包直流母線OK+N擋的頻譜圖，圖5(b)為電池包直流母線OK+D擋的頻譜圖。

(a)OK+N擋

(b)OK+D擋

通過對比發(fā)現(xiàn)，踩下油門后20～30 MHz頻段的分貝值上升最為明顯，可作為下一步計算分析參考頻段。

3.3 數(shù)據(jù)分析

測試時根據(jù)實車選擇高、低壓線束平行走線長度為4 m，線束間隔為30 cm(網(wǎng)絡(luò)分析儀頻譜圖如圖6所示)，電壓平臺為540 V，代入式(6)后分別得出20 MHz、30 MHz的耦合電壓值。

圖6 網(wǎng)絡(luò)分析儀頻譜圖

在20 MHz頻點時，衰減電平分貝值為-36.54 dB，代入式(6)計算：

在30 MHz頻點時，衰減電平分貝值為-44.41 dB，代入式(6)計算：

通過上述測試可發(fā)現(xiàn)，高壓—低壓系統(tǒng)的耦合串擾值與頻率存在緊密的關(guān)系，30 cm間隔時在20 MHz的頻點依舊存在8.04 V的耦合電壓，而30 MHz的頻點處耦合電壓值衰減至3.25 V，在實車高低壓線束的設(shè)計中應(yīng)分頻率段進行分析。

4 結(jié)束語

對于低壓對低壓的耦合系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的零部件特性結(jié)合示波器測試推導(dǎo)出對應(yīng)的耦合關(guān)系式，從而對低壓線束間走線間隔、共線長度做出限定。對于高壓對低壓的耦合系統(tǒng)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析儀對不同的頻段進行分析，由頻譜儀可測試出高壓線束相應(yīng)的騷擾頻點，通過理論計算以及實車測試的方式對純電動客車高、低壓線束的走線布局進行限定。