基于等效模型電動汽車電磁輻射仿真分析

左凌宇

摘要： 本文提出一種建立等效模型的高效電磁輻射仿真方法，通過應(yīng)用仿真分析、實車測試的方式進行檢驗，從仿真分析的結(jié)果來看，結(jié)果表現(xiàn)可靠，且經(jīng)過簡化后的模型，使得整體仿真效率更加的突出，通過此有效促進車內(nèi)電磁防護工作的開展，且為相關(guān)輻射標(biāo)準(zhǔn)制定提供借鑒。

Abstract： This paper proposes an efficient electromagnetic radiation simulation method to establish an equivalent model. It is verified by the simulation analysis and vehicle on board test. From the results of the simulation analysis， the results are reliable， the simplified model makes the overall simulation efficiency more prominent， this effectively promotes the development of electromagnetic protection in the car， and provides a reference for the formulation of relevant radiation standards.

關(guān)鍵詞： 電動汽車電磁干擾;電磁輻射;電磁兼容;仿真

Key words： electromagnetic interference of electric vehicles;electromagnetic radiation;electromagnetic compatibility;simulation

中圖分類號：U472.43? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0044-04

1? 電磁干擾產(chǎn)生機理分析

1.1 DC/DC變換器? 此次研究中的純電動汽車DC/DC變換器，其功率模塊應(yīng)用IGBT，其在實際運行的過程中，保持較高的開關(guān)通斷頻率，通常在每秒時間內(nèi)能夠完成萬次以上的開關(guān)通斷，而受高頻率的轉(zhuǎn)換影響，使得其在運轉(zhuǎn)工作過程中會產(chǎn)生較大的瞬時電壓/電流變化量，進而形成電磁干擾，因此在純電動汽車中該部分結(jié)構(gòu)屬于較為主要的電磁干擾源之一。

1.2 驅(qū)動電機? 驅(qū)動電機在運轉(zhuǎn)工作的過程中也會產(chǎn)生較大的電磁的干擾，從其干擾方式上表現(xiàn)出來的差異進行分類，主要可分為傳導(dǎo)干擾、輻射干擾兩種方式。其中傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生主要由內(nèi)部電路出現(xiàn)共阻抗耦合現(xiàn)象引起，使得相關(guān)干擾信號順導(dǎo)線作用在與之相連接的電子設(shè)備上;而輻射干擾主要由驅(qū)動電機內(nèi)部磁路運轉(zhuǎn)工作影響，其會向周圍空間釋放電磁波，進而對電子設(shè)備產(chǎn)生干擾作用。在這兩種干擾模式影響下，使得驅(qū)動電機表現(xiàn)出較強的電磁干擾性。

2? 模型建立

2.1 車身模型? 在對車身模型進行創(chuàng)建的過程中，常會受到較多實際因素影響，如：計算機運行速度、運行內(nèi)存等，使得創(chuàng)建模型難以在各個方面精準(zhǔn)控制，因此通常需要對車體各部分結(jié)構(gòu)做出適當(dāng)?shù)娜∩?。從實際模型構(gòu)建來看，在模型中能夠?qū)圀w外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電纜布置、電機布置等進行較好的展現(xiàn)，但是如果將這些信息都在模型中較為精準(zhǔn)的進行展現(xiàn)，將會使得計算機的計算量出現(xiàn)較大幅度增加，進而對后期網(wǎng)格處理產(chǎn)生不良影響，出現(xiàn)處理畸變的情況，甚至?xí)Ψ抡娼Y(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因此在進行模型構(gòu)建的時候，可先將車內(nèi)部存在的一些非電解質(zhì)結(jié)構(gòu)和車外部不影響仿真的構(gòu)件進行忽略，如：座椅、方向盤、輪胎、后視鏡等。然后依照此方法應(yīng)用Pro/Engineer構(gòu)建電動汽車的車身，嚴(yán)格依照車體尺寸要求輸入?yún)?shù)構(gòu)建模型，本次構(gòu)建模型汽車外觀尺寸為4.554m×1.822m×1.630m。在完成模型創(chuàng)建后，將之導(dǎo)入到CST之中，并對其做進一步的處理。在應(yīng)用Pro/Engineer進行模型構(gòu)建的過程中，創(chuàng)建的各個面都存在著一定的厚度值，受這些值影響，將會對后續(xù)網(wǎng)格剖分和模型計算產(chǎn)生較大的影響，因此在導(dǎo)入CST后應(yīng)對其做出處理，僅將外觀表面保留下來。同時，在原有模型中還存在曲邊、倒角等細(xì)微處的處理，這些在進行仿真時都會增大運算量，因此在導(dǎo)入CST后應(yīng)將這些不必要的細(xì)小特征進行優(yōu)化，在經(jīng)過處理之后，車體表面應(yīng)表現(xiàn)為無間隙完整面。在對模型進行清理簡化之后，為確保后期電磁輻射仿真能夠順利開展進行，應(yīng)先針對模型網(wǎng)格進行剖分，在進行剖分的過程中，網(wǎng)格尺寸如果越小，劃分將會顯得更加密集，由此得到的結(jié)果也將更加的準(zhǔn)確，但也對計算機的計算能力提出更高的要求，需要更長的時間來進行計算;如果網(wǎng)格尺寸設(shè)置得較為稀疏，則會在很大程度上減少計算時間，但會在一定程度上影響到計算的精度。所以在設(shè)置網(wǎng)格尺寸的過程中，應(yīng)注意結(jié)合實際情況來展開設(shè)置。在本次研究中為有效降低仿真過程中產(chǎn)生的誤差，同時參考實際模型進行尺寸設(shè)置，最后將模型尺寸設(shè)為0.2m。

2.2 DC/DC變換器等效模型? DC/DC變換器在運轉(zhuǎn)工作的過程中，主要針對高電壓進行轉(zhuǎn)換，將300V-340V電壓轉(zhuǎn)換成為12V的電壓，然后為電動汽車中的各電子設(shè)備進行供電。其功率模塊應(yīng)用IGBT，每秒時間內(nèi)能夠完成萬次以上的開關(guān)通斷，高頻率的通斷使得其產(chǎn)生較大的瞬時電壓/電流變化量，進而造成電磁干擾。在進行該部分的模型構(gòu)建時，將其設(shè)計成為電偶極子天線模型，同時將等效模型的長度控制在1000mm。

2.3 驅(qū)動電機等效模型? 驅(qū)動電機在運轉(zhuǎn)工作時，內(nèi)部磁路會向周邊敷設(shè)電磁能量，從而在一定范圍內(nèi)形成電磁波，屬于純電動汽車中另外一個電磁干擾源。本次研究的電動汽車電機，工作電壓在300V左右，因此在對之進行電磁場仿真的時候，同樣設(shè)計為電偶極子天線模型，且將其長控制在500mm。

3? 電磁仿真分析

3.1 建模仿真流程? 在針對整車進行的電磁仿真中，主要應(yīng)用輻射源添加激勵的方式來進行，然后將車身模型與輻射源模型完成整合，依照整車輻射源的實際位置確定仿真模型。為保證仿真模型整合能夠準(zhǔn)確對位，應(yīng)用空間坐標(biāo)進行定義，其中X軸表示車體高度;Y軸表示車體寬度;Z軸表示車體長度，本次研究中涉及到的點位都在創(chuàng)建的坐標(biāo)系中定位。

3.2 激勵源? 依照純電動車實際驅(qū)動電機、動力電纜等所在位置，確定激勵源的輸入坐標(biāo)，具體如表1所示。

3.3 驅(qū)動電機仿真分析

3.3.1 設(shè)置合適的線路阻抗? 電動車中構(gòu)建的電網(wǎng)會受到較多因素影響，從而造成線路阻抗產(chǎn)生變化，為了能夠在仿真分析的時候能夠有效模擬和測試，通常采用設(shè)置合適穩(wěn)定的線路阻抗來進行模擬，一般在射頻段設(shè)置50Ω網(wǎng)絡(luò)阻抗。

3.3.2 隔離受測試設(shè)備? 為避免受測試設(shè)備與電網(wǎng)之間形成相互干擾，在進行仿真分析時需對二者做相互隔離處理，以此測試得到結(jié)果才更為準(zhǔn)確。在隔離方式上主要采用添加LISN來實現(xiàn)，LISN的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。針對三相異步電動機進行等效電路圖構(gòu)建，具體如圖2所示，因為三相處于對稱狀態(tài)，因此只需對其中一相的電路進行研究。測試時為避免干擾應(yīng)加入LISN。在應(yīng)用CST軟件進行仿真實驗的過程中，針對驅(qū)動電機的傳導(dǎo)干擾仿真時，將電壓頻率設(shè)定為50Hz，輸入正弦電壓設(shè)為300V。同時其中其它元件的參數(shù)信息設(shè)置為：R1：9.34Ω、R2：5.51Ω、R3：5.51Ω、L1：0.25H、L2：0.25H、L3：0.23H。從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定情況來看，要求在測試傳導(dǎo)干擾的時候，設(shè)置仿真頻率應(yīng)在30MHz以內(nèi)，從實際測試情況來看，在測試頻率數(shù)值超過1000Hz之后，產(chǎn)生的干擾電壓處于極低的狀態(tài)，因此本次研究將仿真測試頻率控制在0-1000Hz范圍內(nèi)，然后對干擾電路中電阻R4與R5兩端的電壓進行實時觀察，由此可測出電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾電壓大小，并獲取到其產(chǎn)生變化情況。在整個測試過程中，處于0-1000Hz范圍內(nèi)的電壓脈沖較為平穩(wěn)，整體數(shù)值較低，但在50Hz頻率、980Hz頻率兩個點位處，出現(xiàn)較大的電壓脈沖，且其中980Hz頻率處產(chǎn)生脈沖最高，達(dá)到0.37V。

3.4 整車車內(nèi)電磁輻射仿真

3.4.1 整車電磁輻射仿真模型? 在進行整車電磁輻射仿真的過程中，主要涉及到多種模型類型：車體模型、DC/DC變換器模型、驅(qū)動電機模型等。

3.4.2 仿真結(jié)果分析? 在仿真的過程中，將仿真頻率分別設(shè)置為100MHz、200MHz、300MHz，觀察車身表面電流情況，結(jié)果分別為圖3-圖5所示。對上面不同頻率的仿真結(jié)果進行對比分析，從中發(fā)現(xiàn)以下幾點特點：①車載通訊天線釋放出來的電場輻射值最高;②在汽車內(nèi)部的前排位置處存在的電場輻射值相較于后排更高，且在駕駛位置處輻射值最大，由這也可看出車載通訊天線輻射電廠主要作用于車外，對車內(nèi)產(chǎn)生輻射影響較小;③電場輻射強度與干擾源之間距離有直接性關(guān)系。圖6為點A位置處的電場輻射值變化情況。從上面的仿真結(jié)果來看，①此次研究純電動汽車，其內(nèi)部的最大電場輻射值為1.48V/M;

②在頻率處于80MHz左右時，車內(nèi)出現(xiàn)最大輻射情況，因此在選擇該種汽車時，應(yīng)做好該頻率段的電磁場屏蔽工作;③在汽車內(nèi)部，位于駕駛員頭部區(qū)域的電磁輻射相對較高，且整體呈現(xiàn)出前排電磁輻射大于后排電磁輻射的情況，離主要輻射干擾源位置越近，產(chǎn)生的輻射量越大。

4? 結(jié)語

為了有效提升電動汽車的電磁兼容性能，在對其進行設(shè)計生產(chǎn)的過程中，應(yīng)重點分析電磁干擾的實際情況，并研究有效的干擾抑制措施，從本次研究實際結(jié)果來看，主要得到以下幾點結(jié)論：①電動汽車在運行工作的過程中，其內(nèi)部產(chǎn)生電場值大小受水平高度影響，整體呈現(xiàn)出遞減趨勢，高度越高電場值減小越大;②本次研究所采用的建模方法，具有較高的準(zhǔn)確性，能夠為實際生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，模型精度與數(shù)據(jù)都具有較高的可靠性;③在汽車內(nèi)部驅(qū)動線纜位置釋放出來的電場強度較大，相較于其它位置明顯更高，因此在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)重點加強對該位置的屏蔽處理，如：可適當(dāng)提升其與車底板之間距離，通過距離延長的方式來達(dá)到降低車內(nèi)電磁輻射量的目的，從而更好的保障車內(nèi)人員身體健康。

參考文獻(xiàn)：

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