電動汽車高壓線纜屏蔽效能的仿真與測試研究

周 航， 劉青松， 覃延明， 曹 鐘， 趙鶴鳴

(1.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 國家客車質(zhì)量檢驗檢測中心， 重慶 401329；2.重慶市電磁兼容工程技術(shù)研究中心， 重慶 401122; 3.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室， 重慶 400054；4.重慶清研理工電子技術(shù)有限公司， 重慶 401329)

高壓屏蔽線纜在電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中起輸送電能和屏蔽干擾的作用。在高頻情況下，高壓連接系統(tǒng)存在天線效應(yīng)，對外產(chǎn)生輻射騷擾，是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中電磁兼容的薄弱部分之一，近年來，由屏蔽線纜屏蔽效果不好和接地不良好引發(fā)的整車EMC問題日益突出。因此對于高壓線纜的屏蔽效能要求極高。早期設(shè)計時，對高壓線纜的屏蔽效能進(jìn)行有效而快速、經(jīng)濟(jì)的測量或仿真計算，對研究改善電動汽車的電磁兼容性具有重要的意義[1-3]。

本文介紹一種線纜屏蔽效能的三維仿真方法，對某種屏蔽線纜進(jìn)行數(shù)值仿真分析，并通過線注入法、三同軸法來驗證仿真的有效性。

1 屏蔽效能的表征

線纜屏蔽效能是從金屬介質(zhì)平板屏蔽效能引申而來，定義為在芯線電流不變的情況下，線纜有無屏蔽層時，空間某點(diǎn)的場強(qiáng)比值[4]。通常采用轉(zhuǎn)移阻抗或表面轉(zhuǎn)移阻抗來表征線纜屏蔽層的屏蔽效能。其中表面轉(zhuǎn)移阻抗為線纜單位長度的轉(zhuǎn)移阻抗，表征外界電磁場對單位長度屏蔽線纜的電耦合能力，常用ZT表示，其公式定義：

ZT=1/(L·Is)·(?V/?z)

(1)

?V/?z=(1/Ae)·?SeEz(f)dSe

(2)

(3)

式中：L是電纜長度；Is是線纜屏蔽層由外界電磁場引起的感應(yīng)電流；?V/?z是編織層上感應(yīng)電流產(chǎn)生的屏蔽層與內(nèi)導(dǎo)體之間開路電壓沿電纜長度Z向的變化率[5]；Ez(f)是外界電場縱向分量，與其頻率f有關(guān)；Se是線纜屏蔽層內(nèi)表面；Ae為Se全部面積；l是屏蔽層外橫截面的閉合曲線路徑；H(f)為外界磁場矢量沿l路徑的切向分量，與其頻率f有關(guān)。

表面轉(zhuǎn)移阻抗是屏蔽線纜的固有屬性，與通過其的電壓、電流以及線纜長度無關(guān)，而與線纜屏蔽層的參數(shù)如編織層的內(nèi)直徑、編織線的直徑、每圈包含的編織束股數(shù)、每股編織束的導(dǎo)線根數(shù)、編織角度、編織線的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)，因此通常都用電纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗來表征其屏蔽效能。表面轉(zhuǎn)移阻抗越小說明其屏蔽效能越好[6]。

2 表面轉(zhuǎn)移阻抗仿真分析

2.1 屏蔽線纜建模

常用的高壓線纜為編織型同軸單屏蔽層線纜，如圖1所示，分為內(nèi)導(dǎo)體芯線、內(nèi)絕緣層、編織型屏蔽層、外絕緣層。而現(xiàn)在電動汽車常用高壓線纜為雙層屏蔽，即在圖1所示的編織型屏蔽層外又加了一層鋁箔屏蔽層。與單屏蔽層相比，雙屏蔽層的鋁箔屏蔽層遮住了編織型屏蔽層上的菱形孔，可以更有效避免磁場通過菱形小孔發(fā)生泄漏，大大增加高壓線纜在高頻時的屏蔽效能[7]。

圖1 單屏蔽層線纜結(jié)構(gòu)示意圖

本次仿真的某型高壓雙層屏蔽線纜的芯線為銅材直徑7.9 mm，內(nèi)絕緣層為PE材直徑11.3 mm，屏蔽層為鍍錫銅材直徑11.8 mm，外絕緣層為PE材直徑為14.5 mm，鋁箔層厚度0.1 mm。

為了降低建模難度和提高仿真速度，需要將其中的編織型屏蔽層進(jìn)行簡化。先將編織屏蔽層簡化為一圓環(huán)體，圓環(huán)體的厚度與其實際厚度相同，然后在沿長度方向的圓環(huán)體上等間隔地挖出與實際大小相同的菱形小孔，以模擬實際編織型屏蔽層中的孔隙，同時將內(nèi)導(dǎo)體的多根芯線簡化為一根同面積的內(nèi)導(dǎo)體。

為減少計算時間和內(nèi)存，并保證結(jié)果的有效性和與試驗的一致性，仿真的線纜長度設(shè)定為500 mm。首先在CATIA軟件中使用凹槽和陣列的命令建立上述簡化后的模型，再加上雙層屏蔽線纜的其余部分模型，然后將建好的3D線纜幾何整體模型(如圖2所示)導(dǎo)入電磁仿真軟件HFSS中。

2.2 數(shù)值計算仿真

HFSS軟件采用有限元法進(jìn)行仿真。在仿真求解器運(yùn)行前，需要設(shè)置激勵源和邊界條件。由于平面電磁波激勵可以使表面轉(zhuǎn)移阻抗的求解更加準(zhǔn)確，因此采用平面電磁波激勵來模擬屏蔽線纜在實際應(yīng)用中受到干擾的電磁場環(huán)境。另外，由于軟件默認(rèn)的邊界條件為金屬背景平板，為了模擬線纜在開闊環(huán)境下受到自由傳播的電磁波干擾，所以需要將邊界條件設(shè)置為模擬暗室環(huán)境的吸收邊界以進(jìn)行有效求解，使其在求解過程中不會報錯。吸收邊界的設(shè)置只需使其能包裹住線纜模型即可，如圖3(a)所示。同時為了避免平面電磁波進(jìn)入線纜內(nèi)部導(dǎo)體，需要在線纜的兩個端面加上理想電邊界條件，從而與實際環(huán)境中線纜長度很長幾乎不存在端面的情況一致；再在編織型屏蔽層中菱形小孔四周的內(nèi)壁面上加理想磁邊界條件，以模擬外界磁場透過鋁箔層通過菱形小孔產(chǎn)生的電磁場干擾，如圖3(b)所示。

(a) 吸收邊界

2.3 仿真結(jié)果

我國相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定還在進(jìn)行中，而某團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿里面推薦的主要關(guān)注頻點(diǎn)為150 kHz、2 MHz、30 MHz和100 MHz。因此，在HFSS軟件中，設(shè)置平面電磁波激勵的頻率f的范圍為150 kHz～100 MHz，強(qiáng)度場幅值為1 V/m。

上述線纜的表面阻抗ZT的仿真結(jié)果如圖4和表1中的相應(yīng)數(shù)據(jù)所示?？梢钥吹?，表面阻抗隨著激勵頻率的增加而增大，前段幾乎呈線性關(guān)系緩慢增大，后段是指數(shù)關(guān)系快速增大。

圖4 仿真與測試結(jié)果對比曲線

表1 關(guān)注頻率點(diǎn)的仿真與測試轉(zhuǎn)移阻抗值

3 表面轉(zhuǎn)移阻抗測試及驗證

3.1 低頻表面轉(zhuǎn)移阻抗的快速驗證測試

在小于150 kHz的低頻情況下，編織屏蔽層中的電流密度均勻分布，轉(zhuǎn)移阻抗值與屏蔽層的直流電阻值大致相同。用微歐表測得長度為0.5 m屏蔽線纜的直流電阻值為3.035 mΩ，即1 m線纜的直流電阻值約為6.07 mΩ，與仿真的低頻階段阻抗值5.98 mΩ/m相差不大，從而部分地快速驗證了仿真的正確性。

3.2 表面轉(zhuǎn)移阻抗的測試方法

線纜表面轉(zhuǎn)移阻抗的測試方法主要有線注入法和三同軸法。線注入法分為近端(注入段)測試與遠(yuǎn)端(接收端)測試，通過把規(guī)定的電壓和電流施加到線纜的屏蔽層并測試感應(yīng)電壓來獲得表面轉(zhuǎn)移阻抗，根據(jù)某團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)選取近端和遠(yuǎn)端中最差的結(jié)果作為線注入法的最終結(jié)果。

三同軸法一般有A、B、C三種方法，本次選擇較為簡單、快速的三同軸B法，通過向被測屏蔽電纜芯線注入定量的電流，然后測量屏蔽層與測試夾具間的耦合電壓，該耦合電壓與注入電流的比值為被測屏蔽線纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗。

依據(jù)IEC 62153-4-3[8]、IEC 62153-4-6[9]的測試規(guī)程，首先需要對樣品(與仿真樣品保持一致)進(jìn)行制樣，然后對測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，最后用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試插入損耗值并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到轉(zhuǎn)移阻抗值。

3.3 測試結(jié)果與仿真結(jié)果驗證

測試在電磁屏蔽室中進(jìn)行，施加與仿真相同的平面電磁波激勵。該線纜表面轉(zhuǎn)移阻抗的線注入法測試結(jié)果、三同軸B法測試結(jié)果和仿真結(jié)果如圖4和表1所示。

一般來說，對于0.5 m長的線纜，三同軸B法和線注入法的截止頻率理論上可以分別達(dá)到50 MHz和1 GHz。本次測試布置時為了使屏蔽層和夾具接觸良好而加上了銅箔，為了使組成屏蔽層與芯線的內(nèi)電路以及電回路的阻抗匹配而加上了匹配電阻，增加的這兩者引入的電感和電容導(dǎo)致了截止頻率的降低。本次測試的截止頻率在30 MHz左右，截止頻率之后的測試結(jié)果不具有參考性。但測試頻率還是要到100 MHz，一是某團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的推薦要求，二是因為測試頻率要足夠才能找到截止頻率[10]。在測試的截止頻率范圍內(nèi)，可以看出測試的結(jié)果和仿真的結(jié)果大致一致，關(guān)鍵頻點(diǎn)值的誤差在可接受的范圍內(nèi)，證明了此仿真方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文介紹的仿真方法的誤差在可接受范圍之內(nèi)，具有準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，對于測試機(jī)構(gòu)和線纜產(chǎn)品的正向開發(fā)具有參考意義。