燃料電池控制器的電磁干擾分析

摘要：為了研究燃料電池控制器（Fuel Cell Controller， FCU）的電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）特性，采用差分進(jìn)化算法建立等效輻射源，基于近場掃描方法測試FCU的磁場，通過對比等效輻射源產(chǎn)生的磁場和測試的磁場，獲得各頻點(diǎn)在X、Y、Z 方向的平均誤差均在3%左右；利用重構(gòu)模型對印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上方半空間的遠(yuǎn)場輻射進(jìn)行仿真模擬. 結(jié)果表明，仿真電場與實(shí)測電場的平均誤差在4.1 dB左右，在測量頻帶范圍內(nèi)整體趨勢一致，驗(yàn)證了差分進(jìn)化算法重構(gòu)的等效輻射源具有較高的精度，該方法可以用來預(yù)測輻射源的影響. 研究了重構(gòu)等效輻射源對金屬外殼的影響，仿真結(jié)果表明，PCB板的遠(yuǎn)場輻射降低了10 dB左右，金屬外殼能有效減少FCU向外產(chǎn)生輻射.

關(guān)鍵詞：近場掃描；燃料電池；電磁干擾；控制器；等效輻射源

中圖分類號：U46;U461.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

氫燃料電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，排放的主要產(chǎn)品是水和熱，因此，氫燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）被廣泛認(rèn)為是未來新能源汽車的重要方向之一，并被列入《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》［1］，對改善未來能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳交通具有深遠(yuǎn)意義.

燃料電池汽車的電子系統(tǒng)較傳統(tǒng)汽車大幅增加，尤其是在燃料電池電堆系統(tǒng)中，DC/DC變換器、空壓機(jī)及空壓機(jī)控制器、燃料電池控制器（FCU）、節(jié)電壓巡檢單元等多個電子系統(tǒng)集成在一起，導(dǎo)致電堆系統(tǒng)及整車電磁兼容問題非常復(fù)雜. 由于超標(biāo)的電磁干擾可能導(dǎo)致整個電子系統(tǒng)的誤動作，降低系統(tǒng)的安全性和可靠性，為了保障燃料電池電堆系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，我國于2021年發(fā)布了《燃料電池發(fā)動機(jī)電磁兼容性能試驗(yàn)方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（T/CSAE 149―2020）［2］，因此，燃料電池電堆電磁兼容特性研究對燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展非常關(guān)鍵［3］.

根據(jù)電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題的“三要素”，從干擾源入手解決往往是最有效的，因此電磁干擾（EMI）問題的關(guān)鍵部分是如何準(zhǔn)確高效地量化輻射干擾源. 目前，國內(nèi)外針對燃料電池汽車相關(guān)子系統(tǒng)的電磁兼容特性研究較少.蘇丹［4］、李衛(wèi)華［5］分析了燃料電池汽車DC/DC變換器的EMC特性，并提出燃料電池汽車DC/DC變換器在EMC設(shè)計(jì)中可采用的抑制干擾措施. 羅寶軍等［6］針對燃料電池汽車DC/DC變換器電磁兼容特性問題建立了燃料電池汽車DC/DC變換器的電磁仿真模型，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體變化趨勢一致，得到了較為可靠的DC/DC變換器仿真模型. 張戟等［7］根據(jù)燃料電池汽車整車控制器的設(shè)計(jì)理論和涉及的EMC機(jī)理，指出燃料電池汽車電子零部件必做的EMC試驗(yàn)，并對相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論. 余召鋒［8］以燃料電池汽車車載控制器為基礎(chǔ)，從軟、硬件方面分析了車載控制器的電磁抗擾措施，并提出車載控制器的EMC分層設(shè)計(jì)思想. 譚理剛等［9］基于屏蔽衰減的三同軸法搭建測試臺，試驗(yàn)結(jié)果表明雙層屏蔽比單層屏蔽的屏蔽效能高10～15 dB，研究結(jié)果可用于指導(dǎo)車載通信同軸電纜的選用及分段布局設(shè)計(jì). Rendu?sara等［10］提出了一種改進(jìn)的PWM 驅(qū)動系統(tǒng)逆變器輸出濾波器，試驗(yàn)結(jié)果表明該濾波器有效地降低了燃料電池汽車電機(jī)端口上的差模和共模干擾電流.Al Sakka等［11］比較了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直流變換器的電磁干擾特性，便于為燃料電池汽車選擇最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). Anak Justin等［12］通過LTSpice仿真研究了不同功率變換器對燃料電池系統(tǒng)EMC的影響，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為支撐，分析了變換器的傳導(dǎo)和輻射干擾特性并討論了如何快速識別影響EMC 的因素. Lee等［13］分析了氫燃料電池大功率線纜的電磁場，得出高壓/電流線纜的EMC分析是防止產(chǎn)生電氣功能安全問題的重要因素這一結(jié)論. 綜上所述，目前較少見到FCU的EMI特性相關(guān)公開報(bào)道，而且，由于FCU具體的電路結(jié)構(gòu)屬于供應(yīng)商商業(yè)秘密且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，對于燃料電池電堆集成廠商或整車廠商而言，在FCU的PCB板電路結(jié)構(gòu)未知的情況下，主要依賴于試驗(yàn)方法.因此，開發(fā)出一種精度較高的FCU的EMI特性的仿真方法對工程開發(fā)具有重要意義.

因此，本文針對燃料電池系統(tǒng)FCU的EMI特性，首先介紹了基于差分進(jìn)化算法的等效輻射源重構(gòu)原理；然后基于該方法，構(gòu)建了FCU的磁偶極子，并通過燃料電池系統(tǒng)FCU的PCB板的近場掃描測試，對重構(gòu)的等效輻射源有效性進(jìn)行驗(yàn)證； 最后，基于驗(yàn)證的等效輻射源，對FCU的EMI特性進(jìn)行仿真研究.

1 基于差分進(jìn)化算法的等效輻射源構(gòu)建

1.1 差分進(jìn)化算法

Storn等［14］提出差分進(jìn)化算法，這是一種基于群體的自適應(yīng)優(yōu)化算法，模擬生物進(jìn)化過程，包含有變異、交叉與選擇3種操作. 基本進(jìn)化思想是利用群體中任意2個矢量的差分作為第3個隨機(jī)矢量的擾動項(xiàng)，F(xiàn) 為縮放因子，取值為0～1，t 表示進(jìn)化的代數(shù).