论文部分内容阅读
摘要： 本文提出一种建立等效模型的高效電磁辐射仿真方法，通过应用仿真分析、实车测试的方式进行检验，从仿真分析的结果来看，结果表现可靠，且经过简化后的模型，使得整体仿真效率更加的突出，通过此有效促进车内电磁防护工作的开展，且为相关辐射标准制定提供借鉴。
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.
关键词： 电动汽车电磁干扰;电磁辐射;电磁兼容;仿真
Key words： electromagnetic interference of electric vehicles;electromagnetic radiation;electromagnetic compatibility;simulation
中图分类号：U472.43 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0044-04
1 电磁干扰产生机理分析
1.1 DC/DC变换器 此次研究中的纯电动汽车DC/DC变换器，其功率模块应用IGBT，其在实际运行的过程中，保持较高的开关通断频率，通常在每秒时间内能够完成万次以上的开关通断，而受高频率的转换影响，使得其在运转工作过程中会产生较大的瞬时电压/电流变化量，进而形成电磁干扰，因此在纯电动汽车中该部分结构属于较为主要的电磁干扰源之一。
1.2 驱动电机 驱动电机在运转工作的过程中也会产生较大的电磁的干扰，从其干扰方式上表现出来的差异进行分类，主要可分为传导干扰、辐射干扰两种方式。其中传导干扰产生主要由内部电路出现共阻抗耦合现象引起，使得相关干扰信号顺导线作用在与之相连接的电子设备上;而辐射干扰主要由驱动电机内部磁路运转工作影响，其会向周围空间释放电磁波，进而对电子设备产生干扰作用。在这两种干扰模式影响下，使得驱动电机表现出较强的电磁干扰性。
2 模型建立
2.1 车身模型 在对车身模型进行创建的过程中，常会受到较多实际因素影响，如：计算机运行速度、运行内存等，使得创建模型难以在各个方面精准控制，因此通常需要对车体各部分结构做出适当的取舍。从实际模型构建来看，在模型中能够对车体外形、内部结构、电缆布置、电机布置等进行较好的展现，但是如果将这些信息都在模型中较为精准的进行展现，将会使得计算机的计算量出现较大幅度增加，进而对后期网格处理产生不良影响，出现处理畸变的情况，甚至会对仿真结果准确性产生影响。因此在进行模型构建的时候，可先将车内部存在的一些非电解质结构和车外部不影响仿真的构件进行忽略，如：座椅、方向盘、轮胎、后视镜等。然后依照此方法应用Pro/Engineer构建电动汽车的车身，严格依照车体尺寸要求输入参数构建模型，本次构建模型汽车外观尺寸为4.554m×1.822m×1.630m。在完成模型创建后，将之导入到CST之中，并对其做进一步的处理。在应用Pro/Engineer进行模型构建的过程中，创建的各个面都存在着一定的厚度值，受这些值影响，将会对后续网格剖分和模型计算产生较大的影响，因此在导入CST后应对其做出处理，仅将外观表面保留下来。同时，在原有模型中还存在曲边、倒角等细微处的处理，这些在进行仿真时都会增大运算量，因此在导入CST后应将这些不必要的细小特征进行优化，在经过处理之后，车体表面应表现为无间隙完整面。在对模型进行清理简化之后，为确保后期电磁辐射仿真能够顺利开展进行，应先针对模型网格进行剖分，在进行剖分的过程中，网格尺寸如果越小，划分将会显得更加密集，由此得到的结果也将更加的准确，但也对计算机的计算能力提出更高的要求，需要更长的时间来进行计算;如果网格尺寸设置得较为稀疏，则会在很大程度上减少计算时间，但会在一定程度上影响到计算的精度。所以在设置网格尺寸的过程中，应注意结合实际情况来展开设置。在本次研究中为有效降低仿真过程中产生的误差，同时参考实际模型进行尺寸设置，最后将模型尺寸设为0.2m。
2.2 DC/DC变换器等效模型 DC/DC变换器在运转工作的过程中，主要针对高电压进行转换，将300V-340V电压转换成为12V的电压，然后为电动汽车中的各电子设备进行供电。其功率模块应用IGBT，每秒时间内能够完成万次以上的开关通断，高频率的通断使得其产生较大的瞬时电压/电流变化量，进而造成电磁干扰。在进行该部分的模型构建时，将其设计成为电偶极子天线模型，同时将等效模型的长度控制在1000mm。 2.3 驱动电机等效模型 驅动电机在运转工作时，内部磁路会向周边敷设电磁能量，从而在一定范围内形成电磁波，属于纯电动汽车中另外一个电磁干扰源。本次研究的电动汽车电机，工作电压在300V左右，因此在对之进行电磁场仿真的时候，同样设计为电偶极子天线模型，且将其长控制在500mm。
3 电磁仿真分析
3.1 建模仿真流程 在针对整车进行的电磁仿真中，主要应用辐射源添加激励的方式来进行，然后将车身模型与辐射源模型完成整合，依照整车辐射源的实际位置确定仿真模型。为保证仿真模型整合能够准确对位，应用空间坐标进行定义，其中X轴表示车体高度;Y轴表示车体宽度;Z轴表示车体长度，本次研究中涉及到的点位都在创建的坐标系中定位。
3.2 激励源 依照纯电动车实际驱动电机、动力电缆等所在位置，确定激励源的输入坐标，具体如表1所示。
3.3 驱动电机仿真分析
3.3.1 设置合适的线路阻抗 电动车中构建的电网会受到较多因素影响，从而造成线路阻抗产生变化，为了能够在仿真分析的时候能够有效模拟和测试，通常采用设置合适稳定的线路阻抗来进行模拟，一般在射频段设置50Ω网络阻抗。
3.3.2 隔离受测试设备 为避免受测试设备与电网之间形成相互干扰，在进行仿真分析时需对二者做相互隔离处理，以此测试得到结果才更为准确。在隔离方式上主要采用添加LISN来实现，LISN的结构和原理如图1所示。针对三相异步电动机进行等效电路图构建，具体如图2所示，因为三相处于对称状态，因此只需对其中一相的电路进行研究。测试时为避免干扰应加入LISN。在应用CST软件进行仿真实验的过程中，针对驱动电机的传导干扰仿真时，将电压频率设定为50Hz，输入正弦电压设为300V。同时其中其它元件的参数信息设置为：R1：9.34Ω、R2：5.51Ω、R3：5.51Ω、L1：0.25H、L2：0.25H、L3：0.23H。从相关标准的规定情况来看，要求在测试传导干扰的时候，设置仿真频率应在30MHz以内，从实际测试情况来看，在测试频率数值超过1000Hz之后，产生的干扰电压处于极低的状态，因此本次研究将仿真测试频率控制在0-1000Hz范围内，然后对干扰电路中电阻R4与R5两端的电压进行实时观察，由此可测出电路中产生传导干扰电压大小，并获取到其产生变化情况。在整个测试过程中，处于0-1000Hz范围内的电压脉冲较为平稳，整体数值较低，但在50Hz频率、980Hz频率两个点位处，出现较大的电压脉冲，且其中980Hz频率处产生脉冲最高，达到0.37V。
3.4 整车车内电磁辐射仿真
3.4.1 整车电磁辐射仿真模型 在进行整车电磁辐射仿真的过程中，主要涉及到多种模型类型：车体模型、DC/DC变换器模型、驱动电机模型等。
3.4.2 仿真结果分析 在仿真的过程中，将仿真频率分别设置为100MHz、200MHz、300MHz，观察车身表面电流情况，结果分别为图3-图5所示。对上面不同频率的仿真结果进行对比分析，从中发现以下几点特点：①车载通讯天线释放出来的电场辐射值最高;②在汽车内部的前排位置处存在的电场辐射值相较于后排更高，且在驾驶位置处辐射值最大，由这也可看出车载通讯天线辐射电厂主要作用于车外，对车内产生辐射影响较小;③电场辐射强度与干扰源之间距离有直接性关系。图6为点A位置处的电场辐射值变化情况。从上面的仿真结果来看，①此次研究纯电动汽车，其内部的最大电场辐射值为1.48V/M;
②在频率处于80MHz左右时，车内出现最大辐射情况，因此在选择该种汽车时，应做好该频率段的电磁场屏蔽工作;③在汽车内部，位于驾驶员头部区域的电磁辐射相对较高，且整体呈现出前排电磁辐射大于后排电磁辐射的情况，离主要辐射干扰源位置越近，产生的辐射量越大。
4 结语
为了有效提升电动汽车的电磁兼容性能，在对其进行设计生产的过程中，应重点分析电磁干扰的实际情况，并研究有效的干扰抑制措施，从本次研究实际结果来看，主要得到以下几点结论：①电动汽车在运行工作的过程中，其内部产生电场值大小受水平高度影响，整体呈现出递减趋势，高度越高电场值减小越大;②本次研究所采用的建模方法，具有较高的准确性，能够为实际生产提供准确的数据支撑，模型精度与数据都具有较高的可靠性;③在汽车内部驱动线缆位置释放出来的电场强度较大，相较于其它位置明显更高，因此在实际生产过程中，应重点加强对该位置的屏蔽处理，如：可适当提升其与车底板之间距离，通过距离延长的方式来达到降低车内电磁辐射量的目的，从而更好的保障车内人员身体健康。
参考文献：
[1]李洋.纯电动汽车车内电磁辐射研究与分析[D].中北大学，2018.
[2]薛俊超.纯电动汽车车内电磁辐射仿真与试验[D].长安大学，2018.
[3]刘绍波，曹志良.电动汽车车内电磁辐射的仿真分析研究[J].电子器件，2019-02-20.
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.
关键词： 电动汽车电磁干扰;电磁辐射;电磁兼容;仿真
Key words： electromagnetic interference of electric vehicles;electromagnetic radiation;electromagnetic compatibility;simulation
中图分类号：U472.43 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0044-04
1 电磁干扰产生机理分析
1.1 DC/DC变换器 此次研究中的纯电动汽车DC/DC变换器，其功率模块应用IGBT，其在实际运行的过程中，保持较高的开关通断频率，通常在每秒时间内能够完成万次以上的开关通断，而受高频率的转换影响，使得其在运转工作过程中会产生较大的瞬时电压/电流变化量，进而形成电磁干扰，因此在纯电动汽车中该部分结构属于较为主要的电磁干扰源之一。
1.2 驱动电机 驱动电机在运转工作的过程中也会产生较大的电磁的干扰，从其干扰方式上表现出来的差异进行分类，主要可分为传导干扰、辐射干扰两种方式。其中传导干扰产生主要由内部电路出现共阻抗耦合现象引起，使得相关干扰信号顺导线作用在与之相连接的电子设备上;而辐射干扰主要由驱动电机内部磁路运转工作影响，其会向周围空间释放电磁波，进而对电子设备产生干扰作用。在这两种干扰模式影响下，使得驱动电机表现出较强的电磁干扰性。
2 模型建立
2.1 车身模型 在对车身模型进行创建的过程中，常会受到较多实际因素影响，如：计算机运行速度、运行内存等，使得创建模型难以在各个方面精准控制，因此通常需要对车体各部分结构做出适当的取舍。从实际模型构建来看，在模型中能够对车体外形、内部结构、电缆布置、电机布置等进行较好的展现，但是如果将这些信息都在模型中较为精准的进行展现，将会使得计算机的计算量出现较大幅度增加，进而对后期网格处理产生不良影响，出现处理畸变的情况，甚至会对仿真结果准确性产生影响。因此在进行模型构建的时候，可先将车内部存在的一些非电解质结构和车外部不影响仿真的构件进行忽略，如：座椅、方向盘、轮胎、后视镜等。然后依照此方法应用Pro/Engineer构建电动汽车的车身，严格依照车体尺寸要求输入参数构建模型，本次构建模型汽车外观尺寸为4.554m×1.822m×1.630m。在完成模型创建后，将之导入到CST之中，并对其做进一步的处理。在应用Pro/Engineer进行模型构建的过程中，创建的各个面都存在着一定的厚度值，受这些值影响，将会对后续网格剖分和模型计算产生较大的影响，因此在导入CST后应对其做出处理，仅将外观表面保留下来。同时，在原有模型中还存在曲边、倒角等细微处的处理，这些在进行仿真时都会增大运算量，因此在导入CST后应将这些不必要的细小特征进行优化，在经过处理之后，车体表面应表现为无间隙完整面。在对模型进行清理简化之后，为确保后期电磁辐射仿真能够顺利开展进行，应先针对模型网格进行剖分，在进行剖分的过程中，网格尺寸如果越小，划分将会显得更加密集，由此得到的结果也将更加的准确，但也对计算机的计算能力提出更高的要求，需要更长的时间来进行计算;如果网格尺寸设置得较为稀疏，则会在很大程度上减少计算时间，但会在一定程度上影响到计算的精度。所以在设置网格尺寸的过程中，应注意结合实际情况来展开设置。在本次研究中为有效降低仿真过程中产生的误差，同时参考实际模型进行尺寸设置，最后将模型尺寸设为0.2m。
2.2 DC/DC变换器等效模型 DC/DC变换器在运转工作的过程中，主要针对高电压进行转换，将300V-340V电压转换成为12V的电压，然后为电动汽车中的各电子设备进行供电。其功率模块应用IGBT，每秒时间内能够完成万次以上的开关通断，高频率的通断使得其产生较大的瞬时电压/电流变化量，进而造成电磁干扰。在进行该部分的模型构建时，将其设计成为电偶极子天线模型，同时将等效模型的长度控制在1000mm。 2.3 驱动电机等效模型 驅动电机在运转工作时，内部磁路会向周边敷设电磁能量，从而在一定范围内形成电磁波，属于纯电动汽车中另外一个电磁干扰源。本次研究的电动汽车电机，工作电压在300V左右，因此在对之进行电磁场仿真的时候，同样设计为电偶极子天线模型，且将其长控制在500mm。
3 电磁仿真分析
3.1 建模仿真流程 在针对整车进行的电磁仿真中，主要应用辐射源添加激励的方式来进行，然后将车身模型与辐射源模型完成整合，依照整车辐射源的实际位置确定仿真模型。为保证仿真模型整合能够准确对位，应用空间坐标进行定义，其中X轴表示车体高度;Y轴表示车体宽度;Z轴表示车体长度，本次研究中涉及到的点位都在创建的坐标系中定位。
3.2 激励源 依照纯电动车实际驱动电机、动力电缆等所在位置，确定激励源的输入坐标，具体如表1所示。
3.3 驱动电机仿真分析
3.3.1 设置合适的线路阻抗 电动车中构建的电网会受到较多因素影响，从而造成线路阻抗产生变化，为了能够在仿真分析的时候能够有效模拟和测试，通常采用设置合适稳定的线路阻抗来进行模拟，一般在射频段设置50Ω网络阻抗。
3.3.2 隔离受测试设备 为避免受测试设备与电网之间形成相互干扰，在进行仿真分析时需对二者做相互隔离处理，以此测试得到结果才更为准确。在隔离方式上主要采用添加LISN来实现，LISN的结构和原理如图1所示。针对三相异步电动机进行等效电路图构建，具体如图2所示，因为三相处于对称状态，因此只需对其中一相的电路进行研究。测试时为避免干扰应加入LISN。在应用CST软件进行仿真实验的过程中，针对驱动电机的传导干扰仿真时，将电压频率设定为50Hz，输入正弦电压设为300V。同时其中其它元件的参数信息设置为：R1：9.34Ω、R2：5.51Ω、R3：5.51Ω、L1：0.25H、L2：0.25H、L3：0.23H。从相关标准的规定情况来看，要求在测试传导干扰的时候，设置仿真频率应在30MHz以内，从实际测试情况来看，在测试频率数值超过1000Hz之后，产生的干扰电压处于极低的状态，因此本次研究将仿真测试频率控制在0-1000Hz范围内，然后对干扰电路中电阻R4与R5两端的电压进行实时观察，由此可测出电路中产生传导干扰电压大小，并获取到其产生变化情况。在整个测试过程中，处于0-1000Hz范围内的电压脉冲较为平稳，整体数值较低，但在50Hz频率、980Hz频率两个点位处，出现较大的电压脉冲，且其中980Hz频率处产生脉冲最高，达到0.37V。
3.4 整车车内电磁辐射仿真
3.4.1 整车电磁辐射仿真模型 在进行整车电磁辐射仿真的过程中，主要涉及到多种模型类型：车体模型、DC/DC变换器模型、驱动电机模型等。
3.4.2 仿真结果分析 在仿真的过程中，将仿真频率分别设置为100MHz、200MHz、300MHz，观察车身表面电流情况，结果分别为图3-图5所示。对上面不同频率的仿真结果进行对比分析，从中发现以下几点特点：①车载通讯天线释放出来的电场辐射值最高;②在汽车内部的前排位置处存在的电场辐射值相较于后排更高，且在驾驶位置处辐射值最大，由这也可看出车载通讯天线辐射电厂主要作用于车外，对车内产生辐射影响较小;③电场辐射强度与干扰源之间距离有直接性关系。图6为点A位置处的电场辐射值变化情况。从上面的仿真结果来看，①此次研究纯电动汽车，其内部的最大电场辐射值为1.48V/M;
②在频率处于80MHz左右时，车内出现最大辐射情况，因此在选择该种汽车时，应做好该频率段的电磁场屏蔽工作;③在汽车内部，位于驾驶员头部区域的电磁辐射相对较高，且整体呈现出前排电磁辐射大于后排电磁辐射的情况，离主要辐射干扰源位置越近，产生的辐射量越大。
4 结语
为了有效提升电动汽车的电磁兼容性能，在对其进行设计生产的过程中，应重点分析电磁干扰的实际情况，并研究有效的干扰抑制措施，从本次研究实际结果来看，主要得到以下几点结论：①电动汽车在运行工作的过程中，其内部产生电场值大小受水平高度影响，整体呈现出递减趋势，高度越高电场值减小越大;②本次研究所采用的建模方法，具有较高的准确性，能够为实际生产提供准确的数据支撑，模型精度与数据都具有较高的可靠性;③在汽车内部驱动线缆位置释放出来的电场强度较大，相较于其它位置明显更高，因此在实际生产过程中，应重点加强对该位置的屏蔽处理，如：可适当提升其与车底板之间距离，通过距离延长的方式来达到降低车内电磁辐射量的目的，从而更好的保障车内人员身体健康。
参考文献：
[1]李洋.纯电动汽车车内电磁辐射研究与分析[D].中北大学，2018.
[2]薛俊超.纯电动汽车车内电磁辐射仿真与试验[D].长安大学，2018.
[3]刘绍波，曹志良.电动汽车车内电磁辐射的仿真分析研究[J].电子器件，2019-02-20.