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一汽奔騰 | 電動(dòng)汽車(chē)高壓系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射的建模與仿真
2021-12-27 20:21:51· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂 作者：姜意馳等
文章來(lái)源：1.一汽奔騰轎車(chē)有限公司，2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司1 前言目前，對(duì)汽車(chē) EMC 的仿真主要從電磁輻射、傳導(dǎo)騷擾、線(xiàn)束串?dāng)_、抗擾以及天線(xiàn)輻射性能
文章來(lái)源：1.一汽奔騰轎車(chē)有限公司，2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司
1 前言
目前，對(duì)汽車(chē) EMC 的仿真主要從電磁輻射、傳導(dǎo)騷擾、線(xiàn)束串?dāng)_、抗擾以及天線(xiàn)輻射性能幾個(gè)方面展開(kāi)。 在整車(chē)級(jí)的電磁耦合預(yù)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外已形成系列方法。
Chen 通過(guò)獲得散射參數(shù)（Scattering Parameters，S 參 數(shù)），在臺(tái)架試驗(yàn)中預(yù)測(cè)整車(chē) EMC 性能。Zeng 等利用 傳遞函數(shù)法預(yù)測(cè)整車(chē)電磁耦合問(wèn)題。Hiroki 等采用傳遞函數(shù)的方式進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的 EMC 設(shè)計(jì)。 高鋒等 基于多端口理論方法，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M整車(chē)輻射發(fā) 射問(wèn)題。葉城愷等基于多端口理論法預(yù)測(cè)汽車(chē)電機(jī) 系統(tǒng)對(duì)外的輻射發(fā)射，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。
以上方 法取得了較好的預(yù)測(cè)效果 ，本 文在上述方法的基礎(chǔ) 上，更加全面地進(jìn)行高壓系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射仿真并與 GB/T 18387—2017《電 動(dòng)車(chē)輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法》 實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。利用 FEKO軟件進(jìn)行高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射仿真建模，計(jì)算高壓系統(tǒng)各部件端口間的S參數(shù)，獲得高壓系統(tǒng)端口耦合特性；根據(jù)GB/T 18387—2017中的試驗(yàn)布置以及測(cè)量方法，分別從車(chē)輛預(yù)掃描結(jié)果和終掃描結(jié)果等多方面驗(yàn)證該方 法在整車(chē)電磁輻射發(fā)射仿真預(yù)測(cè)應(yīng)用中的可靠性。
2 高壓系統(tǒng) S 參數(shù)仿真模型建立
在 FEKO 軟件中導(dǎo)入整車(chē)網(wǎng)格模型并建立高壓系 統(tǒng)輻射發(fā)射線(xiàn)束模型，計(jì)算車(chē)內(nèi)高壓線(xiàn)束與車(chē)外測(cè)試天 線(xiàn)端口之間耦合的 S 參數(shù)。在整車(chē)前艙內(nèi)建立高壓系 統(tǒng)線(xiàn)束模型如圖 1 所示，搭建高壓線(xiàn)束 S 參數(shù)仿真端 口。為保證 S 參數(shù)仿真的準(zhǔn)確性，前艙網(wǎng)格模型需盡可 能符合實(shí)際結(jié)構(gòu)。
對(duì)應(yīng) GB/T 18387—2017 中的試驗(yàn)流程，分別設(shè)置電磁場(chǎng)天線(xiàn)的接地方式以及天線(xiàn)位置。電場(chǎng)天線(xiàn)仿真 布置如圖 2a 所示，其中，4 個(gè)單極天線(xiàn)置于地面，在前后左右 4 個(gè)方向上與車(chē)輛距離為 3 m±0.03 m，其中 2 根天線(xiàn)分別置于車(chē)輛左右對(duì)稱(chēng)面上的前、后兩側(cè)，另 2 個(gè) 天線(xiàn)分別置于前后輪軸對(duì)稱(chēng)面上的左、右兩側(cè)。磁場(chǎng)天線(xiàn)仿真布置如圖 2b 所示，其中，4 個(gè)環(huán)天線(xiàn)距離地面 1.3 m±0.05 m，布置方式與電場(chǎng)天線(xiàn)仿真布置的方式相 同。按照此布置方式，分別在 FEKO 中仿真得到高壓系 統(tǒng)與電場(chǎng)天線(xiàn)和磁場(chǎng)天線(xiàn)端口間的 S 參數(shù)。
3 整車(chē)高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射預(yù)測(cè)方法
3.1多端口網(wǎng)絡(luò)理論
在整車(chē) EMC 問(wèn)題的預(yù)測(cè)中，因系統(tǒng)內(nèi)部電磁耦合環(huán)境復(fù)雜，故將耦合路徑等效為具有能量傳遞關(guān)系的 多端口網(wǎng)絡(luò)，干擾源和敏感設(shè)備直接連接網(wǎng)絡(luò)端口。 此時(shí)，忽略網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將整車(chē) EMC 預(yù)測(cè)問(wèn)題簡(jiǎn) 化為多端口網(wǎng)絡(luò)的等效建模計(jì)算問(wèn)題。圖 3 所示為多 端口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)量為 m 的端口，各端口之間具 有電磁耦合關(guān)系。其端口電壓與電流之間的關(guān)系可描 述為：
式中，um 為端口電壓；im 為端口電流；Zmm 為描述高頻端口特性關(guān)系的轉(zhuǎn)移阻抗，可由 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換得到。
3.2高壓系統(tǒng)端口建模
針對(duì)某車(chē)型的高壓系統(tǒng)進(jìn)行低頻輻射發(fā)射預(yù)測(cè)，將 其進(jìn)行端口等效建模，系統(tǒng)內(nèi)零部件分別等效為干擾源 和一般設(shè)備，外部天線(xiàn)等效為敏感設(shè)備，高壓系統(tǒng)輻射 發(fā)射端口分布如圖 4 所示。
由圖 4 可知，分別將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制器、高壓電池包、壓縮機(jī)和正溫度系數(shù)（Positive TemperatureCoefficient，PTC）加熱器作為 5 個(gè)端口。由于高壓系統(tǒng)的輻射發(fā)射主要來(lái)源于 DC/DC 及電機(jī)控制器，故將 DC/DC 和電機(jī)控制器作為干擾源，即端口 1 和端口 2 作為干擾源 端口；高壓電池包、壓縮機(jī)和 PTC 加熱器作為一般設(shè)備， 即端口 3~端口 5 為一般設(shè)備端口；將 4 個(gè)電場(chǎng)天線(xiàn)作為 敏感設(shè)備，即端口 6~端口 9 為敏感設(shè)備端口。
用戴維南等效電路表征各端口特性，其中，干擾源用等效干擾電壓和等效輸出阻抗串聯(lián)的電路形式表征， 一般設(shè)備和敏感設(shè)備僅用等效輸出阻抗表征。整車(chē)級(jí)EMC 多端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖 5 所示，其中，Zs1~Zs9 分別為 端口 1~端口 9 的阻抗，I1~I9 分別為端口 1~端口 9 的電 流，Vs1、Vs2 為干擾源端口戴維南等效電壓。
3.3 整車(chē)低頻輻射發(fā)射預(yù)測(cè)公式推導(dǎo)
建立整車(chē) EMC 模型后，結(jié)合整車(chē)網(wǎng)絡(luò)特性和零部 件端口特性即可實(shí)現(xiàn)整車(chē)級(jí) EMC 預(yù)測(cè)。根據(jù)圖 5，用戴 維南等效電路表征的零部件端口特性與端口電壓、電流 之間的關(guān)系為：
式中，U=(U1,U2,…,U9) T為端口電壓；U1~U9 分別為端口 1~ 端口 9 的電壓；I=(I1,I2,…,I9)T 為端口電流；Z 為端口轉(zhuǎn)移 阻抗矩陣；Zs=diag(Zs1,Zs2,…,Zs9)為零部件端口等效內(nèi)阻； V=(V1,V2,…,V9) 為干擾源端口戴維南等效電壓。
根據(jù)端口電壓和電流的關(guān)系，經(jīng)式（2）推導(dǎo)可得到 用戴維南等效電壓、等效阻抗、端口轉(zhuǎn)移阻抗矩陣等參數(shù)表示的端口電壓、電流公式：
其中，阻抗參數(shù)可在實(shí)車(chē)或臺(tái)架上通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分 析儀獲得，電流通過(guò)電流鉗采集，戴維南等效電壓可通 過(guò)端口電流和阻抗計(jì)算得到。
因高頻時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)無(wú)法直接測(cè)得，故經(jīng) S 參數(shù) 轉(zhuǎn)換得到，S 參數(shù)可通過(guò)在 FEKO 軟件中建模仿真獲得， 端口 S 參數(shù)矩陣為：
式中，Z0 為參考阻抗，取 Z0=50 Ω；E 為單位矩陣。
由式（3）和式（4）可知，根據(jù)整車(chē)網(wǎng)絡(luò)特性以及零部件等效輸出阻抗即可計(jì)算敏感設(shè)備端口的電壓、電流。 針對(duì)輻射發(fā)射問(wèn)題，可通過(guò)天線(xiàn)系數(shù)將敏感設(shè)備端口的 電壓、電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，完成輻射 發(fā)射預(yù)測(cè)。
4 仿真計(jì)算及驗(yàn)證
基于多端口網(wǎng)絡(luò)方法，在實(shí)車(chē)條件下仿真計(jì)算高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)整車(chē)級(jí) EMC 預(yù)測(cè)；根據(jù)高壓系統(tǒng)的端口分布設(shè)置，在 FEKO 中仿真獲得各端口間的 S 參數(shù)，即端口耦合關(guān)系；實(shí)車(chē)斷電情況下，利用 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集各零部件端口以及線(xiàn)束端口阻抗，用于仿真計(jì)算。
4.1整車(chē)輻射發(fā)射預(yù)掃描仿真計(jì)算
在車(chē)速為 40 km/h 時(shí) ，實(shí) 車(chē)采集高壓系統(tǒng)端口電 流，基于多端口網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行整車(chē)高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射 預(yù)測(cè)，仿真結(jié)果通過(guò)天線(xiàn)系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可分別獲得 4 個(gè)電場(chǎng)天線(xiàn)和 4 個(gè)磁場(chǎng)天線(xiàn)位置處的場(chǎng)強(qiáng)。 基于GB/T 18387—2017 的測(cè)試準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)車(chē)輻射發(fā)射電 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，將仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別可得不同天線(xiàn)位置處的仿真場(chǎng)強(qiáng)與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比結(jié)果。電、磁場(chǎng)天線(xiàn)預(yù)掃描結(jié)果分別如圖 6、 圖 7 所示。
由圖 6a 可知，不同位置天線(xiàn)所接收?qǐng)鰪?qiáng)的大小有所差別，但曲線(xiàn)總體趨勢(shì)相同，這是由于電磁波呈衰減 狀態(tài)，不同空間位置所接收電磁波的大小不同，但各電 氣件所產(chǎn)生干擾的頻段固定，因此總體趨勢(shì)一致；將圖 6a 與圖 6b 對(duì)比可得，仿真與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)整體趨勢(shì)較為一致，波 峰 、波 谷 一 致 性 較 好 。
其 中 ，在 接 近 7 MHz、 17 MHz 等處的峰值預(yù)測(cè)明顯，證明了多端口等效方法 在整車(chē)輻射發(fā)射預(yù)測(cè)中的有效性；由圖 6b 可得，右側(cè)電 場(chǎng)天線(xiàn)在 17 MHz 的頻點(diǎn)處具有較高的輻射超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)， 因此后續(xù)將針對(duì)右側(cè)天線(xiàn)進(jìn)行終掃描仿真以及測(cè)試。
同樣分析可得，在圖 7a 中，不同磁場(chǎng)天線(xiàn)所接收的 磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)總體趨勢(shì)一致，大小有所差別；將圖 7a 與 圖 7b 對(duì)比可得，仿真與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)整體趨勢(shì)較為一致，在 17 MHz 處的峰值預(yù)測(cè)明顯，證明了該預(yù)測(cè)方法在輻射發(fā)射仿真中應(yīng)用的有效性；由圖 7b 可得，確定右側(cè)磁場(chǎng) 天線(xiàn)具有最大的輻射面，后續(xù)將針對(duì)右側(cè)天線(xiàn)進(jìn)行終掃 描仿真以及測(cè)試。
已知在車(chē)速為 40 km/h 的預(yù)掃描測(cè)量結(jié)果中，車(chē)輛 右側(cè)為最大發(fā)射方向，因此在車(chē)速為 16 km/h 和 70 km/h 的終掃描中，只進(jìn)行右側(cè)天線(xiàn)的電磁場(chǎng)掃描和仿真。
4.2整車(chē)輻射發(fā)射終掃描仿真計(jì)算
根據(jù) GB/T 18387—2017 中的試驗(yàn)流程，將多端口 網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于整車(chē)輻射發(fā)射的終掃描仿真計(jì)算中。 在車(chē)速為 16 km/h 以及 70 km/h 時(shí)，分別實(shí)車(chē)采集高壓系 統(tǒng)干擾件端口的電流，基于多端口網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行整車(chē)高 壓系統(tǒng)輻射發(fā)射預(yù)測(cè)，并進(jìn)行右側(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)天線(xiàn)仿真 與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比，結(jié)果分別如圖 8、圖 9 所示。
從圖 8 中可看出，仿真與實(shí)測(cè)電場(chǎng)結(jié)果整體趨勢(shì)較 為吻合，峰值預(yù)測(cè)較為明顯，由此說(shuō)明，多端口網(wǎng)絡(luò)方法 對(duì)于整車(chē) EMC 預(yù)測(cè)有效，該方法在整車(chē)開(kāi)發(fā)階段應(yīng)用， 可在一定程度上降低輻射發(fā)射超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
從圖 9 中可看出，仿真與實(shí)測(cè)磁場(chǎng)結(jié)果整體趨勢(shì)較 為吻合，峰值預(yù)測(cè)較為明顯，進(jìn)一步驗(yàn)證了多端口網(wǎng)絡(luò)方法在整車(chē) EMC 預(yù)測(cè)中的有效性。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文將多端口網(wǎng)絡(luò)方法所預(yù)測(cè)得到的輻射發(fā)射結(jié) 果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行了全面對(duì)比。利用 FEKO 軟 件進(jìn)行高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射仿真建模，仿真計(jì)算得到高壓 系統(tǒng)各端口間的 S 參數(shù)，解決了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)端口 S 參數(shù)測(cè) 試難問(wèn)題；基于多端口網(wǎng)絡(luò)理論方法與 FEKO 建模仿真 S 參數(shù)相結(jié)合，將高壓系統(tǒng)各零部件進(jìn)行端口等效，仿 真預(yù)測(cè)了高壓系統(tǒng)對(duì)外低頻輻射發(fā)射強(qiáng)度，獲得了整車(chē) 高壓系統(tǒng)的低頻輻射發(fā)射預(yù)測(cè)方法；根據(jù) GB/T 18387—2017 中的電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法，在車(chē)速為 40 km/h 時(shí) 獲得最大發(fā)射方向后，又分別進(jìn)行車(chē)速為 16 km/h 和 70 km/h 時(shí)的終掃描測(cè)量，通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，仿 真與實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)整體趨勢(shì)較為吻合，波峰、波谷預(yù)測(cè) 明顯，驗(yàn)證了基于該方法預(yù)測(cè)整車(chē)輻射發(fā)射的有效性。 將該方法應(yīng)用在整車(chē)開(kāi)發(fā)階段，預(yù)測(cè)整車(chē)高壓系統(tǒng)低頻 輻射發(fā)射強(qiáng)度，可在一定程度上提前識(shí)別并采取優(yōu)化措 施降低輻射發(fā)射超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
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