電動汽車輻射源的仿真分析

2014-03-25 02:39:44鄒新龍石丹王子浩高攸綱

環境技術 2014年1期

鄒新龍，石丹，王子浩，高攸綱

（北京郵電大學電子工程學院，北京 100876）

引言

目前，環境和能源問題日益嚴峻，傳統燃油汽車環境污染嚴重，能源消耗大，引起人們越來越多的關注與擔憂。電動汽車具有節能、環保的優勢，可有效緩解能源資源緊張、大氣污染嚴重等問題。據統計，2011年我國上市的新能源汽車數量達50 萬量。但由于純電動車用電動機取代了內燃機，能量來源由燃油改成車載電池。因此主動力電路上功率高(100 KW 左右)、電流大(幾百安培) 、工作頻率高(10KHz 或20KHz)，引發了一系列的電磁兼容問題，由此電動汽車的電磁輻射問題成為亟需分析和解決的熱點問題。電動汽車產生電磁干擾的來源有很多：絕緣柵雙極晶體管在高頻開關動作時會產生很高的電流、電壓峰值，在電池、逆變器和電機與地盤之間又會形成共模和差模干擾，輻射的電磁波也是一種影響電磁兼容的干擾源。

目前，在電動汽車輻射源的實驗方法中，測試和仿真是目前最為有效和常用的手段。本實驗采用軟件仿真工具主要包括CST、MATLAB 和3D MAX。

1 電動汽車輻射源的簡單設計流程

本實驗的仿真分為兩步完成，第一步：在3D max 軟件中得到汽車模型，然后將模型導入到CST 中，以便于最后的仿真；第二步：在MATLAB 中建立幾種輻射源的電路模型，并進行仿真，將仿真的結果通過曲線擬合的方式得到信號源的輻射表達式，并把表達式輸入到CST中作為仿真的激勵源，圖1 是本實驗的設計流程。

圖1 設計流程圖

2 汽車模型的整體架構

要仿真汽車電磁輻射環境就先需要畫出汽車的整體模型，在CST 中畫出汽車模型是十分困難的，我們采用了目前較為流行的3D 畫圖工具3D max，得到汽車的整體模型后將模型導入CST 中即可。圖2 是在3D max 中得到的汽車模型，圖3 是導入到CST 后的效果圖。

圖2 MAX 中汽車效果圖

圖3 CST 中汽車效果圖

3 電磁模型的建立與仿真

EMTP 是電磁暫態分析專用的，MATLAB 雖然功能強大，但在電力專業性上可能還稍微差點。很多時候，在EMTP 中ATP 是應用最廣泛的，而且它其中很多模型的準確度也都是有實測驗證的，這一點上MATLAB 差很多，在一些文獻中也看到，驗證它的模型則是通過和ATP 做比較的。但可以用ATP 進行電力仿真，將仿真結果導入MATLAB 進行分析。

由于電動汽車結構復雜，如果將整個系統混在一起進行全波仿真，則需要耗費很長的計算時間。因此可將其分割成不同模塊，分塊進行模擬，根據模塊特點選擇適當的仿真方法，最后再進行系統綜合。根據電動汽車通用的內部結構，電池組位于車輛后座的下方，逆變器位于車輛前蓋內，電動機位于車輛前輪的上方。電池組與逆變器之間有較長的連接電纜，逆變器與電動機之間連接電纜相對較短。因此，逆變器采用考慮了分布參數的等效電路模型，而復雜的電纜束采用傳輸線模型，最后結合全波方法和車體原型計算這些干擾源產生的輻射。由此可見，通過分塊模擬和不同計算方法的結合，能夠大大節省計算資源和時間，從而為電磁兼容仿真提供一種快速有效的方法。通過查閱資料得到汽車內部關鍵部件之一，也就是牽引電機的簡單模型圖，模型使用EMTP 軟件，通過設置相關參數，仿真后得到電流波形。

圖4 是電動汽車Traction Battery 部件的電路等效模型，圖5 是電路電流的波形圖，通過matlab 自帶的cftool工具，將圖5 中的電流曲線擬合，擬合后的函數為:

式中dtime 是表示時域。曲線擬合是通過MATLAB自帶工具箱—曲線擬合工具實現的。它能對數據進行平滑預處理工作，數據擬合可以通過參量化、非參量化方法，參量化擬合方式包括通用公式法、多項式法和高斯法。非參量化擬合方式有平滑法和內插法。能對各種結果進行統計分析，比較數據的優劣，圖6 是擬合后的波形。