混合動力轎車動力線纜對整車電磁輻射干擾的仿真與試驗研究*

杜明磊，徐中明，丁良旭

(1.重慶大學機械工程學院，重慶 400030; 2.重慶通信學院電力工程系，重慶 400035;3.重慶市電磁兼容工程技術研究中心，重慶 401122)

前言

隨著節能減排日益受到重視，混合動力車成為近年來汽車發展的熱點。然而，隨著車內電子器件和連接線束日益增多，電磁兼容問題越發突出。

與傳統汽車相比，混合動力車多采用以“蓄電池+驅動電機”為主的輔助動力系統。工作時蓄電池產生的直流電經過逆變和整流之后提供給驅動電機，而隨之產生的高頻電磁干擾極易通過線纜向外輻射，成為混合動力轎車的重要電磁干擾源。

針對線束的電磁兼容問題，常采用傳輸線法等建立線束的電路模型加以研究［1－4］，或以天線效應考察線束的電磁輻射特性［5］。對于汽車線束而言，研究時必須結合車身的結構特性［6－8］。

本文中以某型混合動力轎車為例，參照GB18655—2002測試標準［9］，采用“場-路耦合”方法［10］，將傳輸線法和有限積分法相結合，研究混合動力轎車內動力線纜的電磁輻射干擾特性。

1 動力線纜電磁輻射干擾的耦合路徑分析

某型混合動力轎車采用的是并聯結構的中度混合動力系統，其主要結構見圖1。

如圖1所示，混合動力轎車的輔助動力系統主要包括鎳氫動力蓄電池組，ISG驅動電機和電機控制器(IPU)。其中動力蓄電池組和電機控制器安裝在車廂后排座椅背后，通過布置在底板上的動力線纜與車前部發動機艙內的ISG驅動電機相連。當處于驅動狀態時，動力蓄電池組提供的144V直流電經過電機控制器內的逆變電路變換成ISG驅動電機所需的125V交流電。當動力蓄電池組電能不足時，也可以由發動機帶動ISG電機反向運轉進入發電狀態，經電機控制器給動力蓄電池組充電。

可見，該車混合動力系統的布置結構決定了有較長的動力線纜貫通車體，IPU工作時產生的干擾信號極易通過線纜向外輻射電磁干擾波，成為整車的重要電磁干擾源。

該混合動力轎車在怠速狀態下標準參照GB18655—2002標準要求進行整車測試時，動力線纜的電磁輻射干擾耦合路徑如圖2所示。

圖2中動力蓄電池提供的電流經過電機控制器內的逆變電路時產生帶有高頻諧波的干擾信號，此干擾信號經過動力線纜時會以天線效應的方式向外輻射電磁干擾。輻射干擾被車頂后方的車載天線所接收，通過同軸線傳輸到測試接收機，經數據處理后得到車輛怠速狀態下的電磁輻射強度。

2 動力線纜電磁輻射干擾模型的建立與計算

參照混合動力轎車動力線纜的電磁輻射耦合路徑，分別建立整車和動力線纜的電磁仿真模型，采用“場-路”耦合的方法先計算線纜上的電流分布，進而考察其電磁輻射特性。

2.1 車身電磁仿真模型的建立

實際轎車車身多采用大跨度曲面，且接縫很多，如果按照詳細結構建立實車模型，會造成過細的網格劃分和過多的縫隙耦合，計算量將非常巨大，難以實現。因此，在保證一定計算精度的前提下，必須對車身結構進行適當簡化。

以某型混合動力轎車為原型，利用Solidworks建立車身的三維模型，車身尺寸5 034mm×1 973mm×1 115mm(不含輪胎)，如圖3所示。

該車模型主要做如下簡化:將車身的頂、前/后蓋和兩側等均簡化成平面結構;略去對電磁輻射傳播影響很小的輪胎、座椅、車窗和車燈等非金屬部件以及車身上的曲面接縫和微小孔洞，僅保留整車的主體金屬結構;車門、后備箱和前發動機艙等都簡化成金屬實體。

2.2 動力線纜傳輸線模型的建立

為滿足大電流工作狀態，混合動力轎車的動力線纜采用大直徑多股線纜，簡化的傳輸線模型如圖4所示。

由圖4可以看出，動力線纜實際上是由許多直徑、長度、材料均相同的細銅導線綁扎在一起而成，因此具有相同的電磁輻射特性，所以在研究動力線纜的電磁輻射特性時，只須以線纜內單根導線為研究對象即可［11］。

因此，動力線纜的電路模型可以采用電磁兼容中常用的傳輸線法(TLM)，仿真中考慮線上損耗，因此將多股的線纜簡化為傳輸線雙線模型［12］。

參照簡化模型，建立動力線纜的電磁仿真模型。線纜選用雙股銅導線，單股橫截面積1mm2，線纜長2m，線間距0.1mm，距車底板距離10mm。

將動力線纜導入到整車三維模型中，線纜安裝位置與實車一致，置于車廂內偏左側的底板上。從后排座椅延伸到車廂前端，如圖5所示。

仿真模型的其它主要設置如下:

(1)線纜的激勵源為125V直流電壓源，線纜終端阻抗(電機內阻)初始值設置為50Ω，計算中考慮歐姆損耗和介質損耗;

(2)將車身設置為動力線纜共模電流的回路地線;

(3)參照GB18655—2002的測試要求，場強測試點設在車頂后部的汽車天線處(圖2);

(4)邊界條件:將車身底面設置成電壁(模擬大地)，其余5個方向設置成開放邊界;

(5)頻率范圍:0～1GHz。

2.3 動力線纜電磁輻射模型的計算

仿真中考慮了線束的歐姆損耗，因此動力線纜的分布參數電路模型可以簡化為有耗傳輸線方程，即

式中:u(t，z)、i(t，z)分別表示 t時刻在坐標 z處的電壓和電流;R為單位長度傳輸線電阻;G為單位長度傳輸線電導;L0為單位長度傳輸線電感;C0為單位長度傳輸線電容。方程通解為

式中:A1、A2、A3、A4為常數。假設已知傳輸線的初始端電壓U0和電流I0，則有耗傳輸線方程的解為

計算時須將傳輸線模型離散化成一系列相串聯的電路單元組合，每段電路單元尺寸要遠小于所考察頻率對應的波長，以忽略電磁波的傳播影響。分別計算離散化的電路單元，即可得到線纜上的電壓和電流分布。

將計算得到的線纜電流分布作為線纜輻射的電流元場源，當離散化的電路單元尺寸l足夠小(l＜＜波長λ)，測試點距離導線符合遠場特性時，可以用簡化的共模/差模電流輻射模型［13］，即

式中:ECM、EDM分別為考察點的共模和差模輻射電場強度，V/m;IC、ID分別為電偶極子電流和電流環電流;l0為電偶極子長度;S為電流環面積;r為測試點到線纜的距離;f為頻率。

3 動力線纜的電磁輻射特性仿真分析

電磁仿真時，分別研究動力線纜的長度、終端負載、離地距離和屏蔽等因素對其輻射特性的影響，結果如下。

3.1 線纜長度的影響

保持動力線纜的激勵源直流125V、端接電阻50Ω、離地距離10mm等參數不變，僅改變其長度，計算得到車載天線處的電場強度值如圖6所示。

由圖6可知，其它參數不變，動力線纜長度分別為0.5、1和2m時，線纜的電磁輻射強度變化較小，只是輻射峰值對應的頻點發生了位移，符合陣子天線的特性，即電基本陣子天線的物理長度與其輻射特性相關，長度越短其共振頻率越高。

3.2 線纜上端接電阻的影響

保持動力線纜的激勵源直流125V、長度2m、離地距離10mm等參數不變，僅改變其端接電阻值，計算得到車載天線處的電場強度值如圖7所示。

不難看出，隨著線纜上的電阻值增大，線纜輻射強度也隨著增大。由于電機繞組線圈呈電感性，而在頻率高過其諧振點后表現為電容性，因此電機在高頻狀態下的阻抗變化復雜而劇烈。

3.3 線纜離地距離的影響

保持動力線纜的激勵源直流125V、長度2m、端接電阻50Ω等參數不變，分別設置其離地距離為3、10和30cm，計算得到相應的車載天線處的電場強度值如圖8所示。

由圖8可知，動力線纜離底板距離越大，其電磁干擾輻射強度越大。該結果也驗證了共模電流所引起的電磁輻射強度與電路、地線組成的回路面積相關，回路面積越大，輻射強度越大。因此，為減小動力線纜的電磁干擾輻射，線纜應該緊貼車廂底板，避免懸空。

3.4 屏蔽效果

為減小線纜的電磁干擾輻射，屏蔽是較為有效的措施。仿真中，保持動力線纜的激勵源直流125V、長度2m、端接電阻50Ω、離地距離10cm等參數不變，分別考察3種情況下線纜的輻射特性。一是未采取措施的動力線纜。二是采用相同直徑的雙絞線代替原先的直導線，線的“絞距”是10mm。三是在直導線外加一層金屬屏蔽層，厚度0.5mm，并做好接地。將3種情況下計算得到的動力線纜電磁輻射特性進行對比，獲得的最終結果如圖9所示。

由圖9可見，采用雙絞線代替直導線后，線纜電磁輻射強度的減小幅度不明顯，且對于多股線纜來說，采用雙絞線結構加工制作較為復雜，因此該措施的實際意義不大。而對線纜采用屏蔽措施后，只要接地良好，線纜的電磁輻射強度明顯降低，而且線纜外加屏蔽層也容易實施，因此外加屏蔽層是降低線纜電磁干擾輻射的有效措施。

4 線纜電磁輻射干擾的改進試驗

某型混合動力汽車在怠速狀態下參照GB18655—2002進行試驗時發現整車的輻射超標嚴重。具體測試結果見圖10。圖中水平線為GB18655—2002的電場強度限值線。可見測得的實車電磁干擾輻射明顯超過標準所規定的限值，測試結果不合格，須進行電磁兼容改進。

經分析發現，怠速時混動車由動力蓄電池經電機控制器通過動力線纜驅動ISG電機工作，由于蓄電池組和電機控制器均做了良好的濾波和屏蔽措施，只有動力線纜未加任何處理措施，因此參照仿真計算的結果，決定對線纜進行屏蔽處理。

采用銅質的屏蔽編制網將動力線纜包裹住，然后用導電膠布將其緊緊纏繞，以保證屏蔽層的良好電連續。然后將動力線纜重新布置在車廂底板上，并且線屏蔽層與車底板做好多點良好的接地。在動力線連接端口屏蔽層也與電機控制器和電機接口做到360°良好連接，不讓動力線纜直接裸露。做好線纜的屏蔽后，重新測試整車，得到的結果見圖11。

測試結果表明，采取線纜屏蔽后，整車的電磁干擾輻射明顯降低，說明之前的干擾主要就是由裸露的動力線纜向外輻射產生，也說明線纜屏蔽對于降低混動車的電磁干擾輻射效果良好。

5 結論

(1)經過建模、仿真和試驗驗證說明，所建的動力線纜與整車的簡化模型能反映實際混動車動力線纜的電磁干擾輻射特性，該方法對于研究車輛的線束電磁干擾輻射特性及其抑制具有較好的指導意義。

(2)僅改變動力線纜的長度并不能明顯減小其輻射強度，而會改變其輻射強度的頻譜分布。

(3)動力線纜的端接負載大小對線纜的輻射特性影響明顯，端接阻抗越大，線纜的電磁輻射越強。與驅動電機相連時，由于高頻狀態電機阻抗變化劇烈，因此線纜的電磁輻射也會隨之明顯變化。

(4)動力線纜應盡可能緊貼車身布置，減小線纜與地之間的回路面積，以減小線纜的電磁輻射。

(5)相比未采取電磁降噪措施的動力線纜，采用雙絞線對于降低動力線纜的電磁輻射來說效果不明顯，采用線纜屏蔽措施能夠明顯降低其電磁輻射強度，屏蔽時要注意與車身的良好接地以及線纜接頭處的端接屏蔽。

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