電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射的建模與仿真

姜意馳 任桂瑩 王洪超 張寶國 宋喜崗

（1.一汽奔騰轎車有限公司，長春 130012；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：電動(dòng)汽車 多端口網(wǎng)絡(luò) 高壓系統(tǒng) 輻射發(fā)射 電磁兼容

1 前言

隨著車輛安全、舒適、節(jié)能環(huán)保等性能的日益提升，車內(nèi)電子電氣設(shè)備數(shù)量增多，相互之間干擾嚴(yán)重，電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，故整車電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題得到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的EMC開發(fā)思路為對(duì)樣車進(jìn)行一系列測試，針對(duì)測試問題進(jìn)行分析改進(jìn)，項(xiàng)目周期長，開發(fā)成本高。EMC開發(fā)設(shè)計(jì)越早進(jìn)行，可進(jìn)行整改的措施越多，則成本越低，因此在早期進(jìn)行EMC問題的仿真預(yù)測是必然趨勢。

目前，對(duì)汽車EMC的仿真主要從電磁輻射、傳導(dǎo)騷擾、線束串?dāng)_、抗擾以及天線輻射性能幾個(gè)方面展開。在整車級(jí)的電磁耦合預(yù)測方面，國內(nèi)外已形成系列方法。Chen通過獲得散射參數(shù)（Scattering Parameters，S參數(shù)），在臺(tái)架試驗(yàn)中預(yù)測整車EMC 性能。Zeng 等利用傳遞函數(shù)法預(yù)測整車電磁耦合問題。Hiroki等采用傳遞函數(shù)的方式進(jìn)行電動(dòng)汽車的EMC 設(shè)計(jì)。高鋒等基于多端口理論方法，通過臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M整車輻射發(fā)射問題。葉城愷等基于多端口理論法預(yù)測汽車電機(jī)系統(tǒng)對(duì)外的輻射發(fā)射，并進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證。以上方法取得了較好的預(yù)測效果，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)車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度的限值和測量方法》實(shí)測結(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)布置以及測量方法，分別從車輛預(yù)掃描結(jié)果和終掃描結(jié)果等多方面驗(yàn)證該方法在整車電磁輻射發(fā)射仿真預(yù)測應(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)入整車網(wǎng)格模型并建立高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射線束模型，計(jì)算車內(nèi)高壓線束與車外測試天線端口之間耦合的S 參數(shù)。在整車前艙內(nèi)建立高壓系統(tǒng)線束模型如圖1 所示，搭建高壓線束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)。

圖1 前艙高壓線束模型

對(duì)應(yīng)GB∕T 18387—2017 中的試驗(yàn)流程，分別設(shè)置電磁場天線的接地方式以及天線位置。電場天線仿真布置如圖2a 所示，其中，4 個(gè)單極天線置于地面，在前后左右4 個(gè)方向上與車輛距離為3 m±0.03 m，其中2 根天線分別置于車輛左右對(duì)稱面上的前、后兩側(cè)，另2 個(gè)天線分別置于前后輪軸對(duì)稱面上的左、右兩側(cè)。磁場天線仿真布置如圖2b 所示，其中，4 個(gè)環(huán)天線距離地面1.3 m±0.05 m，布置方式與電場天線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)與電場天線和磁場天線端口間的S參數(shù)。

圖2 電、磁場天線仿真布置

3 整車高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射預(yù)測方法

3.1 多端口網(wǎng)絡(luò)理論

在整車EMC 問題的預(yù)測中，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EMC 預(yù)測問題簡化為多端口網(wǎng)絡(luò)的等效建模計(jì)算問題。圖3 所示為多端口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)量為的端口，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：

圖3 多端口網(wǎng)絡(luò)示意

式中，u為端口電壓；i為端口電流；Z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)某車型的高壓系統(tǒng)進(jìn)行低頻輻射發(fā)射預(yù)測，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 Temperature Coefficient，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)電場天線作為敏感設(shè)備，即端口6～端口9為敏感設(shè)備端口。

圖4 高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射端口分布示意

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。整車級(jí)EMC 多端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖5 所示，其中，～分別為端口1～端口9 的阻抗，～分別為端口1～端口9 的電流，、為干擾源端口戴維南等效電壓。

圖5 整車級(jí)EMC多端口網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 整車低頻輻射發(fā)射預(yù)測公式推導(dǎo)

建立整車EMC 模型后，結(jié)合整車網(wǎng)絡(luò)特性和零部件端口特性即可實(shí)現(xiàn)整車級(jí)EMC預(yù)測。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，=(,,…,)為端口電壓；～分別為端口1～端口9 的電壓；=(,,…,)為端口電流；為端口轉(zhuǎn)移阻抗矩陣；=diag(,,…,)為零部件端口等效內(nèi)阻；=(,,…,)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)車或臺(tái)架上通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得，電流通過電流鉗采集，戴維南等效電壓可通過端口電流和阻抗計(jì)算得到。

因高頻時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗參數(shù)無法直接測得，故經(jīng)S參數(shù)轉(zhuǎn)換得到，S參數(shù)可通過在FEKO軟件中建模仿真獲得，端口S參數(shù)矩陣為：

轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)矩陣為：

式中，為參考阻抗，取=50 Ω；為單位矩陣。

由式（3）和式（4）可知，根據(jù)整車網(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)射問題，可通過天線系數(shù)將敏感設(shè)備端口的電壓、電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，完成輻射發(fā)射預(yù)測。

4 仿真計(jì)算及驗(yàn)證

基于多端口網(wǎng)絡(luò)方法，在實(shí)車條件下仿真計(jì)算高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射的電磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)整車級(jí)EMC預(yù)測；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束端口阻抗，用于仿真計(jì)算。

4.1 整車輻射發(fā)射預(yù)掃描仿真計(jì)算

在車速為40 km∕h 時(shí)，實(shí)車采集高壓系統(tǒng)端口電流，基于多端口網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行整車高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射預(yù)測，仿真結(jié)果通過天線系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可分別獲得4 個(gè)電場天線和4 個(gè)磁場天線位置處的場強(qiáng)。基于GB∕T 18387—2017 的測試準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)車輻射發(fā)射電磁場數(shù)據(jù)采集，將仿真預(yù)測結(jié)果與實(shí)測場強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別可得不同天線位置處的仿真場強(qiáng)與實(shí)測場強(qiáng)對(duì)比結(jié)果。電、磁場天線預(yù)掃描結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 電場天線處場強(qiáng)預(yù)掃描結(jié)果

圖7 磁場天線處場強(qiáng)預(yù)掃描結(jié)果

由圖6a 可知，不同位置天線所接收?qǐng)鰪?qiáng)的大小有所差別，但曲線總體趨勢相同，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，因此總體趨勢一致；將圖6a 與圖6b 對(duì)比可得，仿真與實(shí)測場強(qiáng)整體趨勢較為一致，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)測明顯，證明了多端口等效方法在整車輻射發(fā)射預(yù)測中的有效性；由圖6b可得，右側(cè)電場天線在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)天線進(jìn)行終掃描仿真以及測試。

同樣分析可得，在圖7a中，不同磁場天線所接收的磁場強(qiáng)度曲線總體趨勢一致，大小有所差別；將圖7a與圖7b對(duì)比可得，仿真與實(shí)測場強(qiáng)整體趨勢較為一致，在17 MHz 處的峰值預(yù)測明顯，證明了該預(yù)測方法在輻射發(fā)射仿真中應(yīng)用的有效性；由圖7b可得，確定右側(cè)磁場天線具有最大的輻射面，后續(xù)將針對(duì)右側(cè)天線進(jìn)行終掃描仿真以及測試。

已知在車速為40 km∕h 的預(yù)掃描測量結(jié)果中，車輛右側(cè)為最大發(fā)射方向，因此在車速為16 km∕h和70 km∕h的終掃描中，只進(jìn)行右側(cè)天線的電磁場掃描和仿真。

4.2 整車輻射發(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)用于整車輻射發(fā)射的終掃描仿真計(jì)算中。在車速為16 km∕h以及70 km∕h時(shí)，分別實(shí)車采集高壓系統(tǒng)干擾件端口的電流，基于多端口網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行整車高壓系統(tǒng)輻射發(fā)射預(yù)測，并進(jìn)行右側(cè)電場和磁場天線仿真與實(shí)測場強(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)測電場結(jié)果整體趨勢較為吻合，峰值預(yù)測較為明顯，由此說明，多端口網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)于整車EMC預(yù)測有效，該方法在整車開發(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)。

圖8 不同車速下終掃描電場天線仿真與實(shí)測結(jié)果

從圖9中可看出，仿真與實(shí)測磁場結(jié)果整體趨勢較為吻合，峰值預(yù)測較為明顯，進(jìn)一步驗(yàn)證了多端口網(wǎng)絡(luò)方法在整車EMC預(yù)測中的有效性。

圖9 不同車速下終掃描磁場天線仿真與實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)束語

本文將多端口網(wǎng)絡(luò)方法所預(yù)測得到的輻射發(fā)射結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測試的結(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)測試難問題；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)測了高壓系統(tǒng)對(duì)外低頻輻射發(fā)射強(qiáng)度，獲得了整車高壓系統(tǒng)的低頻輻射發(fā)射預(yù)測方法；根據(jù)GB∕T 18387—2017 中的電磁場強(qiáng)度測量方法，在車速為40 km∕h 時(shí)獲得最大發(fā)射方向后，又分別進(jìn)行車速為16 km∕h 和70 km∕h時(shí)的終掃描測量，通過仿真與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，仿真與實(shí)測場強(qiáng)曲線整體趨勢較為吻合，波峰、波谷預(yù)測明顯，驗(yàn)證了基于該方法預(yù)測整車輻射發(fā)射的有效性。將該方法應(yīng)用在整車開發(fā)階段，預(yù)測整車高壓系統(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)。