第４２卷第１期２０１９年２月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４２㊀Ｎｏ １Ｆｅｂ.２０１９项目来源:重庆市教委科研项目(ＧＺＴＧ２０１６１４)收稿日期:２０１８－０１－０８㊀㊀修改日期:２０１８－０４－１３ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＲａｄｉａｔｉｏｎｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ∗ＬＩＵＳｈａｏｂｏꎬＣＡＯＺｈｉｌｉａｎｇ∗(ＣｈｏｎｇＱｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄａｕｔｏｍｏｔｉｖｅꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１５２０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ(ＥＭＩ)ｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｃａｒｓｈｅｌｌꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｓｋｉｎｅｆｆｅｃｔꎬａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｒｅｎｔ(ＥＭＲ)ｓｕｒｆａｃｅｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ.ＳｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙꎬｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｅｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｅＨＦＳＳｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｕｒｒｅｎｔｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｍｏｔｏｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｌｅａｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍꎬａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ.Ｗｉｎｄｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｃａｎｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｎｔｉ￣ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｂｉｌｉｔｙ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ(ＥＭＣ).Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅꎻｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎꎻｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙꎻｓｕｒｆａｃｅｃｕｒｒｅｎｔＥＥＡＣＣ:５２３０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１９.０１.０４５电动汽车车内电磁辐射的仿真分析研究∗刘绍波ꎬ曹志良∗(重庆工商职业学院汽智能制造与汽车学院ꎬ重庆４０１５２０)摘㊀要:为了研究汽车外壳表面电流产生的电磁干扰(ＥＭＩ)ꎬ基于界面条件理论和趋肤效应ꎬ提出了以电动汽车供电系统电磁辐射(ＥＭＲ)表面电流为例的仿真方法ꎮ随后在ＨＦＳＳ软件中建立电动汽车供电系统发射模型ꎬ最后ꎬ模拟分析了表面电流密度分布及其对辐射场的影响ꎬ分析结果表明ꎬ增加电动机电阻和引线电阻可以有效抑制供电系统辐射噪音ꎬ同时增加绕线电阻和电感可以加强抗干扰能力ꎬ本研究为汽车电磁兼容(ＥＭＣ)的设计提供重要的参考ꎮ关键词:电动汽车电磁干扰ꎻ电磁辐射ꎻ趋肤效应ꎻ电磁兼容ꎻ表面电流中图分类号:Ｕ４６３.６㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１９)０１－０２３６－０４㊀㊀随着现代电动汽车和汽车电子技术的发展ꎬ电动汽车中包含的电子元件越来越复杂ꎬ这些电子元件极大程度上改变了汽车的舒适性和安全性ꎬ但也使得电磁辐射和兼容问题越来越复杂[１－３]ꎬ包含多种电子元件的汽车在外出行驶时会对周围的无线电设备造成干扰ꎬ因此对车辆电子系统产生的电磁干扰提出了限制ꎮ然而ꎬ这项工作是包括电动汽车电磁干扰抑制和实现电磁兼容性的困难之一ꎮ供电过程中会产生大量电磁干扰ꎬ主要包括线圈初级电路瞬态电压ꎬ高压线路和放电高频辐射干扰等导致的传导干扰ꎮ传导干扰不仅会影响电池电压ꎬ还会通过电源线传播到电动汽车的其他电子设备ꎮ高频电磁辐射也可能对车辆电子控制单元(ＥＣＵ)产生较大影响ꎬ并严重损害车辆安全ꎮ电磁兼容电子系统是许多汽车制造商和研究机构关注的焦点ꎮ许多国家已经对电动汽车电子系统进行了测试ꎬ并开始进行电磁兼容性预测ꎮ这项研究起步较晚ꎬ目前大量研究集中在电磁噪声测试上[４－５]ꎮ因此对电子系统的干扰特性进行仿真研究ꎬ能够有效提高整车的电磁兼容性设计ꎮ１㊀电磁干扰的原理分析１.１㊀电子系统传导干扰的形成机理电子系统原理图和等效图如图１和图２所示[３－４]ꎮ第１期刘绍波ꎬ曹志良:电动汽车车内电磁辐射的仿真分析研究㊀㊀图１㊀系统拓扑结构图图２㊀供电线圈电磁干扰抑制混合滤波器㊀㊀如图２所示ꎬ在供电过程中ꎬ线圈瞬间电压对汽车电池的冲击是造成冲击传导的干扰源ꎬ当电池电压较高时ꎬ容易受到电容Ｃ１的影响ꎬ从而呈现振荡现象ꎬ波动电压影响到车辆中电子设备系统[６－８]ꎮ为了避免这种影响ꎬ电池接地和电容器连接应可靠ꎬ以减少接触放电的电磁干扰ꎮ图３㊀二次回路等效电路１.２㊀电源电磁干扰供电系统的辐射电磁干扰是由高频脉冲电流引起的ꎬ因此本文首先研究电流对电子系统的影响[９－１０]ꎮ电子系统被作为一个植入电阻的同轴电容器ꎬ如图３所示ꎬ其中Ｃｑ㊁Ｃｐ是电源同轴分布电容ꎬＣｒ是电子系统阻尼阻抗分布电容ꎻＲｒ是电子系统的内置电阻器ꎻｒｇ是耐火花性能ꎻＲＷꎬＲＬ分别是分别是点火电阻和电子系统电阻ꎬＣＷ和ＣＬ为分布式电容和寄生式电容ꎬＬ２次级系统电阻ꎮ通过公式推导可以得到以下等式[７－８]:Ｉ(ｓ)＝Ｉｇ(ｓ)[１＋ｓＺｐ(Ｃｒ＋Ｃｐ)[１＋ｓＺＷ(Ｃｑ＋Ｃｒ＋ＣＷ/２)](１)式中:ｓ是代表电流是随时间变化的函数ꎮ从以上分析可以看出ꎬ供电电流ｉ和电子系统电流ｉｇ可以近似计算得到系统间隙击穿电压ꎮ同时ꎬ上述等式表明ꎬ供电电流ｉ随着阻抗ＺＷ和ＺＰ增加而减小ꎬ并且成比例变化ꎮ供电系统中电流和高压线的电磁辐射是供电系统中辐射干扰的来源ꎬ电子系统线路位于屏蔽气瓶中ꎬ外部辐射较弱ꎬ车内干扰来自于高压电线ꎮ因此ꎬ高压线产生的电磁辐射相当于位于汽车引擎盖下方的单极天线ꎬ数值模拟方法可以计算出供电系统产生的车辆辐射干扰的电磁场分布ꎮ１.３㊀连接电缆电磁干扰为了有效减少电磁干扰ꎬ有必要对供电系统进行全面管理ꎮ除上述电子系统ꎬ高压线的设计措施外ꎬ还应考虑连接电缆的影响ꎮ高压电线和主电缆中的噪声电流耦合可以将电磁能量辐射到汽车及其周围空间ꎮ由连接电缆引起的差模和共模辐射场可表示为:ＥＤｍａｘ＝(１.３１６ˑ１０－１４ＩＤｆ２Ｌｓ)/ｒ(２)ＥＣｍａｘ＝(１.２５７ˑ１０－６ＩＣｆＬｓ)/ｒ(３)式中:ＩＣ是电缆上的噪声电流ꎻｆ是频率ꎻＬ是电缆长度ꎻｓ是两根电缆导体之间的距离[９－１０]ꎮ由单线引起的共模辐射是ＥＣｍａｘ/２ꎮ根据上述公式ꎬ减小供电线圈电缆上的噪声电流并缩短连接电缆的长度将减少供电系统辐射的电磁干扰ꎮ高压电线的长度和布局受制于电动机的设计要求ꎬ因此一般难以改变ꎮ然而ꎬ能量管理系统ＥＭＳ(ＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ)和电池的布置位置可以容易地优化以减小主连接电缆的长度ꎬ因此可以减少主电缆辐射的电磁干扰ꎮ图４显示了用于抑制供电线圈主电源线上噪声电流的混合型滤波器ꎬＬＣ是共模抑制电感ꎬＣＤ是差模抑制电容ꎮ通过抑制供电线圈主电缆共模和差模７３２电㊀子㊀器㊀件第４２卷噪声电流(图４)ꎬ可以减少主电缆辐射的电磁干扰ꎮ图４㊀供电线圈电磁干扰抑制混合滤波器２㊀供电系统辐射电磁扰动计算模型及仿真分析㊀㊀下面的车辆供电系统辐射模拟分析与特定的车辆模型ＥＭＣ实验和测量数据相结合ꎮ在车辆ＥＭＣ宽频试车期间ꎬ左侧垂直位置ꎬ电动机转速为１５００ｒ/ｍｉｎꎬ车载电器完全开启ꎬ干扰峰值分别在３８ＭＨｚ㊁４８ＭＨｚ㊁８８ＭＨｚꎬ超限值分别为１.２ｄＢ㊁０.３ｄＢ㊁１.９ｄＢꎬ这是不符合规定的ꎬ需要改进(见图５)ꎮ图５㊀实用电动汽车ＥＭＣ宽带试用数据图６㊀车辆供电系统ＥＭＲ发射的仿真模型鉴于汽车系统的复杂性ꎬ因此在创建电磁理论分析模型时ꎬ需要针对现场情况进行分析ꎬ并且可以根据问题和期望的精度简化复杂的计算机模型ꎬ则可以大大减少计算工作量ꎬ确保达到相同要求的目标ꎮ对于电磁仿真ꎬ灯光㊁反射镜㊁排气管和接头㊁间隙㊁孔㊁焊接螺栓等的建模非常复杂ꎬ这些部件应该简化ꎮ此外ꎬ车身为曲面结构ꎬ因此在模型的仿真中应尽可能忽略一些次要因素ꎮ块平面方法用于构建表面结构ꎮ图６所示为车辆模型ꎮ将车内内外体区域设置为真空ꎬ天线型号选用实际型号接近的ｋ/２单极天线[１１]ꎬ车体设置为导体ꎬ激励源为脉冲ꎬ当点火信号为高电平时ꎬ初级线圈与电池之间的电路连接ꎬ存储在供电线圈中的磁场继续增加ꎮ经过一段时间后ꎬ供电信号变低ꎬ电路断开ꎬ初级线圈的感应电动势ꎮ供电线圈放大后ꎬ次级线圈产生高压ꎮ前面的分析表明ꎬ阻尼线可以有效地抑制电流噪声ꎬ本文计算了电子场分布随着观察线在天线端子开路和端子阻抗情况下的情况ꎬ结果如图７所示ꎮ从图７可以看出ꎬ汽车前部的导线产生的辐射噪声主要集中在车罩内ꎬ是导致车内其他电子设备产生电磁干扰的主要因素ꎮ乘客舱和躯干也有电场分布ꎬ但相对较弱ꎮ图７㊀１００ＭＨｚ(Ａ/ｍ)下轿厢地板ꎬ发动机罩和屋顶的表面电流密度为了观察表面电流对辐射场的影响ꎬ车辆供电系统ＥＭＲ发射模型在有和无车体的两种不同情况下进行模拟ꎬ频率为１００ＭＨｚ的归一化辐射场图如图８所示ꎮ根据电磁波的基本原理ꎬ电源线的辐射电磁场可以看作是由众多电偶极子叠加电磁场的结果ꎮ因此ꎬ在没有车壳体的情况下ꎬ电力线归一化远场图案的水平方向与单偶极子辐射场类似ꎮ辐射能量主要沿线如图８(ａ)所示ꎮ８３２第１期刘绍波ꎬ曹志良:电动汽车车内电磁辐射的仿真分析研究㊀㊀对于汽车壳体ꎬ水平方向上的标准化图案会发生变化ꎬ辐射能量不再沿线聚焦ꎬ而是散布在周围ꎬ如图８(ａ)所示ꎮ供电系统模型放置在７５０毫米的金属地板上方ꎮ因此ꎬ如果没有车壳体ꎬ标准化的远场图案的垂直方向不同于自由空间中的偶极子辐射ꎮ归一化远场方向的垂直方向也随车体壳体而变化ꎬ如图８(ｂ)所示ꎮ从以上分析可知ꎬ车体表面电流会在外层空间产生电磁场ꎮ由于汽车结构的复杂性ꎬ表面电流的影响也更为复杂ꎮ图８㊀归一化辐射场模式３㊀结论为了优化电动汽车供电系统的电磁兼容性ꎬ结合ＥＭＣ测试数据和仿真软件的计算结果ꎬ对供电系统产生的电磁干扰机理及相应的干扰抑制措施进行了深入分析ꎮ可以得出以下结论:(１)由于车载电子设备主要位于车身前部ꎬ所以高压导线的安装位置和长度的设计在早期非常关键ꎮ选定的高压导线的位置应尽可能远离ＥＣＵꎬ选择最近的地线ꎬ并缩短高压导线走线的长度ꎮ其他敏感设备也应避免安装在辐射区域ꎬ以避免强烈辐射的干扰并增加安全性ꎮ增加电动机电阻和引线电阻可以有效抑制供电系统辐射噪音ꎮ(２)线绕电阻器的高压线干扰由低频电阻决定ꎬ增加电阻和电感可以加强抗干扰能力ꎬ增加阻尼电阻的长度并确保供电的可靠性ꎬ增加阻尼电阻可以有效降低供电系统辐射的电磁干扰ꎬ同时高压线长对场强分布影响很大ꎬ导线较长ꎬ辐射能力较强ꎬ因此供电系统应尽量缩短设计过程中高压线的长度ꎮ(３)由于装置的复杂性ꎬ供电线圈装置工作的辐射难以预测ꎮ因此ꎬ测试设备可以测量发动机ꎬ供电线圈和其他电子设备周围的辐射特性和光谱分布ꎮ这些测试数据可以导入到电磁仿真软件中ꎬ然后模拟车辆外部电磁辐射ꎬ然后可以显示是否符合ＥＭＣ认证标准的结果ꎮ参考文献:[１]㊀李振宇ꎬ任文坡ꎬ黄格省ꎬ等.我国新能源汽车产业发展现状及思考[Ｊ].化工进展ꎬ２０１７ꎬ３６(７):２３３７－２３４３.[２]任国峰ꎬ田丰ꎬ杨林.汽车控制器电源系统的抗扰性设计[Ｊ].电源技术ꎬ２０１６ꎬ４０(３):６５９－６６１.[３]刘宗巍ꎬ史天泽ꎬ郝瀚ꎬ等.中国汽车技术的现状㊁发展需求与未来方向[Ｊ].汽车技术ꎬ２０１７(１):１－６.[４]范吉志ꎬ吴运新ꎬ石文泽ꎬ龚海ꎬ谭良辰.电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究[Ｊ].传感技术学报ꎬ２０１６ꎬ２９(１):２９－３４. [５]马冬ꎬ陈伟程ꎬ尹航.节能减排背景下我国自主品牌汽车发展策略研究[Ｊ].企业经济ꎬ２０１６(３):３３－４０.[６]ＤöｌｋｅｒＡ.ＭｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅＣｌｏｓｅｄ￣ＬｏｏｐＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＲａｉｌＰｒｅｓｓｕｒｅｉｎａＣｏｍｍｏｎ￣ＲａｉｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｏｆａｎＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ[Ｐ].ＥＰ２０１２.[７]ＰｉｚｚｏｎｉａＦꎬＣａｓｔｉｇｌｉｏｎｅＴꎬＢｏｖａＳ.ＡＲｏｂｕｓｔＭｏｄｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＥｆｆｉｃｉｅｎｔＴｈｅｒｍａｌＭａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｓ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＥｎｅｒｇｙꎬ２０１６ꎬ１６９:５５５－５６６.[８]ＮａｋａｓａｋａＹ.ＩｇｎｉｔｉｏｎＴｉｍｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＤｅｖｉｃｅｆｏｒａｎＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍ￣ｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ[Ｊ].ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＣｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄＴｏｘｉｃｏｌｏｇｙꎬ２０１６ꎬ２９(６):６５８－６４.[９]张端ꎬ张帅.闭合磁路电磁式低频振动能量收集装置[Ｊ].传感技术学报ꎬ２０１５ꎬ２８(７):１０９１－１０９６.[１０]吴蒙ꎬ张飞铁ꎬ文桂林.无人驾驶汽车线控转向系统控制策略的研究[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１６ꎬ３３(１２):１６３－１６８.[１１]胡均平ꎬ冯东昱ꎬ李科军.混合动力汽车动力系统优化建模仿真研究[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１７ꎬ３４(１):１４３－１４７.刘绍波(１９８６－)ꎬ男ꎬ重庆大足人ꎬ汉族ꎬ学士ꎬ助理实验师ꎬ研究方向为汽车检测与维修技术ꎬｄｇｗ７６０＠１６３.ｃｏｍꎻ曹志良(１９７６－)ꎬ男ꎬ四川资中人ꎬ汉族ꎬ硕士ꎬ副教授ꎬ研究方向为汽车检测与维修技术ꎮ９３２。