车辆电驱动系统电磁干扰源建模及仿真_任永达.pdf

2023 年第 36 卷第 7 期Electronic Sci.Tech./Jul.15，2023https:/收稿日期:2022-03-17基金项目:国防预研项目(JZX7X201901JY0048)The Defense Advanced esearch Projects(JZX7X201901JY0048)作者简介:任永达(1997 )，男，硕士研究生。研究方向:电磁兼容。路宏敏(1961 )，男，教授，博士生导师。研究方向:电磁场与微波技术、电磁兼容、环境科学。车辆电驱动系统电磁干扰源建模及仿真任永达，徐强，谢红星，张嘉海，路宏敏(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)摘要针对电驱动系统引起的车辆电磁干扰问题，文中采用分模块的精确建模方式构建了电驱动系统电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)预测模型。该模型由电机高频等效电路模型和逆变器模型两部分构成。基于矢量匹配法对电机阻抗幅频特性曲线进行拟合，建立了电机高频等效电路模型。在逆变器模型中考虑了绝缘栅极双晶体管(In-sulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)与散热片间的寄生参数对系统电磁干扰的影响。利用所构建 EMI 模型对车辆电驱动系统共模干扰电压进行了预测，结果表明在 0 1 100 MHz 范围内，仿真与实测结果误差不超过 10 dB。关键词电动车辆;电驱动系统;电磁干扰;矢量匹配法;等效电路模型;仿真建模;共模电压;电磁兼容中图分类号TN97文献标识码A文章编号1007 7820(2023)07 081 06doi:10.16180/ki.issn1007 7820.2023.07.012Modeling and Simulation esearch of Electromagnetic Interference Sourcein Vehicle Electric Drive SystemEN Yongda，XU Qiang，XIE Hongxing，ZHANG Jiahai，LU Hongmin(School of Electronic Engineering，Xidian University，Xian 710071，China)AbstractIn view of the problem of vehicle electromagnetic interference caused by electric drive system，an E-lectromagnetic Interference(EMI)prediction model of the electric drive system is established using precise modelingmethod of modules The model consists of the high frequency equivalent circuit model of the motor and the invertermodel Based on vector fitting method，the motor impedance amplitude frequency curve is fitted，and a high frequency equivalent circuit model of the motor is established In the inverter model，the influence of the parasiticparameters between IGBT and radiator on the system EMI is considered The common mode interference voltage of theelectric drive system is predicted using the established EMI model The results show that the error between the simu-lated and measured results is less than 10 dB in the range of 01 100 MHzKeywordselectric vehicle;electric drive system;electromagnetic interference;vector fitting method;equiva-lent circuit model;simulation modeling;common mode interference voltage;electromagnetic compatibility随着科技的发展以及对环境保护要求的提高，电动车辆以其零排放、能效高和无油耗等优点，成为汽车工业领域的热门发展方向。与传统汽车相比，电动车辆中集成了大量电力、电子设备，如高压电池组、DC(Direct Current)/DC 转换器、DC/AC(Alternating Cur-rent)逆变器、驱动电机及高压线缆等。其中电驱动系统作为电动车辆的核心部件，具有高功率、高电流等特点，对车载电子设备的 EMI 尤为严重1。因此针对车辆电驱动系统电磁干扰的预测研究，对提高电动车辆的安全性、可靠性具有重要意义。近年各国学者针对电动车辆电磁兼容问题进行了大量研究，部分学者对电驱动系统高频 EMI 等效电路模型进行了研究2 7，并将其用于电驱动系统的传导干扰分析。文献 8 针对车辆高压电驱动进行了系统级建模，提出了一种传导 EMI 预测方法。文献 9使用等效结构，仿真预测了电驱动系统中部分设备及连接电缆的辐射发射。文献 10仿真研究了车辆供电系统中高压脉冲对汽车以太网通信线路性能的影响。文献 11 研究了电磁脉冲辐照下，新能源车辆充电线缆的电磁效应。文献 12 提出了一种在复杂环境下，车载通信设备电磁兼容性的预测方法。文献 13提出了一种简化的电机等效电路的拓扑结构，用于降低电机模型复杂度，但该模型适用频率仅到 30 MHz，而电驱动系统运行时产生的电磁干扰频率通常在30 MHz以上，甚至高达 100 MHz14。在此情况下，该模型不再适用。本文研究了车辆电驱动系统 EMI 的仿真建模方法，分析了车辆电驱动系统的结构及 EMI 主要传导路径，并18Electronic Science and Technology任永达，等:车辆电驱动系统电磁干扰源建模及仿真https:/对电机、逆变器等主要模块分别进行建模。基于矢量匹配法，对电机端口阻抗特性进行拟合，建立了电机的高频等效电路模型。根据逆变器的工作原理，建立了逆变器电路模型，并考虑了 IGBT 与散热片间的寄生参数对系统电磁干扰的影响。根据电驱动系统实际结构将两模块进行连接，在 PSpice 软件中对车辆电驱动系统共模干扰电压进行预测，并与实测数据对比，验证了本文所建立电驱动系统 EMI 预测模型的有效性。1电驱动系统结构图 1 电驱动系统结构Figure 1 Structure of electric drive system如图 1 所示，车辆电驱动系统主要由高压电池组、DC/AC 逆变器、驱动电机及其之间相连的动力电缆等组成。当车辆行驶时，高压电池组输出 600 V 直流电经过 DC/AC 逆变器转变为交流电为电机供电，电机将电能转化为机械能通过传动系统驱动车轮前进。高压电驱动系统与车体之间一般进行物理分离，但二者之间通过寄生电容进行电连接，为共模干扰提供返回路径。在电驱动系统中，电机、逆变器与车壳间的寄生参数是系统 EMI 的主要传导路径15，因此对电机及逆变器进行包含寄生效应的精确建模是预测电驱动系统EMI 的关键。2电驱动系统电磁干扰源建模2 1电机高频等效电路模型电机作为逆变器的负载，需要对电机高频等效电路模型进行精确建模。矢量匹配法通常被用于具有频变效应的电路网络等效建模16。该方法只需要通过测量得到电机的共模阻抗与差模阻抗，便能拟合建立高频等效模型。根据电路网络理论，网络函数可以写为有理函数f(s)Nn=1rns pn+d+se(1)式中，rn为留数;pn为极点，通常为实数或共轭复数对;d 为常数项;e 为一次项系数，均为实数。根据实测数据，使用矢量匹配法对电机的共模阻抗与差模阻抗进行拟合，求得网络函数中的未知量 rn、pn、d、e 后，需将式(1)转化为对应的等效电路17。等效电路按极点类型分为 3 部分，如图 2 所示。(a)(b)(c)图 2 网络函数对应等效电路(a)常数项与一次项(b)实数极点(c)共轭极点Figure 2 Equivalent circuit of network function(a)Constant term and first order term(b)eal pole(c)Conjugate pole将所有极点对应的子电路单元串联连接，即可得到网络函数 f(s)所对应的等效电路。对电机高频阻抗进行建模时需要对单相阻抗进行建模，在阻抗测量时，通常不能直接得到单相阻抗，需要通过计算得到单相阻抗18。本文为了简化计算，建立了电机反 型电机电路，其拓扑结构如图 3 所示。(a)(b)图 3 电机电路拓扑结构(a)共模阻抗(b)差模阻抗Figure 3 Motor circuit topology(a)Common mode impedance(b)Differential mode impedance在本文中，通过图 3 所示的测量方法，使用阻抗分析仪 Agilent4294A 分别测得目标电机的共模阻抗ZCM、差模阻抗 ZDM在 10 kHz 100 MHz 的幅频特性曲线。Zcm、Zdm分别表示电机单相共模阻抗、差模阻抗。通过电路理论可知，由 ZCM、ZDM可计算得到 Zcm、Zdm。Zcm(f)=ZCM(f)2ZDM(f)9(2)Zdm(f)=2ZDM(f)3(3)将测量所得阻抗数据通过式(2)、式(3)计算后，得到电机单相阻抗幅频特性曲线 Zcm(f)、Zdm(f)，然后使用 MATLAB 软件对阻抗幅频特性曲线进行拟合。Zcm和 Zdm支路分别进行 16 阶和 12 阶矢量拟合，拟合后的等效电路元件参数如表 1、表 2 所示。28任永达，等:车辆电驱动系统电磁干扰源建模及仿真Electronic Science and Technologyhttps:/表 1 共模电路元件参数Table 1 Common mode circuit component parameters子电路单元1/2/L/HC/F常数项与一次项单元12223 06610 0 108实数极点单元1083 9 10414215 44885 2 1084957 3 1010共轭极点单元9744 64613 16028 10922 62868 27936 8 1040021 0259115 232119 9103288 80964 13785 90782 31569 16351 9 1053916 8 1062980 1 1061909 7 1081116 0 1077852 2 10102202 0 1091937 5 1086994 7 1082204 5 1082389 9 1081251 0 1082563 3 1074366 2 108表 2 差模电路元件参数Table 2 Component parameters of differential mode circuit子电路单元1/2/L/HC/F常数项与一次项单元57531 15240 3 108实数极点单元24880 262481 31973 2 1079239 7 1011共轭极点单元3489954576 419656 22089 80058 91064 7 10370882 1428014 226201 60073 217