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汽車(chē)電磁兼容中的建模挑戰（二）
日期：2024-06-21 02:05
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摘要：
3 提出的分而治之方法
仔細研究 Brute-force 算法后可知，性能差的原因是時(shí)域電路仿真集成到了頻域電磁（EM）仿真中。如前所述，由于現有商業(yè)工具的限制，逆變器的非線(xiàn)性行為不能包括在內。盡管已經(jīng)進(jìn)行了許多相關(guān)的研究工作，混合時(shí)域和頻域仿真仍具有挑戰性，尤其是對于大規模的復雜問(wèn)題。應對這一挑戰的一個(gè)自然想法是分而治之。在時(shí)域中，利用 SPICE 軟件可以很好地對電機驅動(dòng)系統進(jìn)行仿真，包括非線(xiàn)性仿真。在頻域中，采用數值電磁法可以很好地對電機驅動(dòng)系統與車(chē)載射頻天線(xiàn)的噪聲耦合進(jìn)行仿真。和其他分治法一樣，...
3 提出的分而治之方法
仔細研究 Brute-force 算法后可知，性能差的原因是時(shí)域電路仿真集成到了頻域電磁（EM）仿真中。如前所述，由于現有商業(yè)工具的限制，逆變器的非線(xiàn)性行為不能包括在內。盡管已經(jīng)進(jìn)行了許多相關(guān)的研究工作，混合時(shí)域和頻域仿真仍具有挑戰性，尤其是對于大規模的復雜問(wèn)題。應對這一挑戰的一個(gè)自然想法是分而治之。在時(shí)域中，利用 SPICE 軟件可以很好地對電機驅動(dòng)系統進(jìn)行仿真，包括非線(xiàn)性仿真。在頻域中，采用數值電磁法可以很好地對電機驅動(dòng)系統與車(chē)載射頻天線(xiàn)的噪聲耦合進(jìn)行仿真。和其他分治法一樣，關(guān)鍵在于如何有效而準確地連接這兩個(gè)領(lǐng)域。在這個(gè)特殊問(wèn)題中，如前所述，電纜束中流動(dòng)的共模電流*終會(huì )導致耦合到天線(xiàn)端口的噪聲。因此，它可以作為兩個(gè)域之間的聯(lián)系。在時(shí)域電機驅動(dòng)系統仿真中，可以方便地計算出電纜束中的共模電流，它可以作為后續頻域仿真中的噪聲源，僅對車(chē)輛、電機束和天線(xiàn)結構進(jìn)行仿真。下面將詳細介紹這一方法的細節。
3.1 電機驅動(dòng)系統建模
**步是通過(guò)在 SPICE 中對電機驅動(dòng)系統的等效電路進(jìn)行仿真，得到電纜束中流動(dòng)的共模電流。所以這一步的關(guān)鍵是構造 / 提取等效電路。
等效電路中*關(guān)鍵的部分是 IGBT 模塊，它是脈寬調制逆變器的核心部分，也是主要的噪聲源。在本例中，電機驅動(dòng)系統采用三相 IGBT 逆變器模塊，采用數值模型對 IGBT 進(jìn)行建模，該模型符合設備制造商提供的規范。如表 1 所示，這種基于數據表的建模方法可以在包含非線(xiàn)性的情況下，更準確地擬合 IGBT 器件的參數。
表 1? 動(dòng)態(tài)參數擬合結果
除了 IGBT 建模外，提取逆變器模塊中與金屬結構相關(guān)的寄生等效電路元件也很關(guān)鍵。如圖 7 所示，在本例中，基于預先定義的電路原型，從阻抗測量中提取直流母線(xiàn)和輸出橋結構的等效電路元件以及金屬結構之間（包括位于 IGBT 模塊下面的散熱器）的等效電容。
圖 7? 混合動(dòng)力控制單元的寄生效應建模
電機驅動(dòng)系統建模的另一個(gè)重要方面是電機的寄生效應。在本例中，需要建立一個(gè)內埋式永磁同步電機（IPMSM）的模型。如圖 8 所示，該電機由定子、定子繞組、永磁體和轉子組成。除了磁鐵以外，其他都由金屬制成。正如我們所知，金屬結構之間總是存在寄生電容。通過(guò)電機中的這些寄生電容，不需要的共模電流可以流入車(chē)體。因此，將這些寄生電容納入等效電路至關(guān)重要。但是，由于寄生電容的復雜性，很難根據電機的結構來(lái)**建模。因此，改用基于測量的方法來(lái)提取繞組之間、繞組和定子之間、繞組和轉子之間以及轉子和定子之間的寄生電容。
圖 8? 電機的寄生效應建模
電機的其余部分使用隨時(shí)間變化的電感和電動(dòng)勢進(jìn)行建模，通過(guò)仿真可以將電機的實(shí)際三維結構簡(jiǎn)化為模擬的 2D 結構。
*后，在電機驅動(dòng)系統模型中包含共模電流的返回路徑也很重要。這里的返回路徑指的是接地線(xiàn)和發(fā)動(dòng)機缸體之間的寄生阻抗，如圖 9 所示。在這個(gè)示例中，從阻抗測量中可以提取接地線(xiàn)的等效電路元件，從數值電磁模擬中可以提取寄生電容。
圖 9? 共模電流建模中重要的返回路徑
圖 10 展示了電機驅動(dòng)系統的完整等效電路，包括前面討論的逆變器模塊、電機和返回路徑的元件。此外，電池和電纜束分別被建模為理想電源和多導體傳輸線(xiàn)。
圖 10? 電機驅動(dòng)系統的完整等效電路，藍色表示共模電流路徑
需要再次強調的是，由于共模電流很重要，因此，應該對寄生效應進(jìn)行準確建模并包含在電機驅動(dòng)系統的等效電路中。在時(shí)域內，可以利用 SPICE 軟件對所得到的模型進(jìn)行快速仿真。
3.2 電機驅動(dòng)系統與射頻天線(xiàn)噪聲耦合建模
綜上所述，耦合到射頻天線(xiàn)的噪聲主要是由電纜束中流動(dòng)的共模電流引起的。在本混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)設計中，電機驅動(dòng)系統中既有直流束也有交流束。通過(guò)實(shí)驗研究發(fā)現，交流束是對安裝在混合動(dòng)力汽車(chē)上的射頻天線(xiàn)產(chǎn)生噪聲干擾的主要原因。因此，我們可以將耦合問(wèn)題近似地表述為流入交流束的共模電流和射頻天線(xiàn)在頻域中接收的噪聲電壓之間的傳遞函數（TF）。因為耦合問(wèn)題本身是一個(gè)線(xiàn)性問(wèn)題，無(wú)論共模電流由于 IGBT 輸出波形的時(shí)變性、非線(xiàn)性如何隨時(shí)間變化。如圖 11 所示，通過(guò)向交流電纜束注入 1 A 的恒定共模電流，然后在每個(gè)頻率點(diǎn)觀(guān)察天線(xiàn)輸入端的接收電壓，可以很容易地計算出電纜 - 天線(xiàn)的傳遞函數（TF）。在此設置中，不包括電池、逆變器模塊和電機。
圖 11? 混合動(dòng)力汽車(chē)設計中傳遞函數仿真的設置示例
圖 12 繪出了計算得到的傳遞函數，也就是天線(xiàn)輸入端口處的模擬噪聲電壓，該噪聲電壓是由于 1 A 共模電流進(jìn)入到交流束中引起的。從計算的傳遞函數可以看出，三相電纜和天線(xiàn)之間的耦合是電感的。
圖 12? 當 1 A 共模電流進(jìn)入交流束，模擬天線(xiàn)輸入端口的噪聲電壓
3.3 分而治之方法的驗證
通過(guò)對 3.1 節中討論的電機驅動(dòng)系統的等效電路進(jìn)行模擬，在時(shí)域中計算出進(jìn)入交流束的共模電流后，利用傅立葉變換可以進(jìn)一步獲得其頻譜成分。然后，將計算出的共模電流頻譜乘以 3.2 節中計算的傳遞函數，得到天線(xiàn)輸入端口處的計算噪聲電壓頻譜。
與第 2 節中討論的 Brute-Force 算法相比，這個(gè)方法將整個(gè)問(wèn)題分解為兩個(gè)域，避免了使用頻域電磁解算器的內置功能執行時(shí)域電路仿真的困難。它充分利用獨立的能處理復雜時(shí)域問(wèn)題的 SPICE 仿真器（帶有更**器件模型的非線(xiàn)性仿真），獲得噪聲波形，并能夠模擬被動(dòng)結構的電磁模擬器，以快速準確地獲得傳遞函數。
此外，由于傳遞函數的線(xiàn)性性質(zhì)，電磁模擬所需頻率點(diǎn)的數量可以顯著(zhù)減少，從而大大加快總體仿真速度。為了驗證所提出的方法，當測試車(chē)輛運行時(shí)，在發(fā)電機室內對進(jìn)入交流線(xiàn)束的共模電流和進(jìn)入調幅天線(xiàn)的耦合噪聲電壓進(jìn)行測量。圖 13 顯示了測量、計算的共模電流?？梢钥闯?，它們在調幅頻率范圍內非常一致，誤差不超過(guò) 5 dB。這驗證了 3.1 節中提取的電機驅動(dòng)系統等效電路的正確性。
圖 13? 從電機驅動(dòng)系統的等效電路模型中，計算出進(jìn)入交流束的共模電流，并與實(shí)測電流進(jìn)行比較
圖 14 顯示了耦合到調幅天線(xiàn)中的計算和測量的頻譜噪聲電壓結果。同樣，在高達 1.2 MHz 的頻率下，它們彼此吻合。在 1.2 MHz 以上，它們之間存在幾分貝的差異，這可能是因為本文所提出的方法僅考慮了來(lái)自電機驅動(dòng)系統的干擾，而實(shí)際車(chē)輛中有更多影響耦合噪聲電壓的部件。
圖 14? 使用所提出的方法計算的進(jìn)入天線(xiàn)的噪聲電壓與測量的噪聲電壓進(jìn)行比較
另外還模擬了兩種情況，其結果也包括在圖 14 中：拆除電纜屏蔽層、移除發(fā)動(dòng)機缸體和車(chē)身之間的接地線(xiàn)。電纜屏蔽層和接地線(xiàn)都是共模電流返回路徑的一部分。結果表明，在研究的整個(gè)頻率范圍內，移除電纜屏蔽比移除接地線(xiàn)對調幅天線(xiàn)干擾的影響要大得多，這證明了返回路徑設計在電機驅動(dòng)系統中的重要性，以及所提出的分而治之方法在各種假設情景研究中的有效性。
4 變頻器位置改變的案例研究
利用本文所提出的方法，進(jìn)一步的設計探索可以評估可能的設計變化對干擾水平的影響。如前所述，交流束中流動(dòng)的共模電流是安裝在同一車(chē)輛上的調幅天線(xiàn)受到射頻干擾的主要來(lái)源。因此，了解逆變器模塊的位置對干擾的影響顯得尤為重要。
如圖 15 所示，逆變器模塊*初安裝在車(chē)身內，與安裝在發(fā)動(dòng)機缸體中的電機分離，有一個(gè)交流束連接逆變器模塊和電機。由于該交流束是對調幅天線(xiàn)造成射頻干擾的主要來(lái)源，因此，進(jìn)一步研究了設計上的變化，將逆變器模塊移近電機并安裝在發(fā)動(dòng)機缸體中。如圖 15所示，利用該方法計算并比較了兩種情況下調幅天線(xiàn)端口的耦合噪聲電壓。很明顯，通過(guò)縮短交流束的長(cháng)度來(lái)改變設計可以大大減少干擾。
圖 15? 改變逆變器模塊的位置及其對調幅天線(xiàn)射頻干擾的影響
5 結論
本文研究了混合動(dòng)力汽車(chē)電機驅動(dòng)系統對射頻天線(xiàn)的干擾，提出了一種分而治之的方法。與傳統的Brute-force 算法相比，該方法成功地解決了復雜車(chē)輛級問(wèn)題的仿真難題。
通過(guò)一種有效且高效的建模方法，可以輕松研究假設場(chǎng)景以進(jìn)行設計探索和優(yōu)化。在這個(gè)案例中，可以發(fā)現交流束中流動(dòng)的共模電流是射頻天線(xiàn)的主要干擾源，共模電流的返回路徑也起著(zhù)重要作用。電纜屏蔽、接地線(xiàn)和逆變器位置都會(huì )影響共模電流路徑，從而影響干擾水平。此外，共模路徑由車(chē)輛級設計決定，這解釋了為什么標準模塊級電磁干擾評估可能不足以描述實(shí)際的系統級電磁干擾性能。
仿真對于汽車(chē)電磁兼容性將變得越來(lái)越重要。本文用一個(gè)例子來(lái)解釋了其趨勢、挑戰以及可能的解決方案。通過(guò)仿真可以更好地實(shí)現設計探索和優(yōu)化，從而使電磁兼容設計和風(fēng)險控制在早期設計階段成為可能。
