CN103488839A - 一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁兼容领域，具体是指一种对电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，首先对汽车内部电源线系统上的车用蓄电池、电缆、电子零部件和驱动控制器分别进行计算和等效，获取车用蓄电池的动态电路模型、电缆的等效电路模型、电子零部件的等效电路模型和驱动控制器的等效电路模型，并分别进行模块化封装；然后结合获取的动态电路模型和各等效电路模型，构建电动汽车电源线系统的等效电路模型；最后通过电路仿真获得电源线的电瞬态传导发射波形；本发明能够较准确地模拟待测设备内部情况和实验条件，快速获得沿电源线的电瞬态传导发射波形，并通过优化设备内部参数来改善其电瞬态传导发射特性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁兼容领域，具体是指一种对电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法。
背景技术
根据国家标准 GB/T4365 电磁兼容(electromagnetic compatibility， EMC)术语中的定义，电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面。电源线的瞬态传导发射属于电磁干扰（EMI）的范围。
根据国家标准 GB/T21437.2 中要求，按照表4.3的电压瞬态发射试验布置方式，电动汽车电子模块测得的瞬态发射电压波形应满足表 C.2 和表 C.3 的要求。
随着汽车内部电子电气设备日益复杂，其电源线的瞬态传导发射对各部件产生的干扰和冲击问题也日益突出。而目前在工程中，电动汽车电子模块的电磁兼容性设计一般采用工程经验方法，其电磁干扰数据都是在电子设备集成或整车装机后通过电磁发射考核试验来获得。由于系统复杂庞大，一旦出现电磁兼容问题，补救整改措施通常很困难，且对设备成本和研发周期的影响较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车电源线的瞬态传导发射的建模方法，可以克服整机测试条件复杂、操作难以实现的问题，可以在设计前期对各电子设备的内部电气参数进行提取和建模，获得电源线系统的电路模型，从而对系统瞬态阶跃响应进行分析，以预测其电瞬态传导发射的幅度和频率，并根据电路机理对设备内部参数进行优化，从而降低其电瞬态传导发射程度。
本发明的技术方案如下：
一种电动汽车沿电源线的电瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：对汽车内部 12V或24V 电源线系统上的车用蓄电池、电缆、电子零部件和驱动控制器分别进行计算和等效，获取车用蓄电池的动态电路模型、电缆的等效电路模型、电子零部件的等效电路模型和驱动控制器的等效电路模型，并分别进行模块化封装；然后结合获取的动态电路模型和各等效电路模型，构建电动汽车电源线系统的等效电路模型；最后通过电路仿真得到电动汽车电源线系统的等效电路模型，获得电源线的电瞬态传导发射波形。
所述车用蓄电池的动态电路模型，由理想电压源和RC电路组成；该车用蓄电池可以是铅酸蓄电池，也可以是锂电池。动态电路模型内部各参数可从蓄电池的数据手册和测试数据中获得。
该动态电路模型具体结构如下：
一电压源，一状态电容，一欧姆电阻，一极化电阻；所述极化电阻与欧姆电阻组成并联电路，该并联电路与电压源、状态电容和欧姆电阻串联。
该动态电路模型既可用于描述铅酸蓄电池，也可用于描述磷酸铁锂电池，其电路方程为： 
，其中：
RO 为欧姆电阻；RP 为极化电阻；CP 为极化电容；电容 Cb为负载电流产生的开路电压变化，与电池状态有关；RO 、RP 、CP 和 Cb 的具体值根据实际选用的蓄电池手册和实验测试来获取；UOC为理想电压源，表示蓄电池开路电压；UL为蓄电池输出电压； IP 为极化电阻上的电流；IL为蓄电池输出电流。
所述电缆的等效电路模型，为无源二端口网络，包括电缆的寄生电阻和寄生电感，寄生电阻和寄生电感串联而成；电缆的寄生电阻根据公式 
来计算，其中：R为电缆寄生电阻，ρ为电缆材料的电阻率，l为电缆长度，S为电缆截面积；寄生电感可以按照圆截面直导线的电感来近似计算，即 
，其中：μ0 为真空磁导率，即4π*10-7 H/m；μr 为电缆材料的相对磁导率；r 为电缆半径。
所述电子零部件的等效电路模型包括电动汽车电源线系统上的照明电路的等效电路、传感器的等效电路和仪表的等效电路，其中传感器的等效电路和仪表的等效电路可等效为RC并联电路，RC参数可从实际选用的数据手册和测试数据中获得。
电子零部件中所述的照明电路的等效电路，包括依次串联的一PN 结光电器件、一电压源、一电阻；所述PN 结光电器件采用LED，LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，LED 的伏安特性可表示为：VF = Vturn-on + RsIF，其中：VF 为LED端电压；IF为LED通过的电流；Vturn-on 为 LED 阀值电压；Rs 为伏安特性曲线的斜率。
所述驱动控制器用于电动汽车内部电机的驱动控制，包含高压电路和低压电路。其中高压电路与汽车内部 12V或24V电源线无直接电气连接关系，对电源线瞬态传导发射无影响。低压电路与汽车内部 12V或24V电源线直接连接，包括控制电路、逻辑电路和保护电路，可能由一个或多个电路板组成。在系统上电瞬间，影响电源电压波动的主要是电路板上与电源直接连接的电感、电容、电阻等无源器件，以及电路板上的连接线；电路板上无源器件的参数可从相应的图纸中直接获得，而电路板连接线则通过分段参数提取的方式将其等效为多个二端口网络。
所述汽车内部 12V或24V电源线系统的等效电路模型的具体结构是：蓄电池的等效模型通过两条电源线同时连接至一个测试开关控制单元，然后测试开关控制单元通过两根电源线分别连接至二组电缆的等效模型，电缆的等效模型分别为电缆一的等效模型、电缆二的等效模型，电缆一的等效模型通过两根电源线连接至照明电路的等效模型，电缆二的等效模型通过两根电源线连接至驱动控制器低压电路的等效模型。
最后，通过电路仿真软件对所述汽车内部 12V或24V电源线系统的等效电路模型进行仿真，可以获得不同部位电瞬态传导骚扰尖峰。
本发明的有益效果如下：
1、将复杂的内部各设备简化为简单的二端口网络和无源 R、L、C参数，计算和仿真速度快；
2、具有模块化封装功能，可以建立一系列仪器设备库，在求解新目标对象时可以快速组装模型，建模过程简单；
3、能定量分析复杂系统沿电源线的电瞬态传导发射和各设备的电瞬态传导发射，在实际测试前即可找到系统性能最差点并对其优化，从而改善系统性能；
本发明能够较准确地模拟待测设备内部情况和实验条件，快速获得沿电源线的电瞬态传导发射波形，并通过优化设备内部参数来改善其电瞬态传导发射特性。
附图说明
图1 是本发明的建模方法框图；
图2 是本发明的车用蓄电池的等效动态电路模型；
图3 是本发明的照明电路的等效电路模型；
图4 是本发明的驱动控制器低压电路的等效电路模型；
图5 是本发明的12V 电源线系统电路模型；
图6 是本发明的12V 电源线系统瞬态传导发射波形。
具体实施方式
实施例1
某电动汽车12V 电源线系统由车用蓄电池、电源线、LED照明电路和驱动控制器组成。
如图1所示，该电动汽车沿电源线的电瞬态传导发射的建模方法的基本步骤如下：首先对汽车内部 12V或24V 电源线系统上的车用蓄电池、电缆、电子零部件和驱动控制器分别进行计算和等效，获取车用蓄电池的动态电路模型、电缆的等效电路模型、电子零部件的等效电路模型和驱动控制器的等效电路模型，并分别进行模块化封装；然后结合获取的动态电路模型和各等效电路模型，构建电动汽车电源线系统的等效电路模型；最后通过电路仿真得到电动汽车电源线系统的等效电路模型，获得电源线的电瞬态传导发射波形。
车用蓄电池可以等效为图2 所示的动态电路模型，其中，UOC为理想电压源，表示蓄电池开路电压；UL为蓄电池输出电压；IP 为极化电阻上的电流；IL为蓄电池输出电流；RO 为欧姆电阻；RP 为极化电阻；CP 为极化电容；电容 Cb 为负载电流产生的开路电压变化，与电池状态有关。其电路方程为：
，其中，RO 、RP 、CP 和 Cb 根据实际选用的蓄电池手册和实验测试来获取。
将电缆等效为 RL串联电路。根据公式 
来计算，其中：R 为电缆寄生电阻，ρ 为电缆材料的电阻率，l 为电缆长度，S 为电缆截面积；寄生电感可以按照圆截面直导线的电感来近似计算，即 
，其中：μ0 为真空磁导率，即4π*10-7 H/m；μr 为电缆材料的相对磁导率；r 为电缆半径。本实施例中，电缆采用 1.5mm2 铜线，其电阻率 ρ 为 0.0175 Ω* mm2/m，μr 为1，r 为0.69mm。电缆1长度为1.5m，电缆2长度为1m，电缆3长度为0.5m。通过计算可得，电缆1的寄生电阻为0.0175Ω，寄生电感为2.29μH；电缆2的寄生电阻为0.0233Ω，寄生电感为3.05μH；电缆3的寄生电阻为0.0058Ω，寄生电感为0.763μH。
LED照明电路可等效为图3 所示的电路模型，其伏安特性为： VF = Vturn-on + RsIF。其中，VF 为LED端电压；IF为LED通过的电流；Vturn-on 为 LED 阀值电压；Rs 为伏安特性曲线的斜率。
本实施例的驱动控制器低压电路包括控制电路、逻辑电路和保护电路，具体划分为电路板1和电路板2，且两块电路板并联在 12V 电源线上。影响电瞬态传导发射的主要是电路板上与电源直接连接的电感、电容、电阻等无源器件，以及电路板上的连接线。其中，电路板上无源器件参数可从相应的图纸中直接获得，而电路板连接线则通过分段参数提取的方式将其等效为多个二端口网络。驱动控制器低压电路的无源电路等效为图4所示结构，其中电路板1等效为四阶LC网络，由电感L1、电阻R1、电容C1、电感L2、电容C2和负载RL1串并联而成；其中 L1 = 4.7μH；R1 = 0.015Ω；C1 = 100μF；L2 = 0.5μH；C2 = 50μF；RL1 = 14.4Ω。电路板2等效为共模和差模滤波器电路，包括滤波电容C3、C4、C5、C6、滤波电感L3、滤波电阻R2 和负载RL2。其中C3 = C4 = 50μF；C5 = 0.47μF；R2 = 20kΩ；L3 = 10μH；C6 = 50μF；RL2 = 14.4Ω。
将上述各部件分别封装为模型库单元，并加入测试开关控制单元，来构建图5所示的 12V 电源线系统模型。通过电路仿真软件对其进行阶跃响应仿真，从而获取电源线路上各节点处的电瞬态传导骚扰波形。仿真结果如图6所示，其中，A线段国家标准 GB/T21437.2 中的限值；B线段为仿真得到的蓄电池端口处的电瞬态传导骚扰波形；C线段为控制器节点处的电瞬态传导骚扰波形。在0.05s合上控制开关，在0.2s断开控制开关，来观察其电瞬态传导骚扰波形。从中可见，合上控制开关的瞬间，蓄电池端口处和控制器节点处的电压过冲均较小，为。在断开控制开关的瞬间，控制器节点处的电压过冲较小；蓄电池端口处的电压过冲较高，峰值达到了24V，但仍处于标准线以内。说明该电源系统具有较好的电瞬态传导特性。
Claims (8)
1.一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：对汽车内部 12V或24V 电源线系统上的车用蓄电池、电缆、电子零部件和驱动控制器分别进行计算和等效，获取车用蓄电池的动态电路模型、电缆的等效电路模型、电子零部件的等效电路模型和驱动控制器的等效电路模型，并分别进行模块化封装；然后结合获取的动态电路模型和各等效电路模型，构建电动汽车电源线系统的等效电路模型；最后通过电路仿真得到电动汽车电源线系统的等效电路模型，获得电源线的电瞬态传导发射波形。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：所述车用蓄电池的动态电路模型，由理想电压源和RC电路组成；
该动态电路模型具体结构如下：
一电压源，一状态电容，一欧姆电阻，一极化电阻；所述极化电阻与欧姆电阻组成并联电路，该并联电路与电压源、状态电容和欧姆电阻串联。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：所述动态电路模型用于描述铅酸蓄电池，或者用于描述磷酸铁锂电池，其电路方程为： 
，其中：
RO 为欧姆电阻；RP 为极化电阻；CP 为极化电容；电容 Cb为负载电流产生的开路电压变化，与电池状态有关；RO 、RP 、CP 和 Cb 的具体值根据实际选用的蓄电池手册和实验测试来获取；UOC为理想电压源，表示蓄电池开路电压；UL为蓄电池输出电压； IP 为极化电阻上的电流；IL为蓄电池输出电流。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：所述电缆的等效电路模型，为无源二端口网络，包括电缆的寄生电阻和寄生电感，寄生电阻和寄生电感串联而成；电缆的寄生电阻根据公式 
来计算，其中：R为电缆寄生电阻，ρ为电缆材料的电阻率，l为电缆长度，S为电缆截面积；寄生电感按照圆截面直导线的电感来近似计算，即 
，其中：μ0 为真空磁导率，即4π*10-7 H/m；μr 为电缆材料的相对磁导率；r 为电缆半径。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：所述电子零部件的等效电路模型包括电动汽车电源线系统上的照明电路的等效电路、传感器的等效电路和仪表的等效电路，其中传感器的等效电路和仪表的等效电路等效为RC并联电路，RC参数从实际选用的数据手册和测试数据中获得。
6.根据权利要求4所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：电子零部件中所述的照明电路的等效电路，包括依次串联的一PN 结光电器件、一电压源、一电阻；所述PN 结光电器件采用LED，LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，LED 的伏安特性可表示为：VF = Vturn-on + RsIF，其中：VF 为LED端电压；IF为LED通过的电流；Vturn-on 为 LED 阈值电压；Rs 为伏安特性曲线的斜率。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：所述驱动控制器用于电动汽车内部电机的驱动控制，包含高压电路和低压电路，低压电路与汽车内部 12V或24V电源线直接连接；所述低压电路包括控制电路、逻辑电路和保护电路，由一个或多个电路板组成，电路板上无源器件的参数从相应的图纸中直接获得，电路板连接线通过分段参数提取的方式将电路板连接线等效为多个二端口网络。
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车电源线瞬态传导发射的建模方法，其特征在于：所述汽车内部 12V或24V电源线系统的等效电路模型的具体结构是：蓄电池的等效模型通过两条电源线同时连接至一个测试开关控制单元，然后测试开关控制单元通过两根电源线分别连接至二组电缆的等效模型，电缆的等效模型分别为电缆一的等效模型、电缆二的等效模型，电缆一的等效模型通过两根电源线连接至照明电路的等效模型，电缆二的等效模型通过两根电源线连接至驱动控制器低压电路的等效模型。
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