CN108152601B - 电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法 - Google Patents

电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，属于汽车EMC领域。本发明方法将干扰设备和测量天线的集总参数用等效电路的形式作为网络外接项，通过外接项电流、网络端口特性、天线标定参数预测辐射电场与磁场，降低建模难度，实现了电路参数解耦，解决了在整车系统复杂耦合环境下对高压系统线缆束共模辐射发射预测的精度计算与计算效率的矛盾。

Description

电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法
技术领域
本发明属于汽车EMC领域，涉及一种电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法。
背景技术
整车低频辐射发射是电动汽车法规要求之一。电动汽车的高压系统由于其高电压和大电流特点，是整车低频辐射发射的主要噪声源。在汽车开发过程中，能越早进行EMC设计，发现EMC问题，解决问题所能采取的措施越多，成本越低。大量理论和工程实践表明，90％的电磁干扰都是由电缆的电磁辐射所致。电动汽车高压系统涉及的零部件众多，高压线束拓扑关系复杂，耦合传输路径多样。常规的线束设计工具主要用于电气性能分析，不具备电磁耦合的求解能力。而专业电磁场分析软件无法实现干扰源、传输路径和敏感部件的一体化建模，不能直接进行整车电磁辐射发射的预测。且过于复杂的结构，进行电磁场数值求解时计算资源消耗巨大，不利于工程应用，需要一种符合电动汽车整车低频辐射发射预测要求，且计算资源消耗适中的预测方法。为此，本发明通过将高压共模干扰源和测量天线作为端口，采用集中参数描述干扰源和敏感设备特性；应用电网络理论表征不同端口的耦合特性，通过电路求解实现整车低频辐射发射预测。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，在实现多线束、复杂耦合环境下的高压系统低频辐射发射预测的同时，解决了预测精度与计算效率的矛盾。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，该方法包含如下步骤：
S1：对整车高压系统高压低频辐射的电大结构进行三维建模，并进行网格划分；
S2：计算整车高压系统的高压激励端口的耦合特性；
S3：对高压系统的高压激励端口的共模噪声电流进行测试；
S4：对高压线束负载阻抗进行测试；
S5：计算天线特性；
S6：预测整车的低频磁场发射量。
进一步，步骤S2中整车高压系统的高压激励端口包含，高压分配盒的动力电机供电端口，电机控制器的高压供电端口，电机控制器的动力电机高压控制端口，动力电机高压端口，高压分配盒的DC/DC供电端口，高压分配盒的动力电池连接端口，高压分配盒的PTC供电端口；
步骤S3中，整车高压系统的高压线束负载端口包含：动力电池高压端口，PTC高压端口，DC/DC高压端口。
进一步，步骤S2包含如下步骤：
S21：计算高压激励端口的散射系数矩阵，
Figure BDA0001519262570000021
其中，SAA(s)表示测量天线端口的反射系数，SAI(s)表示天线端口到高压线束共模干扰端口的传输系数矩阵，SAL(s)表示天线端口到高压线束负载端口的传输系数矩阵，SIA(s)表示高压线束共模干扰端口到天线端口的传输系数矩阵，SII(s)表示高压线束共模干扰端口的反射系数矩阵，SIL(s)表示高压线束共模干扰端口到高压线束负载端口的传输系数矩阵，SLA(s)表示高压线束负载端口到天线端口的传输系数矩阵，SLI(s)表示高压线束负载端口到高压线束共模干扰端口的反射系数矩阵，SLL(s)表示高压线束负载端口的反射系数矩阵；
S22：计算高压激励端口的耦合特性，
Figure BDA0001519262570000022
其中，E为单位矩阵，ZAA(s)表示测量天线端口的阻抗特性，ZAI(s)表示测量天线端口到高压噪声激励端口的阻抗转移特性，ZAL(s)表示测量天线端口到高压系统负载端口的阻抗转移特性，ZLA(s)表示高压系统负载端口到测量天线端口的阻抗转移特性，ZLI(s)表示高压系统负载端口到高压激励端口的阻抗转移特性，ZLL(s)表示高压系统负载端口的阻抗特性，Z0为测量或计算散射系统矩阵H时的端口阻抗。
进一步，步骤S3中噪声电流测试通过在实车条件下采用电流耦合钳测试每个高压激励端口的噪声电流或通过搭建零部件EMC测试平台获得，并获得共模噪声电流II(s)。
进一步，步骤S4中负载阻抗测试采用阻抗仪测试每个负载端口的阻抗特性或通过搭建零部件EMC测试平台获得。
进一步，步骤S5中天线特性计算公式为：
Figure BDA0001519262570000023
其中，
Figure BDA0001519262570000031
为标定天线特性时单位外部电磁场作用下测量天线端口的电压值。
进一步，步骤S6中整车的低频磁场预测发射量为：
D(s)＝FA(s)VA(s)
Figure BDA0001519262570000032
其中，VA(s)为共模噪声电流II(s)在天线端口产生的噪声电压，RL(s)为角元素为高压线束负载端口的阻抗的对角矩阵，RA(s)和FA(s)分别表示测量天线的端口阻抗和天线特性，D(s)表示预测得到的由共模噪声电流II(s)引起的辐射发射量。
本发明的有益效果在于：
1.通过引入电网络理论，本发明可以采用集总参数实现干扰源、耦合路径和敏感设备的统一描述，从而在统一框架下直接进行整车低频辐射发射预测；
2.本发明可以分别对端口和耦合特性进行建模，将三维电磁场数值求解和整车低频辐射预测分离，大大降低复杂系统所需的计算资源；
3.本发明可以采用不同方法进行端口和耦合环节电磁特性的建模，大大扩展了该方法的适用阶段，能够更好地支撑电动汽车整车低频辐射的控制，能够在早期进行干扰预测、问题分析和整改。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为整车高压系统三维仿真模型示例；
图2为高压系统示意图；
图3为端口3共模干扰电流示例；
图4为端口9共模阻抗示例；
图5为1A/m均匀平面波照射下天线端口接收电压；
图6为磁场强度预测结果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供的一种电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法的三维仿真模型如图1所示。本实施例以GB 18387要求的整车低频磁场发射为预测量，通过计算机数值求解端口耦合特性，通过实验测试实际干扰电流，天线特性曲线通过计算机仿真得到，具体包括以下步骤：
S1：对整车高压系统进行三维建模，建模内容主要为高压低频辐射相关的电大结构
一般将结构尺寸超过最高分析频率对应波长十分之一以上的金属结构作为电大结构。以GB 18387规定的最高测试频率30MHz为例，则总体结构尺寸大于1m的都应作为电大结构。
为尽可能利用已有的汽车三维模型，可将汽车原始三维模型导入Hypermesh等预处理软件进行简化，并进行网格划分。然后将网格数据导入到FEKO等电磁场数值求解软件后，进一步设置材质电参数，建立测量天线模型，设置50欧姆激励端口和求解边界，得到耦合特性求解模型，如图2所示。
本实施例中，建模的高压激励端口包括：高压分配盒的动力电机供电端口(端口1)；电机控制器的高压供电端口(端口2)；电机控制器的动力电机高压控制端口(端口3)；动力电机高压端口(端口4)；高压分配盒的DC/DC供电端口(端口5)；高压分配盒的动力电池连接端口(端口6)；高压分配盒的PTC供电端口(端口7)。建模的高压线束负载端口主要包括：动力电池高压端口(端口8)；PTC高压端口(端口9)；DC/DC高压端口(端口10)。具体如图2所示。
测量天线及布置按GB 18387要求，选择磁场天线，车后侧垂直方向。
S2：求解端口的耦合特性
使用S1得到的三维仿真模型，设置求解频带为9kHz～30MHz，在Feko电磁场数值求解软件下，求解得到端口的散射系数矩阵
Figure BDA0001519262570000041
再由下式计算得到耦合特性：
Figure BDA0001519262570000042
其中，E为单位矩阵，阶次共模噪声激励端口、高压线束负载端口和天线端口数量之和，本实施例为11，ZAA(s)表示测量天线端口的阻抗特性，ZAI(s)表示测量天线端口到高压噪声激励端口的阻抗转移特性，ZAL(s)表示测量天线端口到高压系统负载端口的阻抗转移特性，ZLA(s)表示高压系统负载端口到测量天线端口的阻抗转移特性，ZLI(s)表示高压系统负载端口到高压激励端口的阻抗转移特性，ZLL(s)表示高压系统负载端口的阻抗特性，Z0为测量或计算散射系统矩阵H时的端口阻抗，Z0为测量或计算散射系统矩阵H时的端口阻抗本实施例设置为50欧姆。
S3：高压系统激励端口噪声电流测试
可以通过搭建零部件EMC测试台架，或者在实车条件下，采用电流耦合钳测量每个高压激励端口的噪声电流得到II(s)，端口3共模干扰电流示例如图3。
本实施例主要进行GB 18387的低频辐射发射预测，所以在噪声电流测试时，高压系统的工作状态应与GB 18387规定的终测试状态一致。
需要测量共模噪声电流的端口包括：高压分配盒的动力电机供电端口(端口1)；电机控制器的高压供电端口(端口2)；电机控制器的动力电机高压控制端口(端口3)；动力电机高压端口(端口4)；高压分配盒的DC/DC供电端口(端口5)；高压分配盒的动力电池连接端口(端口6)；高压分配盒的PTC供电端口(端口7)。
S4：高压线束负载阻抗测试
可以通过搭建零部件测试台架或者在实车条件下，采用阻抗仪测量每个负载端口的阻抗特性，端口9共模阻抗示例如图4所示。需要测量负载阻抗的端口包括：动力电池高压端口(端口8)；PTC高压端口(端口9)；DC/DC高压端口(端口10)。
S5：天线特性计算
本实施例采用计算机数值方法得到天线特性。在Feko等三维电磁场数值求解软件下，根据GB 18387对测量天线要求，建立磁场环天线模型，对该天线施加垂直的单位强度平面波，求解得到9kHz～30MHz频带内测量天线端口的电压值
Figure BDA0001519262570000051
如图5所示，则天线特性曲线
Figure BDA0001519262570000052
Figure BDA0001519262570000053
为标定天线特性时单位外部电磁场作用下测量天线端口的电压值。
S6：整车低频磁场发射预测
由S2得到的端口耦合特性、S3得到的高压激励端口噪声电流和S4得到的天线特性，按下式计算得到车辆后侧垂直极化下的9kHz～30MHz频带的磁场发射量，如图6所示：
D(s)＝FA(s)VA(s)
Figure BDA0001519262570000054
其中，s＝jω为拉普拉斯算子，
Figure BDA0001519262570000055
ω为需要预测的噪声频率。VA(s)为共模噪声电流II(s)在天线端口产生的噪声电压。ZAA(s)、ZAI(s)、ZAL(s)、ZLA(s)、ZLI(s)和ZLL(s)表征高压线束共模干扰激励端口、高压线束负载端口与测量天线端口之间的耦合特性。RL(s)为对角矩阵，对角元素为高压线束负载端口的阻抗。RA(s)和FA(s)分别表示测量天线的端口阻抗和特性曲线。D(s)表示预测得到的由II(s)引起的辐射发射量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：
S1：对整车高压系统高压低频辐射的电大结构进行三维建模，并进行网格划分；
S2：计算整车高压系统的高压激励端口的耦合特性；
S3：对高压系统的高压激励端口的共模噪声电流进行测试；
S4：对高压线束负载阻抗进行测试；
S5：计算天线特性；
S6：预测整车的低频磁场发射量；
步骤S2中整车高压系统的高压激励端口包含，高压分配盒的动力电机供电端口，电机控制器的高压供电端口，电机控制器的动力电机高压控制端口，动力电机高压端口，高压分配盒的DC/DC供电端口，高压分配盒的动力电池连接端口，高压分配盒的PTC供电端口；
步骤S4中，整车高压系统的高压线束负载端口包含：动力电池高压端口，PTC高压端口，DC/DC高压端口。
2.根据权利要求1所述的电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，其特征在于：步骤S2包含如下步骤：
S21：计算高压激励端口的散射系数矩阵，
Figure FDA0002312747340000011
其中，SAA(s)表示测量天线端口的反射系数，SAI(s)表示天线端口到高压线束共模干扰端口的传输系数矩阵，SAL(s)表示天线端口到高压线束负载端口的传输系数矩阵，SIA(s)表示高压线束共模干扰端口到天线端口的传输系数矩阵，SII(s)表示高压线束共模干扰端口的反射系数矩阵，SIL(s)表示高压线束共模干扰端口到高压线束负载端口的传输系数矩阵，SLA(s)表示高压线束负载端口到天线端口的传输系数矩阵，SLI(s)表示高压线束负载端口到高压线束共模干扰端口的反射系数矩阵，SLL(s)表示高压线束负载端口的反射系数矩阵；
S22：计算高压激励端口的耦合特性，
Figure FDA0002312747340000012
其中，E为单位矩阵，ZAA(s)表示测量天线端口的阻抗特性，ZAI(s)表示测量天线端口到高压噪声激励端口的阻抗转移特性，ZAL(s)表示测量天线端口到高压系统负载端口的阻抗转移特性，ZLA(s)表示高压系统负载端口到测量天线端口的阻抗转移特性，ZLI(s)表示高压系统负载端口到高压激励端口的阻抗转移特性，ZLL(s)表示高压系统负载端口的阻抗特性，Z0为测量或计算散射系统矩阵H时的端口阻抗。
3.根据权利要求2所述的电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，其特征在于：步骤S3中噪声电流测试通过在实车条件下采用电流耦合钳测试每个高压激励端口的噪声电流或通过搭建零部件EMC测试平台获得，并获得共模噪声电流II(s)。
4.根据权利要求3所述的电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，其特征在于：步骤S4中负载阻抗测试采用阻抗仪测试每个负载端口的阻抗特性或通过搭建零部件EMC测试平台获得。
5.根据权利要求4所述的电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，其特征在于：步骤S5中天线特性计算公式为：
Figure FDA0002312747340000021
其中，
Figure FDA0002312747340000022
为标定天线特性时单位外部电磁场作用下测量天线端口的电压值。
6.根据权利要求5所述的电动汽车高压线束共模噪声引起的低频辐射发射预测方法，其特征在于：步骤S6中整车的低频磁场预测发射量为：
D(s)＝FA(s)VA(s)
Figure FDA0002312747340000023
其中，VA(s)为共模噪声电流II(s)在天线端口产生的噪声电压，RL(s)为角元素为高压线束负载端口的阻抗的对角矩阵，RA(s)和FA(s)分别表示测量天线的端口阻抗和天线特性，D(s)表示预测得到的由共模噪声电流II(s)引起的辐射发射量。
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