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 21790 0 1042272 2 1066396 1 1063768 6 1072503 2 10107018 6 1092711 8 1081444 7 1091222 0 1085992 3 108由表 1、表 2 可知，使用矢量匹配法建立等效电路时，电路元件参数可能会出现负值，这是由于矢量匹配法拟合的等效电路中单个元件没有具体物理意义，需要将整个网络看作一个整体。在 PSpice 软件中，可以通过添加受控源对出现的负值进行处理，也可以直接将电路元件参数定义为负值。图 4 Z(f)等效电路Figure 4 Equivalent circuit of Z(f)根据表 1、表 2 中电路元件参数分别建立子电路单元并进行串联连接，如图 4 所示。在 PSpice 软件中仿真获得电机高频等效电路模型的阻抗特性，电机阻抗实测与仿真结果如图 5 所示。(a)(b)图 5 电机阻抗实测与仿真结果(a)共模阻抗(b)差模阻抗Figure 5 Measurement and simulation results of motor impedance(a)Common mode impedance(b)Differential mode impedance由图 5 可知，共模阻抗在 1 MHz 频点附近出现谐振频率偏移，这是由于等效电路模型忽略了电机中部分寄生参数。当频率大于40 MHz 后，由于测量时连接线缆较长，在较高频率引入了较大测量误差，阻抗测试结果出现剧烈抖动。综上所述，构建电机高频等效电路模型在 10 kHz 100 MHz 内与实测数据吻合较好，可以精准预测电机驱动系统中电机的工作状态。2 2逆变器电路模型图 6 逆变器结构Figure 6 Structure of inverter38Electronic 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:/逆变器电路结构如图 6 所示，其主电路为 6 只 IG-BT 构成的全桥电路，每只 IGBT 管分别由控制信号控制。图 6 中 Ce是 IGBT 管与金属散热片之间的寄生电容，金属散热片与车壳相连，为共模干扰提供回路。Ce的值可由如下计算式得到19 Ce=0rA3d(4)式中，0为真空中的介电常数，取值 8 8 1012Fm1;r为 IGBT 管与散热片间绝缘垫片的介电常数;A为开关管与绝缘层的接触面积;d为绝缘层厚度。通过查阅产品手册及实际测量可得，本文所使用逆变器参数为:r=8 5，A=148 32 mm2，d=0 9 mm。代入式(4)可得 Ce=124 1 F。逆变器电路中 IGBT 控制信号通常采用 PWM(Pulse Width Modulation)波，通过改变 PWM 波的占空比即能控制电机的工作状态，如图 7 所示。同相桥臂上下控制信号相位相差，不同桥臂相位相差 2/3。在 MATLAB 软件中搭建仿真电路生成 3 组 6 只 IGBT的控制信号，正弦波源频率为 9 kHz，且每相间相位差为 120，三角波源频率为 10 kHz。图 7 PMW 波产生电路Figure 7 Generation circuit of PMW wave3共模干扰电压仿真与实测图 8 电驱动系统 EMI 预测模型Figure 8 Prediction model for EMI of electric drive system各模块模型建立完成后，根据电驱动系统实际结构将其进行连接，得到电机驱动系统 EMI 预测模型，如图 8 所示。根据 CISP 25 标准规定，电源与逆变器间需要加入线路阻抗稳定网络(Line Impedance Stabili-zation Network，LISN)。本文选择使用50/50 H 的V 型结构 LISN，其主要作用为在测试频段内稳定阻抗。将电源与被测设备隔离，避免相互之间的干扰。电路搭建完成后，在 PSpice 中设置仿真任务，仿真时间为 1 000 s，在电机中性点处设置探针，探针处电压即为车辆电驱动系统的共模干扰电压。如图 9 所示，为验证本文建立的 EMI 模型的正确性，基于 CISP 25 对车辆电驱动系统共模干扰电压进行测试，待测设备为 TM4 SUMO MD HV2200 3P 电机和逆变器组合系统，使用示波器(Tektronix TDS3054B)与高压差分探头(Keysight N2790A)对电驱动系统共模电压进行测试。测试条件设置为:电机转速为1 000 rmin1，负载扭矩为 250 Nm，逆变器开关频率为9 kHz。测试完毕后，将实测共模电压进行傅里叶变换，在频域中与仿真结果进行对比，如图 10 所示。图 9 共模干扰电压测试Figure 9 Common mode interference voltage measurement48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:/图 10 共模干扰电压实测与仿真结果Figure 10 Measurement and simulation results of commonmode interference voltage由图10 可知，在0 1 100 MHz 频段内，仿真与实测电压幅值误差不超过 10 dB，在 40 MHz 以上时，仿真幅值小于实测约 5 dB。产生误差的原因有两部分:一是逆变器内部结构复杂，建立模型时忽略了部分分布参数;二是逆变器负载电路，电机高频等效电路模型存在一定的误差。综上所述，在 0 1 100 MHz 范围内，电驱动系统共模电压仿真与实测结果基本吻合，证明本文所构建 EMI 预测模型及其建模方法正确有效。4结束语本文研究了车辆电驱动系统 EMI 的仿真建模方法，分析了电驱动系统的结构，并对电机、逆变器等主要模块分别进行建模。基于电机实测阻抗幅频特性曲线，建立电机的高频等效电路模型。同时还分析了逆变器的工作原理，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各模块进行连接，获得电驱动系统 EMI 预测模型，并通过系统共模电压测试验证了本文模型及其建模方法正确有效。电驱动系统产生的共模干扰电压将作为电磁骚扰源，通过传导或辐射耦合，对车内设备造成电磁干扰。在车辆电磁兼容性设计中，建立正确有效的电驱动系统 EMI 预测模型将有助于抑制车内电磁干扰，对提高电动车辆的安全性、可靠性具有一定帮助。参考文献 1 范峻，Kim H，蒲菠 汽车电磁兼容中的建模挑战J 安全与电磁兼容，2021(6):9 14Fan Jun，Kim H，Pu Bo Modeling challenges in automotiveEMC J Safety EMC，2021(6):9 14 2 Shim H，Kim H，Kwack Y，et al Inverter modeling includingnon ideal IGBT characteristics in Hybrid Electric Vehiclefor 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