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2023-04-27

图书名称：《新能源汽车关键技术研发系列新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法》【作者】翟丽作【丛书名】新能源汽车关键技术研发系列【页数】391【出版社】北京：机械工业出版社,2021.03【ISBN号】978-7-111-67180-0【分类】新能源-汽车-电磁兼容性-设计【参考文献】翟丽作.新能源汽车关键技术研发系列新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法.北京：机械工业出版社,2021.03.图书封面：图书目录：《新能源汽车关键技术研发系列新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法》内容提要：电磁兼容性是新能源汽车的一项关键共性技术，对保障新能源汽车安全行驶、减少或避免故障十分重要。随着智能网联电动汽车的发展，电磁兼容性分析与设计成为研发中不可或缺的环节，是工程师必须掌握的知识和技能。本书以建模仿真、试验测量和工程案例相结合的方式，介绍了新能源汽车电机驱动系统、DC-DC变换器、无线充电系统、整车控制器、电池管理系统以及整车电磁兼容性的相关内容，使读者能够熟练掌握电磁兼容性的分析方法、建模仿真方法、整改方法以及测试方法。本书可供车辆工程相关专业的研究生、高年级本科生和工程技术人员参考学习使用。《新能源汽车关键技术研发系列新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法》内容试读·第1章绪论》》》》》1.1概述电磁兼容性是新能源汽车的共性技术，对保障电动汽车安全行驶、减少或避免故障具有非常重要的意义。国内外电动汽车电磁兼容标准与法规的日益严格和市场的激烈竞争，给新能源汽车电磁兼容性提出了迫切的要求近年来，因新能源汽车引发的电磁兼容问题逐渐引起人们的重视，国际知名汽车企业（丰田、福特、通用、宝马等）把电磁兼容技术列为新能源汽车的重要研究内容。解决电磁兼容问题、突破电磁兼容关键技术，已成为电动汽车产品成功进入市场的关键。目前，新能源汽车电磁兼容相关研究工作主要集中在以下几方面：1)针对车辆实际运行出现的电磁干扰问题，研究零部件及系统滤波、屏蔽和接地等整改技术2)根据标准法规进行整车辐射发射测试，针对由电驱动系统工作引起的电磁辐射超标问题，进行整改控制。3)根据标准法规对高压零部件进行传导发射和辐射发射测试，针对超标问题进行整改和电磁干扰诊断。4)通过电磁兼容理论分析和建模仿真，预测和抑制电磁干扰。目前，国内外学者和技术人员在新能源汽车电磁兼容测试和整改方面取得了一些成果，但由于缺乏准确有效的仿真模型和预测方法，导致电磁干扰机理和数学表征方面研究不足，不能在产品设计阶段对电磁干扰进行有效分析、预测和抑制。比较突出的问题存在于：1)干扰源有多种类型。干扰源包括窄带干扰源（例如包含时钟、晶振、微处理器和显示器中的数字逻辑电路的车辆电子零部件)和宽带干扰源（例如电机和点火系统)。具体实例如电机控制器的IGBT功率模块、DC-DC变换器的MOSFET功率模块、整车控制器的时钟电路等。干扰源信号的时域特性和频域特性各不相同，各种干扰源信号同时作用在车辆高压系统和低压系统上。目前，干扰源建模通常采用线性理想干扰源，与实际干扰源存在较大差异。2)电磁干扰耦合路径复杂。高压和低压部件布置在车辆有限空间内，部件及线缆的位置和长度都会影响传导和辐射耦合路径。电磁干扰传输电磁耦合路径多采用集总电路模型建模，忽略或简化了寄生参数和分布参数的影响，使电磁干扰路径分析有遗漏或不正确，因此不能准确有效地对电磁干扰噪声信号进行表征、预测和抑制。3)敏感设备多样化，诸如雷达等智能传感器、ABS等安全控制器、整车控制器、电池管理系统、各种无线电接收设备等。车辆实际运行时，高压动力系统会通01新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法过高压线缆、车载CAN总线网络等对智能传感器、电子控制器和执行器等敏感设备产生电磁干扰。同时，智能传感器和车载无线通信设备也会产生辐射骚扰信号。4)车辆负载工况动态变化。新能源汽车运行工况多，如起步、加速、恒速、超速、怠速、制动等，且负载工况动态变化。实验室的电磁干扰测量特性不能全面反映实车的运行。5)忽略了电磁安全性。只根据标准法规对电磁兼容性进行分析研究，没有充分考虑电驱动系统、智能传感器和车载无线通信设备等关键系统产生的低频和射频超宽带电磁干扰噪声对牵引、制动和转向功能安全性的影响因此，新能源汽车电磁干扰的机理、预测和抑制方法的研究，对提高车辆系统可靠性、安全性，及新能源汽车的设计、制造和推广应用，具有重要意义1.2新能源汽车电磁兼容性问题与传统内燃机车辆不同，电动汽车应用了大量的高压部件，例如驱动电机电机逆变器(DC-ACIverter)、直流-直流变换器(DC-DCCoverter)、车载充电机(AC-DCCoverter)、动力电池等。此外，电动汽车还应用了电池管理系统(BMS、车辆控制单元(VCU)、TelematicBOX(TBOX)等低压电气部件。因此，电动汽车的电磁环境变得更加复杂，电磁兼容性(EMC)变得越来越重要。为了保护车内外接收机免受电动汽车无线电干扰，国际标准SAEJ551-5、CISPR122009、中国标准GB/T18387一2017和CISPR25一2016Rd对电动汽车整车和高低压零部件的电磁发射提出了限值要求。电磁兼容性成为电动汽车关键技术。国际标准CISPR25一2016Rd和中国标准GB/T18655一2018对电动车辆的高低压零部件在150kHz~108MHz频段的传导电隧发射和150kHz~2.5GHz频段辐射发射提出了限值要求和测量方法。ISO7637-4《道路车辆由传导和耦合引起的电磁骚扰第4部分：沿屏蔽电压电源线的电瞬态传导》对新能源乘用车和商用车上车载电驱动系统及高压零部件的电瞬态传导进行了测试评估1.2.1电机驱动系统EMC问题电机驱动系统是新能源汽车的关键部件，采用功率半导体器件（如IGBT等）进行脉冲宽度调制(PWM)控制，以实现对电机控制器输出电压的调节。功率半导体器件的快速通断产生较高的电流变化率di/dt和电压变化率d/dt,会产生不期望的电磁噪声，不仅会影响车内外无线电接收设备，也会通过高压电源线影响其他车载高低压部件。此外，电机驱动系统产生的这种电磁噪声，不仅会使自身设备不能满足EMC标准限值要求，还会导致整车不能满足EMC标准限值要求为了抑制这种电机控制器功率半导体器件通断带来的电磁干扰(EMI),主要有PWM控制策略优化、系统结构优化、安装EMI滤波器三种方法。PWM控制策略优化方法较多用于减小共模干扰。系统结构优化方法通常采用逆变器拓扑结构和02第1章绪论电机定子绕组结构优化方法，来减小共模干扰。另外，这种方法需要重新进行系统设计，周期较长、难度较大。安装EMI滤波器是抑制电机控制器电源EMI的有效方法，电源EMI滤波器包括有源滤波器、无源滤波器和混合滤波器。有源滤波器和混合滤波器结构复杂，其电子控制单元和信号采集单元的特性会降低高频EMⅫ抑制效果，对环境适用性也要求较高。无源滤波器是抑制电源EM最常用的且便于工程实现的方法。无源滤波器一般由差模电感、差模电容、共模扼流圈和共模电容、共模变压器等构成各种拓扑结构，实现对电源共模和差模传导骚扰的有效抑制。新能源汽车电机控制器EMⅫ滤波器与工业用电机控制器EMI滤波器有以下不同：1)供电系统是高压直流电，输入直流电压范围为200~900V2)高压直流电源线的电流较大，通常为几百安培3)根据EMC标准限值要求，传导电磁干扰抑制频率范周是150kHz~108MHz,而其他应用领域的传导EM1抑制的频率低于30MHz。4)负载动态变化(1)电驱动系统电磁干扰功率器件（例如IGBT)的快速通断是电驱动系统电磁干扰的主要原因。电磁干扰源通过电磁耦合传输路径形成差模干扰和共模干扰，由于系统结构以及电气与机械特性要求不同，目前工业用电机驱动系统电磁干扰的形成机理在电动汽车上的应用具有很大的局限性目前，国内外电动汽车电磁发射测试主要是根据标准GBT18387一2017和SAEJ551-5一2012测试150kHz30MHz整车的电磁场发射强度，为了保护车载接收机免受电驱动系统高压零部件的干扰，通过测试动力直流母线的传导电压、传导电流和辐射电磁场强度，来描述电磁干扰的特性。目前，国内多家电动汽车零部件供应商和整机厂对电机驱动系统及整车进行了带载传导发射和辐射发射摸底试验，没有经过EMC设计的产品很难满足标准限值要求，阻碍了新能源汽车上公告。经过EM征抑制的电机控制器再次测试仍存在超标现象，如图1-1所示电动汽车电机驱动系统的电磁干扰测试分为传导骚扰测试和辐射骚扰测试。由线路阻抗稳定网络(LISN)和电流钳测试得到的传导骚扰是共模干扰和差模干扰的混合结果，而由天线测试得到的辐射骚扰是电磁场矢量叠加形成的总和。通过传导和辐射骚扰测试对共模干扰和差模干扰形成的机理只能进行一些定性分析，但不能涵盖电动汽车多工况动态运行时的电磁干扰的特征现象，也不能分析系统部件以及电机控制器内部元件对电磁干扰的影响，因此具有很大的局限性但通过对电磁干扰源与电磁干扰路径建模仿真的方式，可以涵盖电动汽车多况动态运行时电机驱动系统电磁干扰的各种状态，因此基于建模仿真的电磁干扰的预测和抑制方法的相关研究也越来越必要，电磁干扰建模仿真已成为进行电磁干扰机理分析和预测的重要技术途径新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法130120峰值限值均值限值110峰值曲线100908070均值曲线6050403020150k300k400k500k800k1M2M3M4M5M6M8M10M20M30M40M50M60M80M108M频率/Hz图1-1电机控制器高压正极电源线传导骚扰电压(2)电机驱动系统电磁干扰发射建模仿真国内外很多学者对共模干扰和差模干扰进行了建模仿真研究。共模干扰建模仿真主要围绕逆变器的散热器对地分布电容、线缆对地分布电容、电机绕组对机壳的分布电容对共模干扰的影响进行相关研究。差模干扰建模仿真主要围绕电驱动系统寄生参数对差模干扰的影响进行相关研究。电磁干扰发射仿真模型主要由电磁干扰源模型和传输电磁耦合路径模型两部分组成，其中传输电磁耦合路径的特性参数直接影响差模干扰路径和共模干扰路径，进而影响总的电磁干扰响应特性目前，研究系统各组成部分的电磁发射模型较多，但围绕整个电驱动的系统行为所进行的传导和辐射电磁干扰建模仿真研究较少。目前电机控制器三相脉宽调制(PWM)逆变器各个功率器件开关状态很多等效为理想干扰源，没有考虑功率器件的寄生参数和非线性工作特性对干扰源信号的影响。电驱动系统电磁发射仿真模型由动力电池仿真模型、直流和交流动力线缆仿真模型、电机仿真模型和功率逆变器(如IGBT模块、DC模块、散热器、机箱)仿真模型组成。动力电池仿真模型主要研究电池对车体的分布参数的影响，直流和交流动力线缆仿真模型多采用传输线理论进行建模，电机仿真模型多基于端口阻抗幅频特性构建高频等效电路模型对逆变器仿真模型而言，C.Jettaae、B.Revol和J.Eia等人多采用二端口等效电路法和线性矩阵等效法分析和预测电磁干扰，但都没有考虑逆变器内部电路的寄生参数对电磁干扰的影响；J.Lai和Huag等人建立了逆变器内部高频等效电路模型，分析高频寄生参数对电磁干扰特性的影响，提出寄生参数的提取是建立高频电路模型的关键，但由于干扰源过于简化、参数提取不完整，这种电路模型只适用于低于1OMHz的传导电磁干扰仿真04第1章绪论因此，切实可用的逆变器仿真模型的合理建立和优化日益成为电动汽车电驱动系统电磁发射的核心问题，进而亟须解决(3)系统行为级仿真建模的优点及存在的问题系统集总电路建模仿真中电路元器件的物理参数很难获取、电机控制器功率逆变电路比较复杂，致使集总电路时域仿真时间长、难以收敛，只能在低频预测传导发射且预测精度差。其中，频域仿真尽管相对时域仿真具有仿真快速、易收敛的优点，但由于模型简化和寄生参数提取困难，电磁干扰预测精度难以保证系统行为级仿真建模可以解决上述集总电路建模仿真中存在的问题，但目前研究者多采用基于戴维南和诺顿等效电路建立的系统二端口或三端口的等效电路的仿真建模方式，只能分析电机控制器直流湍口或交流端口的电磁干扰，无法分析端口之间的干扰（如交流输出端口对直流输入端口的电磁干扰）。其中，Jettaae提出了一种二端口等效电路仿真模型以预测系统总的电磁干扰，但由于电磁干扰源和逆变器模型过于简化，只适用于低于1OMHz的仿真。就逆变器的仿真建模而言，因其自身的复杂性，基于系统行为级仿真建模方式的逆变器的仿真建模是电驱动系统电磁发射仿真建模的难点(4)功率逆变器电磁发射的建模仿真目前，通常把功率逆变器作为一个“黑匣子”进行电磁发射全波建模仿真。尽管电磁发射全波建模仿真方式仿真精度高，但由于仿真时间长、计算机占用内存高，不能对逆变器的非线性元件进行建模，所以不能在系统元件上进行电磁干扰溯源模型降阶(MOR)建模仿真方法是利用网络传输特性S参数建立等效电路，但因不能分析元件的物理特性而有很大的局限性为了分析逆变器内部元件对电磁干扰的影响因素，目前较为理想的建模仿真方式是采用SPICE(SimulatioProgramwithItegratedCircuitEmhai)等效电路建模方式对系统元件的寄生电路参数进行建模，建立系统元件几何尺寸和寄生电路参数的关系，分析共模电流和差模电流产生的机理就SPICE等效电路建模方式而言，目前系统中SPICE高频电路模型寄生参数的提取主要有多种方法。其中，3D有限元方法只适合对“黑匣子”系统提取参数，部分单元等效电路(PEEC)方法需要成百上千的电路元件等效成一个简单元件的电路，这两种方法不适合应用于逆变器复杂高频电路的建模仿真。时域反射仪(TDR)和传输线理论因提取参数精度不高而存在缺陷。M.Reuter提出的基于测量的逆变器建模方法将测量得到的散射参数等效为共模和差模阻抗，Su等人提出了一种基于三相交流电机共模阻抗和差模阻抗的测量的电磁干扰建模方法，但此类方法将逆变器作为一个“黑匣子”，没有对逆变器内部元件寄生电路的寄生参数进行提参(5)逆变器系统电磁干扰抑制方法三相PWM逆变器电磁干扰抑制方法包括软开关技术、优化PWM控制算法及在动力输入和输出线缆上加装滤波器的方法。由于软开关技术、优化PWM控制算新能源汽车电磁兼容性设计理论与方法法的EI抑制效果有限，所以滤波技术是电机逆变器电磁干扰抑制的常用方法在产品研发后期，通常采用全波建模方法进行电磁干扰抑制的滤波设计。全波建模方法将逆变器等效为一个“黑匣子”，不知道逆变器内部的干扰源和传播路径，只能在逆变器外部和线缆上加滤波器和屏蔽，在逆变器外部切断干扰路径。在这种外加抑制电磁干扰的方法研究中，Akagi设计了电磁干扰滤波器，抑制了电机侧的共模电压、电机轴承对地的漏电流和逆变器对地的共模漏电流。但该种方法只对小功率工业电机30MHz以下的EMI抑制有效，没有考虑逆变器内部元件寄生参数的影响。S.Wag和H.Bihoi等人设计了一种电磁干扰滤波器，抑制了逆变器的散热器和电机支架对车体的共模电流。X.Gog提出了一种EMI共模滤波器设计方法，用于抑制逆变器碳化硅场效应晶体管(SiCJFET)产生的传导共模干扰和差模干扰。M.Reuter和D.Piazza等人提出了在逆变器与车体或电机与车体之间串人阻尼电阻，可以抑制串联谐振产生的共模电流。电动汽车电机驱动系统因高功率、大电流，设计的电磁干扰滤波器体积较大，占用车内有限的空间。为了有效地抑制电动汽车电机驱动系统电磁干扰，必须考虑逆变器寄生元件产生的谐振影响，在产品设计和开发初期，对逆变器内部电路进行电磁兼容优化和电磁干扰抑制设计然而，这种外加抑制电磁干扰的方法不仅会增加系统的体积和重量，还会产生新的电磁干扰，此外，因忽略了逆变器内部寄生元件产生的谐振影响，所以不能有效地抑制电磁干扰。以上研究方法通常只能对30Mz以下电磁干扰抑制有效，而电动汽车动力线缆会产生150kHz~110MHz传导发射，现有滤波器不能满足要求基于SPICE建模方法，Natalia等人提出了一种测量与仿真结合逆变器电磁发射建模方法，建立了逆变器内部元件几何尺寸和寄生电路参数的关系，通过建立二端口网络的传输特性(S参数)和端口阻抗特性，分析引起谐振的原因，以确定产生谐振的逆变器内部寄生元件，提出了在逆变器内部直流端加C滤波器、交流端加共模扼流圈抑制电磁干扰的思路本书重点描述：考虑功率半导体寄生参数的电机逆变器系统高频等效电路模型建立方法，来预测传导电磁干扰，为预测传导骚扰提供了仿真平台。基于建立的高频等效电路模型，预测高压电源线传导骚扰，并确定影响电磁干扰形成的主要元件参数。针对电动车辆高压直流供电电机驱动系统，提出高压端口宽频段传导骚扰抑制方法、一种基于谐振点传导发射抑制的滤波电路优化设计方法、采用磁环的高压直流电源线EMI滤波器设计方法和采用空心电感的高压直流电源EMI滤波器设计方法，降低了150kHz~108MHz频段的传导发射，以满足标准限值要求。通过建模仿真和试验结合的方法，预测在典型工况下的电机驱动系统EM1,获得EM特性1.2.2DC-DC变换器系统EMC问题与传统内燃机车辆不同，电动汽车车载低压电源12V或24V由高低压DC-DC变换器提供。高低压DC-DC变换器作为电动汽车的关键零部件，把动力电池几百伏的高压直流电变换成低压直流电给车载低压蓄电池充电，同时给车载低压电气部06···试读结束···...

2022-10-25 新能源汽车关键技术论文 新能源汽车关键技术有哪些