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汽车电磁兼容中的建模挑战（二）
日期：2024-05-05 02:08
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摘要：
3 提出的分而治之方法
仔细研究 Brute-force 算法后可知，性能差的原因是时域电路仿真集成到了频域电磁（EM）仿真中。如前所述，由于现有商业工具的限制，逆变器的非线性行为不能包括在内。尽管已经进行了许多相关的研究工作，混合时域和频域仿真仍具有挑战性，尤其是对于大规模的复杂问题。应对这一挑战的一个自然想法是分而治之。在时域中，利用 SPICE 软件可以很好地对电机驱动系统进行仿真，包括非线性仿真。在频域中，采用数值电磁法可以很好地对电机驱动系统与车载射频天线的噪声耦合进行仿真。和其他分治法一样，...
3 提出的分而治之方法
仔细研究 Brute-force 算法后可知，性能差的原因是时域电路仿真集成到了频域电磁（EM）仿真中。如前所述，由于现有商业工具的限制，逆变器的非线性行为不能包括在内。尽管已经进行了许多相关的研究工作，混合时域和频域仿真仍具有挑战性，尤其是对于大规模的复杂问题。应对这一挑战的一个自然想法是分而治之。在时域中，利用 SPICE 软件可以很好地对电机驱动系统进行仿真，包括非线性仿真。在频域中，采用数值电磁法可以很好地对电机驱动系统与车载射频天线的噪声耦合进行仿真。和其他分治法一样，关键在于如何有效而准确地连接这两个领域。在这个特殊问题中，如前所述，电缆束中流动的共模电流*终会导致耦合到天线端口的噪声。因此，它可以作为两个域之间的联系。在时域电机驱动系统仿真中，可以方便地计算出电缆束中的共模电流，它可以作为后续频域仿真中的噪声源，仅对车辆、电机束和天线结构进行仿真。下面将详细介绍这一方法的细节。
3.1 电机驱动系统建模
**步是通过在 SPICE 中对电机驱动系统的等效电路进行仿真，得到电缆束中流动的共模电流。所以这一步的关键是构造 / 提取等效电路。
等效电路中*关键的部分是 IGBT 模块，它是脉宽调制逆变器的核心部分，也是主要的噪声源。在本例中，电机驱动系统采用三相 IGBT 逆变器模块，采用数值模型对 IGBT 进行建模，该模型符合设备制造商提供的规范。如表 1 所示，这种基于数据表的建模方法可以在包含非线性的情况下，更准确地拟合 IGBT 器件的参数。
表 1 动态参数拟合结果
除了 IGBT 建模外，提取逆变器模块中与金属结构相关的寄生等效电路元件也很关键。如图 7 所示，在本例中，基于预先定义的电路原型，从阻抗测量中提取直流母线和输出桥结构的等效电路元件以及金属结构之间（包括位于 IGBT 模块下面的散热器）的等效电容。
图 7 混合动力控制单元的寄生效应建模
电机驱动系统建模的另一个重要方面是电机的寄生效应。在本例中，需要建立一个内埋式永磁同步电机（IPMSM）的模型。如图 8 所示，该电机由定子、定子绕组、永磁体和转子组成。除了磁铁以外，其他都由金属制成。正如我们所知，金属结构之间总是存在寄生电容。通过电机中的这些寄生电容，不需要的共模电流可以流入车体。因此，将这些寄生电容纳入等效电路至关重要。但是，由于寄生电容的复杂性，很难根据电机的结构来**建模。因此，改用基于测量的方法来提取绕组之间、绕组和定子之间、绕组和转子之间以及转子和定子之间的寄生电容。
图 8 电机的寄生效应建模
电机的其余部分使用随时间变化的电感和电动势进行建模，通过仿真可以将电机的实际三维结构简化为模拟的 2D 结构。
*后，在电机驱动系统模型中包含共模电流的返回路径也很重要。这里的返回路径指的是接地线和发动机缸体之间的寄生阻抗，如图 9 所示。在这个示例中，从阻抗测量中可以提取接地线的等效电路元件，从数值电磁模拟中可以提取寄生电容。
图 9 共模电流建模中重要的返回路径
图 10 展示了电机驱动系统的完整等效电路，包括前面讨论的逆变器模块、电机和返回路径的元件。此外，电池和电缆束分别被建模为理想电源和多导体传输线。
图 10 电机驱动系统的完整等效电路，蓝色表示共模电流路径
需要再次强调的是，由于共模电流很重要，因此，应该对寄生效应进行准确建模并包含在电机驱动系统的等效电路中。在时域内，可以利用 SPICE 软件对所得到的模型进行快速仿真。
3.2 电机驱动系统与射频天线噪声耦合建模
综上所述，耦合到射频天线的噪声主要是由电缆束中流动的共模电流引起的。在本混合动力电动汽车设计中，电机驱动系统中既有直流束也有交流束。通过实验研究发现，交流束是对安装在混合动力汽车上的射频天线产生噪声干扰的主要原因。因此，我们可以将耦合问题近似地表述为流入交流束的共模电流和射频天线在频域中接收的噪声电压之间的传递函数（TF）。因为耦合问题本身是一个线性问题，无论共模电流由于 IGBT 输出波形的时变性、非线性如何随时间变化。如图 11 所示，通过向交流电缆束注入 1 A 的恒定共模电流，然后在每个频率点观察天线输入端的接收电压，可以很容易地计算出电缆 - 天线的传递函数（TF）。在此设置中，不包括电池、逆变器模块和电机。
图 11 混合动力汽车设计中传递函数仿真的设置示例
图 12 绘出了计算得到的传递函数，也就是天线输入端口处的模拟噪声电压，该噪声电压是由于 1 A 共模电流进入到交流束中引起的。从计算的传递函数可以看出，三相电缆和天线之间的耦合是电感的。
图 12 当 1 A 共模电流进入交流束，模拟天线输入端口的噪声电压
3.3 分而治之方法的验证
通过对 3.1 节中讨论的电机驱动系统的等效电路进行模拟，在时域中计算出进入交流束的共模电流后，利用傅立叶变换可以进一步获得其频谱成分。然后，将计算出的共模电流频谱乘以 3.2 节中计算的传递函数，得到天线输入端口处的计算噪声电压频谱。
与第 2 节中讨论的 Brute-Force 算法相比，这个方法将整个问题分解为两个域，避免了使用频域电磁解算器的内置功能执行时域电路仿真的困难。它充分利用独立的能处理复杂时域问题的 SPICE 仿真器（带有更**器件模型的非线性仿真），获得噪声波形，并能够模拟被动结构的电磁模拟器，以快速准确地获得传递函数。
此外，由于传递函数的线性性质，电磁模拟所需频率点的数量可以显著减少，从而大大加快总体仿真速度。为了验证所提出的方法，当测试车辆运行时，在发电机室内对进入交流线束的共模电流和进入调幅天线的耦合噪声电压进行测量。图 13 显示了测量、计算的共模电流。可以看出，它们在调幅频率范围内非常一致，误差不超过 5 dB。这验证了 3.1 节中提取的电机驱动系统等效电路的正确性。
图 13 从电机驱动系统的等效电路模型中，计算出进入交流束的共模电流，并与实测电流进行比较
图 14 显示了耦合到调幅天线中的计算和测量的频谱噪声电压结果。同样，在高达 1.2 MHz 的频率下，它们彼此吻合。在 1.2 MHz 以上，它们之间存在几分贝的差异，这可能是因为本文所提出的方法仅考虑了来自电机驱动系统的干扰，而实际车辆中有更多影响耦合噪声电压的部件。
图 14 使用所提出的方法计算的进入天线的噪声电压与测量的噪声电压进行比较
另外还模拟了两种情况，其结果也包括在图 14 中：拆除电缆屏蔽层、移除发动机缸体和车身之间的接地线。电缆屏蔽层和接地线都是共模电流返回路径的一部分。结果表明，在研究的整个频率范围内，移除电缆屏蔽比移除接地线对调幅天线干扰的影响要大得多，这证明了返回路径设计在电机驱动系统中的重要性，以及所提出的分而治之方法在各种假设情景研究中的有效性。
4 变频器位置改变的案例研究
利用本文所提出的方法，进一步的设计探索可以评估可能的设计变化对干扰水平的影响。如前所述，交流束中流动的共模电流是安装在同一车辆上的调幅天线受到射频干扰的主要来源。因此，了解逆变器模块的位置对干扰的影响显得尤为重要。
如图 15 所示，逆变器模块*初安装在车身内，与安装在发动机缸体中的电机分离，有一个交流束连接逆变器模块和电机。由于该交流束是对调幅天线造成射频干扰的主要来源，因此，进一步研究了设计上的变化，将逆变器模块移近电机并安装在发动机缸体中。如图 15所示，利用该方法计算并比较了两种情况下调幅天线端口的耦合噪声电压。很明显，通过缩短交流束的长度来改变设计可以大大减少干扰。
图 15 改变逆变器模块的位置及其对调幅天线射频干扰的影响
5 结论
本文研究了混合动力汽车电机驱动系统对射频天线的干扰，提出了一种分而治之的方法。与传统的Brute-force 算法相比，该方法成功地解决了复杂车辆级问题的仿真难题。
通过一种有效且高效的建模方法，可以轻松研究假设场景以进行设计探索和优化。在这个案例中，可以发现交流束中流动的共模电流是射频天线的主要干扰源，共模电流的返回路径也起着重要作用。电缆屏蔽、接地线和逆变器位置都会影响共模电流路径，从而影响干扰水平。此外，共模路径由车辆级设计决定，这解释了为什么标准模块级电磁干扰评估可能不足以描述实际的系统级电磁干扰性能。
仿真对于汽车电磁兼容性将变得越来越重要。本文用一个例子来解释了其趋势、挑战以及可能的解决方案。通过仿真可以更好地实现设计探索和优化，从而使电磁兼容设计和风险控制在早期设计阶段成为可能。
