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电动汽车低压直流电机EMC特性优化研究,硕士毕业论文

本站原创   发布时间:2019-01-08   [点击量:1404]  


  摘要


  由于大量带有高低压的电子电气系统集成于电动汽车内,在系统进入正常工作状态时将有很强的电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI)信号产生,这些电磁信号的存在将严重影响车辆电子电气设备的正常运行;目前低压直流电机广泛应用于电动汽车,而低压直流电机所产生的电磁干扰更为严重,电动汽车整车的EMC特性都将受到严重影响。


  本文以此作为研究的切入点,重点围绕低压直流电机的电磁兼容(Electromagneticcompatibility,EMC)特性及整改方案展开研究。首先梳理了目前电动汽车及其零部件EMC的研究最新动态,依据电动汽车EMC国家标准规定及其工作原理,提出了三种EMC整改方案;进而对包括部件耦合特性、传导发射特性、辐射发射特性、阻抗特性、瞬态传导发射特性的低压直流电机五个EMC特性进行实验分析;同时以辐射发射试验为例,就试验结果在不同试验因素影响程度展开分析,并对辐射特性对整车辐射测试结果的影响予以验证。在对EMC方案改进章节,重点就磁环抑制低压直流电机传导干扰的机理进行了研究,探讨了线圈圈数、磁环数量对谐振频率及阻抗的影响;在雨刮电机试验过程中,对辐射发射受不同接地点的影响进行了对比并应用巴特沃斯型滤波器对传导干扰进行抑制,再此基础上完成了滤波器插入损耗特性的进一步优化。


  研究结果表明:产生电磁干扰的主要原因可归结为低压直流电机的工作原理及其结构特点,对整车EMC特性产生影响的主要因素是强烈的辐射干扰和传导干扰,而增强干扰抑制效果的主要方法就是增加磁环电路的阻抗和电感,而增加电路阻抗的最有效方法就将多个磁环以及绕制线圈串联,与此同时,随着线圈圈数和磁环数量的增加而谐振频率也将随之降低;研究中还基于提升巴特沃斯型滤波器的滤波效果的考虑而提出了通过寄生参数减少的方法,达到有效降低电机电路干扰的目的。


  关键词:电动汽车;低压直流电机;电磁干扰


  1.1研究背景及意义


  目前,我国机动车保有量已经突破3.35亿辆,而汽车保有量更是达到了2.23亿辆,方兴未艾的汽车产业己经成为支撑我国国民经济发展的重要行业。然而,随着全球性能源危机的加重以及生态环境保护意识的提升,传统汽车尾气污染和能耗问题越发受到关注和重视。相比传统燃油车,在使用过程中电动汽车能源消耗更低,因此具有更加节能和环保的优势[1-2]。


  电动汽车由电驱动系统提供动力,内部集成了大量的电子电气系统,在狭小的车内空间形成一个复杂的电磁环境。电动汽车上的高压部件包括电池包、DCDC、充电机、电机电控等,低压电气部件有雨刮电机、暖风机、闪光报警器、继电器以及仪器仪表等降[3-5]。电子电气部件工作时会产生电磁干扰,影响周边设备甚至车辆自身设备的工作。尤其是功率器件高的和开关特性产生宽频带和高幅值的电磁干扰。车载设备受到电磁干扰的现象十分普遍。例如,车辆启动时,倒车影像出现雪花;电池包SOC显示错误[6];广播接收出现杂音等。目前,汽车设计正在向无人驾驶、智能化、网联化方向发展。为了采集车辆、驾驶员、其他车辆以及环境的参数,监控车辆状态,汽车上加载了数以百计的传感器、数据传输和存储装置以及安全驾驶辅助等电子设备。这些设备对电磁干扰极其敏感,一旦受到影响,可能出现数据丢失、参数错误、设备误操作等现象,给车辆安全驾驶带来隐患。


  为了避免电动汽车发出的电磁干扰对车辆自身及周边环境和电气设备造成不利影响,电动汽车上市必须通过工信部公告试验,满足相关EMC国家标准。电动汽车电磁辐射公告标准包括GB14023-2011《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车外接收机的限值和测量方法》和GB/T18387-2008《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法,宽带,9kHz-30MHZ》。中国汽车技术研究中心电磁兼容室2014年统计,电动汽车GB14023-2011的不合格率将近50%,GB18387-2008的不合格率超过80%,电动汽车EMC设计面临许多挑战。暖风机、雨刮电机、座椅电机、后视镜电机、鼓风机等均使用低压直流电机,广泛应用于电动汽车上。汽车零部件EMC检测标准GB/T18655-2010《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法》试验结果统计显示,低压直流电机的合格率较低。低压直流电机工作时发出强烈辐射,是电动汽车上重要干扰源之一。测试过程中,低压直流电机可能导致整车辐射发射超标。


  1.2研究现状及意义


  1.2.1研究现状


  电动汽车产业发展迅速,电极电控、电池管理系统等各种关键技术日臻成熟,但电动汽车及低压直流电机EMC的研究尚不充分,是导致电动汽车EMC检测合格率较低的重要原因之一。文献[7-11]提出,DCDC、电动机、电池包、充电机等为重要的干扰源,干扰传播路径为线束传播和空间辐射。电磁干扰分为共模干扰和差模干扰,文献[12-16]分析了电动汽车电驱动系统干扰类型和祸合路径。文章指出,在电机控制器直流侧,功率器件产生的电磁干扰通过逆变器散热片与底盘的寄生电容,经底盘传输到电池包,最后回流到功率器件,形成干扰回路。在电机侧,干扰信号通过交流电缆进入到电机定子,经过定子与电机壳体的寄生电容传输到底盘,最后经过逆变器与散热片之间的寄生电容流回逆变器,形成干扰回路。电动汽车上电机控制器、传感器、仪表等为敏感设备。文献[17-19]列举了电动汽车上常见的EMC问题,包括CAN信号失真、时钟信号畸变和电池管理系统信息错误等。


  倪红英[20]分析直流电机换向时产生火花的原因,认为火花是导致直流电机传导发射和辐射发射超标的重要原因之一。干扰通过导线以传导干扰的形式传播到其他设备,影响其他设备正常运行[20]。文献[22-23]提出,电机换向引起的电压变化是电磁干扰的来源,消除EMI干扰源的根本在于抑制换向过程中产生的电抗电势。文献[24]利用诺顿定理将直流电机等效成电流源,建立直流电机的阻抗模型。文献[25]建立了直流电机EMC模型。文章指出直流电机运行时,电流换向以及电刷与换向器之间的不稳定接触,会在电源线上产生瞬变电压。这些瞬变电压幅值和能量较大,甚至具有一定破坏性。重庆大学李飞,周尚华和尹华平研究雨刮电机的EMC阻抗模型、仿真和抑制措施[26-28]。文献[29]在频段100kHz-IGHZ内建立了精确的仿真模型,模拟传导发射和辐射发射,仿真结果与实际测量结果的有较高的拟合度。


  一些文献研究了EMC整改方法。文献[30]采取屏蔽线缆、减小IGBT共模电流等措施后,整车的辐射发射大大降低,满足GB/T18387的限值要求。文献[31]介绍了磁环在抑制高压直流输电网的应用,使用磁环后,明显减弱电晕效应,而且磁环的成本较低。


  文献[32]研究磁环抑制同轴电缆上的干扰,实验结果表明,磁环对脉冲干扰具有很好的抑制效应。接地有助于改善电磁发射,文献[33-36]介绍了接地在电子电气系统中的应用,对于改善传导干扰和辐射干扰具有较好效果。滤波器常用于滤除电路中干扰信号,得到纯净的电源或者有用的信号,能极大的改善系统或者设备的电磁发射特性。文献[37]提出了一种新型的应用于大功率DCDC的集成滤波器,输入电流可以达到66A。文献[38]根据电机控制器传导发射测量结果,针对超标频点设计一种RC滤波器,有效的抑制传导发射。在文献[39]中,作者设计的两种电源线滤波器可以在宽频带内抑制电磁干扰,使车辆辐射发射满足国家标准。


  目前国内己经建立了相对完善的EMC测试标准体系。整车EMC测试包括整车辐射发射和整车电磁抗扰。整车辐射发射参考标准GB14023-2011,测试频段为30MHz-IGHz。除此之外,电动汽车还需要根据GB/T18387-2008测试频段gkHz-3OMHz的辐身」发射。整车电磁抗扰试验主要参考标准15011451系列,包括车内干扰源抗扰、车外干扰源抗扰和大电流注入抗扰。汽车零部件的测试标准较多。传导发射和辐射发射的测试布置和要求参照GB/T18655-2010。电磁抗扰度试验参考标准15011452系列和GB/117619-1998。传导抗扰度试验依据1507637系列。静电抗扰标准15010605-2008既适用于整车静电试验,也适用于零部件静电试验。


  1.2.2研究意义


  对于低压直流电机而言,大部分文献专注于低压直流电机的阻抗模型和传导发射特性。受试验设备和试验环境影响,辐射发射特性、瞬态发射特性、祸合特性研究较少,全面性和系统性仍不充分。本文通过试验全面研究电机的五个EMC特性,并探讨试验因素对试验结果的影响。


  与电驱动系统相比,低压直流电机结构简单,产生干扰的机理比较明确,反而导致与整车EMC特性的研究被忽略。本文通过试验验证低压直流电机对整车辐射发射具有重要影响。


  EMC整改方法较多,但大部分EMC整改方案以结果为导向,很少有文献深入研究抑制机理和优化措施。本文将机理研究和试验相结合,探讨磁环、接地和滤波抑制干扰的深层原因。得出的结论可以推广到实际整改案例中。


  本文介绍了相对完整的EMC标准体系。在部分汽车EMC的论文中,作者引用或者参考低版本的测试标准,没有进行及时更新。还有一些作者甚至错误引用了测试标准,这些问题都会影响作者研究结论的准确性和可信度。本文依据中国汽车技术研究中心EMC室的测试方案,详细介绍了与低压直流电机和电动汽车相关的测试标准、测试方法。因此,本文的研究有十分重要的学术和实践意义。


  1.3研究内容及框架安排


  本文主要研究电动汽车低压直流电机的EMC特性和整改技术。车载暖风机、雨刮电机和后视镜电机都属于低压直流电机。直流电机工作时会发出强烈的电磁干扰,是整车无法通过EMC测试国标GB14023-2011和GB/T18387-2008重要原因之一。对于零部件EMC测试项目GB/T18655-2010,低压直流电机的通过率也不容乐观,论文共分六章,具体组织框架如下:


  第一章绪论主要介绍课题背景、研究现状以及研究意义。本文全面系统的研究电机的EMC特性以及整改方法,对电动汽车EMC研究具有重要意义。


  第二章围绕低压直流电机的阻抗特性、传导发射、辐射发射、瞬态发射以及部件耦合特性等进行分析研究,证明低压直流电机可以产生强烈的干扰。通过整车EMC试验,验证低压直流电机对整车辐射发射具有重要影响。


  第三章主要研究铁氧体磁环抑制电磁干扰的原理。研究表明,磁环抑制低压直流电机传导干扰的机理是增加了电路的电感和阻抗。此外,增加磁环数量和线圈绕制圈数可以增加磁环阻抗和降低谐振频率。


  第四章的重点是关于接地点的选择对辐射发射的影响。结果证明,较大的环路电流和电流回路面积产生的辐射发射比较大。


  第五章利用归一化方法设计巴特沃斯型LPF,采用减小电容引线和连接线路长度的方法改善滤波器的性能。将滤波器应用于低压直流电机传导发射试验,结果证明,滤波器最多可以将干扰降低52dB。


  第六章是全文总结及展望。


  1.4本章小结


  本章围绕研究主题,首先研究的背景、意义以及当前国内外研究最新发展动态进行了说明和阐述,进而就研究的重点和论文组织框架进行了介绍和说明。(全文略)


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