徐至江,譚康伯,李 敏,趙子文,陳同山

(1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710071;2.吉利汽車集團(tuán),浙江 寧波 315336)

電動(dòng)汽車作為新能源車的代表,隨著新能源技術(shù)的日趨成熟而逐步發(fā)展。電力是電動(dòng)車的動(dòng)力來(lái)源,作為一種清潔能源,與石油相比不僅價(jià)格更低廉且對(duì)環(huán)境無(wú)污染[1]。在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中,為了提高車輛的性能,車內(nèi)的電子設(shè)備或儀器的豐富度逐漸升高,這種變化會(huì)引起車內(nèi)的電磁干擾 (Electromagnetic Interference,EMI)問(wèn)題。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為引起其內(nèi)部電磁干擾問(wèn)題最主要的模塊[2],電磁干擾源建模對(duì)電動(dòng)汽車的安全性與電磁兼容性設(shè)計(jì)起到較為重要的作用。

當(dāng)前,針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾源建模與分析的工作主要集中在推導(dǎo)逆變器線束上共模干擾電流與電場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)的傳遞函數(shù),或利用高頻參數(shù)模型進(jìn)行電磁干擾分析[3-6]。研究人員提出了一種描述逆變器耦合電感在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)環(huán)流的時(shí)域模型,該模型減小了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾[7]。文獻(xiàn)[8]建立了基于測(cè)量的功率逆變器系統(tǒng)SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)模型,該模型能夠預(yù)測(cè)100 kHz～100 MHz范圍內(nèi)4 dB內(nèi)逆變器端口之間的傳輸特性。文獻(xiàn)[9]搭建了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾測(cè)試平臺(tái),結(jié)合測(cè)試結(jié)果分析了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾源并提出了干擾抑制整改方案。文獻(xiàn)[10]采用分模塊的精確建模方式建立了完整的多合一電驅(qū)系統(tǒng)傳導(dǎo)發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及干擾抑制一體化仿真模型。文獻(xiàn)[11]提出一種SiC電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)EMI等效電路建模及預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[12]研究了系統(tǒng)布局對(duì)SiC型MOS(Metal Oxide Semiconductor)牽引逆變器的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模EMI噪聲的影響。

本文研究了車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI的仿真建模方法。首先分析了車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),將系統(tǒng)分解為逆變器模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊以及電機(jī)控制系統(tǒng)模塊,并單獨(dú)進(jìn)行電磁干擾問(wèn)題的分析研究;然后建立完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾協(xié)同分析模型進(jìn)行分析,將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI預(yù)測(cè)模型的正確性;最后以GB/T 18655-2018電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

從電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā),了解其內(nèi)部各模塊的工作原理,對(duì)于后續(xù)研究并預(yù)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾源與可能的干擾耦合途徑具有重要作用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成如圖1所示,由其構(gòu)成的傳導(dǎo)發(fā)射系統(tǒng)主要由高壓直流電源、高壓直流線纜、電機(jī)逆變器、三相交流線纜和電機(jī)組成。其中,電動(dòng)汽車中DC-AC逆變器的主電路主要由功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)構(gòu)成,由電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)IGBT的快速通斷,將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供電機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)PWM(Pulse Width Modulation)。電機(jī)逆變器通常有3個(gè)橋臂及6個(gè)全控式功率器件IGBT(T1～T6)組成,每個(gè)IGBT反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管,通過(guò)柵極信號(hào)控制通斷。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1. The structure of the motor drive system

作為典型高壓系統(tǒng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾主要由于存在功率器件的快速通斷。功率器件的電流等級(jí)在200～900 A,電壓等級(jí)在400～1 200 V,開(kāi)關(guān)頻率在10～100 kHz,由此產(chǎn)生短時(shí)高幅值的電流注入變化di/dt以及電壓注入變化du/dt,從而出現(xiàn)電磁干擾[13]。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾模型建立

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真主要分為兩類。一類是以Ansys/Maxwell仿真為代表的有限元建模與分析,另一類是以MATLAB/Simulink仿真為代表的基于行為的數(shù)學(xué)模型建立與分析[14]。本文的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用Simulink+Maxwell+Simplorer協(xié)同分析技術(shù)實(shí)現(xiàn),兼具高效與準(zhǔn)確性。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載端,其電磁干擾模型建立的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)模型的正確性。組成電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要電機(jī)類型為永磁同步交流電機(jī)。以JLH-3G10TD型號(hào)的電機(jī)結(jié)構(gòu)為參考,在Maxwell軟件建立電機(jī)電磁干擾模型,為了加快建模效率,使用RMxprt組件輔助建模。電機(jī)采用表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),設(shè)置定子與轉(zhuǎn)子的材料為50W290型硅鋼片,定子繞組形式為全極式繞組,磁極的永磁體材料為N38UH,磁體厚度為3.6 mm,其他重要部件的部分參數(shù)如表1所示,定子槽的相關(guān)尺寸參數(shù)也在表1中一同給出。

表1 電機(jī)模型的參數(shù)取值Table 1. The parameter values of motor model

在RMxprt中可以設(shè)置轉(zhuǎn)子、定子以及永磁體等一系的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)置好各類參數(shù)后,將RMxprt中的電機(jī)模型導(dǎo)入Maxwell中,電機(jī)模型如圖2所示。

圖2 電機(jī)仿真模型Figure 2. Motor simulation model

為電機(jī)施加激勵(lì)電壓源后對(duì)其單獨(dú)仿真,其中三相電壓源如式(1)所示。

UA=Umsin(2πf×time)

(1)

其中,Um為電壓源額定峰值;f為激勵(lì)源頻率;time為時(shí)間變量;UA、UB和UC分別為三相輸入電壓。

仿真得到的電機(jī)輸出三相電流如圖3所示,每相電流之間均具有2π/3的相位差,并且各相電流幅值穩(wěn)定于65.6 A。

圖3 電機(jī)輸出三相電流 Figure 3. Motor output three-phase current

2.2 逆變器電路模型

根據(jù)圖1所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出,逆變器電路主要是由功率半導(dǎo)體器件IGBT及其續(xù)流二極管組成。而IGBT經(jīng)過(guò)電機(jī)控制器部件和外部高低壓線束的寄生參數(shù)向外傳播,形成不期望的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射[15]。這些泄露會(huì)通過(guò)系統(tǒng)中固有的寄生參數(shù)以共模或差模干擾的方式傳導(dǎo)至其他部件和模塊,以此對(duì)其他部件帶來(lái)不同程度的影響,甚至使其受擾而無(wú)法工作。

在設(shè)計(jì)階段精確考慮IGBT模型實(shí)際的高速通斷特性對(duì)整個(gè)逆變器系統(tǒng)的影響,對(duì)IGBT進(jìn)行精確的特征建模較為必要,有助于準(zhǔn)確分析系統(tǒng)的電磁干擾情況。本文的系統(tǒng)建模選用英飛凌生產(chǎn)的FS800R07A2E3型IGBT組成逆變器模塊,其開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)建立IGBT的特征化模型,通過(guò)導(dǎo)入并設(shè)置IGBT的額定工作點(diǎn)、極限工作點(diǎn)、半橋測(cè)試狀態(tài)從而在模型的搭建過(guò)程考慮IGBT的實(shí)際寄生參數(shù)。

每個(gè)IGBT的柵極、發(fā)射極以及集電極兩兩之間均存在極間電容。將各自的極間電容分別記為CGE、CGC以及CCE,它們與IGBT的固有參數(shù)之間的關(guān)系如式(2)所示。

Cies=CGE+CGC

Coes=CGC+CCE

(2)

Cres=CGC

其中,Cies是IGBT的輸入電容;Coes為輸出電容;Cres是反向電容建立該IGBT的單橋測(cè)試電路,探究理想IGBT與考慮寄生參數(shù)的實(shí)際IGBT的發(fā)射極和集電極間電壓UCE波形的不同,二者對(duì)比如圖4所示。

(a)

(b)圖4 IGBT UCE波形(a)理想IGBT (b)實(shí)際IGBTFigure 4. IGBT UCE waveforms (a)Ideal IGBT (b)Actual IGBT

從圖4可以看出,考慮寄生參數(shù)時(shí),IGBT每個(gè)工作周期的時(shí)域波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的矩形波,而是在上升沿以及下降沿均出現(xiàn)振鈴波動(dòng)的梯形波。上升沿振鈴幅值達(dá)到了200 V,下降沿的幅值為100 V。

后續(xù)建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體電磁干擾模型時(shí),逆變器模塊需要以該IGBT功率器件為基礎(chǔ)在Simplorer中搭建。

2.3 電機(jī)控制系統(tǒng)模型

電機(jī)控制模塊中控制信號(hào)可以通過(guò)編寫軟件代碼、行為建?；蛘咧苯诱{(diào)用仿真軟件中的PWM模塊產(chǎn)生,使用Simulink實(shí)現(xiàn)行為建模不僅可以成功模擬SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)控制波形,還可以實(shí)現(xiàn)PID(Proportion Integral Differential)調(diào)節(jié),這是脈寬調(diào)制方法所必需的[16]。電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式Figure 5. Implementation of the motor control system

由圖5可以看出,電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括SVPWM模塊、PID控制模塊以及3個(gè)坐標(biāo)變換模塊,它們分別是Clark變換、Park變換以及反Park變換模塊。PID模塊使用PI調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制。其中坐標(biāo)變換模塊需要基于3種變換的計(jì)算式進(jìn)行搭建,Clark變換是實(shí)現(xiàn)abc-αβ轉(zhuǎn)化的坐標(biāo)變換,其變換計(jì)算式為

(3)

Park變換是實(shí)現(xiàn)αβ-dq轉(zhuǎn)化的坐標(biāo)變換,其變換計(jì)算式為

(4)

反Park變換是實(shí)現(xiàn)dq-αβ轉(zhuǎn)化的坐標(biāo)變換,其變換計(jì)算式為

(5)

采用id=0的電機(jī)控制初始化方式可以保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。為了驗(yàn)證用Simulink組件實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制策略的可行性,使用該組件中的逆變器模塊、永磁同步電機(jī)模塊、PI控制模塊、SVPWM模塊以及上述坐標(biāo)變換模塊共同組成Simulink電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),如圖6所示。將初始參考轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 500 rpm,由于所設(shè)置的電機(jī)模型極對(duì)數(shù)為4,所以需要將得到的轉(zhuǎn)角與極對(duì)數(shù)相乘后才可以輸入到Park。

圖6 電機(jī)控制系統(tǒng)Simulink電路Figure 6. Motor control system Simulink circuit

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾模型

為了解決傳統(tǒng)方法在控制功能實(shí)現(xiàn)的多樣化與仿真效率上都存在的不足之處[17],本文將具有高精度仿真的有限元法與數(shù)學(xué)建模方法進(jìn)行結(jié)合,使用Maxwell+Simplorer+Simulink這3款軟件協(xié)同分析的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模型建立及分析。

以Maxwell建立的基本電機(jī)模型和Simulink建立的電機(jī)控制系統(tǒng)行為模型為依據(jù),在Simplorer中建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體電磁干擾仿真模型。電路中包含來(lái)自Simulink的逆變器控制信號(hào)以及Maxwell建立的電機(jī)模型。其中,導(dǎo)入Simplorer中的Maxwell電機(jī)模型如圖7所示。該模型包括從逆變器到電機(jī)的3個(gè)輸入端和電機(jī)的3個(gè)輸出端,同時(shí)還包括電機(jī)參數(shù)的兩個(gè)讀取端。協(xié)同分析模型中的Simplorer部分是通過(guò)添加Simulink co-sim組件實(shí)現(xiàn)的,從Simplorer中輸出的信號(hào)有定子三相電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等參數(shù),它們通過(guò)Simulink的co-sim組件作為PI控制閉環(huán)調(diào)節(jié)的參考量。

在Simplorer添加SVPWM模塊實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制功能。該模塊控制調(diào)節(jié)后輸出的SVPWM波形,以6路矩形波信號(hào)的形式輸出并加載到逆變器的6根IGBT柵極上,控制電機(jī)逆變器信號(hào)。

該仿真模型中由Simulink到Simplorer的端口信號(hào)是兩相靜止坐標(biāo)αβ軸電壓Ualpha和Ubeta,由Simplorer到Simulink的信號(hào)端口及其描述如表2所示。

表2 信號(hào)端口名稱及其描述Table 2. Signal port names and their descriptions

將上述所有仿真模塊在Simplorer中連接,并添加相應(yīng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)角等相關(guān)檢測(cè)模塊與電機(jī)的兩個(gè)檢測(cè)端相連,在電機(jī)模塊的參數(shù)端輸入一個(gè)幅值從0～25的階躍信號(hào)用來(lái)模擬電機(jī)突加負(fù)載,如圖8所示。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Simplorer協(xié)同分析模型 Figure 8. Simplorer co-simulation model of motor drive system

在Simulink中使用S-Function功能建立與Simplorer的關(guān)聯(lián),同時(shí)搭建PI控制以及坐標(biāo)變換模塊,對(duì)從Simplorer中輸入的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩等信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié),仿真模型如圖9所示。

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Simulink仿真模型Figure 9. Simulink simulation model of motor drive system

實(shí)現(xiàn)3種軟件協(xié)同分析的前提是它們所設(shè)置的仿真步長(zhǎng)完全相同,本文將所有軟件均設(shè)置為1 μs。通過(guò)該模型仿真得到的三相電機(jī)電流如圖10所示。可以看到三相電流建立時(shí)間為0.08 s,通過(guò)細(xì)節(jié)圖可以看到待電流穩(wěn)定后每一相的波形均為正弦波,兩相電流相差2π/3,且每相電流的幅值穩(wěn)定在±175.5 A。

圖10 仿真模型中的三相電機(jī)電流輸出Figure 10. Three-phase motor current output in simulation model

2.5 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比以及電磁兼容設(shè)計(jì)

結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高壓電源線的傳導(dǎo)發(fā)射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析其電磁干擾情況。其中,以GB/T 18655-2018對(duì)電動(dòng)汽車零部件測(cè)試最新標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)建立的低壓電源線測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示,使用的測(cè)試方法為電流探頭法[18],所用電流探頭距離系統(tǒng)約為750 mm。

圖11 低壓電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Figure 11. Low-voltage power line conducted emission test field

將仿真得到的電機(jī)傳導(dǎo)干擾電流波形進(jìn)行傅里葉變換后,與測(cè)試低壓電源線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖12所示。可以看到在0.1～7.0 MHz范圍內(nèi),仿真與測(cè)試結(jié)果的吻合度較好,誤差均未超過(guò)10 dB,且諧振頻點(diǎn)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)較好。在7～30 MHz范圍內(nèi)的仿真數(shù)據(jù)的諧振頻率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定差距,這是由于忽略了逆變器仿真電路的部分寄生參數(shù),導(dǎo)致部分諧振頻點(diǎn)未考慮。綜上所述,在0.1～30.0 MHz范圍內(nèi),電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)干擾電流仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本吻合,證明本文建立的車輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的預(yù)測(cè)模型具有一定的參考價(jià)值。

圖12的水平虛線為GB/T 18655-2018中等級(jí)3的干擾電流限值。仿真數(shù)據(jù)與其相比,在頻段0.15 ～0.30 MHz以及0.7 ～1.8 MHz范圍內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象。對(duì)本文的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)干擾模型進(jìn)行電磁兼容優(yōu)化[19]。在逆變器近端低壓電源線的正負(fù)極各串聯(lián)一個(gè)500 μH的差模電感,與地之間端接一個(gè)100 μF的Y電容,將優(yōu)化后的仿真結(jié)果與優(yōu)化前對(duì)比,結(jié)果如圖13所示?？梢钥吹皆谙鄳?yīng)頻段內(nèi)優(yōu)化后的結(jié)果均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖13 優(yōu)化前與優(yōu)化后的仿真結(jié)果對(duì)比Figure 13. Comparison of simulation results before and after optimization

3 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了電動(dòng)車輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的預(yù)測(cè)模型。首先分析了車輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其電磁干擾機(jī)理。然后使用不同方法對(duì)電機(jī)、DC-AC逆變器等主要模塊進(jìn)行建模。通過(guò)Simulink+Maxwell+Simplorer協(xié)同分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)采集與干擾分析,仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了本文方法的有效性。最后,基于GB/T 18655-2018電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果超標(biāo)的部分進(jìn)行了優(yōu)化整改。

針對(duì)以電動(dòng)汽車為代表的新能源車輛,電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是車輛產(chǎn)生干擾的主要原因,重點(diǎn)研究其電磁干擾機(jī)理并對(duì)系統(tǒng)的電磁干擾模型進(jìn)行建模。本文的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾建模方法對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段可能出現(xiàn)的電磁干擾情況的預(yù)測(cè)以及電磁兼容性設(shè)計(jì)具有較高的工程應(yīng)用意義。后續(xù)可以結(jié)合實(shí)車仿真模型對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真優(yōu)化,進(jìn)一步提高其預(yù)測(cè)的實(shí)用性。