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电动汽车高压部件耦合衰减的测试方法分析

作者:admin2014-11-17 11:41阅读:文章来源:未知

     引言

  电动汽车的电器系统,不但包括传统燃油车的低压部件,还包括动力电池、驱动电机及控制器、DC-DC等高压部件。相对来讲,高压部件工作时产生的对外电磁骚扰远高于低压部件。因此,电动汽车的电磁兼容问题也比传统燃油车更为严重复杂,电动汽车的 EMC 性能提升也面临着新的挑战。

  1 高压部件的电磁干扰问题

  电动汽车内部,同时集成了高、低压电器系统,高压系统的电压电流,通常比 12 V 低压系统高数十倍甚至上百倍,产生的电磁干扰强度也显著增加。同时,由高压部件整流和逆变所产生的高频干扰和高能量脉冲,极易从高压系统耦合至车载低压网络,对低压网络上的敏感器件造成严重干扰,导致信号失真甚至产生功能故障。

  为了获得较好的电磁兼容性能,通常会对电动汽车高压部件采取电磁抑制措施,如采用屏蔽壳体进行封装并做好接地,与之相连接的高压电缆及其连接装置也会采用屏蔽线。但是,由于高压部件包含高压电路和低压电路,内部高压电路对低压电路的耦合干扰,将通过低压线路传递出来,表现为辐射发射或传导发射,最终将影响高压部件及整车的 EMI 特性。

  2 高压部件骚扰特性测试及耦合干扰分析

  对于电动汽车高压部件 EMC 特性的考核,当前依据的国家标准为 GB/T 18655-2010《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》。与其对应的国际标准 CISPR 25 的最新版草案中,对电动汽车高压部件的传导发射和辐射发射的测试方法和布置进行了明确。依据 GB/T 18655-2010 及 CISPR 25最新版草案,举例对高压部件的骚扰特性测试进行阐述。

  2.1 高压部件骚扰测试

  测试对象为某在研的驱动电机控制器,测试方法为GB/T 18655 传导发射电压法[1]。为了便于分析高压端干扰耦合到低压端的情况,测试分两种试验工况进行:(1)工况 1:控制器只接通低压电源;(2)工况 2:控制器接通高压低压电源,电机转速 1 500 rpm,空载。

  以上测试中,工况 1 和工况 2 的主要差别是高压电路是否工作。当控制器高压电路工作时,低压端口在 10 MHz 以下频段骚扰值明显变大,其中最大处约比只上低压的状态高出约 50 dB。基于 GB/T 18655 的标准试验,用于评估高压部件总体的电磁骚扰特性,方法是经过验证且完善的,适合于产品的认证试验。但是,在产品的研发设计阶段,如何分别对骚扰源或传递路径进行考核,并验证设计方案的有效性,采用前述的标准方法就存在一定局限。例如,针对上述测试对象,10 MHz以下频段骚扰值明显变大,到底是因为高压干扰源幅值过大,还是因为高压电路与低压电路之间的耦合效应比较大?无从获知。如果能对高压电路耦合到低压电路的传递路径进行评估,无疑能对问题点进行更准确的定位。

  2.2 耦合干扰分析

  高压部件中,高压电路对低压电路的干扰耦合方式存在多种可能,如公共阻抗的耦合、寄生电容的耦合、寄生电感的耦合、通过空间的电磁辐射耦合等。以上述的驱动电机控制器为例,驱动板上的 IGBT功率开关管,通过 PWM 将直流电逆变为交流电,提供给驱动电机。IGBT 工作过程中产生高的 du/dt 和 di/dt,以及浪涌电流和尖峰电压,是电机控制器高压部分电磁干扰的主要来源。IGBT 产生的干扰脉冲,通过电路之间的分布电感与分布电容,耦合到低压线路上,同时,由于IGBT开通和关断瞬间的上升沿/下降沿非常短(通常为 ns 级),由此产生强大的辐射干扰,会通过辐射耦合方式将干扰耦合到低压线路上;另外,高压干扰还将沿着高压电缆传导到驱动电机控制器外部,高压电缆与低压电缆进行二次耦合,使低压端的受到干扰更加严重。

  为一项研发试验,耦合衰减测试的主要关注点,在于考核高压部件内部因耦合产生的射频衰减,确认高压部件在整车上,大量的敏感电子器件均通过低压网络供电。高压部件内部的高压干扰耦合到低压网络,会引发一系列问题,如收音机收台效果变差,传感器信号被干扰等。

  3 耦合衰减测试研究

  高压部件中可能存在的 EMC 问题,并不都适合用标准试验方法来考核。高压部件中高压电路对低压电路的耦合,本身并不会产生电磁骚扰。但如果高压电路与低压电路之间存在较强的射频耦合,高压干扰将耦合到没有任何屏蔽措施的低压电路,从而使高压部件产生严重的电磁骚扰问题。

  目前,针对电动汽车的 EMC 标准和测试方法还在逐步研究和完善当中。对于评价高压部件中高压干扰耦合到低压网络的资料相对匮乏。

  3.1 耦合衰减

  在高压部件内部,不可能做到高压电路相对于低压电路完全射频隔离,对高、低压电路之间耦合路径的衰减特性进行评估,是一个值得研究的问题。下文将尝试线缆耦合衰减的测试方法,用于评估高压部件内部耦合路径的射频衰减。

  对于屏蔽线缆 EMC 特性的评价指标,最常用的是屏蔽效能。高压部件中的高压电缆通常会采用屏蔽线缆来防止电磁干扰耦合到低压电路。IEC 已发布的一系列的标准,如 IEC 62153、IEC 61726,详细定义了对射频电缆和连接器的屏蔽效能测试方法。

  耦合衰减是评价屏蔽线缆 EMC 特性的另一项重要指标,用于描述电缆链路或通道的电磁兼容特性,表征为内部有用信号功率和来自于电缆的外部无用辐射功率之间的比率。EN 50289-1-6 详细定义了耦合衰减的测试布置、测试方法和标定程序。相对于屏蔽衰减(屏蔽效能),耦合衰减同时还考虑了非平衡衰减。耦合衰减也可用来表征非屏蔽电缆的 EMC 特性。

  3.2 耦合衰减的试验方法

  高压干扰从高压电缆传递至低压电缆,图中的被测对象驱动电机控制器,即相当于传递路径。因此,高压部件的耦合衰减虽然不能参照文献 [2] 中图27 的试验布置,但其测试思路是可以借鉴的。通过运用耦合衰减测试,可以评价高压部件高压端入射电平与低压端耦合输出电平的关系。

  在高压部件的设计中,已充分考虑高压电缆及其连接装置的屏蔽,并需要测试其屏蔽效能。同时,高压电缆的布置也会遵循 EMC 设计规则,避免与低压电缆平行布置,并与低压电缆保持有效设计距离。因此,作为一项研发试验,耦合衰减测试的主要关注点,在于考核高压部件内部因耦合产生的射频衰减,确认高压部件在整车上,大量的敏感电子器件均通过低压网络供电。高压部件内部的高压干扰耦合到低压网络,会引为例,对高压端干扰耦合至低压端的耦合衰减值进行测试。为了更全面了解产品的耦合衰减特性,测试频段定义为0.1~500 MHz。

  为耦合衰减基于测试数据的计算结果。图中红线处示值为 40 dB,作为耦合衰减的参考限值。该产品高压干扰耦合到低压端口的耦合衰减水平,基本上处于45~65 dB 之间。

  4 结语

  本文从研发试验的角度出发,对耦合衰减在电动汽车高压部件上的应用进行了阐述。通过建立针对高压部件耦合衰减的测试方法和评价指标,可以从底层实现对高压干扰问题的管控。该方法着眼于零部件 EMC 性能的分解,对于在产品研发前期进行设计确认有一定帮助。

  耦合衰减方法,仅仅是考核高压部件耦合路径的衰减特性的一项研发试验。对于高压部件整体的 EMC 性能,还是需要借助标准试验方法(如 GB/T 18655 传导发射)进行评估。那么,只有通过建立起耦合衰减与传导发射之间可量化的具体关联,才能由零部件的 EMC性能要求分解出各基本特性的具体指标;同时,还有必要通过大量测试,获得电动汽车高压干扰信号的类型及幅值,通过与基于标准方法的低压部分最终限值进行比较,才能合理定义出耦合衰减的限值。本文在这一方面的论述还相当有限,后续需要继续研究。

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