（通信与信息系统专业论文）电动车辆辐射骚扰分析及测试方法研究.pdf

j ! 塞奎望茎堂堡堂垡堡兰 a b s t r a c t c o m p a r e dw j t ht h e 啪d i 石o n a lv e h i c l e s ，e l e c l r i cv e h j d 髂p 0 啊e rs o l l r c e i sm o t o ri n s t c a do fi n t e m a lc o m b u s t i o ne n 西n e ，e n e f g ys o u r c ei ss 胁g e b a n e r yf n t e d 曲t h ec a r 如s t e a do fo i i t h eh 喀ed j r c c tc u n tp 1 0 v i d e db y b a t t e r yd r i v et h em o t o r 埘nt l l r o u 曲t h ed c d co rd c - a cc o n v e n e l b c c a u s et h ec i t e n tc o n v e n c do b t a i nr i c hh a 珊0 n j c s ，s t m n gc l e d cf i e l da n d m a g n e t i c 丘e l dw 珊b ee m i n e dw h 即赴们o wt h m u g ht h el a r g ci n d u c t a n c el o a d o rc 8 p a c “j v ei 衄d nb r o a d e r 印e c t r u m ，丘o md o z e n so f k i l o h e n zt ot e n so r h u n d f e d sm e g a h e r t z ，e v 曲t 0r fb 蛐d ，h a v es e d o u si n t e r f e ”n c ew i t ht h e b r o a d c a s n gn na mb a j i da n dm a n a g e m 翱ts y s t e md o c kf r e q u e n c yj n e l e c h o n i cv e h i c l e e v c ns o t l l ec a rm a n u f a 廿u | c r st a k en o t c o u g h a n e n t i o st ot h e e l e c 廿0 m a 9 1 1 e 蛞cc o m p a t i b i l j t yo fe l e c i r i cv e l l j d e s a ss of a t i l eo n l ye l e c t c v c h i c l e ss t a n 4 a r da b 帆te l e c t m m 3 印e t i cr a d i a t i o ni nt h ew 州di st h es a e j 5 5 1 _ 5o ft h eb o c i e t yo fa m e r i c a ne n g i n c c ln se q u i v a i e n ts t 明d a r dh a sb e e n a p p l i e dj no t h e t u m 血s o l i ro q u i v m e ts t a n d a r dj sg b 厂r1 8 3 8 7 p e i f o 珊柚c el e v e l sa n dm c t h o d so fm e 删r e m e n to fm a 印e 疵a n de i e c t d c 廿e l ds t r e n g t bf i o me l e c m cv e h i c l e s ，b r o a 曲柚d ，9 k i zt o3 0 m h z s i n c et h i s s t 柚d a f dh a s4 e v e rb e e na p p l i e di nt h ec o u 仃y w ee l p l o r et h en e o e s s 时a n d f e a s 如i l i t y a b o u l l h es l a n d a r d i m p l 啪e n t a t j o nb ym e a s u f i i l g t 1 1 e e i e d 舳a g n e 蚰cm d i a t i o n6 c l do f t w od i f c r e n te i e c t d cv e h i c l e s t bf i n de k c t 矗cv e l i i d e s 珀d i a t i o e m i s s i o n 砰a s o n s ，t h eo p e t a t i n g p d n c i p l c s 柚do u t p u tw a v e f b h no ft h ei i l v e n e rj nv e h i c i ea f ea n a l y z e d ，柚d l h es p e c t r u m _ 阻i l a l y s j so fo u t p u tw a v e f o mi sd o n eu s i n gm a 兀a b c o n t 伯s t h t 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电动汽车电磁兼容性的研究现状 世界上第一辆电动汽车诞生于1 8 8 1 年，比燃油汽车还要早5 年，但 是当时电动汽车的续驶里程太短，充电时间太长，相比2 下内燃机技术 已趋于完善，一次加油能持续行驶4 0 0 5 0 0 k m ，且燃油价格便宜，因此 电动汽车逐渐被燃油汽车淘汰。 但是随着汽车技术保有量的急剧增加，目前世界上各种燃油汽车的 数量已达到6 亿辆，而且每年还在以约3 5 0 0 万辆的速度递增，因此燃油 汽车每年消耗的能源和排放的废气的数量也在逐年递增。面剥日益严峻 的能源和环境问题，世界各国的政府、学术界和工业界都将日光投向了 环保和节能的电动汽车，并且都在加大对电动汽车开发的投入力度，加 速电动汽车的商品化步伐。 在电动汽车领域，日本丰田和美国通用可以说是独领风骚，丰h | 丌 发的混合动力轿车“p m i s ”已经销售了4 0 万辆，并且这款电动汽车已经由 丰田和中国一汽合作，在长春工厂下线，生产的首辆“p r u i s ”已经于2 0 0 6 年1 月1 5 日在中国上市。在美国，山通用和福特公司共同研发的公交巴 士有将近1 0 0 0 多辆在各大城市运行。 我国在“十五”期间，在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 讣划) 中设立 了电动汽车重大专项，在该专项中的纯电动汽车、混合动力汽车研发专 题中确立纯电动汽车( e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 批量生产的日标。 北京市已经承诺到2 0 0 8 年奥运会时全市的电动公交车将达到1 0 0 0 辆， 目日到b 京市已经有1 4 辆中国自主生产的电动公交车( 如图1 1 所示) 在 北京交通大学硕士学位论文 1 2 1 路公交车上运营。 图卜1 北京市1 2 1 路电动公交车 虽然电动汽车的发展正如火虫1 荼，但关于电动汽车的电磁兼容性研 究还远远不够。电动汽车采用电作为能源，车载电动机所需功率高，电 流大，同传统汽车相比其电磁兼容性要复杂的多。在国外，日本的丰田 公司为了保证电动汽车的安全行驶性能，曾依据美国汽车工程师协会的 标准s a e 5 5 1 5 对“p r o i s ”型轿车的电磁兼容型做过详细的研究和测量， 美国福特研究实验室的c h e i n g c h ic 玎j n 等刘电动汽车内部的蓄电 池、逆变器、电动机及整车的电磁兼容性能做过详细的研究，并从理论 上对骚扰源进行建模 9 】。摩托罗拉的汽车电子部门的h a r r r y w g a u l 等对 电动汽车上的摩托罗拉生产的汽车电子器件及装有这些器件的电动车辆 的电磁辐射发射特性进行了研究i l 。 在国内，由于电动汽车起步较晚，目前各个厂商的产品还处在实验 室或样车阶段。在8 6 3 计划中承担混合动力车研制项目的企业包括一汽、 东风、长安、奇瑞等；由天津清源电动车辆有限责任公司生产的纯电动 轿车已经天津市内的道路上进行试运行。如图1 2 所示。 由于技术原因，各厂商和研究机构仅仅对车辆的动力性能进行研究， ：化京交通大学硕+ 学位论文 对电动汽车的电磁兼容性不够重视，研究的人员也较少。如果在研发阶 段对电磁兼容性不够重视，在产品普及推广后将付出更大的代价。 图1 1 2 天津清源公司生产的纯电动轿车 1 2 电动汽车的电磁兼容性 目前市场上销售的电动汽车主要分三种，分别是纯电动汽车( e v ) 、 混合动力汽车( h e v ) 和燃料电池电动汽车。其中纯电动汽乍直接由蓄 电池提供直流电，经整流或逆变后为电动机提供能量；燃料电池电动汽 车一般采用氢作为燃料直接转换为电能来给车辆提供能量；混合动力车 采用燃油作为茕量来源，利用轻型内燃机和汽车制动来给车载蓄电池存 电，当车辆需要最大的加速度时，内燃机和电动机并联工作，提供可与 强大的发动机相当的起步性能，在对加速要求不太高的场合，混合动力 车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得 最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机，而在低速行驶时， 可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。 尽管这三种电动汽车的能量来源不尽相同，但他们都有一套相同的 动力驱动动系统【，蓄电池一变换器一电动机。如图1 1 所示： 一部分车辆采用直流电动机，其d c - d c 转换器、换向装置和晶闸管 斩波调速装蔑向外界发射骚扰：一部分车辆采用交流电动机，蓄电池的 北京交通大学硕士学位论文 辐射强度限值和相应的测量方法。 国内同电动车辆有关的电磁兼容测量标准有四个，分别是 g b 厂n 7 6 1 9 机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法、 g b l 8 6 5 5 2 0 0 3 用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方 法、g b l 4 0 2 3 2 0 0 0 车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的 无线电干扰特性的测量方法及允许值、g b 厂r 1 8 3 8 7 2 0 0 1 电动车辆电磁 场辐射强度的限值和测量方法宽带9 k 3 0 m h z ，其中前面三个标准 与传统车辆通用，本文对其不作研究。 崮外关于电动车辆电磁场辐射强度的标准有美国机动汽车工程师 协会标准s a ej 5 5 1 5 口c r f o 丌a n c ei e v e j sa n dm e t l l o d so fm e a s u r e m e n to f m a g n e t i ca n dc l e d r j c 矗e l ds t r e n g l hf r 岫e l e c t r i cv e h i c l e s ，b m a d b a i l d ，9 k h z t o3 0 m i z 。找崮的g 吲t 1 8 3 8 7 2 0 0 1 和其他国家的相关标准均是从此标 准等同过来的。 用此标准测量电动车辆的电磁场辐射强度时会发现，由于测试的频 率范围低，当测量距离为3 m 时，车辆位于天线的近场区范围内，电场 和磁场并不像在远场时有固定的比例关系，需用不同的天线分别对车辆 的电场辐射强度和磁场辐射强度进行分别测量。除此之外，由于位于天 线的近场区，场强随距离的变化比远场时要剧烈的多，天线的有效覆盖 范围( 照射宽度) 也不能根据远场时的方向图直接计算。 此标准用于测量大型电动车辆的电磁场辐射强度时有诸多限制之 处，如测试场地的要求及天线的照射宽度要远小于车辆的长度等问题。 本文将对这些具体问题进行研究并提出一些解决办法。 北京交通大学砸士学位论文 2 0 一2 0 1 9 1 2 0 s r = - 3 1 5 d b ( 1 l f 2 m ) 气m ”m ，mm 嚣器。盥。5 m 3 图23 标准峰值脉冲的磁场强度推荐限值 f 一v i n k 图2 - 2 标准峰值脉冲的电场强度限值 2 2 2 测试过程及测试数据分析 ( 1 ) 测试准备 对环境噪声电平进行测量，要求比图2 - 2 、2 - 3 中的限值至少低6 d b 。 8 北京交通大学硕士学位论文 用千斤】贾举起驱动轮，用同轴线缆连接接收机和单极子棒天线，将 棒天线垂直置于地面上并使棒天线的中心距车辆金属外壳的最近部分 3 m _ + o 1 m ，运行接收机的计算机控制软件，设定各项参数，使测试系统 进入待测状态。 ( 2 ) 电场测量 启动车辆的电机，将车速分别设置为1 6 k n f f h 、4 0 k m l a 和6 4 k m h ， 对车身的四个面进行测量，比较所测的测量数据，得到车辆a 最大的辐 射强度及此时天线的位置。如图2 4 、图2 5 所示： *2 0 0啪1 m2 m3 m5 mmm f h h z 罔2 - 4 车速4 0 k m h 时乍辆a 乘客侧电场辐射值 ( 3 ) 磁场测量。用环天线代替棒天线，并使环天线叶1 心位于地嘶 以上l m _ + o 0 5 m ，距车辆金属外壳的最近部分l m _ + o 2 m ，启动车辆的电 动机，将车速分别 瑷胃为1 6 k m h 、4 0 k m h 和6 4 k m h ，环天线平面与车 身垂直时对车身的四个面进行测量，天线平面与车身平行时重复进行测 9 北京交通大学硬士学位论文 量。得到车辆a 最大的辐射强度及此时天线的布置位置，如图2 - 6 、2 - 7 所示： 葶 j “1 雠缃蛳湖1 5 m1 叫 枷 图2 - 5 车速6 4 k m h 时车辆a 前端电场辐射 *3 0 咖枷啪1 5 mi o l d2 03 0 m i n l 4 z 图2 - 6 车速1 5 k m h 环天线平面平行于车身时车辆a 前端磁场辐射 e、；i 北京变通大学硕士学位论文 *1 湖1 m州枷州1 0 2 0 u f 啪l 自甘自 圈2 7 车速1 6 k m h 环天线平面垂直于车身时车辆h 前端磁场辐射 同样的方法测量车辆b 的电场和磁场辐射强度，可以得到最大的电 场和磁场辐射强度及天线的稚置位置，如图2 - 8 、2 - 9 所示： | ； l 2 0 0制埘删i o m删 r 吲h 图28 车速1 6 k m h 环天线平面垂直于车身时车辆b 乘客侧磁场辐射 1 1 ei、目； 北京变通大学联士学位论文 5 0 1 0 0 km o 5 1 m2 m 钏1 0 mm f 哟u _ 崎h 图2 - 9 车速4 0 k n g h 时车辆b 乘客侧电场辐射 ( 3 ) 数据分析 通过对测试数据的分析发现，在不同的车速下，无论是电场还是磁 场，车辆的骚扰发射相差不大，但是车辆前端和乘客侧的辐射骚扰测量 值差别明显，主要是由于测量时天线与车辆的距离相对于发射频段均为 近场，在近场条件下场强和1 r 3 或1 i 2 成正比( 参见5 2 ) ，所以零部件 的布置在车辆的前端和乘客侧产生的辐射骚扰测量值有较大的差别。在 确定天线和车辆的距离时，应严格按照标准规定的距离和公差，否则位 置的微小变化都会引起较大的测量误差。 但是，由于车辆型号的不同，例如混合电动汽车，车内燃油系统和 电动系统同时存在，车内的骚扰发射源位置有很大的不确定性，标准中 规定的是天线到车辆最近部分的距离，所以即使测试车辆的同一侧面， 如果天线与车辆的相对位置不同，测试结果也会有较大的著异，考虑到 现场测试的可行性，建议工作人员在测试之前了解一下车内一些重要的 1 2 北京交通大学砸士学位论文 骚扰源，如逆变器、电动机等的布置位餐，在测试过程中在公差允许的 范围内将天线与骚扰源尽可能的接近。 比较车辆a 和车辆b 的电场和磁场辐射值可以看出，车辆b 骚扰发 射值较小，基本满足限值要求，磁场发射完全符合要求，电场发射只在 高端( 2 5 m 3 0 m h z ) 有微弱的骚扰超出限值。 相比之下，车辆a 抑制电磁骚扰的措施要差很多，无沦是电场还是 磁场均有较强的发射。例如在低频段( 9 k l - l z 1 5 0 k h z ) ，无论是在车辆 的前端还是乘客端，车辆是低速还是高速，磁场均呈现有规律的脉冲发 射，骚扰主要是来自用于d c - a c 变换的逆变器，为了保持功率的恒定， 逆变器流过的屯流较大，逆变器中的开关电路极易产生较大高频噪声， 通过外接的电源线和控制线会向外界辐射强的低频电场和磁场，。另外， 无论是电场辐射还是磁场辐射，在2 m 3 m h z 之间总有一个峰值，是电 机电磁骚扰抑制措施差所致，关于骚扰源和骚扰路径的详细分析见第三 帝。 2 3 本章，l 、结 从车辆a 和车辆b 电场和磁场的辐射值可以看出，g b t 1 8 3 8 7 2 0 0 1 电动车辆电磁场辐射强度的限值和测量方法宽带9 k h z 3 0 m h z ) ) 甩于 电波暗室测量电动汽车的电场和磁场辐射骚扰是必要的而且是可行的。 如果生产厂家对车体内的辐射源采取一定的抑制措施，特别是对关键部 件如逆变器、电动机等采取严格的电磁辐射抑制措施，其电磁辐射强度 完全有可能符合限值要求。 北京交通大学硕士学位论文 第三章电动汽车电磁兼容性研究 3 1 电动汽车的主要骚扰源 前面已经讨论过，一个典型的电动汽车交流驱动电路，包括一个蓄 电池组，个电机控制器和一个交流电动机。各部分在车辆内的具体位 置如图3 - 1 所示【9 j 。 控制线缆 一。一 直流电源线 、= j 、 电：# 零严兰亏寻魏0 图3 - 1 小型电动车辆内部主要骚扰源分布图 电机控制器是一种d c a c 牵引逆变器，用于电动汽车的电机驱动， 他主要由逆变器模块、控制盒和散热器三部分组成。它主要的功能是将 输入的直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，供给电动机等交流 负载使用。系统通讯和控制采用c a n 2 0 规范的通讯接口。控制装置包 括电源板、电机控制板和c a n 通讯板，应用d s p 控制技术，对外部指 令识别、系统状态判定、故障诊断机显示实行全面的管理及控制。 对于一般的小型车辆，电池组位于车辆后座的下面，逆变器位于车 辆的前盖内，电动机由于传动的原因位于车辆前轮的正上方。 图3 - 2 是电动汽车上驱动电路布置图，其中蓄电池为整个车辆提供 能源，向变频器输出直流3 0 0 v 的电压，经变频器的逆变电路后转换成 基波频率1 0 k h z ( 随车辆型号的不同，基波频率可能不同) 的三相正弦 北京交通大学硕士学位论文 交流脉冲给交流电动机供电。 i i l _ j i 三1j ，_ 、 1 _ _ 1 | 1 | 一rl 弋、| ， 图3 - 2 电动汽车内逆变电路示意图 从第二章电场和磁场的测量结果中可以看出在低频( 小于1 5 0 k h z ) 时，车辆的主要骚扰发射来自于1 0 k h z 的基波及其谐波，由于逆变器的 基波频率是1 0 k h z ，而经逆变后的电压和电流中含有丰富的谐波，可以 认为电动汽车的逆变器是主要的低频骚扰源。 为了更好地理解低频骚扰源的发生机理，下面对逆变器的j 二作原理 及其输入输出信号的波形和频谱进行详细的分析。 逆变器的工作原理如图3 - 3 所示1 1 7 】： 图3 - 3 逆变器的工作原理 其中t 1 t 6 为i g b t 管，d 2 d 6 为晶体：极管，l i l 3 为电动 机的感抗，r 1 r 3 为电动机的阻抗。 逆变器r _ i 的开关器件主要有以下几种，普通晶闸管s c r ( 开关频率 般不超过3 0 0 5 0 0 h z ) ，可关断晶闸管g t o ( 开关频率为l 2 k h z ) ， 电力晶体管b j t ( 开关频率可达l 5 k h z ) ，功率场效应管( p - m o s f e t 北京交通人学硕上学位论文 开关频率可达5 0 k h z ) 照缘栅双极晶体管1 g b t ( 开关频率可达2 0 k h z ) 。 开关频率越高，逆变器的实际输出和理论值越吻合。在对输出要求比较 高的场合，一般采用p ，m o s f e t 或i g b t ，p m o s f e t 是单极、电压控 制型开关器件，其通、断驱动控制功率小，开关速度快；但通态降压大， 难于制成高压大电流开关器件。i g b t 开关器件输入阻抗高，电压控制， 驱动功率小，开关速度快，工作频率高，饱和压降低，电压、电流容量 大，安全工作区域宽。因此电动汽车的逆变器的开关器件均采用i g b t 。 具体工作原理如下， ( 1 ) 在正半周期，让i g b t 管t 1 一直保持导通，而让t 4 交替通断。 当t 1 和t 4 同时导通时，负载上所加的电压为直流电源电压u d 。当t 1 导通而使t 4 关断后，由于电感性负载中的电流不能突变，负载电流将通 过二极管d 3 续流，负载上所加电压为0 。如果负载电流较大，那么直到 使3 4 再一次导通之前，d 3 一直持续导通。如果负载电流较快地衰减到 0 ，在1 4 再一次导通之前，负载电压也一直为o 。这样，负载上的输出 电压u o 就可得到0 和u d 交替的两种电平。 ( 2 ) 在负半周期，让i g b t 管t 2 始终保持导通。当3 7 3 导通时，负 载电压为- - u d ；当 关断时，d 4 续流，负载电压为0 ，负载电压u o 可得到一u d 和0 两种电平。这样，在一个周期内，逆变器输出的p w m 波形就由u d 和0 三种电平。 控制t 3 或t 4 通断的方法如图3 4 所示，载波u c 在调制波u r 的正 半周为j f 极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。调制型号u r 为正 弦波。在u r 和u c 的交点时刻控制t 3 或t 4 的通断。在u t 的正半周， t 1 保持导通，当u r u c 时使3 4 导通，当o r u c 时使t 4 关断，u o = 0 ； 在u r 的负半周，t 1 关断，t 2 保持导通，当u r u c 时使t 3 关断，u o = 0 。这样就得到s p w m 1 6 北京变通大学硕十学位论文 05 0 05 1 进而改变u o 中基波u 0 1 的大小。 下面通过分析两种调制输出中谐波含量的大小，来分析二者的优缺 点。首先利用m a m b 仿真软件对两种输出波形进行傅立叶变换来分析 二者的频谱。仿真中参数的设置与实际的相同，调制频率f r = 5 0 h z ，载 波频率f c = 1 0 k h z ，图3 - 5 是等脉宽调制后输出的波形f 1 ( t ) ，由于载波频 00 珊n 啷哪60 噼1 吲20 删0 0 f 6 明1 8 呲 f 瞄 图3 5 等脉冲调制波形图 05 0 自5 1 0d 娃o 瞄咖b 咖80 删吲2b 0 拍洲60 80 呛 1 0 ) 网3 - 7 正弦脉冲调制波形局部放大图 图3 6 等脉冲调制波形局韶放大图 1 8 图3 8 正弦脉冲调制波彤局部放大图 北京交通大学硕士学位论文 为了更好的观察和分析，取0 3 0 0 0 h z 的频谱进行放大，如图3 1 l 和 3 1 2 所示。从放大后的图中可以看 = i ，正弦脉宽调制在基波5 0 h z 附近 无谐波，相比之下等脉宽调制产生的电压波形中谐波含量要高的多。使 用等脉宽调制时，丰富的谐波含量会使负载电机产生较大的脉动转矩和 较强的噪声，使系统的功率因素降低。所以从动力系统角度考虑，应选 用正弦波作为调制信号，即选用正弦脉宽调制。 从图3 - 9 和图3 1 0 还可看出，在载波频率1 0 k h z 处，等脉宽调制含 有奇玖谐波分量，正弦脉宽调制的谐波含量则比较多，在2 0 k h z 和3 0 k h z 处谐波的幅值均比较大。这一点和图2 - 5 和2 - 6 实测得到的磁场辐射发射 曲线相符。从电磁兼容角度考虑，即使采用一定的滤波措施，谐波分量 还是会成为一个严重的辐射发射源。 另外，在理想状况下，逆变器输出的是矩形脉冲，出于信号的延迟 实际输出的是梯形波，如图3 1 3 所示1 2 ”，其中t 为载波周期，t 为电平 保持时间，tr 为上升沿和下降沿的时间。对其进行傅立叶变换后的频谱 如图3 1 4 所示。根据前面的讨论t = 0 1 m s ，据参考资料 2 1 1tr = 0 1u s ， 所以考虑输出梯形脉冲虽大骚扰频率1 2 = 3 m h z 。 图3 1 3 逆变器实际输出波形图图31 4 逆变器实际输u5 频谱图 从图中可以看出，在f l f 2 的频率范围内，信号所含的高频成分都 ! ! 室奎望查兰堕圭堂垡堡奎 比较多，如果不经过处理，它必然通过输入输出线向外界进行严重的骚 扰发射。这一点从前面测量得到图2 - 5 和2 - 6 中可以看出。 图3 1 5 和图3 - 1 6 是f o r d r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s 的c h i n g c h i c h e n ( a 】 4 0 0 v h 图3 一1 5 逆变器输出电压和电流波形图 i ：- l + i l 瓢f i l i i i l i l i ： 加吣 图3 一1 6 逆变器输出电压局部放大| 璺| 和噪声信号电压图 等对电动汽车逆变器输出的电压、电流及噪声信号测量后得到的结果1 2 1 1 。 北京交通大学硕士学位论文 试验中载波的频率同样为f c = 1 0 k h z ，调制频率f r = 5 0 h z ，与本仿 真采用的参数相同，图3 1 5 中( a ) 波形是逆变器输出的电压波形，( b ) 是输出的电流波形；图3 1 6 中( a ) 是逆变器输出电压放大后的波形，( b ) 是直流电源线上测量得到的噪声信号。 从图3 1 5 可以看出，当逆变器的开关参数与前面讨论的相同时，输 出波形与仿真波形基本相同。分析图3 - 1 6 的波形，可匕上发现输出信号中 的噪声电压最大可达3 0 v ，噪声频率为1 0 k h z 。此波形也验证了前面的 讨论，同时从图3 1 6 中下面的一条曲线可以看出，由于逆变器高速开关 动作产生的差模骚扰电压最大可达3 0 v ，而且还含有大量的窄脉冲。这 些噪声如果耦合到周围的信号线和控制线上，必然对电动汽车的安全行 驶带来一定的隐患。 电动汽车另外一个严重的骚扰源来自电动机，这主要足因为电动机 具有一定的泄漏感抗和寄生电容，在参考文献【2 1 冲，作者测量了2 m h z 时电动机的泄漏感抗l - - 1 0 uh ，寄生电容c n = 0 0 2 5pf ，可以得到线 圈的谐振频率f = 1 m h z ，虽然由于电动机型号的差别，不同电动机的性 能参数不可能完全相同，但其数量级不会产生明显变化。所以在图2 5 和图2 - 6 中2 3 m i - i z 的发射超限可以认为是电动机所致。 3 2 骚扰路径 在明确了骚扰源以后，下面分析电动汽车内部的骚扰路径。 在低频时，线路在无干扰的理想状态下，纯电动汽车驱动系统的配 簧电路如图3 - 2 ，在高频时，由于蓄电池和逆变器问的连线较长，此时直 流电源线上有寄生感抗( l 1 ，l 2 ) 存在。另外由于蓄电池、逆变器和电 动机的外壳均为金属材质，内部器件与外壳之间均有耦合电容存在。从 而得到高频时系统的等效电路示意图如图3 1 7 所示【9 j ： 北京交通大学硕士学位论文 通过前面的分析，整个系统的主要骚扰源是逆变器和电动机，逆变 器和电动机距离比较靠近，蓄电池和逆变器问的连线较长，主要的骚扰 图3 1 7 驱动系统高频等效电路图 路径如图3 1 7 中的路径1 和路径2 所示。 路径1 等效电路图如图3 - 1 8 所示 v s ( l l 一办 l _ 一 电 动 机 小 、心3 一 兰c 1 h l n 一一、 图3 1 8 路径1 等效电路图 其中v s 是噪声源，c 1 和c 2 分别是蓄电池和逆变器对机壳的耦合电 容，u 和l 2 是直流电源线上的寄牛屯感。v s 主要由逆变器中的谐波造 成的，从图3 1 6 中可以看出，在频率1 0 k h z 时，其幅值可达3 0 v ，其上 产生的电流为 章霉 频 工t j i 方鬻叫 二 晰 硫 匕硫二l 一了r扣刀 北京交通大学硕士学位论文 这些设备主要受驱动系统线路上的磁场耦台的影响。如图3 - 2 0 所示： 其中源电路为直流输电电路，接受电路为电子设备的供电回路或信 号回路。源电路上的骚扰源为逆变器产生的谐波电流。 一 图3 2 0 系统线路问磁场耦合示意图 图中源电路电感为u ，接受电路电感为l 2 ，两电路之间的互感为 m ，源电路在接收电路中产生电动势为 其中i ，为源电路中的电流。电动势u m 在接收电路中产牛的电流为 ：! 堂 。r 。2 + r z + i m l 2 从上式可以看出，磁场耦合量随频率升高而增加，随两电路间的瓦 感m 的增加而增加。 3 4 应采取的预防措施 在分析了骚扰源及骚扰途径后，下面研究抑制骚扰源可能的电磁场 骚扰发辐射的控制措施。 。_j 。 一 、 一 ： 1 一 l u p r o 一 一 风 、 厂k 广l川v上丫 北京交通大学硕+ 学位论文 由于逆变器是主要的骚扰源，所以应在逆变器的输入输出线处加装 高性能、插入损耗比较高的滤波器：禁止将输入输出线平行布置，应尽 可能的将二者隔离，以防止输入输出相互耦台1 2 ”。 电机控制器可咀认为是整个车辆的中枢，它既要端接高功率、大电 流的电路，又要利用通往驾驶室的信号线对逆变器进行控制。由于二者 相邻很近，信号线很容易受到干扰，导致车辆的行驶工况出现异常。所 咀信号线应采用屏蔽线缆，并尽量远离逆变器的高功率的输入输出线， 因为直流电源线较长，还端接逆变器，很容易起天线的作用，电源输电 线应采用屏蔽双绞线；应把动力系统的大电流电路同低压信号电路尽量 隔离，防止大电流电路对信号电路的耦合。 为了减小图3 1 7 所示的骚扰发射的环路面积，动力线缆应尽可能接 近车体的底盘，电机控制器和电动机的外壳均应良好接地( 车体) 。 北京交通大学硕+ 学位论文 并出版了s a ej 5 5 1 5d e c 9 7 代替s a ej 5 5 1 - 5j u n 9 5 ；2 0 0 4 年，s a e j 5 5 1 - 5 又作了最新的修订，形成了s a ej 5 5 1 5j a n 2 0 0 4 。表4 - 1 对 g b t 1 8 3 8 7 - 2 0 0 1 和s a ej 5 5 1 5 的相应版本做了比较。 表4 - 1g b t 1 8 3 8 7 - 2 0 0 1 与s a e j 5 5 1 - 5 的比较 夯 g b ，r 1 8 3 8 7 2 0 0 1s a ej 5 5 1 5d e c 9 7 ( s a ej 5 5 1 - 5j u n 9 5 ) j a n 2 0 0 4 测定带宽 9 k h z 3 0 m h z 9 k h z 3 0 m h z 电 检波方式峰值检波峰值检波 磁 场 9 k h z 1 5 0 k h z：9 k h z 1 5 0 k h z ： 辐 仪器的最小1 0 0 m s l d t z 1 0 0 m s k h z 射 扫描时间1 5 0 k h z 3 0 m h z ：1 5 0 k h z 3 0 m h z ： 发 射 1 0 0 m s m h z1 0 0 m s m h z 测量t( 器的 9 k h z 1 5 0 k h z ：2 0 0 h z9 k h z 1 5 0 k h z ；2 c l o 带宽6 d b )1 5 0 k i - i z 3 0 m h z ：9 k h z1 5 0 k h z 3 0 m h z ：9 k i z 测量电场l m 垂直单极予l m 垂直单极子 天线 磁场6 0 c m 静电屏蔽环天线6 0 c m 静电屏蔽环天线 电场 置于地面上，距车辆最近 置于地面上，距车辆最近 天线部分3 m 0 1 m 部分3 m 0 1 m 位置天线中心距地面l m 天线中心距地面l m 设置 磁场 0 + 0 5 m ，距车辆最近部分 0 0 5 m ，距车辆最近部分 l m 0 2 m3 m 0 2 m 测量电场见图4 - 1 限值磁场见图4 - 2 北京交通大学硕士学位论史 续表4 1 涂 g b 厂r 1 8 3 8 7 2 0 0 1s a ej 5 5 1 5d e c 9 7 ( s a ej 5 5 1 5j u n 9 5 ) j a n 2 0 0 4 测量频段4 5 0 k h z 3 0 m h z 车辆与 车载u s n 连接1 5 o 0 5 m 充电线长度 器传u s n 接地无 导发 线最大眭 7 射 宽比 4 5 啉i z 1 7 0 5 m h z ：l m v 测量限值 1 7 0 5 m h z 3 0 m i z ：3 m v 口 1 o 粤 频率( 删z ) 图4 1 标准峰值脉冲的电场强度推荐限值 北京空运 学硕上学位论文 频率( 枷z ) 图4 2 标准峰值脉冲的磁场强度推荐限值 s a ej 5 5 l 。5j a n 2 0 0 4 和d e c 9 7 变化不大， j a n 2 0 0 4 中删除了附录 r o d 脚盯e n n a c a u b r a t i o n f 棒天线的校准) 。 从表1 可以看出，d e c 9 7 和j u n 9 5 变化最大的部分是电场强度和磁 场强度的限值，如图4 1 、图4 2 所示，d e c 9 7 中的限值考虑了天线在低 频时的近场边界，限值在转换时作了详细的分段，在各个频段内采用了 不同的转换因子，具体分析见4 2 2 。除此之外，在d e c 9 7 中，测量磁 场的环天线的位置由1 m 改为3 m ，笔者认为这主要是由于作为e u t 的 汽车，外观尺寸大，例如电动客车长度达1 1 6 m ，且其外壳为金属材质， 如天线和车辆的距离太近，二者之间会存在电磁耦合，将降低测量结果 的准确性；另外一个变化大的地方是d e c 9 7 新增了车载充电器传导发射 测量，并对其测量限值和电缆布线作了详细的规定。 下面就上表中s a ej 5 5 1 5j u n 9 5 和d e c 9 7 变化比较大的测量位置 和测量限值及新增的车载充电器传导发射测量做具体阐述； 北京空通太学硕士学位论史 4 2 - 2s a ej 5 5 1 5 电磁场辐射强度限值的变换 电磁场强度和测量距离的变化是j u n 9 5 和d e c 9 7 中变化最大的部 分，存版本j u n 9 5 中，没有考虑近场和远场对场强的变化影响不同，限 值曲线直接按远场作了转换，即3 m 法测量限值等于l o m 法测量限值加 1 0 d b ，1 m 法测量限值等于1 0 m 法测量限值加2 叫b 。 s a e j 5 5 1 5 中标准峰值脉冲的电场强度推荐限值来自于乔治砸理工 学院的技术报告n 这份报告中给出的1 0 m 法测量的电场限值是： 上品。罱7 8 9 4 2 0 l g ( ，9 ) ( 9 k h z 2 0 m h z )( 4 - 1 ) 玮。= 1 2 ( 2 0 m h z 3 0 z ) 其中瑞册一d b uv m k h z ，f k h z 。( 如无特殊说明t 以下方程 中l 和f 均采用此单位) 美国国家标准化组织( a n c i ) 关于近场的定义1 4 】： d ：土；! ! 壁兰! ! ：( 4 2 ) h 其中d 为测试距离，即骚扰源到灭线的距离， 和f 分别为骚扰源 发射的波长和频率。当f - 4 7 7 m h z 时，d = 1 0 m ，对于1 0 m 法电波暗室的 测量视为近场测量；当f = 1 5 9 2m h z 时，d _ 3 m ，对于3 m 法电波暗室的 测量视为近场测量。 ( 一) 电场限值转换 j u n 9 5 中电场的测量距离为3 m ，采用的限值为： 点= 8 8 9 2 0 l g ( ，9 ) ( 9 k h z 2 0 m )( 4 3 ) 喙= 2 2 ( 2 0 m h z 3 0 m i i z )( 4 - 4 ) 北京交通大学硕十学位论文 也是相同的，具体过程不再详述，下面给出转换后的磁场限值： 珐= 4 8 4 2 0l g ( ，9 ) ( 9 k h z = f 4 7 7 m h z ) = 1 0 2 9 4 0 1 甙，9 ) ( 4 7 7 m h z = f = 1 5 9 2 m h z ) = 3 7 9 2 0 l g ( ，9 ) ( 1 5 9 2 m l 或r 2n 时，场点p 与源点的距离r 远大于波长 ，此 时电偶极子的场分布可简化为 e 。：j i t s i n o e b z ， 北京交通大学硕士学位论文 即警e m 磁偶板子的场分布简化为 e 产：r i s k 呼s i r n o r e m h 9 = 百：r i s k s i n o e 2 近区场 当k r l 或r 2 时，场点p 与源点的距离r 远小于波长 ，此 时电偶极子的场分布可简化为 e 一筹 1 l s i n 0 e 8 。一j 4 e r 3 卟等 磁偶极子的场分布简化为 e ，= 一j i 1 s k s i n o r l h 。= 气i s c 万o s o 珥= 等 3 远场方向图与“近场方向图” ( 1 ) 当用垂直单极子测量车辆的电场辐射发射时，车辆位于天线场 的赤道面内。坐标系同图5 2 。所以我们只考虑它赤道面( x y 面) 内的 0 五儡古白圆击n 圆 1 诉；寻从图由酊d 卜吾m 肛时鲍椰子柏岳由二 姥 北京交通大学硕士学位论文 向图来给出环无线的照射宽度。 p h il d e 蚰a tt h e t a = - 9 0 0 0 【d e g l 图5 5 环天线平面垂直地面时赤道面内方向图 1 5 o 3 4 5 p h i 【d e g 】a tt h e t a = 9 0 0 0 【d e g 】 图5 - 4 环天线平面平行地面时赤道面内方向图 北京变通太学硬上学位论立 这种软件既可以计算天线的方向图，也可以计算天线在任意场点的场强。 频率扫描采用自适应扫频，这种功能是f e k o 特有的。由于本测试的频 带范围较宽( 9 k h z 3 0 m h z ) ，如果采用线性或倍频程步长，需要对大 量的频点进行计算：如果采用白适应抽样和差分，软件会自动跟踪响应 曲线的变化，在变化平缓的地方采用较大的步长，在响应曲线变化剧烈 的地方采用较小的采样步长，从而在关心的频带内只需要分析较少频率 采样点，就可以获得宽带范围内系统性能变化的精确结果。 取车辆侧面的区域1 2 m x 2 9 m “】内的点做仿真计算，侧面距地面0 4 米高，由于采用3 m 法测量，区域距原点为3 r n 。依据计算得到的天线的 照射宽度，可以对车辆进行分段测量。 5 3 1 环天线仿真 环天线的建模尺寸与实物相同，为直径6 0 c m 的圆环，圆环的圆心 位于坐标圆点。依据标准要求天线与车辆有三种位置关系，即环天线 的三种正交方向。 图5 - 6 环天线平面垂直地而且平行于乍辆侧面时场强分布圈 北京交埔大学硕士学位论文 m a 辨恤f 沁描v sp o 嗽l o n 图5 1 89 k h z 的场强一坐标分布图 从图5 8 中可以看出，当环天线的测量范围不超过3 m 时，环天线在 3 m 处的场强值变化不超过3 d b 。此时环天线的照射宽度为3 m 。 ( 2 ) 车辆与环天线平面垂直，即要计算的场点区域垂直于环天线平 面，如图5 9 所示，其中蓝色区域( 一3 ，一6 ，0 4 ) 到( 一3 ，6 ，3 2 ) 表示 车辆的侧面，同时也是要计算的点。 图5 - 9 环天线平面垂直地面和车辆侧面时场强分布图 同样，由于地面的影响，场强的最大值并不位于环天线的中心轴线 上，而是位于计算区域的底边z = o 4 m 处。对z = 0 4 m 时不同频率的场 分布进行仿真计算。结果如图5 - 1 0 所示： i山i号一21k。i苫昌-z 北京交通大学硕士学位论j 】：c = 图5 1 0 不同频率的场强一坐标分布图 其中横轴表示距离环天线圆心3 m 处的点的纵坐标，同样可以看卅， 在低频时场强变化剧烈，在高频时，场强变化逐渐平缓。从图中可以得 到频率f = 9 k h z 时，场的变化最剧烈，取9 k h z 进行具体分析： m a g n e t i cf i e l dv sp o s i t i o n 图5 1 19 k h z 的场强一坐标分布| 墨i 从图5 1 1 中可以看出，当环天线的测量范围不超过4 5 m 时，环天 线在3 m 处的场强值变化不超过3 d b 。环天线平面垂直于车辆时环天线 北京交通大学硕士学位论立 其中横轴表示距离环天线圆心3 m 处的点的横坐标，同样可咀看出， 在低频时场强变化剧烈，在高频时，场强变化逐渐平缓。从图中可以得 到频率f = 9 k h z 时，场的变化最剧烈，取9 k k 进行具体分析； m a g n e 惦cf i e i dv sp n b n x i 叫 图5 1 49 k h z 的场强一坐标分砟图 从图5