（电机与电器专业论文）燃料电池轿车用dcdc变换器的emc研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 髓ed e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r yh a si m p r o v e do u rs o c i e t y , w h i l et h e i n c r e a s i n gn u m b e ro fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e s ( i c e v s ) h a sc a u s e dt h e s h o r t a g eo fe n e r g ya n d t h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t 。强譬f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) c a ns o l v et h e s ep r o b l e m sa n d w i l lb eat r e n di nt h ev e h i c l ei n d u s t r y 豫eh i 馥 p o w e rd c d cc o n v e r t e rw h i c hc a ni m p r o v et h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i e so ff u e lc e l li s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si np o w e rt r a i ns y s t e mo ff c e v s b u tt h eu s e o fn e wp o w e rt r a i ns y s t e mw i l li n c u rm o r ee l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a lc o m p o n e n t s i n s t a l l e di nt h ef c e vw h i c hw i l lc a u s em o r ec o m p l i c a t e de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) p r o b l e m s i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ee m c m e a s u r e sb ec a r r i e do u t d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to f t h ed c d cc o n v e r t e r a tf i r s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ed c d cc o n v e r t e ra n d a n a l y z e dt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tu n d e rt h ew o r k c o n d i t i o n t h e n ，t h eu s u a l l yu s e de m c m e a s u r e ss u c ha ss h i e l d i n g ，f i l t e r i n ga n dg r o u n d i n g h a v eb e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y c o n s i d e r i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ed c d c c o n v e r t e r , t h em a t e r i a l sf o rs h i e l d i n gt h ec o n t r o lu n i ta n dp o w e ru n i to fc o n v e r t e r h a v e b e e ns e l e c t e da n dt h em i n i m u mt h i c k n e s s e so ft h e s em a t e r i a l sh a v eb e e n c a l c u l a t e d a f t e ri n t r o d u c i n gt h eu s eo fl i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o nn e t w o r k s ( l i s n s ) a n de m ir e c e i v e r s ，t h ec a l c u l a t i o no faf i l t e r si n s e r t i o nl o s s ( i l ) h a sb e e n d i s c u s s e dd u r i n gt h ec o n d u c t e de m i s s i o n ( c e ) t e s t a l s o ，t h eg r o u n d i n go fp o w e r u n i ta n dc o n t r o lu n i th a sb e e nd i s c u s s e da n dt h em e t h o d sf o rs u p p r e s s i o no ft r a n s i e n t s h a v eb e e ni n t r o d u c e d a tl 蕊t ，i no r d e rt om a k ea ne m ct e s tp l a n , t h ec o n v e n t i o n a lo n b o a r d c o m p o n e n t st e s tm e t h o d s h a v eb e e nr e f e r r e dt ob e c a u s et h e r ea r er i oe m cs t a n d a r d s f o rp o w e rt r a i nc o m p o n e n t so fe l e c t r i cv e h i c l e s ( e v s ) 。a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge m c t e s t sh a v e b e e nc a r r i e do u tt oc o n f i r mt h ee m cm e a s u r e s 。 k e y w o r d s ：d c d cc o n v e r t e r , e m c ，s h i e l d i n g ，f i l t e r i n g ，g r o u n d i n g ，e m cs t a n d a r d s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 带1 学位论文作者签名：孤忡 7 0 4 年罗月_ 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：苏并 2 口年弓月- 7 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车的出现已经一百多年，它的出现改变了世界，促进了经济的发展，改 善了人们的生活，但同时也带来了能源和环境问题。目前全球汽车保有量为8 亿辆，预计到2 0 2 0 年将达到1 2 亿辆，届时，交通用油将占世界石油总消耗量 的6 2 以上，石油需求与常规石油供给之间将出现缺口，2 0 5 0 年供需缺口几乎 相当于2 0 0 0 年石油总产量的两倍。为解决石油供需矛盾，未来汽车产业在发展 新技术、提高汽车燃油经济性的同时，必须考虑车用替代燃料的发展问题l l j 。燃 料电池轿车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e s ，f c e v s ) 就是其中的一个发展方向。作为 其动力来源的燃料电池具有能量转换效率高、可靠性好、清洁低噪声和适用性 强等优点。近年来一些汽车制造公司，如戴姆勒一克莱斯勒、本田、丰田、通用、 福特等都开发了自己的燃料电池电动轿车1 2 1 1 3 1 。我国政府也十分重视燃料电池轿 车的关键技术的研究，“九五”期间，国家科技部将燃料电池关键技术列入国家 攻关计划。“十五”期间，燃料电池轿车及其关键技术的研究和样车的研制开发， 被列入国家“8 6 3 电动汽车重大专项。由大连物理化学研究所和上海神力科技 有限公司为轿车研制的大功率燃料电池系统已在燃料电池轿车上进行集成。并 由上海燃料电池汽车动力系统有限公司与同济大学研制出“超越一号 、“超越 二号 和“超越三号”燃料电池轿车。 1 2 电磁兼容基本概况 随着各种电子电路和电力电子技术日益向高频率、高速度、大功率和复杂 化方向发展，当今电气、电子产品的数量越来越多，特别是电子设备的发射功 率越来越大，电气、电子设备及其构成的系统灵敏度越来越高，且接收微弱信 号的能力越来越强；同时，电子设备频带也越来越宽，尺寸越来越小，相互影 响也越来越大1 4 i 。因此，电子电路的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 。e m i ) 和电磁敏感度( e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y , e m s ) 问题是在电路的设计过程中 第1 章绪论 就需要认真考虑的。 国际电工委员会( i e c ) 对电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , e m c ) 的定义是：“e m c 是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能， 面不产生不能容忍的干扰。在我国的国家标准中，对电磁兼容性的定义是：样设 各或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的 电磁干扰的能力 f l 。这表明e m c 有两方面的含义，一方面是电子设备对其所 处工作环境中电磁噪声有一定的抗于扰能力；另一方面，电子设备自身产生的 电磁噪声不能影响其它设备的正常工作。 现在对于开发或研制电子产品，除了要考虑实现其功能之外，产品电磁兼 容性也是必不可少的。许多国家和地区都制订了相应的电磁兼容标准，产品如 果需要投放市场，获得电磁兼容性认证是必须的。因此，为了保证电子设备具 有良好的电磁兼容性，应该在产品的功能开发阶段就同时进行电磁兼容性设计， 面不应该在电磁兼容认证测试时，发现问题再进行补救设计。 f 3 课题研究的目的与意义 本课题的研究内容是“燃料电池轿车用d c d c 变换器的e m c 研究”，是科 研项目靠燃料电池轿车用d c d c 变换器 的一个重要部分。该项嚣属于国家科 技部“8 6 3 计划重大专项课题，对我国发展汽车工业、解决能源危机、改善环 境和制订电动汽车电磁兼容标准等方面有着重要意义。 作为车载零部件，d c d c 变换器不仅需要在试验阶段能正常工作，还要僳 证装车之后在汽车的实际运行中能稳定、正常地工作。因为燃料电池轿车是属 于交通运输设备，在运行过程中可能会处于不同的电磁环境，在有强电磁干扰 的环境下需要能正常运行，悉同时也不能对周围的环境造成不能容忍的影响。 由此可见，d c f d c 变换器的电磁兼容性设计是非常必要的。并且，虽然电动汽 车整车已经有相应的电磁兼容标准1 5 l ，但相应于电动汽车新型动力系统大功率设 备的电磁兼容标准以及测试技术却发展缓慢，目前尚没有公认统一的标准猹i 。所 以，d c c 变换器的e m c 研究对于我国制订相应的电动汽车标准也有一定的参 考价值。 2 第1 章绪论 1 4 本文内容提要 本文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) d c d c 变换器的电磁环境分析 第二章分析了d c d c 变换器主电路和控制电路的工作原理，并对实际工作 情况下变换器所处的电磁环境做出了分析。 ( 2 ) 电磁兼容性设计的基本方法 第三章、第四章和第五章分别从屏蔽、滤波和接地设计三个方面出发，针 对d c d c 变换器的工作特点，对相应的电磁兼容性设计进行了理论分析和计算， 并提出了提高变换器电磁兼容性的措施。 ( 3 ) d c 仍c 变换器的e m c 标准研究 第六章讨论了对d c d c 变换器进行电磁兼容性测试的标准选择，结合目前 的实际情况，参考国际上通用的汽车测试标准，提出了变换器电磁兼容的测试 方案。 ( 4 ) d c d c 变换器的e m c 测试结果 第七章介绍了针对e m c 测试所采取的设计措施，并分析了试验结果。 3 第2 章d c 加c 变换器的电磁环境 第2 章d o d o 变换器的电磁环境 2 。1d c d c 变换器在燃料电池轿车中的作用 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。它不通过热机过 程，因此不受卡诺循环的限制，在理论上它的热电转化效率可达8 5 9 0 ，在 实际上也可达到4 0 - - 6 0 。燃料电池运动部件少，噪声很低，而且运行可靠珏1 。 但同时，燃料电池也有自身的缺点。如图2 1 所示为燃料电池输出电流一电压特 性曲线盯i ，图2 。2 为理想和实际电动势与电流密度的关系。 图2 1 燃拳幸电池输出伏安特性 壤蠢爱茂，i 蝴_ 一 图2 2 理想和实际电动势与电流密度关系 从圈中可以看出，在燃料电池输出功率的起始阶段，输出电压魄下降较快， 随着输出电流i f c 的增大，输出电压下降，下降斜率比普通电池大得多，因此燃 料电池的输出特性相对较软。作为燃料电池轿车的动力来源，储存在燃料电池 中的能量需要经过一定的变换才能驱动汽车的运行。图2 3 所示为燃料电池能量 流动筒图。 能鲞流动方向固目目 大功率电缆线 圈2 3 燃料电池能整流动简图 4 第2 章d c d c 变换器的电磁环境 燃料电池的能量输出通过d c d c 变换器之后，再通过d c a c 逆变器驱动 电动机来带动汽车运行。如前面所介绍，燃料电池输出特性较软，在其工作工 程中，随着负载的变化，燃料电池的输出电压波动范围也较大，需要经过d c d c 变换器改善电池的软输出特性。经过d c d c 变换器不仅可使燃料电池的输出电 压稳定，还可以满足d c a c 逆变器的电压等级配合要求。 d c d c 变换器的使用可以极大地改善燃料电池和整车的电气动力性能。 d c d c 变换器除了要适应燃料电池轿车的工作方式和动力性能外，受到空间和 能源的限制，在进行设计时还需要考虑体积、重量和效率等指标。 2 2d c d c 变换器主电路工作原理分析 d c d c 变换器的输入电压范围为3 2 0 v - - 4 8 0 v ，额定功率时输出电压为 3 1 2 v 左右，所以拓扑结构应选用具有降压功能的d c d c 变换器。降压d c d c 变换器的基本结构如图2 4 所示。 图2 4 降压d c d c 变换器原理图 该电路由大功率开关管、二极管、电感和滤波电容组成，通过开关管的通 断工作，将输入电压v 。降到输出电压v o 。开关管开通和关断时的等效电路如图 2 5 所示。 + 坛 蟛 一 l c 牛_ 图2 5 降压d c d c 变换器不同工作状态下的等效电路 5 第2 章d c d c 变换器的电磁环境 该电路有两种工作模式：电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ， c c m ) 和电感电流断续模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，d c m ) l s l 。假定所用 电力电子器件理想，在一个开关周期中，输入电压v 。保持不变；输出滤波电容 电压，即输出电压v o 有很少的纹波，但可认为基本保持不变，其值为v o ：电感 和电容均为无损耗的理想储能元件；不计线路阻抗。嚣种模式下的电路各点波 形如图2 6 所示。由于燃料电池轿车用d c d c 变换器工作在电感电流连续模式， 本文将主要针对电感电流连续型模式进行分析。 l “ 一 “ 一 l。 7 - 一一 r l 卜 f 7 l 、- 、 - ， 7 1 1|tt l o 一 “ 一 l- 一 一 r f k 配l 弘以 l i- 1 r 。 l l 7 1 。 t lhl l l 珏滚连续梭吠f l i 璐波彤辣垭嬲电路哇三溅断绒上体时触波形 图2 。6 降压d c d c 变换器不同_ 工作模式下的波形图 气 时段，开关管z 于气时刻开通，并保持通态壹到 时刻，在这一阶段， 由于k 圪，故电感l 的电流不断增长。二极管d 处于断态。设闭合时间 = t i = 皿墨，皿为接通时间占空比，则电感电流平均值厶= 厶= v o r ，电感电 流线性上井增量为 屯。：f 1 与；毕：毕马五 泣王) 岛时段，开关管z 于毛时刻关断，二极管d 导通，电感通过d 续流，电 感电流不断减小，直到厶时刻开关管z 再次开通，下一个开关周期开始。设关 断时间o = 如一f l 然d 2 五，d 2 为断开时间占空比，电感电流增量为 6 第2 章d c d c 变换器的电磁环境 屹= 一j ：2 争= 一善( ) - - 譬b 五 由于稳态时这两个电流变化量相等，即乙= j 乞：j ，所以 v z v 。d , g = 善砬乃= ；( 1 一q ) 五三 。 三、 “o 整理得 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 圪= k q ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 表明，输出电压圪随占空比q 而变化，由于q l ，故圪 历为前提进行推导的， 而实际上磁场的阻抗也是比较小的。使用公式( 3 2 7 ) 计算反射损耗r 时，如果得 到负值，用r = 0 代替计算出来的负值，并忽略多次反射校正因数曰。 因此，取r = 0 ，可以看出对于低频磁场，主要是吸收损耗起主要作用。 第3 章d c d c 变换器的屏蔽设计 对于整体屏蔽效能： s e = a + r + b = 1 4 7 9 b ( d b ) 当b = o 1 c m ，8 e = 1 4 7 9 d b 。可以看出，当屏蔽材料选用铁，并且厚度取l m m 时，对1 5 k h z 的磁场能够有1 4 7 。9 d b 的衰减。需要注意的是，前面理论计算的 公式都是在屏蔽体是封闭、连续的导电体的情况下得出的，但在实际工程设计 中不可能做到完全的密封，会有接缝出现。在接缝处就会有电磁泄露，导致整 体的屏蔽效能降低。其原因就是接缝造成了屏蔽体的导电不连续，因而屏蔽体 与接缝的阻抗不一致。具体关于缝隙处的电磁特性有相关的文献进行了研究释稍。 这些缝隙实际上就形成了缝隙天线，因此在设计的时候应该控制缝隙的长度， 避免开口的尺寸大于1 2 0 波长h 2 1 。 当频率为1 5 k h z 时对应的波长为足= c 厂= 3 x1 0 8 1 5 x1 0 3 = 2 x1 0 4 触) 。 如图3 1 0 所示，主电路屏蔽机箱的上面板是可以取下的，使用螺钉进行连 接。螺钉之阅的距离为5 0 m m ，远小于1 2 0 波长( 1 0 0 0 m ) 。同时为了减小接触 面之间的缝隙，在两块搭接的面板之间还加有导电垫衬，以改善整体机箱的电 气连续性。对于进出屏蔽箱的线缆( 输入、输出的大功率电源线、控制电路电 源线和c a n 通信线) ，也如盖板设计一样，在连接处使用导电垫衬来保证屏蔽 箱的电磁密封。 图3 1 0 主电路的屏蔽机箱壳 考虑到铁在工作环境中的防腐蚀问题，设计时在铁的表面采用镀锌处理。 主电路的屏蔽外壳主要是针对低频磁场，随着频率的升高，铁磁材料的相 对导磁率会减小，所以铁磁材料对高频磁场的屏蔽作用不大。但是主电路内部 都是大功率器件，没有高速的逻辑器件，而且开关管的开关频率也不算高频， 其屏蔽外壳主要作用就是抑制主电路产生的低频磁场。 第3 章d c d c 变换器的屏蔽设计 3 4 2 控制电路的屏蔽外壳设计 控制电路跟主电路一起安装在屏蔽机壳内，并且主电路和控制电路之间使 用铁板隔开，如图3 9 所示。在控制电路外部已经有用来屏蔽低频磁场的屏蔽外 壳，所以进行控制电路的屏蔽外壳设计时主要考虑如何抑制高频的电磁噪声。 一般是使用良导体来屏蔽电场和电磁场，通过运用前面介绍的屏蔽效能的理论 公式进行计算，再选择合适的屏蔽材料。 从工程设计的角度出发，主要考察的金属材料为铁、铜和铝，它们的基本 参数如表3 1 所示i l 引。 表3 1 金属材料的相对电导率和磁导率 参数 材# 相对电导率o ，相对磁导率u ， 铁0 1 75 0 0 铜ll 铝0 6 l1 在计算金属体对电场和磁场的屏蔽效能时，需要确定干扰源和屏蔽体之间 的距离d ，距离d 越大，屏蔽效果越好。在变换器的工作过程中很难确定电场或 磁场干扰源与屏蔽体之间的准确距离。为了便于比较，参照上一节计算低频磁 场屏蔽效能时所选取的干扰源与屏蔽体之间的距离5 0 n u n 。在实际变换器的工作 情况中，电场和磁场干扰源与屏蔽体之间的距离一般都会大于这个值，因而实 际的屏蔽效能会比计算出来的值要大。计算得到的结果如表3 2 所示。 表3 2 计算得到的屏蔽效能 电场( d = 5 0 m m )磁场( d = 5 0 m m )电磁场 1 0 删z1 0 0 删z1 0 姗z1 0 0 m i i zl o 姗z1 0 0 m t t z 铁 l m m 3 9 2 21 2 1 5 03 8 4 31 2 1 1 13 8 8 21 2 1 3 0 0 5 m m3 4 47 6 22 6 57 2 33 0 57 4 3 铜 l m m 5 5 1 1 4 1 74 7 2 1 3 7 8 5 1 2 1 3 9 8 2 m m9 6 62 7 2 78 8 72 6 8 89 2 62 7 0 8 0 5 m m2 9 76 1 72 1 8 5 7 8 2 5 75 9 7 铝1 m m4 5 91 1 2 83 7 91 0 8 94 1 91 1 0 8 2 m m7 8 22 1 5 17 0 32 1 1 27 4 22 1 3 2 从表3 2 的结果可以看到，金属铁有很高的屏蔽效能。但表3 1 给出的是铁 2 3 第3 章d c d c 变换器的屏蔽设计 在低频情况下的相对磁导率，随着频率的增加，铁的相对磁导率会下降。当频 率超过1 0 0 k h z ，铁的相对磁导率会下降很多，因此不采用铁作为高频磁场的屏 蔽材料。同时可以看到，金属铜和金属铝也能够有很高的屏蔽效能。出于对重 量和成本的考虑，金属铝对于高频的电磁场已经有很好的抑制效果，所以选择 金属铝作为控制电路的屏蔽外壳。 2 4 第4 章滤波器的设计 4 1 概述 第4 章滤波器的设计 通过良好的屏蔽设计，辐射干扰可以得到有效的抑制。但是对于传导性的 电磁噪声，则需要滤波器对其进行抑制。d c d c 变换器的控制电路有电源端口 和c a n 通信口，传导干扰可以通过电源线和信号线进出，并且对于设备整体而 言，往往采用屏蔽和接地不能提供完整的电磁干扰防护，因为设备上的电缆是 有效的干扰接收与发射天线。许多设备单台做电磁兼容试验时能够通过，但当 两台设备连接起来之后，就不能满足电磁兼容的要求，这就是电缆起了接收和 辐射天线的作用。有效的措施就是加载滤波器，切断电磁干扰沿电源线或信号 线传播的路径，与屏蔽和接地构成良好的电磁干扰防护。 4 2 差模干扰和共模干扰 导线上的干扰电流根据其流动的路径可分为差模干扰电流和共模干扰电 流。差模干扰是指干扰电流在信号线与信号地线或电源线的火线跟零线之间( 对 于直流电源，就是在电源的正极和负极的线间) 流动。共模干扰是指电缆中的 所有导线上流过的干扰电流大小相同、方向也相同，电流是在电缆与地之间形 成的回路中流动，如图4 1 所示。由于地线上存在电压差，该电压差通过杂散电 容，在两根导线上产生了共模电流。 噪声源 1 负载t 噪声源 f 宁杂散电容 h ：一 负载 杂散电容f l - - - - - l ： 一一： 图4 1 差模干扰电流和共模干扰电流 2 5 第4 章滤波器的设计 一般情况下，导线中同时存在着差模干扰和共模干扰，如图4 。2 所示，可以 通过电流钳和频谱仪来区分线中的差模电流和共模电流i 羽。 可以看出 由此可以得到 图4 2 用电流钳区别电流形式 l i = l 踟l 嘲 = 半 线 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) = 华 ( 4 4 ) 在滤波器设计中，对嬲种形式的干扰都要进行抑制。所以，需要区分两种 不同的干扰，才能更有效地进行滤波器设计，以满足电磁兼容标准的要求。 4 。3 人工电源网络 人工电源网络，又器峰做线路阻抗稳定网络( l i n ei m p e d a n c es t a b i l i z a t i o n n e t w o r k , l i s n ) ，是测量电源的传导发射和进行电磁兼容试验所必需的仪器。根 据电磁兼容测试的布置要求，运用人工电源网络、接收机和一些必要的设备( 如 接地板、测试用直流电源等) ，就可以在实验室进行控制电路电源端口传导发射 的预兼容测试。在实际的电磁兼容测试中