【《纯电动汽车电磁辐射理论基础概述》6700字】

纯电动汽车电磁辐射理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u19807纯电动汽车电磁辐射理论基础概述 1235381.1电磁辐射基本理论 1156711.2车内主要电磁干扰源分析 291811.3整车电磁干扰源的屏蔽 8318001.4小结 121.1电磁辐射基本理论目前对于电磁场的相关问题研究中，都主要是以电磁场理论作为一个基础的理论，并围绕该理论展开进一步的研究。麦克斯韦(maxwell)在总结库伦、安培等人对相关于电磁场的理论研究成果后得以归纳而建立了一个相关于电磁场的基础性方程模型组。它是经过大量、反复实验的研究成果上进行推理而得出的一个理论，由于它是依据实验所获得的真实数据，这个理论被广泛地应用于到各个科技领域，求解由于电磁力产生的各种问题。因此，我们一方面在深入地分析新能源纯电车中的电磁辐射问题，同时，另一方面也要求我们需要基于麦克斯韦方程组进行展开研究，重新引入并提炼出麦克斯韦方程组的积分公式，以指导论文写作。cEcHsDsBds根据对于向量场的斯托克斯定理，可将麦克斯韦方程组其中的两个螺旋度方程4-1和式4-2分别表示为fEfH

由式4-5、式4-6可得∇×E=−∂B∇×H=J+依据麦克斯韦方程的分组中向量场的散度变化定理，可将两个散度定理方程的分组和其中的两个散度定理方程4-3和式4-4分别进行书写。sD∙dssB∙ds

可以得到∇∙D=ρv∇∙B=0（4-12）上式中，E代表的是电场强度，E的单位为V/m；H代表的是磁场的强度，其对应的单位为A/m；B代表的是磁通量的密度，其对应的单位是b/m2；D代表的是电通量密度，其具体的单位为C/m2。式4-7、式4-8、式4-11和式4-12均代表的是麦克斯韦方程组的微分表达式。可以说就是一个反映了物体在特定的局部范围内电磁运动的平均化学性质。以麦克斯韦方程组为基础的一种微分模型，主要体现了其所反映的特征就是某个空间内各节点的特征。当以极限积分的形式来表示的麦克斯韦方程将其积分域无限地变化为特定的某一点时，也就成为了这种极限状态的微分形式。一般来说，我们都采用微分方程组作为基础，以麦克斯韦方程模型进行分析，用于求解电磁场问题。从麦克斯韦方程组中我们可以直观地看到，只要车厢内是有一个带电粒子，其四周必然会对车厢内产生相应能量的辐射和电磁波，因此在纯电动的汽车内，整车内部都配备了许多电器设备，尤其特别是在这些电器设备使用的过程中，电器设备必然会向外界辐射不同能量的光和电磁波，这些光和电磁波相互之间无规则地碰撞和融合，使得车厢内部会形成一个更加复杂的电磁场。产生这种电磁干扰的原因我们可简单地概括表述为：流经于电流中的半导体、包含传递信号的天线、具备瞬间变化大电压或较大电流的电器设备。1.2车内主要电磁干扰源分析纯电动车辆与燃油车相比，安装有很多高压部件，其电器设备安装数量远远高于传统燃油车型。而且纯电动车的动力来源于动力电池，它的驱动来源于驱动电机，所以纯电动车的电磁环境比传统燃油车更加恶劣。以我司某纯电动车为例，高压部分装有动力电池、驱动电机、高压柜、DCAC、电空调、电暖风等高压设备，见图1.1。图1.1选定目标车的动力系统示意图目标纯电动车延续了燃油发动机传统模式下的油门、刹车踏板及各种操纵设备等。当一个车辆处于正常工况下，传感器会把油门踏板和制动踩下，一个踏板之间的位移及其行程转化成一个电信号，然后被传送至整车控制器，由其处理判定后，发出加减速驱动的信号以便于控制纯电动汽车。当纯电动汽车继续向前或者加速行驶时，电池组所输出的直流高压电会通过驱动电机的控制系统进而改变成三相交流电，然后提供给一台驱动电机使用，驱动电机所输出的转矩会通过一个传动装置来驱动整个车轮，使车轮前行。例如，当纯电动汽车需要降低速度进行减速运动时，车轮将会逆方向的反拖带来驱动电力发动机高速旋转，此时传感器以电动机的控制系统为基础。此外，DC/DC还可能需将由动力电池所提供的高压额定电压，转换成低压继电器件使用的额定电压(例如示廓灯，风扇等等)。同时，整车的高压电流通过高压线束传输到高压设备，供其空调、驱动电机等设备使用。因此，在电器装置相对较多的纯电动汽车上，尤其是电器装置运行过程时，必定会衍生出很复杂的电磁场。电器装置运行过程中生成电磁干扰的原因可以归纳为：（1）存在某导体流经电流或进行通讯的天线；（2）瞬间产生大电压或大电流，相当于时域波形中电压变化率或电流变化率的最高点。通过图1.1，我们不难看出，车辆的主要电子设备包括作为整车驱动力的驱动电机、高压转低压的DC/DC转换器、车辆与外界通讯和传输信息的天线，还有高压设备之间流经电流的高压电缆线。1.2.1驱动电机电磁干扰原理纯电动汽车中一般具有很多个系统部分组成，纯电动汽车中最主要的部分系统就是直接把汽车电能和其他机械动力进行转换转变为其他电能。驱动电机作为唯一一个输出动力设备，保持驱动电机的正常运行及通讯是整车设计之根本。不同工况下，驱动电机运行状态存在很大差异，也存在不同情况的电磁干扰。从传导角度看，最根本的原因之一就是驱动电机的内部控制电路之间发生了最常见的共阻抗耦合，其中所产生的干扰电流通过内部控制导线直接传递到与之相连的线束上，再传递给其他设备[36]；从辐射角度看，最根本的原因之一就是，当驱动电机持续运行时，其内部的磁路就会向外界放出大量的电磁能，同时所有被辐射的电磁波都会在其有限空间范围内产生。所以对驱动电机的电磁场的研究也非常迫切。我们研究所选用的交流异步电机的外观见图1.2。图1.2驱动电机实拍图1.2.2DC/DC电磁干扰原理变换器系统作为各种新型电动汽车的输出和电气系统中不可或缺的一种具有功率性质的变换器,主要包括三种形式,分别被称为降压式变换器、升压式变换器和双向式变换器,三者的作用大致相同,都是为了在各种电力系统中同时进行输出和传递各种电气系统中输出的功率。选定的目标机构汽车DC/DC采用了一个减速和降压的自动变换器,其主要作用就是将由动力电池提供的高压电源直接地转变成低压装置,从而为车内一些较小的低压设备提供了足够的电源,以便于低压装置进行工作。研究中选择的对象为目标汽车DC/DC结构，如图1.3所示。图1.3DC/DC实拍图功率模块被称作为DC/DC中的核心部件。本文中我们需要进行研究所选择的DC/DC电源转换器,其采用IGBT晶体管，在正常功率工作时候所采用的通断模式就是高速的和无源的电源交流通断。IGBT具有快速的每秒开关动作，至少可以高达数万次,因此在这种情况下瞬时电压和瞬时电流变化量就会出现数值高点,所以DC/DC也是纯电动车上需要重点关注的电磁干扰源。如图1.4所示，是目标车辆上DC/DC的集成电路。图1.4DC/DC集成电路DC/DC产生电磁干扰有以下几个方面：（1）如图1.4，Z代表功率开关，Z接通时，电路电流为i，经过电感形成自感，在Z断开的一瞬间，防止电流的突然变化，电感上会产生电压Up，作用在Z上，就产生了瞬间变化的电压，即dv/dt。原理如图1.5所示。图1.5功率开关管关断示意图（2）Z被接通时，电压值较高，导致功率开关产生极大的脉冲电流，即di/dt较大。（3）二极管D在被截断的瞬间，会出现极大的电流值。具体如图1.6所示。图1.6二极管关断波形原理图中，当一个二极管D到达该电路t1的时间点时，二极管D由导通转换成了截断，此时该电路中的输出端电流就会从这个时间点开始逐步下降，而且这个下降的持续时间一直延长到时间点t2。当一个时间点到达t2时，通过两个二极管D的一个电流iD1先降压到0，此后逐步逆方向增加，最终达到时间点t3。此时，二极管D的通过电流iD1为最大电流值，将其最大电流值记为irr；此后电流开始降低；在到达时间点t4时，电流会反向逐步降至0，发生这些过程的时间段都非常小，并且电流下降为0的速度非常快，这意味着di/dt值非常大。1.2.3高压线束电磁干扰原理在新能源纯电动汽车的各种高压电缆线束系统中,汽车上所有铺设的各种高压电缆和线束都被认为是一个连接各类零部件和各种使用电子装置之间的纽带,它主要目标是为了实现各种高压电子动力系统中各种电流的传导和各种高压电信号的相互传递或者交换。所选择的目标车辆所铺设的高压直流线束结构如图1.7所示。当一个线束在空气中产生的电磁辐射成分存在于一定频率时,就必然会对其产生一定量的辐射,随着频率越来越高，电磁辐射也越容易发生。该现象发生的主要原因有两点：由于高压线束中的导线直接对其他干扰信号进行传播，因而会对动力系统稳定运行产生直接的影响。因此，另外一个比较重要的是电磁干扰源，即在纯电动车内部铺设的高压线束。图1.7高压线束实拍1.2.4通讯天线电磁干扰原理在纯电动汽车中，能够实现对车载卫星、通讯电子装置等车载电磁辐射能量的发射和接受功能的，是车载通讯天线。在一个车辆正常运行中，车载通信天线的发射和接收信号，使其在很大概率上就会变成辐射干扰的主要来源。目标汽车选择的车载信息通讯天线结构如图1.8所示。图1.8通讯天线实拍1.3整车电磁干扰源的屏蔽1.3.1常用电磁辐射抑制方法介绍图1.1所示，电磁干扰的三大关键因素：骚扰源、传导路径及敏感设备。因此针对这三个要素，抗干扰的方法主要有三种：（1）降低电磁干扰源所带来的各种电磁辐射；（2）切断电磁耦合的路径；（3）增强接收器抗干扰的性能。通常情况下，实现抗电磁干扰的主要方法有屏蔽、滤波和接地。屏蔽技术主要是一种泛指将电磁干扰源与被干扰的灵敏度传感器等设备之间用特殊材料隔绝而成，其工作原理也相对简单。屏蔽主要分为两种方式,一种就是对电磁干扰源的信号进行有效地屏蔽,防止干扰时所产生的电磁波发出向外辐射,这种方式是较为常见的屏蔽手段;另一种方法是尽可能地对敏感元件进行屏蔽,尽可能地避免受到外界的电磁辐射而造成的影响,该方法成本较大,一般用的比较少。对本体的光子电场而言,要尽量避免过多地使用金属材料,这主要原因是由于本体的金属导电率比较高、电阻比相对较低,当本体受到辐射时,辐射在整个本体电场表面的一种光子电波就可能会对本体产生一种光子逆射,从而有效地抑制了光子电场中的一种继续向外传递的机会和可能;对于静力学和磁场而言,要尽量选用一种具有良好磁性的材料，这主要是因为一种具有良好磁性的材料能够很好地吸收磁场，从而促使磁场在材料内部产生损耗，防止磁场再次继续传递的可能。此外，在纯电动车实际作业中我们会发现：由于电磁振动的干扰其实比较复杂，既有电场也有磁场，所以在前期设计时，会优先选择使用屏蔽层的高压线。利用屏蔽技术手段来抑制电磁干扰主要有两点优势：一个是不必再需要重新设计原结构的集成器电路；二是不需要改变原有的电器设备，这对纯电动汽车的生产成本较为友好。目前常见的金属材料作为屏蔽物质的主要金属材料有铜制金属箔带和银丝织物等，如图1.9所示为铜制金属箔带。图1.9铜箔带实拍图滤波作为一种常见的抗电磁干扰的方法，备受设计师的喜爱。简答的讲就是指在设计电路时，需要结合实际选择滤波器。对于滤波器电路来讲，会对无效信号进行衰减处理，确保有效信号的通过，从而能够有效的降低和减少无效信号带来的干扰。滤波器能够对电路中的有效信号和无效信号进行判断，从而选择通过和衰减不同频率的信号，确保了高度的准确率。常用带通滤波器主要可以分为三种，分别称为是低速带宽低通信号滤波器、高速带通信号滤波器和低速带通信号滤波器。根据本文所研究的纯电动汽车的电源特性：干扰信号的频率远远比有用信号的频率高出很多，因此低通滤波器更加适合用在研究对象上。在实际的电路设计中,往往一般都会把滤波器直接装到一个输出端,其中包括x电容和y电容。常用瓷片电容见图1.10。x电容和y电容分别负责实现差摸干扰和对共摸干扰的抑制。对于纯电动汽车来讲，其需要高压驱动电路，需要同时采用共模电流和差模电流,这样我们才可能实现有效地抵抗和抑制各种电磁干扰的功能。本文所需深入的探讨和研究的是车内对光子产生的电磁辐射,属于对光子的辐射产生干扰,导线在其中传输的电流也同样有可能包含了高频的成分,所以还是必须对其中的成分进行过滤和处理,因为一旦发生高频,通电的导线必然会演变成一个具有高频光子和电磁辐射作用的天线,从而进一步地向外传输辐射释放出来更多的是电磁波,所以我们可以通过利用滤波器来检测过渡电路中的较高频率信号，能够大幅度地衰减当前经过通电引线的向外发出辐射的电磁波。图1.10常见瓷片电容图滤波器通常都会被分别设计成放置于不同线束上的位置。就一个驱动电机的控制器来说举例，由于驱动电机的控制器输入及输出的电流都很大，非常容易发生向外辐射的电磁波，这时就很必要我们选择一个较大尺寸的滤波器，但是我们所选择的目标车型驱动电机的控制器由于存在空间受限，即没有提供足够的空间来安装一个较大尺寸的滤波器，因此我们会在选择其他设备上的进出线位置处放置滤波器。一般来说，滤波器可以选择在安装高压锰锌、纳米结晶等材料时，采用吸收式磁环。当它们在安装了使用这些被称为吸收式磁环的电子之后，它们就可以把受到电磁干扰的噪声变成了热量，然后把这些热量散发到了空气中，从而能够实现减少和提高对电磁干扰的作用。市场上已经有一种低通滤波器-铁氧体磁环，它的应用范围比较广泛，如图1.11所示。图1.11铁氧体磁环图接地是一种指在设备上搭建一个低电阻抗的带有导电传输路径，位于一个用电装置与某个接地设备的基准电两者之间，经过处理之后，电流和信号就会经流地线而形成一个完整的接地回路，这样就可以有效地防止了由于电流因相互耦合而对其所产生的电磁辐射。1.3.2样车电磁兼容性能改进措施从电磁相互兼容的视角，记录了样车中各个电子器件之间的连接情况后，发现了目标汽车还有一些不合理的位置，共3点，见下：（1）由于高压线束设计太长，而且在线束外包裹的屏蔽层和连接插件时屏蔽端之间存在着搭接不好的现象；（2）驱动电机外壳虽进行接地处理了，待搭铁线连接处未进行打磨漆处理；（3）高低压线虽然是分开布线，但是存在部分高低压线路的间隔距离较近，因此这就导致很容易出现耦合干扰的情况。针对于以上问题提出以下的解决措施：（1）在进行布置中，对其他与高压配电柜连接的高低压线束分别进行了铜丝的编织和包裹,同时结合实际情况缠绕一定的铜箔带;（2）采用扎带方式对U、V、W三个电缆线进行扎带操作，然后分别采用铜丝编织带以及缠绕铜箔带对其进行包裹处理；（3）在布置时使用部分锰锌磁环和非晶磁环材料，在处理中将线缆固定在一台驱动发电机的u、v、w三条线的两端,同时使这些线缆多缠绕几圈;（4）通过安装X电容和Y电容对其滤波，将电容放置于高压配电箱输入端的一个直流母线上；（5）DC/DC的输入线用一条软铜编织带对其进行了包裹,同时还需要在其上缠一些小铜箔带;（6）驱动电机的壳体接地处，用打磨机去除本漆，并涂抹绝缘脂，以便其有效接地。驱动电机三相线处改制后的效果，如图1.12，具体做法是使用铜编织带在驱动电机三相线进线处进行屏蔽，同时包裹铜箔带，并将壳体进行有效接地。图1.12驱动电机电磁屏蔽1.3.3车内人体受到的电磁辐射屏蔽措施总结在车厢内的电磁环境中，对人体的防护措施和目前现状如下：（1）目前国内并没有一个明确的