电动汽车辐射源的仿真分析

2014-03-25 02:39邹新龙石丹王子浩高攸纲

环境技术 2014年1期

邹新龙，石丹，王子浩，高攸纲

（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）

引言

目前，环境和能源问题日益严峻，传统燃油汽车环境污染严重，能源消耗大，引起人们越来越多的关注与担忧。电动汽车具有节能、环保的优势，可有效缓解能源资源紧张、大气污染严重等问题。据统计，2011年我国上市的新能源汽车数量达50 万量。但由于纯电动车用电动机取代了内燃机，能量来源由燃油改成车载电池。因此主动力电路上功率高(100 KW 左右)、电流大(几百安培) 、工作频率高(10KHz 或20KHz)，引发了一系列的电磁兼容问题，由此电动汽车的电磁辐射问题成为亟需分析和解决的热点问题。电动汽车产生电磁干扰的来源有很多：绝缘栅双极晶体管在高频开关动作时会产生很高的电流、电压峰值，在电池、逆变器和电机与地盘之间又会形成共模和差模干扰，辐射的电磁波也是一种影响电磁兼容的干扰源。

目前，在电动汽车辐射源的实验方法中，测试和仿真是目前最为有效和常用的手段。本实验采用软件仿真工具主要包括CST、MATLAB 和3D MAX。

1 电动汽车辐射源的简单设计流程

本实验的仿真分为两步完成，第一步：在3D max 软件中得到汽车模型，然后将模型导入到CST 中，以便于最后的仿真；第二步：在MATLAB 中建立几种辐射源的电路模型，并进行仿真，将仿真的结果通过曲线拟合的方式得到信号源的辐射表达式，并把表达式输入到CST中作为仿真的激励源，图1 是本实验的设计流程。

图1 设计流程图

2 汽车模型的整体架构

要仿真汽车电磁辐射环境就先需要画出汽车的整体模型，在CST 中画出汽车模型是十分困难的，我们采用了目前较为流行的3D 画图工具3D max，得到汽车的整体模型后将模型导入CST 中即可。图2 是在3D max 中得到的汽车模型，图3 是导入到CST 后的效果图。

图2 MAX 中汽车效果图

图3 CST 中汽车效果图

3 电磁模型的建立与仿真

EMTP 是电磁暂态分析专用的，MATLAB 虽然功能强大，但在电力专业性上可能还稍微差点。很多时候，在EMTP 中ATP 是应用最广泛的，而且它其中很多模型的准确度也都是有实测验证的，这一点上MATLAB 差很多，在一些文献中也看到，验证它的模型则是通过和ATP 做比较的。但可以用ATP 进行电力仿真，将仿真结果导入MATLAB 进行分析。

由于电动汽车结构复杂，如果将整个系统混在一起进行全波仿真，则需要耗费很长的计算时间。因此可将其分割成不同模块，分块进行模拟，根据模块特点选择适当的仿真方法，最后再进行系统综合。根据电动汽车通用的内部结构，电池组位于车辆后座的下方，逆变器位于车辆前盖内，电动机位于车辆前轮的上方。电池组与逆变器之间有较长的连接电缆，逆变器与电动机之间连接电缆相对较短。因此，逆变器采用考虑了分布参数的等效电路模型，而复杂的电缆束采用传输线模型，最后结合全波方法和车体原型计算这些干扰源产生的辐射。由此可见，通过分块模拟和不同计算方法的结合，能够大大节省计算资源和时间，从而为电磁兼容仿真提供一种快速有效的方法。通过查阅资料得到汽车内部关键部件之一，也就是牵引电机的简单模型图，模型使用EMTP 软件，通过设置相关参数，仿真后得到电流波形。

图4 是电动汽车Traction Battery 部件的电路等效模型，图5 是电路电流的波形图，通过matlab 自带的cftool工具，将图5 中的电流曲线拟合，拟合后的函数为:

式中dtime 是表示时域。曲线拟合是通过MATLAB自带工具箱—曲线拟合工具实现的。它能对数据进行平滑预处理工作，数据拟合可以通过参量化、非参量化方法，参量化拟合方式包括通用公式法、多项式法和高斯法。非参量化拟合方式有平滑法和内插法。能对各种结果进行统计分析，比较数据的优劣，图6 是拟合后的波形。