电动汽车电机驱动系统电磁干扰建模与优化技术研究

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电动汽车电机驱动系统中的大功率电力电子开关器件工作时会产生显著的电磁干扰,这些干扰噪声不仅会在电机驱动系统内部传播,影响各种低压控制系统的正常工作,还会向外传播影响其他系统(例如防抱死制动系统、电子稳定系统等),直接涉及主动安全。车联网、无人驾驶等先进技术集成了大量的电子产品,使得车内电磁环境更加复杂,电磁干扰带来了新的挑战。因此,分析并解决电机驱动系统的电磁干扰问题,是完善电动汽车电气系统设计和提高电动汽车电子安全性的重要部分。针对某纯电动汽车的“三合一”电机驱动系统总成,对其传导干扰特性进行了相关的研究,重点在于传导干扰的系统级建模,主要完成的工作如下:1)根据目前先进且广泛应用的“三合一”电机驱动系统的结构与功能原理,分析了其主要的干扰源和传播路径,并基于汽车零部件电磁干扰测试标准GB/T 18655-2018(对应于欧洲标准CISPR 25:2016)的相关要求,梳理了标准测试状态下的传导干扰模型的组成部分,提出了有限建模输入参数下的传导干扰系统级建模方法;2)建立了驱动信号模型:分析七段式空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)方法的理论公式和实现方法,在Simulink软件中建立了其数学模型,输出六路SVPWM驱动信号,并根据占空比验证了模型的准确性;3)建立了IGBT功率模块模型:根据绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的静态特性和动态特性测试曲线,通过电路仿真软件Saber提供的IGBT参数化建模工具建立包含寄生电阻、寄生电感、寄生电容的IGBT行为模型,并通过IGBT双脉冲测试评估了模型的准确性。基于解析法计算IGBT与散热板间的寄生电容,并对其端口阻抗进行验证。根据三相全桥逆变结构,建立IGBT功率模块等效电路模型;4)建立了驱动电机模型:根据端口阻抗幅频特性曲线测试结果,基于解析法对驱动电机的共模、差模阻抗进行解耦,并通过“RLC”谐振单元拟合驱动电机的共模、差模阻抗特性,建立驱动电机“π”型等效电路模型,最后通过二端口阻抗分析工具求解模型的端口阻抗幅频特性曲线,对比评估模型的准确性;5)建立了直流母线、直流连接器、交流母排模型:根据结构、尺寸和材料参数,在有限元电磁仿真软件ANSYS Q3D中建立了直流母线、直流连接器、交流母排的三维电磁模型,并基于电小尺寸思想,分析了各部件的等效电路结构,提取了各端口的寄生电阻、寄生电感和寄生电容,以此建立了直流母线、直流连接器、交流母排的等效电路模型,并通过阻抗测试法进行了验证;6)建立了线路阻抗稳定网络、母线电容、直流母排模型:根据标准提供的电气结构图和参数表,建立了高压线路阻抗稳定网络(Line Impedance Stabilization Network,LISN)的等效电路模型;根据电气结构图,并基于有限建模输入参数下的传导干扰系统级建模方法,建立了母线电容(一个跨接直流母线正负极的薄膜电容,集成了两个正负极对地的薄膜电容)、直流母排的等效电路模型,并通过系统总体验证;7)通过Saber-Simulink联合仿真方法,建立了传导干扰的系统级仿真平台。基于GB/T 18655-2018标准的参数设置,对高压回路中容易超标的150 kHz-30 MHz频段的传导发射(电压法)进行了仿真预测,并对比测试结果验证了整个系统模型干扰回路的准确性;通过对IGBT输出端电压进行时域、频域对比分析,验证了干扰源的准确性;8)基于该仿真平台,分析了系统启动瞬间和稳定后的高压回路传导发射特性,研究了电机驱动系统中的关键寄生参数和返回路径对高压回路传导发射的影响,并基于此设计了端口滤波器以优化系统的传导干扰性能,通过仿真评估了该滤波器的传导发射优化效果。
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