杜明磊，徐中明，丁良旭

(1.重庆大学机械工程学院，重庆 400030; 2.重庆通信学院电力工程系，重庆 400035;3.重庆市电磁兼容工程技术研究中心，重庆 401122)

前言

随着节能减排日益受到重视，混合动力车成为近年来汽车发展的热点。然而，随着车内电子器件和连接线束日益增多，电磁兼容问题越发突出。

与传统汽车相比，混合动力车多采用以“蓄电池+驱动电机”为主的辅助动力系统。工作时蓄电池产生的直流电经过逆变和整流之后提供给驱动电机，而随之产生的高频电磁干扰极易通过线缆向外辐射，成为混合动力轿车的重要电磁干扰源。

针对线束的电磁兼容问题，常采用传输线法等建立线束的电路模型加以研究［1－4］，或以天线效应考察线束的电磁辐射特性［5］。对于汽车线束而言，研究时必须结合车身的结构特性［6－8］。

本文中以某型混合动力轿车为例，参照GB18655—2002测试标准［9］，采用“场-路耦合”方法［10］，将传输线法和有限积分法相结合，研究混合动力轿车内动力线缆的电磁辐射干扰特性。

1 动力线缆电磁辐射干扰的耦合路径分析

某型混合动力轿车采用的是并联结构的中度混合动力系统，其主要结构见图1。

如图1所示，混合动力轿车的辅助动力系统主要包括镍氢动力蓄电池组，ISG驱动电机和电机控制器(IPU)。其中动力蓄电池组和电机控制器安装在车厢后排座椅背后，通过布置在底板上的动力线缆与车前部发动机舱内的ISG驱动电机相连。当处于驱动状态时，动力蓄电池组提供的144V直流电经过电机控制器内的逆变电路变换成ISG驱动电机所需的125V交流电。当动力蓄电池组电能不足时，也可以由发动机带动ISG电机反向运转进入发电状态，经电机控制器给动力蓄电池组充电。

可见，该车混合动力系统的布置结构决定了有较长的动力线缆贯通车体，IPU工作时产生的干扰信号极易通过线缆向外辐射电磁干扰波，成为整车的重要电磁干扰源。

该混合动力轿车在怠速状态下标准参照GB18655—2002标准要求进行整车测试时，动力线缆的电磁辐射干扰耦合路径如图2所示。

图2中动力蓄电池提供的电流经过电机控制器内的逆变电路时产生带有高频谐波的干扰信号，此干扰信号经过动力线缆时会以天线效应的方式向外辐射电磁干扰。辐射干扰被车顶后方的车载天线所接收，通过同轴线传输到测试接收机，经数据处理后得到车辆怠速状态下的电磁辐射强度。

2 动力线缆电磁辐射干扰模型的建立与计算

参照混合动力轿车动力线缆的电磁辐射耦合路径，分别建立整车和动力线缆的电磁仿真模型，采用“场-路”耦合的方法先计算线缆上的电流分布，进而考察其电磁辐射特性。

2.1 车身电磁仿真模型的建立

实际轿车车身多采用大跨度曲面，且接缝很多，如果按照详细结构建立实车模型，会造成过细的网格划分和过多的缝隙耦合，计算量将非常巨大，难以实现。因此，在保证一定计算精度的前提下，必须对车身结构进行适当简化。

以某型混合动力轿车为原型，利用Solidworks建立车身的三维模型，车身尺寸5 034mm×1 973mm×1 115mm(不含轮胎)，如图3所示。

该车模型主要做如下简化:将车身的顶、前/后盖和两侧等均简化成平面结构;略去对电磁辐射传播影响很小的轮胎、座椅、车窗和车灯等非金属部件以及车身上的曲面接缝和微小孔洞，仅保留整车的主体金属结构;车门、后备箱和前发动机舱等都简化成金属实体。

2.2 动力线缆传输线模型的建立

为满足大电流工作状态，混合动力轿车的动力线缆采用大直径多股线缆，简化的传输线模型如图4所示。

由图4可以看出，动力线缆实际上是由许多直径、长度、材料均相同的细铜导线绑扎在一起而成，因此具有相同的电磁辐射特性，所以在研究动力线缆的电磁辐射特性时，只须以线缆内单根导线为研究对象即可［11］。

因此，动力线缆的电路模型可以采用电磁兼容中常用的传输线法(TLM)，仿真中考虑线上损耗，因此将多股的线缆简化为传输线双线模型［12］。

参照简化模型，建立动力线缆的电磁仿真模型。线缆选用双股铜导线，单股横截面积1mm2，线缆长2m，线间距0.1mm，距车底板距离10mm。

将动力线缆导入到整车三维模型中，线缆安装位置与实车一致，置于车厢内偏左侧的底板上。从后排座椅延伸到车厢前端，如图5所示。

仿真模型的其它主要设置如下:

(1)线缆的激励源为125V直流电压源，线缆终端阻抗(电机内阻)初始值设置为50Ω，计算中考虑欧姆损耗和介质损耗;

(2)将车身设置为动力线缆共模电流的回路地线;

(3)参照GB18655—2002的测试要求，场强测试点设在车顶后部的汽车天线处(图2);

(4)边界条件:将车身底面设置成电壁(模拟大地)，其余5个方向设置成开放边界;

(5)频率范围:0～1GHz。

2.3 动力线缆电磁辐射模型的计算

仿真中考虑了线束的欧姆损耗，因此动力线缆的分布参数电路模型可以简化为有耗传输线方程，即

式中:u(t，z)、i(t，z)分别表示 t时刻在坐标 z处的电压和电流;R为单位长度传输线电阻;G为单位长度传输线电导;L0为单位长度传输线电感;C0为单位长度传输线电容。方程通解为

式中:A1、A2、A3、A4为常数。假设已知传输线的初始端电压U0和电流I0，则有耗传输线方程的解为

计算时须将传输线模型离散化成一系列相串联的电路单元组合，每段电路单元尺寸要远小于所考察频率对应的波长，以忽略电磁波的传播影响。分别计算离散化的电路单元，即可得到线缆上的电压和电流分布。

将计算得到的线缆电流分布作为线缆辐射的电流元场源，当离散化的电路单元尺寸l足够小(l＜＜波长λ)，测试点距离导线符合远场特性时，可以用简化的共模/差模电流辐射模型［13］，即

式中:ECM、EDM分别为考察点的共模和差模辐射电场强度，V/m;IC、ID分别为电偶极子电流和电流环电流;l0为电偶极子长度;S为电流环面积;r为测试点到线缆的距离;f为频率。

3 动力线缆的电磁辐射特性仿真分析

电磁仿真时，分别研究动力线缆的长度、终端负载、离地距离和屏蔽等因素对其辐射特性的影响，结果如下。

3.1 线缆长度的影响

保持动力线缆的激励源直流125V、端接电阻50Ω、离地距离10mm等参数不变，仅改变其长度，计算得到车载天线处的电场强度值如图6所示。

由图6可知，其它参数不变，动力线缆长度分别为0.5、1和2m时，线缆的电磁辐射强度变化较小，只是辐射峰值对应的频点发生了位移，符合阵子天线的特性，即电基本阵子天线的物理长度与其辐射特性相关，长度越短其共振频率越高。

3.2 线缆上端接电阻的影响

保持动力线缆的激励源直流125V、长度2m、离地距离10mm等参数不变，仅改变其端接电阻值，计算得到车载天线处的电场强度值如图7所示。

不难看出，随着线缆上的电阻值增大，线缆辐射强度也随着增大。由于电机绕组线圈呈电感性，而在频率高过其谐振点后表现为电容性，因此电机在高频状态下的阻抗变化复杂而剧烈。

3.3 线缆离地距离的影响

保持动力线缆的激励源直流125V、长度2m、端接电阻50Ω等参数不变，分别设置其离地距离为3、10和30cm，计算得到相应的车载天线处的电场强度值如图8所示。

由图8可知，动力线缆离底板距离越大，其电磁干扰辐射强度越大。该结果也验证了共模电流所引起的电磁辐射强度与电路、地线组成的回路面积相关，回路面积越大，辐射强度越大。因此，为减小动力线缆的电磁干扰辐射，线缆应该紧贴车厢底板，避免悬空。

3.4 屏蔽效果

为减小线缆的电磁干扰辐射，屏蔽是较为有效的措施。仿真中，保持动力线缆的激励源直流125V、长度2m、端接电阻50Ω、离地距离10cm等参数不变，分别考察3种情况下线缆的辐射特性。一是未采取措施的动力线缆。二是采用相同直径的双绞线代替原先的直导线，线的“绞距”是10mm。三是在直导线外加一层金属屏蔽层，厚度0.5mm，并做好接地。将3种情况下计算得到的动力线缆电磁辐射特性进行对比，获得的最终结果如图9所示。

由图9可见，采用双绞线代替直导线后，线缆电磁辐射强度的减小幅度不明显，且对于多股线缆来说，采用双绞线结构加工制作较为复杂，因此该措施的实际意义不大。而对线缆采用屏蔽措施后，只要接地良好，线缆的电磁辐射强度明显降低，而且线缆外加屏蔽层也容易实施，因此外加屏蔽层是降低线缆电磁干扰辐射的有效措施。

4 线缆电磁辐射干扰的改进试验

某型混合动力汽车在怠速状态下参照GB18655—2002进行试验时发现整车的辐射超标严重。具体测试结果见图10。图中水平线为GB18655—2002的电场强度限值线。可见测得的实车电磁干扰辐射明显超过标准所规定的限值，测试结果不合格，须进行电磁兼容改进。

经分析发现，怠速时混动车由动力蓄电池经电机控制器通过动力线缆驱动ISG电机工作，由于蓄电池组和电机控制器均做了良好的滤波和屏蔽措施，只有动力线缆未加任何处理措施，因此参照仿真计算的结果，决定对线缆进行屏蔽处理。

采用铜质的屏蔽编制网将动力线缆包裹住，然后用导电胶布将其紧紧缠绕，以保证屏蔽层的良好电连续。然后将动力线缆重新布置在车厢底板上，并且线屏蔽层与车底板做好多点良好的接地。在动力线连接端口屏蔽层也与电机控制器和电机接口做到360°良好连接，不让动力线缆直接裸露。做好线缆的屏蔽后，重新测试整车，得到的结果见图11。

测试结果表明，采取线缆屏蔽后，整车的电磁干扰辐射明显降低，说明之前的干扰主要就是由裸露的动力线缆向外辐射产生，也说明线缆屏蔽对于降低混动车的电磁干扰辐射效果良好。

5 结论

(1)经过建模、仿真和试验验证说明，所建的动力线缆与整车的简化模型能反映实际混动车动力线缆的电磁干扰辐射特性，该方法对于研究车辆的线束电磁干扰辐射特性及其抑制具有较好的指导意义。

(2)仅改变动力线缆的长度并不能明显减小其辐射强度，而会改变其辐射强度的频谱分布。

(3)动力线缆的端接负载大小对线缆的辐射特性影响明显，端接阻抗越大，线缆的电磁辐射越强。与驱动电机相连时，由于高频状态电机阻抗变化剧烈，因此线缆的电磁辐射也会随之明显变化。

(4)动力线缆应尽可能紧贴车身布置，减小线缆与地之间的回路面积，以减小线缆的电磁辐射。

(5)相比未采取电磁降噪措施的动力线缆，采用双绞线对于降低动力线缆的电磁辐射来说效果不明显，采用线缆屏蔽措施能够明显降低其电磁辐射强度，屏蔽时要注意与车身的良好接地以及线缆接头处的端接屏蔽。

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