电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统

摘要

本发明涉及一种电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统，由线缆模型仿真模块、逆变器功率回路仿真模块、功率回路信号采集模块三部分组成。本发明主要用于分析电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰的产生机理和传播路径。线缆模型仿真模块在电磁兼容线缆建模仿真软件下建立，逆变器功率回路仿真模块在电磁兼容高频电路建模仿真软件下建立，功率回路控制信号采集模块在数学仿真软件下建立。仿真工作过程中功率回路控制信号采集模块将控制信号输入到逆变器功率回路仿真模块，控制逆变器工作，由逆变器功率回路仿真模块的电压监控模块和电流监控模块采集功率回路的电压和电流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统，用于电动汽车电机驱动系统电磁兼容性分析。

背景技术

标准《GB/T 18387-2008电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法宽带9kHz～30MHz》对电动汽车9kHz-30MHz的电磁场发射强度作出了限制，电动汽车用交流电机驱动系统由逆变器功率回路、控制电路、机箱、散热器、电缆等几部分组成，其中逆变器功率回路的主要部件为功率模块或元器件，如PIM或IGBT等。这些功率模块，例如IGBT，在工作时处于高速通断模式，在它的集电极和发射极之间会形成高频dv/dt，从而产生了宽频带电磁干扰，频率范围超过数十兆赫兹。随着电机向轻小化、高效化的方向发展，对功率模块的开关速度的要求也越来越高，这就使得功率模块产生的电磁干扰更为强烈，这些电磁干扰通过传导和辐射两种传播方式影响车载电子零部件的正常工作，对于系统自身可能引起电机端轴承电流过大，使得轴承损伤或者烧坏电机绝缘层，也可能通过线缆、车架、辐射等多种方式影响其他车载电子设备的正常工作。因此电机驱动系统产生的电磁干扰不仅关系到自身的工作可靠性，而且会影响整车及邻车的电磁兼容性、安全运行能力和工作可靠性。所以研究该电磁干扰的产生机理和抑制方法对电动汽车的发展有着实际意义。

电动汽车电机驱动系统的电磁干扰分为传导电磁干扰和辐射电磁干扰，逆变器功率回路中的功率器件高速通断产生的干扰首先在系统元器件、连接件和线缆上以传导干扰的方式进行传播，由于电动汽车用动力线缆长度较长，传导干扰会通过直流动力线缆和电机三相交流动力线缆对外产生辐射，因此传导干扰为主要干扰源。

当前对电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰的分析通常采用实验的方法来测试系统的电磁干扰，通过安装人工电源网络，使用接收机或频谱分析仪测试系统的传导干扰电压。对于出现的电磁干扰，通常采用在电机控制器外部加装滤波器的方法加以抑制，这种抑制方法增加了产品的成本、延长了研发周期，并且不能很好地分析传导电磁干扰产生的根源及传播途径，更无法对电机控制器内部产生的传导电磁干扰进行分析与抑制。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明通过电磁兼容软件对电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰电路进行建模仿真，通过实时控制功率模块工作，分析电机控制器、线缆、电机上的传导电磁干扰产生的根源和传播路径，并可进一步的分析研究抑制传导电磁干扰的方法。

技术方案：一种电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统包括线缆模型仿真模块、逆变器功率回路仿真模块、功率回路控制信号采集模块三部分，如附图1所示。

线缆模型仿真模块01如附图2所示，包括正极直流动力线缆3D模块30、负极直流动力线缆3D模块31、W相交流动力线缆3D模块32、V相交流动力线缆3D模块33、U相交流动力线缆3D模块34。

逆变器功率回路仿真模块02如附图2所示，包括：电源模块1、正极人工电源网络模块2、负极人工电源网络模块3、正极直流动力线缆模块4、负极直流动力线缆模块5、功率模块正极引线电感模块6、功率模块负极引线电感模块7、逆变器功率模块8、滤波电容模块9、U相交流动力线缆模块10、V相交流动力线缆模块11、W相交流动力线缆模块12、电机模块13、电机模块对地电容模块14、功率控制模块对地电容模块15、功率模块正极端A对地电容模块16、功率模块负极端B对地电容模块17、大地模块18、正极人工电源网络电压监测模块19、负极人工电源网络电压监测模块20、正极直流动力线缆电流监测模块21、负极直流动力线缆电流监测模块22、直流动力线缆共模电流监测模块23、U相交流动力线缆电流监测模块24、V相交流动力线缆电流监测模块25、W相交流动力线缆电流监测模块26、三相交流动力线缆共模电流监测模块27。

功率回路控制信号采集模块03如附图2所示，包括控制信号输入端口模块28和功率回路控制信号数据模块29。

线缆模型仿真模块01、逆变器功率回路仿真模块02、功率回路控制信号采集模块03的连接方式为：

线缆模型仿真模块01中的正极直流动力线缆3D模块30通过协同仿真路径N28生成逆变器功率回路仿真模块02中的正极直流动力线缆模块4，线缆模型仿真模块01中的负极直流动力线缆3D模块31通过协同仿真路径N29生成逆变器功率回路仿真模块02中的负极直流动力线缆模块5，线缆模型仿真模块01中的W相交流动力线缆模块32通过协同仿真路径N30生成逆变器功率回路仿真模块02中的W相交流动力线缆模块12，线缆模型仿真模块01中的V相交流动力线缆3D模块33通过协同仿真路径N31生成逆变器功率回路仿真模块02中的V相交流动力线缆模块11，线缆模型仿真模块01中的U相交流动力线缆3D模块33通过协同仿真路径N32生成逆变器功率回路仿真模块02中的U相交流动力线缆模块10。

功率回路控制信号采集模块03中的控制信号输入端口模块28的输入端通过连接线N33与功率回路控制信号数据模块29相连，控制信号输入端口模块28的输出端通过信号线N34与逆变器功率模块8的控制端C相连。

如附图2所示，逆变器功率回路仿真模块02的连接方式为：

电源模块1的正极通过动力线N1与正极直流动力线缆模块4的输入端相连，电源模块1的负极通过动力线N2与负极直流动力线缆模块5的输入端相连，正极直流动力线缆模块4的输出端通过动力线N7与功率模块正极引线电感模块6的输入端相连，负极直流动力线缆模块5的输出端通过动力线N8与功率模块负极引线电感模块7的输入端相连，滤波电容模块9的正极输入端通过连接线N5与功率模块正极引线电感模块6的输入端相连，滤波电容模块9的负极输出端通过连接线N6与功率模块负极引线电感模块7的输入端相连，功率模块正极引线电感模块6的输出端通过动力线N9与逆变器功率模块8的正极端A相连，功率模块负极引线电感模块7的输出端通过动力线N10与逆变器功率模块8的负极端B相连，逆变器功率模块8的U相输出端通过动力线N11与U相交流动力线缆模块10的输入端相连，逆变器功率模块8的V相输出端通过动力线N12与V相交流动力线缆模块11的输入端相连，逆变器功率模块8的W相输出端通过动力线N13与W相交流动力线缆模块12的输入端相连，U相交流动力线缆模块10的输出端通过动力线N14与电机模块13的U相输入端相连，V相交流动力线缆模块11的输出端通过动力线N15与电机模块13的V相输入端相连，W相交流动力线缆模块12的输出端通过动力线N16与电机模块13的W相输入端相连。电机模块13的对地端通过连接线N17与电机模块对地电容模块14的输入端相连，电机模块对地电容模块14的输出端通过连接线N18与大地模块18相连，逆变器功率模块8的对地端通过连接线N19与功率控制模块对地电容模块15的输入端相连，功率控制模块对地电容模块15的输出端通过连接线N20与大地模块18相连，逆变器功率模块8的正极端A通过连接线N21与功率模块正极端A对地电容模块16的输入端相连，功率模块正极端A对地电容模块16的输出端通过连接线N22与大地模块18相连，逆变器功率模块8的负极端B通过连接线N23与功率模块负极端B对地电容模块17的输入端相连，功率模块负极端B对地电容模块17的输出端通过连接线N24与大地模块18相连。正极人工电源网络模块2的输入端通过连接线N3与动力线N1相连，正极人工电源网络模块2的输出端通过连接线N25、N27与大地模块18相连，负极人工电源网络模块3的输入端通过连接线N4与动力线N2相连，负极人工电源网络模块3的输出端通过连接线N26、N27与大地模块18相连。正极人工电源网络电压监测模块19串联在正极人工电源网络模块2内部，负极人工电源网络电压监测模块20串联在负极人工电源网络模块3内部，正极直流动力线缆电流监测模块21串联在动力线N1上，负极直流动力线缆电流监测模块22串联在动力线N2上，直流动力线缆共模电流监测模块23串联在连接线N27上，U相交流动力线缆电流监测模块24串联在动力线N14上，V相交流动力线缆电流监测模块25串联在动力线N15上，W相交流动力线缆电流监测模块26串联在N26上，三相交流动力线缆共模电流监测模块27串联在连接线N17上。

本发明涉及电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统的仿真过程如下：

第一步：如附图2所示，将线缆模型仿真模块01中的五个模块：正极直流动力线缆3D模块30、负极直流动力线缆3D模块31、W相交流动力线缆3D模块32、V相交流动力线缆3D模块33、U相交流动力线缆3D模块34在电磁兼容仿真软件线缆工作室中建模，通过协同仿真路径N28、N29、N30、N31、N32在电磁兼容仿真软件设计工作室中生成对应的逆变器功率回路仿真模块02中的正极直流动力线缆模块4、负极直流动力线缆模块5、W相交流动力线缆模块12、V相交流动力线缆模块11、U相交流动力线缆模块10。

第二步：将功率回路控制信号采集模块03中功率回路控制信号数据模块29采集到的信号通过连接线N33输入到控制信号输入端口模块28中，经过数据处理后，将信号通过信号线N34输入逆变器功率模块8的控制端C。

第三步：如附图2所示，在电磁兼容仿真软件设计工作室中搭建逆变器功率回路仿真模块02，电压由电源模块1提供，通过直流动力线供给逆变器功率模块8，逆变器功率模块8将直流电逆变为交流电后通过交流动力线给电机模块13供电。

第四步：在电磁兼容仿真软件中对线缆工作室和设计工作室进行联合仿真，运行电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统。

第五步：仿真过程结束后，通过正极人工电源网络电压监测模块19测得仿真过程中的直流母线正极传导电压，通过负极人工电源网络电压监测模块20测得仿真过程中的直流母线负极传导电压，通过正极直流动力线缆电流监测模块21测得仿真过程中的直流母线正极传导电流，通过负极直流动力线缆电流监测模块22测得仿真过程中的直流母线负极传导电流，通过直流动力线缆共模电流监测模块23测得仿真过程中的直流动力线共模电流，通过U相交流动力线缆电流监测模块24测得仿真过程中的U相交流动力线缆电流，通过V相交流动力线缆电流监测模块25测得仿真过程中的V相交流动力线缆电流，通过W相交流动力线缆电流监测模块26测得仿真过程中的W相交流动力线缆电流，通过三相交流动力线缆共模电流监测模块27测得仿真过程中的三相交流动力线缆共模电流。

优点功效：

本发明利用电磁兼容仿真软件对电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰电路进行建模，实现了电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真。利用本发明，可以预测和分析电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰，节省了实物测试所需的实验场地、仪器设备和人员等资源，为电动汽车电机驱动系统电磁兼容性预测提供了一种有效的方法。

附图说明

附图1本发明总体结构示意图

附图2电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统结构图

附图3五根线缆在CST线缆工作室中的3D模型图

附图4电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真模型图

附图5直流动力线正极传导电压结果图

附图6直流动力线共模电流结果图

具体实施方式

本发明提供交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统的一种实现方法，下面以电动汽车20kW三相交流电机逆变器功率回路为例，结合附图对本发明的技术方案做详细描述。

第一步：将线缆模型仿真模块01中的五个模块：正极直流动力线缆3D模块29、负极直流动力线缆3D模块30、U相交流动力线缆3D模块34、V相交流动力线缆3D模块33、W相交流动力线缆模块32在电磁兼容仿真软件CST的线缆工作室中建模仿真，生成的3D模型如附图3所示。其中五根线缆均为圆线，线缆内部为铜芯，铜芯直径为10mm，外部被橡胶圈包覆。两根直流动力线长度均为1.5m，三根交流动力线长度均为0.8m。五根线缆在电磁兼容仿真软件ComputerSimulation Technology(CST)的线缆工作室中建模，通过协同仿真路径在CST设计工作室生成对应的正极直流动力线缆模块、负极直流动力线缆模块、U相交流动力线缆模块、V相交流动力线缆模块和W相交流动力线缆模块，如附图4所示。

第二步：将功率回路控制信号采集模块03中的功率回路控制信号数据模块29等效为示波器采集到的实验中IGBT控制端信号数据，将该信号数据输入到控制信号输入端口模块28中，经过数据处理转化为ASCII码后，输入到如附图4所示的信号源1、2、3、4、5、6中控制逆变器功率模块中IGBT的通断。

第三步：如附图4所示，在CST设计工作室中搭建逆变器功率回路仿真模块02，其中电源电压为288V，正极人工电源网络模块2等效为电容C1＝0.47nF和电阻R1＝50Ω串联，负极人工电源网络模块3等效为电容C2＝0.47nF和电阻R2＝50Ω串联，滤波电容模块9为电容C3＝50μF，逆变器功率模块8由六个型号均为STGW39NC60VD的IGBT组成，编号分别是S1、S2、S3、S4、S5、S6，功率模块正极引线电感模块6等效为电感L1＝5nH、L2＝5nH、L3＝5nH，功率模块负极引线电感模块7等效为电感L4＝5nH、L5＝5nH、L6＝5nH，功率模块正极端A对地电容模块16等效为电容C4＝133pF、C5＝133pF、C6＝133pF，功率模块负极端B对地电容模块17等效为电容C7＝35pF、C8＝35pF、C9＝35pF，功率控制模块对地电容模块15等效为电容C10＝133pF、C11＝133pF、C12＝133pF，电机模块13为20kW永磁同步电机，等效为三个电感L7＝2mH、L8＝2mH、L9＝2mH星形连接而成。电机模块对地电容模块14为电容C13＝200pF。288V电压通过直流动力线供给六个IGBT，经过逆变过程后将交流电通过交流动力线给电机供电。正极人工电源网络电压监测模块19对应探针P1，负极人工电源网络电压监测模块20对应探针P2，正极直流动力线缆电流监测模块21对应探针P3，负极直流动力线缆电流监测模块22对应探针P4，直流动力线缆共模电流监测模块23对应探针P5，U相交流动力线缆电流监测模块24对应探针P6，V相交流动力线缆电流监测模块25对应探针P7，W相交流动力线缆电流监测模块26对应探针P8，三相交流动力线缆共模电流监测模块27对应探针P9。

第四步：在CST中对线缆工作室和设计工作室进行联合仿真，运行电动汽车交流电机逆变器功率回路的传导电磁干扰仿真系统。

第五步：仿真结束后由探针P1得到直流动力线传导正极电压结果如附图5所示，由探针P5得到直流动力线共模电流结果如附图6所示。