增程式电动汽车动力系统电磁兼容研究

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摘要:汽车电磁兼容性(EMC)是保证整车及其各分系统设备正常工作的关键技术。随着现代汽车工业的发展,包括汽车电子技术的快速发展,汽车EMC问题的发展速度已经大大超过汽车技术发展的平均水平。日益增多的汽车电子产品,如循迹控制系统(TCS),全球卫星定位系统(GPS)等等,使狭小的空间充斥着越来越多的电子产品,因此不可避免地使电磁兼容问题更加复杂。尤其对于新能源汽车来说,驱动电动机、大功率器件等电气电子设备的增多、各种类型的电气电子设备集中布置以及整车的各种设备通过电气设备连接在一起,电磁波频率变化范围从数千赫兹到兆赫兹,构成了极其复杂的电磁环境,因此电磁兼容问题成为了汽车研究中的关键问题之一,是系统工程的重要组成部分。目前,产品的电磁兼容标准评估几乎都是通过暗室实测来完成的。而采用软件仿真设计日常电子产品时,在设计之初就考虑电磁兼容的问题是十分必要的;而仿真预估又是发现关键问题、及时快速解决问题、减少设计成本、从而缩短开发周期的经济和有效的方法。预估对高频率现象更是不可或缺。基于上述情形,论文结合吉林省科技厅项目开展了汽车电磁兼容的仿真技术研究。对于汽车这样的复杂大系统,很难准确建立某种数学模型,而且建模过程中,只有采用有效的模型才能准确反映电磁兼容,因此采用系统学方法和优先考虑等效原则就显得尤为必要。大多数传统的分析方法直接采用系统的物理电路来划分,这样划分出来的结果往往很复杂。协同学理论告诉我们,各子系统具有多种多样的属性,就整体环境而言,子系统间既协作配合又相互制约,是一种对立统一的关系;由各子系统组成的大系统或整体系统对外则表现为遵循共同规律,包括一定条件下的转变、演变和相互作用。在子系统中找出影响系统变化的控制因素并进行后期分析,从整体入手研究复杂系统的演化行为特点,根据理论推出简单有效的数学模型,把研究成果推广,基于协同学的思想去拓宽适用范围,从而为开辟理论适用的新领域提供现实、快捷、方便之路。协同学认为,慢驰豫参量决定了系统的整体性质及其发展。根据已知实测数据进行电路分析,基于计算电磁学,对增程式汽车电磁系统建立模型,并确立合理的研究模型对子系统进行研究;依据协同学原理选取电磁兼容性能指标(如敏感度等)来看作序参量,分析各子系统情况,以及整个系统相互关系,并且因此推出序参量方程来对汽车电磁兼容进行系统研究,最终掌握汽车电磁兼容研究的系统级技术,得到了研究汽车的电磁兼容问题的理论基础。增程式电动汽车在纯电动汽车的基础上使用了增程器,这使汽车的再续驶里程得到了进一步的增加。附加装置主要包括有发电机、内燃机(ICE)和油箱。很显然,电磁兼容环境更加复杂,既涉及永磁同步电机启动的电磁兼容问题,又必须考虑在续驶里程不足时的点火开关的电磁兼容问题。论文对增程式电动汽车的驱动电动机和增程器发动机点火开关的电磁兼容性进行了基于慢驰豫变量方法的研究及仿真计算,找出影响电动机电磁干扰的慢驰豫变量,并对瞬态变化进行了分析,如电动机启动瞬间情况,建立相应的电机电磁场数学模型,该模型中包含电磁兼容中的三要素,即敏感设备、干扰源、传输路径。对于同一敏感设备,对比电磁干扰值与敏感度阈值大小判断是否电磁兼容。根据前面介绍的协同学理论,可以很容易的选取序参量,不容置疑地要选取磁场能量密度wm。对增程器发动机点火系统进行深入研究,结果表明初级回路的电流是影响发动机对外干扰的重要因素,将其做为慢驰豫变量进行研究,同时建立了发动机次级回路的等效模型;其次,通过对点火火花电流的仿真,从中得到抑制其对外电磁干扰的若干方法;对增程式电动汽车DC/AC逆变器及传输线束进行电磁兼容研究,运用协同学理论及相关计算方法,对影响电源系统和传输线束电磁兼容性的相关重要参数进行了研究及仿真计算。从介绍逆变器的结构和工作原理入手,分析DC/AC逆变器电磁辐射源,并建立了各辐射源的模型,得出仿真图像,进一步分析它们的辐射情况。对传输线束串扰理论进行了阐述,并建立了三导体传输线(适用多导体)串扰模型。基于协同学理论,针对无损耗多导体传输线建立了串扰计算模型,分析了负载阻抗与导线特征阻抗之间的关系;对均匀及非均匀介质传输线两种情况,根据推导的多导体传输线串扰公式求解出导线近端及远端的串扰值。与EMC studio的仿真结果进行对比,验证了模型的可靠性;利用系统论的思想观点,将研究对象作为一个整体进行电磁兼容预测及计算,开发出一套有效的电动汽车增程式动力系统电磁兼容性预测软件,同时给出了相关电磁干扰抑制措施,与实测数据相对比后,研究结果说明通过仿真预测能够解决汽车系统的电磁兼容问题;协同学理论可以应用到汽车电磁兼容范畴,研究具有实际意义。
未经本论文作者的书面授权,依法收存和保管本论 文书面版本、电子版本的任何单位和个人,均不得对本 论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发 行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用(但纯 学术性使用不在此限)。否则,应承担侵权的法律责任。 吉林大学博士(或硕士)学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交学位论文,是本人在指导教师的指导 下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要页献的个人和集体,均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 扬矸字 日期:205年6月?日 摘要 摘要 增程式电动汽车动力系统电磁兼容研究 汽车电磁兼容性(EMC)是保证整车及其各分系统设备正常工作的关键技术 随着现代汽车工业的发展,包括汽车电子技术的快速发展,汽车EC问题的发展 速度已经大大超过汽车技术发展的平均水平。日益增多的汽车电子产品,如循迹 控制系统(TCS),全球卫星定位系统(GPS)等等,使狭小的空间充斥着越来越 多的电子产品,因此不可避免地使电磁兼容问题更加复杂。尤其对于新能源汽车 来说,驱动电动机、大功率器件等电气电子设备的增多、各种类型的电气电子设 备集中布置以及整车的各种没备通过电气设备连接在一起,电磁波频率变化范围 从数千赫兹到兆赫兹,构成∫极其复杂的电磁环境,因此电磁兼容问题成为∫汽 车研究中的关键问题之一,是系统工程的重要组成部分。 且前,产品的电磁兼容标准评估几乎都是通过暗室实测来完成的。而采用软 件仿真设计日常电子产品时,在设计之初就考虑电磁兼容的问题是十分必要的 而仿真预估又是发现关键问题、及时快速解决问题、减少设计成本、从而缩短开 发周期的经济和有效的方法。预估对高频率现象更是不可或缺。基于上述情形, 论文结合吉林省科技厅项目开展了汽车电磁兼容的仿真技术研究 对于汽车这样的复杂大系统,很难准确建立某种数学模型,而且建模过程中, 只冇采用冇效的模型才能准确反映电磁兼容,因此采用系统学方法和优先考虑等 效原则就显得尤为必要。大多数传统的分析方法直接采用系统的物理电路来划分, 这样划分出来的结果往往很复杂。协同学理论告诉我们,各子系统具有多种多样 的属性,就整体环境而言,子系统间既协作配合又相互制约,是一种对立统一的 关系;由各子系统组成的大系统或整体系统对外则表现为遵循垬冋规律,包括 定条件下的转变、演变和相互作用。在子系统中找出影响系统变化的控制因素并 进行后期分析,从整体入手研究复杂系统的演化行为特点,根据理论推出简单有 效的数学模型,把硏究成果推广,基于协冋学的思想去拓宽适用范围,从而为开 辟理论适用的新领域提供现实、快捷、方便之路。 言林大学博士学位论文 协同学认为,慢驰豫参量决定了系统的整体性质及其发展。根据已知实测数 据进行电路分析,基于计算电磁学,对增程式汽车电磁系统建立模型,并确立合 理的研究模型对子系统进行硏究;依据协同学原理选取电磁兼容性能指标(如敏 感度等)来看作序参量,分析各子系统情况,以及整个系统相互关系,并且因此 推出序参量方程来对汽车电磁兼谷进行系统研究,最终掌握汽乍电磁兼容研究的 系统级技术,得到了研究汽车的电磁兼容问题的理论基础。 增程式电动汽车在纯电动汽车的基础上使用了增程器,这使汽车的再续驶里 程得到了进一步的增加。附加装置主要包括有发电机、内燃机(ICE)和油箱。 很显然,电磁兼容环境更加复杂,既涉及永磁同步电机启动的电磁兼容问题,又 必须考虑在续驶里程不足时的点火开关的电磁兼容问题 论文对增程式电动汽车的驱动电动机和増程器发动机点火开关的电磁兼容 性进行了基于慢驰豫变量方法的硏究及仿真计算,找岀影响电动机电磁干扰的慢 驰豫变量,并对瞬态变化进行了分析,如电动机启动瞬间情况,建立相应的电机 电磁场数学模型,该模型中包含电磁兼容中的三要素,即敏感设备、干扰源、传 输路径。对于同一敏感设备,对比电磁「扰值与敏感度阈值大小判断是否电磁兼 容。根据前面介绍的协同学理论,可以很容易的选取序参量,不容置疑地要选取 磁场能量密度w。对増程器发动机点火系统进行深入硏究,结果表明初级回路的 电流是影响发动机对外十扰的重要因素,将其做为慢驰豫变量进行研究,同时建 立了发动机次级回路的等效模型:其次,通过对点火火花电流的仿真,从中得到 抑制其对外电磁干扰的若干方法;对增程式电动汽车DC/AC逆变器及传输线束进 行电磁兼容硏究,运川协同学理论及相关计算方法,对影响电源系统和传输线朿 电磁兼容性的相关重要参数进行了研究及仿真计算。从介绍逆变器的结构和工作 原理入手,分析DC/AC逆变器电磁辐射源,并建立了各辐射源的模型,得出仿真 图像,进一步分析它们的辐射情况。对传输线朿串扰理论进行了阐述,并建立了 三导体传输线(适用多导体)串扰模型。基于协同学理论,针对无损耗多导体传 输线建立了串扰计算模型,分析了负载阻抗与导线特征阻抗之间的关系;对均匀 及非均匀介质传输线两种情况,根据推导的多导休传输线串扰公式求解出导线近 端及远端的牛扰值。与 EMC studio的仿真结果进行对比,验证了模型的可靠性; 摘要 利用系统论的思想观点,将研究对象作为一个整体进行电磁兼容预测及计算,开 发出一套有效的电动汽车增程式动力系统电磁兼容性预测软件,同时给出了相关 电磁『扰抑制搢施,与实测数据相对比后,研究结果说明通过仿寘预测能够解决 汽车系统的电磁兼谷问题;协同学理论可以应用到汽车电磁兼容范畴,研究具有 实际意义。 关键词 增程式,协同学理论,电动汽车,预测软件,电磁兼容,动力系统 Abstr act Abstract Research on Electromagnetic Compatibility of Power system for extended range electric car Electromagnetic compatibility(EMc) of cars is the essential problem of the automobile and its accessory system equipment. With the rapid development of modern automobile technology, especially the automobile electronic technology, the problem arisen from the emc is getting greatly faster than that of the average developmental level of automotive technology. Electronic products, such as tracking control system(TcS) global positioning system (GPS), etc, being confined to a narrow space make the emc problein more complicated, especially for nlew energy vehicles. Due to the increase of driving totor and high power devices, conpact arrangement of various types of electrical and electronics equipment, and the devices in the vehicles being connected together by the electrical equipment, electromagnetic wave frequency distributes from kilohertz to megahertz, forming an extreme ly complicated electromagnetic environment which leads the emc to one of the key issues in the study of the vehicles and an important component of the system engineering At present, assessment criteria of eMc for the product are almost accomplished by using an anechoic chamber. However, with the development of software simulation it is necessary to consider the problems of EMC at the beginning of the design of daily electronic product. Meanwhile simulation has been proved to be an economic and effective le thod for discovering and solving problems, reducing the design cost, and thus shortening the development cycle. Simulation is of most importance for application in high frequency phenomenon Based on the above situations Doctoral Dissertation of Jilin University and combined with the Project of Jilin Provincial science Technology Department, this work focuses on the study of the simulation technology of the automobile emc It is difficult to establish some mathematical model exactly for such a large system of vehicle. Furthermore, every time of approximation or equivalent operation might indicale a scarification of EMC characters of one system. Therefore, consideration of systematic methods and equivalent principles is extremely important. Most of the conventional analysis methods emp loy physical circuit, which tend to complicate the emc problems Synergetics theory indicates that each subsystem is different with others in characters and they constraint and coordinate with each other in view of the overall environments. Normally, large system or the overall system composed of subsystem exhibits a common law, such as transformation evolution and interaction under some certain conditions. Finding out factors that might influence the systems and carrying out the latter analysis, studying on complex system based on the overall exploration deducing simple and effective lla thema ical odel from theories suilable, effective and convenient way lo settle emc problem of cars could be expected According to synergetics theory parameters of slow relaxation are the rate-determining step for the overall properties and development of the system. In this work, the electric circuit has been analyzed in the basis of the measured data, mathematic model is established in accordance with computational electromagnetics and uses to the study of subsystems the emc indicators like the interference degree, sensitivity, etc.are selected as order parameter based on the synergetics theory and the order parameter equation is used for analysis of each subdomain for determination of the total impact of interference. A general approach has been proposed to study on the EMC problems in electronic systen of the Abstr act cars that will exert greatly potential influence on the understanding and settlement of EMc problems ompared with the electric car, Journey Increasing Model of Electric auto with a Range Extender makes travel distance further increase. The additional attachment mainly consists of generators internal combustion engine (ICE) and the fuel tank. Obviously, the lectromagnetic compatible environment becomes more complicated, i.e he emc problems both relevant to starting of Permanent-Magnet Synchronous motor and ignition switch in the situation of the deficiency of the endurance mileage The emc relevant to the drive motor of extended range electric car and the ignition switch of extended engine has been studied and calculated based on the slow relaxation me thod, which figured out variables impacted on the electromagnetic interference of motor and analyzed the transient hange, such as motor starting moment. A corresponding mathematical model of motor electromagnetic field has been established that includes three Tactors, namely the sensitive equipment, the interference source, and thle Transmission path For equi pent with same sensitivily, electromagne t ompatibility or not by car electrical system can be judged by comparison of the value of electromagnetic interference and the sensitivity threshold. according to the synergetics theory, it is no doubt to choose magnetic energy density Wm as order parameter In-depth study for extended engine ignition system shows that the important factor that impacts on engine external jamming is the secondary current which is regarded as a slow decay variable, and the equivalent model of the secondary loop for engines is built. Second, through the spark current simulation, some conclusions that suppress electromagnetic interference are made, such as appropriate to reduce the current etc Che emc research on Dc- AC inverter and wiring harness of extended range Doctoral Dissertation of Jilin University electric car, with of the synergetic theory and related calculation me thod analyzes the important parameters which impact on the calculation and simulation of the power system and wiring harness With the introduction of structure and operating principle of the inverter, electromagnetic radiation source of the DC/AC inverter has been analyzed. The eslablishment of the model for each radiation source leads to a simulation image, which further analyze their radiation degree. The crosstalk mechanism of transmission lines is explained and the crosstalk model of three conductor transmission lines (for multiple conductors) has is established. The crosstalk calculation model has been abtained with the lossless multiconductor transmission lines based on synergetic theory The formula is derived to analyze the relationship between the load impedance and the characteristic impedance. For the uniform and nonuniform medium respectively, the crosstalk values of near-end and far-end of multiconductor transmission lines can be calculated according to the derived formulas. The feasibility of the model is verified by comparison with the results of the eMc studio. Finally, the ideas of systeml theory are used to predict and calculate the electromagnetic compatibility problem of the object (car) as a whole. An effective prediction software on dynamic system of extend-range electric car is developed, and related suppression measures are given. Comparing with the measured data, the feasibility of the synergetic theory on study of automobile emc problems has been verified and a technology provided for the study of electromagnetic compatibility on car system-level is developed Keywords: Extended range, Synergetics Theory, Electric Car, Prediction Software Electromagnetic Compatibility, Power System

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