（电机与电器专业论文）电动汽车用dcdc变换器控制系统抗干扰的研究.pdf

济大学硕士学位论文电动汽车用d c d o 变换 | 控制系统抗十扰的研究 a t ) s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b u i t y e m c ) i sam a r g i n a ls u b j e c t t h a t i n t e r c r o s s e sm a n ys u b j e c t s i ts t a r t e di nr e c e n ty e a r s a n di th a sb e e nb r o a d l y u s e di nm a n yf i e l d s e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fm e c h a n i s ma n de l e c t r i c i t y , i th a s b e e np u tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h em a i ns u b j e c tt h a te m cd i s c u s s e si s h o wt oi e tt h ee q u i p m e n t sa n ds y s e m si nt h es a m ee n v i r o n m e n tw o r kt o g e t h e r w i t h o u ti n t e r f e r e n c e 。t h i st h e s i s n t e r s0 nt h ea n a l y s i so fa n dr e s e a r c hi n t o t h ei m m u n i t yo ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fd ( 拥cc o n v e r t e r , w h i c hi su s e do n f u e le l e c t r i c a lv e h i c l e ( f e v ) t h i st h e s i sd i s c u s s e s d e e p l yt h e t h r e em a i nf a c t o r s c o m p o s i n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) i nd c d cc o n v e r t e r ；t h e ya r ee m is o u r c e ， a p p r o a c ha n dt h es e n s i t i v ee q u i p m e n t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h em a i ne m i s o u r c e sa n dt h ep r i n c i p l ep r o d u c i n ge m i t h i st h e s i sa n a l y s e st h et w o a p p r o a c ht h a te m is p r e a d sa b r o a d 。t h e ya r ec o n d u c t i o na p p r o a c ha n d r a d i a t i o na p p r o a c h f i n a l l y , t h i st h e s i sg i v e st h er e l a t i v es o l u t i o ni ne m ct h e o r y t h i st h e s i sa n a l y s e st h es t r u c t u r eo fe m ct e s t i n g ，a n dg i v e san e we m c t e s t i n gp l a nb a s e do nt h ei n t e r n a t i o n a le m cs t a n d a r d so nv e h i c l ed e v i c e s t h i st h e s i sd i s c u s s e st h en e wt e s t i n gp l a nc o m p o s i n g 。c o m p a r e st h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h en e we m ct e s t i n gp l a na n dt h eo l do n e a n d d r a w sa c o n c l u s i o nt h a tt h ee m ct e s t i n gp l a nb a s e do nv e h i c l ed e v i c e si sm u c hm o r e f i t t e df o rd c d cc o n v e r t e r t h i st h e s i sa n a l y s e sh o wt os o l u t e ，i n c l u d i n gt h er e l a t i v ee m c c o m p o n e n t sc h o s e na n de m c c i r c u i t sd e s i g n e d ，t h ee m cp r o b l e m sd u r i n gt h e d c d cc o n v e r t e ri su n d e re m ct e s t i n g , w h i c hi sb a s e do na n a l y z i n gt h e i n t e r f e r e n c ea n di m m u n i t yo fe m c k e yw o r d s e m c ，d c d cc o n v e r t e r e m ct e s t i n gp l a n ，e m cs o l u t i o n s i l 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 电动沲奎旦q q 也q 銮逸整燕 剑丕统远土选数殛窟：! 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体j 均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 i d 济大学碳j 。学位论文电动汽车用d c o c 变换器拄制系统抗十扰的研究 1 绪论 1 1 引言 环境污染和能源危机已引起全球关注。内燃机汽车带来的污染及石油的日 益枯竭使得世界汽车行业正面临着一场革命。为了解决汽车给人类带来的环境 污染与能源匮乏等问题，世界各国对汽车制造提出了更严格的要求，节省能源、 减少污染、高效率的汽车将是2 1 世纪汽车工业追求的主要目标。电动汽车e v ( e l e c t r i c a lv e h i c l e ) 能解决内燃机汽车带来的环境污染和能源危机等问题， 已越来越引起人们的重视。嘲 1 2 电磁兼容( e m c ) 基本概况 随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通等各个领域同益广泛 的应用，电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i ) 和电磁敏感度 ( e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y e m s ) 已经成为现代电气工程设计和研究人员 在没计过程中必须考虑的问题。方面，这是因为当前电子技术j 下朝着高频、高 速、高灵敏度、高盯靠性、多功能、小型化的方向发展，导致了现代电子设备产 生和接受电磁干扰的几率大大增加；另一方面，随着电子装置本身功率容量和功 率密度的不断增大，电网及其周围的电磁环境遭受的污染也日益严重，所以e m i 已成为许多电子设备与系统能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。 所谓电磁兼容性( e m c ) 包括两方面的含义： 1 电子设备或系统内部的各个部件和予系统、一个系统内部的各台设备乃 至相邻的几个系统，在它们自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境 中，能按原设计要求正常运行。换句话说，它们应具有一定的电磁敏感度，以保 证它们对电磁干扰具有一定的抗扰度( 1 m m u n 时t oad i s t u r b a n c e ) 。 2 该设备或系统自己产生的电磁噪声( e l e c t r o m a g n e t i cn o i s e e m n ) 必 须限制在定的电平，使由它所造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造成严 重的污染和影响其他设备或系统的正常运行。 因此为了保证一个电子设备或系统具有良好的电磁兼容性，在新产品的设计 阶段就应当首先进行e m c 设计，而不是到样机阶段乃至到现场实验阶段，发现 | r i j 济人学坝1 ：学位论立电动汽车用d c ，d c 变换辨控制系统抗十扰的研究 了e m i 问题以后才采取措施。因为对于设计工程师来说，在新产品的全开发过 程( 设计一试验一批量生产) 中，越是到后面阶段供他可以用来抑制噪声、防 止受干扰的手段越少，因而为此所付出的代价也越高。 通常，e m c 设计成本只占总开发成本的5 左右，若在产品设计初期就进 行e m c 设计，只要适当的选择元件和材料，在每台售出设备上因之附加的元件 成本通常很小，在批量生产情况下，甚至可忽略。因此，任何电子产品在设计初 期，首先进行e m c 设计是十分必要的。 1 3 本课题研究的目的与意义 本课题的研究内容是电动汽车用d c d c 变换器控制系统抗干扰的研究”， 是科研项目“燃料电池轿车用d c ，d c 变换器”的一个重要部分。该项目属于国 家科技部8 6 3 计划重大专项课题，对我国发展汽车工业、解决能源危机、改善 环境等方面有着重要意义。 电子系统抗干扰技术的研究就是系统的电磁兼容性研究，因此研究控制系统 的抗干扰技术实质上也是研究控制系统的电磁兼容性。 肘rd c d c 变换器来说，其控制系统相当于其心脏，它的可靠性与否对于 整个d c d c 变换器的研制成功起着举足轻重的作用。 略1d c d c 变换器控制系统是一个相当复杂的电子系统，是一个含有多种元 器件和许多分系统的数字系统，外来电磁辐射，内部元件之间、分系统之间、各 传送通道例的相互串扰对控制系统所产生的干扰和破坏，严萤她影响控制系统工 作的稳定性、可靠性和安全性。 燃料电池轿车属于交通运输设备，运行过程中所处的电磁环境比较复杂，来 自外界电磁干扰的强度也差别较大。燃料电池轿车可能处于大功率无线电发射产 生的强磁场中，也可能处于大型变电站周围饷强电场中，而如果是在农村，电磁 干扰则相对较小。而燃料电池轿车内部同样存在严重的电磁兼容问题。既包含使 用强电的各种电气电动设备和大功率大电流的电力电子设备，又包含小功率小电 流的微电子器件构成的控制设备以及产生微弱状态信号的各种传感器，强电设备 产生的强烈电磁噪声将对弱电设备产生严重的干扰。 本文所研究的对象“电动汽车用d c d c 变换器控制系统”是变换器的核心 d 济人学坝i 学位论文 电动汽乍用 x ：d c 变换器控制系统抗干扰的研究 部分。电力电子设备运行时产生的电磁噪声必将对控制部分的正常工作产生干 扰。这些二f 扰既包含d c d c 变换器主电路i g b t 等大功率电力电子设备所产生 的内部干扰，又包含燃料电池轿车其他设备弱电部分的外部干扰。因此要使 d c d c 变换器正常工作，必须对其干扰源和传播途径进行分析，减少干扰源的 发射，切断干扰传播途径，减小对设备内的敏感设备和对周围其他电气设备的干 扰。同时控制部分的敏感电路采取有效的防护措施，免受来自设备内的和周围其 他电气设备的干扰，使d c d e 变换器能够在任何恶劣的电磁环境中保持正常工 作状态，保障车辆以及人员的安全。 1 4 本文内容提要 本论文对d c ，d c 变换器中构成电磁干扰的三要素以及e m c 测试标准和测 试方法进行了全面的研究，并通过对e m c 测试的分析，提出相应的改进设计方 案。研究了干扰产生的机理、干扰源的发射特性以及如何抑制干扰的发射：研究 了干扰以何种方式通过什么途径传输的，以及如何切断这些传输通道；对0 c ，d c 变换器运行时的电磁环境进行了较为全面的分析，并全面地介绍了d c ，d c 变换 器的电磁兼容试验内容，以及为如何顺利通过e m c 测试所采取的相关措施。全 文内容如下： 1 d c d c 变换器中电磁兼容的研究 第二章对d c d c 变换器中电磁干扰源和传播途径进行了全面的研究。在分 析电动汽车d c d c 变换器主电路以及控制系统工作原理的基础上结合电磁场 理沦、电力电子技术、模拟电子和数字电子等基础理论知识，分析了d c d c 变 换器中存在的主要电磁干扰源及电磁干扰的传播途径。 2 抗干扰措施应用的理论分析 第三章在第二章理论分析的基础上，对传播途径和敏感设备分别采取了相应 的滤波、屏蔽措施，主要针对控制系统滤波器的设计、屏蔽孔设计的理论计算， ：j f 二给出了仿真结果。通过以上措施的应用，提高控制系统抗干扰能力。 3 d c d c 变换器e m c 测试大纲的分析 第四章通过对燃料电池电动汽车p c d e 变换器应用环境以及各种国际国内 e m c 测试标准的研究，给出了与整车组不同的e m c 测试大纲，对其合理性、 川济人学坝 ：学位论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统抗干扰的研究 f 确性进行了完整分析，并针对相应的e m c 测试大纲制定了相应的各项试验的 具体方法。 4 d c d c 变换器e m c 测试解决方案 第五章分别基于整车组和项目组制定的e m c 测试大纲，对于可能出现问题 的部分分别制定了针对的抑制对策包括相关e m c 抑制元件的选取，e m c 抑 制电路的设计，为d c d c 变换器顺利通过e m c 测试试验打下良好的基础。 5 总结 第六章总结全文，并对来解决问题整理。 1 5 参考文献 1 钱照明，程肇基电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术 浙江大 学出版社2 0 0 0 2 阿布晕提阿布都拉燃料电池汽车的现状及开发动向电工电能新技术， 2 0 0 1 3j 刘光宾，刘冬单片机系统使用抗干扰技术人民邮电出版社 2 0 0 3 4 h 济人学坝i ：学位论文电动汽车用d c o c 变换器控制系统抗干扰的研究 2d c d c 变换器的e m c 分析 2 1 燃料电池对d c d c 变换器的要求 在燃料电池输出功率的起始阶段，输出电压下降较快，随着输出电流的增大， 输出电压下降，下降斜率比普通电池大得多，因此燃料电池的输出特性相对较软。 d c d c 变换器的使用可以极大地改善燃料电池和整车的电气动力性能。 d c d c 变换器除了要适应燃料电池电动汽车( f c e v ) 的工作方式和动力性能 外，受到空删和能源的限制，对主电路提出了较高要求： ( 1 ) 体积小f c e v 本身车体小，d c d c 变换器在整车中的安装空间十分有 限，这就要求它具有很大的功率密度： ( 2 ) 重量轻重量对f c e v 尤其是轿车的性能指标起着关键的作用； ( 3 ) 效率高f c e v 的输出功率受到整车体积的限制，不可能设计得很宽裕， 因此d c d c 变换器必须具有很高的转换效率，以提高能源利用率。 2 2 降压型d c d c 变换器的工作原理分析 根据f c e v 对d c d c 变换器的输入输出要求可知，要想将燃料电池的输出 电压从3 2 0 v 4 8 0 v 变换到3 1 2 v ，必须采用具有降压功能的d c d c 变换器。 降压型电路的结构如图2 1 所示。 。! h ( a ) 开关管z 1 导通( b ) 开关管z 1 断开 剀2 1 降压型b u c k 变换器j ：作过程 该电路有两种工作模式：电感电流连续模式c c m ( c o n t i n u o u sc u r r e n t m o d e ) 和电感电流断续模式d c m ( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) 。假定所用 电力电子器件理想，在一个开关周期中，输入电压v i n 保持不变；输出滤波电容 、：j， 、1；， h 济人学碰i 学位论立电动汽车用d c d c 变换器控制系统抗干扰的研究 电压，即输出电压v 0 有很少的纹波，但可认为基本保持不变，其值为v o ；电感 和电容均为无损耗的理想储能元件；不计线路阻抗。两种模式下的电路各点波形 如图2 2 所示。本文将主要针对电感电流连续型模式进行分析。 ，“ ，。” 。 1 一一一 ， f 7 i f 一 l 懈 “ 一 u “一【t l 7 l l 。1 ti?|：nf i i 。施迄投幔，l 路波一b降j l jj 铷u 姆电流断毁i1 州帕肚j | 1 ； 倒2 2b u c k 变换器t 作波形圈 电感电流连续工作模式： t 。f 时段：开关管st t ：时刻开通，并保持通态直到f 。时刻，在这一阶段， 由于u ，) u 故电感l 的电流不断增长。二极管d 处于断态。设闭合时间 f 。= f = 。t ，d ，为接通时问占空比，则电感电流平均值，。= i o 一生r 。电感电 流线性上升增量为 蛾* j ：1 毕一半卜半瞩 ( 2 _ 1 ) t t ! 时段，开关管s 于f 。时刻关断，二极管d 导通，电感通过d 续流，电 感电流不断减小，直到f ! 时刻开关管z 1 再次开通- 下一个i 丌关周期开始。设关 断时问t 。- t ，一t * d ，t ，d ，为断开时间占空比，电感电流增量为， s o 吣“ 0 n 0 “ 0 h 济人学顺i 学位论文 电动汽车用d c l d c 变换器控制系统抗干扰的研究 a l l ：= 2 r - 鲁o ，- f 1 ) 暑d ，l 由于稳态时这两个电流变化量相等，帮越。一阻。：i ，所以 盟l 嘏一铷t 一”鳓t 5 l2 、 整理得k 。k d 。 式( 2 - - 3 ) 表明，输出电压k 随占空比d 1 而变化 故连续状态下b u c k 变换器的电压增益为 mt 争咽 2 3d c d c 变换器主电路的e m c 环境分析 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由于d 。 d 时，屏蔽效能才能大于 3 2 d b ，因此我们设置d = 2 5 r a m c = 5 m m 圆形波导管 屏蔽效能为 圆形波导管 屏蔽效能为 六。竺掣：2 7 6 b ( h z ) ，c 1 一。 t h z j 跑蝣- 2 0 1 。c 万2 1 戒孝n s = 6 7 8 d b d = 2 m mc = 5 m m 疋6 9 _ x 1 0 9 ：3 4 5 b ( h z ) ，c 1 2 l h z ) s e 宙- 2 。培万c 2 l + 3 2 孝+ 3 8 = 6 8 2 d b 且满足d l p 毫e p x l m + f i 磊 耻丽1 l ，生 ( o l _ 导1 一班墨 乏+ k 二卜五订 1 竞一压焉 r i l l 。| ：一1 ( 3 - - 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 2 3 去 i q 州济人学坝i j 学位论文 电动汽车用d c d c 变换器控制系统抗干扰的研究 上述的没计思想和设计公式，虽然是针对l c 滤波器的。但是，只要遵循下 列设计原则，其同样适用于另外的电路结构：“p ”匹配网络提供一个并联损耗支 路，接在滤波器输入阻抗高的一侧：”s ”匹配网络提供一个串联损耗支路，接在 滤波器输入阻抗低的一侧。 综上所述，现将最差情况下e m i 滤波器的一般设计步骤概括如下： ( 1 ) 首先决定最合适的滤波器结构。根据对e m l 滤波器插入损耗的大小，源 阻抗和负载阻抗的大小，选择最合适的e m i 滤波器电路形式。对予最坏情况下 的e m i 滤波器，在插入损耗要求不太高的场合，最好采用单级滤波器，并加上 合适的阻抗匹配网络。 ( 2 ) 设置匹配效果系数“和输入阻抗匹配系数f 的数值。 ( 3 ) 设计匹配网络和滤波器电路的元件参数。其实际采用的数值，在满足上 述不等式限制条件下可自由选用。c ，l 。的数值应当越小越好，目的是减小低 频损失，如可能，肛。和心的数值应当设为小于2 。 ( 4 ) 如果u 和f 的数值设置不当，计算得到的匹配网络元件的数值将会不切 实际，这时必须重新设置和s 的数值，并重新计算，直到满足要求为止。 3 2 5e m i 滤波器设计实例 本节中将设计一个滤波器，在0 1 5 3 0 m h z 范围内的插入损耗不小于 4 0 d b 。 、理论计算 由于插入损耗要求刁i 高，且对源阻抗和负载阻抗也没有特殊说明。所以选用 单级l c 滤波电路，并在输入端接入”p ”匹配网络，输出端接入”s ”匹配网络，以 消除阻抗失配带来的不良影响。 设置 。；，* 0 0 5 h ，- 娃。一矗 根据式( 3 - - 1 9 ) ，得到要求该滤波器具有最小的电压衰减因子蚝一2 2 2 。 州济人学 0 j l j 学位论空 电动汽车用d c d c 变换器控制系统抗十扰的研究 为了使滤波器电感l 上因流过额定工作电流而产生的低频压降不致过大，取 电感l _ 1 m h 。又因为“嘉- 器输出端丌路时，输入阻抗 弘j 础筹 面矿五，i 面丽 取c = 2 5 0 n f ；滤波 ( 3 2 8 )