电动汽车高压线缆：屏蔽效能仿真与实测双重验证

高压屏蔽线缆在电动汽车电机驱动系统中起输送电能和屏蔽干扰的作用｡在高频情况下,高压连接系统存在天线效应,对外产生辐射骚扰,是电机驱动系统中电磁兼容的薄弱部分之一,近年来,由屏蔽线缆屏蔽效果不好和接地不良好引发的整车EMC问题日益突出｡因此对于高压线缆的屏蔽效能要求极高｡早期设计时,对高压线缆的屏蔽效能进行有效而快速､经济的测量或仿真计算,对研究改善电动汽车的电磁兼容性具有重要的意义｡

本文介绍一种线缆屏蔽效能的三维仿真方法,对某种屏蔽线缆进行数值仿真分析,并通过线注入法､三同轴法来验证仿真的有效性｡

1 屏蔽效能的表征

线缆屏蔽效能是从金属介质平板屏蔽效能引申而来,定义为在芯线电流不变的情况下,线缆有无屏蔽层时,空间某点的场强比值｡通常采用转移阻抗或表面转移阻抗来表征线缆屏蔽层的屏蔽效能｡其中表面转移阻抗为线缆单位长度的转移阻抗,表征外界电磁场对单位长度屏蔽线缆的电耦合能力,常用ZT表示,其公式定义:

式中:L是电缆长度；Is是线缆屏蔽层由外界电磁场引起的感应电流；∂V/∂z是编织层上感应电流产生的屏蔽层与内导体之间开路电压沿电缆长度Z向的变化率；Ez(f)是外界电场纵向分量,与其频率f有关；Se是线缆屏蔽层内表面；Ae为Se全部面积；l是屏蔽层外横截面的闭合曲线路径；H(f)为外界磁场

矢量沿l路径的切向分量,与其频率f有关｡

表面转移阻抗是屏蔽线缆的固有属性,与通过其的电压､电流以及线缆长度无关,而与线缆屏蔽层的参数如编织层的内直径､编织线的直径､每圈包含的编织束股数､每股编织束的导线根数､编织角度､编织线的电导率和磁导率有关,因此通常都用电缆的表面转移阻抗来表征其屏蔽效能｡表面转移阻抗越小说明其屏蔽效能越好｡

2表面转移阻抗仿真分析

2.1屏蔽线缆建模

常用的高压线缆为编织型同轴单屏蔽层线缆,如图1所示,分为内导体芯线､内绝缘层､编织型屏蔽层､外绝缘层｡而现在电动汽车常用高压线缆为双层屏蔽,即在图1所示的编织型屏蔽层外又加了一层铝箔屏蔽层｡与单屏蔽层相比,双屏蔽层的铝箔屏蔽层遮住了编织型屏蔽层上的菱形孔,可以更有效避免磁场通过菱形小孔发生泄漏,大大增加高压线缆在高频时的屏蔽效能｡

本次仿真的某型高压双层屏蔽线缆的芯线为铜材直径7.9mm,内绝缘层为PE材直径11.3mm,屏蔽层为镀锡铜材直径11.8mm,外绝缘层为PE材直径为14.5mm,铝箔层厚度0.1mm｡

为了降低建模难度和提高仿真速度,需要将其中的编织型屏蔽层进行简化｡先将编织屏蔽层简化为一圆环体,圆环体的厚度与其实际厚度相同,然后在沿长度方向的圆环体上等间隔地挖出与实际大小相同的菱形小孔,以模拟实际编织型屏蔽层中的孔隙,同时将内导体的多根芯线简化为一根同面积的内导体｡

为减少计算时间和内存,并保证结果的有效性和与试验的一致性,仿真的线缆长度设定为500mm｡首先在CATIA软件中使用凹槽和阵列的命令建立上述简化后的模型,再加上双层屏蔽线缆的其余部分模型,然后将建好的3D线缆几何整体模型(如图2所示)导入电磁仿真软件HFSS中｡

2.2 数值计算仿真

HFSS软件采用有限元法进行仿真｡在仿真求解器运行前,需要设置激励源和边界条件｡由于平面电磁波激励可以使表面转移阻抗的求解更加准确,因此采用平面电磁波激励来模拟屏蔽线缆在实际应用中受到干扰的电磁场环境｡另外,由于软件默认的边界条件为金属背景平板,为了模拟线缆在开阔环境下受到自由传播的电磁波干扰,所以需要将边界条件设置为模拟暗室环境的吸收边界以进行有效求解,使其在求解过程中不会报错｡吸收边界的设置只需使其能包裹住线缆模型即可,如图3(a)所示｡同时为了避免平面电磁波进入线缆内部导体,需要在线缆的两个端面加上理想电边界条件,从而与实际环境中线缆长度很长几乎不存在端面的情况一致；再在编织型屏蔽层中菱形小孔四周的内壁面上加理想磁边界条件,以模拟外界磁场透过铝箔层通过菱形小孔产生的电磁场干扰,如图3(b)所示｡

2.3 仿真结果

我国相应国家标准的制定还在进行中,而某团体标准征求意见稿里面推荐的主要关注频点为150kHz､2MHz､30MHz和100MHz｡因此,在HFSS软件中,设置平面电磁波激励的频率f的范围为150kHz~100MHz,强度场幅值为1V/m｡

上述线缆的表面阻抗ZT的仿真结果如图4和表1中的相应数据所示｡可以看到,表面阻抗随着激励频率的增加而增大,前段几乎呈线性关系缓慢增大,后段是指数关系快速增大｡

3 表面转移阻抗测试及验证

3.1 低频表面转移阻抗的快速验证测试

在小于150kHz的低频情况下,编织屏蔽层中的电流密度均匀分布,转移阻抗值与屏蔽层的直流电阻值大致相同｡用微欧表测得长度为0.5m屏蔽线缆的直流电阻值为3.035mΩ,即1m线缆的直流电阻值约为6.07mΩ,与仿真的低频阶段阻抗值5.98mΩ/m相差不大,从而部分地快速验证了仿真的正确性｡

3.2 表面转移阻抗的测试方法

线缆表面转移阻抗的测试方法主要有线注入法和三同轴法｡线注入法分为近端(注入段)测试与远端(接收端)测试,通过把规定的电压和电流施加到线缆的屏蔽层并测试感应电压来获得表面转移阻抗,根据某团体标准要求,应选取近端和远端中最差的结果作为线注入法的最终结果｡

三同轴法一般有A､B､C三种方法,本次选择较为简单､快速的三同轴B法,通过向被测屏蔽电缆芯线注入定量的电流,然后测量屏蔽层与测试夹具间的耦合电压,该耦合电压与注入电流的比值为被测屏蔽线缆的表面转移阻抗｡

依据IEC62153-4-3､IEC62153-4-6的测试规程,首先需要对样品(与仿真样品保持一致)进行制样,然后对测试设备进行校准,最后用矢量网络分析仪测试插入损耗值并对其进行转换得到转移阻抗值｡

3.3测试结果与仿真结果验证

测试在电磁屏蔽室中进行,施加与仿真相同的平面电磁波激励｡该线缆表面转移阻抗的线注入法测试结果､三同轴B法测试结果和仿真结果如图4和表1所示｡

一般来说,对于0.5m长的线缆,三同轴B法和线注入法的截止频率理论上可以分别达到50MHz和1GHz｡本次测试布置时为了使屏蔽层和夹具接触良好而加上了铜箔,为了使组成屏蔽层与芯线的内电路以及电回路的阻抗匹配而加上了匹配电阻,增加的这两者引入的电感和电容导致了截止频率的降低｡本次测试的截止频率在30MHz左右,截止频率之后的测试结果不具有参考性｡但测试频率还是要到100MHz,一是某团体标准的推荐要求,二是因为测试频率要足够才能找到截止频率｡在测试的截止频率范围内,可以看出测试的结果和仿真的结果大致一致,关键频点值的误差在可接受的范围内,证明了此仿真方法的有效性｡

4 结束语

本文介绍的仿真方法的误差在可接受范围之内,具有准确性和可重复性,对于测试机构和线缆产品的正向开发具有参考意义｡

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