1、第 50 卷 第 4 期2 0 2 3 年 4 月Vol.50，No.4Apr.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）燃料电池汽车DC/DC变换器电磁兼容研究罗宝军，杨加瑶，梁薛霖（湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082）摘 要：针对燃料电池汽车DC/DC变换器电磁兼容特性问题，参照GB/T 186552018在电波暗室内针对实际的燃料电池汽车DC/DC变换器搭建了实验系统，对其进行传导发射以及辐射发射实验，获得燃料电池汽车DC/DC变换器正常工作时各线缆端口的干扰电流
2、和参考点位置的电场强度.然后，通过测量获取实验系统中各部件的几何参数，建立燃料电池汽车DC/DC变换器的电磁仿真模型，将传导发射实验获取的干扰电流作为电磁仿真模型的激励信号.将该仿真所获得的参考点位置的电场强度与辐射发射实验所获取的参考点位置的电场强度进行对比，结果显示：仿真结果与实验结果的整体变化趋势一致，且高频段时的平均误差在5 dB左右，仅在低频段精确度相对较差，该燃料电池汽车DC/DC变换器电磁仿真模型较为可靠.最后，利用该电磁仿真模型对燃料电池汽车DC/DC变换器的辐射抗扰特性进行了分析，结果表明，在电场强度为30100 V/m的平面波干扰情况下，燃料电池汽车DC/DC变换器的正常工
3、作不会受到影响，满足电磁兼容性要求.关键词：燃料电池；DC/DC变换器；电磁兼容性；线缆；仿真中图分类号：U46；U461.99 文献标志码：A Study on Electromagnetic Compatibility of Fuel Cell Vehicles DC/DC ConverterLUO Baojun，YANG Jiayao，LIANG Xuelin（College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）Abstract：Based on GB/T 1865520
4、18 standard，an experimental system was built for fuel cell vehicles DC/DC converter in an anechoic chamber.Conduction emission and radiation emission experiments were carried out.The interference current of each cable port and electric field intensity of the reference point was obtained during the n
5、ormal operating state of fuel cell vehicles DC/DC converter.Then，an electromagnetic simulation model of fuel cell vehicles DC/DC converter was established based on the measured geometric parameters of each component in the experimental system.The obtained interference current from the conduction emi
6、ssion experiment was used as the excitation signal of the electromagnetic simulation model.The electric field intensity of the reference point position obtained by simulations was compared with the experimental results.The comparisons show that the overall change trend of simulation results is consi
7、stent with the overall change trend of the experimental results.The average error is 收稿日期：2022-03-16基金项目：国家重点研发计划资助项目（2020YFB1506004），National Key Research and Development Program of China（2020YFB1506004）作者简介：罗宝军（1981），男，湖南新化人，湖南大学副教授，博士 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）04-0048-07DOI：10.16339/ki.hdx
8、bzkb.2023153第 4 期罗宝军等：燃料电池汽车DC/DC变换器电磁兼容研究about 5 dB in the high-frequency band，while the accuracy is relatively poor in the low-frequency band.Overall，the electromagnetic simulation model of the fuel cell vehicles DC/DC converter is reliable.Finally，the electromagnetic simulation model was used to
9、analyze the radiation immunity characteristics of fuel cell vehicles DC/DC converters.The results show that the normal operating state of DC/DC converters will not be affected in the case of plane wave interference with the electric field strength of 30100 V/m.Thus，the radiation immunity characteris
10、tics of fuel cell vehicles DC/DC converters meet the electromagnetic compatibility requirements.Key words：fuel cell；DC/DC convertor；electromagnetic compatibility；cable；simulation燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）采用氢燃料供能1，可以实现车辆的“零排放”，而且，燃料电池通过电化学反应将化学能高效地转化为电能，相对于传统的热机设备，运动部件很少，在工作过程中所产生的噪声小，理论热电转化效率达到 8
11、5%90%，实际转化效率达到 40%60%2.因此，燃料电池汽车是汽车产业动力革命可能的终极方向之一，对于改善未来能源结构、发展低碳交通具有深远意义3.但燃料电池的输出特性较软，难以直接与电动机驱动器匹配，作为燃料电池汽车的动力来源，需要采用DC/DC变换器改善其输出特性4-5.在DC/DC变换器的工作过程中，DC/DC变换器内部的开关电路会产生很大的电压以及电流变化，从而形成较强的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）.该电磁干扰通过DC/DC变换器的输入输出电源线以共模和差模的形式向外传导，同时向外界空间辐射，这会对DC/DC变换器自身以及其他设备的正
12、常工作产生干扰，对燃料电池汽车的整车电磁环境造成不利的影响，燃料电池汽车内大功率DC/DC变换器是车内主要电磁骚扰源之一6.王雪华等 7对燃料电池DC/DC变换器的电磁干扰、控制电路PCB板信号隔离与软件程序抗干扰等特性进行了研究；韩新春8研究了燃料电池DC/DC变换器的主电路拓扑结构及电磁干扰，其研究主要侧重于干扰产生机理及抑制干扰方法；苏丹9研究了改善燃料电池DC/DC变换器电磁兼容性的相关措施.总体而言，国内研究主要侧重于抑制 DC/DC变换器的干扰7-9.然而，在燃料电池汽车电磁兼容设计过程中，需要获得燃料电池DC/DC变换器的电磁辐射发射特性，通常仿真是经济、高效的方法，但仿真结果的
13、有效性有待验证.Silaghi等10基于LTspice和MATLAB相结合的方法模拟研究了DC/DC 变换器传导发射特性；Uma 等 11基于 Keysight ADS研究了DC/DC变换器传导发射特性；Boyer等12提出了一种建模方法并通过DC/DC变换器传导发射验证.总体而言，这些研究主要产生在国外相关机构，且侧重于 DC/DC 变换器内部 PCB 的电路级EMI分析，而对于燃料电池汽车DC/DC变换器与外界进行耦合的线缆的电磁兼容分析却很少.目前国内燃料电池汽车及其零部件电磁兼容测试规范仍处于空白，因此，开展燃料电池汽车DC/DC变换器连接线缆的电磁兼容实验与仿真研究对于国内燃料电池汽
14、车的发展具有重要意义，可为未来燃料电池汽车电磁兼容开发提供参考.本文首先介绍了燃料电池汽车DC/DC变换器电磁兼容实验系统，并使用该实验系统对燃料电池汽车DC/DC变换器进行传导发射和辐射发射实验，基于测量和传导发射测试实验所获得的数据，在Feko软件内建立燃料电池汽车DC/DC变换器的电磁仿真模型，并利用辐射发射实验结果对该模型进行验证.最后，基于该电磁仿真模型研究了燃料电池汽车DC/DC变换器的辐射抗扰特性.本文工作将为国内燃料电池汽车DC/DC变换器电磁兼容性测试规范的制定提供理论支撑，有助于填补我国燃料电池汽车及其零部件电磁兼容测试规范空白.1 端口激励采集与处理1.1 实验系统布置参
15、照 车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法（GB/T 186552018）13搭建了燃料电池汽车DC/DC变换器的电磁兼容实验系统，如图1所示.整个实验系统由直流电源、燃料电池汽车DC/DC变换器、电阻负载、低压输入线缆、高压输出线缆、LISN连接线、LISN以及实验台金属桌面组成.为了保证DC/DC变换器的外壳不49湖南大学学报（自然科学版）2023 年与金属桌面接触导致接地，需要将DC/DC变换器和线束放置在厚度为50 mm的低介电常数材料支撑物上.实验过程均在3米法半/全电波暗室内进行，可以有效地避免来自外界的电磁干扰.1.2 端口信号采集为了避免实验结果的
16、偶然性以及电阻负载过热导致电阻负载烧毁，故选择1 400 W和2 800 W两个工况条件对燃料电池汽车DC/DC变换器进行测试实验.在实验中，分别对负载功率为1 400 W和2 800 W两种工况下的DC/DC变换器各端口连接线缆上100 kHz200 MHz频段的差模干扰信号和共模干扰信号进行采集.信号采集由示波器和电流探头完成，图2为各线缆端口差模干扰信号采集位置示意图，分别为LISN正极侧线缆、LISN负极侧线缆、高压输出正极侧线缆、高压输出负极侧线缆、低压输入正极侧线缆以及低压输入负极侧线缆，将其简写为 LISN+、LISN-、HV+、HV-、LV+、LV-.图3为各线缆端口共模干扰信号采集位置示意图，分别为LISN侧线缆、高压输出侧线缆以及低压输入侧线缆，简写为 LISN、HV、LV.在 1 400 W 和 2 800 W 工况下，各端口的差模时域电压信号共获取了12组，共模时域电压信号共获取了6组.1.3 端口激励数据处理在获取燃料电池汽车DC/DC变换器各端口线缆时域电压数据后，还需要在MATLAB软件中对该测试数据进行处理分析，通过傅里叶变换将该时域电压信号转变为频域电