混合动力车辆电缆 EMC 测量分析和选择原则

本文研究的范围为调查 600 V的混合动力车辆应用直流电缆的电磁辐射。此外，还有各种型号的电缆是否适合，例如审查他们应靠近地放置还是远离地放置。该电缆将只从电的一个角度检查，而不是从振动，热，磨损等别的角度。我们的目标是要推荐一个将减少电磁辐射的电缆。

1.  概述

由于对石油储量的枯竭和温室效应的担忧，最近混合动力技术非常流行。许多公司正在努力开发自己的混合动力汽车，以改善环境，满足他们的客户环保意识提高的要求。混合动力的高电压和电流会导致较高的场强。该场需要抑制，以确保重要的车辆安全相关的功能组件运作正常。抑制不只是为了确保安全，同样重要的是舒适和装备令人满意工作。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

本文研究的范围为调查 600 V的混合动力车辆应用直流电缆的电磁辐射。此外，还有各种型号的电缆是否适合，例如审查他们应靠近地放置还是远离地放置。该电缆将只从电的一个角度检查，而不是从振动，热，磨损等别的角度。我们的目标是要推荐一个将减少电磁辐射的电缆。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

选择不同的电缆，将对此电磁场在EMC实验室进行测试。研究电缆的数据，找出电缆组成和特点。EMC的测试将测量电缆的电磁辐射，以及电磁场取决于电缆之间的距离和与地的距离等。以便找出哪些是合适的电缆和建议使用的布置。研究的场是600 V直流电缆从AC/DC转换器到高压接线盒（HEVJB）间的电缆，见图1。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

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图1 – 在本研究的电缆的位置文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

2.   测试电缆

选择三种类型的电缆作研究。第一种电缆有一芯导体没有屏蔽，第二种电缆是带一个屏蔽的单芯电缆，第三种电缆是具有共同屏蔽的两芯电缆。选择同轴电缆和无屏蔽电缆是研究屏蔽怎样的影响电磁场。选择具有共同的屏蔽的两芯电缆是研究通过共同的屏蔽是如何影响场。下面是电缆结构的总结：导体和屏蔽是铜的，该退火铜在20℃的电导率5.8×107S /m。编织屏蔽的一个优点是电缆的高柔软度。编织屏蔽并不像一个实屏蔽一样的效果，它只是提供了60-90％的覆盖率。一种交联弹性体材料被用作绝缘和护套。介电常数在1kHz是4.79和在1MHz是4.11。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

2.1 非屏蔽 50mm2电缆

第一种电缆是一个多根绞合导体不带屏蔽的电缆。导体是由绞合裸铜，该导体是5类裸铜绞合导体。5类意味着线芯是细铜丝制造，导体由多股绞合的7束组成，并且标称截面积50 mm2，导体的最大直径为9.4 mm。电缆具有交联聚烯烃弹性体绝缘，材料常数见表1。最小厚度绝缘为0.8mm，电缆的标称直径为11.5mm。电缆见图.2。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

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图 2 非屏蔽电缆文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

2.2 屏蔽50mm2电缆

第二种电缆是一个带屏蔽的多根绞合导体的同轴电缆。导体是多根束绞的7根导体组成。标称截面导体的面积为50 mm2，而最大导体直径为9.4mm。电缆的绝缘是交联聚烯烃弹性体。绝缘标称直径有11.5mm。编织镀锡铜作为屏蔽，屏蔽最大直径为12.6mm。护套也是交联聚烯烃弹性体的。标称电缆外径为14.9mm。电缆见图3。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/emc-measurement-analysis-and-selection-principles/

图 3  屏蔽电缆

2.3   两芯电缆

第三种是两芯电缆，导体和绝缘是在2.1节中描述了的2个非屏蔽50 mm2是电缆。屏蔽是编织镀锡铜制成，屏蔽最大厚度为1.1mm。编织外护套厚度约1mm。图 4显示了可以具有圆形轮廓两芯电缆。

图 4   2芯电缆

表1  电缆结构

3 电缆安装方案分析

3.1  方案

本文将5种电缆安装作为分析。第一种安装是，当两个没有屏蔽电缆放在它们之间在彼此旁边没有距离。第二种电缆安装时没有屏蔽的两条电缆均放置5cm之间的距离。第三和第四个的安装是和第一个和第二个安装相同，但是使用屏蔽电缆代替。因此第三种情况是，当两个同轴电缆彼此相邻它们之间没有距离的放置，而第四种情况是，当两个同轴电缆之间有5cm的距离。公共屏蔽两芯电缆将是最后一个测试，是第五种电缆安装。

•  电缆为无屏蔽和之间无距离。
•  电缆为无屏蔽和之间距离5 cm。
• 电缆为屏蔽之间无距离。
• 电缆为屏蔽和之间距离 5cm。
• 电缆为两芯和公共屏蔽。

3.2 布放

将有一个交替放置的电缆，以找出电场的影响，电缆放在一个支撑地的钢架附近。，还将对电缆与放置不同钢架进行检查对磁场的影响，因为钢架是一个导磁材料。该电缆将被放置在两个不同的地方。在实验室试验和钢梁的距离是5cm。计算将显示0.5m的距离如何磁场影响，如果没有在安装钢架。没有可能距离钢架0.5m放置电缆测量，使用5cm代替查看钢架的影响。第二种是放置电缆与计算和实验室试验与梁均没有距离。
• 电缆到钢架的放置距离0.5m/5cm。
•  电缆放置和钢架没有距离。

4 测量

4.1  测试装置

测试装置是真实系统的简化。在这个真实系统有一个AC/DC 变换器代替 DC/DC变换器。使用DC/DC变换器是由于可用性和易于控制。在真实系统中的逆变器更难于控制。因为直到今天混合动力重型车辆是罕见的，所以很难获得一个实际的逆变器。本研究的实验室部分在一间屏蔽室有限的空间完成。因为测试电池是一台小电机所以不会适合电池。一个电池在变换器的低压边和一个电阻在变换器的高压边。

4.2 测试电路

测试电路见图 5。电池采用Cobasys 制造的镍氢型。镍氢是可充电的，阳极是氢吸收合金，阴极是镍。镍氢电池经常用于混合动力车辆，如丰田的普锐斯[17]。负载电阻为 500 Ω 每相，额定功率 3 kW。相电阻并联而获得167 Ω电阻。为了避免浪涌电流进入DC/DC变换器的电容，先连接100 Ω 然后断开。

图 5 –测试电路

4.3  电场测量

4.3.1  结果

电缆的电场发射用上面提到的的测试装备按测试方案测量。作为参考测量，用于发现哪些发射来自电缆，哪些不是，找到非常高的电场发射。进行一系列测量用于找到高电场源。尽管努力将控制DC/DC-变换器的设备移动到电池的外侧。但并没有降低发射。完成了测试测量， 甚至测试测量场尽可能小，应该比标出的红线低。甚至当电缆类型发生更改发射电平也没有改变。这是因为发射是DC/DC-变换器产生的，超出了本研究范围。不可能把DC/DC变换器移到屏蔽室外面，因为电池上没有导线。基于这个问题研究电缆的电场发射需要一个新的测试方案有能力比较电缆类型。

图 6 – 当电场尽量最小化下的测试结果

4.3.2   新测试方案

改变了测试电路以能够看出电缆类型间的差异。使用频率发生器代替 DC/DC-变换器。给电缆的信号是变化功率的规则正弦波；在所有的测量中功率电平调整到高功率信号。电场测量将不得出任何绝对的结果，但可以作为电缆类型间的相互比较。频率发生器可以发送一个正弦信号，频率预先可以改变。电场电平用频谱分析仪在振动频率下测量。在所有频率除了振动频率共振下电场都为零。返回的导体是连接到频率发生器的信号地，和放置电缆的接地平面是同一个地。电缆电阻很低，为了防止驻波在电缆上用一个2 Ω 电阻作为负载。新的测试方案见图 7, 表 2列出了新的测试方案的设备清单。

图 7 – 新的测试方案

表 2 – 新的测试方案的装备.

4.3.3   电场测量结果

电场测量结果在下列图中是放在一起的，可以看出电缆类型和放置的差异。d是电缆间的距离，D是对接地平板的距离。实际应用干扰是在低频，实际的电力电子变换器有一个10-15 kHz较低的开关频率，因此在图中最重要的结果是低频。电缆间的差异见图中的dBμV，用电压计算该差异。

图 8 所示为屏蔽电缆的电场。蓝色和黄色线所示电缆为距地 5cm放置，屏蔽不接地。该图显示了妥善连接屏蔽到地面的重要性，因为与地不连接的电缆，具有较高的电场。以不同的连接方式接地取决于问题最小化。对于屏蔽不是很容易找到正确的接地；其可能两端也可能仅是一端。屏蔽仅一端连接的情况可以避免干扰电流的涡流。不接地的屏蔽电缆和非屏蔽电缆比较可以看出，不接地的屏蔽电缆比非屏蔽电缆有更高的电场。

屏蔽电缆

图 8 – 屏蔽电缆屏蔽连接到地和屏蔽不连接到地的差异

4.3.4   电缆类型和结果

下图曲线每个电缆类型和放置都有各自的颜色。例如所有曲线中的绿线是非屏蔽电缆相互无距离且和接地支架无距离。公共屏蔽电缆距离支架5cm放置为棕色线。图 9 所示为非屏蔽电缆的结果。比较非屏蔽电缆可以看到当非屏蔽电缆之间以一定距离放置和和接地平面也有一定距离取得一个最坏的结果，在预料之中。在信号电缆和地之间的区域好比天线。在不利情况下当电缆相距5cm放置和距离地5cm放置，电缆之间和电缆对接地平面之间都具有天线效应。当电缆相互没有距离，且离接地平面5cm距离的结果和电缆挨着接地平面且相互之间距离5cm，分别为黄线和黑线。因为用于信号的电缆和返回的电缆间的面积和信号电缆和接地平面之间的面积是相同的，造成类似的天线效应，所以结果应该是相同的。因为较少了天线效应电缆间没有距离且和接地平面没有距离应得到最好结果。在低频电缆的方案也是最好的。

非屏蔽电缆

图 9 – 非屏蔽电缆电场测量结果

屏蔽电缆的结果见图 10。图中粉红色的和青绿色的线,屏蔽电缆由于结果随着频率变化很大所以很难解释。在较低的频率电缆靠近接地平面看起来最好。天线效应看起来在非屏蔽电缆的影响相比接地的屏蔽电缆严重。

屏蔽电缆

图 10 – 屏蔽电缆电场测量结果

图11 所示为采用公共屏蔽的电缆电场测量结果。结果在和接地支架一定距离放置所有频率都是基本相同的，只是没那么大。所以这种类型的电缆放置不是很重要。

屏蔽的2芯电缆

图 11 公共屏蔽电缆的电场测量结果当电缆间距离变化的结果

图 12 所示为非屏蔽电缆和屏蔽电缆电缆之间无距离且对接地平面有距离放置电场强度的不同。非屏蔽的电缆比屏蔽电缆电场电平高。

电缆之间无距离

图 12 – 屏蔽个非屏蔽电缆相互无距离放置电场测量结果

电缆相离放置的电场见图13。有时电缆可能无法互相挨着放置，为了尽量减少天线效应，电缆的选择是非常重要的。对比非屏蔽和屏蔽电缆可以看出，屏蔽电缆比非屏蔽电缆显示出非常低的电场。在最低的频率，和接地平面无距离的屏蔽电缆显示出最好的结果。和非屏蔽电缆相比天线效应减小了大约10 dBμV。

电缆间距离5cm

图 13 – 相距5cm放置的非屏蔽和屏蔽电缆的电场测量结果改变支架距离的结果

图 14 所示为相离接地平板放置电缆类型的电场。屏蔽型电缆显示出最好的结果。电缆间相互距离非常不重要。重要的是用屏蔽电缆。屏蔽电缆和公共屏蔽电缆比较也显示了同样的结果。

距支架5cm放置

图 14 – 三个电缆类型距离接地平板5cm放置的电场测量结果

图 15所示是三个不同的电缆类型当它们是直接放在接地平板上的电场。这个结果也表明重要的是选择屏蔽电缆代替非屏蔽电缆。屏蔽电缆和公共屏蔽电缆电场的差别不是非常大。在较低的频率屏蔽电缆和地无距离看来是最好的结果。

和支架无距离放置

图 15 – 三个电缆类型和接地平板无距离放置的电场测量结果

4.4 磁场测量

4.4.1   试验方案

电阻使用原来的测试方案用一个167 Ω 并联电阻，额定功率3 kW。这是一个问题当时是磁场测量时电阻限制着电流。因此需要一个低电阻的负载，可以保持一个高电流。一个功率负载，一个能调整负载电流的仪器。因为磁场的测量仪器原因，测量变化的磁场是难以做到的。为了取得一个恒定的电流去测量恒定的磁场使用一个DC电源代替 DC/DC-变换器。DC 电源调节10V和10A的电流通过测试电缆给功率负载。测试方案见图 16。

图 16 – 磁场测量的测试方案

4.4.2   测量方法

在第一个测试方案，电缆放置在用5cm聚苯乙烯泡沫作间隔的覆盖接地铜箔的桌子上。在第二个测试方案电缆是直接放置在接地铜箔上。首先电缆间相距5cm放置，霍尔效应探针是在电缆之上3cm放置。在测量之前高斯表调整为零，以减去地球磁场。高斯表取得场的峰值。场的值由高斯表记录，然后把返回的导体移向输出导体使它们无距离放置，记录新的值。这个步骤用于屏蔽电缆和非屏蔽电缆；公共屏蔽电缆仅试验直接放置在接地铜板和和铜板有一定距离。

4.4.3  结果 

磁场测量结果见表 3。当非屏蔽电缆之间相离放置，围绕着导体将有磁场。场的峰值是28 μT。当电缆移动到一起电场降低。当电缆间无距离放置围绕电缆的磁场取消产生，因为它们有相反的方向。当电缆直接放置在接地平板上磁场没有改变，因为铜传导磁通量不好。屏蔽电缆和非屏蔽电缆显示同样的结果；因为不同仅是屏蔽，所以结果是预料之内的。屏蔽不影响磁场；在这种情况下其仅移动接地平板接近导体。铜制的屏蔽导磁性很差。因此屏蔽不影响磁通量。屏蔽仅会使电场降低而不影响磁场。采用公共屏蔽的电缆的两个导体当测量的电缆导体和平板水平挨着放置和一个导体放置在另外导体顶端是相反的，在电缆上使用两个测量点。当在水平平板上导体是相邻放置场将消失，当它们互相顶着放置则磁场是6 μT.

表 3 – 磁场测量结果

5  测量的讨论

非屏蔽电缆的结果表明当电缆之间无距离且挨着接地平板放置取得最低的电场。屏蔽电缆显示的结果难以解释，但最好的结果应该是当电缆放置在接地平板上。两个导体用一个公共屏蔽的电缆在较低的频率随着和接地平板距离几乎没有差异。从结果的情节看，当电缆间无距离放置和电缆间相离放置其不同电缆类型的结果非常不同。在电缆无距离放置和电缆相距5cm放置屏蔽电缆比非品蔽电缆得到一个较低的电场。在这种情形，电缆挨着支架放置和距离支架5cm 放置也同样可以看到非屏蔽电缆比屏蔽电缆类型得到较大的场。图17 所示的结果是三个电缆类型可谓最好的结果。非屏蔽电缆比屏蔽电缆类型在电场上有较大不同，但屏蔽电缆在不同的电场没有太大区别。

电场测量结果

图 17 – 最好结果的电缆的电场

磁场不受铜制的接地平板的影响，铜导磁性很差。磁通也不受屏蔽影响，因为屏蔽是铜制的，像空气和交联聚烯烃弹性体一样。磁通量只受电缆去路和回路的放置距离影响。当电缆相互无距离放置则磁通量消失。当去路和回路的距离增加磁场强度是增加的。为了最小化电缆的磁通应相互无距离放置。

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