一种电动汽车用的共模电流抑制装置的制作方法

专利名称：一种电动汽车用的共模电流抑制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车用的共模电流抑制装置。
技术背景电动汽车具有节能、环保的优点，其研究与开发受到了广泛重视。但是，车载大功率 电源变换器在工作过程中产生宽频电磁噪声和电磁干扰(electromagnetic interfere, EMI)、主要以共模电流的形式沿电缆和底盘传播，影响车上电气设备和控制系统的正常工 作，产生严重的电磁兼容性问题，不利于电动汽车的可靠运行及其产业化进程。在"十一 五"期间，电动汽车的电磁兼容做为一项关键共性技术，成为相关部件厂家和整车单位的 重要的研发目标。滤波技术是一种常用的抗电磁干扰方法，在电源变换器的主电路输出正负两根电缆分 别与机壳或接地点之间并接一个高频电容，为高频电流提供一个低阻抗回路，从而降低减 小共模电流对其它电气设备的干扰，但是，如果在电动汽车上使用这种方法，将在电动汽 车高压电气系统和车辆底盘之间建立了电气连接，降低了电动汽车高压电气系统与车辆底 盘之间的阻抗，可能导致漏电等安全问题。电磁屏蔽是另一种常用的抗电磁干扰方法，在 电源变换器的主电路输出正负两根电缆上套接屏蔽软管线，也可以为高频电流提供一个低 阻抗回路，把共模电流抑制在屏蔽管线上，从而减小共模电流产生的对外辐射以及对其它 电气设备的干扰，但是，由于电动汽车高压电气系统中采用接插件等布线工艺的特点，不 能保证整个电气回路屏蔽层的完整性，可能导致电磁泄露，甚至引发更严重的电磁干扰。利用电感在高频下的高阻抗特性，在电动汽车共模电流回路中串联共模电感可以增加 共模回路阻抗，减小共模电流；共模电感量越大、抑制效果越好。仿真研究和试验结果表 明，12uH的电感对1-20MHz范围内的共模电流抑制效果可以达到10dB以上。但是，在电 动汽车环境下，功率电缆的线径较大、可达lcm以上，对于市场上的磁芯，内径一般小于 4cm，电缆不可能在磁芯上进行多匝缠绕产生大的电感量，电缆只能直接穿过磁芯，相当 于l匝线圈匝数，得到的等效电感量只有luH左右，抑制效果差。因此，在电动汽车环境 下，如何提高共模电感的电感量是抑制共模电流的关键技术。发明内容本发明的目的是为了克服电缆穿过磁芯时导致电感量小的缺点，提供一种新的电动汽 车用共模电流抑制装置，在这种装置中，缠绕在磁芯中辅助线圈的输出电压做为共模电流 的传感信号，经过信号放大，在辅助线圈中产生与共模电流等相位的大电流，通过互感作用，使得电缆穿过磁芯时产生较大的高频阻抗，对共模电流进行抑制。本发明提出的电动汽车用的共模电流抑制装置，其特征在于，该装置包括同时套于两根功率电缆的两个高频磁芯TR、TR2;分别缠绕在该两个高频磁芯上的辅助线圈N,、 N2; 由级联的三个运算放大器和一个功率驱动器构成的控制电路，辅助线圈N,的缠绕方向与电 缆穿过磁芯TR,的方向相同；辅助线圈N2的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR,的方向相反，以电 缆穿入磁芯的起始点为同名端；N,的同名端接控制电路的地，另一端接运算放大器A,的 同相输入端，A,的反相输入端与输出端相连，A,输出信号经过运算放大器A2和A:，的两级放 大后，与功率驱动器A4的同相输入端相连，A4的反相端与输出端相连；辅助线圈N2的同名 端接功率驱动器A4的输出端，另一端接控制电路的地。本发明的特点及效果:本发明适用于电动汽车采用大线径功率电缆的场合，由于辅助线圈的作用，当功率电 缆穿过磁芯时，得到了较大的阻抗，对共模电流具有较大的抑制作用。该共模电流抑制装 置与电动汽车的电气系统之间没有电气连接，具有使用安全的特点。同时，该共模电流抑 制装置不需要电缆在磁芯上的多圈缠绕，电缆直接穿过磁芯，具有安装位置灵活的特点， 不破坏电动汽车的布线方式，与电动汽车底盘没有电气连接。另外，该装置还具有结构简 单、外形尺寸小、重量轻等特点。


图1为本发明的用于电动汽车的共模电流抑制装置的电路结构原理图。图2为本用本发明时的电动汽车共模电流的时域波形图。图3为应用本发明后的电动汽车共模电流的时域波形图。图4为应用本发明前后的电动汽车共模电流频谱特性的比较。
具体实施方式
参照附图，将进一步叙述本发明的具体内容及实施例。本发明提出的电动汽车用的共模电流抑制装置的组成结构如图l所示，包括同时套于 两根功率电缆L,、 U的两个高频磁芯TR,、 TR2;分别缠绕在该两个高频磁芯上的辅助线圈 N、N2;由级联的三个运算放大器和一个功率驱动器构成的控制电路。正负两根功率电缆 L、 L2同时穿过两个磁芯TRi和TR2，该辅助线圈N,的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR,的方向 相同；辅助线圈N2的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR2的方向相反，以电缆穿入磁芯的起始点 为同名端；在磁芯TR,上缠绕辅助线圈N,， N的同名端接控制电路的地，另一端接运算放 大器A,的同相输入端，A,的反相输入端与输出端相连，A,输出信号经过运算放大器A2和A:, 的两级放大后，与功率驱动器A4的同相输入端相连，A4的反相端与输出端相连。在磁芯TRa 上绕制辅助线圈N2，其同名端接功率驱动器A4的输出端，另一端接控制电路的地。本发明还包括连接在A,输出端与A2的反相输入端之间的电阻R,，连接在A2输出端与 A3的反相输入端之间的电阻R4，连接在A2的反相输入端与输出端之间的电阻R2，以及连接 在A3的反相输入端与输出端之间的电阻R5。本发明中运算放大器A接成同相跟随器的电路形式，运算放大器&和A:,接成反相放大 的电路形式；运算放大器Ai的输入端接附加线圈N,的输出端，运算放大器A,的输出经过运 算放大器A2和A3的两级放大。运算放大器A,、 A2和A3采用带宽不低于50MHz的高频运算放 大器；所述功率驱动器A4接成同相跟随器的电路形式，该功率驱动器A,的带宽不低于 50MHz。上述辅助线圈N,在磁芯T&上缠绕4-8匝；所述辅助线圈N2在磁芯TR2上缠绕1-3匝。 本发明装置与电动汽车底盘没有电气连接。本发明的工作原理当电缆流过共模电流I(,时，电缆在磁芯TR1两端的电压降为U,H， 阻抗Z可以表示为Z = /0对磁芯TR1而言，电缆是原边线圈，辅助线圈N1是副边线圈，副边输出电压U,:经过运算放大器Al、 A2和A3的作用和A4的功率放大，辅助线圈N2的输入电压U:,为2 W, & 1对磁芯TR2而言，辅助线圈N2是原边线圈，电缆是副边线圈，电缆在磁芯TR2两端的 电压降为U'2:02& R4 W2 。' 电缆穿过磁芯TR1和TR2时产生的阻抗.z因此，与电缆穿过一个磁芯相比，在本装置的作用下，阻抗增加了4^^.~立 仏1口°该装置各组成部分的实施例分别说明如下功率电缆L,和"的导电面积均为35mm2,电缆外径14mm。磁芯TR,和TR2采用北京七星 飞行电子有限公司的镍锌合金环形磁芯NXO-IOO，磁芯内径38mm、外径50mra，辅助线圈 N,采用导电截面为0.5咖2的细导线，在磁芯TR,上缠绕6匝，运算放大器A、A2和A3采用 美国TI公司的高速运放THS4011、频率带宽为100MHz。图中各电阻取值为R尸lkQ、Rf2kQ、 R产680Q、 R4=lkQ、 R5=2kQ、 R6=680Q，辅助线圈的输出电压U,经过运放A,、夂和^的作用 后电压被放大到4倍。由于运放A3的输出电流较小、只有O. 1A，因此，在运放&后串接了功率驱动器A4，采用美国TI公司的高速功率型运放THS6011、频率带宽120MHz、最大 输出电流能力为0.5A。功率驱动器A4的输出电压U2接磁芯TR2的辅助线圈N2，辅助线圈N2 采用导电截面为0.5mm2的细导线，在磁芯TR2上缠绕2匝。根据上述结果，阻抗放大了 12倍，对共模电流起到了很好的抑制作用。当不采取共模 电流抑制措施时，测得的共模电流时域波形如图2所示，电流峰值达到1A左右。当采取 共模电流抑制措施时，测得的共模电流时域波形如图3所示，电流峰值只有0.15A左右。 说明了本发明装置抑制共模电流的有效性。进一步比较采用共模电流抑制装置前后的共模 电流频谱分布如图4所示，其中，曲线l为采用本装置前的共模电流频谱分布曲线，曲线 2为采用本装置后的共模电流频谱分布曲线；可以看出在0-30MHz频率范围内，共模电流 各频率分量降低了 20dB以上。
权利要求
1、一种电动汽车用的共模电流抑制装置，其特征在于，该装置包括同时套于两根功率电缆的两个高频磁芯TR1、TR2；分别缠绕在该两个高频磁芯上的辅助线圈N1、N2；由级联的三个运算放大器和一个功率驱动器构成的控制电路，辅助线圈N1的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR1的方向相同；辅助线圈N2的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR2的方向相反，以电缆穿入磁芯的起始点为同名端；N1的同名端接控制电路的地，另一端接运算放大器A1的同相输入端，A1的反相输入端与输出端相连，A1输出信号经过运算放大器A2和A3的两级放大后，与功率驱动器A4的同相输入端相连，A4的反相端与输出端相连；辅助线圈N2的同名端接功率驱动器A4的输出端，另一端接控制电路的地。
2、 根据权利要求1所述的共模电流抑制装置，其特征在于，所述磁芯TR,和TI^采用 镍锌合金环形磁芯。
3、 根据权利要求1所述的共模电流抑制装置，其特征在于，运算放大器A,接成同相 跟随器的电路形式，运算放大器A2和A3接成反相放大的电路形式；运算放大器A1的输入 端接附加线圈N,的输出端，运算放大器A,的输出经过运算放大器A2和A:,的两级放大。运 算放大器A^ A2和A:,采用带宽不低于50MHz的高频运算放大器；所述功率驱动器^接成同 相跟随器的电路形式，该功樣驱动器A4的带宽不低于50MHz。
4、 根据权利要求1所述的共模电流抑制装置，其特征在于，所述辅助线圈N,在磁芯 T&上缠绕4-8匝；所述辅助线圈N2在磁芯TR2上缠绕1-3匝。
全文摘要
本发明涉及一种电动汽车用的共模电流抑制装置，属于电动汽车技术领域。同时套于两根功率电缆的两个高频磁芯TR₁、TR₂及其辅助线圈N₁、N₂；由级联的三个运算放大器和一个功率驱动器构成的控制电路，N₁的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR₁的方向相同；N₂的缠绕方向与电缆穿过磁芯TR₂的方向相反；N₁的同名端接控制电路的地，另一端接运算放大器A₁的同相输入端，A₁的反相输入端与输出端相连，A₁输出信号经过运算放大器A₂和A₃的两级放大后，与功率驱动器A₄的同相输入端相连，A₄的反相端与输出端相连；N₂其同名端接功率驱动器A₄的输出端，另一端接控制电路的地。本装置对共模电流具有很好的抑制作用。
文档编号H01F27/34GK101325365SQ20081010368
公开日2008年12月17日 申请日期2008年4月10日 优先权日2008年4月10日
发明者斌 仇, 陈伏虎, 陈全世, 勇 黄 申请人:清华大学