電動汽車DC/DC轉換器內變壓器空間磁場分布

摘要：隨著工業現代化的發展，汽車出行已經成為了當今社會的一種潮流，隨之帶來的弊端則是環境的惡化以及不可再生資源的大量消耗，為此新能源電動汽車的發展也受到了各國政府的支持。伴隨著電動汽車的普及，電磁輻射的問題也引起了人們的高度重視。因此，應用Comsol Multiphysics仿真軟件，搭建了電動汽車DC/DC轉換器內變壓裝置的變壓系統，分析了汽車內的磁感應強度的分布，發現變壓器所在位置的磁感應強度明顯大于其他位置。

關鍵詞：電動汽車；電磁環境；磁感應強度

中圖分類號：U469 ?收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.027

1 前言

21世紀，內燃機汽車已經成為人類在陸地上使用最廣泛的交通工具，人們享受著汽車帶來的便利，但汽車排放出的尾氣對環境造成了越來越嚴重的污染。但內燃機汽車所消耗的資源屬于不可再生的化石資源。面臨這種嚴峻的挑戰，國內外的專家開始將精力投入電動汽車的研究。我國的第一輛“望遠號”電動汽車誕生于1995年，經過各種測試以及改進完善之后向大眾推廣，并在市面上普及[1-2]。與內燃機汽車不同，電動汽車的驅動方式為電力驅動。然而，電力驅動所產生的電磁暴露問題同樣不容小覷。

2 電動汽車電磁暴露研究現狀

在大力普及電動汽車的同時，國內外的學者也對電動汽車內部的電磁環境進行了研究。文獻[3]主要研究了電動汽車駕駛工況下電動汽車的動力電纜的輻射問題，并表明汽車在加速過程中動力電纜產生的磁場最強。文獻[4]研究了電動汽車在進行無線充電時對成人及兒童的影響，并提出了關于兒童乘坐電動汽車時的防護建議。文獻[5]對電動汽車內的輻射源及輻射環境做了簡單介紹，并使用儀器測量車廂內部分位置磁感應強度與感應電場強度。文獻[6]分析了電動汽車底盤高壓分配箱的電磁輻射問題，并對某一款電動汽車高壓分配箱輻射超標問題提供了解決方案。文獻[7]分析了無線遙控系統在車身周圍產生的電場分布情況。文獻[8]分析了電動汽車的電磁干擾途徑，并進行整車測試，總結歸納了電動汽車的電磁干擾特性。文獻[9]研究了電動汽車駕駛模式、充電模式和靜止模式的電場和磁場強度以及人體電磁暴露情況，并對電動汽車的電場、磁場特性進行了分析和研究。研究發現，在駕駛模式下電磁暴露情況通常高于充電模式和靜止模式。文獻[10]提出了一種關于電機驅動系統級臺架測試的方法，之后針對部件與整車進行了測試對比，測試證明了該測試方法能較好的表征整車電磁干擾風險點。

本文對新能源電動汽車DC/DC變換器內部的變壓裝置產生的磁場進行仿真分析，來觀察車廂內磁感應強度分布，建立變壓器模型與汽車模型并在Comsol 軟件中的AC/DC模塊來搭建實驗平臺。

3 仿真計算

本實驗所選用的汽車為市面上普遍暢銷的一款車型，車廂內除司機之外可容納4名乘客。DC/DC轉換器的作用就是將汽車的高壓降至低壓，再進行整流濾波之后輸送給汽車的低壓系統。DC/DC變換器位于電動汽車的前備倉。DC/DC變換器內置的變壓器普遍為10 kHz及以上。車體的尺寸如圖1所示。

變壓器的工作原理遵循法拉第電磁感應定律，原副邊線圈的電壓取決于線圈之間的匝數比[12]。圖2為變壓器的實物圖，變壓器主要由磁芯以及線圈組成。按照圖3的方式連接好簡化電路，對原邊線圈進行電壓激勵，再進行離散化處理，最后進行計算。相關公式如下：

V=N（d[?]/dt） ???????（1）

V1/V2=N1/N2 ???????（2）

式中，N表示線圈的匝數，V1和V2分別表示原邊線圈和副邊線圈的電壓。

4 車內磁場強度分布

對側視圖（YZ平面）作截面，研究變壓器在汽車內三個方向的磁感應強度分布。圖4為YZ截面上的車廂內磁感應強度二維分布，車廂內磁感應強度最大值位于變壓器的位置，最大值為24 680.3 [μ]T。圖5為YZ截面上的變壓器周圍磁感應強度二維分布，變壓器附近的磁感應強度明顯高于其他位置。

通過此截面可以更清晰地看出，磁感應強度最大的位置是原邊線圈，因為其匝數多且電壓大，其次是副邊線圈，電壓低且匝數少。最中心的圓柱體為磁芯，磁芯的磁感應強度值低于原邊線圈和副邊線圈。

5 結語

本文主要研究了DC/DC轉換期內變壓裝置工作時所產生的磁場在車內的分布。在仿真軟件內繪制三個方向的二維截面。通過觀察三個不同的截面可以發現：變壓器所在的位置磁感應強度最大，說明距離變壓器越遠，乘客所受到的電磁輻射越少；反之，靠近輻射源的乘客則受到的電磁輻射較多。

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作者簡介：

梁然波，男，1998年生，在讀碩士研究生，研究方向為電磁輻射安全。