電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)研究

基于電動汽車的特點和應(yīng)用要求，對車用電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁騷擾特性及傳播機制進(jìn)行了分析，采用騷擾源抑制、系統(tǒng)接地、電磁屏蔽、系統(tǒng)合理布局等措施實現(xiàn)了系統(tǒng)電磁兼容性能的有效提升。文中給出的整改方案已應(yīng)用于某款純電動汽車，滿足了國標(biāo)要求，證明文中給出的電磁兼容方案是行之有效的。

電動汽車上的電力電子變換裝置無論數(shù)量還是功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)汽車，電磁兼容問題的嚴(yán)重性和復(fù)雜性也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的三大關(guān)鍵系統(tǒng)之一，也是最重要的功率變換裝置，其電磁兼容性能（electromagneTIccompaTIbility，簡稱為EMC）不僅關(guān)系到自身的工作可靠性，而且會影響整車的安全運行能力和工作可靠性。從目前已有的電動汽車整車產(chǎn)品的檢測過程來看，大部分車型都是經(jīng)過多次整改才能夠達(dá)到國標(biāo)的相關(guān)規(guī)定。 鑒于電磁兼容問題的重要性，基于電磁騷擾耦合和傳播的一般機制，本文給出了電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容分析及解決方案，并給出了電磁兼容的測試結(jié)果。

1 車用電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁騷擾分析

車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的電機控制器由主回路、控制電路、機箱、散熱器、電纜等幾部分組成。其中主回路的主要部件為功率模塊，如IPM或IGBT等，是控制器的主要騷擾源，而平行雙線組成環(huán)路的電感。

（1）

式中：s為平行雙線的間隔；r為導(dǎo)線半徑。

在高頻的開關(guān)頻率（幾十kHz）下，產(chǎn)生很高的du/dt和di/dt，與直流母線的雜散電感相作用將產(chǎn)生很高的電流尖峰；而車用電機控制器的母線電壓一般為上百伏，故在產(chǎn)生PWM波的同時伴有很高的電壓峰值，這必然將帶來嚴(yán)重的電磁騷擾噪聲，通過近場和遠(yuǎn)場耦合形成傳導(dǎo)和輻射騷擾。控制電路產(chǎn)生的PWM 信號以及輸出的高頻時鐘脈沖波也會產(chǎn)生差模和共模輻射，但其輻射水平較低，產(chǎn)生的電磁騷擾一般較小。機箱的屏蔽性差也會帶來電磁泄漏產(chǎn)生電磁騷擾。散熱器會產(chǎn)生電磁振蕩，散熱片通常具有復(fù)雜的幾何形狀，具有多頻帶的RF輻射特性，很可能對開關(guān)頻率諧波起到輻射天線作用。電纜的不合理布設(shè)及非屏蔽也會產(chǎn)生較大的電磁騷擾。

電機驅(qū)動系統(tǒng)另外一個嚴(yán)重的電磁騷擾源來自電機。電機是電感性設(shè)備，電機工作時會產(chǎn)生很強的脈沖流并且可以在電源網(wǎng)絡(luò)中傳播，向周圍空間輻射。電機的開、停以及負(fù)荷改變都會使工作電流改變并產(chǎn)生脈沖電流，這種騷擾表現(xiàn)為不規(guī)則的脈沖流，頻譜約為10kHz耀1GHz。因此，電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的主要電磁騷擾源［2-3］。

2 解決方案

理論與實踐表明，任何電磁騷擾的發(fā)生必須具備3個條件：騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設(shè)備。任意一個條件的削弱或缺失，都將使電磁騷擾問題得到改善和解決?；谝陨戏治觯舜伍_發(fā)的電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計采取了如下技術(shù)方案。

2.1抑制騷擾源

（1）設(shè)計低寄生電感的功率母線：采用疊層母線結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)［4］，由正負(fù)導(dǎo)電銅板和中間的絕緣體構(gòu)成一個3層結(jié)構(gòu)，可以大大降低直流母線的寄生電感，從而降低浪涌電流及尖峰電壓。圖1給出了母線的設(shè)計圖紙。

圖1疊層母線設(shè)計圖

（2）簡單起見，采用了單電容的吸收回路，抑制高頻尖峰電壓及電流，并最終在吸收電路中消耗或反饋到電源中去。單電容吸收電路如圖2所示。

圖2 單電容吸收電路

（3）每個IGBT門極驅(qū)動采用獨立電源供電，如圖3，并且采用-8V的反向偏置電壓，以避免噪聲騷擾。

圖3門極驅(qū)動獨立電源

（4）在控制電源及動力電源輸入側(cè)加裝EMI濾波器，如圖4所示，既可以降低系統(tǒng)電磁發(fā)射強度，又可以提高系統(tǒng)的抗擾能力，但阻抗選擇要根據(jù)系統(tǒng)工作頻率和阻抗特性進(jìn)行匹配。

圖4電源EMI濾波器電路圖

（5）驅(qū)動電機是車用驅(qū)動系統(tǒng)最強的電磁騷擾源，將電機外殼形成一個良好的密封體實現(xiàn)屏蔽的完整性，防止電磁泄漏，再通過多點接地的方式將電機屏蔽外殼與整車可靠接地，可以有效降低電機的電磁輻射水平。

2.2 消除傳播途徑———接地、去耦、屏蔽設(shè)計

（1）根據(jù)地線分流原則。將強電與弱電地線分線，數(shù)字電路和模擬電路地線分線，安全地、信號地和噪聲地分線，最后輻射狀匯聚到一個公共接地點；采用光電隔離阻隔地環(huán)流，切斷騷擾途徑；外殼及散熱器等與大地可靠連接，防止外界磁場的騷擾以及靜電擊穿；靈活運用多點和單點接地。

（2）從系統(tǒng)整體角度而言，通過屏蔽措施使驅(qū)動系統(tǒng)達(dá)到良好的電磁屏蔽效果也是解決系統(tǒng)EMC的有效手段之一。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，將機箱形成一個連續(xù)密封的導(dǎo)電體，使耦合到內(nèi)部電路的電磁場被反射和吸收。在機箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封；在機箱的非永久性接縫處加入實心導(dǎo)電橡膠條作為導(dǎo)電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。在動力線纜與信號線纜穿越機箱部分的屏蔽連續(xù)性設(shè)計也至關(guān)重要，可以采用帶屏蔽的插頭插座或在端接處使用動力線纜屏蔽壓接裝置［5-6］，實現(xiàn)屏蔽層與機箱的360毅端接，以及采用濾波連接器設(shè)計，可以有效地抑制輻射耦合。圖5和圖6為相關(guān)措施的示意圖。

圖5屏蔽動力線纜插座

圖6導(dǎo)電襯墊

2.3 提高系統(tǒng)的抗擾能力

（1）合理的整體布局。首先，將強電與弱電分開，避免彼此間的騷擾影響；其次，采取不同的電源分別供給數(shù)字信號和模擬信號，以確保彼此信號不會因為電源而彼此影響。

（2）控制器電源的抗擾設(shè)計。控制電源采用隔離的模塊電源，不同電路隔離供電?？刂齐娫碋MC設(shè)計主要有如下措施：一是將電源輸入輸出線絞合并縮短與進(jìn)線端的距離，在進(jìn)線端增加共模扼流圈、維持電容、去耦電容以及濾波電容，如圖4所示。二是縮短進(jìn)線端與負(fù)載間的距離，增大導(dǎo)線面積，以減小連接電阻對負(fù)載調(diào)整率的影響。

（3）控制板抗擾性設(shè)計。淤采用光電隔離；于元器件的降額使用；盂選用集成度高的元器件；榆適當(dāng)加入濾波和去耦電路，如每個集成電路安置一個0.01耀 0.1滋F的電容，并且使電容與芯片電源端和地線端之間的聯(lián)線盡量短；虞數(shù)據(jù)線、地址線、控制線要盡量短，以減少對地電容；愚多層分區(qū)設(shè)計，控制電路板采用多層設(shè)計，可有效地降低電源線和地線的阻抗及有效減少電路的環(huán)路面積，本文將控制電路板分為4個區(qū)，包括電源區(qū)、模擬電路分區(qū)、數(shù)字電路分區(qū)以及隔離通訊電路分區(qū)。

3 實驗結(jié)果

圖7所示為系統(tǒng)測試配置框圖。電機系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速控制模式，模擬實車運行狀態(tài)。其中，電機為永磁同步電機，峰值功率35kW，最高轉(zhuǎn)速6000r/min。

圖7系統(tǒng)測試框圖

圖8為該電機系統(tǒng)經(jīng)過上述電磁兼容整改方案前后的輻射騷擾垂直極化測試結(jié)果，主要頻點均降低了50dB以上。從圖8（a）中可以看出，未加電磁兼容設(shè)計整改的超標(biāo)嚴(yán)重；

而通過整改后，該電機系統(tǒng)通過了CISPR25：2008零部件的輻射發(fā)射Class3要求，如圖8（b）所示。

（a）整改前

（b）整改后

圖8輻射騷擾垂直極化測試結(jié)果

4 結(jié)束語

對于采用電力電子裝置的電機驅(qū)動系統(tǒng)而言，電磁兼容與干擾抑制無疑是至關(guān)重要的。針對電動汽車的特殊性，本文采用騷擾源抑制、系統(tǒng)接地、電磁屏蔽、系統(tǒng)合理布局等措施有效提升了車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性能。通過一款純電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用以及國標(biāo)所涉及各個項目的整改和測試，證明了本文方案的正確性和有效性。