混合動力汽車電磁場輻射騷擾特性研究

劉青松，許響林，李 彬，覃延明，翟建鵬

（1.重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122；2.重慶市電磁兼容工程技術研究中心，重慶 401122）

混合動力汽車電動部分通常是由大功率電動機和控制器組成的高壓電氣系統(tǒng)，既會對外發(fā)射輻射騷擾，同時又承受其它電器設備的干擾，其電磁兼容問題不容忽視[1-3]。據(jù)報道，北美部分車主曾對混合動力汽車的電磁干擾問題進行投訴，使混合動力汽車一度遭遇電磁污染危機[4]。目前國內(nèi)在這方面的研究極少，國外作過一些研究，但尚未有定論。

與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力汽車增加了高壓電動力系統(tǒng)，電磁騷擾源的類型和部件有所增加，主要包括發(fā)動機、DC/DC變換器、電機及電機控制器等[5-7]。筆者以某型混合動力汽車低頻電磁場發(fā)射電平超出國家標準要求的實際問題，分析診斷其主要電磁騷擾部件，并對各騷擾源發(fā)射電磁騷擾的機理進行分析，然后采取對應的電磁兼容技術措施進行整改，并通過試驗對整改措施的有效性進行驗證。文中所采取的技術措施已被推廣應用于其它自主品牌混合動力新車型的研發(fā)設計中，并被證明行之有效。

1 混合動力汽車低頻電磁場騷擾特性

1.1 混合動力汽車動力系統(tǒng)結構

所研究的混合動力汽車具備怠速起停、動能助力、自動能量回收等功能，是中度混合動力汽車，配備有ISG（Integrated Starter Generator）電機和 1.5 L 汽油發(fā)動機。圖1是混合動力汽車的動力系統(tǒng)結構框圖。

1.2 試驗方案及初始騷擾電平測試結果

試驗主要考核混合動力汽車在9 kHz～30 MHz范圍內(nèi)的低頻電場和磁場的輻射騷擾電平，所用儀器設備主要包括EMI接收機、棒狀天線、環(huán)形磁場天線等[8]。電場測量時，使用棒狀天線，天線距離車輛最近部分為3 m±0.1 m；磁場測量時，使用環(huán)狀天線，天線中心位于地面上方1 m±0.05 m，距車輛最近部分為3 m±0.2 m；所有試驗都在筆者單位從德國進口的半電波暗室中完成。

測試時，用千斤頂把車輛驅(qū)動輪頂起，并用絕緣木塊支撐住車輛?；旌蟿恿ζ嚪謩e以16 km/h和64 km/h的車速穩(wěn)定運行，所測得的低頻電場、磁場輻射強度初始值分別見圖2-圖5。

從圖2-圖5中可以看出，該混合動力汽車的車速在16 km/h和64 km/h時的低頻電場、磁場騷擾電平值均超出了國標GB/T 18387-2008[9]的要求，電場輻射強度超標頻段集中在8 MHz～30 MHz范圍內(nèi)，最嚴重的超標約23 dB；磁場輻射強度超標頻段主要集中在3 MHz～30 MHz范圍內(nèi)，最嚴重的超標約26 dB，同時在150 kHz～300 kHz頻段磁場輻射強度也有超標現(xiàn)象。

2 低頻電磁干擾問題分析

通過進一步的診斷分析，發(fā)現(xiàn)該混合動力汽車的發(fā)動機點火系統(tǒng)、ISG電機及其控制器IPU、DC/DC變換器等零部件系統(tǒng)是導致其低頻電場磁場騷擾電平超標的主要騷擾源。

2.1 發(fā)動機點火系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的機理

發(fā)動機點火系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁騷擾信號主要來自以下兩方面：

1）火花塞的中心電極與側電極之間的火花放電，以電弧的形式向空間發(fā)射電磁能量。其特點是放電時間極短（幾分之一微秒或幾微秒），放電電流很大。這是由于火花間隙被強烈電離，因而它的電阻很小，放電電流可達幾十安培，同時電流變化的速率也很大。由于電火花是在次級電壓達到最大值前產(chǎn)生的，僅消耗初級繞組存儲的部分磁場能量，在此過程中所伴隨的高頻電磁振蕩，會產(chǎn)生強烈的電磁干擾。

2）點火回路中有脈沖電流流過，為了保證足夠的點火能量，點火線圈的瞬變電壓很高，點火線圈及高壓點火線等作為等效天線，向空間發(fā)射電磁能量。其特點是放電電壓較低，放電持續(xù)時間較長（幾毫秒），放電電流較小。點火過程中次級線圈電壓變化和電流變化如圖6所示。

從圖6中可知，次級電壓上升時間極短，上升速率很高，波形前沿十分陡峭，其放電電流是突變的，變化速率極快。當火花塞電極間產(chǎn)生電火花時，伴隨有頻帶很寬的高頻振蕩，其頻率從數(shù)百十千赫茲到數(shù)百兆赫茲，產(chǎn)生的輻射電磁波具有脈沖特性，這就是發(fā)動機點火系統(tǒng)產(chǎn)生輻射騷擾的主要因素。

2.2 ISG電機及其控制器產(chǎn)生干擾的機理

該混合動力汽車配置的ISG電機為永磁交流電機，屬于高電壓、大電流的強電設備。交流電機不同于有刷直流電機，內(nèi)部沒有容易產(chǎn)生電磁騷擾的電刷和換向裝置，故交流電機的定子和轉子本身并不會產(chǎn)生較大的輻射。但ISG電機動力線上的電流通常在100～150 A之間，其動力線很粗，并由車輛后部連接到前端發(fā)動機艙，貫穿于整個車輛。在車輛行駛過程中，ISG電機電流頻繁變化，對外界發(fā)射較強的電磁騷擾信號。

ISG電機的控制器IPU，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式進行電能變換和控制電機。IPU使用IGBT、MOSFET等高速半導體開關器件，以增強逆變器的動態(tài)響應過程，但這同時也帶來了電磁干擾問題。這些半導體開關產(chǎn)生的高頻脈沖信號具有很大的d u/d t和d i/d t，形成很強的電磁干擾，其頻率從幾千赫茲到數(shù)十兆赫茲。

2.3 DC/DC變換器產(chǎn)生干擾的機理

該混合動力汽車配置的DC/DC變換器使用IGBT為功率開關管。當功率開關管IGBT開通時，由于開關時間很短及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生極高的d u/d t突變和尖峰電壓；在關斷功率開關管IGBT時，由于關斷時間很短，將產(chǎn)生極大的d i/d t突變和浪涌電流，這些電磁能量以傳導和輻射的方式向外傳播，產(chǎn)生電磁干擾。

3 低頻電磁場干擾問題整改

3.1 發(fā)動機點火系統(tǒng)整改

點火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁騷擾，主要是由于點火回路中有脈沖電流流過，點火線圈及高壓點火線等作為等效天線，向空間發(fā)射電磁能量。據(jù)此，可以根據(jù)點火回路的諧振頻率，在導線上增加鐵氧體磁環(huán)，以及在回路中增加濾波器來抑制電磁騷擾信號的輻射和傳導。

3.2 ISG電機及其控制器整改

由于ISG電機的騷擾主要通過電源線輻射產(chǎn)生，采取對電源線進行屏蔽處理[10-11]，將ISG電機的三相電源線分別穿過金屬屏蔽網(wǎng)。因電機電源線貫穿整車較長，為保證屏蔽網(wǎng)的良好接地，在電源線中部又增加了接地點，屏蔽網(wǎng)端頭部分采用360°環(huán)接等措施。另外，在三相電源線的每根線之間，以及每根線與地之間也增加了濾波器。

既然ISG電機的電源線與IPU的輸出線相連，除了對IPU輸出線進行屏蔽處理外，對IPU的電源輸入輸出線也都采取了濾波措施。既對IPU輸出的每條電源線增加對地濾波電容，又在其每條電源線之間增加了濾波器。

3.3 DC/DC變換器整改

針對DC/DC變換器產(chǎn)生電磁騷擾的機理，結合DC/DC電路板，采取在其內(nèi)部輸出電源接口增加濾波電容，輸出電源線與線之間增加電容，以抑制低頻開關電源的干擾信號。同時，通過1 000 pF電容把DC/DC內(nèi)部變壓器初次級的地相連，還可以減少開關電源的干擾回路面積，以減少輻射能量。

3.4 整改后的低頻電磁場特性

在完成對發(fā)動機點火系統(tǒng)、ISG電機及其控制器IPU和DC/DC三大主要電磁騷擾源的整改后，重新在筆者單位的從德國進口的半電波暗室中對混合動力汽車作了測試，其結果數(shù)據(jù)如圖7-圖10所示。

從整改后混合動力汽車低頻電場和磁場的輻射騷擾電平測試結果看，在9 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)的騷擾電場、磁場的輻射電平不但完全達到國家標準的要求，而且還有較大的余量。這說明，針對各主要騷擾源采取的整改措施是有效的。

4 結論

1）對于混合動力汽車而言，其電磁騷擾源主要是發(fā)動機點火系統(tǒng)，ISG電機及其控制器IPU、DC/DC變換器。

2）對發(fā)動機點火系統(tǒng)進行濾波處理，可以有效地降低點火系統(tǒng)的電磁騷擾信號。

3）在設計DC/DC變換器和IPU控制器電路板時，應從元器件的選型、布局，電路板的布線以及電路板的地線設計等方面考慮其電磁兼容性。

4）對ISG電機這類大電流設備，應考慮使用屏蔽電源線或?qū)ζ潆娫淳€進行屏蔽，避免其向外發(fā)射過大的電磁騷擾信號。

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