燃料電池轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲的實(shí)驗(yàn)研究*

張 戟，蔡浩雄，王洪武

(同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804)

前言

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，燃料電池轎車(chē)具有效率高、污染小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)汽車(chē)工業(yè)的希望［1］。然而，燃料電池轎車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)(包括動(dòng)力電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等)常見(jiàn)的工況為大電流高電壓，對(duì)低壓設(shè)備產(chǎn)生很大的電磁干擾，降低了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

大功率電機(jī)整流逆變器核心部分是由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路，工作時(shí)產(chǎn)生高頻信號(hào)，具備較高的電應(yīng)力，多產(chǎn)生較高的直流母線(xiàn)紋波，開(kāi)關(guān)噪聲與諧波噪聲高，波形系數(shù)差;從電磁兼容的角度看，無(wú)論是輻射發(fā)射還是傳導(dǎo)發(fā)射都比較強(qiáng)。本文中從傳導(dǎo)發(fā)射的角度，首先介紹了常用燃料電池轎車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得電機(jī)在不同電壓和轉(zhuǎn)速的頻譜圖，并利用控制變量法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，為采取降低燃料電池轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲的措施提供了依據(jù)。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是燃料電池汽車(chē)中將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力部件，目前常用的驅(qū)動(dòng)形式有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、交流永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［2］。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、控制簡(jiǎn)單和技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在早期的無(wú)軌電車(chē)和電動(dòng)叉車(chē)等車(chē)輛中廣泛使用。但由于電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要電刷和換向器轉(zhuǎn)向，對(duì)其高速性能和可靠性影響較大。隨著交流調(diào)速理論和電力電子器件的發(fā)展，它在燃料電池汽車(chē)上的應(yīng)用已逐步減少。

交流感應(yīng)電機(jī)采用鼠籠式或繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與直流電機(jī)相比具有堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、免維護(hù)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合惡劣的工作環(huán)境，比較適合燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，特別是大功率的電動(dòng)汽車(chē)。

交流永磁電機(jī)通常可分為方波供電的無(wú)刷直流電機(jī)和正弦波供電的永磁同步電機(jī)。轉(zhuǎn)子采用永磁體，不需要?jiǎng)?lì)磁。因此，功率因數(shù)大，電機(jī)的功率密度和效率就會(huì)提高。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)勢(shì)，但成本較高，可靠性也比感應(yīng)電機(jī)差。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，適合高速運(yùn)行，調(diào)速控制比較容易，但電磁噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)面臨的兩大難題。目前燃料電池汽車(chē)上這種電機(jī)應(yīng)用較少。

表1為各大汽車(chē)公司燃料電池轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型和參數(shù)，額定功率為50～80kW，最大功率在100kW附近。本文中選用額定功率為45kW，最大功率為90kW的感應(yīng)電機(jī)為研究對(duì)象。

表1 燃料電池轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型和參數(shù)

2 電機(jī)三相輸入端電磁噪聲分析

負(fù)載是影響電機(jī)噪聲的重要因素，但目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有根據(jù)燃料電池汽車(chē)實(shí)際工況給驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬加載的裝置，故僅考慮電機(jī)空載時(shí)的噪聲。

2.1 實(shí)驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。共模電流鉗一端包住主回路三相輸入線(xiàn)，測(cè)量三相輸入端共模電流，另一端連接頻譜分析儀，頻譜儀與電腦連接記錄存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。人工網(wǎng)絡(luò)端接50Ω電阻。

2.2 輸入電壓與電磁噪聲的關(guān)系

大功率電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲最根本的原因是IGBT工作過(guò)程中產(chǎn)生很高的電流變化率和電壓變化率，二者產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。電壓變化率產(chǎn)生的共模電流通過(guò)設(shè)備與地之間寄生電容回到地平面，共模電流幅值計(jì)算公式為

式中:Cp為寄生電容，u為電機(jī)輸入電壓。

圖2為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖。圖中虛線(xiàn)箭頭表示共模電流的傳播路徑［3］。由圖可知，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳輸線(xiàn)和感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部均有共模電流。

圖3分別為不同輸入電壓下的共模噪聲頻譜圖。圖中橫坐標(biāo)表示頻率，起點(diǎn)為9kHz，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速固定在1000r/min時(shí)共模電流流經(jīng)端接50Ω電阻所產(chǎn)生的電磁噪聲。由圖可見(jiàn)，曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本相同，開(kāi)始 9kHz時(shí)噪聲功率很高，為-15dBm，隨著頻率的逐步增加，噪聲功率逐漸減小，到27MHz時(shí)，電磁噪聲基本穩(wěn)定在-70dBm;從9kHz到9MHz噪聲降低非?？?，隨后噪聲隨頻率增加小幅度波動(dòng)，并最終趨于穩(wěn)定。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，把頻率范圍0～30MHz平分為20等分，選取對(duì)應(yīng)的噪聲功率最大值，利用三次樣條曲線(xiàn)擬合轉(zhuǎn)速1000r/min不同電壓時(shí)電磁噪聲，得到圖4所示曲線(xiàn)。表2為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相主回路電磁噪聲的峰值和均值。從圖4和表2可以看出，隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相主回路輸入電壓升高，噪聲有所增加，但增量有限，分別為 -2.4dBm和-2.9dBm。另外值得注意的是，120和240V時(shí)噪聲功率的峰值均為-15dBm，而360V時(shí)，噪聲功率的峰值為-11dBm。

表2 轉(zhuǎn)速1000r/min不同電壓時(shí)噪聲峰值和均值

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁噪聲的關(guān)系

圖5是輸入電壓為330V，轉(zhuǎn)速分別為0、6000和8000r/min時(shí)的共模噪聲頻譜。由圖可見(jiàn)，隨著頻率的提高，共模噪聲呈降低趨勢(shì)，低頻共模噪聲變化不大，但不同轉(zhuǎn)速下的降幅有很大差別。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，不同頻段的電磁噪聲差別較大。頻率段為9kHz～12MHz時(shí)的共模噪聲很大，其噪聲均值為 -33.1dBm;而頻率段為 12～30MHz時(shí)的噪聲均值只有-61dBm，噪聲大大減小，但在頻率為17和25.5MHz時(shí)出現(xiàn)相對(duì)較大的噪聲，分別為-32和-40dBm。結(jié)果說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的電磁噪聲主要來(lái)自低頻段。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6000和8000r/min時(shí)，隨著頻率的增加，共模噪聲有所降低，但降幅不大。頻率段0～6MHz和15～18MHz的共模噪聲很大，這與轉(zhuǎn)速為0時(shí)17MHz出現(xiàn)相對(duì)峰值的情況是一致的。30MHz時(shí)，共模噪聲依然很大，還未趨于穩(wěn)定，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時(shí)，須擴(kuò)大頻率范圍。

不同轉(zhuǎn)速下的噪聲-頻率曲線(xiàn)如圖6所示。表3為不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相主回路共模電磁噪聲的峰值和均值。電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)低頻電磁噪聲影響不大，但對(duì)高頻電磁噪聲影響很大。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，噪聲均值為-47.9dBm，而轉(zhuǎn)速為6000和8000r/min時(shí)，噪聲均值分別為-35.7和-32.8dBm。

表3 電壓330V不同轉(zhuǎn)速時(shí)噪聲峰值和均值

3 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為燃料電池轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一，產(chǎn)生了很大的電磁噪聲。在對(duì)燃料電池轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型和參數(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相主回路輸入電壓和轉(zhuǎn)速的變化對(duì)電磁噪聲的影響，得出以下結(jié)論。

(1)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于低轉(zhuǎn)速(1000r/min)時(shí)，感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相主回路電磁噪聲主要在0～6MHz頻率段內(nèi)，增大電壓時(shí)電磁噪聲有所增加，但增幅不大;

(2)感應(yīng)電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)低頻電磁噪聲影響不大，而對(duì)高頻電磁噪聲影響很大，隨著轉(zhuǎn)速增高電磁噪聲呈增大趨勢(shì)，在頻率17MHz附近出現(xiàn)相對(duì)峰值;

(3)感應(yīng)電機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁噪聲在30MHz頻率點(diǎn)已基本穩(wěn)定，而電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速(大于6000r/min)時(shí)，電磁噪聲在30MHz頻率點(diǎn)還未達(dá)到穩(wěn)定，須擴(kuò)大頻率范圍進(jìn)一步觀察;

(4)對(duì)感應(yīng)電機(jī)電磁噪聲大的頻率區(qū)間須采取濾波、屏蔽和接地等措施降低電磁噪聲，從而保證燃料電池轎車(chē)的安全性和可靠性。

［1］劉翔海.燃料電池及其相關(guān)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究［J］.汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，2001(9):25-28.

［2］袁海林.電動(dòng)汽車(chē)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展概況［C］.第十一屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集，2006:31-36.

［3］Souza L N De，Braga R A M，Libano F B.Introduction to Conducted Electromagnetic Emission from Inverted-fed Induction Motor Drives According to the Electromagnetic Compatibility(EMC)Requirements［C］.IEEE Russia Power Tech，2005.