扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)電磁輻射的影響研究

黃 帥，杜明星，柳海明，魏克新HUANG Shuai， DU Ming-xing， LIU Hai-ming， WEI Ke-xin（.天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點試驗室，天津 300384；.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)電磁輻射的影響研究

黃 帥1，杜明星1，柳海明2，魏克新1
HUANG Shuai1， DU Ming-xing1， LIU Hai-ming2， WEI Ke-xin1
（1.天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點試驗室，天津 300384；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

文章圍繞不同扭矩對電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行工況下產(chǎn)生的電磁輻射是否存在影響這一問題展開研究。為了更好的模擬電驅(qū)動系統(tǒng)在實車上的工作狀態(tài)，試驗在攜帶測功機的電波暗室中進行。結(jié)果表明：在1～2MHz和30～80MHz頻段內(nèi)，隨著扭矩的增大產(chǎn)生的電磁輻射相應(yīng)增大，但當扭矩增大到一定程度時電磁輻射趨于穩(wěn)定。分析得出了影響電驅(qū)動系統(tǒng)電磁輻射另一種新的因素——IGBT導通時電壓紋波；同時可為電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)制造商在設(shè)計和制造過程中提供一定的參考價值，使其在今后的設(shè)計中更加有針對性的采取相應(yīng)措施來提高電磁兼容性能。

電驅(qū)動系統(tǒng)；不同扭矩；電波暗室；電磁輻射

0　前言

近年來，在國家政策的鼓勵之下新能源汽車以其環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢得到了很好的發(fā)展。但是，由于電驅(qū)動系統(tǒng)中使用了大量的逆變器等大功率器件，導致其在運行過程中產(chǎn)生嚴重的電磁干擾［1］。

對于電驅(qū)動系統(tǒng)在不同扭矩穩(wěn)定運行工況下產(chǎn)生的電磁輻射是否存在影響這一問題，目前國內(nèi)外專家和工程師對此沒有明確的結(jié)論。有些制造商認為電機的扭矩越大，電流越大，產(chǎn)生的電磁輻射越大；而某大型客車制造商認為穩(wěn)定情況下IGBT的上升時間和下降時間已然穩(wěn)定，不同扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射沒有明顯的影響。因此，研究不同扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行工況下的電磁輻射有著重大的意義。

文獻［6］中得出了IGBT的上升沿和下降沿的時間對產(chǎn)生電磁干擾存在影響的結(jié)論，但并沒有分析IGBT開通階段電壓紋波對電磁輻射的影響；文獻［7］中分析了不同扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)傳導電磁干擾的影響，但沒有分析對輻射電磁干擾的影響；文獻［11］中在整車測試中通過改變車輛與轉(zhuǎn)轂之間的壓力來實現(xiàn)不同扭矩下的電磁輻射影響，但產(chǎn)生的影響并非全是由扭矩的不同而產(chǎn)生的。以上文獻對研究不同扭矩電驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生電磁輻射的影響有一定的借鑒作用。

1　電磁輻射的根源及原理分析

1.1電磁輻射根源

電機控制器作為電驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，在實際運行中，內(nèi)部IGBT處于高速的通斷模式。集電極和發(fā)射極之間形成一個電壓脈沖，由于寄生電容的存在，產(chǎn)生的電壓脈沖對寄生電容將不斷的進行充放電，從而產(chǎn)生很大共模電流，而共模電流在電路阻抗的作用下形成了很強的共模干擾。此共模干擾在電路中將產(chǎn)生一個寬頻帶的電磁干擾，頻率范圍超過數(shù)十兆赫茲。

共模干擾的幅值E可用式（1）表示：

共模電流i的可用式（2）表示：

由式（1）、式（2）可知，在實際車輛中，其他因素已然固定，共模干擾的大小主要取決于電路中共模電流大小，而共模電流的大小又取決于梯形波的上升沿、下降沿時間，即電壓脈沖。因此，IGBT工作中產(chǎn)生的電壓脈沖是導致產(chǎn)生電磁輻射的根本原因，并非電路中電流的大小。但在復雜的電驅(qū)動系統(tǒng)工作環(huán)境中，是否還存在其他因素可能會產(chǎn)生電壓脈沖？

1.2原理分析

圖1為理想狀態(tài)下電機控制器內(nèi)部驅(qū)動IGBT功率管的梯形波結(jié)構(gòu)，tr代表上升沿時間；tf代表下降沿時間；τ代表半幅度點處上升沿和下降沿之間的時間跨度，即脈沖寬度；T代表信號周期；定義為占空比。

圖1　梯形波的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過計算后可得到梯形波頻譜的三條漸近線：

由此可繪制出梯形波的頻譜圖，如圖2所示。

圖2　梯形波信號的頻譜圖

如圖2所示，隨著頻率的增加，梯形波的頻譜呈逐漸衰減的趨勢，拐點處的頻點位置主要取決于τ和上升沿時間rt。因此，二者共同決定著電磁輻射的整體趨勢。

而在實際運行中，IGBT集電極和發(fā)射極之間電壓的波形如圖3～圖5所示。

圖3　轉(zhuǎn)速2000r/min，扭矩50Nm

圖4　轉(zhuǎn)速2000r/min，扭矩100Nm

圖5　轉(zhuǎn)速2000r/min，扭矩150Nm

在圖中實測IGBT導通期間（紅圈內(nèi)）的電壓紋波中，100Nm的波動明顯大于50Nm的波動；而100Nm和150Nm的波動變化卻不明顯，這種波動即電壓脈沖，在電路中將產(chǎn)生一定的電磁輻射。因此，不同扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行下的電磁輻射整體趨勢沒有影響，但對電磁輻射強度在一定的頻段內(nèi)由于電壓紋波可能產(chǎn)生影響。

基于以上推論，本文利用中國汽車技術(shù)研究中心精良的測試設(shè)備，進行試驗驗證。

3　試驗驗證

本文選用一臺額定功率為42kW的電驅(qū)動系統(tǒng)進行試驗驗證。工況如表1所示。

表1　工況表

為了保證試驗結(jié)果的一致性和精確度，本次試驗采用三種天線［10］：1）1m長的垂直單極天線，頻段為0.15～30MHz；2）雙錐天線，頻段為30～200MHz；3）對數(shù)周期天線，頻段為200～1000MHz。實物布置如圖6所示。

圖6　試驗實物布置

測試結(jié)果如圖7所示：試驗測試圖中，上面兩條線分別代表峰值和平均值的限值線等級1，中間三條測試線分別代表不同扭矩的峰值測試線，下面三條測試線分別代表不同扭矩的平均值測試線。

圖7　試驗測試圖

【】【】

圖7（a）頻段內(nèi)峰值在1.62MHz頻點處不同扭矩的測試線最大相差5dB；平均值在1.4MHz頻點處不同扭矩的測試線出現(xiàn)微小波動，最大差距為4dB。電壓紋波造成的影響在1～2MHz頻段內(nèi)表現(xiàn)的比較明顯。

圖7（b）頻段內(nèi)垂直極化方向的峰值測試線在30～80MHz頻段均有較大的波動。將此部分圖形放大觀察并分析：垂直極化方向上扭矩為100Nm的測試線在30～36MHz和50～80MHz頻段內(nèi)的測試結(jié)果明顯高于扭矩為50Nm時在此頻段的測試結(jié)果，最大相差8dB；扭矩為150Nm時在50～80MHz頻段內(nèi)的測試線底部有所收縮，但頂部基本沒有變化，輻射發(fā)射整體趨于收斂，且與扭矩為100Nm時的測試結(jié)果相比差別不是很明顯。

圖7（c）頻段內(nèi)垂直方向峰值測試線在220MHz單頻點處的幅值出現(xiàn)突變，最大相差5dB，此類單頻點的突變一般主要是由于電機控制器的密封不良等原因造成的；其他頻段內(nèi)不同扭矩產(chǎn)生電磁輻射基本沒有變化。

4　結(jié)束語

本文通過對電驅(qū)動系統(tǒng)在不同扭矩穩(wěn)定運行工況下產(chǎn)生的電磁輻射影響進行分析。結(jié)果表明：不同扭矩對電驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行下產(chǎn)生的電磁輻射強度主要在1～2MHz和30～80MHz頻段確實存在明顯的影響，最大相差8dB。在上升沿和下降沿時間不變的情況下，這主要是由IGBT開通時的電壓紋波這一新的影響因素造成的。為電驅(qū)動系統(tǒng)制造商在設(shè)計和生產(chǎn)的過程中提供一定的參考價值，使其在今后的設(shè)計中有針對性的采取相應(yīng)措施來提高電磁兼容性能，促進我國電動汽車制造業(yè)的發(fā)展。

［1］ 劉欣，許志光.2013年中國汽車電磁兼容技術(shù)發(fā)展綜述［J］.中國汽車工業(yè)年鑒，2014.

［2］ CISPR 25 Vehicles，boats and internal combustion engines-Radion disturbance characteristcs Li mits and methods of measurement for the protection of on-bo ard receivers［S］.3版.2008，03.

［3］ CISPR/D/391/CD，Annex on ALSE Perfromance Validation 150kHz～1GHz［S］.2012，01.

［4］ 張飛.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)傳導電磁干擾的建模和實驗研究［D］.重慶大學，2014.

［5］ GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法.北京標準出版社，2015.

［6］ 劉大亮.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性研究［D］.浙江工業(yè)大學，2011.

［7］ 孫宏.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的傳導電磁干擾研究［D］.重慶大學，2012.

［8］ Chung B K.EMI/EMC.Chamber Design， Measurement，and Instrument［M］.Handbook of Antenna Technologies.Springer Singapore，2015：1-23.

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［11］ 齊蒙.電動汽車電磁兼容性能分析與優(yōu)化研究［D］.河北工業(yè)大學，2014.

The influence of EMI from different torques to electric drive system on electric vehicles

TP21

A

1009-0134（2016）08-0085-04

2016-04-22

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃（14JCYBJC18400）

黃帥（1990 -），男，山西運城人，碩士研究生，研究方向為電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容影響因素。