電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分布參數(shù)對傳導(dǎo)電磁干擾影響研究

翟麗，張新宇，李廣召

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

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電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分布參數(shù)對傳導(dǎo)電磁干擾影響研究

翟麗，張新宇，李廣召

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

構(gòu)建了電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾測試平臺(tái)，研究電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶載工況下分布參數(shù)對傳導(dǎo)電磁干擾的影響. 通過測試比較電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶載工況下和空載工況下產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾，分析系統(tǒng)高低頻差模干擾和共模干擾的傳播路徑，建立相應(yīng)的等效電路，在頻域內(nèi)分析了傳導(dǎo)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理和分布參數(shù)對傳導(dǎo)電磁干擾的影響. 測試結(jié)果表明，適當(dāng)增大電機(jī)控制器內(nèi)部功率器件對地分布電容和直流動(dòng)力線纜對地分布電容可減小系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)電磁干擾.

電動(dòng)汽車；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；傳導(dǎo)電磁干擾；分布參數(shù)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，隨著電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向高功率密度和小型化發(fā)展，IGBT等功率器件的開關(guān)速度越來快高，產(chǎn)生較大的du/dt和di/dt，并通過電機(jī)控制系統(tǒng)的分布參數(shù)形成了嚴(yán)重的寬頻傳導(dǎo)和輻射電磁干擾(EMI)，因此，系統(tǒng)分布參數(shù)現(xiàn)在變得不可忽略. EMI不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)及車輛關(guān)鍵零部件損壞或者功能降級，并且會(huì)使系統(tǒng)及整車電磁兼容(EMC)性能變差，甚至影響人身、鄰車安全性[1].

目前，電動(dòng)汽車的EMC研究主要是圍繞系統(tǒng)裝車后整車的EMC性能展開的[2-3]，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的EMI的機(jī)理和傳播途徑研究較少. 國內(nèi)外很多學(xué)者都分析過電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)共模(CM)干擾和差模(DM)干擾傳播路徑[4-6]，但是很少考慮頻率變化對系統(tǒng)分布參數(shù)和傳播路徑的影響. 由于針對電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等高壓零部件EMI的測試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不完善，并且現(xiàn)有的電波暗室大都不能對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶載工況下的EMI進(jìn)行測試[7-8]，所以很多學(xué)者僅對電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行了測試. 但是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作情況多為帶載情況，而且?guī)лd工作時(shí)電流更大，產(chǎn)生的電磁干擾更為嚴(yán)重，所以對研究帶載工況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI的機(jī)理和傳播途徑更為重要. 盡管有學(xué)者對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了帶載傳導(dǎo)干擾測試[9]，但并沒有分析EMI產(chǎn)生的機(jī)理. 將電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要干擾源或者將逆變器作為黑盒子來分析傳導(dǎo)EMI源和傳輸路徑，沒有考慮逆變器內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分布參數(shù)和功率開關(guān)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài). 因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶載工況下的EMI特性的研究較少，系統(tǒng)帶載工況下分布參數(shù)對EMI的影響也不清楚.

文中通過搭建電動(dòng)汽車20 kW永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了電機(jī)帶載和空載情況下的傳導(dǎo)EMI測試，將逆變器視為主要干擾源，分析了產(chǎn)生超標(biāo)點(diǎn)的高低頻兩種情況下系統(tǒng)中差模干擾和共模干擾的傳播路徑，并建立了相應(yīng)的等效電路，在頻域內(nèi)分析了傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的機(jī)理和系統(tǒng)分布參數(shù)對傳導(dǎo)EMI的影響. 最后，利用建立的平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾測試，分析了電機(jī)帶載工作過程中電機(jī)控制器內(nèi)部功率器件對地分布電容和直流動(dòng)力線纜對地分布電容等分布參數(shù)對傳導(dǎo)EMI的影響.

1 傳導(dǎo)EMI傳播路徑分析及等效電路建立

如圖1所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI測試平臺(tái)主要由直流電源、人工電源網(wǎng)絡(luò)(LISN)、接收機(jī)、電流鉗、直流動(dòng)力線纜、逆變器、交流動(dòng)力線纜、電機(jī)、測功機(jī)等部分組成. 其中電源電壓為288 V；人工電源網(wǎng)絡(luò)型號為ESH3-Z6；接收機(jī)型號是ESU40；電流鉗型號為F-55A；LISN與逆變器之間的兩根直流動(dòng)力線纜均為圓線，線纜內(nèi)部為銅芯，銅芯直徑為10 mm，外部被橡膠包覆，長度為1.5 m；逆變器中功率器件為IGBT；三根交流動(dòng)力線纜材質(zhì)與直流動(dòng)力線纜相同，長度為0.8 m；電機(jī)為20 kW永磁同步電機(jī)；測功機(jī)為電機(jī)提供負(fù)載. 接收機(jī)可通過LISN測得系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)電壓，也可結(jié)合電流鉗測得直流動(dòng)力線纜單根電流和共模電流.

電機(jī)工作在空載情況及電機(jī)工作在2 000 r/min、30 N·m穩(wěn)定工況下的正極傳導(dǎo)電壓如圖2所示. 在標(biāo)準(zhǔn)GB/T18655規(guī)定的150 kHz～108 MHz的測試范圍內(nèi)，系統(tǒng)產(chǎn)生的正極傳導(dǎo)電壓在帶載情況下均超過空載情況，說明電機(jī)帶載工作過程中產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI更為嚴(yán)重. 由于電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)EMI測試標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，圖3采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T18655《車輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無線電騷擾特性 用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測量方法》中無線電干擾信號的限值，可以看出帶載工況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾在530 kHz～108 MHz的范圍內(nèi)均超過規(guī)定的限值，說明電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI將會(huì)影響車載接收機(jī)的正常工作，并可能影響車內(nèi)其他電控部件，甚至威脅整車及鄰車的可靠性和安全性.

傳導(dǎo)EMI在30 MHz和500 kHz兩個(gè)高低頻不同頻點(diǎn)附近干擾最大，針對這兩個(gè)頻點(diǎn)對傳導(dǎo)EMI的傳播路徑進(jìn)行高低頻不同頻率的分析，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取相關(guān)參數(shù)如表1所示. 其中Lx=10 nH,LM=0.60 nH,RL1=RL2=50 Ω. 結(jié)合參數(shù)值分析30 MHz和500 kHz的共模和差模干擾傳播路徑并建立相應(yīng)的等效電路，如圖3、圖4和圖5所示. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的傳導(dǎo)EMI可分為差模干擾和共模干擾兩種，差模干擾的產(chǎn)生是由于系統(tǒng)中的IGBT在快速通斷時(shí)將會(huì)在直流母線線間產(chǎn)生差模噪聲電壓，差模噪聲電壓通過系統(tǒng)回路及分布參數(shù)形成差模干擾電流，差模干擾傳播路徑如圖3(a)、圖4(a)所示. 然而，高頻共模干擾的產(chǎn)生是由于IGBT快速通斷的du/dt通過動(dòng)力線纜、逆變器、電機(jī)和分布電容形成了共模電流. 由于電機(jī)控制器中三相橋臂對稱，文中僅用一個(gè)橋臂中點(diǎn)產(chǎn)生的干擾電壓作為干擾源，分析差模干擾和共模干擾的傳播路徑.

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)測量值

圖中S1～S6分別代表逆變器中的6個(gè)IGBT；C1～C6分別代表S1～S6集電極和發(fā)射極之間的極間電容；CX和LX等效為逆變器內(nèi)部直流正負(fù)極間濾波電容；人工電源網(wǎng)絡(luò)等效為RL1、CL1、RL2、CL2構(gòu)成的電路；電機(jī)等效為星形連接的3個(gè)等值電感LM，CUV為U、V兩相交流動(dòng)力線纜間電容；CUW為U、W兩相交流動(dòng)力線纜間電容；C7為第一個(gè)橋臂中點(diǎn)對地電容；C8為上橋臂集電極對地電容；C9為下橋臂發(fā)射極對地電容；C10為電機(jī)中性點(diǎn)對地電容；CY1為正極動(dòng)力線纜對地電容；CY2為負(fù)極動(dòng)力線纜對地電容.

根據(jù)干擾傳播路徑建立等效電路如圖3(b)～5(b)所示. 其中，ZU為U相交流動(dòng)力線纜阻抗，ZV為V相交流動(dòng)力線纜阻抗，ZW為W相交流動(dòng)力線纜阻抗，Zdc1為正極直流動(dòng)力線阻抗，Zdc2為負(fù)極直流動(dòng)力線阻抗，UDM1和UDM2分別為一根橋臂上的30 MHz和500 kHz時(shí)差模干擾電壓，UCM為30 MHz時(shí)一根橋臂上的共模干擾電壓，因?yàn)榭刂破鲀?nèi)部三根橋臂的對稱性，總的EMI為三根橋臂上差模干擾和共模干擾的疊加.

2 各分布參數(shù)對傳導(dǎo)EMI的影響

圖3(b)、圖4(b)和圖5(b)中的電流I1、I2和I3分別為流過LISN的干擾電流，因此流過LISN中RL1的總電流為

(1)

根據(jù)3(b)可得

(2)

式中：Z1為C4、ZU、CUV、ZV、C6、CUW、ZW、C2的串并聯(lián)阻抗；ZX為CX和LX的串聯(lián)阻抗；Z2為Zdc1、CL1、RL1、RL2、CL2的串聯(lián)阻抗.

根據(jù)圖4(b)可得

(3)

式中：Z3為ZU、LM、LM、ZV、C6、LM、ZW、C2的串并聯(lián)阻抗.

根據(jù)圖5(b)可得

(4)

(5)

式中：Z4為ZU、LM、C10的串聯(lián)阻抗；Z5為C8、CY1、Zdc1、CL1、RL1的串并聯(lián)阻抗；Z6為C9、CY2、Zdc2、CL2、RL2的串并聯(lián)阻抗；ZL1為CL1、RL1的串聯(lián)阻抗. 因此總的干擾電流為

(6)

由于RL1上所得總電壓即為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正極傳導(dǎo)電壓，該電壓與IR成正比. 對于某型號的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品，系統(tǒng)中的參數(shù)如C1～C6、CX、LX、LM通常為定值，系統(tǒng)裝車后參數(shù)Zdc1、Zdc2、ZU、ZV、ZW的范圍也是一定的，但是CUV、CUW、C7～C10、CY1、CY2等分布參數(shù)由于系統(tǒng)布局布線的不同可以有所變化，從而可以改變系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI，文中主要研究改變直流線纜對地電容CY1、CY2和控制器對地電容C7、C8、C9對傳導(dǎo)電磁干擾的. 根據(jù)式(6)可得出各分布參數(shù)對傳導(dǎo)EMI的電流I3影響如表2所示.

表2 各分布參數(shù)對傳導(dǎo)EMI的影響

為了驗(yàn)證表2中各參數(shù)對傳導(dǎo)EMI的影響，分別撤掉試驗(yàn)中電機(jī)控制器和直流線纜下的泡沫板，減小電機(jī)控制器對地分布電容和直流線纜對地分布電容. 根據(jù)圖3(b)、4(b)、5(b)的等效電路可知參數(shù)C7、C8、C9、CY1、CY2的大小主要與系統(tǒng)產(chǎn)生的共模電流有關(guān). 如圖6所示，減小控制器對地分布電容C7、C8、C9，共模電流在45～70 MHz的頻段范圍內(nèi)增大，減小直流線纜對地分布電容CY1、CY2，共模電流在30～50 MHz范圍內(nèi)增大，與表2結(jié)論相符.

3 結(jié) 論

通過搭建電動(dòng)汽車20 kW永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，證明電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶載工況下產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI在150 kHz～108 MHz的頻率范圍內(nèi)均大于空載工況下系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI. 根據(jù)30 MHz和500 kHz兩個(gè)高低頻不同頻點(diǎn)情況下系統(tǒng)中差模干擾和共模干擾的傳播路徑，建立了相應(yīng)的等效電路，在頻域內(nèi)分析了不同頻段傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的機(jī)理. 實(shí)驗(yàn)證明在30～50 MHz的頻段內(nèi)，電機(jī)控制器內(nèi)部IGBT對地電容及線纜對地電容通過對共模干擾的改變影響系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI，因此適當(dāng)增加IGBT對地電容及直流線纜對地電容可以減小系統(tǒng)中的傳導(dǎo)EMI. 應(yīng)用這一結(jié)論可在整車布局過程中改變電機(jī)控制器及線纜的布置方式從而改善電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容問題.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Effect of Distributed Parameters on Conducted EMI in Electric Vehicle Motor Drive System

ZHAI Li，ZHANG Xin-yu，LI Guang-zhao

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The effect of distributed parameters on conducted EMI was investigated for the motor drive system of an electric vehicle under load conditions. A conducted EMI testing platform was constructed for the system. By testing the conducted EMI in the system under both load and idle conditions, the propagation paths of both high-and-low frequency differential-mode noise and common-mode interference were analyzed and the equivalent circuits were established. In frequency domain, the mechanism of the conducted EMI was studied and the effect of distributed parameters on them was discussed. Tests show that high-frequency conducted EMI can be reduced by properly enlarging the distributed capacitances both between ground and power devices in the motor controller and between ground and dc-bus.

electric vehicle; motor drive system; conducted electromagnetic interference; distributed parameter

2015-04-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475045)

翟麗(1973—)，女，博士，副教授，E-mail:zhaili26@bit.edu.cn.

張新宇(1991—)，女，碩士生，E-mail:zhangxinyu_bit@qq.com.

U 463.6

A

1001-0645(2016)09-0935-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.010