純電動汽車電機驅動系統(tǒng)傳導電磁干擾研究

李 彪，吳 昭，賈 晉，馮 波

（1.汽車噪聲、振動與安全技術國家重點實驗室，中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶大學，重慶 400044）

0 引言

為應對日益突出的燃油供求矛盾和環(huán)境污染問題，世界主要汽車生產國紛紛加緊部署，將發(fā)展新能源汽車作為國家戰(zhàn)略[1]。電動汽車增加了許多電力電子設備，電動汽車電驅動系統(tǒng)作為新能源汽車主要動力組成部分，主要包括動力電池、電機控制器、連接器、高壓線纜以及電機。動力電池輸出端口連接電機控制器的高壓直流輸入端口，電壓典型值達300～500V；電機控制器的高壓交變輸出端口通過線纜連接到永磁同步電機。電機控制器的驅動電路主要為IGBT搭建的三相三橋臂逆變橋，并通過PWM控制模塊將直流交換交變電流從而拖動電機轉動，形成車輛驅動力。作為主要動力來源的電機及其驅動控制器具有大電流和高開關頻率的特性會對其他電子設備產生很強的電磁干擾[2]，因此如何在設計中解決電動汽車的電磁兼容問題是影響其可靠性和安全性的重要因素。

1 電機驅動系統(tǒng)的EMC測試

功率器件的快速變化會產生明顯的du/dt，di/dt開關特性，快速變化的電壓或電流在分布電容與分布電感上形成干擾源，并通過導線傳導、空間耦合、或輻射的放射產生很大對外電磁騷擾水平[2-5]。同時，由于電機控制器系統(tǒng)是電動汽車的主要動力總成，高電壓、大電流，其產生的電磁干擾不但可能影響車輛的核心部件，也可能直接導致部件測試標準（GB/T 18655）與整車的EMC測試標準（GB/T 18387與GB14023）未通過的后果。因此嚴格控制電機控制器或動力系統(tǒng)EMC傳導與輻射發(fā)射水平，是不可缺少的性能驗證。電機控制器高壓與低壓傳導測試布置圖如圖1所示 （其中電機空載）。待測電機控制系統(tǒng)進行150kHz～30MHz與 30MHz～200MHz輻射發(fā)射測試，其中待測電機控制器的參數。

表1 待測電機控制器的參數

圖1 電機控制系統(tǒng)高、低壓傳導發(fā)射測試布置圖（不帶負載）

電驅動系統(tǒng)主要的電磁干擾源來源于驅動板上IGBT的關斷與開通過程中產生的很高的du/dt與di/dt。關斷過程中，由于母線電感與系統(tǒng)分布電感，VCE產生高達200V峰值，上升沿10μs，下降沿5μs的振鈴。這種大脈沖將產生豐富的干擾諧波，不同頻率的諧波將通過電驅動系統(tǒng)的分布參數通過共模與差模形式產生不同的干擾路徑。

1.1 高壓正極傳導發(fā)射

圖2為電機控制器正常工作狀態(tài)下的高壓正極傳導發(fā)射。 主要的干擾諧振點 150kHz、5.2MHz、32MHz（45MHz）分別超出限值55dB、50dB、25dB（22dB）。這些干擾諧振點主要屬于電機控制器驅動高壓部分產生的電磁干擾。5.2MHz及其以上的干擾主要以共模的形式存在；150kHz主要以差模的形式存在。

圖2 電動車電機控制系統(tǒng)高壓傳導測試（電機空載）

1.2 桿天線輻射發(fā)射150kHz～30MHz

圖3中的電場發(fā)射，無論是電機控制器正常工作（電機空載）還是只有控制單元帶低壓電，其輻射發(fā)射值趨勢與傳導在主要發(fā)射點上一致。另外，最大諧振點150KHz與5.2MHz主要來源于高壓導線。因此，有效地提高高壓導線的屏蔽效能可以降低該頻點的電場發(fā)射。

2 諧振頻率及其干擾途徑

從高壓傳導發(fā)射以及輻射發(fā)射的結果中，如圖2，3所示，從干擾途徑與傳播模式，主要分為3類頻率范圍：以差模為主的低頻干擾，如150 kHz；以差共模并存的中頻干擾，如5.2 MHz；以共模為主的高頻干擾，如45MHz。下面就將以這些典型頻點為例子，分析這些頻點上干擾信號在電驅動系統(tǒng)的主要干擾路徑。

圖3 電動車電機控制系統(tǒng)低頻電場輻射（空載1500 rpm）

表2 典型干擾頻率點及其傳播途徑

以IGBT關斷過程為主要原因的低頻干擾 （如150 kHz），主要通過差模的形式進行傳播，傳播路徑如圖4所示：三相線纜、電機繞線、直流母線、330μF電解電容為主要的傳播途徑。

圖4 150 kHz典型的差模干擾回路示意圖

以IGBT關斷過程為主要原因的中頻干擾 （如5.2 MHz），主要通過差共模的并存的形式進行傳播，差模傳播路徑如圖5所示：三相線纜、線纜匝間電容、直流母線、母線匝間電容為主要的傳播途徑。共模傳播路徑如圖6所示：三相線纜、電機即可對地電容、直流母線對地電容。

以DC/DC等開關電源過程為主要原因的高頻干擾（如42 MHz），主要通過共模的形式進行傳播，由于頻率較高，分布電容提提供了大量可能的傳播途徑。其共模傳播路徑之一，如圖7所示：控制板與驅動板低壓線束、板與板之間的分布電容、三相線纜、線纜對地電容、驅動板與發(fā)熱器以及控制器、母線對地電容為主要的傳播途徑。

圖5 5.2MHz典型的差模干擾回路示意圖

圖6 5.2 MHz典型的共模干擾回路示意圖

圖7 45 MHz典型的共模干擾回路示意圖

3 電磁干擾抑制方案

通過圖3～圖6所示，低中高頻干擾差共模途徑不盡相同。一般來講，整改方案依照“源-路-敏”的原則：電驅動系統(tǒng)主要是傳導與輻射發(fā)射問題嚴重。因此，整改方案主要集中在干擾源與干擾路徑上：整改措施主要采取高壓導線雙層屏蔽線與直流母線安裝 0.33μF的電容。

3.1 RE （輻射發(fā)射）整改效果

如圖8所示，采用屏蔽后 150kHz～30MHz 平均值發(fā)射在 GBT 18655的3級限值以下。

3.2 CE （傳導發(fā)射）整改效果

低壓傳導采用屏蔽后在5MHz附近的諧振點明顯降低，應該是降低了高低壓之間的耦合。高壓傳導在5MHz以后變化不大，5 MHz以下明顯降低的原因主要是濾波Y-電容作用，如圖9所示。

4 結束語

通過對待測電機控制器的測試分析研究，分析了主要干擾源IGBT關斷所產生的du/dt。建立了電磁干擾（傳導與輻射）代表性頻點的干擾傳播模型：以差模為主的低頻干擾如150 KHz、以差共模并存的中頻干擾如5.2MHz、以及共模為主的高頻干擾如42MHz。

在分析的基礎上，根據EMC三大要素“源-路-敏”原則，提出了干擾源的抑制措施，旋變信號線雙絞單點屏蔽，高壓導線的雙層屏蔽與高壓接頭360°環(huán)節(jié)。從現階段的整改結果來看，有效的屏蔽是成本最低與最有效的措施。當然，在5.2MHz的傳導發(fā)射諧振點仍需在源頭做措施，比如IGBT關斷速率與吸收電路設計等。

現階段工作，基本解決了30 MHz以上的RE輻射發(fā)射3級限值超標問題；30MHz以下主要集中在低頻部分，超標10多dB；問題較大還是高壓傳導發(fā)射。同時，考慮到待測電機控制器的空間與整體成本，電磁干擾的工程化整改措施相當有限，同時該工作暫時未考慮帶載測試情況（通常發(fā)射更為嚴重）。在接下來的工作中，為了更好的從工程化角度提高EMC性能，建議在PCB板級設計上考慮EMC設計驗證流程。

圖8 150kHz～30MHz平均值整改前后對比

圖9 150kHz～108MHz高壓傳導平均值整改前后對比

[1]彭河蒙.電動汽車電機驅動系統(tǒng)電磁干擾預測模型的研究 [D].重慶大學，2015.

[2]田麗媛，王慶年，田曉川.電動汽車電機驅動系統(tǒng)的共模電磁干擾[J].北京理工大學學報，2014，10.

[3]肖芳，孫力.功率變換器IGBT開關模塊的傳導電磁干擾預測[J].中國電機工程學報，2012，33.

[4]孟進，馬偉明，張磊，趙治華.基于IGBT開關暫態(tài)過程建模的功率變流器電磁干擾頻譜估計 [J].中國電機工程學報，2005，20.

[5]和軍平，姜建國，陳為.離線式PWM變換器電磁干擾傳播通道模型的研究 [J].電工技術學報，2004，4.