車(chē)用電機(jī)控制器共模電流分析及其抑制

胡振球，黃炫方，尹志剛，樊 釗，彭再武

(中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

隨著第三方監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)用電機(jī)控制器及總成的電磁兼容(EMC)要求越來(lái)越高，如何能有效抑制車(chē)用電機(jī)控制器系統(tǒng)的共模電流成為研究熱點(diǎn)[1-5]。目前大多數(shù)相關(guān)措施多基于試驗(yàn)測(cè)量[6-8]，為了能夠在設(shè)計(jì)之初就將系統(tǒng)的EMC考慮在內(nèi)，有必要對(duì)共模電流進(jìn)行理論分析，并研究影響共模電流的設(shè)計(jì)參數(shù)和抑制措施。

1 理論分析

電機(jī)控制器的典型應(yīng)用電路如圖1所示[9]。

圖1 電機(jī)控制器電路圖

圖1中主要部件包括電源、電機(jī)控制器(虛線(xiàn)框表示)和電機(jī)。電機(jī)控制器主要由支撐電容C和IGBT器件T1—T6組成。電源和電機(jī)控制器通過(guò)2根高壓帶屏蔽的正負(fù)電纜連接。電機(jī)與電機(jī)控制器通過(guò)3根高壓帶屏蔽的三相電纜連接。為方便理論分析，有關(guān)合理假設(shè)及分析如下：

1) 假設(shè)所有屏蔽層兩端都接部件的外殼，如正負(fù)線(xiàn)屏蔽層接電源外殼和電機(jī)控制器外殼。

2) 考慮到高壓屏蔽電纜的寄生電容為

C=εS/(4πkd)，S=2πrD

(1)

式中：ε為介電常數(shù)，根據(jù)一般400～600 V原邊電源系統(tǒng)的絕緣要求，取2～3；d為絕緣層厚度，可取1 mm；r為電纜線(xiàn)的半徑加絕緣層厚度，考慮目前的電機(jī)控制器中開(kāi)關(guān)管的電流等級(jí)可以取600 A。由此可以知道，線(xiàn)纜的截面積在50 mm2左右。按此計(jì)算，r取5；D為線(xiàn)纜的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度與車(chē)長(zhǎng)及布置相關(guān)，暫取8 m；k為靜電力常量，取8.987 55×109。計(jì)算得到C在4.45～6.68 nF之間，該值較大。假設(shè)電源側(cè)正負(fù)極對(duì)地的寄生參數(shù)與nF級(jí)的電容器等效。

3) 同理，三相線(xiàn)對(duì)地也存在同樣的寄生電容器，三相定子之間也存在寄生電容器。電機(jī)側(cè)還需要考慮三相等電位點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)子耦合到電機(jī)殼體，以及通過(guò)轉(zhuǎn)軸耦合到車(chē)架(地)。將上述兩項(xiàng)耦合參數(shù)用寄生電容器來(lái)近似。由于存在部分電機(jī)殼體采用懸置軟墊并不接地的情況，還需要考慮這種情況下電機(jī)殼體對(duì)地的寄生電容器。按照2)中的方法計(jì)算可以知道，電機(jī)定子對(duì)電機(jī)軸的寄生電容為0.1 nF級(jí)，且電機(jī)容量越大時(shí)，該寄生電容越大，最大時(shí)可以達(dá)到nF級(jí)。本文分析以0.1 nF為例。

4) 假設(shè)各寄生電容器在調(diào)制算法的各個(gè)段內(nèi)都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)上述假設(shè)和分析，可以將圖1系統(tǒng)中存在的共模電流回路近似為如圖2所示。

圖2 電機(jī)控制器共模電流回路圖

圖2中，Ca、Cb、Cc為三相線(xiàn)對(duì)其屏蔽層寄生電容器;Cab、Cbb、Ccb為三相定子對(duì)電機(jī)軸的寄生電容器;C1為電機(jī)外殼對(duì)車(chē)架寄生電容器;C5為電池外殼對(duì)車(chē)架寄生電容器;C2為電機(jī)軸對(duì)車(chē)架的寄生電容器(考慮到電機(jī)軸對(duì)車(chē)架之間加絕緣件的情況)；C3、C4分別為正負(fù)高壓線(xiàn)對(duì)其屏蔽層的寄生電容器；C6為電機(jī)軸對(duì)外殼的寄生電容器。將圖2中的電路進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3 共模電流回路等效簡(jiǎn)化圖

圖3中，C11=C12=C13=Cac，C33=C34=Cdc，且Cac?C22，Cdc?C22，因此，可以將整個(gè)電機(jī)控制器工作的情況用圖4(a)、4(b)、4(c)、4(d)來(lái)表示；圖4(a)中的虛框部分還存在4(b)、4(c)、4(d) 3種情況。

(a) (b) (c) (d)

工況一情況下：

1) 考慮Cac?C22，Cdc?C22。最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Cac上的電壓為Udc/3和2Udc/3，Cdc上的電壓為Udc/2，C22上的電壓為Udc/6。

2) 考慮各外殼對(duì)地用短路線(xiàn)連接的情況，則C22短路。最終狀態(tài)時(shí)，Cac和Cdc上的電壓為(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)和(0.5Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)。

工況二與工況一類(lèi)似，穩(wěn)定后的電壓平臺(tái)一致。

工況三情況下：

2) 考慮各外殼對(duì)地用短路線(xiàn)連接的情況，則C22短路。最終狀態(tài)時(shí)，Cac上的電壓為CdcUdc/(3Cac+2Cdc)，Cdc上的電壓為(3Cac+Cdc)Udc/(3Cac+2Cdc)和CdcUdc/(3Cac+2Cdc)。

工況四與工況三類(lèi)似，穩(wěn)定后的電壓平臺(tái)一致。

總結(jié)上述分析如下：

1) 當(dāng)外殼不接地時(shí)，Cac上的最大電壓為2Udc/3，Cdc上的最大電壓為Udc/2，C22上的最大電壓為Udc/2。

2) 當(dāng)外殼接地時(shí)，Cac上的最大電壓為max{(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc),(3Cac+Cdc)Udc/(3Cac+2Cdc)}，Cdc上的最大電壓為max{(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc),(3Cac+Cdc)Udc/(3Cac+2Cdc)}。

各個(gè)工況之間切換時(shí)，如出現(xiàn)電壓平臺(tái)最大時(shí)，電容器上流過(guò)最大的電流，考慮電容器具有寄生電感和寄生電阻來(lái)模擬實(shí)際共模電流回路中的寄生電感和電阻[10-11]。

以七段法為例，主要包括工況一和工況四互相切換，工況二和工況三互相切換，工況一和工況二互相切換。由此可以看出，Cac電容器上的最大切換電壓差為2Udc/3或者(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)-CdcUdc(3Cac+2Cdc)，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)可以按照二階系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)來(lái)建模，模型如圖5所示。

圖5 二階系統(tǒng)響應(yīng)模型

圖5中Us為最大電壓差。當(dāng)工況切換瞬間等價(jià)于K閉合，Rs、Cs、Ls分別為Cac的寄生電阻、等效串聯(lián)電容和寄生電感。對(duì)圖5建立微分方程：

鋰離子電池的燃燒反應(yīng)通常是由于電池?zé)崾Э匾l(fā)的，熱失控通常是指電池內(nèi)部溫度急劇升高使電池快速放熱、內(nèi)部電解液迅速汽化并伴隨多種復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)的一種現(xiàn)象，觸發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э赜泻芏喾N方式，實(shí)際鋰離子電池的安全問(wèn)題來(lái)自于電池自身缺陷和用電管理不當(dāng)，以及外部偶然因素。文中采用過(guò)充的方式使10 Ah鋰離子發(fā)生熱失控直至電池燃燒為止，測(cè)量電池表面溫度變化，以及觀察電池燃燒現(xiàn)象。

(2)

求解式(2)得電流i如式(3)所示：

i=CsUs(α2+ω2)sin(ωt+β+φ)/(ωeαt)

(3)

式(3)中，β和φ為過(guò)程參數(shù)，其他參數(shù)由式(4)規(guī)定：

(4)

由于電流的最大值必然出現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)，而由式(5)規(guī)定的周期值與式(4)的計(jì)算結(jié)果可以近似為0。故式(3)中的指數(shù)函數(shù)的值可以近似為1，故式(3)規(guī)定電流的最大值可以近似計(jì)算如式(6)。

(5)

(6)

同理，C22上的最大電壓差為Udc/3，Cdc上的最大電壓差為(0.5Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)-Udc/2，可以采用上述分析方法進(jìn)行分析。

按照上述方法對(duì)圖2中各個(gè)寄生電容器的電流進(jìn)行計(jì)算。為了看清楚各參數(shù)對(duì)電流的影響，根據(jù)式(6)畫(huà)出共模電流imax與Rs，Ls和Cs之間的關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 寄生電阻電感電容VS共模電流

分析式(6)、圖6可以得到下列規(guī)律：

1) 母線(xiàn)電壓越高，系統(tǒng)的共模電流越大，導(dǎo)致的EMC問(wèn)題越嚴(yán)重。

2) 寄生電容越小，或者寄生電感越大，或者電阻越大，共模電流越小。

根據(jù)上述規(guī)律，對(duì)于共模電流的處理可以采?。航档湍妇€(xiàn)電壓；增加絕緣(減小寄生電容，但該方法會(huì)導(dǎo)致該小寄生電容上存在較大的電壓，存在安全問(wèn)題，不建議采用)；增加共模電感；增加對(duì)地電阻等措施[12]。

2 仿真及建議

2.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文引入的方法，參考圖2。考慮寄生電容和寄生電阻，在MATLAB的SIMULINK中搭建如圖7所示的仿真模型，設(shè)置Udc為550 V，開(kāi)關(guān)頻率4 000 Hz，調(diào)制系數(shù)0.28，輸出電壓頻率50 Hz，RLC和RLC1參數(shù)都為1 Ω、50 nH、2 nF，RLC9參數(shù)為1 Ω、50 nH、0.1 nF，RLC3、RLC4和RLC5參數(shù)都為1 Ω、50 nH、0.1 nF，RLC10和RLC8參數(shù)都為1 Ω、50 nH、0.1 nF，RLC2、RLC6和RLC7參數(shù)都為1 Ω、50 nH、2 nF。部分仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 SIMULINK仿真模型

(a) Ub:RLC1

(a) Ub:RLC2

從仿真結(jié)果可以看出，各個(gè)零部件上均存在較大的共模電壓。表1對(duì)比了理論計(jì)算和仿真得到的共模電壓結(jié)果。

表1 最大電壓的理論與仿真對(duì)比

從表1可以看出，主要部件上共模電壓的理論計(jì)算與仿真值保持一致，仿真得到的電流最大值與理論值一致。由此可以驗(yàn)證本文中理論分析的可行性。從表中還可以看出，將各個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)部件外殼同時(shí)接地后，將產(chǎn)生更高的共模電壓，進(jìn)而產(chǎn)生更加嚴(yán)重的共模電流影響。

2.2 有關(guān)建議

通過(guò)上述分析計(jì)算，提出如下建議：

1) 增加電機(jī)外殼對(duì)地共模阻抗的同時(shí)，增加軸承對(duì)外殼的共模阻抗。這是由于軸承上的電流與三相共模電流是并聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行電磁兼容治理時(shí)很容易出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的情況。

2) 增加電池外殼對(duì)地(車(chē)架)的共模阻抗或者增加線(xiàn)束的共模阻抗。

3) 若增加電池外殼對(duì)地阻抗，應(yīng)采用增加對(duì)地電阻或電感配絕緣減震墊的方法。

4) 可以適當(dāng)增加屏蔽線(xiàn)的共模阻抗，而不要去除屏蔽層。

5) 針對(duì)三相線(xiàn)對(duì)地電容器，應(yīng)適當(dāng)增加屏蔽層的對(duì)地阻抗；針對(duì)三相定子之間的電容器，應(yīng)適當(dāng)增加三相線(xiàn)電感。

6) 針對(duì)各個(gè)動(dòng)力部件不能全部直接接地的情況，應(yīng)考慮對(duì)部分部件采用增加電阻或電感接地，以提高共?；芈纷杩?，減小共模電流。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析得到了橋式共模網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖，并對(duì)其中的共模電流進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，針對(duì)影響共模電流的因素進(jìn)行了分析。最后搭建仿真模型驗(yàn)證了理論分析的正確性。在EMC要求越來(lái)越嚴(yán)格的情況下，本文方法和結(jié)論在設(shè)計(jì)前期對(duì)EMC的評(píng)估具有一定的指導(dǎo)意義。