電動汽車低壓直流電機EMC特性優(yōu)化研究

林婷艷 魏益松 徐亮

（中檢質(zhì)技檢驗檢測科學(xué)研究院有限公司 浙江省杭州市 310022）

隨著我國汽車保有量持續(xù)性增長，能源危機和環(huán)境污染雙重危機，傳統(tǒng)汽車能耗及尾氣排放深受重視。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相較，面臨更多嚴(yán)峻的EMC問題，電動汽車工作核心驅(qū)動源為電能，其主要是由多個電氣系統(tǒng)高度集成，充分應(yīng)用有限空間范圍，形成復(fù)雜的電磁環(huán)境。低壓直流電機原有研究更傾向于阻抗模型和傳導(dǎo)發(fā)射特性層面，其自身結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生干擾機理較為明確，促使整車EMC特性研究分析并未加以重視。EMC進(jìn)行優(yōu)化整改方式較多，但多局限于結(jié)果為導(dǎo)向，本文主要從多方面展開原因分析，獲取最終高效的特性整改優(yōu)化方案。

1 EMC整改基本原理

EMC進(jìn)行綜合性整改主要是針對整車或零部件EMC超限測試條件下，選用的一種優(yōu)化改善方法，結(jié)合實際測量最終結(jié)果，明晰形成干擾主要因素，選用合理的整改方式，可進(jìn)一步改善EMC測試結(jié)果，一般常用EMC整改方式包含屏蔽、接地和濾波。

1.1 接地

接地作為電動汽車EMC設(shè)計關(guān)鍵舉措，其核心作用在于為車載電路安全、穩(wěn)固工作提供保證，從本質(zhì)層面規(guī)避外界電磁干擾。接地線路實際規(guī)劃設(shè)置過程中，需綜合性考量各方面影響因素，進(jìn)一步為促使內(nèi)部干擾電流和電壓實現(xiàn)有效泄流，從而減少設(shè)備與外界間相互干擾，屏蔽體自身接地科學(xué)性及合理性十分重要，反之無法獲取良好的屏蔽成效。始終保證工作可靠性、安全性，也是接地關(guān)鍵目標(biāo)，防止設(shè)備出現(xiàn)短路引發(fā)漏電安全事故，帶來嚴(yán)重的損傷。

1.2 濾波

信號中特定段噪聲濾除方式稱為濾波，濾波形成主要源于濾波器，結(jié)合濾波自身信號不同點，其主要可劃分為多種類型。處于工作頻段內(nèi)，理想濾波器可將全部影響信號予以去除，設(shè)計過程中主要基于多元化函數(shù)實施。

1.3 屏蔽

屏蔽主要基本原理為充分選取導(dǎo)電性材料，進(jìn)一步減少電磁場指定區(qū)域發(fā)射方向，常規(guī)下其主要包含電場、磁場屏蔽兩種類型。電流在電路中實際流動時，會相應(yīng)在另一個電路中產(chǎn)生磁通，進(jìn)而產(chǎn)生具有干擾性的電流，可依托互感作用強弱，從本質(zhì)層面減少磁場產(chǎn)生的干擾能效，實現(xiàn)方式主要為采取有效措施減少噪聲回路面積。屏蔽物作為噪聲實際流經(jīng)關(guān)鍵介質(zhì)樞紐，形成一個完整的回路，噪聲回路呈現(xiàn)為一個矩形，其自身實際面積超過屏蔽后回路面積，此種方式對抑制高頻度噪聲影響成效優(yōu)良。鐵磁材料憑借自身優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在存儲能量等功能，將鐵磁材料作為實際屏蔽物時，磁場停留于其表面，材料外部磁場實際強度逐步弱化，同時表面產(chǎn)生一定渦流，最終以熱量形式散發(fā)[1]。

2 低壓直流電機電磁發(fā)射特性

2.1 低壓直流電機結(jié)構(gòu)和工作原理

直流電機多由兩大模塊構(gòu)成，即定子、轉(zhuǎn)子，前者核心作用在于安裝磁極并做好支撐，后者主要包含電樞鐵心、繞組和換向器，兩者間形成的空隙為氣隙，氣隙作為主磁電核心構(gòu)成，其自身大小和磁場分布對電機整體運行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。低壓直流電機工作主要依附電力驅(qū)動，實現(xiàn)能量相互間轉(zhuǎn)化，電刷兩側(cè)具有直流電壓，低壓直流電機自身啟動特性優(yōu)良，其可靈活性處于大范圍內(nèi)調(diào)整，成為其廣泛用于電動汽車核心因素。電動汽車實際工作過程中，主要是電池為其工作驅(qū)動力，但此類電壓多處于250-380V，此類高電壓難以直接為汽車內(nèi)低壓部件進(jìn)行供電，需將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化方可滿足內(nèi)部部件運作。車載暖風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1：車載暖風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 低壓直流電機電磁發(fā)射特性

電動汽車實際工作過程中，存在多個電磁干擾源，其中作為關(guān)鍵的便是低壓直流電機，其更是整車電磁超出我國相關(guān)規(guī)程核心影響因素，我國出臺相關(guān)規(guī)程要求中，汽電動汽車輻射發(fā)射實際測量過程中，需將汽車上相關(guān)設(shè)備處于開啟狀態(tài)，其中暖風(fēng)機、雨刮電機均作為低壓直流電機在電動汽車中應(yīng)用載體體現(xiàn)，所以直流電機EMC性能對整車EMC性能十分關(guān)鍵。任何電器設(shè)備并非單一性存在于車輛中，共電源系統(tǒng)和共地系統(tǒng)為電磁干擾提供強有力傳播途徑，低壓直流電機電磁發(fā)射特性體現(xiàn)在以下幾方面：

2.2.1 阻抗特性

低壓直流電機轉(zhuǎn)子具有相應(yīng)的線圈，電機自身屬于感性，所以電機自身具備的阻抗性能，會一定程度干擾電磁發(fā)射自身性能。利用精密性阻抗分析專用儀器測量電機電感及阻抗，最終電機處于頻點為35.2MHz周圍產(chǎn)生諧振，其周圍實際阻抗遠(yuǎn)超過其他周期段內(nèi)，最終呈現(xiàn)為一個峰值。

2.2.2 傳導(dǎo)發(fā)射特性

低壓直流電機傳導(dǎo)電磁干擾中，主要包含不同成分，各成分實際干擾基本原理及特征不盡相同，如共模、差模，前者主要是指電源線、信號線干擾，其自身干擾頻次較低；后者主要處于電源線、信號線間幅度、相位相吻合噪聲，電機繞組與機殼間存在寄生電容，促使電機內(nèi)部實際變更不斷為其進(jìn)行充放電，以此形成共模干擾。

2.2.3 瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射特性

瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射主要是指被測設(shè)備接通或中斷瞬間在電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾信號。為不受周圍電磁自身影響及干擾，測試需處于屏蔽室內(nèi)開展。直流電機屬于感性設(shè)備啟動或中斷過程中，電流突發(fā)性產(chǎn)生強烈干擾電壓，形成傳導(dǎo)發(fā)射，直流電機自身線束存在分布電感，即便小電流流過也會產(chǎn)生一定干擾，從而影響設(shè)備正常運行[2]。

2.3 低壓直流電機對整車EMC測試的影響

我國相關(guān)規(guī)程中明確要求電動汽車實施窄帶測試過程中，需將內(nèi)部暖風(fēng)機、收音機、前照燈、電動雨刮等啟動，測試其最終結(jié)果不吻合相關(guān)判定其不達(dá)標(biāo)。整車EMC整改包含多個內(nèi)容，其他設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，測量暖風(fēng)機不正常運轉(zhuǎn)條件下窄帶發(fā)射，測試其最終結(jié)果達(dá)標(biāo)，通過精準(zhǔn)性定位，判定決定輻射超標(biāo)關(guān)鍵性因素為暖風(fēng)機，暖風(fēng)機處于正常工作狀況下，電磁干擾信號因子可將其電源線作為核心介質(zhì)，以此持續(xù)性向外進(jìn)行輻射。

3 磁環(huán)抑制低壓直流電機傳導(dǎo)干擾分析

3.1 磁環(huán)抑制低壓電流傳導(dǎo)干擾機理

EMC實際整改過程中，磁環(huán)多用于低通濾波器。直流有刷電機處于高速工況下，電刷與轉(zhuǎn)向器間形成較強的輻射，同時電源線上產(chǎn)生瞬變電壓，并通過電源線完成傳播任務(wù)目標(biāo)，最終呈現(xiàn)為強烈的傳導(dǎo)干擾。電機進(jìn)行換向操作過程中，也會一定程度產(chǎn)生強有力的電磁干擾，電動汽車正常運行過程中，暖風(fēng)機運作過程使用較為頻繁為元件的有刷電機，前文判定暖風(fēng)機作為核心電磁干擾因素，鐵氧體磁環(huán)作為抑制EMI主要舉措，整車EMC整改使用此類方式頻次較高。

3.2 磁環(huán)線圈圈數(shù)、數(shù)量對阻抗和諧振頻率的影響

電磁磁環(huán)繞制過程中，磁環(huán)自身電感與匝數(shù)存在一定相關(guān)性，磁環(huán)電感與線圈匝數(shù)平方、真空磁導(dǎo)率成正相關(guān)，與磁芯常數(shù)為反比，最終可計算磁環(huán)自身阻抗。除線圈圈數(shù)對電路參數(shù)產(chǎn)生影響，分析磁環(huán)數(shù)量產(chǎn)生干擾時，需忽視線圈阻抗影響，設(shè)定圈數(shù)為1，磁環(huán)內(nèi)外徑保持固定，磁環(huán)自身阻抗與長度成正相關(guān)，磁環(huán)自身長度增加，阻抗也隨之增加。

4 不通接地地點對低壓直流電機輻射發(fā)射影響

直流電機常規(guī)工況下，其內(nèi)部產(chǎn)生干擾將線束作為傳播核心介質(zhì)，以此實現(xiàn)向外傳播目標(biāo)，實際實踐過程中部分電動汽車整車電磁輻射測量中，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵干擾源為電動雨刮，其主要利用接地方式，與電源形成閉合回路，最終表明雨刮電機負(fù)極接地。地作為常用的整改方法，優(yōu)良的接地為干擾電流創(chuàng)設(shè)低阻抗途徑，進(jìn)一步降低干擾水平。

4.1 雨刮電機輻射發(fā)射分析

按照我國試驗要求測試雨刮電機自身輻射發(fā)射，雨刮高頻輻射發(fā)射強度較大，從本質(zhì)層面考量上述多個模塊干擾因素，依托共模電感進(jìn)一步約束電流，可有效降低輻射自身發(fā)射強度。電流是干擾輻射發(fā)射關(guān)鍵性因素，通過電流探頭精準(zhǔn)性測量電流正極電流，電流探頭位于共模電感和直流間，最終結(jié)果表明測試點分別接地條件下，正極電流發(fā)展主趨基本保持一致，負(fù)極產(chǎn)生偏差較大。

4.2 接地點對輻射發(fā)射影響

輻射多由電路中電流環(huán)路引發(fā)，此類環(huán)路均持續(xù)性發(fā)射能量，電機電源線與地形成一個完整的環(huán)路，按照電流環(huán)輻射公式：

式中：f為干擾電流的頻率；I是干擾電流的大小，A是電流回路的面積，θ是天線與環(huán)路平面間夾角，r為天線與導(dǎo)線的距離。

其中假定天線所處位置及偏向角度不變，其不會影響最終結(jié)果精準(zhǔn)性，可積極排除距離r和夾角θ影響，結(jié)合實踐經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示表明，雨刮電機工況不會發(fā)生變更，且其中測試頻段明晰，所以將其頻率的干擾也予以排除。最終綜合分析輻射發(fā)射水平與電流和回路實際面積成正相關(guān)。

5 濾波器性能優(yōu)化及抑制電機干擾應(yīng)用

濾波器作為電動汽車核心構(gòu)成，其主要作用在于從多元化頻率信號中，精準(zhǔn)性提取相應(yīng)的成分信號，結(jié)合其實際應(yīng)用頻段，濾波器可劃分為多種類型，不同類型基本原理的特征存在較大差異性。巴特沃斯型LPF整體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡易，對構(gòu)成元件Q值要求較低，設(shè)計及制作難度較低，所以被普遍應(yīng)用。電感、電容及線路中存在寄生參數(shù)作為影響濾波器自身成效發(fā)揮關(guān)鍵型因素，可選用減少引腳長度或增加接地面積，通過采取有效措施改善其耗損量，可保證濾波器自身實際功效予以優(yōu)化。

5.1 巴特沃斯型LPF性能優(yōu)化

通過利用網(wǎng)絡(luò)分析儀器測量濾波器插入耗損，將其與理想實際損耗進(jìn)行比對，最終前者遠(yuǎn)小于后者數(shù)值，通過綜合型分析判定形成此類現(xiàn)象核心因素為濾波器寄生參數(shù)，電動汽車

正式工作狀態(tài)下，其內(nèi)部系統(tǒng)元件銜接線路一定程度存在寄生參數(shù)，尤其針對高頻工作條件下，其產(chǎn)生的電感需高度重視，其可等同于電容與電感形成串聯(lián)，最終影響濾波器的濾波成效。寄生電感實際大小與其自身長度成正相關(guān)，其長度越長電感越大。

結(jié)合實際測量結(jié)果表明，引腳自身長度與電容阻抗密切相關(guān)，測試頻段電容發(fā)生串聯(lián)諧振，形成該現(xiàn)象主要為電容和寄生參數(shù)共同作用，諧振頻率之前電容始終與其保持一致；高頻段電感對實際阻抗影響較為凸顯，所以阻抗自身偏差較大，諧振頻率后電容呈現(xiàn)為感性，自身喪失高濾波功能，所以減少電容引腳自身長度，對優(yōu)化改善濾波器自身性能十分關(guān)鍵[3]。

5.2 巴特沃斯型LPF抑制電機傳導(dǎo)干擾的應(yīng)用

電動汽車除上述多個元件使用低壓直流電機，不容忽視的是后視鏡電機也使用相同電機，五階巴特沃斯型LPF對差模、共模所產(chǎn)生的電磁干擾均具有約束功效，其處于低頻、高頻等不同工作狀態(tài)下，均會形成較大的插入實際耗損。將五階巴特沃斯型LPF與電機正極串聯(lián)，同時一方面做好接地，測量電機工作狀態(tài)下實際傳導(dǎo)發(fā)射，由此顯示發(fā)射水平降低，濾波器自身濾波成效良好。伴隨其頻率持續(xù)性上升，其實際約束成效逐步弱化，濾波器內(nèi)部寄生參數(shù)與最終濾波成果密切相關(guān)[4]。

6 結(jié)束語

電動汽車和低壓直流電機EMC測試達(dá)標(biāo)率較低，需對其自身特性展開系統(tǒng)性分析，因電動汽車自身匯集多個電氣設(shè)備系統(tǒng)，因電磁干擾難以精準(zhǔn)性觀察和測量，加劇其傳播途徑規(guī)律特征，需積分析其自身特性，以此為基礎(chǔ)提出多個優(yōu)化途徑，從而減少電磁干擾影響。