電動(dòng)工業(yè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)電磁干擾形成機(jī)理及整改技術(shù)研究

劉栟瑋 李可心

摘要：電動(dòng)工業(yè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)是工業(yè)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，電磁兼容性對(duì)保證工業(yè)車輛內(nèi)部電氣設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要影響。本文在深入研究電動(dòng)工業(yè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾（EMI）形成特性機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)工業(yè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)的內(nèi)部電磁干擾形成特性進(jìn)行分析并結(jié)合測(cè)試案例給出整改建議。對(duì)關(guān)于工業(yè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）的相關(guān)研究成果具有特定的參考研究意義。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)系統(tǒng);電磁干擾;電磁兼容性

一、引言

近年來電動(dòng)工業(yè)車輛快速發(fā)展，車載電器部件要滿足相應(yīng) EMC 技術(shù)要求，就應(yīng)了解其內(nèi)部關(guān)鍵干擾源的產(chǎn)生機(jī)理，并做相應(yīng)的測(cè)試及優(yōu)化工作。由于整車電驅(qū)系統(tǒng)為各電器部件及連接線纜的集成體，設(shè)備之間的相互影響加劇了電磁環(huán)境的復(fù)雜性，內(nèi)部電磁環(huán)境越來越惡劣會(huì)給整車造成各種不可控的干擾因素，信號(hào)傳輸異常、電子部件失效率增加、部件壽命問題等等都會(huì)受到不同程度的影響。

二、干擾形成機(jī)理

電動(dòng)工業(yè)車輛的能量來源主要有鉛酸電池或者鋰電池，通過 IGBT 等功率轉(zhuǎn)換器件向電機(jī)輸出電能并將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而實(shí)現(xiàn)行走、起升和轉(zhuǎn)向的動(dòng) 作。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)控制器、電機(jī)及三相動(dòng)力電纜三部分組成，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)工業(yè)車輛關(guān)鍵動(dòng)力部件，通過 CAN 信號(hào)與整車進(jìn)行信號(hào)傳輸，電機(jī)控制器通過采集電機(jī)電流、速度等信號(hào)，并綜合整車系統(tǒng)狀態(tài)及整車控制指令，將來自整車的直流系統(tǒng)電逆變成交流電并驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

由于電動(dòng)工業(yè)車輛特殊的使用工況，在正常使用時(shí)會(huì)頻繁的進(jìn)行啟停、起升和轉(zhuǎn)向操作，因此電機(jī)電樞繞組電流會(huì)出現(xiàn)突然中斷的現(xiàn)象，當(dāng)電機(jī)電樞繞組電流突然被切斷時(shí)，由于電機(jī)定子勵(lì)磁的原因會(huì)使得轉(zhuǎn)子電樞繞組產(chǎn)生與原電動(dòng)勢(shì)相同方向的感應(yīng)電勢(shì)，而這同方向的感應(yīng)電勢(shì)會(huì)產(chǎn)生更高能量的瞬態(tài)過電壓。這種瞬態(tài)過電壓會(huì)通過傳輸線以傳導(dǎo)的方式向整車其他控制電路或 CAN 總線進(jìn)行傳播，從而干擾模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的正常傳輸，最終導(dǎo)致整車電氣系統(tǒng)誤動(dòng)作或報(bào)故障代碼。此過程為典型的拋負(fù)載現(xiàn)象。

電動(dòng)工業(yè)車輛的電機(jī)控制器產(chǎn)生的干擾同樣不容忽視?？刂破魍ǔＲ?PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，其控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。并按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，基于這一控制方式，其 IGBT 開關(guān)頻率可高達(dá) 4kHz 至 8kHz，在不同的開關(guān)頻率下，電機(jī)控制器內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生很高的 du/dt，由于電動(dòng)工業(yè)車輛的大電流驅(qū)動(dòng)方式，于是在逆變器與電機(jī)之間就存在了大幅值的共模電壓和高 du/dt，這就形成了主要的干擾源，直接造成控制器內(nèi)部低壓電路信號(hào)失真影響控制器對(duì)整車的控制;另外，電機(jī)控制器輸出的干擾信號(hào)也會(huì)通過傳輸線以傳導(dǎo)的方式與低壓線進(jìn)行容性耦合及感性耦合從而影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

電動(dòng)工業(yè)車輛的主要電氣設(shè)備/控制系統(tǒng)和其他車輛設(shè)備是否能兼容正常工作運(yùn)行，重要的問題是所需要通過的 EMC 相關(guān)法規(guī)。因此，研究電動(dòng)工業(yè)車輛電驅(qū)系統(tǒng)電磁兼容控制技術(shù)和驅(qū)動(dòng)測(cè)試及整改技術(shù)，對(duì)提高車輛整車的驅(qū)動(dòng)電磁兼容控制性能等就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

三、測(cè)試及整改

a）干擾來源：電機(jī)控制器。

產(chǎn)生機(jī)理：控制器內(nèi)部的逆變單元工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的開關(guān)頻率噪聲。

傳輸路徑：沿著動(dòng)力線和電源回路向外傳輸，低頻段以傳導(dǎo)方式傳輸，高頻段以空間輻射方式傳輸。

干擾波特征：干擾頻率主要集中在 30MHz-50MHz 之間，以寬帶信號(hào)干擾為主，能量較大。

整改方式：在控制器三相電纜輸出端套鎳新材料磁環(huán)或給三相電纜套屏蔽絲，控制器內(nèi)部采用低噪聲 mos 管，輸出端完善濾波電路。

b）干擾來源：直流電機(jī)。

產(chǎn)生機(jī)理：工業(yè)車輛上像直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)或各類風(fēng)扇在運(yùn)行時(shí)，電刷和換向器之間會(huì)產(chǎn)生電弧火花，由此會(huì)引起強(qiáng)烈的電磁干擾。

傳輸路徑：沿著電源線以傳導(dǎo)的方式進(jìn)入電路或以輻射的方式發(fā)射出去。

干擾波特征：干擾頻率為 30MHz-1GHz 全頻段，以窄帶脈沖信號(hào)干擾為主，此類全頻段干擾危害性較大，易干擾到廣播信號(hào)及手機(jī)信號(hào)。

整改方式：電機(jī)內(nèi)部應(yīng)增加濾波電容來抑制干擾，電刷接觸面研磨光滑和調(diào)整電刷位置來進(jìn)行改善，在電機(jī)電源線上套鎳新材料磁環(huán)。

c）典型拋負(fù)載案例

整車在運(yùn)行過程中由于開關(guān)的切換，負(fù)載的通斷瞬間會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)高電壓的沖擊，這類電壓沖擊破壞性比較大，輕者影響控制信號(hào)輸出，重者直接燒毀電子元件，以下是某倉儲(chǔ)類電動(dòng)搬運(yùn)工業(yè)車輛上因大電壓沖擊燒毀風(fēng)扇的案例分享：

某搬運(yùn)車在起升停止瞬間，系統(tǒng)電壓會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓沖擊，沖擊電壓高達(dá)150V 左右，這么大的沖擊電壓使得整車上的散熱風(fēng)扇當(dāng)場(chǎng)燒毀。分析電壓沖擊的來源是由于起升電機(jī)在停止瞬間，由于感性負(fù)載斷電時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向電壓的影響所致，起升電流越大反向沖擊電壓就會(huì)越大。因此要想避免這種電壓沖擊的影響，需要在系統(tǒng)電路上加上用于吸收高電壓沖擊的元器件用于濾除這種大電壓沖擊對(duì)其它電氣部件造成的影響。通常這種濾波元件選擇大容量濾波電容并在正負(fù)極上即可。

四、結(jié)束語

電動(dòng)工業(yè)車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的抑制是一個(gè)系統(tǒng)性工程，若要使得整車內(nèi)部電驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)互相兼容的水平，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期即針對(duì)控制板、驅(qū)動(dòng)板、電源板、IGBT 等關(guān)鍵零部件進(jìn)行電磁兼容仿真并不斷針對(duì)電路板走線布局、機(jī)械結(jié)構(gòu)布局、高低壓線束走線布局等進(jìn)行改進(jìn)，而不是待產(chǎn)品定型后再加裝相關(guān)濾波器等屏蔽措施進(jìn)行“圍堵”，這種被動(dòng)整改措施不僅增加了物料成本、電路板及機(jī)械結(jié)構(gòu)變更成本及人力成本，并且最終的屏蔽效果在某些頻段也不一定有較大幅度的改善。

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