新能源汽車雙電機(jī)控制器電磁兼容性試驗(yàn)及問(wèn)題原因分析

李智 羅宏錦 何放

摘要：本文主要介紹了電磁兼容性試驗(yàn)在新能源雙電機(jī)控制器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重要性。對(duì)當(dāng)前電磁兼容性試驗(yàn)所遇到的主要問(wèn)題、主要試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)條件做了詳細(xì)闡述，同時(shí)也提供了在試驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題的解決辦法及思路?；谏鲜鏊悸罚疚尼槍?duì)某新能源汽車雙電機(jī)控制器的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射試驗(yàn)做了研究，通過(guò)分析試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的詳細(xì)變更點(diǎn)，并針對(duì)改進(jìn)型的電控做了重復(fù)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，產(chǎn)品的優(yōu)化獲得了較為理想的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；輻射發(fā)射；傳導(dǎo)發(fā)射；雙電機(jī)控制器

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)中電子設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加。在包括汽車、智能手機(jī)、電腦、工業(yè)控制系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，電子設(shè)備的密集使用意味著同時(shí)存在的電磁干擾源也變得更多。這些干擾源可能來(lái)自不同設(shè)備、不同系統(tǒng)之間的相互作用，也可能來(lái)自電子設(shè)備本身的自我干擾。而無(wú)處不在的電子設(shè)備會(huì)導(dǎo)致設(shè)備所處的環(huán)境，比如設(shè)備信號(hào)、功率和特性等，變得更加復(fù)雜。

在汽車和交通等領(lǐng)域，隨著新能源產(chǎn)品的規(guī)?；l(fā)展，產(chǎn)品越來(lái)越依賴于各種類型的控制器，如雙電機(jī)控制器、單電機(jī)控制器、旋變傳感器、整車控制器、電子油泵以及車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)等。這些控制器或傳感器在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，可能對(duì)車輛其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，而電磁干擾可能會(huì)導(dǎo)致某些設(shè)備故障、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或通信中斷，對(duì)人身安全和財(cái)產(chǎn)造成威脅。

因此，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)，以評(píng)估電子設(shè)備或傳感器的輻射水平和干擾情況，確保它們?cè)诙鄠€(gè)車輛和設(shè)備之間相互兼容是非常必要的。本文從某新能源汽車雙電機(jī)控制器硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)和原理入手，對(duì)該雙電機(jī)控制器的電磁兼容性能做了深入的研究。

1 雙電機(jī)控制器架構(gòu)

某新能源車型雙電機(jī)控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要由主控制電路板、驅(qū)動(dòng)電路板和IGBT 模塊3 大設(shè)計(jì)板塊構(gòu)成。12 V 供電電源通過(guò)BUCK 以及BUCK-BOOST 電路向主控制電路板及驅(qū)動(dòng)電路板供電。主控板通過(guò)CAN 總線與整車進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主控芯片與油泵控制器及HVU 進(jìn)行數(shù)字信號(hào)雙向通信；控制器驅(qū)動(dòng)部分的IGBT 模塊能夠?qū)?dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電輸入到永磁同步電機(jī)；底層軟件及控制器中的各類采樣電路、電源電路和保護(hù)電路相互配合，使得雙電機(jī)控制器得以正常工作[1]。

在設(shè)計(jì)架構(gòu)時(shí)要考慮電磁兼容性，需要注意在電路中添加電源噪聲濾波器，如濾波電容和濾波電感，以減少高頻噪聲的傳播。良好的搭鐵是確保電磁兼容性的重要因素，電機(jī)控制器需要正確連接和設(shè)計(jì)搭鐵，以減少潛在的接地回路間的干擾。電源線和信號(hào)線的布局應(yīng)盡量避免交叉和平行布線，以減少相互之間的電磁耦合。在電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)中，采用屏蔽罩、屏蔽線纜和屏蔽隔板等方法，以減少電磁輻射和電磁感應(yīng)。

此外，對(duì)于敏感的電路板或元件，可以考慮使用金屬屏蔽殼。對(duì)于輸入和輸出信號(hào)線，可以使用濾波器來(lái)降低高頻噪聲和電磁干擾的影響。這些濾波器可以包括RC 濾波器、LC 濾波器或磁性濾波器等。如果有需要，可以考慮使用適當(dāng)?shù)母綦x器件（如光耦合器）來(lái)隔離電路和信號(hào)，以減少電磁干擾的傳播。在多模塊或多設(shè)備系統(tǒng)中，對(duì)于地址線和通信線，應(yīng)采取適當(dāng)措施，如使用屏蔽線纜、降低傳輸速率等，以減少傳輸過(guò)程中的電磁干擾。

這些僅是一部分常見(jiàn)的考慮因素，實(shí)際設(shè)計(jì)中可能還會(huì)有其他因素導(dǎo)致電磁干擾，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以注意。因此，為了模擬電機(jī)控制器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，需要進(jìn)一步制作樣件進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試，以確保系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的正常運(yùn)行。

2 雙電機(jī)控制器的電磁兼容理論基礎(chǔ)及試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

電磁兼容性試驗(yàn)主要涉及電磁場(chǎng)與電子設(shè)備相互作用的原理、電磁波傳播規(guī)律、電磁輻射和電磁感應(yīng)的機(jī)制等。電磁兼容性試驗(yàn)的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)如下。

2.1 雙電機(jī)控制器的電磁兼容理論基礎(chǔ)

2.1.1 電磁相容性理論

電磁相容性主要研究電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的相互作用機(jī)制。它包括電磁輻射和電磁感應(yīng)兩個(gè)方面的機(jī)制。電磁輻射是指電子設(shè)備通過(guò)電磁波在空間中傳播而引發(fā)的干擾，而電磁感應(yīng)是指電子設(shè)備受到來(lái)自外部電磁場(chǎng)的干擾。

2.1.2 電磁波傳播理論

該理論研究電磁波在導(dǎo)體和無(wú)導(dǎo)體介質(zhì)中的傳播規(guī)律。了解電磁波的傳播特性有助于確定電磁兼容性試驗(yàn)中的信號(hào)傳輸路徑和傳播過(guò)程，以及評(píng)估電磁輻射和電磁感應(yīng)的范圍。

2.1.3 電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

電磁兼容性試驗(yàn)需要進(jìn)行電磁場(chǎng)測(cè)量以評(píng)估設(shè)備的輻射和感應(yīng)水平。電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)包括電場(chǎng)測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量和輻射場(chǎng)測(cè)量等方法，以獲得電磁場(chǎng)的強(qiáng)度、頻譜、方向和空間分布信息。

2.1.4 電磁兼容性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容性試驗(yàn)通常依據(jù)相應(yīng)的國(guó)際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備、測(cè)試條件和評(píng)估準(zhǔn)則，確保測(cè)試具有可重復(fù)性和可比性，從而提供了實(shí)際電磁兼容性問(wèn)題的解決依據(jù)。

綜上所述，電磁兼容性試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)涵蓋了電磁相容性、電磁波傳播規(guī)律、電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)、干擾源與受擾設(shè)備建模以及相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。這些理論基礎(chǔ)為電磁兼容性試驗(yàn)提供了理論依據(jù)和方法，以確保電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的正常運(yùn)行和相互兼容。

2.2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 18655-2018《車輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無(wú)線電騷擾特性用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測(cè)量方法》要求，對(duì)各類電磁實(shí)驗(yàn)都有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]，但是鑒于項(xiàng)目周期以及試驗(yàn)成本，選擇雙電機(jī)控制器的傳導(dǎo)發(fā)射作為本次研究的主要研究對(duì)象。傳導(dǎo)發(fā)射電流法主要考察雙電機(jī)控制器的低壓非電源線傳導(dǎo)發(fā)射大小，電壓法考察控制器低壓電源線和高壓線束傳導(dǎo)發(fā)射大小，在廣播及移動(dòng)業(yè)務(wù)分別有峰值、準(zhǔn)峰值和均值的限值要求。傳導(dǎo)發(fā)射電流法限值詳見(jiàn)表1 ；電壓法又區(qū)分為低壓電源線傳導(dǎo)發(fā)射和高壓線束傳導(dǎo)發(fā)射，其限值分別如表2 和表3 所示。

2.3 電磁干擾的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題

常見(jiàn)的電磁輻射干擾是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在工作過(guò)程中，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)輻射干擾到周圍設(shè)備或系統(tǒng)的正常操作。這種干擾可以影響到其他電子設(shè)備、通信系統(tǒng)和無(wú)線電接收器等。在一些電子設(shè)備或電源頻繁開(kāi)關(guān)，電子設(shè)備中快速切換的電流或高頻振蕩器可能會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，干擾周圍的其他設(shè)備。通過(guò)電磁兼容性測(cè)試和采取適當(dāng)?shù)母蓴_抑制措施，可以減少電磁輻射干擾，保證設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2-3]。

雙電機(jī)控制器在電磁兼容性方面可能面臨以下幾個(gè)問(wèn)題。

2.3.1 電磁輻射干擾

雙電機(jī)控制器中的電子元件和電路在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高頻電磁輻射。如果輻射水平超過(guò)規(guī)定的限制，可能會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備或無(wú)線通信系統(tǒng)造成干擾。

2.3.2 電源線和信號(hào)線上的傳導(dǎo)干擾

電磁干擾可能通過(guò)電源線和信號(hào)線傳導(dǎo)到其他設(shè)備或系統(tǒng)中，干擾其正常工作。例如，電機(jī)的高電流運(yùn)行可能引起電源線上的電磁干擾，影響到其他電子設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。

2.3.3 搭鐵線回路的共模電流

對(duì)于雙電機(jī)控制器，電機(jī)的高電流運(yùn)行可能導(dǎo)致地線回路中的共模電流增加。這可能會(huì)對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)的地線回路產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致干擾電壓的出現(xiàn)，影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.3.4 控制信號(hào)的抗干擾能力

雙電機(jī)控制器通常需要接收外部的控制信號(hào)，如位置反饋、速度指令等。在電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下，這些控制信號(hào)可能會(huì)受到電磁干擾的影響，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定或錯(cuò)誤的指令執(zhí)行。

3 雙電機(jī)控制器電磁兼容試驗(yàn)設(shè)計(jì)及臺(tái)架搭建

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鑒于電磁兼容龐大的試驗(yàn)體系，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于預(yù)算及周期的影響，并不需要對(duì)零件做全套的試驗(yàn)。本論文根據(jù)構(gòu)成電子電器部件元器件特性的不同，對(duì)零部件做了分類（表4），每種分類都應(yīng)用特定的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目。本次研究對(duì)象對(duì)應(yīng)了表4 中A 類、AM 類和AX 類。在此需要注意的是，在區(qū)分零件類型時(shí)，一個(gè)零部件可能會(huì)涉及到幾種零部件類型，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行勾選，測(cè)試項(xiàng)目按最大化執(zhí)行。本論文優(yōu)化了雙電機(jī)控制器龐大電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目，在正式試驗(yàn)前進(jìn)行摸底研究，研究結(jié)果對(duì)未來(lái)正式樣件的設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。

根據(jù)測(cè)試矩陣（表5），不同零部件的產(chǎn)品類型應(yīng)選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目。本文所描述的試驗(yàn)為前期驗(yàn)證性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為摸底，因此僅選擇傳導(dǎo)發(fā)射（電壓法、電流法）作為試驗(yàn)項(xiàng)目。

3.2 雙電機(jī)控制器電磁兼容臺(tái)架搭建

該車型電機(jī)控制器安裝于發(fā)電機(jī)艙，為高度集成模塊，具有模擬和數(shù)字輸入端口，能夠控制電機(jī)。電機(jī)控制器通過(guò)CAN總線與車輛上的其他模塊進(jìn)行交互通信，CAN 總線的波特率為500 kb/s。電機(jī)控制器的直流（AC）輸出直接連接電機(jī)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)+ 發(fā)電機(jī)），直流輔電輸出接同功率阻性負(fù)載。試驗(yàn)的基本臺(tái)架搭建如圖2 所示，其中低壓和高壓電源通過(guò)導(dǎo)線給產(chǎn)品供電，負(fù)載箱利用該新能源車型的相關(guān)負(fù)載，并通過(guò)導(dǎo)線與產(chǎn)品相連接。上位機(jī)可以顯示臺(tái)架的工作狀態(tài)，同時(shí)與產(chǎn)品通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行通信，利用診斷的方式監(jiān)控負(fù)載狀況信息[4]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在完成臺(tái)架的硬件安裝及布線，經(jīng)過(guò)低壓通訊調(diào)試，上位機(jī)信號(hào)調(diào)試正常后對(duì)該車型雙電機(jī)控制器試驗(yàn)樣品進(jìn)行電磁兼容測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在傳導(dǎo)發(fā)射電流法測(cè)試中，KL30/KL31、CAN 線、NTC 線束、旋變線束以及油泵PWM 線束等都有不同程度的超標(biāo)。在傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測(cè)試中，低壓電源正負(fù)極和高壓電源正負(fù)極也有不同程度的超標(biāo)。輻射發(fā)射測(cè)試中，P3 電機(jī)在轉(zhuǎn)速2 229 r/min、負(fù)載75 N · m 的條件下，也有超標(biāo)現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表6。

雙電機(jī)控制器在傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射測(cè)試中未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明可能存在以下幾方面問(wèn)題。

3.3.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題

可能存在電路布局不當(dāng)、搭鐵線回路設(shè)計(jì)不合理以及接口線路設(shè)計(jì)不完善等問(wèn)題。

3.3.2 電磁屏蔽不足

如果雙電機(jī)控制器的電磁屏蔽設(shè)計(jì)不足或?qū)嵤┎划?dāng)，可能需要加強(qiáng)對(duì)電纜、接口和整個(gè)電路板的屏蔽措施。

3.3.3 搭鐵問(wèn)題

雙電機(jī)控制器中的搭鐵問(wèn)題也可能導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射干擾， 需要檢查和優(yōu)化搭鐵設(shè)計(jì)， 確保良好的搭鐵連通性和連續(xù)性。

3.3.4 不合適的電源濾波

如果雙電機(jī)控制器的電源濾波設(shè)計(jì)不合適或電源線電磁兼容性差，就會(huì)導(dǎo)致電磁干擾信號(hào)通過(guò)電源線傳播到其他設(shè)備中?？赡苄枰黾与娫礊V波器、調(diào)整濾波器參數(shù)或優(yōu)化電源線布局。

3.3.5 控制電路問(wèn)題

信號(hào)線或數(shù)據(jù)線的干擾抑制措施不足、高頻信號(hào)抑制不良等?？赡苄枰匾暱刂齐娐返脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化，以減少干擾信號(hào)的傳播和影響。

如果雙電機(jī)控制器的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果不達(dá)標(biāo)，需要進(jìn)行相關(guān)的調(diào)試和改進(jìn)，以滿足規(guī)定的電磁兼容性要求。這包括重新設(shè)計(jì)電路布局、加強(qiáng)電磁屏蔽、優(yōu)化接地設(shè)計(jì)、改善電源濾波和優(yōu)化控制電路等措施[5-6]，以減少干擾信號(hào)的發(fā)射和傳導(dǎo)，確保雙電機(jī)控制器在電磁環(huán)境中的正常操作。

4 改進(jìn)與分析

為了解決以上問(wèn)題，本文所涉及到的雙電機(jī)控制器型號(hào)在采取了以下措施。

（1）高壓直流添加LC 濾波。

（2）通過(guò)殼體對(duì)兩個(gè)高壓功率模塊進(jìn)行隔離，同時(shí)在高壓組件和控制板中增加屏蔽板。圖3 雙電機(jī)控制器傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測(cè)試結(jié)果

（3）在CAN 總線及旋變輸入輸出側(cè)，添加共模濾波電感。

（4）在電源入口處設(shè)置濾波電路。

（5）配置內(nèi)部電源的PWM 頻率，避開(kāi)電纜等諧振點(diǎn)。

（6）去耦電容貼近芯片電源處。

（7）采樣、PWM 等信號(hào)線路進(jìn)行差分設(shè)計(jì)。

（8）模擬搭鐵和電源獨(dú)立設(shè)計(jì)。

采取了以上措施后，再次進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，從3.00 MHz 的低頻段開(kāi)始一直到108.00 MHz 的高頻段，無(wú)論進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射電流法還是傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測(cè)試，噪聲值都低于限值，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)（圖3）。

5 結(jié)束語(yǔ)

電磁兼容性試驗(yàn)可以評(píng)估電子電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中的工作特性，減少干擾，確保設(shè)備之間的相互兼容性和可靠性。對(duì)于車輛上的電子電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，電磁兼容性試驗(yàn)可以評(píng)估設(shè)備在電磁環(huán)境中的抗干擾能力，確定設(shè)備的輻射水平，并確保設(shè)備之間的相互兼容性和符合法規(guī)要求。這樣可以保證設(shè)備的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，并確保設(shè)備對(duì)其他設(shè)備和環(huán)境的影響達(dá)到可接受的范圍。

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作者簡(jiǎn)介：

李智，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制器總體設(shè)計(jì)。