新能源汽車高壓配電系統(tǒng)共模干擾機理研究及抑制對策

關鍵詞：新能源汽車；高壓配電系統(tǒng)；共模干擾；電磁兼容性；抑制策略

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2025-05-17 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.008

Research on Common Mode Interference Mechanism and Suppression Strategies for High-Voltage Power Distribution System in New Energy Vehicles

Li Guanglin Guizhou Mechanical and Electrical Polytechnic，Duyun 558ooo，China

Abstract：Withtheapiddevelopmentofnewenergyvehicletechnology，electromagneticcompatiblityisuesinhighvoltage powerdistributionsystemshavebecomeincreasinglyprominent.Commonmodeinterference，asthemainformofdisturbance，seriouslyfectstheeliabilityndfetyofehicleelectricalsystems.herefore，tispaperthroughlyivestgatestheommonmoditefe encemechanisminig-voltagepowerdistrbutionsystemsofnewenergyvehicles，analyzestestructuralcharacteristicsandworking principlesofhighvoltagepowerdistributionsystems，andfocusesonthecommonmodecurrentpropagationpathandinfuencingfac torsduringpowerconverterswitchingprocesses.Basedonthis，thepaperproposessystem-levelcommonmodeinterferencesupressionstrategiesaddevice-evelcommonodeinterferencesuppressionsoutions.Theproposedsupressonetodscanefectivelyre ducesystemcommonmodeinterferencelevels，providingimportantreferencesforEMCdesignofhigh-voltagepowerdistrbutionsys temsin new energy vehicles.

Keywords：Newenergyvehicles;High-voltagepowerdistributionsystem;Commonmodeinterference;Electromagneticcompatibility;Suppression strategies

1前言

近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，高壓配電系統(tǒng)作為其核心部件，其電磁兼容性問題日益凸顯。高壓配電系統(tǒng)中的功率變換器在高頻開關過程中會產(chǎn)生顯著的共模干擾，這些干擾通過寄生耦合路徑傳播，不僅影響車載低壓設備的正常工作，還可能導致整車控制系統(tǒng)誤動作，嚴重威脅行車安全。目前國內外對新能源汽車EMC問題的研究主要集中在單個部件層面，缺乏對系統(tǒng)級共模干擾傳播機理的深入分析。因此，研究高壓配電系統(tǒng)共模干擾的產(chǎn)生機理、傳播特性及抑制方法，對提升新能源汽車電氣系統(tǒng)可靠性具有重要的理論和實踐意義[1]。

2新能源汽車高壓配電系統(tǒng)結構及特點

新能源汽車高壓配電系統(tǒng)主要由動力電池組、功率變換單元（包括DC/DC變換器、逆變器等）、高壓配電盒（PDU）充電系統(tǒng)、驅動電機等核心部件組成。其中，動力電池組通常采用多個電池模塊串并聯(lián)的方式，輸出300～800V 的直流電壓，為整車提供主要能量來源。PDU作為高壓配電系統(tǒng)的核心單元，集成了高壓繼電器、熔斷器、電流傳感器等關鍵元件，負責系統(tǒng)的電能分配、保護和監(jiān)測功能。DC/DC變換器將高壓直流電轉換為12V/24V低壓電以供車載低壓用電設備使用，同時還包含電壓變換、電流限制等功能。逆變器則將直流電轉換為交流電，為驅動電機提供動力。充電系統(tǒng)包括車載充電機（OBC）和快充接口，支持不同功率等級的充電需求。這些部件通過屏蔽高壓線束相互連接，形成完整的高壓配電網(wǎng)絡，系統(tǒng)采用IT架構（即電源正負極均與車身絕緣）的配電方式，通過絕緣監(jiān)測裝置（IMD）實時監(jiān)控系統(tǒng)對地絕緣電阻，確保用電安全[2]。

新能源汽車高壓配電系統(tǒng)具有電壓等級高、開關頻率快、功率密度大等顯著特點，系統(tǒng)工作電壓通常在300～800V范圍內，相比傳統(tǒng)12V車載電氣系統(tǒng)，其電壓等級提升了數(shù)十倍，這提高了系統(tǒng)傳輸效率，也對元器件的耐壓性能和絕緣防護提出了更高要求。新能源汽車高壓配電系統(tǒng)功率變換單元中采用的IGBT或SiC功率器件開關頻率可達 10～100kHz ，雖然提高了變換效率，但也產(chǎn)生了大量高頻電磁干擾。同時，系統(tǒng)具有雙向能量流動特性，既要滿足電機驅動時的放電需求，又要適應再生制動時的充電過程，這使得其控制策略和保護方案更為復雜。高壓配電系統(tǒng)普遍采用分布式布局，各功能單元通過屏蔽電纜連接，形成多個接地回路，增加了共模干擾的傳播路徑。在電磁兼容性方面，系統(tǒng)需要同時考慮傳導干擾和輻射干擾的抑制，特別是功率器件快速開關過程中產(chǎn)生的du/dt和di/dt會通過寄生電容耦合產(chǎn)生顯著的共模干擾。這些技術特點使得新能源汽車高壓配電系統(tǒng)的設計和優(yōu)化面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是在電磁兼容性方面需要進行深入研究和系統(tǒng)優(yōu)化[]。

3新能源汽車高壓配電系統(tǒng)共模干擾機理

在新能源汽車高壓配電系統(tǒng)中，共模干擾（CommonModeInterference）是影響電磁兼容性（EMC）和系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，其產(chǎn)生和傳播具有復雜的物理機制與系統(tǒng)關聯(lián)性。共模干擾主要是由于系統(tǒng)中高頻開關器件大幅度的電壓、電流變化（dv/dt和di/dt）引起的非對稱電磁場分布，經(jīng)由寄生參數(shù)路徑耦合至系統(tǒng)接地或車身，從而干擾低壓控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡甚至引發(fā)整車控制模塊誤動作[4]。

新能源汽車高壓配電系統(tǒng)中的DC/DC變換器、逆變器等功率變換單元普遍采用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）或SiC（碳化硅）等高頻功率器件，其開關頻率通常在 10～100kHz 之間，由于這些器件在開通與關斷過程中存在極大的電壓變化率（du/dt）和電流變化率（di/dt），會在器件與散熱底板、散熱器之間形成高頻電壓激勵，此類電壓在系統(tǒng)中形成寄生電容（如器件集電極與地之間、封裝結構與殼體之間的電容），進而促使高頻共模電流沿著非預期路徑回流至系統(tǒng)接地或車身。這些共模電流通常不參與功率傳輸，但由于其頻率高、幅值大、路徑廣泛，極易耦合至車載信號線、低壓供電線，進而干擾或破壞控制器、傳感器等弱電系統(tǒng)的正常工作。共模電流沿著系統(tǒng)結構形成封閉回路，易在金屬殼體、線束屏蔽層等處激發(fā)電磁輻射，增大整車電磁“噪聲”水平，影響車外無線通信（如GPS、5G模組）和車內信號傳輸穩(wěn)定性。

新能源汽車高壓系統(tǒng)通常采用IT配電架構，即高壓正負極均與車身電位絕緣，以保障系統(tǒng)運行安全。然而，由于系統(tǒng)中存在多個高壓設備、分布式布局以及長距離屏蔽線纜連接，使得系統(tǒng)中寄生電容網(wǎng)絡極為復雜，尤其在PDU、DC/DC、OBC與驅動電機之間，各電氣單元通過屏蔽線束與車架或殼體間形成多條非對稱電容耦合路徑。當共模電壓在這些模塊之間產(chǎn)生電位差時，高頻共模電流便會通過這些寄生通道流向“虛地\"或“浮地”，形成不對稱電流環(huán)路，進一步增強干擾輻射。更為復雜的是，由于高壓設備之間可能存在多點接地或屏蔽層接地不一致，若接地電位差異較大，將形成較強的共模電壓激勵，進一步加劇共模電流的流動與擴散。屏蔽層連接方式不當（如單端接地、斷續(xù)接地、接觸電阻大等）也會導致屏蔽失效，使共模電流通過屏蔽層反向耦合進入信號線或控制線，影響CAN、LIN等車載通信網(wǎng)絡的抗干擾能力。尤其在快充、高轉速驅動等高功率狀態(tài)下，共模干擾電平顯著上升，導致車輛出現(xiàn)通信超時、系統(tǒng)復位等嚴重故障，增加整車電氣系統(tǒng)的不確定性。

4新能源汽車高壓配電系統(tǒng)共模干擾抑制對策

4.1系統(tǒng)級共模干擾抑制策略

在新能源汽車高壓配電系統(tǒng)中，為有效應對由功率變換器高頻開關操作引起的共模干擾問題，研究人員必須從系統(tǒng)整體架構出發(fā)，制定科學合理的系統(tǒng)級共模干擾抑制策略，系統(tǒng)級抑制不僅關注單個器件的電磁兼容性（EMC）設計，更強調從系統(tǒng)拓撲、接地方式、結構布局、線纜路徑及電磁隔離等多個維度進行協(xié)同優(yōu)化，以構建一個低干擾、高魯棒性的電氣系統(tǒng)環(huán)境。系統(tǒng)級的共模干擾抑制策略關鍵技術舉措如表1所示。

新能源汽車高壓配電系統(tǒng)普遍采用IT配電架構，即高壓正、負極均與車身絕緣，通過絕緣監(jiān)測裝置（IMD）實時監(jiān)控系統(tǒng)對地電阻。然而，在實際運行過程中，如果系統(tǒng)接地設計不合理，尤其是存在多點接地、接地電位不一致、屏蔽層接地方式混亂等問題，極易形成不對稱電位差，誘發(fā)共模電壓，從而導致共模電流沿著不可控路徑擴散。因此，系統(tǒng)應在設計階段統(tǒng)一接地策略，盡量采用單點接地加等電位連接方式，避免因潛在接地回路引發(fā)共模電流耦合，對于屏蔽層的連接方式，應優(yōu)先選擇“兩端接地\"策略，確保高頻信號的低阻抗泄放路徑，同時合理選擇接地點位置，避免屏蔽層成為共模電流的傳播通道，并加強車身作為接地參考點的一致性管理，確保不同模塊之間的地電位差控制在安全范圍之內，從源頭上抑制共模干擾的感應和擴散。

共模干擾的傳播不僅依賴于其源頭的激勵強度，更與系統(tǒng)內部的耦合路徑密切相關。新能源汽車的高壓電纜通常采用屏蔽型結構，但若布線路徑過長、走線過于集中、不同線組之間未保持合理間距，極易形成電磁耦合熱點，特別是在PDU至OBC、DC/DC至驅動電機等高功率路徑中，高頻共模電流可能借助線纜屏蔽層或接地線形成耦合回路。研究人員應在系統(tǒng)設計階段進行電纜布線拓撲優(yōu)化，遵循“高壓遠離低壓、強電遠離弱電、動力線遠離信號線”的布線原則，減少不同系統(tǒng)之間的磁通耦合和電容耦合，并使用分布式濾波結構，在系統(tǒng)關鍵節(jié)點處（如逆變器輸入端、DC/DC輸出端、PDU分支口等）設置共模扼流圈（CMC）和共模濾波器，構建多級干擾削弱機制，有效限制共模電流的傳播鏈條。同時，通過合理設計功能模塊的空間布局，避免高頻干擾源與敏感模塊（如VCU、BMS、TCU等）過于靠近，從而降低耦合風險，增強系統(tǒng)整體的抗干擾能力。

表1系統(tǒng)級共模干擾抑制策略關鍵技術舉措

4.2器件級共模干擾抑制方案

在新能源汽車高壓配電系統(tǒng)中，共模干擾的產(chǎn)生與功率器件的高頻開關特性密切相關。優(yōu)化器件設計和合理應用干擾抑制技術，可以有效降低共模干擾源的產(chǎn)生強度，從而從根本上抑制干擾的傳播。器件級共模干擾抑制方案如表2所示。

根據(jù)上述分析可知，高壓配電系統(tǒng)中的DC/DC變換器和逆變器通常采用IGBT或SiC功率器件，這些器件在高頻開關過程中因du/dt和di/dt變化幅度過大，容易產(chǎn)生高頻共模電流，優(yōu)化功率器件的開關特性是抑制共模干擾的關鍵技術之一，研究人員可在功率器件的開關管柵極上增加柵極電阻，以有效減緩開關速度，降低du/dt和di/dt的變化率，從而減少高頻干擾電流的產(chǎn)生，并采用軟開關技術（如零電壓開關和零電流開關）減少開關過程中的電壓尖峰和電流應力，進一步降低噪聲激勵強度。功率器件的封裝設計對共模干擾的產(chǎn)生也有重要影響，優(yōu)化器件內部寄生參數(shù)（如減少功率管與散熱底板之間的寄生電容）改進封裝布局（如縮短功率回路路徑、優(yōu)化引線設計）可以有效降低寄生耦合通道的干擾電平。

表2器件級共模干擾抑制方案

在功率器件和電路設計中，合理配置共模干擾抑制元件可以控制干擾傳播，常用的抑制元件包括共模扼流圈、Y電容和RC緩沖電路等。共模扼流圈通過在高頻干擾電流路徑中引入高阻抗，限制共模電流的流動強度，設計時研究人員需要根據(jù)系統(tǒng)工作頻率選擇適配的磁芯材料和繞組結構，以確保在對干擾電流進行有效抑制的同時，降低對正常信號的影響。Y電容通常用于功率器件與接地之間，用于提供高頻干擾電流的泄放路徑，研究人員設計時需確保其電容值和耐壓值滿足系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的要求。RC緩沖電路可以有效吸收功率器件開關過程中的瞬態(tài)能量，減少電壓尖峰和高頻干擾；將緩沖電路優(yōu)化布置在功率器件的輸入端和輸出端，可以在不影響開關性能的前提下顯著降低共模干擾電平。

5結語

本文針對新能源汽車高壓配電系統(tǒng)中的共模干擾問題，深入分析了其產(chǎn)生機理和傳播特性，從系統(tǒng)級和器件級兩個層面提出了系統(tǒng)性的抑制策略，采用“系統(tǒng)級 + 器件級\"的協(xié)同抑制方案，能夠從源頭控制干擾產(chǎn)生，阻斷干擾傳播路徑，提升系統(tǒng)電磁兼容性能。這些研究成果對提高新能源汽車電氣系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要的工程應用價值，同時也為后續(xù)相關領域的深入研究提供了理論基礎。

參考文獻：

[1]賈俊杰.新能源汽車高壓配電系統(tǒng)電磁兼容性優(yōu)化研究[J].汽車測試報告，2025（2）：73-75.

[2]韋富藝，朱汝鋒，陸新華，等.探究新能源汽車電控系統(tǒng)電磁干擾的故障檢修[J].時代汽車，2023（19）：157-159.

[3]柏世濤，王鵬，吳智強，等.考慮電磁兼容特性影響的新能源汽車主電路穩(wěn)定性分析[J].自動化與儀器儀表，2025（1：133-137.

[4]周宇奎，廖慧敏，葉廣森，等.新能源汽車高壓系統(tǒng)的典型EMC問題與挑戰(zhàn)[J].安全與電磁兼容，2024（2）：18-31.

作者簡介：

李光林，男，1989年生，講師，研究方向為交通運輸、汽車維修、高等職業(yè)教育。