電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EM I預(yù)測建模與試驗(yàn)＊

龍海清 鄭玲

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EM I預(yù)測建模與試驗(yàn)＊

龍海清 鄭玲

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

以某微型電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮其傳導(dǎo)共模干擾和差模干擾相互之間的影響，構(gòu)建了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI的預(yù)測分析模型。仿真預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果變化趨勢一致，表明了所建立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型的正確性和有效性。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型可為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC方案設(shè)計(jì)提供理論分析手段。

1 前言

近年來，電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI預(yù)測分析與試驗(yàn)研究一直是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Chen C等[1]建立了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)EMI模型，估計(jì)了直流母線的噪聲頻譜，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；Frei S等[2]建立了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾模型，但模型對(duì)傳導(dǎo)干擾規(guī)定的0.15～30MHz頻段內(nèi)的預(yù)測精度不高；Youn H L[3]建立了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部分的高頻模型（包括IGBT、線纜和逆變器），并搭建了等效電路模型，較準(zhǔn)確地預(yù)測了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾；Tao Q和Lei X[4,5]提出了分段線性IGBT模型的一種行為建模方法；肖芳等人[6]對(duì)PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)EMI機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了頻域噪聲源建模方法；孟進(jìn)等人[7]以典型的PWM變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象，研究了干擾通道寄生參數(shù)和高頻干擾源的建模方法。

本文以某電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，考慮傳導(dǎo)共模干擾和差模干擾相互之間的影響，建立了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)EMI模型，并進(jìn)行仿真預(yù)測和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI建模方法的正確性和有效性。

2 建模流程

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測建模流程如圖1所示。首先建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI傳播路徑中的主要部件，如逆變器的非屏蔽電纜和電機(jī)以及逆變器模型，再建立其它各部件的電路模型，最后按電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際連接情況獲得整個(gè)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型。預(yù)測建模的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得各部件參數(shù)，為此采用解析法、數(shù)值法和測量法相結(jié)合的方式來準(zhǔn)確表征各部件參數(shù)。

3 電路模型建立

3.1 電纜高頻電路模型

基于多導(dǎo)體傳輸線理論，建立逆變器輸入、輸出非屏蔽電纜高頻電路模型[8]，其基本電路拓?fù)淙鐖D2所示。輸入、輸出電纜相比于電磁波長屬于電大尺寸，這里采用N級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，每一微分小段等效為電阻R△Z、漏電導(dǎo)G△Z、電感L△Z和電容C△Z組成的網(wǎng)絡(luò)，△Z為微分小段尺寸。由于存在電纜絕緣層，導(dǎo)線之間的電導(dǎo)可忽略。

單位長度電阻為:

式中，f為頻率；μ為內(nèi)導(dǎo)體磁導(dǎo)率；γ為內(nèi)導(dǎo)體電導(dǎo)率；S為電流分布面積；r為電纜內(nèi)導(dǎo)體半徑。

靜態(tài)電磁場能量與電纜內(nèi)導(dǎo)體電感參數(shù)和電容參數(shù)間的關(guān)系為:

式中，Wm為多導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)的靜態(tài)磁場能量；Ip和Iq分別為兩電纜內(nèi)導(dǎo)體流過的電流；lpp為導(dǎo)體對(duì)地自感；lpq為兩導(dǎo)體之間的互感；We為多導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)的靜態(tài)電場能量；Up和Uq分別為兩電纜內(nèi)導(dǎo)體流過的電壓；cpp為導(dǎo)體對(duì)地電容；cpq為導(dǎo)體對(duì)另外一根導(dǎo)體的電容。

電纜參數(shù)為:內(nèi)導(dǎo)體材料為銅，半徑為4.72mm；絕緣層材料為耐熱聚氯乙烯，厚為1.2mm；兩輸入電纜的中心距離為3.5 cm，離地間隙為2 cm，長度為1.6m；三輸出電纜的中心距離為3.5 cm，排成一列，離地間隙為2 cm，長為1.2m。

根據(jù)電纜參數(shù)，計(jì)算電纜單位長度電阻為34.215mΩ。在Maxwell 2D中建立逆變器兩輸入電纜模型和三輸出電纜模型，分別加載邊界條件和電流、電壓激勵(lì)源，并仿真計(jì)算得到逆變器兩輸入動(dòng)力電纜和三輸出動(dòng)力電纜的單位長度電感矩陣和單位長度電容矩陣。

將輸入輸出電纜平均分成兩微分小段，每微分小段分別為0.8m和0.6m，其等效電路模型如圖3和圖4所示。

3.2 電機(jī)等效電路模型

基于阻抗幅頻特性，采用諧振單元來等效建立電機(jī)高頻電路模型。單相等效電路模型如圖5所示，由共模阻抗Zcm和差模阻抗Zdm組成[9]。

通過實(shí)際測量電機(jī)端口差模阻抗和共模阻抗幅頻特性曲線，間接獲得Zcm和Zdm，端口連接方式如圖6所示。

圖7為實(shí)際測量的交流感應(yīng)電機(jī)端口共模阻抗和差模阻抗幅頻特性，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可獲得單相電機(jī)共模阻抗Zcm和差模阻抗Zdm的幅頻特性曲線，如圖8所示。根據(jù)圖8并結(jié)合串并聯(lián)諧振單元阻抗表達(dá)式，可計(jì)算出諧振單元的R、L、C等參數(shù)，如表1和表2所列。

表1 Zcm串聯(lián)諧振單元的R、L、C參數(shù)

表2 Zdm并聯(lián)諧振單元的R、L、C參數(shù)

根據(jù)表1和表2的諧振單元參數(shù)建立單相Zcm和Zdm等效電路，如圖9所示。

根據(jù)單相等效電路拓?fù)浼捌鋃cm和Zdm的等效電路，采用星型連接的方式建立交流感應(yīng)電機(jī)的高頻等效電路模型，如圖10所示。

3.3 干擾源模型

將IGBT開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的梯形脈沖電壓作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI干擾源。圖11為SPWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路。由調(diào)制正弦波和三角載波通過比較器輸出高低電平，再經(jīng)光耦隔離、推免放大、柵極電阻輸出IGBT驅(qū)動(dòng)電壓。

3.4 其它部件模型

在電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾實(shí)際測量中，還包含驅(qū)動(dòng)主電路的蓄電池、傳導(dǎo)測試所必備的LISN(線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))以及IGBT與散熱片之間的寄生電容。

本文所研究的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主電路驅(qū)動(dòng)電壓為48 V，因此對(duì)于系統(tǒng)預(yù)測仿真模型，直接在電路仿真軟件Saber中采用48 V的直流電壓源作為蓄電池等效模型。LISN采用50Ω穩(wěn)定阻抗，根據(jù)廠家提供技術(shù)手冊(cè)，可得其等效電路如圖12所示。

IGBT模塊與散熱片之間的寄生電容為:

式中，ε0=8.8×10-12F/m；εr為絕緣介質(zhì)介電常數(shù)，εr= 8.5；A為IGBT模塊與散熱片的接觸面積；d為絕緣層厚度。

本文采用的逆變器型號(hào)為AC-S1，其A=140× 32mm2，d=0.9mm，則IGBT模塊對(duì)散熱片的寄生電容為Cpi=124.11 pF。Cpi是指IGBT模塊3個(gè)橋臂中每個(gè)橋臂的寄生電容。

4 仿真與實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析

4.1 仿真模型

根據(jù)前述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)預(yù)測建模流程，將建立好的逆變器輸入輸出電纜、電機(jī)、蓄電池、LISN以及IGBT與散熱片之間的寄生電容等電路模型按照電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際連接情況連接，最后得到整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測仿真模型。

4.2 結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證所建電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，在標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25規(guī)定的0.15～30MHz范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行傳導(dǎo)EMI測試，試驗(yàn)布置如圖13所示。主要測試直流母線側(cè)和電機(jī)側(cè)的傳導(dǎo)共模電流和差模電流。

電機(jī)側(cè)傳導(dǎo)共模電流和差模電流頻譜特性的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果對(duì)比如圖14所示。由圖14可看出，在傳導(dǎo)干擾規(guī)定頻率0.15～30MHz范圍內(nèi)，兩者變化趨勢基本一致，圖14a中的電機(jī)側(cè)共模干擾電流幅值變化范圍為-60～70 dBμA，兩者誤差約為16 dBμA，圖14b中差模干擾電流幅值變化范圍為-40～75 dBμA，最大誤差約為20 dBμA。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，電機(jī)側(cè)共模和差模干擾電流幅值衰減明顯，且存在大量高次諧波。

圖15為直流母線側(cè)傳導(dǎo)共模電流和差模電流頻譜特性預(yù)測仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果對(duì)比。從圖15可看出，在傳導(dǎo)干擾頻率范圍內(nèi)，兩者變化趨勢基本一致。圖15a中直流母線側(cè)共模干擾電流幅值變化范圍為-30～70 dBμA，最大誤差約為28 dBμA；圖15b中差模干擾電流幅值變化范圍為-15～60 dBμA，兩者平均誤差約為13 dBμA。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，直流母線側(cè)共模和差模干擾電流幅值衰減明顯，存在大量高次諧波。

5 模型誤差分析

由上述可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)共模干擾電流和差模干擾電流預(yù)測仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果之間存在一定誤差，引起誤差的主要原因?yàn)?

a.在建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型時(shí)，很多在實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的分布參數(shù)未考慮，如逆變器內(nèi)部PCB板的寄生參數(shù)；

b.建立逆變器輸入和輸出電纜高頻電路模型時(shí)，未考慮單位長度電阻隨頻率的變化，以及用數(shù)值法計(jì)算單位長度電容和電感時(shí)對(duì)電纜的建模做了近似處理；

c.在建立交流感應(yīng)電機(jī)等效電路模型時(shí)，所采用的諧振單元等效方法存在一定誤差；

d.電機(jī)端阻抗特性的測試是在電機(jī)靜止工況下進(jìn)行的，并未考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下阻抗發(fā)生的相應(yīng)變化。

但從預(yù)測仿真與試驗(yàn)測試結(jié)果的整體對(duì)比看，兩者之間的誤差均在可接受的范圍內(nèi)，由此證明了所建立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型是正確有效的。

6 結(jié)束語

本文采用解析法、數(shù)值法和測量法獲取電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI預(yù)測模型參數(shù)，建立了各主要部件的高頻電路模型，構(gòu)建了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真與實(shí)測結(jié)果變化趨勢一致，證明所建立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI預(yù)測模型是正確有效的，可為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC方案設(shè)計(jì)提供理論分析手段。

1 Chen C,Xu X.Modeling the conducted EMIemission of an electric vehicle（EV）traction drive.Electromagnetic Compatibility.IEEE International Symposium on.IEEE,1998,2: 796～801.

2 Frei S,Jobava R G,Karkashadze D,et al.Calculation of low frequency EMC problems in large systems with a quasistatic approach.Electromagnetic Compatibility,International Symposium on.IEEE,2004,3:798～803.

3 Lee Y H,Nasiri A.Analysis and modeling of conductive EMI noise of power electronics converters in electric and hybrid electric vehicles.Applied Power Electronics Conference and Exposition,Twenty-Third Annual IEEE. IEEE,2008:1952～1957.

4 Tao Q,Jeff G.Characterization of IGBTModules for System EMI Simulation.IEEE International Symposium on Power Electrics Conference,NY,USA,2010:2220～2225.

5 Lei X,Frank F.Behavioral Modeling Methods for Motor Drive System EMIDesign Optimization.IEEE International Symposium on Energy Conversion Congress and Exposition, NY.USA,2010:947～954.

6肖芳,PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測的研究:[學(xué)位論文].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

7孟進(jìn),馬偉明,張磊.PWM變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的高頻模型.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28（15）:141～148.

8聞?dòng)臣t,周克生.電磁場與電磁兼容.北京:科學(xué)出版社, 2010.

9 Idir N,Weens Y,Moreau M,etal.High-frequency behavior models of AC motors.Magnetics,IEEE Transactions on, 2009,45（1）:133～138.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年8月18日。

Predictive Modeling and Test Validation of Conducted EM Iof Electric Vehicle Motor Drive System

Long Haiqing,Zheng Ling
（State Key Laboratory ofMechanical Transmission,Chongqing University）

Considering the interaction of common mode interference and differentialmode interference,we take the motor drive system of a mini electric vehicle as research object and build a predictive and analysismodel of conducted EMI of the whole motor drive system.The results of simulative prediction and measured results show the same variation trend,which indicate that the built conducted EMI prediction model is correct and valid,and the model provides a theoretical analysis tool for the EMC design ofmotor drive system.

Electric vehicle,Motor drivesystem,Conducted interference,Predictivemodeling

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾預(yù)測建模

U469.72

A

1000-3703（2014）09-0008-05

國家自然科學(xué)基金（51275541）和重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（0301002109165）資助。