電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的電磁干擾抑制研究

李喬 趙云 馬靜 姚卓民（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州 450047）

電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的電磁干擾抑制研究

李喬 趙云 馬靜 姚卓民
（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州 450047）

隨著電動(dòng)汽車的推廣使用，電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的電磁兼容問題直接影響了電動(dòng)汽車的安全性和可靠性，成為一個(gè)亟待解決的問題，備受業(yè)界關(guān)注。本文基于電磁兼容輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)要求和對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的磁場(chǎng)輻射發(fā)射檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、驗(yàn)證，提出對(duì)電機(jī)控制器電磁干擾抑制的具體措施，試驗(yàn)證明這些措施是有效的。

電機(jī)控制器 電磁干擾 干擾抑制

1　前言

近年來，在能源和環(huán)境雙重危機(jī)的壓力下，各國陸續(xù)開始了電動(dòng)汽車的研發(fā)，在有限的車內(nèi)空間里高頻率開關(guān)使用以及大量電子部件的集成都給電動(dòng)汽車帶來很多電磁兼容問題。

2　電機(jī)控制器的電磁干擾問題

2.1問題情況描述

本研究對(duì)一輛典型的國產(chǎn)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器進(jìn)行了試驗(yàn)。電機(jī)控制器的功率為12kw，控制方法為矢量控制。電機(jī)控制器主要包括功率電子系統(tǒng)和控制電子系統(tǒng)，其控制對(duì)象為永磁同步電動(dòng)機(jī)。功率電子系統(tǒng)包括PWM逆變器主電路及其驅(qū)動(dòng)模塊等；控制電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器的控制系統(tǒng)和電機(jī)控制模塊。電機(jī)控制系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)之間存在電源供電電纜和旋變測(cè)速電纜。

根據(jù)“GB/T 18387-2008 電動(dòng)車輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法，寬帶，9kHz～30MHz”輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)對(duì)選取的電機(jī)控制器進(jìn)行磁場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)（環(huán)天線），其檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，系統(tǒng)在高頻范圍向外輻射的磁場(chǎng)很大，超出限值，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1　電機(jī)電控輻射發(fā)射頻譜

2.2問題分析

電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括功率電子系統(tǒng)和控制電子系統(tǒng)，其控制對(duì)象為永磁電動(dòng)機(jī)。功率電子系統(tǒng)包括PWM逆變器主電路及其驅(qū)動(dòng)模塊等；控制電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器的控制系統(tǒng)和電機(jī)控制模塊。電機(jī)控制系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)之間存在電源供電電纜和旋變測(cè)速電纜。

結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，本課題基于電機(jī)控制系統(tǒng)差模輻射和共模輻射、逆變器環(huán)節(jié)的輻射發(fā)射，以及殼體屏蔽環(huán)節(jié)的輻射發(fā)射等方面，針對(duì)問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

2.2.1電機(jī)控制系統(tǒng)差模輻射和共模輻射

功率電子系統(tǒng)中，往往會(huì)因平行雙線而組成環(huán)路的電感（H/m）L是［1］：

在上式中：s表示平行雙線的距離；r表示線的半徑長度。［1］在電機(jī)控制器的功率電子系統(tǒng)中，開關(guān)的頻率一般在幾十kHz左右，這將產(chǎn)生很高的du/dt與di/dt，它們與電機(jī)控制器上母線的雜散電感相作用，必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾。這些騷擾信號(hào)通過共模和差模回路進(jìn)行傳播，可通過電纜向外輻射出去。

2.2.2逆變器的電磁干擾

電壓源逆變器使用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，由于電機(jī)的三相輸出電壓不是絕對(duì)對(duì)稱，造成電機(jī)中點(diǎn)的電壓值實(shí)際上很難是零值，于是就產(chǎn)生了共模電壓。同時(shí)，PWM脈沖有很高的du/dt，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。

2.2.3殼體的電磁干擾

電機(jī)控制器的殼體屏蔽性差也會(huì)引起電磁干擾問題，這時(shí)因?yàn)闅んw的屏蔽性差，殼體內(nèi)部控制電路的電磁信號(hào)就可以通過“場(chǎng)”的形式傳播出去，而殼體外部的各種電磁干擾噪聲也可以進(jìn)入到控制電路中來影響控制電路。

3　電機(jī)控制器的電磁干擾抑制措施

表1　電機(jī)電控系統(tǒng)用電纜類型

3.1線束的輻射信號(hào)處理

引起電機(jī)控制器電磁干擾問題的原因有很多，其中最重要的就是電纜，因?yàn)殡娎|可以作為天線，將周圍的電磁信號(hào)發(fā)射出去。同時(shí)，由于電動(dòng)汽車上可供安裝設(shè)備的空間十分有限，無法使安裝的電纜均保持安全的距離。本文將電機(jī)控制器系統(tǒng)使用的電纜分為2類，如表1所示。

線束布線規(guī)則：

（1）為達(dá)到充分的退耦，電機(jī)控制器與電機(jī)之間的動(dòng)力線和CAN總線、信號(hào)線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離，保持的最小間距為0.3m；

（2）I類電纜與S類電纜可以垂直交叉，這時(shí)，不需要考慮電纜距離問題；

（3）I類電纜采用帶屏蔽層的電纜，供電線和回線之間的距離盡量靠近；

（4）CAN總線信號(hào)電纜采用帶屏蔽層雙絞線方式，盡量絞緊，且貼近底盤布線，以減少回路面積，防止低頻段的輻射干擾，高頻段加瓷珠解決；

（5）其它信號(hào)線采用帶屏蔽層的電纜，電纜的屏蔽層采取單端接地的方式，且貼近底盤布線。

3.2逆變器環(huán)節(jié)的抑制措施

本研究檢測(cè)的電機(jī)控制器系統(tǒng)使用的電壓源逆變器，采用空間矢量脈寬調(diào)制方法。由于電機(jī)的三相輸出電壓不是絕對(duì)對(duì)稱的，這就造成電機(jī)中點(diǎn)的電壓值實(shí)際上很難是零值，于是就產(chǎn)生了共模電壓。同時(shí)，PWM脈沖控制開關(guān)管通斷，會(huì)產(chǎn)生很高的du/dt，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。

因此，在電動(dòng)汽車中，電機(jī)控制器與電機(jī)應(yīng)盡可能得靠近，使其連接電纜盡可能得短以減少共模電流的環(huán)路面積，同時(shí)，連接電纜應(yīng)貼近底盤同時(shí)帶有屏蔽層，其屏蔽層分別與電機(jī)控制器、電機(jī)360度搭接，這樣使得電纜屏蔽層與電機(jī)控制器和電機(jī)共同構(gòu)成一個(gè)完整的屏蔽體，從而減少共模輻射［2］。

3.3殼體屏蔽

電磁輻射以“場(chǎng)”的形式沿空間傳播，因此通過殼體的屏蔽作用切斷輻射騷擾的傳播，是行之有效的抑制電磁輻射的方法。而殼體的屏蔽作用取決于殼體的導(dǎo)電連續(xù)性，殼體的導(dǎo)電連續(xù)性越好，耦合到被屏蔽電路的電磁場(chǎng)通過反射損耗和吸收損耗衰減得就越多。殼體總的屏蔽效能等于通過殼體的電磁場(chǎng)的反射損耗與吸收損耗之和。

從電力電子技術(shù)的角度看，電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器系統(tǒng)就是逆變器和變速電機(jī)控制器的組合。這類設(shè)備能夠產(chǎn)生大量的射頻噪聲。本試驗(yàn)的電機(jī)控制器的殼體是鋁制的，其電磁屏蔽性首先應(yīng)注意殼體上各電纜的開口和殼體的縫隙。因此，控制器的殼體與電纜之間使用金屬連接器，電纜均為屏蔽電纜，且保證電纜與連接器之間360度搭接，以抑制電磁信號(hào)的輻射發(fā)射；殼體螺釘間距要短，同時(shí)，加入實(shí)心導(dǎo)電橡膠條作為密封襯墊；用導(dǎo)電布將鋁制殼體的縫隙粘接起來，以減小縫隙引起的電磁干擾［3］。

另外，我們將電機(jī)控制器的功率模塊和控制電路分別用鋁板隔離，同時(shí)，將鋁制殼體可靠接地，使電機(jī)控制器的屏蔽性進(jìn)一步加強(qiáng)，既確保逆變器周圍的電磁能量不進(jìn)入控制電路影響設(shè)備功能，又使控制電路或功率模塊中產(chǎn)生的電磁能量不擴(kuò)散出去。

4　結(jié)語

本文根據(jù)電機(jī)控制器的磁場(chǎng)輻射發(fā)射檢測(cè)結(jié)果分析了其存在的電磁干擾問題，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，提出了有效的抑制方法，滿足了純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的可靠性和安全性。

［1］沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［2］ Mutoh N.，Nakashima J.，Kanesaki M.. Multilayer Power Printed Structures Suitable for Controlling EMI Noises Generated in Power Converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2003.50（6）：1085-1094.

［3］斐春松.純電動(dòng)汽車電磁兼容分析與電磁干擾抑制［J］.汽車電器，2011.10：59-63.

李喬（1981—），女，彝族，貴州大方人，碩士研究生，工程師，研究方向：電磁兼容。