新能源汽車電驅動系統EMC問題的改進及展望

王庚午

摘要：新能源汽車是大電流、大電壓、大功率的電力電子裝置系統，其所產生的電磁干擾相比于傳統的車輛要強很多。這樣大功率的裝置系統在實際的車輛運行階段會產生較為嚴重的電磁干擾，最終使得車輛運行不穩或是對車輛附近的電氣設備使用帶來一定影響。但是現今，還沒有針對這樣驅動系統而研制的EMC標準。基于此，文章對新能源汽車電驅動系統EMC問題進行了研究與展望。

關鍵詞：新能源汽車;電驅動系統;EMC問題;改進措施;展望

1 電磁兼容測試在新能源汽車中的必要性

電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，簡稱EMC）。指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。

EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值，即所謂的電磁干擾（ElectromagneticInterference，簡稱EMI）。

另一方面是指設備對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即所謂的電磁抗干擾（ElectroMagneticSusceptibility，簡稱EMS）。

與傳統汽車相比，新能源汽車EMC問題更加突出。新能源汽車動力直接使用電驅動系統，高壓附件的使用會使電磁干擾問題的更為嚴重。動力系統由于電流在極短時間內的跳動以及大功率半導體開關的快速移動會發出強烈的輻射以及電磁干擾。

加上電子電氣部件都占據著極大的比重，其中的電磁兼容性問題又與整車的安全密切相關。汽車內各種控制器，DCDC.DCAC都是強干擾源，而且線束又多又長，輻射干擾很嚴重。隨著CISPR25-2016的發布，高壓系統的EMC要求越來越嚴，EMC測試已成為汽車廠商所要面對的最嚴峻的挑戰之一。為了減小電磁干擾，我們就必須要加強電磁兼容性測試。

2 EMC的分析原理

傳統EMC設計中一般遵循：產品設計--樣品生產--EMC測試--測試不通過--整改--更改設計--樣品生產--測試通過。

EMC仿真是基于軟件分析的一種正向電磁兼容設計方法，包括3D仿真，PCB仿真和系統及電路仿真。電磁場的分析方法有解析法和數值法。EMC仿真軟件都是基于數值法。

3 新能源汽車電驅動系統的主要電磁干擾問題

電機控制逆變器系統中，電機繞組的分布電容和逆變器功率半導體器件對散熱器的分布電容形成共模干擾路徑，分別在電機和散熱器上生成了共模電流，該共模電流會通過車體參考地流向電機逆變器的直流電源輸入端口。逆變器功率半導體器件的寄生參數和動力線纜束間的互感形成差模干擾路徑，差模干擾電流也流向電機逆變器的直流電源輸入端口。因此，逆變器功率半導體器件產生的干擾不僅會影響直流高壓母線上的其他敏感設備（例如DC-DC等），還會進一步引起系統輻射發射問題。電驅動系統的高壓線束還可通過感性耦合和容性耦合干擾低壓電源線、控制線和信號線（例如CAN總線）連接的低壓敏感設備。而由高、低壓線纜束上的共模干擾電流形成的遠場輻射，以及電機控制器線纜的插接頭和機殼的縫隙產生的電磁泄漏，均可能對車內外的敏感設備造成影響。

4 電驅動系統的電磁干擾抑制技術

在減小干擾源方面，可采用功率半導體開關結構集成優化設計的方法，減小功率控制回路的振鈴和諧振，抑制干擾源的形成。另外，可以采用PWM控制策略優化方法和軟開關控制方法，減小功率開關PWM信號的諧波和高頻電磁噪聲。在抑制傳導干擾方面，通常在功率變換控制器直流端口和交流端口安裝濾波裝置。常用的濾波抑制技術包括有源濾波器和無源濾波器。目前，研發工程師通常在產品驗證階段根據工程經驗和EMC電磁發射測量結果，采用傳統方法設計濾波裝置，實現對系統及整車的EMC整改，這會使產品設計成本增加、周期延長;無源濾波器的體積較大，除增加系統的重量，還可能引發新的諧振;另外，對于低壓敏感設備，需要再安裝濾波器抑制電磁干擾。在抑制輻射干擾方面，對于電磁場強度較大區域的設備和線纜束采取屏蔽和接地措施;敏感設備電磁防護采用屏蔽、濾波、互感耦合電磁干擾對消方法、拓撲優化等手段。然而，傳統的濾波和屏蔽技術通常不能適應車內空間狹窄、高低溫、振動沖擊等環境特點和行駛工況多變的要求，對車輛行駛工況動態負載下的高功率電磁干擾不能進行有效抑制。

5 新能源汽車電驅動系統EMC的發展趨勢

綜合以上文獻可見，關于新能源汽車驅動系統EMC問題的研究目前還主要集中在以下很小的范圍內：

1）系統電磁干擾機理分析和干擾抑制方法的研究。

對于EMC檢測方法和標準的研究少之甚少。傳統的電磁兼容標準檢測方法不能夠適用于大功率、大電流的驅動系統的EMC檢測，例如選擇什么參數的人工電源網絡;如何實現電機和負載（測功機）的有效電磁隔離;如何找出系統中最大干擾源所在;系統測試中電源如何供給;如何更換電機;像Echamber這種暗室成本都非常昂貴，如何降低暗室成本等這些都是必須要深入研究的。

2）DC/AC逆變器或DC/DC變換器的EMC問題研究。

其中還是以DC/AC逆變器的EMC問題研究為主，只有少數幾篇文獻對整個驅動系統進行了研究。雖然逆變器或變換器的快速開關動作是整個系統的主要電磁干擾源所在，但是對于電池、電機、電纜等其他設備所帶來電磁干擾同樣不容忽視，所以對于整個系統的電磁兼容性研究是不可避免的。

3）共模電流的傳導發射研究。

雖然共模電流帶來的電磁干擾會遠遠大于差模電流，但是對于大功率、大電流的驅動系統來說，差模電流帶來的電磁干擾同樣不能忽視，所以非常有必要對差模電流進行研究。基于實驗條件限制的原因，目前主要的研究還是集中在低頻的傳導發射研究，對于高頻的輻射發射研究還相對較少。

4）濾波器的設計。

對于電磁干擾抑制方法的研究，目前大多數都集中在濾波器的設計上，尚缺乏更多有效的電磁干擾抑制措施。

本人認為關于此問題后期的研究趨勢除了對上述幾個重點問題進行深入研究之外，可以將研究重心偏向上面提到的一些橫向問題研究上。

6結語

新能源汽車驅動系統本身的電磁環境相當復雜，再加上系統在不同場合下會表現出不同的場源和邊界條件，各種分布參數也會不盡相同，這給整個系統的電磁兼容性研究和測試帶來很大的挑戰。但前面的文獻研究具有很好的參考價值，為后期的研究指明了方向，同樣還有很多空白需要后期的研究去填補。

參考文獻：

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（作者單位：蜂巢傳動科技河北有限公司）