電動工業車輛電驅系統電磁干擾形成機理及整改技術研究

劉栟瑋 李可心

摘要：電動工業車輛電驅系統是工業車輛驅動系統的重要組成部分，電磁兼容性對保證工業車輛內部電氣設備的正常運行具有重要影響。本文在深入研究電動工業車輛電驅系統內部電磁干擾（EMI）形成特性機理的基礎上，對電動工業車輛電驅系統的內部電磁干擾形成特性進行分析并結合測試案例給出整改建議。對關于工業車輛電驅系統的電磁兼容性（EMC）的相關研究成果具有特定的參考研究意義。

關鍵詞：電驅系統;電磁干擾;電磁兼容性

一、引言

近年來電動工業車輛快速發展，車載電器部件要滿足相應 EMC 技術要求，就應了解其內部關鍵干擾源的產生機理，并做相應的測試及優化工作。由于整車電驅系統為各電器部件及連接線纜的集成體，設備之間的相互影響加劇了電磁環境的復雜性，內部電磁環境越來越惡劣會給整車造成各種不可控的干擾因素，信號傳輸異常、電子部件失效率增加、部件壽命問題等等都會受到不同程度的影響。

二、干擾形成機理

電動工業車輛的能量來源主要有鉛酸電池或者鋰電池，通過 IGBT 等功率轉換器件向電機輸出電能并將電能轉化為機械能從而實現行走、起升和轉向的動 作。電驅動系統主要由電機控制器、電機及三相動力電纜三部分組成，電驅動系統作為電動工業車輛關鍵動力部件，通過 CAN 信號與整車進行信號傳輸，電機控制器通過采集電機電流、速度等信號，并綜合整車系統狀態及整車控制指令，將來自整車的直流系統電逆變成交流電并驅動電機工作。

由于電動工業車輛特殊的使用工況，在正常使用時會頻繁的進行啟停、起升和轉向操作，因此電機電樞繞組電流會出現突然中斷的現象，當電機電樞繞組電流突然被切斷時，由于電機定子勵磁的原因會使得轉子電樞繞組產生與原電動勢相同方向的感應電勢，而這同方向的感應電勢會產生更高能量的瞬態過電壓。這種瞬態過電壓會通過傳輸線以傳導的方式向整車其他控制電路或 CAN 總線進行傳播，從而干擾模擬信號及數字信號的正常傳輸，最終導致整車電氣系統誤動作或報故障代碼。此過程為典型的拋負載現象。

電動工業車輛的電機控制器產生的干擾同樣不容忽視。控制器通常以 PWM（脈寬調制）信號對電機進行控制，其控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。并按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率，從而實現對電機的控制，基于這一控制方式，其 IGBT 開關頻率可高達 4kHz 至 8kHz，在不同的開關頻率下，電機控制器內部就會產生很高的 du/dt，由于電動工業車輛的大電流驅動方式，于是在逆變器與電機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，直接造成控制器內部低壓電路信號失真影響控制器對整車的控制;另外，電機控制器輸出的干擾信號也會通過傳輸線以傳導的方式與低壓線進行容性耦合及感性耦合從而影響電機驅動系統的正常運行。

電動工業車輛的主要電氣設備/控制系統和其他車輛設備是否能兼容正常工作運行，重要的問題是所需要通過的 EMC 相關法規。因此，研究電動工業車輛電驅系統電磁兼容控制技術和驅動測試及整改技術，對提高車輛整車的驅動電磁兼容控制性能等就具有十分重要的現實意義[2]。

三、測試及整改

a）干擾來源：電機控制器。

產生機理：控制器內部的逆變單元工作時會產生較高的開關頻率噪聲。

傳輸路徑：沿著動力線和電源回路向外傳輸，低頻段以傳導方式傳輸，高頻段以空間輻射方式傳輸。

干擾波特征：干擾頻率主要集中在 30MHz-50MHz 之間，以寬帶信號干擾為主，能量較大。

整改方式：在控制器三相電纜輸出端套鎳新材料磁環或給三相電纜套屏蔽絲，控制器內部采用低噪聲 mos 管，輸出端完善濾波電路。

b）干擾來源：直流電機。

產生機理：工業車輛上像直流驅動電機或各類風扇在運行時，電刷和換向器之間會產生電弧火花，由此會引起強烈的電磁干擾。

傳輸路徑：沿著電源線以傳導的方式進入電路或以輻射的方式發射出去。

干擾波特征：干擾頻率為 30MHz-1GHz 全頻段，以窄帶脈沖信號干擾為主，此類全頻段干擾危害性較大，易干擾到廣播信號及手機信號。

整改方式：電機內部應增加濾波電容來抑制干擾，電刷接觸面研磨光滑和調整電刷位置來進行改善，在電機電源線上套鎳新材料磁環。

c）典型拋負載案例

整車在運行過程中由于開關的切換，負載的通斷瞬間會出現瞬時高電壓的沖擊，這類電壓沖擊破壞性比較大，輕者影響控制信號輸出，重者直接燒毀電子元件，以下是某倉儲類電動搬運工業車輛上因大電壓沖擊燒毀風扇的案例分享：

某搬運車在起升停止瞬間，系統電壓會出現負電壓沖擊，沖擊電壓高達150V 左右，這么大的沖擊電壓使得整車上的散熱風扇當場燒毀。分析電壓沖擊的來源是由于起升電機在停止瞬間，由于感性負載斷電時會出現反向電壓的影響所致，起升電流越大反向沖擊電壓就會越大。因此要想避免這種電壓沖擊的影響，需要在系統電路上加上用于吸收高電壓沖擊的元器件用于濾除這種大電壓沖擊對其它電氣部件造成的影響。通常這種濾波元件選擇大容量濾波電容并在正負極上即可。

四、結束語

電動工業車輛電驅動系統電磁干擾的抑制是一個系統性工程，若要使得整車內部電驅系統達到一個互相兼容的水平，需要在產品設計初期即針對控制板、驅動板、電源板、IGBT 等關鍵零部件進行電磁兼容仿真并不斷針對電路板走線布局、機械結構布局、高低壓線束走線布局等進行改進，而不是待產品定型后再加裝相關濾波器等屏蔽措施進行“圍堵”，這種被動整改措施不僅增加了物料成本、電路板及機械結構變更成本及人力成本，并且最終的屏蔽效果在某些頻段也不一定有較大幅度的改善。

參考文獻：

[1]侯群 張龍 彭馨 周一帆.汽車用直流電機的電磁干擾測試及抑制技術研究[J].江漢大學學報：自然科學版，2015：436.

[2]姜旭.電動汽車電機技術及其發展研究[J].財訊，2016：72.

[3]斐春松.純電動汽車電磁兼容分析與電磁干擾抑制[J].汽車電器，2015.10：59-63