新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)共模電壓干擾優(yōu)化方案研究

于東海，張喜州，潘昊軒，曾慶強

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011）

目前永磁同步電機普遍應(yīng)用于電動汽車中，為永磁同步電機調(diào)制波形的逆變器普遍采用SVPWM算法，該算法優(yōu)點是電壓利用率高，但是該調(diào)制算法在逆變器中產(chǎn)生共模電壓，該電壓通過交流三相線或者直流母線傳遞到電機和電池等其他零部件中。共模電壓傳遞到電機將引起軸電流和軸電壓問題，軸電流過大將使電機軸承損壞，軸電壓則會通過寄生電容傳遞到外部空間中，造成電磁干擾。共模電壓經(jīng)直流母線耦合到電池中，將影響電池內(nèi)部控制器工作以及電壓診斷。

為了抑制電機控制器輸出的共模電壓，減少軸電流軸電壓以及電驅(qū)動系統(tǒng)EMI帶來的危害，本文從理論上分析了共模電壓的產(chǎn)生以及傳播途徑，并介紹了幾種方案來解決共模電壓造成的危害。

1 共模電壓產(chǎn)生原因

三相共模電壓計算公式為：

式中：Vao，Vbo，Vco——三相相電壓；Vcm——三相共模電壓。電機三相電由電機控制器三相共計六橋開關(guān)器件調(diào)試得來，電氣拓?fù)淙鐖D1所示。

電機控制器內(nèi)部開關(guān)器件上、下橋臂無法同時關(guān)斷或?qū)ǎ瑒t計算兩相關(guān)斷或者兩相導(dǎo)通對應(yīng)的共模電壓為±Vdc/6，三相同時導(dǎo)通或關(guān)斷產(chǎn)生的共模電壓為±Vdc/2。調(diào)制過程中共模電壓一直存在，且共模電壓隨電池電壓以及載波頻率增加而增加，在當(dāng)前市場電動汽車調(diào)制載波頻率普遍大于10kHz，母線電壓普遍大于300V，高電壓平臺的電動車甚至能夠達(dá)到上千伏特，造成的影響不可忽略［1］。

圖1 電驅(qū)系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D

2 共模電壓傳遞路徑

電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)中電機控制器內(nèi)部電路與殼體之間存在較大寄生電容，而殼體與搭鐵相連，當(dāng)調(diào)制過程中共模電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生的du/dt將對寄生電容充電和放電，形成較大的EMI電流，分析寄生電容的充放電路徑將對于切斷電驅(qū)系統(tǒng)中EMI傳遞路徑有重要作用。

共模電壓有4個通路傳遞［2］，如圖2所示。

路徑1：電機控制器→電機定子→電機與殼體等效電容→系統(tǒng)搭鐵→電機控制器。

路徑2：電機控制器→開關(guān)器件與散熱板等效電容→系統(tǒng)搭鐵→電機控制器。

路徑3：電機控制器→開關(guān)器件上橋臂對正極直流母線寄生電容→電池側(cè)網(wǎng)絡(luò)以及Y+電容→系統(tǒng)搭鐵→電機控制器。

圖2 共模電壓簡化傳遞路徑

路徑4：電機控制器→開關(guān)器件下橋臂對負(fù)極直流母線寄生電容→電池側(cè)網(wǎng)絡(luò)以及Y-電容→系統(tǒng)搭鐵→電機控制器。

3 解決方案

根據(jù)研究，降低載波頻率和母線電壓可以降低共模電壓的強度，但是該方案將直接影響到電動汽車的整車性能表現(xiàn)，所以目前采取方案主要為抑制共模電壓的傳遞、切斷傳遞路徑以及提供其他電氣通路將共模電壓直接傳導(dǎo)到系統(tǒng)搭鐵，具體方案如下。

3.1 電機軸搭鐵以及軸體絕緣處理

該方案在圖2路徑1中通過導(dǎo)體將軸與外殼（系統(tǒng)搭鐵）相連，并采用絕緣軸承。搭鐵方案普遍通過集電環(huán)將系統(tǒng)搭鐵與軸體端部相接，軸體電壓通過集電環(huán)搭鐵，但是設(shè)計時需要充分考慮集電環(huán)的機械壽命。集電環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

軸承絕緣處理主要方式是采用陶瓷等絕緣材料制成軸承。陶瓷材料軸承具有抗高溫、強度高等優(yōu)勢，但是由于其加工工藝難度大，導(dǎo)致目前成本較高。

圖3 集電環(huán)結(jié)構(gòu)

3.2 增加直流母線共模電感

如圖2路徑3和路徑4所示，由電機控制器產(chǎn)生的共模電壓會通過開關(guān)器件上、下橋臂寄生電容流入到直流母線正、負(fù)極，二者將通過Y電容流向系統(tǒng)搭鐵。增加直流共模電感將對路徑3和路徑4中的共模電流起到抑制作用，減少系統(tǒng)整體的共模干擾。

3.3 增加三相共模磁環(huán)

如圖2路徑1所示，在三相線上增加共模磁環(huán)，將直接抑制電機側(cè)三相電中的共模電壓，有效降低接入電機的共模電壓分量，需要在采用方案之前確定當(dāng)前系統(tǒng)中需要抑制的共模電壓的階數(shù)和頻率，根據(jù)頻率來選擇不同材料的磁環(huán)。目前鐵氧體材料價格較為低廉，應(yīng)用廣泛。但針對10MHz以上頻率的共模電壓，推薦采用納米晶材料磁環(huán)，該材料比鐵氧體材料磁導(dǎo)率高，損耗低，對高頻共模電流抑制十分出色。加裝納米晶共模磁環(huán)試驗結(jié)果，共模EMI 平均降低了40%，如圖4所示。

圖4 增加納米晶磁環(huán)前后EMI發(fā)射量對比

4 總結(jié)

研究表明，通過分析電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的共模干擾產(chǎn)生來源以及傳遞路徑，有助于提出解決由于共模電壓引起電機的軸電流問題以及電驅(qū)系統(tǒng)EMI問題。本文提出了可以組合使用的幾種方案，可以得到更好的優(yōu)化效果。