淺談新能源汽車電機驅動電磁干擾產生機理

樊貴全

中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶市 401122

1 前言

為應對日益嚴峻的石油危機以及環境問題，大力發展新能源電動車已經成為國家的大戰略方針。近些年在國家政策的扶持下，國內電動汽車產業得到了快速發展，我國也成為了新能源汽車制造大國。相對傳統燃油車，電動汽車具有環保節能等諸多優點，尤其是近年來國內油價屢破新高使得燃油汽車的使用成本居高不下，此時電動汽車的優勢就更加明顯了，據相關權威機構研究法發現，電動汽車的使用成本相對燃油汽車一年將要減少8000～10000 元之間。相對于傳統燃油車電動車具有結構簡單，維護成本低廉，節能環保等諸多優勢，但是電動汽車裝備了大量的車載大功率電子裝置，這使得電動車在工作時容易產生強烈的電磁干擾現象(Electromagnetic Interference，EMI)，因 此電動汽車也面臨著極為嚴重的電磁兼容問題(Electromagnetic Compatibility，EMC)，如何解決電動汽車的電磁兼容問題也是電動汽車制造商面臨的關鍵難題。并且隨著汽車工業的發展電動車的物聯網應用也越來越普及，相對傳統燃油車電動汽車由于搭載了越來越多的終端電子設備，同時由于車身結構設計緊湊性要求，使得電子設備的布置也越來越集中，加上最近幾年來車聯網的興盛越來越高端的車載通信設備河導航設備也越來越普及了，使得汽車配置了大量電子設備，且電子設備的工作頻率從幾赫茲到幾兆赫茲，產生極為復雜的電磁干擾環境，給汽車電子元件工作帶來極大的安全隱患。因此如何高效解決汽車電磁兼容問題已經迫在眉睫[1-5]。

為了對電動車電磁兼容進行規范化，國際相關機構制定了相關的法規進行明確的技術要求，其中GB/T4365-2003《電磁兼容術語》對電磁兼容進行了詳細的定義：“設備以及相關系統在其電磁環境中具備維持正常工作能力，同時對環境中的任何事物都不能造成不可承受的電磁干擾[6-8]”。針對汽車領域來說電磁兼容主要是指汽車的各個電子零部件或者獨立的電子工作單元在汽車穩定運行期間不能夠到相關的電磁干擾從而影響其工作的穩定性。由于電動汽車電子元器件裝配緊湊，大量的電子器件安裝在狹小的機艙內部，眾多電子元器件勢必會產生復雜的電磁干擾，輕者影響部分電子元件的穩定工作，重者會導致部分關鍵電子元件喪失工作能力從而造成嚴重的安全事故。

從國內汽車電子兼容技術領域的發展來看，我國的技術研究起步先對國外要晚了很多，并且技術也相對落后很多，很多技術領域都是處于追蹤學習階段，沒有形成完整的系統系技術研究，加上國內汽車制造商對汽車電磁干擾的關注程度也不夠重視因此對汽車電磁干擾技術領域的研發投入也較少，導致國內汽車電磁干擾技術一直處于停滯狀態。近年隨著我國汽車工業的快速發展，尤其是國家對新能源汽車的政策性傾斜，使得我國的新能源汽車領域得到了前所未有的發展。我國生產的新能源汽車不僅質量得到大幅提高價格也具備十足的優勢，因此我國的對外汽車貿易也得到飛速發展。受益于汽車對外貿易的發展，國內對汽車電磁干擾的關注也越來越關注，因此有實力的汽車制造商也紛紛建立起了高水平的電磁兼容實驗室。其中比較知名的汽車電磁兼容實驗室有，中國汽車工程研究院股份有限公司的EMC 電磁兼容實驗室，中國汽車技術研究中心電磁兼容實驗室，一汽集團電磁兼容實驗室等。這些電磁兼容實驗室能夠滿足國內汽車制造商的絕大部分的電磁兼容技術開發要求，所具備的實驗能力也能滿足國內法國多電磁兼容的開發要求，但是上不滿足歐美發達國家對汽車電磁兼容的更高要求。除了上述汽車制造企業，國內一些汽車強校也紛紛對汽車電磁兼容進行了相關研究，例如吉林大學[9-10]有部分教師也專注于汽車電磁干擾的研究，并且他們主要是重點研究了電動汽車上的供電系統和用電元器件的電磁干擾的產生機理和如何有效的進行防治。

因此面對電動汽車內部復雜的電磁干擾環境，如何去有效避免電磁干擾產生負面影響，進行有效的防治是當前國內外專家學者面臨的重大課題。

2 電驅動系統電磁干擾研究

2.1 電驅系統結構

電動汽車的動力系統與傳統汽車完全不同，電動汽車主要采用高壓電機驅動系統作為車輛的主要動力來源。其動力系統詳細如圖1 所示。

從圖1 可知，該系統主要包括了動力電池包、電動驅動系統，高壓轉換系統等三電控制系統。動力電池包的額定電壓高達144伏特，電機的最大輸出功率高達18000 瓦特，汽車全負荷穩定工作期間變換器穩定工作期間 IGBT 兩端的最高實際電壓可達150 伏特。驅動系統中的高功率元器件的dv dt/和di/dt 開關特性、以及電機的轉速和扭矩的變化都會產生很高的電壓和十分大的頻率帶的電磁干擾。這將嚴重干擾汽車的相關安全駕駛系統和智能駕駛系統的正常工作，甚至導致安全事故。

圖1 電機驅動系統結構圖

3 幾種常見的電磁干擾

本文主要研究對象為一款純電動汽車的電機驅動系統，其高壓驅動系統為動力電池包，動力電池的工作電壓是320V。本文主要基于該電動車電驅動系統進行（GB18655）測試，分別研究了DC/AC 工作期間電磁干擾的產生機理，動力電池正極電源線傳導騷擾測試，DC/AC 控制器負極電源線傳導騷擾測試，電場強度水平方向測試，電場強度垂直方向測試。以對電磁干擾產生的機理進行比較全面細致的研究。

3.1 DC/AC 工作期間電磁干擾的產生機理

圖2 為制動狀態下的DC/AC 中IGBT的零端電壓，從圖中制動狀態下電壓的變化最高可達150V。圖3 為啟動狀態下DC/AC電源線上的電流，從圖中可知可知在啟動狀態下，電源線上的電流變化量可高達60A。

圖2 制動狀態下 DC/AC 中 IGBT 兩端電壓

圖3 啟動狀態下 DC/AC 電源線上的電流

整體上分析電機驅動系具有高電壓變化率、大電流變化率等特性，容易產生強磁場，使其影響周圍其他電氣系統的正常工作。

3.2 動力電池正極電源線傳導騷擾測試

圖4 為動力電磁電源線上的傳導騷擾按照法規標準（GB18655）測試結果。從圖可知該在大多數的電磁波頻段范圍內該車的車載電驅動系統的高壓驅動系統的電源線傳導騷擾的最大值和平均值都遠遠超過了法規規定的最大值，這將潛藏極大的安全隱患，因此是不滿足要求的。

圖4 動力電池正極電源線傳導騷擾測試結果

3.3 DC/AC 控制器負極電源線傳導騷擾測試

圖5 為DC/AC 控制器12V 電源線上的傳導騷擾標準測試結果，結果顯示其平均值在某些頻段超標，其中圖中紅色點和黑色點為重點超標頻點。

圖5 DC/AC 控制器負極電源線傳導騷擾測試結果

3.4 電場強度水平方向測試

圖6 為電場強度水平方向測試，從圖中可知電機驅動系統受到了超標準的電磁輻射影響，嚴重影響電機驅動性能。

圖6 電場強度水平方向測試

3.5 電場強度垂直方向測試

圖7 為電場強度垂直方向測試，從圖中可知電機驅動系統受到了超標準的電磁輻射影響，嚴重影響電機驅動性能。

圖7 電磁強度垂直方向測試結果

4 結論

1）電機驅動系統正常工作期間IGBT 高頻率的開關會產生高強度的電磁脈沖，是電機驅動系統的主要電磁干擾源之一。

2）電機驅動系統的電源線也是電磁干擾源的主要來源之一。

3）電機驅動系統工作中產生的高強度的電磁波干擾，也是電動汽車重要的電磁干擾源之一。