電動汽車電驅系統電磁兼容性能優化研究

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）04-097-11

引用格式：，等.電動汽車電驅系統電磁兼容性能優化研究[J].重慶大學學報，2025，48（4）：97-107.

Electromagnetic compatibility performance optimization of E-axle drive

HU Kai'， JIANG Libiao2， SHANG Zhuangzhuang'，HE Guoxin' （1.GAC AION New Energy Automobile Co.Ltd.， Guangzhou 51l430， P.R.China； 2. School of Mechanicalamp; Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou ， P. R. China.）

Abstract： With the increasing adoption of electric vehicles， the electro magnetic compatibility（EMC） issues caused by high-frequency switching of power devices have become increasingly important.This paper analyzes the noise interference transmission path mechanism and establishes a conduction interference simulation model for the motor drive system.Closed-loop control is implemented based on the real vehicle control strategy using space vector pulse width modulation（SVPWM）. An experimental test platform for conduction and radiation interference is constructed within an electromagnetic shielding chamber. By optimizing filtering， shielding， grounding， and loop design， the electromagnetic compatibility performance of the electric drive system is substantially improved. The results indicate that the optimized system exhibits significant enhancements in radiation emisson，conduction current， and conduction voltage performance.This research provides robust data support for improving the electromagnetic compatibility performance of electric drives and offers valuable guidance for practical applications.

Keywords：electric E-axle drive； electromagnetic compatibility（EMC）； electromagnetic interference（EMI）； noise coupling； radiated emissions

近年來，電動汽車作為新能源汽車的代表，在全球范圍內得到了廣泛的關注和發展。其零排放、高能效等優勢促進可持續交通和環境保護。然而，隨著電動汽車的不斷普及和推廣，面臨的挑戰也逐漸顯現出來。

電機驅動系統主要包括：逆變器、高壓線束、驅動電機、三相母排和差減等部分。電動汽車電機驅動系統的運行電壓等級較高，且系統回路中的開關電子器件工作頻率也較高，導致逆變器中（insulated gate bipolattransistion，IGBT）在高速開斷過程中產生很高的 du/dt，di/dt 以及高次諧波。針對電驅系統電磁干擾問題，國內外學者進行了大量研究，李彪等闡述了IGBT快速開關對電驅傳導及輻射影響機理，提出構建電驅傳導模型的可行方案。歐陽杰等通過實驗發現了逆變系統運行過程中產生較大的脈沖電流通過線纜進入系統回路中，對系統造成嚴重的傳導干擾問題。Zhong，竇汝振，王朝暉等同時將1個輔助開關和3個諧振電感加入到實驗系統，測試了 100kW 的三相逆變器干擾特性，證實了軟開關技術在減小系統電磁干擾中的可行性。DONG等在傳統汽車中使用了新型的驅動系統，并實驗研究了電磁干擾問題對傳統汽車的影響。陳斌，付國良等驗證了瞬態變化對系統產生嚴重的電磁干擾問題。

研究旨在綜合研究電動汽車電驅系統的EMC（electro magnetic compatibility）性能及優化方法，以進一步提升行駛車輛和駕乘人員的安全性，減少電子設備的電磁干擾，為電動汽車電驅系統的EMC性能提升提供新的支撐和實踐參考，同時為電動汽車的安全和穩定運行作出貢獻。

1電磁兼容性能影響因素分析

電驅總成主要由逆變器、電機、電源電路、控制驅動電路、功率模塊和輸入-輸出高壓線束組成。電機工作所需要的三相交流電是由動力電池輸出的電流經逆變器轉化而成。逆變器由6個IGBT功率開關管組成，開關狀態是通過控制驅動電路中的驅動信號輸出來控制的，功率器件的快速開關是產生電磁干擾的主要噪聲源。大多數電動汽車中使用電機的類型均為三相永磁同步電動機，電磁兼容性能受多種因素影響，包括：電磁輻射、電磁干擾、天線耦合、接地和回路設計、設備的物理結構和布局等。這些因素直接關系到電驅對周圍設備的干擾程度和在電磁環境中的穩定運行，因此，設計和優化過程需要對這些因素進行深入分析和評估。

1.1傳導干擾分析

電驅系統主要干擾源來自IGBT功率開關器件及續流二極管快速通斷產生的電壓變化du/dt和電流變化di/dt。電壓的快速變化會對電容不斷進行充放電，噪聲電流就此產生；電流的快速變化，在銅排等有雜散電感的路徑上傳遞時產生干擾電壓，要想抑制電驅系統對外的電磁干擾，需要對這2類干擾進行抑制。

1.2 共模干擾產生分析機理

電驅系統在開關瞬間，IGBT模塊橋臂上下交錯導通，會發生點電位的跳躍，開關瞬間巨大的能量會對寄生電容充電或放電，產生共模電流，共模電流大小如下所示

式中： 為每個橋臂共模電流； $C_{＼mathfrak{p}}$ 為IGBT與散熱片之間寄生電容； 為直流側電壓； 為IGBT開通與關斷時間。

圖1為共模噪聲耦合路徑，IGBT在開關過程中，瞬間的電壓跳變和系統內部的寄生電容相互作用產生，這些電容有：線束對地、銅排對地、IGBT散熱器對地，電機繞組對地產生的寄生電容 c ，電壓的跳變作用于系統寄生電容，產生較大的放電電流，形成共模電流，共模噪聲是電驅系統甚至整車輻射干擾的主要來源。圖2為差模噪聲耦合路徑，由IGBT在開關過程中產生的di/dt與系統的雜散電感相互作用形成，電機控制器的雜感主要由IGBT的引腳、電控內部銅排、外部線纜以及電機繞組電感組成，回路上流通的差模電流經線纜對外形成輻射干擾。

研究以某整車廠開發的多合一電驅總成（如圖3所示）為研究對象進行分析，基于矢量擬合算法，構建電機高頻等效電路模型，通過阻抗分析儀測試，構建IGBT高頻等效電路模型，通過電磁仿真工具提取銅排雜散參數，最終建立電驅系統電磁兼容的等效電路模型。通過仿真分析了電驅電磁干擾噪聲傳遞以及耦合路徑，在噪聲傳遞路徑上設計電磁干擾濾波器，經過測試驗證方案合理性，使電驅系統電磁發射滿足國標要求。基于等效電路模型提出優化方案，為電驅的設計與應用提供可靠的經驗參考，確保其運行在復雜電磁環境中的穩定性和可靠性。

1.3 輻射發射

輻射發射對電磁兼容性能有顯著影響，需要在電子設備設計和工程實踐中充分重視。電動汽車輻射發射是寬頻電磁輻射，頻率范圍涵蓋電磁頻譜的各個區域，包括無線電波和微波等。首先，輻射發射若未經有效控制，可能導致電磁能量向外散播并影響周圍環境。這將對其他電子設備、通信系統及無線電接收器造成干擾，干擾現象會導致設備功能故障、誤操作或通信失效等問題，嚴重影響EMC性能。其次，在國標、行標中設定電子設備輻射發射的限值，輻射發射水平若超出規定標準限值，即不滿足相應的標準要求，設備無法通過電磁兼容測試和認證，限制其合規性與市場準人。

為有效降低電驅系統輻射發射水平需要須采取多種手段。在電路設計階段，可選用合適的濾波器、屏蔽和耦合方法，減少輻射發射。此外，系統接地的設計和布局，可有效降低電磁輻射。最終，通過使用合格的電磁兼容性能測試設備測試，驗證設備是否達到預期的輻射發射水平。為確保最佳電磁兼容性能，重視并控制輻射發射至關重要，通過正向設計和工程實踐相結合，有效降低輻射發射水平，確保設備在電磁環境中與其他設備均能正常工作，滿足相關標準和法規要求。

1.4傳導電壓法

傳導電壓法主要用于測量電子設備內部電源線和其他連接線路上可能產生的共模電壓。通過測量這些線路上的傳導電壓，可以評估設備的共模抑制能力及其在真實工作環境中對電磁干擾的敏感性。在傳導電壓法的測試過程中，測量設備的電源線或其他連接線路上的傳導電壓，通過測量共模電壓的幅度和頻響特性，可以評估設備的電磁兼容性能。傳導電壓法的應用涉及電源線、信號線和接地結構等方面，這些都是設備內部干擾和抗干擾的重要因素。通過測量和分析設備內部線路的傳導電壓，確定線路的共模阻抗特性及接地結構的影響，優化設備的布線和設計，提高電磁兼容性能。

因此，傳導電壓法在電磁兼容性能評估中起著關鍵作用，為設備設計和工程實踐提供重要的數據支持。通過測量共模電壓，揭示設備對共模噪聲的響應，幫助工程師改進設計，選擇合適的阻抗匹配和接地結構，提高設備的電磁兼容性。綜上所述，傳導電壓法是評估電磁兼容性能的重要手段，對確保設備滿足相關標準和規范具有重要意義。

2性能優化

2.1 輻射發射的優化

對于輻射發射中的問題，以優化 0.15～30MHz 頻段的輻射發射問題為例，電驅的輻射發射在 1～2MHz 頻段準峰值QP超測試限制，如圖4（a）所示。因此，需要針對該超標頻段噪聲源及傳遞路徑進行解耦分析，首先，針對輻射發射問題，對電驅的電路布局和屏蔽設計進行優化，通過重新布置電路元件和導線，減小電路的回流面積和長度，降低了輻射發射的量級。此外，加強了對噪聲源電路的屏蔽和隔離，減少其對周圍環境的輻射。其次，優化了電驅的接地設計，良好的接地系統可以降低輻射發射的強度。通過合適的接地布局和導線連接，減少接地回路的不完整或與干擾源的共用，有效改善整個電驅系統的輻射發射性能。此外，還采用濾波器和抑制組件來抑制輻射發射。針對 1.5MHz 頻率點附近的輻射發射問題，選擇合適的濾波器，有效衰減對應頻點附近的輻射能量。在組件選擇方面，特別關注高頻噪聲抑制，選用高頻特性良好的組件，提高輻射發射抑制效果。整改后，進行了再次測試以驗證優化措施的有效性。通過全面測試，確保在整個 0.15～ 30MHz 頻段范圍內，特別是 1.5MHz 頻率點附近，電驅的輻射發射都滿足相應的電磁兼容性能要求，如圖4（b）所示。證明了優化措施的可行性和有效性。

總體而言，通過對輻射發射問題的優化措施，包括電路布局和屏蔽設計的優化、接地系統的改進以及濾波器和抑制組件的應用，成功降低了電驅系統的輻射發射電磁兼容性能。這些改進措施不僅有助于確保電驅系統滿足相應的電磁兼容國標要求，還提高了其抗干擾能力，減少對周圍設備和系統的影響，提升電驅的可靠性和穩定性。

2.2 針對傳導電壓法的優化

研究通過矢量擬合算法構建電機阻抗模型，通過實測獲取IGBT寄生參數。

2.2.1矢量擬合基本原理

2.2.2矢量擬合法求解過程

2.3電機典型結構阻抗解耦計算

對于驅動電機，由于寄生參數的影響，三相間是互相聯系的，不能直接擬合三相阻抗參數。為建立電機高頻EMI（electro-magnetic interference）模型，能準確表征其端口共模、差模阻抗特性，采用典型前端結構，對三相共模、差模阻抗的測試結果進行解耦計算。電機單相模型和電機整體模型如圖5和6所示。

2.4IGBT寄生參數提取

采用阻抗分析儀進行阻抗測試，其原理是向被測端口注人單頻點的電壓信號，檢測回路電流，依次測試阻抗的幅值和相位，掃描形成阻抗的幅頻曲線和相頻曲線，即掃頻過程如圖9所示。

主要測試IGBT到銅排的阻抗（包括寄生電感、寄生電阻）以及IGBT到基板的阻抗（包括寄生電容、寄生電感、寄生電阻），如圖10所示，其中基板一般為銅基板或鋁基板，和散熱板一體，實際測試端口為散熱板。測得IGBT各引腳寄生參數如表1所示。

2.3和2.4小節詳細介紹了高壓系統各模塊高頻等效電路提取新方法，將電驅總成EMC試驗平臺各系統高頻電路模型按圖11＼～12搭建，構建電驅高壓系統高頻等效電路模型，由電源模型、高壓LISN、銅排及線束模型、IGBT寄生參數模型、電機阻抗模型以及電機ECE模型組成。

通過構建的電驅系統電磁兼容高頻等效電路模型，發現在 30～60MHz 頻段內噪聲比較強，需要對濾波器進行優化，經過仿真分析，端口增加一組X電容（2.2和1nF）對超標頻段有較強抑制作用，傳導電壓法優化前后對比如圖13所示。

2.5 搭建測試平臺進行驗證

由于電機功率大小對噪聲強弱有較大影響，需要搭建如圖14所示的帶載測試臺架，關鍵的測試設備有電源柜以及電力測功機，在進行電驅系統帶載試驗時，為系統提供穩定的輸入功率，電源柜相當于電動汽車的電池組，為電機提供動力輸入。試驗平臺參數設置如下：電源柜輸出電壓 ，冷卻方式：水冷，轉速 ，扭矩 ，LISN額定電流 100A （直流），匹配阻抗 50Ω 。

2.6試驗結果及分析

對電驅系統在 150～108MHz 的傳導電磁干擾進行測量，結果如圖15（a）所示，結果表示在 30～60MHz 及

70MHz 有較強干擾，依據仿真分析結果，在端口增加一組2.2和1nF的X電容，有較好的抑制效果。測試結果如圖15（b）所示，超標頻段 30～60MHz 頻段的噪聲明顯抑制下來，因此，構建電驅系統高頻等效模型仿真結果與實測結果基本一致，對電驅系統電磁兼容性能開發進行性能評估、優化及器件選型，并預測整改結果。

3結論

通過對輻射發射和傳導電壓法等不同運行工況下電驅系統的電磁兼容性能進行仿真模型搭建及試驗驗證。利用矢量擬合算法構建電機高頻等效電路模型，用阻抗分析儀提取IGBT高頻分布參數，構建電驅系統高頻等效電路模型。利用仿真模型實現對電驅傳導電壓法超標頻段精準預測，進而在濾波器設計上提供指導。通過搭建電驅EMI測試臺架，驗證了所構建的電驅系統高頻等效電路模型的準確性。

經過這些優化措施，成功提升了電驅的電磁兼容性能，顯著降低共模噪聲的干擾，確保通過電磁兼容性能測試。研究不僅有助于提升電驅系統的電磁兼容性能，也為電驅系統的設計、優化和應用提供重要參考，促進電驅系統在電磁兼容性能方面的發展。

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（編輯侯湘）