電動汽車用電機驅動系統的電磁兼容技術研究

基于電動汽車的特點和應用要求，對車用電機驅動系統電磁騷擾特性及傳播機制進行了分析，采用騷擾源抑制、系統接地、電磁屏蔽、系統合理布局等措施實現了系統電磁兼容性能的有效提升。文中給出的整改方案已應用于某款純電動汽車，滿足了國標要求，證明文中給出的電磁兼容方案是行之有效的。

電動汽車上的電力電子變換裝置無論數量還是功率都遠遠超過傳統汽車，電磁兼容問題的嚴重性和復雜性也遠高于傳統汽車。電機驅動系統是電動汽車的三大關鍵系統之一，也是最重要的功率變換裝置，其電磁兼容性能（electromagneTIccompaTIbility，簡稱為EMC）不僅關系到自身的工作可靠性，而且會影響整車的安全運行能力和工作可靠性。從目前已有的電動汽車整車產品的檢測過程來看，大部分車型都是經過多次整改才能夠達到國標的相關規定。 鑒于電磁兼容問題的重要性，基于電磁騷擾耦合和傳播的一般機制，本文給出了電動汽車用電機驅動系統的電磁兼容分析及解決方案，并給出了電磁兼容的測試結果。

1 車用電機驅動系統電磁騷擾分析

車用電機驅動系統的電機控制器由主回路、控制電路、機箱、散熱器、電纜等幾部分組成。其中主回路的主要部件為功率模塊，如IPM或IGBT等，是控制器的主要騷擾源，而平行雙線組成環路的電感。

s為平行雙線的間隔；r為導線半徑

在高頻的開關頻率（幾十kHz）下，產生很高的du/dt和di/dt，與直流母線的雜散電感相作用將產生很高的電流尖峰；而車用電機控制器的母線電壓一般為上百伏，故在產生PWM波的同時伴有很高的電壓峰值，這必然將帶來嚴重的電磁騷擾噪聲，通過近場和遠場耦合形成傳導和輻射騷擾。控制電路產生的PWM 信號以及輸出的高頻時鐘脈沖波也會產生差模和共模輻射，但其輻射水平較低，產生的電磁騷擾一般較小。機箱的屏蔽性差也會帶來電磁泄漏產生電磁騷擾。散熱器會產生電磁振蕩，散熱片通常具有復雜的幾何形狀，具有多頻帶的RF輻射特性，很可能對開關頻率諧波起到輻射天線作用。電纜的不合理布設及非屏蔽也會產生較大的電磁騷擾。

電機驅動系統另外一個嚴重的電磁騷擾源來自電機。電機是電感性設備，電機工作時會產生很強的脈沖流并且可以在電源網絡中傳播，向周圍空間輻射。電機的開、停以及負荷改變都會使工作電流改變并產生脈沖電流，這種騷擾表現為不規則的脈沖流，頻譜約為10kHz耀1GHz。因此，電機驅動系統是電動汽車的主要電磁騷擾源［2-3］。

2 解決方案

理論與實踐表明，任何電磁騷擾的發生必須具備3個條件：騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設備。任意一個條件的削弱或缺失，都將使電磁騷擾問題得到改善和解決。基于以上分析，此次開發的電機驅動系統的電磁兼容設計采取了如下技術方案。

2.1抑制騷擾源

（1）設計低寄生電感的功率母線：采用疊層母線結構設計技術［4］，由正負導電銅板和中間的絕緣體構成一個3層結構，可以大大降低直流母線的寄生電感，從而降低浪涌電流及尖峰電壓。圖1給出了母線的設計圖紙。

2）簡單起見，采用了單電容的吸收回路，抑制高頻尖峰電壓及電流，并最終在吸收電路中消耗或反饋到電源中去。單電容吸收電路如圖2所示。

（3）每個IGBT門極驅動采用獨立電源供電，如圖3，并且采用-8V的反向偏置電壓，以避免噪聲騷擾。

（4）在控制電源及動力電源輸入側加裝EMI濾波器，如圖4所示，既可以降低系統電磁發射強度，又可以提高系統的抗擾能力，但阻抗選擇要根據系統工作頻率和阻抗特性進行匹配。

（5）驅動電機是車用驅動系統最強的電磁騷擾源，將電機外殼形成一個良好的密封體實現屏蔽的完整性，防止電磁泄漏，再通過多點接地的方式將電機屏蔽外殼與整車可靠接地，可以有效降低電機的電磁輻射水平。

2.2 消除傳播途徑———接地、去耦、屏蔽設計

（1）根據地線分流原則。將強電與弱電地線分線，數字電路和模擬電路地線分線，安全地、信號地和噪聲地分線，最后輻射狀匯聚到一個公共接地點；采用光電隔離阻隔地環流，切斷騷擾途徑；外殼及散熱器等與大地可靠連接，防止外界磁場的騷擾以及靜電擊穿；靈活運用多點和單點接地。

（2）從系統整體角度而言，通過屏蔽措施使驅動系統達到良好的電磁屏蔽效果也是解決系統EMC的有效手段之一。電磁屏蔽的關鍵是保證屏蔽體的導電連續性，將機箱形成一個連續密封的導電體，使耦合到內部電路的電磁場被反射和吸收。在機箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封；在機箱的非永久性接縫處加入實心導電橡膠條作為導電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。在動力線纜與信號線纜穿越機箱部分的屏蔽連續性設計也至關重要，可以采用帶屏蔽的插頭插座或在端接處使用動力線纜屏蔽壓接裝置［5-6］，實現屏蔽層與機箱的360毅端接，以及采用濾波連接器設計，可以有效地抑制輻射耦合。

— 提高系統的抗擾能力 —

2.3 提高系統的抗擾能力

（1）合理的整體布局。首先，將強電與弱電分開，避免彼此間的騷擾影響；其次，采取不同的電源分別供給數字信號和模擬信號，以確保彼此信號不會因為電源而彼此影響。

（2）控制器電源的抗擾設計。控制電源采用隔離的模塊電源，不同電路隔離供電。控制電源EMC設計主要有如下措施：一是將電源輸入輸出線絞合并縮短與進線端的距離，在進線端增加共模扼流圈、維持電容、去耦電容以及濾波電容，如圖4所示。二是縮短進線端與負載間的距離，增大導線面積，以減小連接電阻對負載調整率的影響。

（3）控制板抗擾性設計。淤采用光電隔離；于元器件的降額使用；盂選用集成度高的元器件；榆適當加入濾波和去耦電路，如每個集成電路安置一個0.01耀 0.1滋F的電容，并且使電容與芯片電源端和地線端之間的聯線盡量短；虞數據線、地址線、控制線要盡量短，以減少對地電容；愚多層分區設計，控制電路板采用多層設計，可有效地降低電源線和地線的阻抗及有效減少電路的環路面積，本文將控制電路板分為4個區，包括電源區、模擬電路分區、數字電路分區以及隔離通訊電路分區。

3 實驗結果

圖所示為系統測試配置框圖。電機系統采用轉速控制模式，模擬實車運行狀態。其中，電機為永磁同步電機，峰值功率35kW，最高轉速6000r/min。

圖為該電機系統經過上述電磁兼容整改方案前后的輻射騷擾垂直極化測試結果，主要頻點均降低了50dB以上。從圖（a）中可以看出，未加電磁兼容設計整改的超標嚴重；

而通過整改后，該電機系統通過了CISPR25：2008零部件的輻射發射Class3要求，如圖（b）所示。

— 輻射騷擾垂直極化測試結果 —

— 圖文天津工業大學學報—