車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾特性及傳播機(jī)制分析

《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 36282-2018)是2019年1月1日實(shí)施的一項(xiàng)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，歸口于全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。 [1]《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 36282-2018)規(guī)定了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)適用于純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于HV(高壓)電源系統(tǒng)部件視為典型的全屏蔽系統(tǒng)。

隨著電動(dòng)汽車的飛速發(fā)展，電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)得到了規(guī)?；膽?yīng)用。與此同時(shí)，做為整車的主要干擾源，電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的問(wèn)題也越來(lái)越突出，針對(duì)電磁兼容的國(guó)標(biāo)，干擾方面有三個(gè)，抗擾有三個(gè)，但對(duì)于電動(dòng)汽車主要零部件的電機(jī)系統(tǒng)還沒(méi)有制定出相應(yīng)的電磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，不能對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)做出綜合評(píng)價(jià)。因此，制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 36282-2018)。

基于電動(dòng)汽車的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，對(duì)車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁騷擾特性及傳播機(jī)制進(jìn)行了分析，采用騷擾源抑制、系統(tǒng)接地、電磁屏蔽、系統(tǒng)合理布局等措施實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)電磁兼容性能的有效提升。文中給出的整改方案已應(yīng)用于某款純電動(dòng)汽車，滿足了國(guó)標(biāo)要求，證明文中給出的電磁兼容方案是行之有效的。

電動(dòng)汽車上的電力電子變換裝置無(wú)論數(shù)量還是功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)汽車，電磁兼容問(wèn)題的嚴(yán)重性和復(fù)雜性也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的三大關(guān)鍵系統(tǒng)之一，也是最重要的功率變換裝置，其電磁兼容性能(electromagneTIccompaTIbility，簡(jiǎn)稱為EMC)不僅關(guān)系到自身的工作可靠性，而且會(huì)影響整車的安全運(yùn)行能力和工作可靠性。從目前已有的電動(dòng)汽車整車產(chǎn)品的檢測(cè)過(guò)程來(lái)看，大部分車型都是經(jīng)過(guò)多次整改才能夠達(dá)到國(guó)標(biāo)的相關(guān)規(guī)定。 鑒于電磁兼容問(wèn)題的重要性，基于電磁騷擾耦合和傳播的一般機(jī)制，本文給出了電動(dòng)汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容分析及解決方案，并給出了電磁兼容的測(cè)試結(jié)果。

1 車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁騷擾分析

車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)控制器由主回路、控制電路、機(jī)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(huán)路的電感。

在高頻的開(kāi)關(guān)頻率(幾十kHz)下，產(chǎn)生很高的du/dt和di/dt，與直流母線的雜散電感相作用將產(chǎn)生很高的電流尖峰;而車用電機(jī)控制器的母線電壓一般為上百伏，故在產(chǎn)生PWM波的同時(shí)伴有很高的電壓峰值，這必然將帶來(lái)嚴(yán)重的電磁騷擾噪聲，通過(guò)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合形成傳導(dǎo)和輻射騷擾。控制電路產(chǎn)生的PWM 信號(hào)以及輸出的高頻時(shí)鐘脈沖波也會(huì)產(chǎn)生差模和共模輻射，但其輻射水平較低，產(chǎn)生的電磁騷擾一般較小。機(jī)箱的屏蔽性差也會(huì)帶來(lái)電磁泄漏產(chǎn)生電磁騷擾。散熱器會(huì)產(chǎn)生電磁振蕩，散熱片通常具有復(fù)雜的幾何形狀，具有多頻帶的RF輻射特性，很可能對(duì)開(kāi)關(guān)頻率諧波起到輻射天線作用。電纜的不合理布設(shè)及非屏蔽也會(huì)產(chǎn)生較大的電磁騷擾。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)另外一個(gè)嚴(yán)重的電磁騷擾源來(lái)自電機(jī)。電機(jī)是電感性設(shè)備，電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的脈沖流并且可以在電源網(wǎng)絡(luò)中傳播，向周圍空間輻射。電機(jī)的開(kāi)、停以及負(fù)荷改變都會(huì)使工作電流改變并產(chǎn)生脈沖電流，這種騷擾表現(xiàn)為不規(guī)則的脈沖流，頻譜約為10kHz耀1GHz。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的主要電磁騷擾源[2-3]。

2 解決方案

理論與實(shí)踐表明，任何電磁騷擾的發(fā)生必須具備3個(gè)條件：騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設(shè)備。任意一個(gè)條件的削弱或缺失，都將使電磁騷擾問(wèn)題得到改善和解決?；谝陨戏治?，此次開(kāi)發(fā)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)采取了如下技術(shù)方案。

2.1抑制騷擾源

(1)設(shè)計(jì)低寄生電感的功率母線：采用疊層母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)[4]，由正負(fù)導(dǎo)電銅板和中間的絕緣體構(gòu)成一個(gè)3層結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)圖紙。

(4)在控制電源及動(dòng)力電源輸入側(cè)加裝EMI濾波器，如圖4所示，既可以降低系統(tǒng)電磁發(fā)射強(qiáng)度，又可以提高系統(tǒng)的抗擾能力，但阻抗選擇要根據(jù)系統(tǒng)工作頻率和阻抗特性進(jìn)行匹配。

(5)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最強(qiáng)的電磁騷擾源，將電機(jī)外殼形成一個(gè)良好的密封體實(shí)現(xiàn)屏蔽的完整性，防止電磁泄漏，再通過(guò)多點(diǎn)接地的方式將電機(jī)屏蔽外殼與整車可靠接地，可以有效降低電機(jī)的電磁輻射水平。

2.2 消除傳播途徑———接地、去耦、屏蔽設(shè)計(jì)

(1)根據(jù)地線分流原則。將強(qiáng)電與弱電地線分線，數(shù)字電路和模擬電路地線分線，安全地、信號(hào)地和噪聲地分線，最后輻射狀匯聚到一個(gè)公共接地點(diǎn);采用光電隔離阻隔地環(huán)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(chǎng)的騷擾以及靜電擊穿;靈活運(yùn)用多點(diǎn)和單點(diǎn)接地。

(2)從系統(tǒng)整體角度而言，通過(guò)屏蔽措施使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到良好的電磁屏蔽效果也是解決系統(tǒng)EMC的有效手段之一。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，將機(jī)箱形成一個(gè)連續(xù)密封的導(dǎo)電體，使耦合到內(nèi)部電路的電磁場(chǎng)被反射和吸收。在機(jī)箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封;在機(jī)箱的非永久性接縫處加入實(shí)心導(dǎo)電橡膠條作為導(dǎo)電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。在動(dòng)力線纜與信號(hào)線纜穿越機(jī)箱部分的屏蔽連續(xù)性設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，可以采用帶屏蔽的插頭插座或在端接處使用動(dòng)力線纜屏蔽壓接裝置[5-6]，實(shí)現(xiàn)屏蔽層與機(jī)箱的360毅端接，以及采用濾波連接器設(shè)計(jì)，可以有效地抑制輻射耦合。圖5和圖6為相關(guān)措施的示意圖。

2.3 提高系統(tǒng)的抗擾能力

(1)合理的整體布局。首先，將強(qiáng)電與弱電分開(kāi)，避免彼此間的騷擾影響;其次，采取不同的電源分別供給數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以確保彼此信號(hào)不會(huì)因?yàn)殡娫炊舜擞绊憽?

(2)控制器電源的抗擾設(shè)計(jì)?？刂齐娫床捎酶綦x的模塊電源，不同電路隔離供電?？刂齐娫碋MC設(shè)計(jì)主要有如下措施：一是將電源輸入輸出線絞合并縮短與進(jìn)線端的距離，在進(jìn)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(jìn)線端與負(fù)載間的距離，增大導(dǎo)線面積，以減小連接電阻對(duì)負(fù)載調(diào)整率的影響。

(3)控制板抗擾性設(shè)計(jì)。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(dāng)加入濾波和去耦電路，如每個(gè)集成電路安置一個(gè)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(lián)線盡量短;虞數(shù)據(jù)線、地址線、控制線要盡量短，以減少對(duì)地電容;愚多層分區(qū)設(shè)計(jì)，控制電路板采用多層設(shè)計(jì)，可有效地降低電源線和地線的阻抗及有效減少電路的環(huán)路面積，本文將控制電路板分為4個(gè)區(qū)，包括電源區(qū)、模擬電路分區(qū)、數(shù)字電路分區(qū)以及隔離通訊電路分區(qū)。

根據(jù)前面討論的幾部分內(nèi)容，在直流伺服控制電路中，為了避免噪聲的串?dāng)_，提高控制精度，需要考慮以下幾個(gè)方面：數(shù)字電路和模擬電路要隔開(kāi)，數(shù)字電源、地和模擬電源、地分開(kāi)提供;數(shù)字地和模擬地之間的連接通過(guò)磁珠單點(diǎn)短接;驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)放置，電源和地單獨(dú)提供，與數(shù)字電路之間的信號(hào)傳輸通過(guò)光耦隔離。