燃料电池轿车用驱动电机传导发射测试分析①

张 戟， 韩发娟

(同济大学新能源汽车工程中心，上海201804)

0 引言

燃料电池轿车具有效率高、污染小、噪声低等优点，被认为是新能源车的最终目标．但是，燃料电池汽车还存在很多技术障碍．其中很重要的一点就是动力系统(包括动力电池、DC/DC变换器和驱动电机等)的电磁兼容问题．动力系统与传统的低压汽车零部件不同，工作状态为大电流高电压，会对低压设备产生很大的电磁干扰，降低系统的安全性和可靠性．目前对新能源汽车上的大功率设备的电磁发射检测方法和发射限值都没有明确的标准规范，而传统的汽车零部件检测标准并不适合大功率的汽车零部件．

驱动电机是动力系统的重要组成部分，也是重要的电磁发射源．本文将参考CISPR25:2008中的汽车零部件电磁发射检测方法设计一套电机传导发射测试方案，对电机工作时的传导发射进行测量，并分析电压和电机转速对噪声的影响．

1 试验电机的选择

在燃料电池轿车中，驱动电机的作用除了将燃料电池组输出的电能转化为驱动车轮的转速外，还要作为发动机将制动或减速时的能量回收，存入蓄电池组中．燃料电池轿车驱动电机应具有调速范围宽、转速高、驱动转矩大、体积小、质量轻、成本低、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性．

交流感应电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、成本低，尤其适合恶劣的工作环境，比较适合燃料电池电动汽车，尤其是大功率的电动汽车．目前燃料电池轿车常用的电机交流感应电机[1]．

本文选择额定功率为45kW的交流感应电机为研究对象．

2 传导发射测试

2．1 测试布置

本文将参考采用CISPR25:2008标准中电流法进行测试，测量电机三相交流输入线的共模电流．布置简图如图1所示，用共模电流钳一端包住主回路三相输入线，另一端接频谱分析仪，频谱分析仪与电脑连接记录存储实验数据．人工网络接50Ω电阻．

图1 实验布置图

2．2 输入电压与电磁噪声的关系

电机产生电磁噪声的根本原因在于其大功率电力电子装置，尤其是大功率IGBT构成的开关电路．IGBT工作过程中产生的高和以及浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源．另外功率开关管开关和关断瞬间，由于分布电感和分布电容的存在，电感电流容易发生高频振荡，这些因素都会产生大的电磁干扰[2]．这些干扰会耦合到传输线上，对其他设备产生影响．在电机输入线上，干扰主要以共模干扰的形式出现．

2．3 测试结果及分析

首先不上电测试环境背景噪声(9kHz－3GHz)，结果如图2所示．环境中大约有－60dB的噪声(约为 13 dBμA)[3]．

图2 背景噪声

图3 120V 1000rpm时的传导干扰(9kHz—30MHz)

图4 120V 2000rpm时传导干扰

接下来控制电路上电，观察主电路电源线上的传导干扰(9kHz—3GHz)．发现测试结果与图2中的背景噪声几乎没有变化，即控制电路耦合到主电路电源端的传导干扰很小．这是由于主电路本身信号强度强，几乎不受到弱电的控制电路的影响．因此，在燃料电池汽车驱动系统大功率电力电子器件电磁兼容性研究中，一般只考虑其电磁发射，忽略其电磁抗扰度．

图5 240V 1000rpm时传导干扰

图6 240V 2000rpm时传导干扰

图7 240V 3000rpm时传导干扰

接下来主电路上电，控制电压120V、电机转速1000rpm，由于高频段干扰几乎没有，图线接近背景噪声，因此只分析低频段9kHz—30MHz噪声．测得传导干扰如图3所示．经测试发现，低频干扰比较大，高频干扰较小，且在低频段内，传导干扰随着频率的增加有下降趋势．根据电磁场理论，频率升高，特别是f＞10MHz后，导线的天线效应将发生作用，此时的主要干扰能量将通过辐射发挥作用，表现为辐射干扰变强．因此，着重考虑低频段(9kHz－30MHz)传导干扰，峰值出现在2MHz左右为 －20dB(约53dBμA)．

下面改变电压和转速分别测试比较．

图8 360V 1000rpm时传导干扰

图9 360V 2000rpm时传导干扰

图10 360V 3000rpm时传导干扰

图11 360V 3500rpm时传导干扰

图12 控制电路上电，主电路不上电(9kHz—30MHz)

图13 120V 1000rpm时传导干扰(9kHz—30MHz)

观察可得，不同转速和电压下峰值仍出现在2MHz附近，噪声波形没有太大的变化．参照图3－11，对各电压和各转速下的平均值进行比较，如表1所示．

表1 平均峰值比较

由表中结果可见，随着电压增加，主电源线上传导干扰会增加，而随着转速变化，干扰并没有太大变化．

图14 120V 2000rpm时传导干扰

3 控制电路控制/信号端口传导发射测量

电机主电路本身信号电流大，因此产生的噪声对本身影响较小，但是控制电路属于弱电电路，容易受干扰，因此，以下将测试电机工作时对控制电路的影响．测量布置如图1所示，电流钳夹在控制电路信号端口．

控制电路上电，测试控制电路控制/信号线上传导干扰，仍然分9kHz—30MHz和30MHz—1GHz两个频率段进行观察，由于30MHz—1GHz几乎没有干扰，只列出9kHz—30MHz频段干扰，如图12所示．

由上图可见，控制电路上电后，低频段电磁干扰明显变大，峰值出现在4MHz左右为－42dBm(约31)，高频段几乎没有干扰．

接下来主电路上电，测试控制电路控制/信号线的传导干扰，着重9kHz－30MHz频段观察，如图13所示是120V、1000rpm情况下测得的传导干扰．

由测试结果可以看出，主电路上电后，低频段传导干扰明显增加，波形波动厉害，峰值仍然出现在4MHz左右为 －30dBm(约43dBμA)，与图4相比增加了12 dBμA，高频段仍然几乎没有影响．因此，下面将主要分析9kHz－30MHz频段干扰．

改变电压和转速测量，测量方法如主电路测试方法．测量结果发现主电路电压的增加和电机转速变化对控制电路的传导噪声在峰值上并没有太大的影响．由于波形相似，只摘抄图 14中 120V 2000rpm时传导干扰和图15中240V 1000rpm时传导干扰作为实例．

由上述图可以看出，主电路电压和转速变化对控制电路控制/信号线的传导干扰几乎没有影响．

4 总结

根据实验测试结果，综合分析得出以下结论:

1在以上测试环境下传导干扰主要集中在低频段9kHz—30MHz．

2控制电路耦合到主电路的传导干扰很小，主电路耦合到控制电路的干扰较大．这是由于主电路属于大功率大电流电路，信号强度强，而控制电路属于弱电电路，信号强度小，噪声相对于主电路本身的信号幅度可以忽略不计．

图15 240V 1000rpm时传导干扰

3主电路电压和转速的变换对控制电路的传导干扰几乎没有影响，而电压变化对主电路本身的传导干扰影响较大，随着电压升高，传导干扰有所增加，转速变化对主电路影响不大．

4控制电路干扰峰值出现在4MHz左右，主电路干扰峰值出现在2MHz左右．

本文设计了对燃料电池汽车用交流电机的传导发射测试方法，并进行了简单的电磁传导发射测试和分析，但是测试范围值局限于9kHz—30MHz频段，没有就高频段进行分析;而且电机转速是在额定转速之下，测试结果还有一定的局限性．

[1] 袁海林．电动汽车及其驱动电机的发展概况[C]．第十一届中国小电机技术研讨会论文集，2006:31－36．

[2] 王雪华．燃料电池车用大功率DC/DC变换器电磁兼容性研究[J]．电子产品世界，2009，16(12):22 －24，29．

[3] 王洪武．电动汽车驱动系统EMC设计及仿真[D]．同济大学硕士学位论文，2012．