混合动力汽车电磁场辐射骚扰特性研究

刘青松，许响林，李 彬，覃延明，翟建鹏

（1.重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122；2.重庆市电磁兼容工程技术研究中心，重庆 401122）

混合动力汽车电动部分通常是由大功率电动机和控制器组成的高压电气系统，既会对外发射辐射骚扰，同时又承受其它电器设备的干扰，其电磁兼容问题不容忽视[1-3]。据报道，北美部分车主曾对混合动力汽车的电磁干扰问题进行投诉，使混合动力汽车一度遭遇电磁污染危机[4]。目前国内在这方面的研究极少，国外作过一些研究，但尚未有定论。

与传统汽车相比，混合动力汽车增加了高压电动力系统，电磁骚扰源的类型和部件有所增加，主要包括发动机、DC/DC变换器、电机及电机控制器等[5-7]。笔者以某型混合动力汽车低频电磁场发射电平超出国家标准要求的实际问题，分析诊断其主要电磁骚扰部件，并对各骚扰源发射电磁骚扰的机理进行分析，然后采取对应的电磁兼容技术措施进行整改，并通过试验对整改措施的有效性进行验证。文中所采取的技术措施已被推广应用于其它自主品牌混合动力新车型的研发设计中，并被证明行之有效。

1 混合动力汽车低频电磁场骚扰特性

1.1 混合动力汽车动力系统结构

所研究的混合动力汽车具备怠速起停、动能助力、自动能量回收等功能，是中度混合动力汽车，配备有ISG（Integrated Starter Generator）电机和 1.5 L 汽油发动机。图1是混合动力汽车的动力系统结构框图。

1.2 试验方案及初始骚扰电平测试结果

试验主要考核混合动力汽车在9 kHz～30 MHz范围内的低频电场和磁场的辐射骚扰电平，所用仪器设备主要包括EMI接收机、棒状天线、环形磁场天线等[8]。电场测量时，使用棒状天线，天线距离车辆最近部分为3 m±0.1 m；磁场测量时，使用环状天线，天线中心位于地面上方1 m±0.05 m，距车辆最近部分为3 m±0.2 m；所有试验都在笔者单位从德国进口的半电波暗室中完成。

测试时，用千斤顶把车辆驱动轮顶起，并用绝缘木块支撑住车辆。混合动力汽车分别以16 km/h和64 km/h的车速稳定运行，所测得的低频电场、磁场辐射强度初始值分别见图2-图5。

从图2-图5中可以看出，该混合动力汽车的车速在16 km/h和64 km/h时的低频电场、磁场骚扰电平值均超出了国标GB/T 18387-2008[9]的要求，电场辐射强度超标频段集中在8 MHz～30 MHz范围内，最严重的超标约23 dB；磁场辐射强度超标频段主要集中在3 MHz～30 MHz范围内，最严重的超标约26 dB，同时在150 kHz～300 kHz频段磁场辐射强度也有超标现象。

2 低频电磁干扰问题分析

通过进一步的诊断分析，发现该混合动力汽车的发动机点火系统、ISG电机及其控制器IPU、DC/DC变换器等零部件系统是导致其低频电场磁场骚扰电平超标的主要骚扰源。

2.1 发动机点火系统产生干扰的机理

发动机点火系统产生的电磁骚扰信号主要来自以下两方面：

1）火花塞的中心电极与侧电极之间的火花放电，以电弧的形式向空间发射电磁能量。其特点是放电时间极短（几分之一微秒或几微秒），放电电流很大。这是由于火花间隙被强烈电离，因而它的电阻很小，放电电流可达几十安培，同时电流变化的速率也很大。由于电火花是在次级电压达到最大值前产生的，仅消耗初级绕组存储的部分磁场能量，在此过程中所伴随的高频电磁振荡，会产生强烈的电磁干扰。

2）点火回路中有脉冲电流流过，为了保证足够的点火能量，点火线圈的瞬变电压很高，点火线圈及高压点火线等作为等效天线，向空间发射电磁能量。其特点是放电电压较低，放电持续时间较长（几毫秒），放电电流较小。点火过程中次级线圈电压变化和电流变化如图6所示。

从图6中可知，次级电压上升时间极短，上升速率很高，波形前沿十分陡峭，其放电电流是突变的，变化速率极快。当火花塞电极间产生电火花时，伴随有频带很宽的高频振荡，其频率从数百十千赫兹到数百兆赫兹，产生的辐射电磁波具有脉冲特性，这就是发动机点火系统产生辐射骚扰的主要因素。

2.2 ISG电机及其控制器产生干扰的机理

该混合动力汽车配置的ISG电机为永磁交流电机，属于高电压、大电流的强电设备。交流电机不同于有刷直流电机，内部没有容易产生电磁骚扰的电刷和换向装置，故交流电机的定子和转子本身并不会产生较大的辐射。但ISG电机动力线上的电流通常在100～150 A之间，其动力线很粗，并由车辆后部连接到前端发动机舱，贯穿于整个车辆。在车辆行驶过程中，ISG电机电流频繁变化，对外界发射较强的电磁骚扰信号。

ISG电机的控制器IPU，采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行电能变换和控制电机。IPU使用IGBT、MOSFET等高速半导体开关器件，以增强逆变器的动态响应过程，但这同时也带来了电磁干扰问题。这些半导体开关产生的高频脉冲信号具有很大的d u/d t和d i/d t，形成很强的电磁干扰，其频率从几千赫兹到数十兆赫兹。

2.3 DC/DC变换器产生干扰的机理

该混合动力汽车配置的DC/DC变换器使用IGBT为功率开关管。当功率开关管IGBT开通时，由于开关时间很短及逆变回路中引线电感的存在，将产生极高的d u/d t突变和尖峰电压；在关断功率开关管IGBT时，由于关断时间很短，将产生极大的d i/d t突变和浪涌电流，这些电磁能量以传导和辐射的方式向外传播，产生电磁干扰。

3 低频电磁场干扰问题整改

3.1 发动机点火系统整改

点火系统产生电磁骚扰，主要是由于点火回路中有脉冲电流流过，点火线圈及高压点火线等作为等效天线，向空间发射电磁能量。据此，可以根据点火回路的谐振频率，在导线上增加铁氧体磁环，以及在回路中增加滤波器来抑制电磁骚扰信号的辐射和传导。

3.2 ISG电机及其控制器整改

由于ISG电机的骚扰主要通过电源线辐射产生，采取对电源线进行屏蔽处理[10-11]，将ISG电机的三相电源线分别穿过金属屏蔽网。因电机电源线贯穿整车较长，为保证屏蔽网的良好接地，在电源线中部又增加了接地点，屏蔽网端头部分采用360°环接等措施。另外，在三相电源线的每根线之间，以及每根线与地之间也增加了滤波器。

既然ISG电机的电源线与IPU的输出线相连，除了对IPU输出线进行屏蔽处理外，对IPU的电源输入输出线也都采取了滤波措施。既对IPU输出的每条电源线增加对地滤波电容，又在其每条电源线之间增加了滤波器。

3.3 DC/DC变换器整改

针对DC/DC变换器产生电磁骚扰的机理，结合DC/DC电路板，采取在其内部输出电源接口增加滤波电容，输出电源线与线之间增加电容，以抑制低频开关电源的干扰信号。同时，通过1 000 pF电容把DC/DC内部变压器初次级的地相连，还可以减少开关电源的干扰回路面积，以减少辐射能量。

3.4 整改后的低频电磁场特性

在完成对发动机点火系统、ISG电机及其控制器IPU和DC/DC三大主要电磁骚扰源的整改后，重新在笔者单位的从德国进口的半电波暗室中对混合动力汽车作了测试，其结果数据如图7-图10所示。

从整改后混合动力汽车低频电场和磁场的辐射骚扰电平测试结果看，在9 kHz～30 MHz频率范围内的骚扰电场、磁场的辐射电平不但完全达到国家标准的要求，而且还有较大的余量。这说明，针对各主要骚扰源采取的整改措施是有效的。

4 结论

1）对于混合动力汽车而言，其电磁骚扰源主要是发动机点火系统，ISG电机及其控制器IPU、DC/DC变换器。

2）对发动机点火系统进行滤波处理，可以有效地降低点火系统的电磁骚扰信号。

3）在设计DC/DC变换器和IPU控制器电路板时，应从元器件的选型、布局，电路板的布线以及电路板的地线设计等方面考虑其电磁兼容性。

4）对ISG电机这类大电流设备，应考虑使用屏蔽电源线或对其电源线进行屏蔽，避免其向外发射过大的电磁骚扰信号。

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