纯电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰研究

李 彪，吴 昭，贾 晋，冯 波

（1.汽车噪声、振动与安全技术国家重点实验室，中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.重庆大学，重庆 400044）

0 引言

为应对日益突出的燃油供求矛盾和环境污染问题，世界主要汽车生产国纷纷加紧部署，将发展新能源汽车作为国家战略[1]。电动汽车增加了许多电力电子设备，电动汽车电驱动系统作为新能源汽车主要动力组成部分，主要包括动力电池、电机控制器、连接器、高压线缆以及电机。动力电池输出端口连接电机控制器的高压直流输入端口，电压典型值达300～500V；电机控制器的高压交变输出端口通过线缆连接到永磁同步电机。电机控制器的驱动电路主要为IGBT搭建的三相三桥臂逆变桥，并通过PWM控制模块将直流交换交变电流从而拖动电机转动，形成车辆驱动力。作为主要动力来源的电机及其驱动控制器具有大电流和高开关频率的特性会对其他电子设备产生很强的电磁干扰[2]，因此如何在设计中解决电动汽车的电磁兼容问题是影响其可靠性和安全性的重要因素。

1 电机驱动系统的EMC测试

功率器件的快速变化会产生明显的du/dt，di/dt开关特性，快速变化的电压或电流在分布电容与分布电感上形成干扰源，并通过导线传导、空间耦合、或辐射的放射产生很大对外电磁骚扰水平[2-5]。同时，由于电机控制器系统是电动汽车的主要动力总成，高电压、大电流，其产生的电磁干扰不但可能影响车辆的核心部件，也可能直接导致部件测试标准（GB/T 18655）与整车的EMC测试标准（GB/T 18387与GB14023）未通过的后果。因此严格控制电机控制器或动力系统EMC传导与辐射发射水平，是不可缺少的性能验证。电机控制器高压与低压传导测试布置图如图1所示 （其中电机空载）。待测电机控制系统进行150kHz～30MHz与 30MHz～200MHz辐射发射测试，其中待测电机控制器的参数。

表1 待测电机控制器的参数

图1 电机控制系统高、低压传导发射测试布置图（不带负载）

电驱动系统主要的电磁干扰源来源于驱动板上IGBT的关断与开通过程中产生的很高的du/dt与di/dt。关断过程中，由于母线电感与系统分布电感，VCE产生高达200V峰值，上升沿10μs，下降沿5μs的振铃。这种大脉冲将产生丰富的干扰谐波，不同频率的谐波将通过电驱动系统的分布参数通过共模与差模形式产生不同的干扰路径。

1.1 高压正极传导发射

图2为电机控制器正常工作状态下的高压正极传导发射。 主要的干扰谐振点 150kHz、5.2MHz、32MHz（45MHz）分别超出限值55dB、50dB、25dB（22dB）。这些干扰谐振点主要属于电机控制器驱动高压部分产生的电磁干扰。5.2MHz及其以上的干扰主要以共模的形式存在；150kHz主要以差模的形式存在。

图2 电动车电机控制系统高压传导测试（电机空载）

1.2 杆天线辐射发射150kHz～30MHz

图3中的电场发射，无论是电机控制器正常工作（电机空载）还是只有控制单元带低压电，其辐射发射值趋势与传导在主要发射点上一致。另外，最大谐振点150KHz与5.2MHz主要来源于高压导线。因此，有效地提高高压导线的屏蔽效能可以降低该频点的电场发射。

2 谐振频率及其干扰途径

从高压传导发射以及辐射发射的结果中，如图2，3所示，从干扰途径与传播模式，主要分为3类频率范围：以差模为主的低频干扰，如150 kHz；以差共模并存的中频干扰，如5.2 MHz；以共模为主的高频干扰，如45MHz。下面就将以这些典型频点为例子，分析这些频点上干扰信号在电驱动系统的主要干扰路径。

图3 电动车电机控制系统低频电场辐射（空载1500 rpm）

表2 典型干扰频率点及其传播途径

以IGBT关断过程为主要原因的低频干扰 （如150 kHz），主要通过差模的形式进行传播，传播路径如图4所示：三相线缆、电机绕线、直流母线、330μF电解电容为主要的传播途径。

图4 150 kHz典型的差模干扰回路示意图

以IGBT关断过程为主要原因的中频干扰 （如5.2 MHz），主要通过差共模的并存的形式进行传播，差模传播路径如图5所示：三相线缆、线缆匝间电容、直流母线、母线匝间电容为主要的传播途径。共模传播路径如图6所示：三相线缆、电机即可对地电容、直流母线对地电容。

以DC/DC等开关电源过程为主要原因的高频干扰（如42 MHz），主要通过共模的形式进行传播，由于频率较高，分布电容提提供了大量可能的传播途径。其共模传播路径之一，如图7所示：控制板与驱动板低压线束、板与板之间的分布电容、三相线缆、线缆对地电容、驱动板与发热器以及控制器、母线对地电容为主要的传播途径。

图5 5.2MHz典型的差模干扰回路示意图

图6 5.2 MHz典型的共模干扰回路示意图

图7 45 MHz典型的共模干扰回路示意图

3 电磁干扰抑制方案

通过图3～图6所示，低中高频干扰差共模途径不尽相同。一般来讲，整改方案依照“源-路-敏”的原则：电驱动系统主要是传导与辐射发射问题严重。因此，整改方案主要集中在干扰源与干扰路径上：整改措施主要采取高压导线双层屏蔽线与直流母线安装 0.33μF的电容。

3.1 RE （辐射发射）整改效果

如图8所示，采用屏蔽后 150kHz～30MHz 平均值发射在 GBT 18655的3级限值以下。

3.2 CE （传导发射）整改效果

低压传导采用屏蔽后在5MHz附近的谐振点明显降低，应该是降低了高低压之间的耦合。高压传导在5MHz以后变化不大，5 MHz以下明显降低的原因主要是滤波Y-电容作用，如图9所示。

4 结束语

通过对待测电机控制器的测试分析研究，分析了主要干扰源IGBT关断所产生的du/dt。建立了电磁干扰（传导与辐射）代表性频点的干扰传播模型：以差模为主的低频干扰如150 KHz、以差共模并存的中频干扰如5.2MHz、以及共模为主的高频干扰如42MHz。

在分析的基础上，根据EMC三大要素“源-路-敏”原则，提出了干扰源的抑制措施，旋变信号线双绞单点屏蔽，高压导线的双层屏蔽与高压接头360°环节。从现阶段的整改结果来看，有效的屏蔽是成本最低与最有效的措施。当然，在5.2MHz的传导发射谐振点仍需在源头做措施，比如IGBT关断速率与吸收电路设计等。

现阶段工作，基本解决了30 MHz以上的RE辐射发射3级限值超标问题；30MHz以下主要集中在低频部分，超标10多dB；问题较大还是高压传导发射。同时，考虑到待测电机控制器的空间与整体成本，电磁干扰的工程化整改措施相当有限，同时该工作暂时未考虑带载测试情况（通常发射更为严重）。在接下来的工作中，为了更好的从工程化角度提高EMC性能，建议在PCB板级设计上考虑EMC设计验证流程。

图8 150kHz～30MHz平均值整改前后对比

图9 150kHz～108MHz高压传导平均值整改前后对比

[1]彭河蒙.电动汽车电机驱动系统电磁干扰预测模型的研究 [D].重庆大学，2015.

[2]田丽媛，王庆年，田晓川.电动汽车电机驱动系统的共模电磁干扰[J].北京理工大学学报，2014，10.

[3]肖芳，孙力.功率变换器IGBT开关模块的传导电磁干扰预测[J].中国电机工程学报，2012，33.

[4]孟进，马伟明，张磊，赵治华.基于IGBT开关暂态过程建模的功率变流器电磁干扰频谱估计 [J].中国电机工程学报，2005，20.

[5]和军平，姜建国，陈为.离线式PWM变换器电磁干扰传播通道模型的研究 [J].电工技术学报，2004，4.