纯电动客车集成控制器电磁干扰抑制

张广利， 杨泗鹏， 王志中， 陈玉兵， 乔理想

(郑州宇通客车股份有限公司， 郑州 450061)

为减小电动客车高压系统的重量、体积，简化高压系统电气连接，提高整车高压安全，电动客车的高压系统多采用集成式设计，将驱动电机控制器与电附件(转向电机控制器、空气压缩机控制器、DC/DC及高压配电等)进行集成。由于电机控制器内部的IGBT及DC/DC的MOSFET在工作中高频开通和关断，会产生电磁干扰，影响集成控制器及整车其他电器设备的可靠性工作，因此研究集成式电机控制器的电磁干扰具有重要意义[1-2]。

1 电磁干扰分析

1.1 集成控制器概述

图1所示为集成控制器框图，系统由驱动电机控制器、转向电机控制器、空气压缩机控制器、DC/DC及高压配电单元组成，为车辆提供动力、转向助力、气源、低压供电。

1.2 电磁干扰源与耦合路径

集成控制器采用PWM控制方式，IGBT的开关频率一般达到4～8 kHz，MOSFET的开关频率一般达到100～150 kHz。电动客车连接动力电池与集成控制器的直流母线线缆及控制器内部的电路存在较大的寄生电感与杂散电感，导致IGBT及MOSFET高频开关时产生很高的电压尖峰，纹波电流的幅值很高，对外产生很高的电磁辐射[3-5]。另外，集成控制器内部高压配电部分使用较多的直流接触器，接触器的触点开关在关断瞬间，电流由几百安培瞬间减小到零，由于接触器的触点开关多为电感线圈绕制而成，因此在接触器关断瞬间会产生电压脉冲，形成强烈的传导性电磁干扰。

图1 集成控制器系统框图

2 电磁干扰抑制设计及测试

2.1 辐射干扰抑制

针对集成控制器的电磁辐射干扰，电磁屏蔽是最基本、最有效的措施，影响集成控制器电磁辐射屏蔽效果的因素主要有：机箱结构、机箱屏蔽体的导电连续性、接缝/孔的数量与缝隙/孔的大小。

1) 屏蔽机箱设计。集成控制器采用铝材质，通过压铸一体成形设计，减少控制器的接缝，减小接缝缝隙，并提高接缝平整性、连续性，减小接触电阻，同时在机箱接缝处采用电磁密封材料，提高对电磁辐射的屏蔽性能[6-7]。控制器内部针对接触器、IGBT、DC/DC采用独立的隔离设计，在布置上增加控制器的干扰源与机箱接缝的距离，且用于控制器机箱的螺栓采用镀锡处理，减小螺栓与控制器表面的接触电阻，降低干扰源对外辐射。

2) 接口屏蔽设计。控制器机箱上的线束接口是影响控制器电磁辐射屏蔽效果的主要因素，一旦有导体穿过屏蔽机箱，其屏蔽效能将会减少90%以上。因此在控制器设计上必须对控制器的线束接口进行屏蔽处理[8]。在集成控制器的接口线束设计上采用360°屏蔽方案，降低控制器通过导体接口对外辐射，如图2所示。连接集成控制器与动力电池、驱动电机的高压线束采用带屏蔽层的线束，连接DC/DC与低压蓄电池的线束，均采用压接工艺将金属屏蔽环压接到线束屏蔽层上，再通过金属锁头与控制器连接装配。线束采用该工艺能够更大程度增加线束屏蔽层屏蔽环的接触面积，减小接触电阻，更好地实现360°无缝屏蔽。

图2 高压线束360°屏蔽方案

2.2 传导干扰抑制

传导干扰分共模干扰和差模干扰2种，分析这2种干扰产生的原因、路径，通过电路设计布局、滤波设计等方法等对集成控制器的传导干扰进行抑制。

1) 电路设计与布局。在控制器电路设计上，遵循电流回路面积最小、带电导体长度最短2个原则。如图3所示，在电路设计中不可避免会存在多个电流回路，每个电流回路可等效为一个感应线圈，当某个回路中有电流流过时，另外一个回路中就会产生感应电动势，从而产生干扰。通过减小电流回路的面积，能够有效降低干扰能量的产生。因此在控制器电路与PCB设计上，做到尽量减少电流回路器件数量，且在PCB布局时尽量减小电流回路面积，另外集成控制器的高压主回路设计也按照该原则进行。集成控制器由多个功能模块集成设计，内部线束连接复杂，线束构成传导干扰的主要路径。因此在控制器的线束布置上对线束进行分类，按照电压等级、信号形式将线束分为高压线束、低压电源线束、低压数字信号线束、低压模拟信号线束，同时在控制器机壳结构设计上为各类线束设计独立的线槽，实现线束隔离布置，并依据线束走线长度最短的原则进行设计[9-10]。

图3 电路回路示意图

2) 滤波器设计。为了得出集成控制器的主要干扰特性，通过对控制器的电磁干扰进行测试，发现与电机控制相关的干扰比较突出的频段为20～30 MHz，与DC/DC干扰相关的基频频段为200 kHz，谐波频率分别为200 kHz、400 kHz、600 kHz等。针对控制器的干扰特性，通过滤波器设计进行干扰抑制。图4为DC/DC滤波设计，其中L1=L2=959 uH，C1=C2=3 300 pf，通过测试200 kHz频段干扰从75 dB降低到50 dB，600 kHz频段干扰从52 dB降低到20 dB，由DC/DC产生的干扰抑制效果显著。对电机控制器20～30 MHz频段的干扰，采用类似的方法进行抑制[11-13]。

图4 DC/DC滤波设计

3) 高压线束输出增加磁环。采用磁环与控制器的结构融合设计，在控制器的直流母线线束接口，驱动电机控制器U、V、W三相输出接口，DC/DC输出接口等处设置磁环，对控制器150 kHz～1 MHz范围内的干扰进行抑制。图5为磁环在控制器上的装配。

图5 控制器磁环设计示意图

2.3 集成控制器电磁干扰测试

采用以上电磁干扰抑制措施，按照GB/T 18655—2010采用电压法对集成控制器进行辐射发射、传导发射测试，结果达到等级三限值要求[14]，如图6和图7所示。

图6 辐射干扰测试

图7 传导干扰测试

3 结束语

指出了集成控制器电磁干扰的产生机理，从屏蔽机箱、线束接口屏蔽、电路设计与布局、滤波器设计、磁环应用等方面给出了集成控制器电磁干扰抑制的设计方法与要点。经过测试，控制器的电磁干扰对外发射达到等级三限值要求[13]，证明这些措施对电动客车用集成控制器电磁干扰具有显著的抑制效果。