电动汽车及其电磁兼容性分析的研究

王维君

【摘  要】针对电动汽车的电磁兼容问题，论文论述了电动汽车电磁兼容研究的主要内容，并且按电压等级把电动汽车内部电气系统分为动力电池电源系统、电力传动系统、功率电子系统和控制电子系统四大类，研究了各系统之间的电磁干扰关系以及整车的电磁环境，并对各系统之间的电磁干扰提出了其电磁兼容的解决方案，从而达到电动汽车电磁兼容优化设计的效果。

【关键词】电动汽车;电磁兼容;电磁干扰

中图分类号：TP202  文献标识码：A

1 引言

随着人们环境保护意识的不断提高，加之石油气资源的日益枯竭，用电池为动力源的电动汽车，是近年来国际发达国家竞相研究开发的热点。

随着其技术的发展，各种高频率、高频带、高精度、高可靠性的电气、电子設备应用得越来越广泛，电气、电子设备数量和种类不断增加以及性能逐步的提高，致使车内空间电磁环境日趋复杂，电磁干扰带来的问题也越来越严重，现在已成为电动汽车安全性保证的突出的障碍。在这种复杂的电磁环境下，如何抑制各种电磁设备相互间的干扰，以保障汽车内设备正常工作和运行，是一个待解决的复杂工程问题。

2  电动汽车内部的电磁环境研究

电动汽车内部电气系统按电压等级可分为动力电池电源系统、电力传动系统、功率电子系统和控制电子系统。动力电池电源系统主要包括动力电池组及其辅助电路;电力传动系统包括主传动电机、集成启动发电电机及各种车载的电动机;功率电子系统包括PWM逆变器主电路及其驱动模块、火花点火线圈、空调启动器等;控制电子系统主要包括PWM逆变器的控制部分、车内的各种电子娱乐系统以及各种无线网络设备。

2.1 动力电池电源系统与电力传动系统

动力电池电源系统与电力传动系统是电动汽车系统中干扰最大的环节，也是其最大的干扰源，但由于其特殊的结构和工作原理，主要通过屏蔽等方法来切断干扰的传播途径，同时相应增加其他系统的电磁兼容设计。

2.2 功率电子系统

功率电子系统不仅是主要的电磁干扰源，同样也有很多敏感设备。PWM逆变器功率回路上的寄生电感在功率开关关断和续流二极管环流的过程中，产生浪涌电压，瞬时的du/dt 产生大量的电磁干扰;火花点火圈通过高压放电点火，瞬间的di/dt 也将产生强烈的电磁干扰;逆变器和点火器驱动电路的大功率晶体管控制极在如上述浪涌电压或者其他强烈的感应电压作用下容易产生误触发，导致系统的不稳定，引发危险。

2.3 控制电子系统

车内的各种控制电子系统是主要的敏感设备，这些设备大多由电压等级低的数字芯片或者模拟电路构成，在发射大量控制信号的同时，容易受到各种电磁干扰的影响。由于这些控制电子系统同时具有大量的数据接口存在，因此不仅需要EMC设计防止外部干扰，同时也要消除本身产生的干扰信号。

2.4 各系统之间EMI相互关系

电磁干扰的耦合途径有两种：通过空间传播的辐射耦合方式和通过电路传输的传导方式。其中，辐射又可分为：近场耦合（包括容性耦合和感性耦合）、远场（电磁场）耦合;而传导则分为传导耦合及公共阻抗耦合。电动汽车各个电气部分之间的电磁干扰关系见图1。图1中实线所指示的是直接的电气连接即由电缆相连，其中电机与PWM功率电路之间通过三相动力线连接，PWM逆变器控制电路与主电路之间通过信号线电缆相连，而电机中的传感器将采集的信息通过传感器信号电缆与PWM逆变器控制电路连接在一起。虚线表示的是通过电磁场耦合的方式进行辐射干扰的途径，箭头表示出干扰的传播方向，双箭头表示箭头连接的两设备互为干扰源。

3、电动汽车的电磁兼容解决方案

要解决电动汽车电磁兼容首先要从这三个要素着手，采取相应的抑制措施：1、抑制干扰源，直接消除干扰原因;2、切断传播途径，消除干扰源与受扰设备之间的噪声、电磁耦合，或者提高传输途径对电磁干扰的衰减作用;3、加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力，降低对电磁干扰、噪声的灵敏度。

3.1 控制电子系统及信号电缆的电磁兼容设计

3.1.1 控制电子系统PCB的电磁兼容设计

电动汽车控制电子系统主要包括PWM逆变器的控制部分、车内的各种电子娱乐系统以及各种无线网络设备。其控制器中的PCB电路板是整个系统的硬件核心，其电磁兼容设计包括：

（1）地线设计：控制电路一般可采用多层电路板，中间层用于电源和地，电源电路、模拟电路与数字电路合理分区、各自接地。该措施可有效降低电源线和地线的阻抗，减少电路的环路面积及避免不同电路之间的公共阻抗耦合。

（2）光电隔离：控制电子系统的的外围处理电路及总线通讯电路可采用高速光耦与微处理器连接。光耦器件的寄生电容约为2pF，可对外围处理电路和总线上的高频干扰进行有效的隔离。

（3）滤波器设计：滤波器主要用来切断干扰源沿信号线以及电源线传播的路径。根据噪声源阻抗和负载阻抗的值，可选择的EMI滤波器的电路拓扑如下：低的源阻抗和低的负载阻抗，选取图2（a）T型滤波器结构;低的源阻抗和高的负载阻抗，选取图2（b）LC型滤波器结构;高的源阻抗和低的负载阻抗，选取图2（c）CL型滤波器结构;高的源阻抗和高的负载阻抗，选取图2（d）型滤波器结构。

（4）铁氧体元件的使用：可使用EMI抑制扁平电缆铁氧体用于控制扁平信号电缆的射频干扰;可使用EMI抑制电缆铁磁环用于抑制传感器电缆的射频干扰。

（5）合理布线：时钟及PWM等电路频率较高，必须控制这些电路的回路面积，远离敏感的模拟电路以降低串扰。

3.1.2 控制电子系统信号电缆的电磁兼容设计

在传统的燃油汽车电磁兼容设计中，基本上不考虑汽车内部信号电缆的屏蔽措施，但对于电动汽车，由于电机运行工况复杂，电磁环境恶劣，信号电缆的屏蔽措施是重要的考虑因素之一。

（1）总线信号电缆：该电缆可采用双绞线方式以减少回路面积，有效地抑制磁场干扰。

（2）传感器信号电缆：该电缆将各种位置传感器信息、电机温度传感器信息以及速度信息传送到控制器中。在设计中，一方面，电缆长度应尽可能短，以减少寄生电容和寄生电感。另一方面，可选用优质屏蔽电缆且屏蔽层双端接地，降低周围电磁环境对电缆信号线的容性和感性耦合。

3.2  功率电子系统的电磁兼容设计

功率电子系统主要包括PWM逆变器主电路及其驱动模块等，其中，PWM逆变器主电路由功率母线、功率器件、滤波电容、散热器等组成。由于此逆变器输出功率大，对体积重量要求较高致开关频率增加，所以对其EMC设计提出了更高的要求。

3.2.1 功率母線的电磁兼容设计

PWM逆变器设计中最大的问题是浪涌电压的存在。浪涌电压分为功率器件关断时产生的关断浪涌电压以及续流二极管反向恢复效应所产生的恢复浪涌电压。浪涌电压的产生主要是由于功率回路中不可避免地存在寄生电感L，当功率器件在驱动电路的作用下发生换流时，流过寄生电感的电流i发生突变，寄生电感产生阻止电流变化的电压L*di/dt，与直流母线电压叠加后作用在功率器件两端。这种瞬态的高压可能导致功率模块的损坏，也会产生大量的电磁干扰，由于这种干扰能量大，对于电动汽车系统中电压等级较低的设备的破坏可能是毁灭性的。

在PWM逆变器功率电路回路中，因为浪涌电压的能量与回路电感和电流平方的乘积成正比，因此，在功率电路电流等级较高时，寄生电感要足够小。由于必须考虑逆变器的结构设计和功率器件的散热设计，一般通过导线连接的方法会使功率电路的寄生电感较大，导致吸收电路设计较为困难。因此，对于大电流功率器件的应用场合，需要使用特殊的母线结构，一般使用迭层母线结构设计技术。在实际设计中，关键就是要降低直流母线的寄生电感。典型的IGBT功率器件下降时间达到40ns时，最大电磁辐射频率对应的波长为75m，该波长的1/4远大于控制器的尺寸，因此，直流母线结构可以用集总参数的等效电路来描述，其中的电路参数由母线结构的物理尺寸和所使用材料的电磁性质决定。

3.2.2 电压尖峰吸收电路的设计

功率器件两端的电压尖峰吸收电路能够吸收部分的浪涌电压，从而有效降低系统电磁干扰。吸收电路可以给每个功率器件模块设置缓冲电路，也可以在直流侧设置一个总的缓冲电路。主要的缓冲吸收电路见图3所示。

3.2.3 逆变器驱动电路电磁兼容设计

驱动电路主要干扰源有3种：电源产生的干扰、主电路的干扰、驱动电路之间的干扰。逆变器驱动电路中3个下桥臂共用1个电源，且与主电路共地。由于主电路存在寄生电感，功率器件开关过程中将产生很大的di/dt，使得回路上产生较大的感应电压，这个电压加在功率器件控制极两端，可能造成器件误导通。为了避免主电路的干扰，在控制极两端加入电容滤波器，同时通过直接接地，大大降低公共阻抗耦合以及因为开关电源引入的干扰。这种设计增加成本小，抗扰性能较强。但是由于共用电源，回路面积依然较大。在电磁兼容性能要求高的场合，可以使用每个驱动电路独立供电的设计。该电路进一步消除了干扰的影响，但由于每个驱动电路需要配置独立的开关电源，提高了成本和系统的体积。正常情况下，图4所示电路的设计基本能够满足电磁兼容设计的需要。

3.3 动力电池电源系统与电力传动系统的电磁屏蔽设计

对动力电池电源系统和电力传动系统的电磁辐射发射的测试研究表明，这类设备主要产生高达800MHz的射频噪声。而有效处理该电磁辐射的方法是切断辐射骚扰沿空间的传播途径，进行电磁屏蔽。电磁屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，将关键电路用一个屏蔽体包围起来，使耦合到这个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减，总的屏蔽效能等于吸收损耗与反射损耗之和。电动汽车中，动力电池电源系统和电力传动系统均为一些整体铸件，因此，电磁屏蔽设计的要点是妥善处理外部接口上的动力线、信号线开口和各部件之间的缝隙。为此采用金属接插件和屏蔽电缆对开口提供良好的电磁密封，采用导电布和铜箔粘接金属外壳上的缝隙以及电磁屏蔽的端接处，以消除缝隙引起的电磁泄漏。另外，信号电缆在端接处使用航空连接器保证与外壳的360度端接，以抑制辐射耦合。

4  结论

电动汽车内部电磁环境十分复杂，对系统运行将带来很大的电磁干扰，良好的电磁兼容性设计是电动汽车顺利可靠运行的关键。对控制电子系统、功率电子系统以及动力电池电源系统与电力传动系统进行EMC设计是电动汽车电磁兼容设计的难点，可通过对控制电子系统的PCB板及信号电缆的EMC设计，功率电子系统的功率母线、吸收电路及驱动模块的EMC设计，动力电池电源系统与电力传动系统的电磁屏蔽设计，可把电动汽车电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，从而得到电动汽车设计最高的效费比。

参考文献：

[1] 陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[2]周超.开关电源电磁兼容（EMC）研究[J].通信电源技术，2004，21（2）：16-19.

（作者单位：深圳市凯达尔科技实业有限公司）