电动工业车辆电驱系统电磁干扰形成机理及整改技术研究

刘栟玮 李可心

摘要：电动工业车辆电驱系统是工业车辆驱动系统的重要组成部分，电磁兼容性对保证工业车辆内部电气设备的正常运行具有重要影响。本文在深入研究电动工业车辆电驱系统内部电磁干扰（EMI）形成特性机理的基础上，对电动工业车辆电驱系统的内部电磁干扰形成特性进行分析并结合测试案例给出整改建议。对关于工业车辆电驱系统的电磁兼容性（EMC）的相关研究成果具有特定的参考研究意义。

关键词：电驱系统;电磁干扰;电磁兼容性

一、引言

近年来电动工业车辆快速发展，车载电器部件要满足相应 EMC 技术要求，就应了解其内部关键干扰源的产生机理，并做相应的测试及优化工作。由于整车电驱系统为各电器部件及连接线缆的集成体，设备之间的相互影响加剧了电磁环境的复杂性，内部电磁环境越来越恶劣会给整车造成各种不可控的干扰因素，信号传输异常、电子部件失效率增加、部件寿命问题等等都会受到不同程度的影响。

二、干扰形成机理

电动工业车辆的能量来源主要有铅酸电池或者锂电池，通过 IGBT 等功率转换器件向电机输出电能并将电能转化为机械能從而实现行走、起升和转向的动 作。电驱动系统主要由电机控制器、电机及三相动力电缆三部分组成，电驱动系统作为电动工业车辆关键动力部件，通过 CAN 信号与整车进行信号传输，电机控制器通过采集电机电流、速度等信号，并综合整车系统状态及整车控制指令，将来自整车的直流系统电逆变成交流电并驱动电机工作。

由于电动工业车辆特殊的使用工况，在正常使用时会频繁的进行启停、起升和转向操作，因此电机电枢绕组电流会出现突然中断的现象，当电机电枢绕组电流突然被切断时，由于电机定子励磁的原因会使得转子电枢绕组产生与原电动势相同方向的感应电势，而这同方向的感应电势会产生更高能量的瞬态过电压。这种瞬态过电压会通过传输线以传导的方式向整车其他控制电路或 CAN 总线进行传播，从而干扰模拟信号及数字信号的正常传输，最终导致整车电气系统误动作或报故障代码。此过程为典型的抛负载现象。

电动工业车辆的电机控制器产生的干扰同样不容忽视。控制器通常以 PWM（脉宽调制）信号对电机进行控制，其控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。并按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率，从而实现对电机的控制，基于这一控制方式，其 IGBT 开关频率可高达 4kHz 至 8kHz，在不同的开关频率下，电机控制器内部就会产生很高的 du/dt，由于电动工业车辆的大电流驱动方式，于是在逆变器与电机之间就存在了大幅值的共模电压和高 du/dt，这就形成了主要的干扰源，直接造成控制器内部低压电路信号失真影响控制器对整车的控制;另外，电机控制器输出的干扰信号也会通过传输线以传导的方式与低压线进行容性耦合及感性耦合从而影响电机驱动系统的正常运行。

电动工业车辆的主要电气设备/控制系统和其他车辆设备是否能兼容正常工作运行，重要的问题是所需要通过的 EMC 相关法规。因此，研究电动工业车辆电驱系统电磁兼容控制技术和驱动测试及整改技术，对提高车辆整车的驱动电磁兼容控制性能等就具有十分重要的现实意义[2]。

三、测试及整改

a）干扰来源：电机控制器。

产生机理：控制器内部的逆变单元工作时会产生较高的开关频率噪声。

传输路径：沿着动力线和电源回路向外传输，低频段以传导方式传输，高频段以空间辐射方式传输。

干扰波特征：干扰频率主要集中在 30MHz-50MHz 之间，以宽带信号干扰为主，能量较大。

整改方式：在控制器三相电缆输出端套镍新材料磁环或给三相电缆套屏蔽丝，控制器内部采用低噪声 mos 管，输出端完善滤波电路。

b）干扰来源：直流电机。

产生机理：工业车辆上像直流驱动电机或各类风扇在运行时，电刷和换向器之间会产生电弧火花，由此会引起强烈的电磁干扰。

传输路径：沿着电源线以传导的方式进入电路或以辐射的方式发射出去。

干扰波特征：干扰频率为 30MHz-1GHz 全频段，以窄带脉冲信号干扰为主，此类全频段干扰危害性较大，易干扰到广播信号及手机信号。

整改方式：电机内部应增加滤波电容来抑制干扰，电刷接触面研磨光滑和调整电刷位置来进行改善，在电机电源线上套镍新材料磁环。

c）典型抛负载案例

整车在运行过程中由于开关的切换，负载的通断瞬间会出现瞬时高电压的冲击，这类电压冲击破坏性比较大，轻者影响控制信号输出，重者直接烧毁电子元件，以下是某仓储类电动搬运工业车辆上因大电压冲击烧毁风扇的案例分享：

某搬运车在起升停止瞬间，系统电压会出现负电压冲击，冲击电压高达150V 左右，这么大的冲击电压使得整车上的散热风扇当场烧毁。分析电压冲击的来源是由于起升电机在停止瞬间，由于感性负载断电时会出现反向电压的影响所致，起升电流越大反向冲击电压就会越大。因此要想避免这种电压冲击的影响，需要在系统电路上加上用于吸收高电压冲击的元器件用于滤除这种大电压冲击对其它电气部件造成的影响。通常这种滤波元件选择大容量滤波电容并在正负极上即可。

四、结束语

电动工业车辆电驱动系统电磁干扰的抑制是一个系统性工程，若要使得整车内部电驱系统达到一个互相兼容的水平，需要在产品设计初期即针对控制板、驱动板、电源板、IGBT 等关键零部件进行电磁兼容仿真并不断针对电路板走线布局、机械结构布局、高低压线束走线布局等进行改进，而不是待产品定型后再加装相关滤波器等屏蔽措施进行“围堵”，这种被动整改措施不仅增加了物料成本、电路板及机械结构变更成本及人力成本，并且最终的屏蔽效果在某些频段也不一定有较大幅度的改善。

参考文献：

[1]侯群 张龙 彭馨 周一帆.汽车用直流电机的电磁干扰测试及抑制技术研究[J].江汉大学学报：自然科学版，2015：436.

[2]姜旭.电动汽车电机技术及其发展研究[J].财讯，2016：72.

[3]斐春松.纯电动汽车电磁兼容分析与电磁干扰抑制[J].汽车电器，2015.10：59-63