浅谈新能源汽车电机驱动电磁干扰产生机理

樊贵全

中国汽车工程研究院股份有限公司 重庆市 401122

1 前言

为应对日益严峻的石油危机以及环境问题，大力发展新能源电动车已经成为国家的大战略方针。近些年在国家政策的扶持下，国内电动汽车产业得到了快速发展，我国也成为了新能源汽车制造大国。相对传统燃油车，电动汽车具有环保节能等诸多优点，尤其是近年来国内油价屡破新高使得燃油汽车的使用成本居高不下，此时电动汽车的优势就更加明显了，据相关权威机构研究法发现，电动汽车的使用成本相对燃油汽车一年将要减少8000～10000 元之间。相对于传统燃油车电动车具有结构简单，维护成本低廉，节能环保等诸多优势，但是电动汽车装备了大量的车载大功率电子装置，这使得电动车在工作时容易产生强烈的电磁干扰现象(Electromagnetic Interference，EMI)，因 此电动汽车也面临着极为严重的电磁兼容问题(Electromagnetic Compatibility，EMC)，如何解决电动汽车的电磁兼容问题也是电动汽车制造商面临的关键难题。并且随着汽车工业的发展电动车的物联网应用也越来越普及，相对传统燃油车电动汽车由于搭载了越来越多的终端电子设备，同时由于车身结构设计紧凑性要求，使得电子设备的布置也越来越集中，加上最近几年来车联网的兴盛越来越高端的车载通信设备河导航设备也越来越普及了，使得汽车配置了大量电子设备，且电子设备的工作频率从几赫兹到几兆赫兹，产生极为复杂的电磁干扰环境，给汽车电子元件工作带来极大的安全隐患。因此如何高效解决汽车电磁兼容问题已经迫在眉睫[1-5]。

为了对电动车电磁兼容进行规范化，国际相关机构制定了相关的法规进行明确的技术要求，其中GB/T4365-2003《电磁兼容术语》对电磁兼容进行了详细的定义：“设备以及相关系统在其电磁环境中具备维持正常工作能力，同时对环境中的任何事物都不能造成不可承受的电磁干扰[6-8]”。针对汽车领域来说电磁兼容主要是指汽车的各个电子零部件或者独立的电子工作单元在汽车稳定运行期间不能够到相关的电磁干扰从而影响其工作的稳定性。由于电动汽车电子元器件装配紧凑，大量的电子器件安装在狭小的机舱内部，众多电子元器件势必会产生复杂的电磁干扰，轻者影响部分电子元件的稳定工作，重者会导致部分关键电子元件丧失工作能力从而造成严重的安全事故。

从国内汽车电子兼容技术领域的发展来看，我国的技术研究起步先对国外要晚了很多，并且技术也相对落后很多，很多技术领域都是处于追踪学习阶段，没有形成完整的系统系技术研究，加上国内汽车制造商对汽车电磁干扰的关注程度也不够重视因此对汽车电磁干扰技术领域的研发投入也较少，导致国内汽车电磁干扰技术一直处于停滞状态。近年随着我国汽车工业的快速发展，尤其是国家对新能源汽车的政策性倾斜，使得我国的新能源汽车领域得到了前所未有的发展。我国生产的新能源汽车不仅质量得到大幅提高价格也具备十足的优势，因此我国的对外汽车贸易也得到飞速发展。受益于汽车对外贸易的发展，国内对汽车电磁干扰的关注也越来越关注，因此有实力的汽车制造商也纷纷建立起了高水平的电磁兼容实验室。其中比较知名的汽车电磁兼容实验室有，中国汽车工程研究院股份有限公司的EMC 电磁兼容实验室，中国汽车技术研究中心电磁兼容实验室，一汽集团电磁兼容实验室等。这些电磁兼容实验室能够满足国内汽车制造商的绝大部分的电磁兼容技术开发要求，所具备的实验能力也能满足国内法国多电磁兼容的开发要求，但是上不满足欧美发达国家对汽车电磁兼容的更高要求。除了上述汽车制造企业，国内一些汽车强校也纷纷对汽车电磁兼容进行了相关研究，例如吉林大学[9-10]有部分教师也专注于汽车电磁干扰的研究，并且他们主要是重点研究了电动汽车上的供电系统和用电元器件的电磁干扰的产生机理和如何有效的进行防治。

因此面对电动汽车内部复杂的电磁干扰环境，如何去有效避免电磁干扰产生负面影响，进行有效的防治是当前国内外专家学者面临的重大课题。

2 电驱动系统电磁干扰研究

2.1 电驱系统结构

电动汽车的动力系统与传统汽车完全不同，电动汽车主要采用高压电机驱动系统作为车辆的主要动力来源。其动力系统详细如图1 所示。

从图1 可知，该系统主要包括了动力电池包、电动驱动系统，高压转换系统等三电控制系统。动力电池包的额定电压高达144伏特，电机的最大输出功率高达18000 瓦特，汽车全负荷稳定工作期间变换器稳定工作期间 IGBT 两端的最高实际电压可达150 伏特。驱动系统中的高功率元器件的dv dt/和di/dt 开关特性、以及电机的转速和扭矩的变化都会产生很高的电压和十分大的频率带的电磁干扰。这将严重干扰汽车的相关安全驾驶系统和智能驾驶系统的正常工作，甚至导致安全事故。

图1 电机驱动系统结构图

3 几种常见的电磁干扰

本文主要研究对象为一款纯电动汽车的电机驱动系统，其高压驱动系统为动力电池包，动力电池的工作电压是320V。本文主要基于该电动车电驱动系统进行（GB18655）测试，分别研究了DC/AC 工作期间电磁干扰的产生机理，动力电池正极电源线传导骚扰测试，DC/AC 控制器负极电源线传导骚扰测试，电场强度水平方向测试，电场强度垂直方向测试。以对电磁干扰产生的机理进行比较全面细致的研究。

3.1 DC/AC 工作期间电磁干扰的产生机理

图2 为制动状态下的DC/AC 中IGBT的零端电压，从图中制动状态下电压的变化最高可达150V。图3 为启动状态下DC/AC电源线上的电流，从图中可知可知在启动状态下，电源线上的电流变化量可高达60A。

图2 制动状态下 DC/AC 中 IGBT 两端电压

图3 启动状态下 DC/AC 电源线上的电流

整体上分析电机驱动系具有高电压变化率、大电流变化率等特性，容易产生强磁场，使其影响周围其他电气系统的正常工作。

3.2 动力电池正极电源线传导骚扰测试

图4 为动力电磁电源线上的传导骚扰按照法规标准（GB18655）测试结果。从图可知该在大多数的电磁波频段范围内该车的车载电驱动系统的高压驱动系统的电源线传导骚扰的最大值和平均值都远远超过了法规规定的最大值，这将潜藏极大的安全隐患，因此是不满足要求的。

图4 动力电池正极电源线传导骚扰测试结果

3.3 DC/AC 控制器负极电源线传导骚扰测试

图5 为DC/AC 控制器12V 电源线上的传导骚扰标准测试结果，结果显示其平均值在某些频段超标，其中图中红色点和黑色点为重点超标频点。

图5 DC/AC 控制器负极电源线传导骚扰测试结果

3.4 电场强度水平方向测试

图6 为电场强度水平方向测试，从图中可知电机驱动系统受到了超标准的电磁辐射影响，严重影响电机驱动性能。

图6 电场强度水平方向测试

3.5 电场强度垂直方向测试

图7 为电场强度垂直方向测试，从图中可知电机驱动系统受到了超标准的电磁辐射影响，严重影响电机驱动性能。

图7 电磁强度垂直方向测试结果

4 结论

1）电机驱动系统正常工作期间IGBT 高频率的开关会产生高强度的电磁脉冲，是电机驱动系统的主要电磁干扰源之一。

2）电机驱动系统的电源线也是电磁干扰源的主要来源之一。

3）电机驱动系统工作中产生的高强度的电磁波干扰，也是电动汽车重要的电磁干扰源之一。