纯电动汽车电机控制器传导性电磁干扰的抑制

宋保林，陶银鹏

(1.河南交通职业技术学院，郑州 450005;2.郑州精益达汽车零部件有限公司，郑州 450016)

前言

由于纯电动汽车在环境保护和改善能源结构等方面的优势，使其成为各大车企开发新能源汽车的主流方向之一。某车厂研发的一款全新结构的纯电动汽车采用动力锂电池包作为能量源，直流无刷电机系统作为驱动器，电动空调作为车载空调器。该款纯电动汽车电机控制器和电动空调采用共高压母线的方式进行电能分配供给，如图1所示。

电动空调压缩机的型号为1500W/288VDC，工作时的额定电流为5A，采用10A/600VDC熔断器。在对该纯电动汽车进行台架测试和试验场路试时，多次发生车载空调压缩机熔断器熔断故障;将熔断器型号更换为30A/600VDC，远大于空调压缩机的额定工作电流，又发生多次熔断故障;将熔断器短接，但仍发生了空调压缩机控制器烧毁故障。

由上述情况可知，造成电动空调压缩机熔断器熔断的电流必定远大于30A，初步判断该电流为其他共母线电器在工作过程中产生的传导性电磁干扰——纹波电流所致。针对此故障现象，本文中将从故障发生原因、故障再现测试、提出解决措施和措施验证测试等方面来研究如何抑制纯电动汽车电机控制器传导性电磁干扰。

1 试验分析

1.1 直流无刷电机系统的工作原理

直流无刷电机系统是由电机本体、转子位置传感器和电子换相电路3大部分组成，其中转子位置传感器和电机本体构成电机，电子换相等相关控制电路构成电机控制器。

在直流无刷电机的运行过程中，电机控制器根据转子位置传感器的输出信号，通过电子换相电路去驱动和电枢绕组连接的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断发出信号，电子换相电路控制功率开关器件依次通断，以改变电枢绕组的通电状态，使在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，作用在电枢上的电磁转矩和电机的旋转方向始终不变，这就是直流无刷电机的工作原理，如图2所示。

1.2 纹波电流的产生

该纯电动汽车采用的驱动电源为动力锂电池包，无纹波干扰电流。故纹波电流来自电机控制器，电机控制器采用 PWM控制方式，其频率可高达10kHz，电机控制器工作时产生输出频率下的纹波电流和开关频率下的纹波电流均为幅值很大的纹波电流，这两种纹波电流是所有电机控制器自身无法消除的，只能利用滤波电容来吸收。故在电机控制器和空调压缩机的直流电源输入端都已装有吸收纹波电流的滤波电容。

1.3 故障再现试验和分析

为深入分析故障发生的原因，进行了空调压缩机熔断器故障再现试验，通过采集发生故障时各相关电气参数的变化来分析发生故障的根源。

采用底盘测功机、YOKOGAWA功率分析仪WT3000和LEM霍尔传感器LF1005－S来监测各种工况下的母线电压变化及流过电机控制器和空调压缩机的电流，然后进行分析。测试方式如图3所示。

根据车辆发生故障时的路试工况，设定故障再现试验工况:①先将钥匙转到ACC挡，开启空调压缩机;②将钥匙转到ON挡，电机系统上电;③轻踩加速踏板，电机缓慢转动;④急踩加速踏板，多次将车辆急加速;⑤松开加速踏板，车辆滑行直至停止。在上述过程中，使用功率分析仪监测记录母线电压、流过空调压缩机控制器的电流、有功功率和无功功率。功率分析仪数据记录频率为20Hz。

测试结果如图4所示。

由图4可见，在空调压缩机单独工作或电机低速稳定运转时，电动空调压缩机的电流和功率都是稳定的正常值。当车辆急加速、电机系统转速急剧增加、电机控制器大功率工作时，虽然空调压缩机的有功功率处于稳定的正常值，但在空调压缩机控制器上产生高达32kV·A的无功功率，从而产生了高达150A的冲击电流。

根据实际测试情况初步可以判断，在进行该试验时，仅电机控制器和电动空调压缩机共直流母线，根据测试工况可知，电机控制器大功率工作时，产生了过高的无功功率，并通过共用的直流母线传导至空调压缩机控制器，在空调压缩机控制器上产生冲击电流，导致空调压缩机熔断器频繁烧毁。

2 传导性电磁干扰的产生和抑制

2.1 传导性电磁干扰的产生

传导性电磁干扰是指电磁能从一个电子设备(或电路)通过传导影响另一个电子设备(或电路)的过程。纹波电流是电流中的高次谐波成分，会带来电流或电压幅值的变化而出现传导性电磁干扰，甚至导致器件击穿。如果母线上某个支路的纹波电流成分过大，超过了用电器件所容许的最大纹波电流，就会导致器件烧毁。

电机控制器和空调压缩机控制器采用共直流母线的方式供电，产生的纹波电流会在母线上流动，纹波电流优先流向容抗小的支路。容抗的计算公式为

式中:Xc为电容容抗;ω为角频率;f为频率;C为电容值。可见容抗和容量成反比，和频率成反比。电容量大，交流电容易通过电容，电容的阻碍作用小;交流电的频率高，交流电也容易通过电容，电容的阻碍作用也小。

空调压缩机控制器端滤波电容容量为6个82μF的电容并联，共计492μF/DC400V，电机控制器端滤波电容容量为2个150μF的电容并联，共计300μF/DC600V。可见，空调压缩机控制器滤波电容大，容抗小，因而电机控制器在母线上产生的传导性电磁干扰-纹波电流优先流入空调压缩机控制器，导致其熔断器频繁烧毁。为解决此问题，须增大电机控制器输入端的滤波电容，可减少纹波电流对共母线用电设备的电磁干扰，且改善母线供电性能。

2.2 抑制措施和验证分析

抑制传导性电磁干扰的主要措施是增大电机控制器输入端滤波电容容量和在电机控制器直流输入端并联容量大的电容。考虑到电容容量大、容抗小的性质，并联了4 700μF的电容C2，连接方式如图5所示。

按照上述工况进行验证，结果如图6所示。由图6可见，电机控制器的无功功率得到补偿，降低了无功功率引起的传导性电磁干扰。在空调压缩机单独工作或者电机低速稳定工作时，压缩机的电流和功率都是稳定的且处于正常值。当车辆急加速、电机系统转速急剧升高时，空调压缩机的有功功率处于稳定的正常值，空调压缩机的无功功率也得到了很好的抑制，空调压缩机上的电流处于稳定的正常值，无过大冲击电流产生。由于补偿了电机系统的无功功率，提高了电机系统的效率，相应的动力电池包的输出功率减少，从而减少动力电池深度放电的几率，还可延长动力电池的使用寿命，提高整车的续航里程和使用寿命。

3 结论

针对某款纯电动汽车试验时发生的故障，深入研究纯电动汽车高压系统传导性电磁干扰的抑制和无功功率的补偿。电动汽车在高压系统设计时要考虑传导性电磁干扰的影响，对共直流母线的用电器件要充分考虑纹波电流的抑制和设计合理的滤波电路。电机控制器在设计时要考虑到自身的无功功率补偿，减少对共母线器件的传导性电磁干扰，降低动力电池包的负荷，提高电机系统和整个高压动力系统的效率。

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