电动汽车电机驱动系统传导EM I预测建模与试验＊

龙海清 郑玲

（重庆大学机械传动国家重点实验室）

电动汽车电机驱动系统传导EM I预测建模与试验＊

龙海清 郑玲

（重庆大学机械传动国家重点实验室）

以某微型电动汽车电机驱动系统为研究对象，综合考虑其传导共模干扰和差模干扰相互之间的影响，构建了整个电机驱动系统传导EMI的预测分析模型。仿真预测结果与实测结果变化趋势一致，表明了所建立的电机驱动系统传导EMI预测模型的正确性和有效性。该电机驱动系统传导EMI预测模型可为电机驱动系统EMC方案设计提供理论分析手段。

1 前言

近年来，电动汽车电机驱动系统EMI预测分析与试验研究一直是电动汽车领域的研究热点。Chen C等[1]建立了电动汽车驱动系统的传导EMI模型，估计了直流母线的噪声频谱，并进行了试验验证；Frei S等[2]建立了电动汽车驱动系统的传导干扰模型，但模型对传导干扰规定的0.15～30MHz频段内的预测精度不高；Youn H L[3]建立了混合动力电动汽车驱动系统各部分的高频模型（包括IGBT、线缆和逆变器），并搭建了等效电路模型，较准确地预测了驱动系统的传导干扰；Tao Q和Lei X[4,5]提出了分段线性IGBT模型的一种行为建模方法；肖芳等人[6]对PWM电机驱动系统的传导EMI机理进行了研究，提出了频域噪声源建模方法；孟进等人[7]以典型的PWM变频驱动电机系统为对象，研究了干扰通道寄生参数和高频干扰源的建模方法。

本文以某电动汽车电机驱动系统为研究对象，考虑传导共模干扰和差模干扰相互之间的影响，建立了整个电机驱动系统的传导EMI模型，并进行仿真预测和试验研究，验证了电机驱动系统传导EMI建模方法的正确性和有效性。

2 建模流程

电动汽车电机驱动系统传导EMI预测建模流程如图1所示。首先建立电机驱动系统传导EMI传播路径中的主要部件，如逆变器的非屏蔽电缆和电机以及逆变器模型，再建立其它各部件的电路模型，最后按电机驱动系统实际连接情况获得整个系统传导EMI预测模型。预测建模的关键是准确获得各部件参数，为此采用解析法、数值法和测量法相结合的方式来准确表征各部件参数。

3 电路模型建立

3.1 电缆高频电路模型

基于多导体传输线理论，建立逆变器输入、输出非屏蔽电缆高频电路模型[8]，其基本电路拓扑如图2所示。输入、输出电缆相比于电磁波长属于电大尺寸，这里采用N级级联的方式，每一微分小段等效为电阻R△Z、漏电导G△Z、电感L△Z和电容C△Z组成的网络，△Z为微分小段尺寸。由于存在电缆绝缘层，导线之间的电导可忽略。

单位长度电阻为:

式中，f为频率；μ为内导体磁导率；γ为内导体电导率；S为电流分布面积；r为电缆内导体半径。

静态电磁场能量与电缆内导体电感参数和电容参数间的关系为:

式中，Wm为多导体传输线系统的静态磁场能量；Ip和Iq分别为两电缆内导体流过的电流；lpp为导体对地自感；lpq为两导体之间的互感；We为多导体传输线系统的静态电场能量；Up和Uq分别为两电缆内导体流过的电压；cpp为导体对地电容；cpq为导体对另外一根导体的电容。

电缆参数为:内导体材料为铜，半径为4.72mm；绝缘层材料为耐热聚氯乙烯，厚为1.2mm；两输入电缆的中心距离为3.5 cm，离地间隙为2 cm，长度为1.6m；三输出电缆的中心距离为3.5 cm，排成一列，离地间隙为2 cm，长为1.2m。

根据电缆参数，计算电缆单位长度电阻为34.215mΩ。在Maxwell 2D中建立逆变器两输入电缆模型和三输出电缆模型，分别加载边界条件和电流、电压激励源，并仿真计算得到逆变器两输入动力电缆和三输出动力电缆的单位长度电感矩阵和单位长度电容矩阵。

将输入输出电缆平均分成两微分小段，每微分小段分别为0.8m和0.6m，其等效电路模型如图3和图4所示。

3.2 电机等效电路模型

基于阻抗幅频特性，采用谐振单元来等效建立电机高频电路模型。单相等效电路模型如图5所示，由共模阻抗Zcm和差模阻抗Zdm组成[9]。

通过实际测量电机端口差模阻抗和共模阻抗幅频特性曲线，间接获得Zcm和Zdm，端口连接方式如图6所示。

图7为实际测量的交流感应电机端口共模阻抗和差模阻抗幅频特性，经数据处理后可获得单相电机共模阻抗Zcm和差模阻抗Zdm的幅频特性曲线，如图8所示。根据图8并结合串并联谐振单元阻抗表达式，可计算出谐振单元的R、L、C等参数，如表1和表2所列。

表1 Zcm串联谐振单元的R、L、C参数

表2 Zdm并联谐振单元的R、L、C参数

根据表1和表2的谐振单元参数建立单相Zcm和Zdm等效电路，如图9所示。

根据单相等效电路拓扑及其Zcm和Zdm的等效电路，采用星型连接的方式建立交流感应电机的高频等效电路模型，如图10所示。

3.3 干扰源模型

将IGBT开关管集电极与发射极之间的梯形脉冲电压作为电机驱动系统EMI干扰源。图11为SPWM驱动电机系统IGBT驱动电路。由调制正弦波和三角载波通过比较器输出高低电平，再经光耦隔离、推免放大、栅极电阻输出IGBT驱动电压。

3.4 其它部件模型

在电动汽车电机驱动系统传导干扰实际测量中，还包含驱动主电路的蓄电池、传导测试所必备的LISN(线路阻抗稳定网络)以及IGBT与散热片之间的寄生电容。

本文所研究的电机驱动系统的主电路驱动电压为48 V，因此对于系统预测仿真模型，直接在电路仿真软件Saber中采用48 V的直流电压源作为蓄电池等效模型。LISN采用50Ω稳定阻抗，根据厂家提供技术手册，可得其等效电路如图12所示。

IGBT模块与散热片之间的寄生电容为:

式中，ε0=8.8×10-12F/m；εr为绝缘介质介电常数，εr= 8.5；A为IGBT模块与散热片的接触面积；d为绝缘层厚度。

本文采用的逆变器型号为AC-S1，其A=140× 32mm2，d=0.9mm，则IGBT模块对散热片的寄生电容为Cpi=124.11 pF。Cpi是指IGBT模块3个桥臂中每个桥臂的寄生电容。

4 仿真与实测结果对比分析

4.1 仿真模型

根据前述电机驱动系统预测建模流程，将建立好的逆变器输入输出电缆、电机、蓄电池、LISN以及IGBT与散热片之间的寄生电容等电路模型按照电机驱动系统实际连接情况连接，最后得到整个电机驱动系统传导EMI预测仿真模型。

4.2 结果对比分析

为验证所建电机驱动系统EMI预测模型的准确性，在标准CISPR 25规定的0.15～30MHz范围内对电机驱动系统进行传导EMI测试，试验布置如图13所示。主要测试直流母线侧和电机侧的传导共模电流和差模电流。

电机侧传导共模电流和差模电流频谱特性的仿真结果与试验测试结果对比如图14所示。由图14可看出，在传导干扰规定频率0.15～30MHz范围内，两者变化趋势基本一致，图14a中的电机侧共模干扰电流幅值变化范围为-60～70 dBμA，两者误差约为16 dBμA，图14b中差模干扰电流幅值变化范围为-40～75 dBμA，最大误差约为20 dBμA。在整个频率范围内，电机侧共模和差模干扰电流幅值衰减明显，且存在大量高次谐波。

图15为直流母线侧传导共模电流和差模电流频谱特性预测仿真分析结果与试验测试结果对比。从图15可看出，在传导干扰频率范围内，两者变化趋势基本一致。图15a中直流母线侧共模干扰电流幅值变化范围为-30～70 dBμA，最大误差约为28 dBμA；图15b中差模干扰电流幅值变化范围为-15～60 dBμA，两者平均误差约为13 dBμA。在整个频率范围内，直流母线侧共模和差模干扰电流幅值衰减明显，存在大量高次谐波。

5 模型误差分析

由上述可知，电机驱动系统传导共模干扰电流和差模干扰电流预测仿真分析结果与试验测试结果之间存在一定误差，引起误差的主要原因为:

a.在建立电机驱动系统传导EMI预测模型时，很多在实际电机驱动系统中存在的分布参数未考虑，如逆变器内部PCB板的寄生参数；

b.建立逆变器输入和输出电缆高频电路模型时，未考虑单位长度电阻随频率的变化，以及用数值法计算单位长度电容和电感时对电缆的建模做了近似处理；

c.在建立交流感应电机等效电路模型时，所采用的谐振单元等效方法存在一定误差；

d.电机端阻抗特性的测试是在电机静止工况下进行的，并未考虑电机实际运行工况下阻抗发生的相应变化。

但从预测仿真与试验测试结果的整体对比看，两者之间的误差均在可接受的范围内，由此证明了所建立的电机驱动系统传导EMI预测模型是正确有效的。

6 结束语

本文采用解析法、数值法和测量法获取电动汽车电机驱动系统EMI预测模型参数，建立了各主要部件的高频电路模型，构建了整个电机驱动系统传导EMI预测模型。仿真和试验结果表明，仿真与实测结果变化趋势一致，证明所建立的电机驱动系统传导EMI预测模型是正确有效的，可为电机驱动系统EMC方案设计提供理论分析手段。

1 Chen C,Xu X.Modeling the conducted EMIemission of an electric vehicle（EV）traction drive.Electromagnetic Compatibility.IEEE International Symposium on.IEEE,1998,2: 796～801.

2 Frei S,Jobava R G,Karkashadze D,et al.Calculation of low frequency EMC problems in large systems with a quasistatic approach.Electromagnetic Compatibility,International Symposium on.IEEE,2004,3:798～803.

3 Lee Y H,Nasiri A.Analysis and modeling of conductive EMI noise of power electronics converters in electric and hybrid electric vehicles.Applied Power Electronics Conference and Exposition,Twenty-Third Annual IEEE. IEEE,2008:1952～1957.

4 Tao Q,Jeff G.Characterization of IGBTModules for System EMI Simulation.IEEE International Symposium on Power Electrics Conference,NY,USA,2010:2220～2225.

5 Lei X,Frank F.Behavioral Modeling Methods for Motor Drive System EMIDesign Optimization.IEEE International Symposium on Energy Conversion Congress and Exposition, NY.USA,2010:947～954.

6肖芳,PWM驱动电机系统传导电磁干扰预测的研究:[学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012.

7孟进,马伟明,张磊.PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型.中国电机工程学报,2008,28（15）:141～148.

8闻映红,周克生.电磁场与电磁兼容.北京:科学出版社, 2010.

9 Idir N,Weens Y,Moreau M,etal.High-frequency behavior models of AC motors.Magnetics,IEEE Transactions on, 2009,45（1）:133～138.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2014年8月18日。

Predictive Modeling and Test Validation of Conducted EM Iof Electric Vehicle Motor Drive System

Long Haiqing,Zheng Ling
（State Key Laboratory ofMechanical Transmission,Chongqing University）

Considering the interaction of common mode interference and differentialmode interference,we take the motor drive system of a mini electric vehicle as research object and build a predictive and analysismodel of conducted EMI of the whole motor drive system.The results of simulative prediction and measured results show the same variation trend,which indicate that the built conducted EMI prediction model is correct and valid,and the model provides a theoretical analysis tool for the EMC design ofmotor drive system.

Electric vehicle,Motor drivesystem,Conducted interference,Predictivemodeling

电动汽车电机驱动系统传导干扰预测建模

U469.72

A

1000-3703（2014）09-0008-05

国家自然科学基金（51275541）和重庆大学机械传动国家重点实验室自主研究课题（0301002109165）资助。