电动汽车电机驱动系统分布参数对传导电磁干扰影响研究

翟丽，张新宇，李广召

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)



电动汽车电机驱动系统分布参数对传导电磁干扰影响研究

翟丽，张新宇，李广召

(北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081)

构建了电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰测试平台，研究电动汽车电机驱动系统带载工况下分布参数对传导电磁干扰的影响. 通过测试比较电机驱动系统带载工况下和空载工况下产生的传导电磁干扰，分析系统高低频差模干扰和共模干扰的传播路径，建立相应的等效电路，在频域内分析了传导电磁干扰产生的机理和分布参数对传导电磁干扰的影响. 测试结果表明，适当增大电机控制器内部功率器件对地分布电容和直流动力线缆对地分布电容可减小系统产生的高频传导电磁干扰.

电动汽车；电机驱动系统；传导电磁干扰；分布参数

电机驱动系统是电动汽车的核心部件，随着电动汽车电机驱动系统向高功率密度和小型化发展，IGBT等功率器件的开关速度越来快高，产生较大的du/dt和di/dt，并通过电机控制系统的分布参数形成了严重的宽频传导和辐射电磁干扰(EMI)，因此，系统分布参数现在变得不可忽略. EMI不仅会导致系统及车辆关键零部件损坏或者功能降级，并且会使系统及整车电磁兼容(EMC)性能变差，甚至影响人身、邻车安全性[1].

目前，电动汽车的EMC研究主要是围绕系统装车后整车的EMC性能展开的[2-3]，对电机驱动系统自身产生的EMI的机理和传播途径研究较少. 国内外很多学者都分析过电机驱动系统传导共模(CM)干扰和差模(DM)干扰传播路径[4-6]，但是很少考虑频率变化对系统分布参数和传播路径的影响. 由于针对电动汽车电机驱动系统等高压零部件EMI的测试标准和规范不完善，并且现有的电波暗室大都不能对电机驱动系统带载工况下的EMI进行测试[7-8]，所以很多学者仅对电机空载运行时的传导EMI进行了测试. 但是电机驱动系统正常工作情况多为带载情况，而且带载工作时电流更大，产生的电磁干扰更为严重，所以对研究带载工况下电机驱动系统产生的EMI的机理和传播途径更为重要. 尽管有学者对电机驱动系统进行了带载传导干扰测试[9]，但并没有分析EMI产生的机理. 将电机作为电机驱动系统的主要干扰源或者将逆变器作为黑盒子来分析传导EMI源和传输路径，没有考虑逆变器内部拓扑结构、分布参数和功率开关的实时工作状态. 因此，电机驱动系统带载工况下的EMI特性的研究较少，系统带载工况下分布参数对EMI的影响也不清楚.

文中通过搭建电动汽车20 kW永磁同步电机驱动系统传导干扰测试实验平台，进行了电机带载和空载情况下的传导EMI测试，将逆变器视为主要干扰源，分析了产生超标点的高低频两种情况下系统中差模干扰和共模干扰的传播路径，并建立了相应的等效电路，在频域内分析了传导EMI产生的机理和系统分布参数对传导EMI的影响. 最后，利用建立的平台进行了系统传导干扰测试，分析了电机带载工作过程中电机控制器内部功率器件对地分布电容和直流动力线缆对地分布电容等分布参数对传导EMI的影响.

1 传导EMI传播路径分析及等效电路建立

如图1所示的电机驱动系统传导EMI测试平台主要由直流电源、人工电源网络(LISN)、接收机、电流钳、直流动力线缆、逆变器、交流动力线缆、电机、测功机等部分组成. 其中电源电压为288 V；人工电源网络型号为ESH3-Z6；接收机型号是ESU40；电流钳型号为F-55A；LISN与逆变器之间的两根直流动力线缆均为圆线，线缆内部为铜芯，铜芯直径为10 mm，外部被橡胶包覆，长度为1.5 m；逆变器中功率器件为IGBT；三根交流动力线缆材质与直流动力线缆相同，长度为0.8 m；电机为20 kW永磁同步电机；测功机为电机提供负载. 接收机可通过LISN测得系统产生的传导电压，也可结合电流钳测得直流动力线缆单根电流和共模电流.

电机工作在空载情况及电机工作在2 000 r/min、30 N·m稳定工况下的正极传导电压如图2所示. 在标准GB/T18655规定的150 kHz～108 MHz的测试范围内，系统产生的正极传导电压在带载情况下均超过空载情况，说明电机带载工作过程中产生的传导EMI更为严重. 由于电动汽车电机驱动系统的传导EMI测试标准尚未出台，图3采用标准GB/T18655《车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法》中无线电干扰信号的限值，可以看出带载工况下，电机驱动系统产生的传导干扰在530 kHz～108 MHz的范围内均超过规定的限值，说明电机驱动系统产生传导EMI将会影响车载接收机的正常工作，并可能影响车内其他电控部件，甚至威胁整车及邻车的可靠性和安全性.

传导EMI在30 MHz和500 kHz两个高低频不同频点附近干扰最大，针对这两个频点对传导EMI的传播路径进行高低频不同频率的分析，利用矢量网络分析仪提取相关参数如表1所示. 其中Lx=10 nH,LM=0.60 nH,RL1=RL2=50 Ω. 结合参数值分析30 MHz和500 kHz的共模和差模干扰传播路径并建立相应的等效电路，如图3、图4和图5所示. 电机驱动系统中的传导EMI可分为差模干扰和共模干扰两种，差模干扰的产生是由于系统中的IGBT在快速通断时将会在直流母线线间产生差模噪声电压，差模噪声电压通过系统回路及分布参数形成差模干扰电流，差模干扰传播路径如图3(a)、图4(a)所示. 然而，高频共模干扰的产生是由于IGBT快速通断的du/dt通过动力线缆、逆变器、电机和分布电容形成了共模电流. 由于电机控制器中三相桥臂对称，文中仅用一个桥臂中点产生的干扰电压作为干扰源，分析差模干扰和共模干扰的传播路径.

表1 电机驱动系统内各参数测量值

图中S1～S6分别代表逆变器中的6个IGBT；C1～C6分别代表S1～S6集电极和发射极之间的极间电容；CX和LX等效为逆变器内部直流正负极间滤波电容；人工电源网络等效为RL1、CL1、RL2、CL2构成的电路；电机等效为星形连接的3个等值电感LM，CUV为U、V两相交流动力线缆间电容；CUW为U、W两相交流动力线缆间电容；C7为第一个桥臂中点对地电容；C8为上桥臂集电极对地电容；C9为下桥臂发射极对地电容；C10为电机中性点对地电容；CY1为正极动力线缆对地电容；CY2为负极动力线缆对地电容.

根据干扰传播路径建立等效电路如图3(b)～5(b)所示. 其中，ZU为U相交流动力线缆阻抗，ZV为V相交流动力线缆阻抗，ZW为W相交流动力线缆阻抗，Zdc1为正极直流动力线阻抗，Zdc2为负极直流动力线阻抗，UDM1和UDM2分别为一根桥臂上的30 MHz和500 kHz时差模干扰电压，UCM为30 MHz时一根桥臂上的共模干扰电压，因为控制器内部三根桥臂的对称性，总的EMI为三根桥臂上差模干扰和共模干扰的叠加.

2 各分布参数对传导EMI的影响

图3(b)、图4(b)和图5(b)中的电流I1、I2和I3分别为流过LISN的干扰电流，因此流过LISN中RL1的总电流为

(1)

根据3(b)可得

(2)

式中：Z1为C4、ZU、CUV、ZV、C6、CUW、ZW、C2的串并联阻抗；ZX为CX和LX的串联阻抗；Z2为Zdc1、CL1、RL1、RL2、CL2的串联阻抗.

根据图4(b)可得

(3)

式中：Z3为ZU、LM、LM、ZV、C6、LM、ZW、C2的串并联阻抗.

根据图5(b)可得

(4)

(5)

式中：Z4为ZU、LM、C10的串联阻抗；Z5为C8、CY1、Zdc1、CL1、RL1的串并联阻抗；Z6为C9、CY2、Zdc2、CL2、RL2的串并联阻抗；ZL1为CL1、RL1的串联阻抗. 因此总的干扰电流为

(6)

由于RL1上所得总电压即为电机驱动系统正极传导电压，该电压与IR成正比. 对于某型号的电机驱动系统产品，系统中的参数如C1～C6、CX、LX、LM通常为定值，系统装车后参数Zdc1、Zdc2、ZU、ZV、ZW的范围也是一定的，但是CUV、CUW、C7～C10、CY1、CY2等分布参数由于系统布局布线的不同可以有所变化，从而可以改变系统产生的传导EMI，文中主要研究改变直流线缆对地电容CY1、CY2和控制器对地电容C7、C8、C9对传导电磁干扰的. 根据式(6)可得出各分布参数对传导EMI的电流I3影响如表2所示.

表2 各分布参数对传导EMI的影响

为了验证表2中各参数对传导EMI的影响，分别撤掉试验中电机控制器和直流线缆下的泡沫板，减小电机控制器对地分布电容和直流线缆对地分布电容. 根据图3(b)、4(b)、5(b)的等效电路可知参数C7、C8、C9、CY1、CY2的大小主要与系统产生的共模电流有关. 如图6所示，减小控制器对地分布电容C7、C8、C9，共模电流在45～70 MHz的频段范围内增大，减小直流线缆对地分布电容CY1、CY2，共模电流在30～50 MHz范围内增大，与表2结论相符.

3 结 论

通过搭建电动汽车20 kW永磁同步电机驱动系统传导干扰测试实验平台，证明电动汽车电机驱动系统带载工况下产生的传导EMI在150 kHz～108 MHz的频率范围内均大于空载工况下系统产生的传导EMI. 根据30 MHz和500 kHz两个高低频不同频点情况下系统中差模干扰和共模干扰的传播路径，建立了相应的等效电路，在频域内分析了不同频段传导EMI产生的机理. 实验证明在30～50 MHz的频段内，电机控制器内部IGBT对地电容及线缆对地电容通过对共模干扰的改变影响系统产生的传导EMI，因此适当增加IGBT对地电容及直流线缆对地电容可以减小系统中的传导EMI. 应用这一结论可在整车布局过程中改变电机控制器及线缆的布置方式从而改善电机驱动系统的电磁兼容问题.

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(责任编辑：孙竹凤)

Effect of Distributed Parameters on Conducted EMI in Electric Vehicle Motor Drive System

ZHAI Li，ZHANG Xin-yu，LI Guang-zhao

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The effect of distributed parameters on conducted EMI was investigated for the motor drive system of an electric vehicle under load conditions. A conducted EMI testing platform was constructed for the system. By testing the conducted EMI in the system under both load and idle conditions, the propagation paths of both high-and-low frequency differential-mode noise and common-mode interference were analyzed and the equivalent circuits were established. In frequency domain, the mechanism of the conducted EMI was studied and the effect of distributed parameters on them was discussed. Tests show that high-frequency conducted EMI can be reduced by properly enlarging the distributed capacitances both between ground and power devices in the motor controller and between ground and dc-bus.

electric vehicle; motor drive system; conducted electromagnetic interference; distributed parameter

2015-04-15

国家自然科学基金资助项目(51475045)

翟丽(1973—)，女，博士，副教授，E-mail:zhaili26@bit.edu.cn.

张新宇(1991—)，女，硕士生，E-mail:zhangxinyu_bit@qq.com.

U 463.6

A

1001-0645(2016)09-0935-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.010