采用LCL 型滤波器的车用电子水泵降噪技术研究

李亚伟，何郑，祝宸，马西沛

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

近年来汽车电子水泵凭借其结构紧凑和精准冷却等优点，在汽车发动机冷却系统、涡轮增压器及动力电池等领域中得到广泛运用。然而电子水泵在汽车自动启停或汽车后冷却时，会产生令人耳不适的高频电磁噪声，会极大影响汽车的NVH 水平。目前国内对汽车电子水泵的研究主要集中在电子水泵水力设计[1]、电子水泵控制系统的研发[2-6]、故障及性能检测系统[7-8]等方面，对于电子水泵的电磁噪声研究较少。

影响电子水泵NVH 水平的主要因素包括：流体动力噪声、机械噪声和驱动电机的电磁噪声。由于电子水泵采用电压源逆变器输出的PWM (脉冲宽度调制)波进行供电，其含有的大量高次谐波作用于电机定子线圈使电机产生振动，向外辐射电磁噪声。这些近似纯音的电磁噪声不仅主观感觉上特别尖锐和刺耳[9]，而且会产生严重的EMI(电磁干扰)和EMC(电磁兼容)等问题。

要抑制电子水泵的电磁噪声，主要应消除或削弱这些高次谐波对电子水泵的影响。目前在逆变电路输出端增加滤波器设计是一种简单而经济抑制高次谐波的方式，该方式既不会因为增加载波频率而引起开关损耗，也不会增加输出电压电平数使得电路的复杂程度增加。常见的滤波器主要有L 型、LC 型及LCL 型滤波器，其高频信号衰减率分别为20，40，60 dB/dec[10]。其中，LCL型滤波器对于高频谐波衰减效果最好，还具有体积小和成本低的优点而广泛应用[11-13]。由于滤波器大小受到电子水泵控制器空间位置局限，所以LCL 型滤波器设计时要对高频谐波的衰减效果与滤波器的体积进行综合考虑，准确合理设计LCL型滤波器参数，实现滤波器体积和性能之间达到平衡。

1 SVPWM 调制分析

汽车能够提供的电源为12 V 直流电源，PMSM 型电子水泵需要三相交流供电，因此需要使用逆变电路，用多个脉冲方波等效成正弦波的方式将直流电逆变成交流电供给PMSM 型电子水泵，逆变电路输出电压中含有大量高次谐波。电子水泵采用FOC（磁场定向控制）控制系统，其控制框图如图1 所示。其中，SVPWM 算法是FOC 控制系统的主要部分。SVPWM 仿真模型如图2 所示。主要包括扇区判断、矢量时间计算以及扇区矢量切换点计算，然后使用某一频率的三角载波对矢量切换点波形进行调制，从而可以产生逆变器所需的PWM 信号。

图1 FOC 控制系统框图Fig.1 Block diagram of FOC control system

图2 SVPWM 算法仿真模型Fig.2 Simulation model of SVPWM algorithm

对PWM 信号进行有序控制和组合，电子水泵控制器输出相电压由这些PWM 波组成。方波根据傅里叶公式可分解成一系列正弦波，由于对信号波使用载波调制方法，这些高次谐波会集中在开关频率及其倍数附近，在电子水泵运行过程中会产生高频的电磁噪声等问题。

2 LCL 型滤波器原理分析

LCL 型滤波器由逆变器侧电感L1、电机侧电感L1和一个滤波电容C 组成，其系统结构如图3所示。其中，电感L1和L2的作用是抑制逆变电路产生的高次谐波通过，电容C 为逆变电路产生的高次谐波提供旁路通路。由于LCL 型滤波器为三阶系统，所以在一定频率下会产生系统谐振现象。为了抑制产生的谐振峰值，普遍采用增加系统阻尼的方法来抑制谐振峰值。目前增加系统阻尼的方法主要有4 种：网侧电感并联电阻、网侧电感串联电阻、电容支路并联电阻和电容支路串联电阻。目前大多在滤波电容上串联一个阻尼电阻来抑制系统的谐振峰值[10，14-15]，且滤波器产生的损耗较小。

图3 采用LCL 滤波器的控制系统结构图Fig.3 Structure diagram of control system using LCL filter

为分析LCL 型滤波器电子水泵的控制系统传递函数，对LCL 型滤波器单相等效电路进行等效，其单相等效电路如图4 所示。其中，i1为逆变器侧电流，L1为逆变器侧电感，i2为电机侧电流，L2为电机侧电感的等效电阻，R 为阻尼电阻，ic为滤波电容电流，忽略电感阻值和电容阻值及线路产生的阻抗。

图4 LCL 型滤波器单相等效电路Fig.4 Single-phase equivalent circuit of LCL filter

在初始条件下对采用LCL 型滤波器的电子水泵单相电压建立微分方程：

对式（1）两端进行拉普拉斯变换，整理得到逆变器输出电压到电机定子电流的传递函数：

根据LCL 型滤波器传递函数，其幅频特性变化趋势如图5 所示。LCL 型滤波器在低频时衰减速率为0 dB/dec，对基波无衰减作用；在高于谐振频率时以-60 dB/dec 衰减，对高次谐波有较好的抑制作用。根据LCL 型滤波器无阻尼电阻的电机侧电流i2关于逆变器侧输入电压传递函数，其表达式如下：

图5 采用LCL 滤波器的系统伯德图Fig.5 System Bode diagram of LCL filter

则LCL 型滤波器的谐振频率ωres如下：

3 无源阻尼LCL 型滤波器参数设计

无源阻尼LCL 型滤波器参数设计主要包括逆变侧电感、滤波电容、电机侧电感以及阻尼电阻的参数确定。由于LCL 型滤波器中所有元器件取值都会影响滤波器的滤波性能，合理准确地设计LCL 型滤波器参数，在滤波器体积与滤波性能之间达到平衡。

3.1 滤波器参数约束

3.1.1 电感设计

通常情况下，LCL 型滤波器中的电感占整个滤波器绝大部分的重量、体积和成本。在满足谐波抑制要求的前提下，在设计过程中应尽量减少电感的大小。此外由于滤波电容体积小且成本低，适当增大滤波电容的取值，可以有效降低电感值的大小。

（1）总电感值设计

LCL 型滤波器在谐振频率之前与L 型滤波器衰减效果相同，都是以-20 dB/dec 速率衰减，因此当系统处于稳定状态时，LCL 滤波器的逆变侧电感L1和电机侧电感L2可以等效为一个电感值相同的电感。LCL 型滤波器总电感所产生的基波压降小于正常额定工作情况下的10%，总电感的约束条件如下：

式中：Udc——直流母线电压；f——基波基频；ia——额定电流；P——全桥逆变器输出额定有功功率；ug——电机侧相电压的有效值。

（2）逆变器侧电感设计

逆变器侧电感的作用是对逆变器输出电流纹波起衰减作用，因此设计逆变器侧电感时一般要求在额定条件下电流纹波比小于20%，其约束条件如下：

式中：fs——PWM 开关频率。

（3）电机侧电感设计

在逆变器侧电感L1和电机侧电感L2组成总电感值不变情况下，当滤波电感L1大于L2时相比L2大于L1时所设计的LCL 滤波器实际性能更加优越[16]。

令

当电容C 和L1+L2的取值一定时，为了使电感L1的谐波电流幅值最小，K 取3～7 比较合适[17]。

3.1.2 谐振频率

为了避免因LCL 型滤波器的谐振频率与系统频率相同而引发共振，设计LCL 型滤波器的谐振频率时，谐振频率应与开关频率及基波频率的大小保持一定的差距。根据LCL 型滤波器的频率取值，普遍要求LCL 型滤波器的谐振频率应大于基波频率的10 倍左右且小于开关频率的一半，其取值范围表达式如下：

式中：f——基波频率；fs——PWM 的载波频率。

谐振频率的表达式如下：

3.1.3 滤波电容

LCL 型滤波器中，滤波电容为高次谐波提供旁路通路，起到衰减高次谐波的作用。为了减小LCL 型滤波器的体积和成本，适量增加滤波电容的取值可以减小滤波电感的取值，但是滤波电容取值决定了电容支路的基波电流，滤波电容取值越大，流入电感L1和功率器件的电流越大，引起功率器件的开关损耗增加，导致LCL 型滤波器引入的无功功率越大。定义滤波电容引入的无功功率与逆变器输出额定有功功率之比为λc，综合考虑滤波器的体积、成本及滤波效果，滤波电容取值时需满足空载时流经电容支路的基波电流引起的无功功率不超过逆变器的输出功率10%，其表达式如下：

式中：ui——三相滤波器电压，通常情况电容两端电压与电机侧相电压近似相等；ug——电机侧相电压有效值。

3.1.4 阻尼电阻

LCL 型滤波器在无阻尼情况下谐振频率处产生的谐振峰值较大，导致电子水泵输入电流存在严重谐振现象。当在滤波器的电容支路串联阻尼电阻时，阻尼电阻对谐振幅值的抑制效果较为明显，但是电容侧串入阻尼电阻引起滤波电容支路的阻抗增大，降低了高次谐波抑制能力。阻尼电阻取值过大会导致LCL 型滤波器的功率损耗增大。阻尼电阻取值时需要在系统稳定和功率损耗达到平衡，根据工程相关经验，阻尼电阻的阻值一般取谐振角频率处滤波电容容抗的1/3，则阻尼电阻表示式如下：

3.2 滤波器参数设计

考虑LCL 型滤波器的相关参数取值范围，并结合参数的取值对系统额定影响以及已有相关研究，最终确定LCL 型滤波器系统中各元器件参数取值。汽车电子水泵的功率P 为60 W；输入直流电压Udc为12 V；相电压ug为8.485 V；相电流ia为2.35 A；基波频率f 为50 Hz；载波频率fs为5 000 Hz。

K 取值为5，对LCL 型滤波器各参数进行取值：C=4×10-5F；L1=1×10-3H；L2=2×10-4H；R=0.5 Ω。此时谐振频率为fres=1 949.24 Hz，满足谐振频率要求。

4 仿真验证

电机参数相电感为2.1 mH，相电阻1.15 Ω，直流母线电压为12 V，实际中开关器件选择NCE6050KA，在25 ℃情况下，取0.001 Ω。在MATLAB/Simulink 中建立仿真模型，在无滤波器情况下相电压输出波形如图6 所示，其频域分布结果如图7 所示。

图6 无滤波器相电压波形图Fig.6 Waveform diagram of phase voltage without filter

图7 无滤波器相电压频谱图Fig.7 Spectrogram of phase voltage without filter

根据LCL 型滤波器的参数合计结果，在仿真模型中增加LCL 型滤波器，相电压输出波形如图8 所示，其频域结果如图9 所示。

图8 采用LCL 型滤波器相电压波形图Fig.8 Waveform diagram of phase voltage using LCL filter

根据图6 和图8 结果可以看出，增加了LCL型滤波器后，相电压的输出波形得到明显改善，趋向准正弦波。为了有效评价滤波器的谐波抑制效果，我们通常从谐波的畸变程度、电压压降来分析滤波器。从图7 和图9 结果可以分析出，增加了LCL 型滤波器后，相电压的谐波畸变从66.83%下降至5.62%，能够有效抑制SVPWM 调制产生的高次谐波。

图9 采用LCL 型滤波器相电压频谱图Fig.9 Spectrogram of phase voltage with LCL filter

由于增加LCL 型滤波器会对相电压中基波产生电压压降，在设计时要尽量减小基波电压压降，其下降程度可以由Δu 表示：

式中：u1——无滤波器输入电压中基波幅值；u2——采用LCL 型滤波器输出电压中基波幅值。

由滤波器产生的基波电压压降在5%左右，控制在较低的范围内，对于电子水泵的效能影响较小。

5 结语

为了抑制电子水泵产生的电磁噪声，在电子水泵逆变电路输出端增加LCL 型滤波器，能够显著改善电子水泵相电压输出波形的畸变程度，对相电压高次谐波具有良好的抑制效果。且产生的基波电压压降控制在合理范围内，对电子水泵的效能影响较小。采用LCL 型结构简单可靠，在硬件电路只增加了电阻、电感和电容元件，不会增加算法和系统的复杂程度，为电子水泵的电磁噪声和电磁兼容等问题解决提供了一种简单易操作的方法，具有较强的实际工程应用价值。