新能源汽车电驱系统共模电压干扰优化方案研究

2021-12-30于东海张喜州潘昊轩曾庆强

汽车电器 2021年12期

于东海，张喜州，潘昊轩，曾庆强

（一汽-大众汽车有限公司，吉林长春 130011）

目前永磁同步电机普遍应用于电动汽车中，为永磁同步电机调制波形的逆变器普遍采用SVPWM算法，该算法优点是电压利用率高，但是该调制算法在逆变器中产生共模电压，该电压通过交流三相线或者直流母线传递到电机和电池等其他零部件中。共模电压传递到电机将引起轴电流和轴电压问题，轴电流过大将使电机轴承损坏，轴电压则会通过寄生电容传递到外部空间中，造成电磁干扰。共模电压经直流母线耦合到电池中，将影响电池内部控制器工作以及电压诊断。

为了抑制电机控制器输出的共模电压，减少轴电流轴电压以及电驱动系统EMI带来的危害，本文从理论上分析了共模电压的产生以及传播途径，并介绍了几种方案来解决共模电压造成的危害。

1 共模电压产生原因

三相共模电压计算公式为：

式中：Vao，Vbo，Vco——三相相电压；Vcm——三相共模电压。电机三相电由电机控制器三相共计六桥开关器件调试得来，电气拓扑如图1所示。

电机控制器内部开关器件上、下桥臂无法同时关断或导通，则计算两相关断或者两相导通对应的共模电压为±Vdc/6，三相同时导通或关断产生的共模电压为±Vdc/2。调制过程中共模电压一直存在，且共模电压随电池电压以及载波频率增加而增加，在当前市场电动汽车调制载波频率普遍大于10kHz，母线电压普遍大于300V，高电压平台的电动车甚至能够达到上千伏特，造成的影响不可忽略［1］。

图1 电驱系统电气拓扑图

2 共模电压传递路径

电动汽车电驱系统中电机控制器内部电路与壳体之间存在较大寄生电容，而壳体与搭铁相连，当调制过程中共模电压发生变化时，产生的du/dt将对寄生电容充电和放电，形成较大的EMI电流，分析寄生电容的充放电路径将对于切断电驱系统中EMI传递路径有重要作用。

共模电压有4个通路传递［2］，如图2所示。

路径1：电机控制器→电机定子→电机与壳体等效电容→系统搭铁→电机控制器。

路径2：电机控制器→开关器件与散热板等效电容→系统搭铁→电机控制器。

路径3：电机控制器→开关器件上桥臂对正极直流母线寄生电容→电池侧网络以及Y+电容→系统搭铁→电机控制器。

图2 共模电压简化传递路径

路径4：电机控制器→开关器件下桥臂对负极直流母线寄生电容→电池侧网络以及Y-电容→系统搭铁→电机控制器。

3 解决方案

根据研究，降低载波频率和母线电压可以降低共模电压的强度，但是该方案将直接影响到电动汽车的整车性能表现，所以目前采取方案主要为抑制共模电压的传递、切断传递路径以及提供其他电气通路将共模电压直接传导到系统搭铁，具体方案如下。

3.1 电机轴搭铁以及轴体绝缘处理

该方案在图2路径1中通过导体将轴与外壳（系统搭铁）相连，并采用绝缘轴承。搭铁方案普遍通过集电环将系统搭铁与轴体端部相接，轴体电压通过集电环搭铁，但是设计时需要充分考虑集电环的机械寿命。集电环结构如图3所示。

轴承绝缘处理主要方式是采用陶瓷等绝缘材料制成轴承。陶瓷材料轴承具有抗高温、强度高等优势，但是由于其加工工艺难度大，导致目前成本较高。

图3 集电环结构

3.2 增加直流母线共模电感

如图2路径3和路径4所示，由电机控制器产生的共模电压会通过开关器件上、下桥臂寄生电容流入到直流母线正、负极，二者将通过Y电容流向系统搭铁。增加直流共模电感将对路径3和路径4中的共模电流起到抑制作用，减少系统整体的共模干扰。

3.3 增加三相共模磁环

如图2路径1所示，在三相线上增加共模磁环，将直接抑制电机侧三相电中的共模电压，有效降低接入电机的共模电压分量，需要在采用方案之前确定当前系统中需要抑制的共模电压的阶数和频率，根据频率来选择不同材料的磁环。目前铁氧体材料价格较为低廉，应用广泛。但针对10MHz以上频率的共模电压，推荐采用纳米晶材料磁环，该材料比铁氧体材料磁导率高，损耗低，对高频共模电流抑制十分出色。加装纳米晶共模磁环试验结果，共模EMI 平均降低了40%，如图4所示。