新能源汽车双电机控制器电磁兼容性试验及问题原因分析

李智 罗宏锦 何放

摘要：本文主要介绍了电磁兼容性试验在新能源双电机控制器产品开发中的重要性。对当前电磁兼容性试验所遇到的主要问题、主要试验内容及试验条件做了详细阐述，同时也提供了在试验过程中遇到问题的解决办法及思路。基于上述思路，本文针对某新能源汽车双电机控制器的传导发射和辐射发射试验做了研究，通过分析试验过程中出现的问题，提出了产品优化设计开发的详细变更点，并针对改进型的电控做了重复性试验。试验结果显示，产品的优化获得了较为理想的结果。

关键词：电磁兼容；辐射发射；传导发射；双电机控制器

中图分类号：U467.3 文献标识码：A

0 引言

随着科技的快速发展，当今社会中电子设备的数量和种类不断增加。在包括汽车、智能手机、电脑、工业控制系统和医疗设备等领域，电子设备的密集使用意味着同时存在的电磁干扰源也变得更多。这些干扰源可能来自不同设备、不同系统之间的相互作用，也可能来自电子设备本身的自我干扰。而无处不在的电子设备会导致设备所处的环境，比如设备信号、功率和特性等，变得更加复杂。

在汽车和交通等领域，随着新能源产品的规模化发展，产品越来越依赖于各种类型的控制器，如双电机控制器、单电机控制器、旋变传感器、整车控制器、电子油泵以及车联网通信系统等。这些控制器或传感器在工作过程中会产生电磁辐射，可能对车辆其他设备产生电磁干扰，而电磁干扰可能会导致某些设备故障、数据传输错误或通信中断，对人身安全和财产造成威胁。

因此，对产品进行电磁兼容性试验，以评估电子设备或传感器的辐射水平和干扰情况，确保它们在多个车辆和设备之间相互兼容是非常必要的。本文从某新能源汽车双电机控制器硬件架构设计和原理入手，对该双电机控制器的电磁兼容性能做了深入的研究。

1 双电机控制器架构

某新能源车型双电机控制器架构设计如图1 所示，主要由主控制电路板、驱动电路板和IGBT 模块3 大设计板块构成。12 V 供电电源通过BUCK 以及BUCK-BOOST 电路向主控制电路板及驱动电路板供电。主控板通过CAN 总线与整车进行数据通信，主控芯片与油泵控制器及HVU 进行数字信号双向通信；控制器驱动部分的IGBT 模块能够将动力电池的直流电转化为交流电输入到永磁同步电机；底层软件及控制器中的各类采样电路、电源电路和保护电路相互配合，使得双电机控制器得以正常工作[1]。

在设计架构时要考虑电磁兼容性，需要注意在电路中添加电源噪声滤波器，如滤波电容和滤波电感，以减少高频噪声的传播。良好的搭铁是确保电磁兼容性的重要因素，电机控制器需要正确连接和设计搭铁，以减少潜在的接地回路间的干扰。电源线和信号线的布局应尽量避免交叉和平行布线，以减少相互之间的电磁耦合。在电机控制器的设计中，采用屏蔽罩、屏蔽线缆和屏蔽隔板等方法，以减少电磁辐射和电磁感应。

此外，对于敏感的电路板或元件，可以考虑使用金属屏蔽壳。对于输入和输出信号线，可以使用滤波器来降低高频噪声和电磁干扰的影响。这些滤波器可以包括RC 滤波器、LC 滤波器或磁性滤波器等。如果有需要，可以考虑使用适当的隔离器件（如光耦合器）来隔离电路和信号，以减少电磁干扰的传播。在多模块或多设备系统中，对于地址线和通信线，应采取适当措施，如使用屏蔽线缆、降低传输速率等，以减少传输过程中的电磁干扰。

这些仅是一部分常见的考虑因素，实际设计中可能还会有其他因素导致电磁干扰，需要在设计过程中加以注意。因此，为了模拟电机控制器的实际应用环境，需要进一步制作样件进行电磁兼容性测试，以确保系统在电磁环境中的正常运行。

2 双电机控制器的电磁兼容理论基礎及试验目标

电磁兼容性试验主要涉及电磁场与电子设备相互作用的原理、电磁波传播规律、电磁辐射和电磁感应的机制等。电磁兼容性试验的关键理论基础如下。

2.1 双电机控制器的电磁兼容理论基础

2.1.1 电磁相容性理论

电磁相容性主要研究电磁干扰源和受扰设备之间的相互作用机制。它包括电磁辐射和电磁感应两个方面的机制。电磁辐射是指电子设备通过电磁波在空间中传播而引发的干扰，而电磁感应是指电子设备受到来自外部电磁场的干扰。

2.1.2 电磁波传播理论

该理论研究电磁波在导体和无导体介质中的传播规律。了解电磁波的传播特性有助于确定电磁兼容性试验中的信号传输路径和传播过程，以及评估电磁辐射和电磁感应的范围。

2.1.3 电磁场测量技术

电磁兼容性试验需要进行电磁场测量以评估设备的辐射和感应水平。电磁场测量技术包括电场测量、磁场测量和辐射场测量等方法，以获得电磁场的强度、频谱、方向和空间分布信息。

2.1.4 电磁兼容性测试标准

电磁兼容性试验通常依据相应的国际或行业标准进行。这些标准规定了测试方法、测试设备、测试条件和评估准则，确保测试具有可重复性和可比性，从而提供了实际电磁兼容性问题的解决依据。

综上所述，电磁兼容性试验的理论基础涵盖了电磁相容性、电磁波传播规律、电磁场测量技术、干扰源与受扰设备建模以及相应的测试标准。这些理论基础为电磁兼容性试验提供了理论依据和方法，以确保电子设备在电磁环境中的正常运行和相互兼容。

2.2 测试标准

根据GB/T 18655-2018《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》要求，对各类电磁实验都有详细的实验标准[2]，但是鉴于项目周期以及试验成本，选择双电机控制器的传导发射作为本次研究的主要研究对象。传导发射电流法主要考察双电机控制器的低压非电源线传导发射大小，电压法考察控制器低压电源线和高压线束传导发射大小，在广播及移动业务分别有峰值、准峰值和均值的限值要求。传导发射电流法限值详见表1 ；电压法又区分为低压电源线传导发射和高压线束传导发射，其限值分别如表2 和表3 所示。

2.3 电磁干扰的几个常见问题

常见的电磁辐射干扰是指电子设备或系统在工作过程中，产生的电磁场辐射干扰到周围设备或系统的正常操作。这种干扰可以影响到其他电子设备、通信系统和无线电接收器等。在一些电子设备或电源频繁开关，电子设备中快速切换的电流或高频振荡器可能会产生电磁辐射，干扰周围的其他设备。通过电磁兼容性测试和采取适当的干扰抑制措施，可以减少电磁辐射干扰，保证设备和系统的正常运行[2-3]。

双电机控制器在电磁兼容性方面可能面临以下几个问题。

2.3.1 电磁辐射干扰

双电机控制器中的电子元件和电路在工作过程中会产生高频电磁辐射。如果辐射水平超过规定的限制，可能会对周围的设备或无线通信系统造成干扰。

2.3.2 电源线和信号线上的传导干扰

电磁干扰可能通过电源线和信号线传导到其他设备或系统中，干扰其正常工作。例如，电机的高电流运行可能引起电源线上的电磁干扰，影响到其他电子设备的稳定性和性能。

2.3.3 搭铁线回路的共模电流

对于双电机控制器，电机的高电流运行可能导致地线回路中的共模电流增加。这可能会对其他设备和系统的地线回路产生干扰，导致干扰电压的出现，影响到设备的正常运行。

2.3.4 控制信号的抗干扰能力

双电机控制器通常需要接收外部的控制信号，如位置反馈、速度指令等。在电磁环境复杂的情况下，这些控制信号可能会受到电磁干扰的影响，导致控制系统的不稳定或错误的指令执行。

3 双电机控制器电磁兼容试验设计及台架搭建

3.1 试验设计

鉴于电磁兼容庞大的试验体系，在实际工程应用中，由于预算及周期的影响，并不需要对零件做全套的试验。本论文根据构成电子电器部件元器件特性的不同，对零部件做了分类（表4），每种分类都应用特定的电磁兼容试验项目。本次研究对象对应了表4 中A 类、AM 类和AX 類。在此需要注意的是，在区分零件类型时，一个零部件可能会涉及到几种零部件类型，可以根据实际情况进行勾选，测试项目按最大化执行。本论文优化了双电机控制器庞大电磁兼容性试验项目，在正式试验前进行摸底研究，研究结果对未来正式样件的设计起到了指导作用。

根据测试矩阵（表5），不同零部件的产品类型应选择相应的测试项目。本文所描述的试验为前期验证性质试验，试验数据作为摸底，因此仅选择传导发射（电压法、电流法）作为试验项目。

3.2 双电机控制器电磁兼容台架搭建

该车型电机控制器安装于发电机舱，为高度集成模块，具有模拟和数字输入端口，能够控制电机。电机控制器通过CAN总线与车辆上的其他模块进行交互通信，CAN 总线的波特率为500 kb/s。电机控制器的直流（AC）输出直接连接电机（驱动电机+ 发电机），直流辅电输出接同功率阻性负载。试验的基本台架搭建如图2 所示，其中低压和高压电源通过导线给产品供电，负载箱利用该新能源车型的相关负载，并通过导线与产品相连接。上位机可以显示台架的工作状态，同时与产品通过CAN 网络通讯进行通信，利用诊断的方式监控负载状况信息[4]。

3.3 试验结果

在完成台架的硬件安装及布线，经过低压通讯调试，上位机信号调试正常后对该车型双电机控制器试验样品进行电磁兼容测试。试验结果显示，在传导发射电流法测试中，KL30/KL31、CAN 线、NTC 线束、旋变线束以及油泵PWM 线束等都有不同程度的超标。在传导发射电压法测试中，低压电源正负极和高压电源正负极也有不同程度的超标。辐射发射测试中，P3 电机在转速2 229 r/min、负载75 N · m 的条件下，也有超标现象。测试结果详见表6。

双电机控制器在传导发射和辐射发射测试中未能达到标准，这说明可能存在以下几方面问题。

3.3.1 设计问题

可能存在电路布局不当、搭铁线回路设计不合理以及接口线路设计不完善等问题。

3.3.2 电磁屏蔽不足

如果双电机控制器的电磁屏蔽设计不足或实施不当，可能需要加强对电缆、接口和整个电路板的屏蔽措施。

3.3.3 搭铁问题

双电机控制器中的搭铁问题也可能导致传导发射干扰， 需要检查和优化搭铁设计， 确保良好的搭铁连通性和连续性。

3.3.4 不合适的电源滤波

如果双电机控制器的电源滤波设计不合适或电源线电磁兼容性差，就会导致电磁干扰信号通过电源线传播到其他设备中。可能需要增加电源滤波器、调整滤波器参数或优化电源线布局。

3.3.5 控制电路问题

信号线或数据线的干扰抑制措施不足、高频信号抑制不良等。可能需要重视控制电路的设计和优化，以减少干扰信号的传播和影响。

如果双电机控制器的传导发射和辐射发射测试结果不达标，需要进行相关的调试和改进，以满足规定的电磁兼容性要求。这包括重新设计电路布局、加强电磁屏蔽、优化接地设计、改善电源滤波和优化控制电路等措施[5-6]，以减少干扰信号的发射和传导，确保双电机控制器在电磁环境中的正常操作。

4 改进与分析

为了解决以上问题，本文所涉及到的双电机控制器型号在采取了以下措施。

（1）高压直流添加LC 滤波。

（2）通过壳体对两个高压功率模块进行隔离，同时在高压组件和控制板中增加屏蔽板。图3 双电机控制器传导发射电压法测试结果

（3）在CAN 总线及旋变输入输出侧，添加共模滤波电感。

（4）在电源入口处设置滤波电路。

（5）配置内部电源的PWM 频率，避开电缆等谐振点。

（6）去耦电容贴近芯片电源处。

（7）采样、PWM 等信号线路进行差分设计。

（8）模拟搭铁和电源独立设计。

采取了以上措施后，再次进行测试，试验结果表明，从3.00 MHz 的低频段开始一直到108.00 MHz 的高频段，无论进行传导发射电流法还是传导发射电压法测试，噪声值都低于限值，达到了设计目标（图3）。

5 结束语

电磁兼容性试验可以评估电子电气设备在电磁环境中的工作特性，减少干扰，确保设备之间的相互兼容性和可靠性。对于车辆上的电子电气设备来说，电磁兼容性试验可以评估设备在电磁环境中的抗干扰能力，确定设备的辐射水平，并确保设备之间的相互兼容性和符合法规要求。这样可以保证设备的可靠性、安全性和稳定性，并确保设备对其他设备和环境的影响达到可接受的范围。

【参考文献】

[1] 陈登峰， 孙臣玉， 陈雷， 等. 新能源汽车用电机控制器的设计与测试[J].电机与控制应用，2021，48（07）：95-99.

[2] GB/T 18655-2018 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[S].

[3] 石也. 纯电动汽车电磁兼容问题分析与研究[J]. 汽车电器，2018（01）：1-3.

[4] 贾晋， 龙云， 赵鹤鸣， 等. 电驱系统带载电磁兼容测试与仿真闭环研究[J].安全与电磁兼容，2022（01）：49-54.

[5] 翟丽， 杨霜洁， 胡桂兴， 等. 电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰建模[J].北京理工大学学报，2022，42（08）：824-833.

[6] 张戟， 王洪武， 蔡浩雄. 电动汽车驱动系统EMC 仿真研究[J]. 汽车工程，2014，36（05）：580-585.

作者简介：

李智，本科，工程师，研究方向为电机控制器总体设计。