电动汽车电机驱动系统EMC综述

摘 要：针对电动汽车电机驱动系统存在的电磁兼容（ElectromagicCompatibility,EMC）问题,介绍了电机驱动系统的EMC特性,阐述电机驱动系统的EMC问题及其干扰机理,回顾电机驱动系统EMC预测分析方法,总结了电机驱动系统电磁干扰（ElectromagicInterference,EMI）抑制技术,指出建立精确的EMC仿真分析模型,通过EMC方案设计与系统优化,研究工程实用的电机驱动系统EMI抑制技术是亟待解决的问题.对电动汽车电机驱动系统的EMC研究具有一定的参考价值.

关 键 词：电机驱动系统；电磁兼容（EMC）；电磁干扰（EMI）；预测建模；EMI抑制

中图分类号：U463.68文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.05.02

Abstract：Aimingatsolvingtheexistingelectromagicpatibility（EMC）problemoftheelectricvehiclemotordrivesystem,thispaperfirstlyintroducestheEMCcharacteristicsandthentheEMCinterferencemechaniisexpounded.Moreover,theEMCpredictiveanalysiethodsofEVmotordrivesystemarereviewed.AndtheEMIsuppressiontechnologiesaresummarizedaswell.Finally,itisaddressedthatthekeystosolvingtheEMCproblemincludehowtoestablishthecorrectEMCsimulationmodelforprediction,andhowtoresearchEMIsuppressiontechnologiesofthemotordrivesystembymeansoftheEMCschemedesignandsystemoptimization.

Keywords：motordrivesystem；EMC；EMI；predictivemodeling；EMIsuppression

随着人们对电动汽车性能、安全、舒适性等各方面要求的不断提高,电动汽车上各种电子设备的功率越来越大,系统灵敏度越来越高,接受微弱信号的能力越来越强,电子产品所使用的频带也越来越宽.因此,电子设备之间的相互影响也越来越大.其中,作为电动汽车核心的具有大功率、大电流的电机驱动系统对其它电气电子设备的干扰影响尤为严重.

目前,针对大功率、大电流的车用电气系统EMC标准还未出台,而随着电动汽车产业的不断发展以及相关EMC标准的规范,迫切需要研究电机驱动系统的EMI机理、试验测试方法、预测分析方法以及EMI抑制技术等,这对提高电动汽车整车EMC性能,缩短产品开发周期,节约成本等具有重要的理论意义和工程实用价值.

1电动汽车电机驱动系统EMC概述

1.1电动汽车电机驱动系统

电动汽车借助蓄电池或超级电容提供能量,利用电力电子装置DC/AC（或DC/DC）进行能量变换提供给交流电机（或直流电机）负载进行驱动.图1是以交流电机为例的电动汽车驱动系统的结构框图和示意图.蓄电池（或超级电容器）、主电路、控制电路、电机共同构成了整个驱动系统,粗实线表示的是大功率、大电流线缆.从图1（a）可以看出整个系统结构非常复杂,既包括300V左右的高压设备和线缆,又包括5V左右的微控制器电路.数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）控制电路由12V蓄电池通过小功率的DC/DC变换模块供电,并发出驱动信号（通常是10V左右的PWM信号）驱动主电路的绝缘栅门极晶体管（InsulatedGateBipolarTranslator,IGBT）模块实现电机供电或调速.蓄电池提供的直流电通过逆变电路中IGBT模块快速通断而转换成以供交流电机正常工作的交流电,如图1（b）所示.

1.2电机驱动系统EMC环境

由于电动汽车电机驱动系统的高电压、大电流以及复杂的结构,使其电磁干扰能量较大、频带较宽且传播耦合路径呈多样性,这增加了电机驱动系统EMC研究的难度.但就EMI的基本性质而言,电机驱动系统EMI与其它电子设备或系统的EMI一样,都是由电磁干扰源、传播路径（或耦合通道）和受扰体（敏感体）3个基本要素组成[1],如图2所示.因此只需要切断三要素中的任何一个环节,电机驱动系统的EMI问题都能得以解决.

1.2.1电磁干扰源

从图1的电机驱动系统结构与示意图可以看出,整个电机驱动系统的电磁环境非常复杂.其中,控制电路上的时钟信号、数字信号、驱动信号是DSP上的主要干扰源,但相对于主电路以及电机等大功率、大电流设备,其抗干扰能力较弱；由于主电路（逆变电路、电缆）和电机存在大量的杂散电感和电容,在驱动电路作用下,开关器件开通和关断必然会导致电压和电流在短时间内发生瞬变（IGBT最快能到上百纳秒）,形成高的du/dt和di/dt,对整个系统造成很强的电磁干扰,是系统的主要电磁干扰源[2].

1.2.2传播途径

电磁干扰以传导和辐射的方式进行传播,相应的传播路径也不同.传导电磁干扰传播,是指通过导线或其它元器件（如电容、电感等）,以电压或电流的形式,将电磁噪声的能量在电路中传送.辐射电磁干扰传播,则是指辐射干扰源在空间以电磁波的形式传播.在电机驱动系统EMI作用下,根据传导干扰方式的不同,把EMI分为共模（CommonMode,CM）干扰和差模（DifferentialMode,DM）干扰两种形式.它们产生的内部机理有所不同,共模干扰源产生的主要原因是电路中的高du/dt对寄生电容进行充放电,产生的高频共模电流通过相线、寄生电容和地构成流通回路；差模干扰是指相线之间的干扰,由逆变器工作时产生的脉动电流di/dt引起,直接通过相线与电源形成干扰回路,差模干扰和共模干扰传播途径如图3和图4所示.当电路中的干扰在30MHz以上时,干扰源就会以电磁波的形式在空间传播至受扰设备[3].

1.2.3受扰敏感设备

一个设备必须能够抗干扰,才能保证设备的正常运行,表征抗干扰性能的指标是抗扰性或敏感性.由图3和图4可以看出,在电机驱动系统EMI作用下,电动汽车上的受扰敏感设备主要包括整个电机驱动系统、蓄电池系统以及车上的其它共地或者共电源网络的电气设备和控制系统等.

2电机驱动系统EMI问题及其干扰机理

国内外对电动汽车的研究已有较大的突破,而专门针对电动汽车电机驱动系统EMC的研究历史还不长.早期主要是针对电机驱动系统的EMI机理以及抗干扰的基本措施进行研究.

最早的可查阅文献可以追溯到1993年,SankaranV.A.等人提出IGBT的高速开关动作容易引起EMI问题,并需要研究软开关技术在驱动系统逆变电路中应用的可行性[4].1995年,ZhongE.K.等人通过试验确定了逆变系统会产生相当大的脉冲电流并通过线缆引入系统,造成严重的传导EMI问题以及电力系统中的电压波形畸变[5].1997年,LaiJ.S.

采用一个辅助开关和各相上的一个谐振电感,使主开关可以在零电压的情况下打开,并且对100kW三相逆变器进行了实际测试,通过仿真和实测证实了软开关技术可以减少EMI[6].2001年,DongW.

等人通过试验验证了辅助准谐振逆变器可以减小EMI,但该种软开关逆变器仅在2～10MHz效果明显,且考虑到成本、体积、效率等因素,这种软开关逆变器不适用于电动汽车驱动系统[7].2003年,GuttowskiS.等人对新型电力驱动系统安装在传统乘用车中引起的EMI问题进行了研究[8].2007年,NelsonJ.J.等人指出瞬态运行的驱动系统如负载转矩和速度渐变会造成更严重的EMI问题[9].

国内对电机驱动系统EMI问题及其EMI机理研究起步较晚,清华大学的陈斌等人指出IGBT的高速开关动作产生很高du/dt和di/dt,由此导致严重的EMI问题,并应用系统函数的方法来描述这种EMI耦合通道的特征,准确预测了EMI的时域波形和频谱特性[10].2005年,窦汝振等人指出共模电压会带来共模电流、电压谐波等问题[11],在2011年又对电机驱动系统EMI特性及其传播机制进行了分析[12].2008年,西北工业大学的贺虎成等人指出较高开关工作频率会引起严重的EMI和开关损耗,并提出运用软开关技术和随机脉宽调制来解决上述EMI问题[13].2007年以后,国内外针对电动汽车电机驱动系统EMI问题及其产生机理的相关文献和资料较少,主要的研究重心已倾向于电机驱动系统EMC仿真预测以及EMI抑制技术.

3电机驱动系统EMC预测仿真研究

由于汽车EMC试验环境的苛刻和试验成本的昂贵,近年来对电动汽车电机驱动系统的EMC研究已不仅仅局限于现象阐述和干扰机理分析,而逐渐将研究重心转向电机驱动系统EMC预测仿真,以期更好地指导电机驱动系统EMC方案设计.

3.1EMC分析方法

计算电磁学的发展给汽车EMC预测仿真提供了理论支持.虽然传统的解析法可以计算出精确的数值结果,但对于复杂的实际情况而建立的积分方程或偏微分方程往往由于太复杂而无法求解.随着计算机技术的不断发展,数值分析逐渐成为研究电磁学问题的重要方法.数值分析将传统的电磁场解析式转化成数值编程的形式加以计算,使其能够求解任意几何形状、复杂结构的电磁场问题.当前,电机驱动系统EMC所涉及的数值分析方法主要有传输线法[14]、有限元法[15]、有限差分法[16]、有限积分法[17]和矩量法[18]等.

目前已有一些基于不同数值分析方法的商业软件,如以传输线法（TLM）为主的FLO/EMC软件,以有限元法（FEM）为主的HFSS软件,以有限差分法（FDTD）为主的XFDTD软件,以有限积分法（FIT）为主的CST软件等,这些软件为电机驱动系统EMC预测仿真研究提供了手段.

3.2EMC预测仿真分析

近年来,国内外学者对电动汽车电机驱动系统EMC预测仿真分析进行了大量的研究,包括EMI干扰源、传播途径分析等.研究的思路主要是从“场”和“路”两方面着手.

3.2.1国外电机驱动系统EMC预测仿真研究

1998年,ChenC.C.等人通过建立电动汽车驱动系统的传导电磁干扰模型,对其干扰源特性和主要传输路径进行了分析,估计了直流母线的噪声频谱,并通过试验进行了验证[19].2001年,BogliettiA.

等人将从蓄电池到交流电机的所有电器元件作为系统,建立了高频模型,该模型分析了PWM逆变器在过电压和漏电流流过寄生电容时产生的高du/dt的影响[20].2003年,GuttowskiS.等人建立了逆变器、电机、蓄电池等的高频集总参数模型,并用于电机驱动系统EMC预测分析[8].2004年,FreiS.团队对低频的传导干扰进行预测研究,建立了电动汽车驱动系统的传导干扰模型[21].2006年,LiW.等人对燃料电池汽车驱动系统的高频传导干扰进行了建模分析,并对模型中主要参数所引起的不同噪声形式进行了比较[22].2007年,ZhangB.等人对燃料电池汽车驱动系统的传导EMI进行了深入研究,并基于多触点传输线模型,分析了线缆中传导干扰的传播特性、共模电流及其耦合效应,建立了燃料电池、逆变器、交流电机的高频电路模型[23-24].2008年,YounH.L.等人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,较为准确地预测了驱动系统的传导干扰[25].2010年,TaoQ.和LeiX.团队提出分段线性IGBT模型的一种行为建模方法,模型的参数求取通过IGBT的数据表和简单的测量获得,并用于传导干扰的预测[26-27].2011年,MakiK.等人通过场分析方法,建立了高频电机的三维电磁场模型,对电机内部的电磁辐射干扰进行了分析,试验验证了仿真分析的准确性[28].此外,美国罗克韦尔公司的MirafzalB.团队[29-30],弗罗里达国际大学的MohammedO.A.[31]等人也对电动汽车电机驱动系统EMC进行了较为深入的研究.

3.2.2国内电机驱动系统EMC预测仿真研究

国内在电动汽车电机驱动系统EMC预测仿真研究方面起步较晚.吉林大学高印寒等人以车内大量的导线及线束为例,采用模糊推理方法对汽车线束EMC进行了预测,克服了求解复杂麦克斯韦方程的局限,提高了预测精度[32-33]；吴定超和马喜来分别利用传输线理论和天线理论对汽车线束之间的串扰、车载天线与线束之间的耦合进行了仿真预测,并引入小波分解技术,通过提供车内传导干扰的特征能量来达到识别干扰源的目的[34-35].重庆大学的俞集辉等人通过建立点火系统的每个部件电路模型,利用解析法或有限元方法确定模型中的电分布参数,建立了点火系统的等效电路模型,该方法可以借鉴运用于电机驱动系统预测建模[36]；汪泉第等人通过测量电机端阻抗的幅频特性,建立了电机的等效宽频电路模型,并验证了模型的准确性和有效性,为建立电机驱动系统传导干扰模型奠定了基础[37].哈尔滨工业大学的安群涛等人对PWM电机驱动系统共模传导干扰进行了分析,并对相关等效电路的建立方法进行了深入研究,等效电路仿真结果与试验结果相吻合[38]；肖芳等人对PWM电机驱动系统的传导干扰机理进行了研究,提出了一种新的频域噪声源建模方法[39]；段建东等人基于干扰源加干扰通道建模的总体思路,在时频域中建立了PWM电机驱动系统等效电路模型,并建立了其共模和差模干扰的数学模型来进行相互验证[40].清华大学的陈名等人运用阻抗幅频特性测量和最小二乘法拟合的方法,建立了电机的高频等效电路[41].海军工程大学的孟进等人以典型的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,并进行了试验验证[42].此外,中国汽车工程研究院等汽车研究机构与企业也开展了相关的研究.

综上所述,目前国内外对电动汽车电机驱动系统EMC的预测仿真研究已取得一定的进展和成果,分别以不同的数值方法或分析思路对电机驱动系统单个组件或整个系统进行了EMC建模仿真研究.电机驱动系统的EMC预测仿真研究缩短了产品开发周期、节约了成本,为解决电动汽车电机驱动系统的EMI问题提供了科学的分析方法和手段.

4电机驱动系统EMI抑制研究

电动汽车电机驱动系统EMI抑制技术的研究一直是一个重要的课题.近年来,对电机驱动系统EMI抑制技术的研究主要从两方面来开展,一是接近工程应用的EMI抑制技术研究,二是从根本上解决或减小EMI的抑制技术研究.从基本原理出发,可将抑制EMI方法归纳为减小干扰源发射强度和切断传播途径.

减小干扰源的发射强度是EMI抑制技术的一种常用方法.TrzynadlowskiA.M.等人采用Saber仿真软件对随机PWM调制和普通PWM调制在减少EMI方面进行对比分析,指出随机PWM调制可以比普通PWM调制减小10dB左右EMI噪声,并且对驱动性能几乎没有影响[43].MutonN.等人提出了一种EMI抑制方法,通过多层印刷电路板来封装逆变器电源电路以抑制共模电流.其后,该作者基于串联谐振现象又提出了一种消除逆变器和电池之间正、负电源线缆中表面电流的方法,试验验证了该方法的有效性[44-45].LaiY.S.利用矢量状态的不同组合会对功率变换器输出共模电压产生影响的特点,提出了空间矢量调制技术,采用两个相反方向矢量回扫的方法取代零矢量的作用,以此降低系统共模电压,实现抑制EMI的目的[46].ZhangH.R.等人提出了一种用于消除电机驱动系统共模电压和轴电流的双桥功率变换器.通过控制双桥功率变换器产生标准的三相双绕组感应电动机平衡激励实现抵消共模电压,达到减小漏电流、EMI发射强度的目的[47].窦汝振等人根据共模电压会带来共模电流、电压谐波等问题,提出了一种新颖的空间矢量脉宽调制控制方法,可以非常有效地减小电压源逆变器供电的异步电机驱动系统的共模电压[11].

切断电磁干扰源传播途径是电机驱动系统EMI抑制的另一种常用方法.各国学者相继提出了一些用于阻断EMI传播途径的EMI滤波器结构,试验表明经过正确设计的滤波器,能够使电机驱动系统EMI发射强度减小到EMC标准限值以下,是电气设备和系统实现EMC的重要手段.WeberT.研究了600V直流连接牵引力驱动系统的多种EMC滤波器,介绍了一种新式磁场旁路的共模扼流线圈[48].VonJ.A.等人从消除电动机侧共模EMI电流的角度进行分析,在共模扼流圈的基础上,再在同一磁芯上缠绕一个终端连接阻尼电阻的第4绕组,以抑制共模EMI电流的振荡[49].OgasawaraS.等人将Π型无源EMI滤波器和有源共模噪声消除器相结合,提出了改进Π型有源EMI滤波器的结构.该结构能够在消除感应电机端共模电压的同时抑制PWM功率变换器的谐波[50].哈尔滨工业大学的姜保军根据系统感应电机侧共模电压、电流的形成机理,提出了一种应用于DC/AC输出端的无源共模EMI滤波器结构,该滤波器克服了传统功率变换器输出端无源共模EMI滤波器高低频特性难以兼顾和体积过大的缺点[51].哈尔滨理工大学的刘金凤深入分析了驱动控制系统的电磁干扰源和传播机理,提出了一种前馈型有源EMI滤波器,并对滤波器的结构、参数、性能等进行了详尽和系统的分析[52].

综上所述,对电机驱动系统EMI抑制技术的研究已取得一定成果.大部分研究主要针对电机驱动系统共模传导EMI的抑制,这是由于在整个电机驱动系统EMI中,共模传导干扰的危害最大,并且辐射干扰也主要是由于共模干扰的存在引起的.此外,上述很多EMI抑制技术,鉴于结构、成本等各方面的原因,尚不能很好地应用到工程实际中,因此,寻求工程实用、有效的EMI抑制技术也是电动汽车电机驱动系统EMC问题研究的一个发展方向.5结论

近年来,对电机驱动系统EMI机理研究已逐渐成熟,而EMC预测建模仿真以及EMI抑制技术的研究还处于发展过程中.由于电机驱动系统EMI机理以及系统的复杂性,给精确建模带来很大困难,如何准确建立电机驱动系统的EMI预测仿真模型,并有效指导工程应用,仍是一个亟待解决的问题.此外,电机驱动系统EMI抑制技术大多停留在实验室研究和探索阶段,尚未形成一套较完整的解决方案,如何在产品设计以及运用过程中,充分考虑EMC特性,形成相应的设计理论和规范,应是今后工程应用需要解决的问题.

本文结合相关文献资料,对电动汽车电机驱动系统EMC干扰机理、预测仿真模型以及EMI抑制技术等几个方面进行了归纳和总结,提出了当前电机驱动系统EMC研究存在的关键问题和发展趋势,为电动汽车电机驱动系统EMC的研究和工程应用提供了参考.

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通讯作者：郑玲（1963-）,女,浙江平阳人.教授,博士生导师,主要研究方向为车辆动力学与控制、车辆振动噪声控制.

Tel：023-65106094

E-mail：zling@cqu.edu.