電動汽車電機驅動系統(tǒng)傳導干擾分析與實驗

楊文榮，孫亞男，王子龍，趙明麗

（1. 河北工業(yè)大學 電氣工程學院 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學 電氣工程學院 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130；3. 中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300162）

隨著中國經(jīng)濟迅速發(fā)展，人們對能源短缺和環(huán)境污染等問題越來越重視，電動汽車因擁有高效節(jié)能、環(huán)境友好、噪聲低等眾多優(yōu)點得到了迅速發(fā)展。電機控制系統(tǒng)是電動汽車的動力部件，為滿足其高功率和高集成度的發(fā)展趨勢，控制系統(tǒng)中的IGBT 等開關管的開關速度會越來越高，導致瞬變的高電壓和大電流出現(xiàn)，并通過電機驅動系統(tǒng)中的分布參數(shù)產(chǎn)生嚴重的傳導干擾，不僅影響系統(tǒng)內部零部件的性能，還會導致其他的零部件及整車的電磁兼容性能變差，甚至影響人身安全[1]。

由于電動汽車電機控制系統(tǒng)耦合路徑的復雜性較高，因此建立電機驅動系統(tǒng)的預測模型一直是電動汽車領域的熱點之一。文[2-4]通過分析傳導干擾途徑，在實驗平臺上測量逆變器側產(chǎn)生的電磁干擾源注入仿真預測模型中對系統(tǒng)在150 kHz～30 MHz 頻段范圍內的共模傳導干擾進行分析研究；文[5-6]研究了電機驅動系統(tǒng)的共模傳導干擾的等效電路及預測模型；文[7-10]研究了電機驅動系統(tǒng)中的部件的傳導干擾預測模型以及改進策略；文[11-14]研究了PWM 電機控制系統(tǒng)的傳導干擾以及抑制措施；Wu[15]等對電機制動系統(tǒng)中的變頻器進行傳導干擾分析并進行了優(yōu)化研究。

本文基于電動汽車永磁同步電機驅動系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)的傳導干擾產(chǎn)生機理，建立了電機驅動系統(tǒng)的傳導干擾仿真預測模型，在國標GB/T 18655 零部件傳導干擾規(guī)定的150 kHz～108 MHz 范圍內進行仿真分析。在半電波暗室內搭建了電機驅動系統(tǒng)傳導干擾實驗測試平臺，分析比較仿真與實驗結果，證明了仿真預測模型的正確性和有效性。

1 電機控制系統(tǒng)傳導干擾理論基礎

1.1 電機控制系統(tǒng)的結構和工作原理

電機驅動系統(tǒng)中主要的零部件有直流電壓源、直流側高壓輸入線纜、三相逆變器、三相高壓輸出線纜和電動機，如圖1 所示。

其中電機控制器可以分為：（1）逆變器部分即主電路部分，主要部件有IGBT 功率開關管、反向二極管和寄生電容等。（2）控制器部分，主要有：調制電路部分，給IGBT 功率開關管提供控制其導通和關斷的電壓脈沖；雙閉環(huán)控制部分，將電機三相電流解耦，給調制電路部分提供電壓波形。

本文中的逆變器調制電路采用空間矢量脈寬調制（space vector pulse width modulation，SVPWM）技術，相較于正弦波脈寬調制開關損耗小，直流電壓的利用率高，諧波分量小。SVPWM 技術目的是利用平均值等效原理和6 個非零基本矢量的線性組合得到使電動機磁鏈軌跡接近于圓形的電壓空間矢量。采用SVPWM 調制技術時，逆變器輸出的最大圓形旋轉電壓矢量軌跡是6 個基本矢量幅值所組成的正六邊形內接圓，輸出的不失真最大相電壓幅值為直流側電壓的1/ 3 倍。

1.2 電機驅動系統(tǒng)傳導干擾產(chǎn)生機理

在電機控制器中，控制開關管導通和關斷的脈沖是由空間矢量脈寬調制電路輸出的矩形波，高電平矩形波對應的開關管導通，低電平矩形波對應的開關管關斷。在三相逆變器電路中共有3 個橋臂6 個開關管，每個橋臂都有上下2 個互補的開關管，如圖2 所示，其中用Udc表示直流側電壓，用Uout表示橋臂上的輸出電壓。由于每個橋臂的2 個開關管互補，因此當開關管K1導通時開關管K4關斷，Uout=Udc/2；反之，開關管K1關斷時開關管K4導通，Uout=-Udc/2。因此，逆變器輸出的相電壓只有±Udc/2兩種電平。開關管的導通和關斷時間決定著矩形波的上升和下降時間，而且開關管的導通和關斷均在瞬間完成，時間很短，因此矩形波會出現(xiàn)較大的尖峰dv/dt，從而導致嚴重的傳導干擾。當波形的上升和下降時間一定時，dv/dt則由電壓大小來決定，本文中的開關管采用IGBT 開關管，由于IGBT 開關管的集電極和發(fā)射極間的電壓脈沖的幅值遠大于控制IGBT 開關管導通和關斷的電壓幅值，進而可知電機驅動系統(tǒng)中三相逆變器的各個IGBT 開關管集電極和發(fā)射極之間的電壓脈沖是產(chǎn)生傳導干擾的主要干擾源。

圖2 逆變器基本結構圖

2 電機驅動系統(tǒng)傳導干擾預測模型的建立

2.1 電機控制器

電機控制系統(tǒng)主要由開關管控制電機系統(tǒng)的性能，且電磁干擾中的干擾源主要來源于逆變器中的開關管，本文采用雙閉環(huán)矢量控制，實時控制開關管的導通和關斷。矢量控制本質是對電機的定子電流的控制，通過矢量變換實現(xiàn)對交直軸電流的解耦控制，從而達到模擬直流電機的控制方法對永磁同步電機進行控制的目的。在矢量控制中，速度參考與速度反饋的差值經(jīng)速度控制器（ASR）調節(jié)得到交直軸電流給定，通過檢測電動機的三相電流經(jīng)變換得到同步旋轉坐標下的反饋電流，與上面的給定值經(jīng)過電流控制器（ACR）調節(jié)及派克反變換獲得反饋電壓值，通過SVPWM 技術產(chǎn)生PWM 信號控制逆變器工作。

2.2 高壓線纜

因為集膚效應的影響，導線中流過較高頻率的電流時，更多的電流會在導線的截面上集中，用d表示距離導線表面的厚度，其計算公式如式（1），當頻率f達到一定數(shù)值時，即r＞＞d，大多數(shù)電流分布在距離表面深度為d的導體橫截面內，式（2）為單位長度導體電阻rd的表達式[3]。

式中：r、μ、γ為內導體半徑、內導體磁導率、內導體電導率；f為流過導線截面的電流頻率；S為電流的分布面積。

本文電機驅動系統(tǒng)中高壓線纜采用的是屏蔽線纜，線纜的電阻參數(shù)利用上述公式求得，并采用數(shù)值法求解線纜的電感、電容參數(shù)。通過查閱電纜技術規(guī)格書可知屏蔽線纜的具體參數(shù)為：內導體與屏蔽層均為銅材料，內導體直徑為 9.5 mm，屏蔽層厚度為0.40 mm；內絕緣層材料為聚烯烴，厚度為0.85 mm；外絕緣層材料同樣為聚烯烴，厚度為0.55 mm。由于電阻參數(shù)會隨頻率的不同發(fā)生變化，因此在求解電阻參數(shù)時，取傳導電磁干擾的中心頻率54 MHz，再根據(jù)式（2）計算得到。

逆變器直流側線纜是2 根平行放置的屏蔽線纜，兩者之間的中心距離為3.5 cm。每根線纜長2 m，將其分成2 段，每段長1 m，在數(shù)值仿真軟件中建立模型如圖3(a)所示，其中一段的等效電路如圖3(b)所示。由于2 根線纜之間的中心距離較遠，線纜中導體與其屏蔽層構成了回路，并且兩回路間的磁耦合很弱，因此忽略了2 根線纜之間的互感。再將2 段相同的等效電路模型級聯(lián)即為逆變器直流側線纜的等效電路模型。

三相逆變器的交流側線纜是三根相鄰線纜中心距離為3.5 cm 的平行屏蔽線纜，在數(shù)值仿真軟件中建立模型如圖4(a)所示，三相逆變器交流側每根線纜長0.8 m，等效電路圖如圖4(b)所示，忽略線纜間的互感。

圖3 直流側輸入線纜模型

圖4 交流側輸出線纜模型

2.3 逆變器的寄生參數(shù)

逆變器直流側的電壓等級越來越高，開關頻率也越來越高，并且還是電機驅動系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾源的主要部件。因此，在較高頻率下逆變器中存在的寄生參數(shù)不可以忽略不計。如圖5 所示為簡化的逆變器寄生參數(shù)等效模型。從圖中可以看出寄生參數(shù)主要有逆變器對地的寄生電容Cd、與散熱器間的寄生電容Cg、開關管的集電極與發(fā)射極之間的極間電容C1。另外，線路中還包含有電感L1、L2和電阻R1、R2。通過E4990A阻抗分析儀中已有的等效電路圖對圖5 中簡化的等效電路圖中寄生參數(shù)直接測量計算得到。為不影響計算的參數(shù)的準確性，將電解電容C0在測量之前拆掉且電解電容C0的值由技術參數(shù)查詢可得到：（1）首先測量電機控制器的一個直流電源輸入端與機殼間的阻抗特性，由圖5 可知端口等效電路圖為RLC 串聯(lián)，通過阻抗分析儀測量計算可以得出參數(shù)R1、L1、Cd的數(shù)值；（2）測量電機控制器一個三相輸出端U與機殼的阻抗特性，通過阻抗分析儀中的等效電路模擬出各個參數(shù)R2、L2、Cg；（3）測量電機控制器三相輸出端任意兩相如測量U和V兩端口的阻抗特性，通過阻抗分析儀中的等效電路模擬出電阻、電感、電容的值，并根據(jù)R=2R2，L=2L2，C=C1+1/2Cg可得到C1的值。

圖5 逆變器寄生參數(shù)簡化電路圖

2.4 人工電源網(wǎng)絡

人工電源網(wǎng)絡又稱線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（LISN，line impedance stabilization network），具有隔離、取樣、阻抗穩(wěn)定的作用，用于汽車產(chǎn)品測量的人工電源網(wǎng)絡有一個標稱為5 μH 的電感，其電路圖如圖6 所示，此人工電源網(wǎng)絡的頻率上限可以達到108 MHz，滿足GB/T 18655 的要求。

圖6 用于汽車產(chǎn)品測量的人工電源網(wǎng)絡電路圖

3 電機驅動系統(tǒng)傳導干擾仿真與實驗分析

在仿真軟件中搭建了電機控制系統(tǒng)傳導干擾的各個模塊的預測模型并將其連接，如圖7 所示，整個電機驅動系統(tǒng)作為被測設備（EUT），由正負極的2 個人工電源網(wǎng)絡輸出干擾信號。在半電波暗室內搭建了電機驅動系統(tǒng)傳導干擾實驗測試平臺，如圖8 所示。

為驗證預測模型的有效性，仿真輸出了正負極2個LISN 端的干擾電壓的頻譜圖，并與實驗測試圖進行對比，圖9 為電源正極仿真圖與實驗圖，圖10 為電源負極仿真圖與實驗圖。

圖7 電機控制系統(tǒng)傳導干擾的預測模型

圖8 電機驅動系統(tǒng)傳導干擾實驗布置圖

圖9 高壓電源正極仿真及實驗頻譜圖

由圖9 和圖10 可以看出在GB/T 18655 規(guī)定中的傳導干擾頻率范圍150 kHz～108 MHz 內，建立的電機驅動系統(tǒng)傳導干擾的仿真預測模型所輸出的系統(tǒng)的正負極電壓頻譜圖與實驗測試圖的整體變化趨勢基本一致。為獲得系統(tǒng)良好的電磁兼容性，需要針對出現(xiàn)毛刺尖峰的頻段進行定性分析。從圖中可以看出高壓電源正極仿真圖的每個頻段的尖峰與實驗測試圖對比最大誤差大約為20 dBμV；高壓電源負極仿真圖的每個頻段的尖峰與實驗測試圖對比最大誤差大約為14 dBμV。但從整體上看，實驗測試圖與仿真圖之間的誤差均在可以接受的范圍內，進而證明了電機驅動系統(tǒng)傳導干擾仿真預測模型的準確性和有效性。

圖10 高壓電源負極仿真及實驗頻譜圖

4 結論

本文介紹了電機驅動系統(tǒng)傳導干擾產(chǎn)生機理，分析了系統(tǒng)產(chǎn)生傳導干擾的主要干擾源，并將整個系統(tǒng)作為被測設備建立電機驅動系統(tǒng)傳導干擾的仿真預測模型，獲得了系統(tǒng)的傳導干擾頻域波形圖。為了證明電機驅動系統(tǒng)傳導干擾仿真預測模型的正確性和有效性，在半電波暗室內搭建了電機驅動系統(tǒng)的傳導干擾實驗測試平臺，將仿真結果與實驗結果對比發(fā)現(xiàn)兩者電壓頻譜圖整體變化趨于一致。

通過本文的仿真預測模型可以在電機驅動系統(tǒng)正向開發(fā)的設計階段預測系統(tǒng)的電磁兼容性，為定性分析系統(tǒng)的傳導干擾及超標頻段的抑制奠定基礎，從而避免工程實際中后期整改工作的復雜性和成本的增加。