6 电动汽车电机驱动系统的传导电磁干扰研究

通过差模共模阻抗测量，经过数据后续处 理，可以获得电机单相模型中 Z dm 、 Z cm 阻抗幅 频特性曲线。根据提出的基于阻抗幅频特性曲线 构建宽频电路模型的方法就可以构建出永磁同 步电机的单相宽频电路模型。
4 仿真和测试结果
基于以上各个模块的高频电路模型，将各个 部件的等效电路按照实验平台电气连接方式连 接。在电路仿真软件 Saber 中仿真出蓄电池正极 LISN 50Ω 电阻上的干扰电压， 经傅里叶变换， 仿 真计算的传导电磁干扰用频域表示，并与电机驱 动系统实验平台上测量的传导电磁干扰对比，如 图 6 所示。
仿真预测 实测
V/dBμV
60 50 40 30 20 10 0.3 0.4 0.50.6 0.7 0.8 0.91 f/MHz 10 30
[3]
WARD D D, LAWTON S. Numerical modeling for automotive EMC [C/OL] // 1995 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Atlanta,
LISN
1 引言
随着石油资源的短缺和大气污染现象的日 益严重，以低效率的内燃机方式驱动的传统汽车 难以适应社会发展的方向，在石油能源危机和环 境污染的双重压力下， 电动汽车 （Electric Vehicle） 将成为汽车工业的发展方向。 相比于传统汽车，电动汽车增加了更多的电 力电子装置，使得车内电磁环境越来越复杂，各 系统间的电磁干扰日益严重，要使电动汽车实现 产业话，必须通过严格的电磁兼容（EMC）标准 测试以限制汽车电磁发射量。其中电机驱动系统 在工作时，逆变器内部 IGBT 的快速开断，导致 较高的电压电流变化，产生宽频带电磁干扰，对 电动汽车内部电子器件有明显的电磁干扰。对电 动汽车驱动电机系统 EMI 特性进行预测是解决 EMC 问题的关键。 随着计算机科学的告诉发展，数值计算广泛 的用于电动汽车的 EMC 问题研究中，如有限元 法（ FEM ） [1] ，时域有限差分法（ FDTD ） [2], 以及传输线法（TEM）[3]等，在电动汽车电机驱 动系统的仿真分析中运用数值方法可以有效的 减少后期 EMC 成本，缩短电动汽车的生产周期 [4]。 为了预测电机驱动系统的传导 EMI，本文将
5 结语
为了能够预测电机驱动系统传导 EMI 情况， 建立了电机驱动系统高频电路模型。整个电路模 型有各个子模块构成，通过测量法、解析法和数 值法计算得到。为了验证模型的正确性，计算并 测量了在 0.3-30MHz 内 LISN 上干扰电压的阻抗 特性，仿真和实测干扰频谱基本趋势一致。验证 了本文电机驱动系统传导电磁干扰预测方法的 正确性和可行性。
110 100 90 80 70
参考文献
[1] FREI S, JOBAVA R G,TOPCHISHVILID, Complex approaches for the calculation of EMC problems of large systems[C/OL]//2004 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Eindhoven, The Netherlands, 3:826-831[2004-11-01]. [2] ANZALDIG, RIU P J, SILVAF, et al. Finite difference time domain low cost modeling for automotive environments [C/OL] // 2004 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, August 9-13, 2004, 3; 775-780[2004-11-01] August 9-13,2004,
电机驱动系统分为独立的模块，通过测量、解析 方法和有限元法提取每个模块的分布参数，并在 电路仿真软件 Sable 中建立相应的高频电路模型， 仿真计算了人工电源网络 （LISN） 上在 0.3-30MHz 内的 EMI 情况。仿真结果得到了实验验证。
2 电机驱动系统测试
电机驱动系统传导电磁干扰测试的实验平 台，如图 1 所示。实验平台包括：12V 蓄电池， 为电机驱动系统主电路提供电源； 10V 驱动电源， 为 DC/AC 驱动控制提供电源； DC/AC 输入线缆， 连接蓄电池与 DC/AC 输入端，采用屏蔽线缆； DC/AC 输出线缆，DC/AC 输出端口与电机的连 接线，采用线缆和输入线缆相同；驱动电机为永 磁同步电机，定子端三相星形连接，额定输出功 率 50kW；LISN，即人工电源网络，是传导电磁 干扰测试的标准设备，连接在蓄电池与 DC/AC 输入线之间，蓄电池的正负极各接一个 LISN， LISN 主要作用有[5]：为被测的电机驱动系统电 源线提供稳定的阻抗。为了防止外界对测试结果 的影响，整个测量在屏蔽室里进行。
M
式中： m 表示导体 m 单位长度电阻，f 为频 率，γ 为导体电导率，μ 为导体磁导率，d 为集肤 效应深度，r 为导体半径 C 和 L 可用有限元方法 求的：
r
电机
输入线缆
DC/AC逆变器
Cmn

V
E D dV U mU n
B H dV Im In
（2 ）
图 2 电机驱动系统示意图
Lmn

VБайду номын сангаас
（3）
式中 Cmn 表示导体 m 与导体 n 单位长度的 电容，Um 表示导体 m 的电位，Un 表示导体 n 的电位。 Lmn 表示回路 m 与回路 n 之间的单位长 度的互感，Im 为回路 m 的电流，In 为回路 n 的 电流。
3.2 电机宽频等效电路模型
永磁同步电机为三相交流电机，每相定子绕 组的电路拓扑如图 4 所示：
输入线缆
接收机显示器 DC/AC
驱动电源线 电机控制线束 蓄电池
输出线缆
电机 驱动电源
图 1 电机驱动系统实验平台
3 电路模型
电机驱动系统主要有 4 个模块组成，分
28
电动汽车电机驱动系统的传导电磁干扰研究
输入线缆
驱动电路
c 电机控制器 g 电 池 管 理 系 统 IGBT
蓄电池
e
输出线缆 A B C
别是蓄电池模块、 DC/AC 逆变器模块、 电机、 输入输出线缆模块，如图 2 所示。 对于蓄电池，Saber 中用直流电压源等效。 平台上 LISN 的等效电路及其电路参数由生产厂 家提供， 文中将 DC/AC 逆变器中六个 IGBT 集电 极与发射极之间的电压作为干扰源，测量输入与 输出之间的电压，该电压就是 IGBT 集电极和发 射极两端的电压波形。其他模块的建立于参数求 取将在以下详细说明。
图 6 电机驱动系统传导电磁干扰频谱仿真与实测对比图
图 6 对电机驱动系统实验平台测试的传导电 磁干扰频谱与本文的预测方法仿真计算的传导 电磁干扰频谱在 0.3-30MHz 的频率范围内进行了 对比，从对比中知道，预测仿真与实测的干扰频 谱基本趋势一致，最大误差有 15dBμV，特别是 0.3-3MHz 和 20-30MHz 的频率范围内误差相对较
重庆市电机工程学会 2012 年学术会议论文
电动汽车电机驱动系统的传导电磁干扰研究
汪泉弟，彭河蒙，杨永明，孙宏，郑亚利
（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400040）
摘要：电动汽车电机驱动系统工作时产生的电磁干扰具 有频带宽、能量大的特点，严重影响电动汽车的电磁兼 容性能。本文提出了一种预测电机驱动系统传导电磁干 扰宽频模型的建立方法：建立系统中每个部件的电路模 型，利用测量、解析和数值方法确定模型中的分布参数， 集成为电机驱动系统等新电路模型进行仿真计算。 LISN 上仿真和实测的干扰电压频谱对比证明了该模型的正确 性和方法的有效性。 关键词：电机，电磁兼容，逆变器，电动汽车
阻 抗 分 析 仪 1 2 3 机壳（地）
1 2 0
l10 z
l12 z
r2 z
l20 z
c12 z
c10 z
c20 z
图 3 三导体传输线电路模型
rm
1 1 1 (r d ) （1） 2 2 S [ r (r d ) ] 2 rd
3 Z dm 2
r1z
Z dm
Z cm
Z cm
图 4 永磁同步电机单相模型
Z dm 表示单相定子绕组的高频阻抗特征，即 绕组的差模阻抗。 Z cm 表示定子绕组与机壳（或
地）之间的高频阻抗特征，即绕组的共模阻抗。 针对定子绕组星形连接的永磁同步电机，各 相是对称的，利用阻抗分析仪对其进行差模和共 模测量，分别如图 5（a）和 5（b）表示。图 5（a） 表示的是永磁同步电机 1、2 两相短接后与第 3 相的端口阻抗；5（b）表示的是永磁同步电机 1、 2、3 三相短接后与机壳（地）之间的端口阻抗。
GA, USA, August 14-18, 1995 [2002-08-06]. [4] [5] Clayton R. Paul 著. 电磁兼容导论[M]. 闻映红 等译. 北京：机械工业出版社，2006. 杨继深 . 电磁兼容技术之产品研发与认证 [M]. 北京 : 电子工业出版社,2004
30
3 Z cm 2
3
（a）差模测量
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重庆市电机工程学会 2012 年学术会议论文
1
阻 抗 分 析 仪
2 3 机壳（地）
1 Z cm 3
1 Z cm 3
地
（b）共模测量 图 5 永磁同步电机阻抗测量图
大，其他频率段吻合得较好。误差存在的主要有 两点：首先，电机驱动系统实验平台还存在很多 本文没有考虑的分布参数，如 DC/AC 内部 PCB 板的寄生参数；其次，平台中每一个器件的宽频 等效电路模型本身也存在一定的误差。
3.1 传输线宽频等效电路模型
逆变器两端的输入、输出电源线属于传输 线。为了能够反映传输线的高频特性，采用 n 节 电路级联的方式，以三导体传输线为例，如图 3 所示，其中 Δz 为电小尺寸长度，r1、r2 分别为 导线 1 和导线 2 单位长度上的电阻， l10 为导线 1 与参考导线 0 构成回路的单位长度自电感，l20 为导线 2 与参考导线 0 构成回路的单位长度自电 感，l12 为导线 1、导线 0 构成的回路与导线 2、 导线 0 构成回路之间的单位长度互感，c10 为导 线 1 与导线 0 之间的单位长度的电容，c20 为导 线 2 与导线 0 之间单位长度的电容， c12 为导线 1 与导线 2 之间单位长度的电容。