电动汽车电机控制器的电磁干扰抑制研究

电动汽车电机控制器的电磁干扰抑制研究

作者：李乔赵云马静姚卓民

来源：《中国科技纵横》2016年第12期

【摘要】随着电动汽车的推广使用，电动汽车电机控制器的电磁兼容问题直接影响了电动汽车的安全性和可靠性，成为一个亟待解决的问题，备受业界关注。本文基于电磁兼容辐射发射标准要求和对电动汽车电机控制器的磁场辐射发射检测结果进行分析、验证，提出对电机控制器电磁干扰抑制的具体措施，试验证明这些措施是有效的。

【关键词】电机控制器电磁干扰干扰抑制

1 前言

近年来，在能源和环境双重危机的压力下，各国陆续开始了电动汽车的研发，在有限的车内空间里高频率开关使用以及大量电子部件的集成都给电动汽车带来很多电磁兼容问题。

2 电机控制器的电磁干扰问题

2.1 问题情况描述

本研究对一辆典型的国产电动汽车电机控制器进行了试验。电机控制器的功率为12kw，控制方法为矢量控制。电机控制器主要包括功率电子系统和控制电子系统，其控制对象为永磁同步电动机。功率电子系统包括PWM逆变器主电路及其驱动模块等；控制电子系统主要包括PWM逆变器的控制系统和电机控制模块。电机控制系统与电动机之间存在电源供电电缆和旋变测速电缆。

根据“GB/T 18387-2008 电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法，宽带，9kHz～

30MHz”辐射发射标准对选取的电机控制器进行磁场辐射发射试验（环天线），其检测结果如图1所示，系统在高频范围向外辐射的磁场很大，超出限值，不满足标准要求。

2.2 问题分析

电机控制系统主要包括功率电子系统和控制电子系统，其控制对象为永磁电动机。功率电子系统包括PWM逆变器主电路及其驱动模块等；控制电子系统主要包括PWM逆变器的控制系统和电机控制模块。电机控制系统与电动机之间存在电源供电电缆和旋变测速电缆。

结合检测结果，本课题基于电机控制系统差模辐射和共模辐射、逆变器环节的辐射发射，以及壳体屏蔽环节的辐射发射等方面，针对问题产生的原因进行分析。

2.2.1 电机控制系统差模辐射和共模辐射

功率电子系统中，往往会因平行双线而组成环路的电感（H/m）L是[1]：

在上式中：s表示平行双线的距离；r表示线的半径长度。[1]在电机控制器的功率电子系统中，开关的频率一般在几十kHz左右，这将产生很高的du/dt与di/dt，它们与电机控制器上母线的杂散电感相作用，必然会产生严重的电磁骚扰。这些骚扰信号通过共模和差模回路进行传播，可通过电缆向外辐射出去。

2.2.2 逆变器的电磁干扰

电压源逆变器使用空间矢量脉宽调制技术，由于电机的三相输出电压不是绝对对称，造成电机中点的电压值实际上很难是零值，于是就产生了共模电压。同时，PWM脉冲有很高的

du/dt，于是在逆变器与电机之间就存在了大幅值的共模电压和高du/dt，这就形成了主要的干扰源。

2.2.3 壳体的电磁干扰

电机控制器的壳体屏蔽性差也会引起电磁干扰问题，这时因为壳体的屏蔽性差，壳体内部控制电路的电磁信号就可以通过“场”的形式传播出去，而壳体外部的各种电磁干扰噪声也可以进入到控制电路中来影响控制电路。

3 电机控制器的电磁干扰抑制措施

3.1 线束的辐射信号处理

引起电机控制器电磁干扰问题的原因有很多，其中最重要的就是电缆，因为电缆可以作为天线，将周围的电磁信号发射出去。同时，由于电动汽车上可供安装设备的空间十分有限，无法使安装的电缆均保持安全的距离。本文将电机控制器系统使用的电缆分为2类，如表1所示。

线束布线规则：

（1）为达到充分的退耦，电机控制器与电机之间的动力线和CAN总线、信号线应尽可能远离，保持的最小间距为0.3m；

（2）I类电缆与S类电缆可以垂直交叉，这时，不需要考虑电缆距离问题；

（3）I类电缆采用带屏蔽层的电缆，供电线和回线之间的距离尽量靠近；

（4）CAN总线信号电缆采用带屏蔽层双绞线方式，尽量绞紧，且贴近底盘布线，以减少回路面积，防止低频段的辐射干扰，高频段加瓷珠解决；

（5）其它信号线采用带屏蔽层的电缆，电缆的屏蔽层采取单端接地的方式，且贴近底盘布线。

3.2 逆变器环节的抑制措施

本研究检测的电机控制器系统使用的电压源逆变器，采用空间矢量脉宽调制方法。由于电机的三相输出电压不是绝对对称的，这就造成电机中点的电压值实际上很难是零值，于是就产生了共模电压。同时，PWM脉冲控制开关管通断，会产生很高的du/dt，于是在逆变器与电机之间就存在了大幅值的共模电压和高du/dt，这就形成了主要的干扰源。

因此，在电动汽车中，电机控制器与电机应尽可能得靠近，使其连接电缆尽可能得短以减少共模电流的环路面积，同时，连接电缆应贴近底盘同时带有屏蔽层，其屏蔽层分别与电机控制器、电机360度搭接，这样使得电缆屏蔽层与电机控制器和电机共同构成一个完整的屏蔽体，从而减少共模辐射[2]。

3.3 壳体屏蔽

电磁辐射以“场”的形式沿空间传播，因此通过壳体的屏蔽作用切断辐射骚扰的传播，是行之有效的抑制电磁辐射的方法。而壳体的屏蔽作用取决于壳体的导电连续性，壳体的导电连续性越好，耦合到被屏蔽电路的电磁场通过反射损耗和吸收损耗衰减得就越多。壳体总的屏蔽效能等于通过壳体的电磁场的反射损耗与吸收损耗之和。

从电力电子技术的角度看，电动汽车的电机控制器系统就是逆变器和变速电机控制器的组合。这类设备能够产生大量的射频噪声。本试验的电机控制器的壳体是铝制的，其电磁屏蔽性首先应注意壳体上各电缆的开口和壳体的缝隙。因此，控制器的壳体与电缆之间使用金属连接器，电缆均为屏蔽电缆，且保证电缆与连接器之间360度搭接，以抑制电磁信号的辐射发射；壳体螺钉间距要短，同时，加入实心导电橡胶条作为密封衬垫；用导电布将铝制壳体的缝隙粘接起来，以减小缝隙引起的电磁干扰[3]。

另外，我们将电机控制器的功率模块和控制电路分别用铝板隔离，同时，将铝制壳体可靠接地，使电机控制器的屏蔽性进一步加强，既确保逆变器周围的电磁能量不进入控制电路影响设备功能，又使控制电路或功率模块中产生的电磁能量不扩散出去。

4 结语