燃料電池轎車驅(qū)動電機電磁噪聲的實驗研究*

張 戟，蔡浩雄，王洪武

(同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804)

前言

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，燃料電池轎車具有效率高、污染小和噪聲低等優(yōu)點，被認為是21世紀汽車工業(yè)的希望［1］。然而，燃料電池轎車的動力系統(tǒng)(包括動力電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電機等)常見的工況為大電流高電壓，對低壓設備產(chǎn)生很大的電磁干擾，降低了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

大功率電機整流逆變器核心部分是由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成的開關(guān)電路，工作時產(chǎn)生高頻信號，具備較高的電應力，多產(chǎn)生較高的直流母線紋波，開關(guān)噪聲與諧波噪聲高，波形系數(shù)差;從電磁兼容的角度看，無論是輻射發(fā)射還是傳導發(fā)射都比較強。本文中從傳導發(fā)射的角度，首先介紹了常用燃料電池轎車用驅(qū)動電機的選型，然后通過實驗獲得電機在不同電壓和轉(zhuǎn)速的頻譜圖，并利用控制變量法對結(jié)果進行了分析，為采取降低燃料電池轎車驅(qū)動電機電磁噪聲的措施提供了依據(jù)。

1 驅(qū)動電機的選型

電機驅(qū)動系統(tǒng)是燃料電池汽車中將電能轉(zhuǎn)換成機械能的動力部件，目前常用的驅(qū)動形式有直流電機、交流感應電機、交流永磁電機和開關(guān)磁阻電機等驅(qū)動系統(tǒng)［2］。

直流電機驅(qū)動系統(tǒng)具有成本低、易于平滑調(diào)速、控制簡單和技術(shù)成熟等特點，在早期的無軌電車和電動叉車等車輛中廣泛使用。但由于電機在運行過程中需要電刷和換向器轉(zhuǎn)向，對其高速性能和可靠性影響較大。隨著交流調(diào)速理論和電力電子器件的發(fā)展，它在燃料電池汽車上的應用已逐步減少。

交流感應電機采用鼠籠式或繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與直流電機相比具有堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、免維護和成本低等優(yōu)點，尤其適合惡劣的工作環(huán)境，比較適合燃料電池電動汽車，特別是大功率的電動汽車。

交流永磁電機通常可分為方波供電的無刷直流電機和正弦波供電的永磁同步電機。轉(zhuǎn)子采用永磁體，不需要勵磁。因此，功率因數(shù)大，電機的功率密度和效率就會提高。在中小功率系統(tǒng)中比較占優(yōu)勢，但成本較高，可靠性也比感應電機差。

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)最為簡單，適合高速運行，調(diào)速控制比較容易，但電磁噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動仍然是開關(guān)磁阻電機面臨的兩大難題。目前燃料電池汽車上這種電機應用較少。

表1為各大汽車公司燃料電池轎車驅(qū)動電機的類型和參數(shù)，額定功率為50～80kW，最大功率在100kW附近。本文中選用額定功率為45kW，最大功率為90kW的感應電機為研究對象。

表1 燃料電池轎車驅(qū)動電機類型和參數(shù)

2 電機三相輸入端電磁噪聲分析

負載是影響電機噪聲的重要因素，但目前國內(nèi)沒有根據(jù)燃料電池汽車實際工況給驅(qū)動電機模擬加載的裝置，故僅考慮電機空載時的噪聲。

2.1 實驗布置

實驗布置如圖1所示。共模電流鉗一端包住主回路三相輸入線，測量三相輸入端共模電流，另一端連接頻譜分析儀，頻譜儀與電腦連接記錄存儲實驗數(shù)據(jù)。人工網(wǎng)絡端接50Ω電阻。

2.2 輸入電壓與電磁噪聲的關(guān)系

大功率電機產(chǎn)生電磁噪聲最根本的原因是IGBT工作過程中產(chǎn)生很高的電流變化率和電壓變化率，二者產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。電壓變化率產(chǎn)生的共模電流通過設備與地之間寄生電容回到地平面，共模電流幅值計算公式為

式中:Cp為寄生電容，u為電機輸入電壓。

圖2為電機驅(qū)動系統(tǒng)示意圖。圖中虛線箭頭表示共模電流的傳播路徑［3］。由圖可知，驅(qū)動系統(tǒng)、傳輸線和感應電機內(nèi)部均有共模電流。

圖3分別為不同輸入電壓下的共模噪聲頻譜圖。圖中橫坐標表示頻率，起點為9kHz，縱坐標表示轉(zhuǎn)速固定在1000r/min時共模電流流經(jīng)端接50Ω電阻所產(chǎn)生的電磁噪聲。由圖可見，曲線的變化趨勢基本相同，開始 9kHz時噪聲功率很高，為-15dBm，隨著頻率的逐步增加，噪聲功率逐漸減小，到27MHz時，電磁噪聲基本穩(wěn)定在-70dBm;從9kHz到9MHz噪聲降低非常快，隨后噪聲隨頻率增加小幅度波動，并最終趨于穩(wěn)定。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，把頻率范圍0～30MHz平分為20等分，選取對應的噪聲功率最大值，利用三次樣條曲線擬合轉(zhuǎn)速1000r/min不同電壓時電磁噪聲，得到圖4所示曲線。表2為電機驅(qū)動系統(tǒng)三相主回路電磁噪聲的峰值和均值。從圖4和表2可以看出，隨著電機驅(qū)動系統(tǒng)三相主回路輸入電壓升高，噪聲有所增加，但增量有限，分別為 -2.4dBm和-2.9dBm。另外值得注意的是，120和240V時噪聲功率的峰值均為-15dBm，而360V時，噪聲功率的峰值為-11dBm。

表2 轉(zhuǎn)速1000r/min不同電壓時噪聲峰值和均值

2.3 電機轉(zhuǎn)速與電磁噪聲的關(guān)系

圖5是輸入電壓為330V，轉(zhuǎn)速分別為0、6000和8000r/min時的共模噪聲頻譜。由圖可見，隨著頻率的提高，共模噪聲呈降低趨勢，低頻共模噪聲變化不大，但不同轉(zhuǎn)速下的降幅有很大差別。

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為0時，不同頻段的電磁噪聲差別較大。頻率段為9kHz～12MHz時的共模噪聲很大，其噪聲均值為 -33.1dBm;而頻率段為 12～30MHz時的噪聲均值只有-61dBm，噪聲大大減小，但在頻率為17和25.5MHz時出現(xiàn)相對較大的噪聲，分別為-32和-40dBm。結(jié)果說明驅(qū)動電機低轉(zhuǎn)速時的電磁噪聲主要來自低頻段。

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為6000和8000r/min時，隨著頻率的增加，共模噪聲有所降低，但降幅不大。頻率段0～6MHz和15～18MHz的共模噪聲很大，這與轉(zhuǎn)速為0時17MHz出現(xiàn)相對峰值的情況是一致的。30MHz時，共模噪聲依然很大，還未趨于穩(wěn)定，因此當驅(qū)動電機處于高轉(zhuǎn)速時，須擴大頻率范圍。

不同轉(zhuǎn)速下的噪聲-頻率曲線如圖6所示。表3為不同轉(zhuǎn)速下電機驅(qū)動系統(tǒng)三相主回路共模電磁噪聲的峰值和均值。電機是否運轉(zhuǎn)對低頻電磁噪聲影響不大，但對高頻電磁噪聲影響很大。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為0時，噪聲均值為-47.9dBm，而轉(zhuǎn)速為6000和8000r/min時，噪聲均值分別為-35.7和-32.8dBm。

表3 電壓330V不同轉(zhuǎn)速時噪聲峰值和均值

3 結(jié)論

驅(qū)動電機作為燃料電池轎車動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一，產(chǎn)生了很大的電磁噪聲。在對燃料電池轎車驅(qū)動電機的類型和參數(shù)調(diào)研的基礎上，分析了感應電機驅(qū)動系統(tǒng)三相主回路輸入電壓和轉(zhuǎn)速的變化對電磁噪聲的影響，得出以下結(jié)論。

(1)感應電機轉(zhuǎn)速處于低轉(zhuǎn)速(1000r/min)時，感應電機驅(qū)動系統(tǒng)三相主回路電磁噪聲主要在0～6MHz頻率段內(nèi)，增大電壓時電磁噪聲有所增加，但增幅不大;

(2)感應電機是否運轉(zhuǎn)對低頻電磁噪聲影響不大，而對高頻電磁噪聲影響很大，隨著轉(zhuǎn)速增高電磁噪聲呈增大趨勢，在頻率17MHz附近出現(xiàn)相對峰值;

(3)感應電機處于低轉(zhuǎn)速時，電磁噪聲在30MHz頻率點已基本穩(wěn)定，而電機處于高轉(zhuǎn)速(大于6000r/min)時，電磁噪聲在30MHz頻率點還未達到穩(wěn)定，須擴大頻率范圍進一步觀察;

(4)對感應電機電磁噪聲大的頻率區(qū)間須采取濾波、屏蔽和接地等措施降低電磁噪聲，從而保證燃料電池轎車的安全性和可靠性。

［1］劉翔海.燃料電池及其相關(guān)技術(shù)在汽車領域的應用與研究［J］.汽車研究與開發(fā)，2001(9):25-28.

［2］袁海林.電動汽車及其驅(qū)動電機的發(fā)展概況［C］.第十一屆中國小電機技術(shù)研討會論文集，2006:31-36.

［3］Souza L N De，Braga R A M，Libano F B.Introduction to Conducted Electromagnetic Emission from Inverted-fed Induction Motor Drives According to the Electromagnetic Compatibility(EMC)Requirements［C］.IEEE Russia Power Tech，2005.