純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器傳導(dǎo)性電磁干擾的抑制

宋保林，陶銀鵬

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450005;2.鄭州精益達(dá)汽車零部件有限公司，鄭州 450016)

前言

由于純電動(dòng)汽車在環(huán)境保護(hù)和改善能源結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為各大車企開發(fā)新能源汽車的主流方向之一。某車廠研發(fā)的一款全新結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)汽車采用動(dòng)力鋰電池包作為能量源，直流無刷電機(jī)系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)空調(diào)作為車載空調(diào)器。該款純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器和電動(dòng)空調(diào)采用共高壓母線的方式進(jìn)行電能分配供給，如圖1所示。

電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的型號(hào)為1500W/288VDC，工作時(shí)的額定電流為5A，采用10A/600VDC熔斷器。在對(duì)該純電動(dòng)汽車進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試和試驗(yàn)場(chǎng)路試時(shí)，多次發(fā)生車載空調(diào)壓縮機(jī)熔斷器熔斷故障;將熔斷器型號(hào)更換為30A/600VDC，遠(yuǎn)大于空調(diào)壓縮機(jī)的額定工作電流，又發(fā)生多次熔斷故障;將熔斷器短接，但仍發(fā)生了空調(diào)壓縮機(jī)控制器燒毀故障。

由上述情況可知，造成電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)熔斷器熔斷的電流必定遠(yuǎn)大于30A，初步判斷該電流為其他共母線電器在工作過程中產(chǎn)生的傳導(dǎo)性電磁干擾——紋波電流所致。針對(duì)此故障現(xiàn)象，本文中將從故障發(fā)生原因、故障再現(xiàn)測(cè)試、提出解決措施和措施驗(yàn)證測(cè)試等方面來研究如何抑制純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器傳導(dǎo)性電磁干擾。

1 試驗(yàn)分析

1.1 直流無刷電機(jī)系統(tǒng)的工作原理

直流無刷電機(jī)系統(tǒng)是由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路3大部分組成，其中轉(zhuǎn)子位置傳感器和電機(jī)本體構(gòu)成電機(jī)，電子換相等相關(guān)控制電路構(gòu)成電機(jī)控制器。

在直流無刷電機(jī)的運(yùn)行過程中，電機(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)，通過電子換相電路去驅(qū)動(dòng)和電樞繞組連接的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷發(fā)出信號(hào)，電子換相電路控制功率開關(guān)器件依次通斷，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向始終不變，這就是直流無刷電機(jī)的工作原理，如圖2所示。

1.2 紋波電流的產(chǎn)生

該純電動(dòng)汽車采用的驅(qū)動(dòng)電源為動(dòng)力鋰電池包，無紋波干擾電流。故紋波電流來自電機(jī)控制器，電機(jī)控制器采用 PWM控制方式，其頻率可高達(dá)10kHz，電機(jī)控制器工作時(shí)產(chǎn)生輸出頻率下的紋波電流和開關(guān)頻率下的紋波電流均為幅值很大的紋波電流，這兩種紋波電流是所有電機(jī)控制器自身無法消除的，只能利用濾波電容來吸收。故在電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)的直流電源輸入端都已裝有吸收紋波電流的濾波電容。

1.3 故障再現(xiàn)試驗(yàn)和分析

為深入分析故障發(fā)生的原因，進(jìn)行了空調(diào)壓縮機(jī)熔斷器故障再現(xiàn)試驗(yàn)，通過采集發(fā)生故障時(shí)各相關(guān)電氣參數(shù)的變化來分析發(fā)生故障的根源。

采用底盤測(cè)功機(jī)、YOKOGAWA功率分析儀WT3000和LEM霍爾傳感器LF1005－S來監(jiān)測(cè)各種工況下的母線電壓變化及流過電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)的電流，然后進(jìn)行分析。測(cè)試方式如圖3所示。

根據(jù)車輛發(fā)生故障時(shí)的路試工況，設(shè)定故障再現(xiàn)試驗(yàn)工況:①先將鑰匙轉(zhuǎn)到ACC擋，開啟空調(diào)壓縮機(jī);②將鑰匙轉(zhuǎn)到ON擋，電機(jī)系統(tǒng)上電;③輕踩加速踏板，電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng);④急踩加速踏板，多次將車輛急加速;⑤松開加速踏板，車輛滑行直至停止。在上述過程中，使用功率分析儀監(jiān)測(cè)記錄母線電壓、流過空調(diào)壓縮機(jī)控制器的電流、有功功率和無功功率。功率分析儀數(shù)據(jù)記錄頻率為20Hz。

測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，在空調(diào)壓縮機(jī)單獨(dú)工作或電機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的電流和功率都是穩(wěn)定的正常值。當(dāng)車輛急加速、電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速急劇增加、電機(jī)控制器大功率工作時(shí)，雖然空調(diào)壓縮機(jī)的有功功率處于穩(wěn)定的正常值，但在空調(diào)壓縮機(jī)控制器上產(chǎn)生高達(dá)32kV·A的無功功率，從而產(chǎn)生了高達(dá)150A的沖擊電流。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況初步可以判斷，在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，僅電機(jī)控制器和電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)共直流母線，根據(jù)測(cè)試工況可知，電機(jī)控制器大功率工作時(shí)，產(chǎn)生了過高的無功功率，并通過共用的直流母線傳導(dǎo)至空調(diào)壓縮機(jī)控制器，在空調(diào)壓縮機(jī)控制器上產(chǎn)生沖擊電流，導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)熔斷器頻繁燒毀。

2 傳導(dǎo)性電磁干擾的產(chǎn)生和抑制

2.1 傳導(dǎo)性電磁干擾的產(chǎn)生

傳導(dǎo)性電磁干擾是指電磁能從一個(gè)電子設(shè)備(或電路)通過傳導(dǎo)影響另一個(gè)電子設(shè)備(或電路)的過程。紋波電流是電流中的高次諧波成分，會(huì)帶來電流或電壓幅值的變化而出現(xiàn)傳導(dǎo)性電磁干擾，甚至導(dǎo)致器件擊穿。如果母線上某個(gè)支路的紋波電流成分過大，超過了用電器件所容許的最大紋波電流，就會(huì)導(dǎo)致器件燒毀。

電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)控制器采用共直流母線的方式供電，產(chǎn)生的紋波電流會(huì)在母線上流動(dòng)，紋波電流優(yōu)先流向容抗小的支路。容抗的計(jì)算公式為

式中:Xc為電容容抗;ω為角頻率;f為頻率;C為電容值。可見容抗和容量成反比，和頻率成反比。電容量大，交流電容易通過電容，電容的阻礙作用小;交流電的頻率高，交流電也容易通過電容，電容的阻礙作用也小。

空調(diào)壓縮機(jī)控制器端濾波電容容量為6個(gè)82μF的電容并聯(lián)，共計(jì)492μF/DC400V，電機(jī)控制器端濾波電容容量為2個(gè)150μF的電容并聯(lián)，共計(jì)300μF/DC600V。可見，空調(diào)壓縮機(jī)控制器濾波電容大，容抗小，因而電機(jī)控制器在母線上產(chǎn)生的傳導(dǎo)性電磁干擾-紋波電流優(yōu)先流入空調(diào)壓縮機(jī)控制器，導(dǎo)致其熔斷器頻繁燒毀。為解決此問題，須增大電機(jī)控制器輸入端的濾波電容，可減少紋波電流對(duì)共母線用電設(shè)備的電磁干擾，且改善母線供電性能。

2.2 抑制措施和驗(yàn)證分析

抑制傳導(dǎo)性電磁干擾的主要措施是增大電機(jī)控制器輸入端濾波電容容量和在電機(jī)控制器直流輸入端并聯(lián)容量大的電容。考慮到電容容量大、容抗小的性質(zhì)，并聯(lián)了4 700μF的電容C2，連接方式如圖5所示。

按照上述工況進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，電機(jī)控制器的無功功率得到補(bǔ)償，降低了無功功率引起的傳導(dǎo)性電磁干擾。在空調(diào)壓縮機(jī)單獨(dú)工作或者電機(jī)低速穩(wěn)定工作時(shí)，壓縮機(jī)的電流和功率都是穩(wěn)定的且處于正常值。當(dāng)車輛急加速、電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速急劇升高時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)的有功功率處于穩(wěn)定的正常值，空調(diào)壓縮機(jī)的無功功率也得到了很好的抑制，空調(diào)壓縮機(jī)上的電流處于穩(wěn)定的正常值，無過大沖擊電流產(chǎn)生。由于補(bǔ)償了電機(jī)系統(tǒng)的無功功率，提高了電機(jī)系統(tǒng)的效率，相應(yīng)的動(dòng)力電池包的輸出功率減少，從而減少動(dòng)力電池深度放電的幾率，還可延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命，提高整車的續(xù)航里程和使用壽命。

3 結(jié)論

針對(duì)某款純電動(dòng)汽車試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的故障，深入研究純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)傳導(dǎo)性電磁干擾的抑制和無功功率的補(bǔ)償。電動(dòng)汽車在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮傳導(dǎo)性電磁干擾的影響，對(duì)共直流母線的用電器件要充分考慮紋波電流的抑制和設(shè)計(jì)合理的濾波電路。電機(jī)控制器在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到自身的無功功率補(bǔ)償，減少對(duì)共母線器件的傳導(dǎo)性電磁干擾，降低動(dòng)力電池包的負(fù)荷，提高電機(jī)系統(tǒng)和整個(gè)高壓動(dòng)力系統(tǒng)的效率。

［1］ 常東來．變頻器中直流母線電容的紋波電流計(jì)算［J］．變頻器世界，2010(2):23－25．

［2］ 孫俊，等．電動(dòng)汽車用大容量薄膜電容器性能的試驗(yàn)研究［J］．電力電容器，2007(6):37－39．

［3］ 陳永真．變頻器用電解電容器的性能分析［J］．電源世界，2008(6):58－60．

［4］ Kolar J W，Round S D．Analytical Calculation of the RMS Current Stress on the DC-link Capacitor of Voltage PWM Converter Systems［J］．IEE Proceedings-Electric Power Applications，2006，153(4):535－543．

［5］ 陳永真．電容器及其應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2005:120－127．

［6］ 陳伯時(shí)，等．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［7］ Frederick D，Kieferndorf Matthisa Foster，Thomas A Lipo．Reduction of DC Bus Capacitor Ripple Current with PAM/PWM Converter［J］．IEEE Transactions on IA，2004，40(2):607 －614．

［8］ 陳清泉，等．現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2002．