電動汽車及其電磁兼容性分析的研究

王維君

【摘 ?要】針對電動汽車的電磁兼容問題，論文論述了電動汽車電磁兼容研究的主要內(nèi)容，并且按電壓等級把電動汽車內(nèi)部電氣系統(tǒng)分為動力電池電源系統(tǒng)、電力傳動系統(tǒng)、功率電子系統(tǒng)和控制電子系統(tǒng)四大類，研究了各系統(tǒng)之間的電磁干擾關系以及整車的電磁環(huán)境，并對各系統(tǒng)之間的電磁干擾提出了其電磁兼容的解決方案，從而達到電動汽車電磁兼容優(yōu)化設計的效果。

【關鍵詞】電動汽車;電磁兼容;電磁干擾

中圖分類號：TP202 ?文獻標識碼：A

1 引言

隨著人們環(huán)境保護意識的不斷提高，加之石油氣資源的日益枯竭，用電池為動力源的電動汽車，是近年來國際發(fā)達國家競相研究開發(fā)的熱點。

隨著其技術的發(fā)展，各種高頻率、高頻帶、高精度、高可靠性的電氣、電子設備應用得越來越廣泛，電氣、電子設備數(shù)量和種類不斷增加以及性能逐步的提高，致使車內(nèi)空間電磁環(huán)境日趨復雜，電磁干擾帶來的問題也越來越嚴重，現(xiàn)在已成為電動汽車安全性保證的突出的障礙。在這種復雜的電磁環(huán)境下，如何抑制各種電磁設備相互間的干擾，以保障汽車內(nèi)設備正常工作和運行，是一個待解決的復雜工程問題。

2 ?電動汽車內(nèi)部的電磁環(huán)境研究

電動汽車內(nèi)部電氣系統(tǒng)按電壓等級可分為動力電池電源系統(tǒng)、電力傳動系統(tǒng)、功率電子系統(tǒng)和控制電子系統(tǒng)。動力電池電源系統(tǒng)主要包括動力電池組及其輔助電路;電力傳動系統(tǒng)包括主傳動電機、集成啟動發(fā)電電機及各種車載的電動機;功率電子系統(tǒng)包括PWM逆變器主電路及其驅(qū)動模塊、火花點火線圈、空調(diào)啟動器等;控制電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器的控制部分、車內(nèi)的各種電子娛樂系統(tǒng)以及各種無線網(wǎng)絡設備。

2.1 動力電池電源系統(tǒng)與電力傳動系統(tǒng)

動力電池電源系統(tǒng)與電力傳動系統(tǒng)是電動汽車系統(tǒng)中干擾最大的環(huán)節(jié)，也是其最大的干擾源，但由于其特殊的結(jié)構(gòu)和工作原理，主要通過屏蔽等方法來切斷干擾的傳播途徑，同時相應增加其他系統(tǒng)的電磁兼容設計。

2.2 功率電子系統(tǒng)

功率電子系統(tǒng)不僅是主要的電磁干擾源，同樣也有很多敏感設備。PWM逆變器功率回路上的寄生電感在功率開關關斷和續(xù)流二極管環(huán)流的過程中，產(chǎn)生浪涌電壓，瞬時的du/dt 產(chǎn)生大量的電磁干擾;火花點火圈通過高壓放電點火，瞬間的di/dt 也將產(chǎn)生強烈的電磁干擾;逆變器和點火器驅(qū)動電路的大功率晶體管控制極在如上述浪涌電壓或者其他強烈的感應電壓作用下容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，引發(fā)危險。

2.3 控制電子系統(tǒng)

車內(nèi)的各種控制電子系統(tǒng)是主要的敏感設備，這些設備大多由電壓等級低的數(shù)字芯片或者模擬電路構(gòu)成，在發(fā)射大量控制信號的同時，容易受到各種電磁干擾的影響。由于這些控制電子系統(tǒng)同時具有大量的數(shù)據(jù)接口存在，因此不僅需要EMC設計防止外部干擾，同時也要消除本身產(chǎn)生的干擾信號。

2.4 各系統(tǒng)之間EMI相互關系

電磁干擾的耦合途徑有兩種：通過空間傳播的輻射耦合方式和通過電路傳輸?shù)膫鲗Х绞健Ｆ渲校椛溆挚煞譃椋航鼒鲴詈希òㄈ菪择詈虾透行择詈希⑦h場（電磁場）耦合;而傳導則分為傳導耦合及公共阻抗耦合。電動汽車各個電氣部分之間的電磁干擾關系見圖1。圖1中實線所指示的是直接的電氣連接即由電纜相連，其中電機與PWM功率電路之間通過三相動力線連接，PWM逆變器控制電路與主電路之間通過信號線電纜相連，而電機中的傳感器將采集的信息通過傳感器信號電纜與PWM逆變器控制電路連接在一起。虛線表示的是通過電磁場耦合的方式進行輻射干擾的途徑，箭頭表示出干擾的傳播方向，雙箭頭表示箭頭連接的兩設備互為干擾源。

3、電動汽車的電磁兼容解決方案

要解決電動汽車電磁兼容首先要從這三個要素著手，采取相應的抑制措施：1、抑制干擾源，直接消除干擾原因;2、切斷傳播途徑，消除干擾源與受擾設備之間的噪聲、電磁耦合，或者提高傳輸途徑對電磁干擾的衰減作用;3、加強受擾設備抵抗電磁干擾的能力，降低對電磁干擾、噪聲的靈敏度。

3.1 控制電子系統(tǒng)及信號電纜的電磁兼容設計

3.1.1 控制電子系統(tǒng)PCB的電磁兼容設計

電動汽車控制電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器的控制部分、車內(nèi)的各種電子娛樂系統(tǒng)以及各種無線網(wǎng)絡設備。其控制器中的PCB電路板是整個系統(tǒng)的硬件核心，其電磁兼容設計包括：

（1）地線設計：控制電路一般可采用多層電路板，中間層用于電源和地，電源電路、模擬電路與數(shù)字電路合理分區(qū)、各自接地。該措施可有效降低電源線和地線的阻抗，減少電路的環(huán)路面積及避免不同電路之間的公共阻抗耦合。

（2）光電隔離：控制電子系統(tǒng)的的外圍處理電路及總線通訊電路可采用高速光耦與微處理器連接。光耦器件的寄生電容約為2pF，可對外圍處理電路和總線上的高頻干擾進行有效的隔離。

（3）濾波器設計：濾波器主要用來切斷干擾源沿信號線以及電源線傳播的路徑。根據(jù)噪聲源阻抗和負載阻抗的值，可選擇的EMI濾波器的電路拓撲如下：低的源阻抗和低的負載阻抗，選取圖2（a）T型濾波器結(jié)構(gòu);低的源阻抗和高的負載阻抗，選取圖2（b）LC型濾波器結(jié)構(gòu);高的源阻抗和低的負載阻抗，選取圖2（c）CL型濾波器結(jié)構(gòu);高的源阻抗和高的負載阻抗，選取圖2（d）型濾波器結(jié)構(gòu)。

（4）鐵氧體元件的使用：可使用EMI抑制扁平電纜鐵氧體用于控制扁平信號電纜的射頻干擾;可使用EMI抑制電纜鐵磁環(huán)用于抑制傳感器電纜的射頻干擾。

（5）合理布線：時鐘及PWM等電路頻率較高，必須控制這些電路的回路面積，遠離敏感的模擬電路以降低串擾。

3.1.2 控制電子系統(tǒng)信號電纜的電磁兼容設計

在傳統(tǒng)的燃油汽車電磁兼容設計中，基本上不考慮汽車內(nèi)部信號電纜的屏蔽措施，但對于電動汽車，由于電機運行工況復雜，電磁環(huán)境惡劣，信號電纜的屏蔽措施是重要的考慮因素之一。

（1）總線信號電纜：該電纜可采用雙絞線方式以減少回路面積，有效地抑制磁場干擾。

（2）傳感器信號電纜：該電纜將各種位置傳感器信息、電機溫度傳感器信息以及速度信息傳送到控制器中。在設計中，一方面，電纜長度應盡可能短，以減少寄生電容和寄生電感。另一方面，可選用優(yōu)質(zhì)屏蔽電纜且屏蔽層雙端接地，降低周圍電磁環(huán)境對電纜信號線的容性和感性耦合。

3.2 ?功率電子系統(tǒng)的電磁兼容設計

功率電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器主電路及其驅(qū)動模塊等，其中，PWM逆變器主電路由功率母線、功率器件、濾波電容、散熱器等組成。由于此逆變器輸出功率大，對體積重量要求較高致開關頻率增加，所以對其EMC設計提出了更高的要求。

3.2.1 功率母線的電磁兼容設計

PWM逆變器設計中最大的問題是浪涌電壓的存在。浪涌電壓分為功率器件關斷時產(chǎn)生的關斷浪涌電壓以及續(xù)流二極管反向恢復效應所產(chǎn)生的恢復浪涌電壓。浪涌電壓的產(chǎn)生主要是由于功率回路中不可避免地存在寄生電感L，當功率器件在驅(qū)動電路的作用下發(fā)生換流時，流過寄生電感的電流i發(fā)生突變，寄生電感產(chǎn)生阻止電流變化的電壓L*di/dt，與直流母線電壓疊加后作用在功率器件兩端。這種瞬態(tài)的高壓可能導致功率模塊的損壞，也會產(chǎn)生大量的電磁干擾，由于這種干擾能量大，對于電動汽車系統(tǒng)中電壓等級較低的設備的破壞可能是毀滅性的。

在PWM逆變器功率電路回路中，因為浪涌電壓的能量與回路電感和電流平方的乘積成正比，因此，在功率電路電流等級較高時，寄生電感要足夠小。由于必須考慮逆變器的結(jié)構(gòu)設計和功率器件的散熱設計，一般通過導線連接的方法會使功率電路的寄生電感較大，導致吸收電路設計較為困難。因此，對于大電流功率器件的應用場合，需要使用特殊的母線結(jié)構(gòu)，一般使用迭層母線結(jié)構(gòu)設計技術。在實際設計中，關鍵就是要降低直流母線的寄生電感。典型的IGBT功率器件下降時間達到40ns時，最大電磁輻射頻率對應的波長為75m，該波長的1/4遠大于控制器的尺寸，因此，直流母線結(jié)構(gòu)可以用集總參數(shù)的等效電路來描述，其中的電路參數(shù)由母線結(jié)構(gòu)的物理尺寸和所使用材料的電磁性質(zhì)決定。

3.2.2 電壓尖峰吸收電路的設計

功率器件兩端的電壓尖峰吸收電路能夠吸收部分的浪涌電壓，從而有效降低系統(tǒng)電磁干擾。吸收電路可以給每個功率器件模塊設置緩沖電路，也可以在直流側(cè)設置一個總的緩沖電路。主要的緩沖吸收電路見圖3所示。

3.2.3 逆變器驅(qū)動電路電磁兼容設計

驅(qū)動電路主要干擾源有3種：電源產(chǎn)生的干擾、主電路的干擾、驅(qū)動電路之間的干擾。逆變器驅(qū)動電路中3個下橋臂共用1個電源，且與主電路共地。由于主電路存在寄生電感，功率器件開關過程中將產(chǎn)生很大的di/dt，使得回路上產(chǎn)生較大的感應電壓，這個電壓加在功率器件控制極兩端，可能造成器件誤導通。為了避免主電路的干擾，在控制極兩端加入電容濾波器，同時通過直接接地，大大降低公共阻抗耦合以及因為開關電源引入的干擾。這種設計增加成本小，抗擾性能較強。但是由于共用電源，回路面積依然較大。在電磁兼容性能要求高的場合，可以使用每個驅(qū)動電路獨立供電的設計。該電路進一步消除了干擾的影響，但由于每個驅(qū)動電路需要配置獨立的開關電源，提高了成本和系統(tǒng)的體積。正常情況下，圖4所示電路的設計基本能夠滿足電磁兼容設計的需要。

3.3 動力電池電源系統(tǒng)與電力傳動系統(tǒng)的電磁屏蔽設計

對動力電池電源系統(tǒng)和電力傳動系統(tǒng)的電磁輻射發(fā)射的測試研究表明，這類設備主要產(chǎn)生高達800MHz的射頻噪聲。而有效處理該電磁輻射的方法是切斷輻射騷擾沿空間的傳播途徑，進行電磁屏蔽。電磁屏蔽的關鍵是保證屏蔽體的導電連續(xù)性，將關鍵電路用一個屏蔽體包圍起來，使耦合到這個電路的電磁場通過反射和吸收被衰減，總的屏蔽效能等于吸收損耗與反射損耗之和。電動汽車中，動力電池電源系統(tǒng)和電力傳動系統(tǒng)均為一些整體鑄件，因此，電磁屏蔽設計的要點是妥善處理外部接口上的動力線、信號線開口和各部件之間的縫隙。為此采用金屬接插件和屏蔽電纜對開口提供良好的電磁密封，采用導電布和銅箔粘接金屬外殼上的縫隙以及電磁屏蔽的端接處，以消除縫隙引起的電磁泄漏。另外，信號電纜在端接處使用航空連接器保證與外殼的360度端接，以抑制輻射耦合。

4 ?結(jié)論

電動汽車內(nèi)部電磁環(huán)境十分復雜，對系統(tǒng)運行將帶來很大的電磁干擾，良好的電磁兼容性設計是電動汽車順利可靠運行的關鍵。對控制電子系統(tǒng)、功率電子系統(tǒng)以及動力電池電源系統(tǒng)與電力傳動系統(tǒng)進行EMC設計是電動汽車電磁兼容設計的難點，可通過對控制電子系統(tǒng)的PCB板及信號電纜的EMC設計，功率電子系統(tǒng)的功率母線、吸收電路及驅(qū)動模塊的EMC設計，動力電池電源系統(tǒng)與電力傳動系統(tǒng)的電磁屏蔽設計，可把電動汽車電磁兼容的大部分問題解決在設計定型之前，從而得到電動汽車設計最高的效費比。

參考文獻：

[1] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[2]周超.開關電源電磁兼容（EMC）研究[J].通信電源技術，2004，21（2）：16-19.

（作者單位：深圳市凱達爾科技實業(yè)有限公司）