電動汽車低壓直流電機EMC特性優化研究

林婷艷 魏益松 徐亮

（中檢質技檢驗檢測科學研究院有限公司 浙江省杭州市 310022）

隨著我國汽車保有量持續性增長，能源危機和環境污染雙重危機，傳統汽車能耗及尾氣排放深受重視。電動汽車與傳統燃油汽車相較，面臨更多嚴峻的EMC問題，電動汽車工作核心驅動源為電能，其主要是由多個電氣系統高度集成，充分應用有限空間范圍，形成復雜的電磁環境。低壓直流電機原有研究更傾向于阻抗模型和傳導發射特性層面，其自身結構簡單，產生干擾機理較為明確，促使整車EMC特性研究分析并未加以重視。EMC進行優化整改方式較多，但多局限于結果為導向，本文主要從多方面展開原因分析，獲取最終高效的特性整改優化方案。

1 EMC整改基本原理

EMC進行綜合性整改主要是針對整車或零部件EMC超限測試條件下，選用的一種優化改善方法，結合實際測量最終結果，明晰形成干擾主要因素，選用合理的整改方式，可進一步改善EMC測試結果，一般常用EMC整改方式包含屏蔽、接地和濾波。

1.1 接地

接地作為電動汽車EMC設計關鍵舉措，其核心作用在于為車載電路安全、穩固工作提供保證，從本質層面規避外界電磁干擾。接地線路實際規劃設置過程中，需綜合性考量各方面影響因素，進一步為促使內部干擾電流和電壓實現有效泄流，從而減少設備與外界間相互干擾，屏蔽體自身接地科學性及合理性十分重要，反之無法獲取良好的屏蔽成效。始終保證工作可靠性、安全性，也是接地關鍵目標，防止設備出現短路引發漏電安全事故，帶來嚴重的損傷。

1.2 濾波

信號中特定段噪聲濾除方式稱為濾波，濾波形成主要源于濾波器，結合濾波自身信號不同點，其主要可劃分為多種類型。處于工作頻段內，理想濾波器可將全部影響信號予以去除，設計過程中主要基于多元化函數實施。

1.3 屏蔽

屏蔽主要基本原理為充分選取導電性材料，進一步減少電磁場指定區域發射方向，常規下其主要包含電場、磁場屏蔽兩種類型。電流在電路中實際流動時，會相應在另一個電路中產生磁通，進而產生具有干擾性的電流，可依托互感作用強弱，從本質層面減少磁場產生的干擾能效，實現方式主要為采取有效措施減少噪聲回路面積。屏蔽物作為噪聲實際流經關鍵介質樞紐，形成一個完整的回路，噪聲回路呈現為一個矩形，其自身實際面積超過屏蔽后回路面積，此種方式對抑制高頻度噪聲影響成效優良。鐵磁材料憑借自身優勢，主要體現在存儲能量等功能，將鐵磁材料作為實際屏蔽物時，磁場停留于其表面，材料外部磁場實際強度逐步弱化，同時表面產生一定渦流，最終以熱量形式散發[1]。

2 低壓直流電機電磁發射特性

2.1 低壓直流電機結構和工作原理

直流電機多由兩大模塊構成，即定子、轉子，前者核心作用在于安裝磁極并做好支撐，后者主要包含電樞鐵心、繞組和換向器，兩者間形成的空隙為氣隙，氣隙作為主磁電核心構成，其自身大小和磁場分布對電機整體運行產生嚴重的影響。低壓直流電機工作主要依附電力驅動，實現能量相互間轉化，電刷兩側具有直流電壓，低壓直流電機自身啟動特性優良，其可靈活性處于大范圍內調整，成為其廣泛用于電動汽車核心因素。電動汽車實際工作過程中，主要是電池為其工作驅動力，但此類電壓多處于250-380V，此類高電壓難以直接為汽車內低壓部件進行供電，需將其進行轉化方可滿足內部部件運作。車載暖風機內部結構見圖1。

圖1：車載暖風機內部結構

2.2 低壓直流電機電磁發射特性

電動汽車實際工作過程中，存在多個電磁干擾源，其中作為關鍵的便是低壓直流電機，其更是整車電磁超出我國相關規程核心影響因素，我國出臺相關規程要求中，汽電動汽車輻射發射實際測量過程中，需將汽車上相關設備處于開啟狀態，其中暖風機、雨刮電機均作為低壓直流電機在電動汽車中應用載體體現，所以直流電機EMC性能對整車EMC性能十分關鍵。任何電器設備并非單一性存在于車輛中，共電源系統和共地系統為電磁干擾提供強有力傳播途徑，低壓直流電機電磁發射特性體現在以下幾方面：

2.2.1 阻抗特性

低壓直流電機轉子具有相應的線圈，電機自身屬于感性，所以電機自身具備的阻抗性能，會一定程度干擾電磁發射自身性能。利用精密性阻抗分析專用儀器測量電機電感及阻抗，最終電機處于頻點為35.2MHz周圍產生諧振，其周圍實際阻抗遠超過其他周期段內，最終呈現為一個峰值。

2.2.2 傳導發射特性

低壓直流電機傳導電磁干擾中，主要包含不同成分，各成分實際干擾基本原理及特征不盡相同，如共模、差模，前者主要是指電源線、信號線干擾，其自身干擾頻次較低；后者主要處于電源線、信號線間幅度、相位相吻合噪聲，電機繞組與機殼間存在寄生電容，促使電機內部實際變更不斷為其進行充放電，以此形成共模干擾。

2.2.3 瞬態傳導發射特性

瞬態傳導發射主要是指被測設備接通或中斷瞬間在電源線上產生的瞬態干擾信號。為不受周圍電磁自身影響及干擾，測試需處于屏蔽室內開展。直流電機屬于感性設備啟動或中斷過程中，電流突發性產生強烈干擾電壓，形成傳導發射，直流電機自身線束存在分布電感，即便小電流流過也會產生一定干擾，從而影響設備正常運行[2]。

2.3 低壓直流電機對整車EMC測試的影響

我國相關規程中明確要求電動汽車實施窄帶測試過程中，需將內部暖風機、收音機、前照燈、電動雨刮等啟動，測試其最終結果不吻合相關判定其不達標。整車EMC整改包含多個內容，其他設備處于正常工作狀態，測量暖風機不正常運轉條件下窄帶發射，測試其最終結果達標，通過精準性定位，判定決定輻射超標關鍵性因素為暖風機，暖風機處于正常工作狀況下，電磁干擾信號因子可將其電源線作為核心介質，以此持續性向外進行輻射。

3 磁環抑制低壓直流電機傳導干擾分析

3.1 磁環抑制低壓電流傳導干擾機理

EMC實際整改過程中，磁環多用于低通濾波器。直流有刷電機處于高速工況下，電刷與轉向器間形成較強的輻射，同時電源線上產生瞬變電壓，并通過電源線完成傳播任務目標，最終呈現為強烈的傳導干擾。電機進行換向操作過程中，也會一定程度產生強有力的電磁干擾，電動汽車正常運行過程中，暖風機運作過程使用較為頻繁為元件的有刷電機，前文判定暖風機作為核心電磁干擾因素，鐵氧體磁環作為抑制EMI主要舉措，整車EMC整改使用此類方式頻次較高。

3.2 磁環線圈圈數、數量對阻抗和諧振頻率的影響

電磁磁環繞制過程中，磁環自身電感與匝數存在一定相關性，磁環電感與線圈匝數平方、真空磁導率成正相關，與磁芯常數為反比，最終可計算磁環自身阻抗。除線圈圈數對電路參數產生影響，分析磁環數量產生干擾時，需忽視線圈阻抗影響，設定圈數為1，磁環內外徑保持固定，磁環自身阻抗與長度成正相關，磁環自身長度增加，阻抗也隨之增加。

4 不通接地地點對低壓直流電機輻射發射影響

直流電機常規工況下，其內部產生干擾將線束作為傳播核心介質，以此實現向外傳播目標，實際實踐過程中部分電動汽車整車電磁輻射測量中，發現關鍵干擾源為電動雨刮，其主要利用接地方式，與電源形成閉合回路，最終表明雨刮電機負極接地。地作為常用的整改方法，優良的接地為干擾電流創設低阻抗途徑，進一步降低干擾水平。

4.1 雨刮電機輻射發射分析

按照我國試驗要求測試雨刮電機自身輻射發射，雨刮高頻輻射發射強度較大，從本質層面考量上述多個模塊干擾因素，依托共模電感進一步約束電流，可有效降低輻射自身發射強度。電流是干擾輻射發射關鍵性因素，通過電流探頭精準性測量電流正極電流，電流探頭位于共模電感和直流間，最終結果表明測試點分別接地條件下，正極電流發展主趨基本保持一致，負極產生偏差較大。

4.2 接地點對輻射發射影響

輻射多由電路中電流環路引發，此類環路均持續性發射能量，電機電源線與地形成一個完整的環路，按照電流環輻射公式：

式中：f為干擾電流的頻率；I是干擾電流的大小，A是電流回路的面積，θ是天線與環路平面間夾角，r為天線與導線的距離。

其中假定天線所處位置及偏向角度不變，其不會影響最終結果精準性，可積極排除距離r和夾角θ影響，結合實踐經驗數據顯示表明，雨刮電機工況不會發生變更，且其中測試頻段明晰，所以將其頻率的干擾也予以排除。最終綜合分析輻射發射水平與電流和回路實際面積成正相關。

5 濾波器性能優化及抑制電機干擾應用

濾波器作為電動汽車核心構成，其主要作用在于從多元化頻率信號中，精準性提取相應的成分信號，結合其實際應用頻段，濾波器可劃分為多種類型，不同類型基本原理的特征存在較大差異性。巴特沃斯型LPF整體結構設計簡易，對構成元件Q值要求較低，設計及制作難度較低，所以被普遍應用。電感、電容及線路中存在寄生參數作為影響濾波器自身成效發揮關鍵型因素，可選用減少引腳長度或增加接地面積，通過采取有效措施改善其耗損量，可保證濾波器自身實際功效予以優化。

5.1 巴特沃斯型LPF性能優化

通過利用網絡分析儀器測量濾波器插入耗損，將其與理想實際損耗進行比對，最終前者遠小于后者數值，通過綜合型分析判定形成此類現象核心因素為濾波器寄生參數，電動汽車

正式工作狀態下，其內部系統元件銜接線路一定程度存在寄生參數，尤其針對高頻工作條件下，其產生的電感需高度重視，其可等同于電容與電感形成串聯，最終影響濾波器的濾波成效。寄生電感實際大小與其自身長度成正相關，其長度越長電感越大。

結合實際測量結果表明，引腳自身長度與電容阻抗密切相關，測試頻段電容發生串聯諧振，形成該現象主要為電容和寄生參數共同作用，諧振頻率之前電容始終與其保持一致；高頻段電感對實際阻抗影響較為凸顯，所以阻抗自身偏差較大，諧振頻率后電容呈現為感性，自身喪失高濾波功能，所以減少電容引腳自身長度，對優化改善濾波器自身性能十分關鍵[3]。

5.2 巴特沃斯型LPF抑制電機傳導干擾的應用

電動汽車除上述多個元件使用低壓直流電機，不容忽視的是后視鏡電機也使用相同電機，五階巴特沃斯型LPF對差模、共模所產生的電磁干擾均具有約束功效，其處于低頻、高頻等不同工作狀態下，均會形成較大的插入實際耗損。將五階巴特沃斯型LPF與電機正極串聯，同時一方面做好接地，測量電機工作狀態下實際傳導發射，由此顯示發射水平降低，濾波器自身濾波成效良好。伴隨其頻率持續性上升，其實際約束成效逐步弱化，濾波器內部寄生參數與最終濾波成果密切相關[4]。

6 結束語

電動汽車和低壓直流電機EMC測試達標率較低，需對其自身特性展開系統性分析，因電動汽車自身匯集多個電氣設備系統，因電磁干擾難以精準性觀察和測量，加劇其傳播途徑規律特征，需積分析其自身特性，以此為基礎提出多個優化途徑，從而減少電磁干擾影響。