黃 帥，杜明星，柳海明，魏克新HUANG Shuai， DU Ming-xing， LIU Hai-ming， WEI Ke-xin（.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300384；.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

扭矩對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁輻射的影響研究

黃 帥1，杜明星1，柳海明2，魏克新1
HUANG Shuai1， DU Ming-xing1， LIU Hai-ming2， WEI Ke-xin1
（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300384；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

文章圍繞不同扭矩對(duì)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工況下產(chǎn)生的電磁輻射是否存在影響這一問(wèn)題展開(kāi)研究。為了更好的模擬電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)車上的工作狀態(tài)，試驗(yàn)在攜帶測(cè)功機(jī)的電波暗室中進(jìn)行。結(jié)果表明：在1～2MHz和30～80MHz頻段內(nèi)，隨著扭矩的增大產(chǎn)生的電磁輻射相應(yīng)增大，但當(dāng)扭矩增大到一定程度時(shí)電磁輻射趨于穩(wěn)定。分析得出了影響電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁輻射另一種新的因素——IGBT導(dǎo)通時(shí)電壓紋波；同時(shí)可為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造商在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中提供一定的參考價(jià)值，使其在今后的設(shè)計(jì)中更加有針對(duì)性的采取相應(yīng)措施來(lái)提高電磁兼容性能。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；不同扭矩；電波暗室；電磁輻射

0　前言

近年來(lái)，在國(guó)家政策的鼓勵(lì)之下新能源汽車以其環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)得到了很好的發(fā)展。但是，由于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用了大量的逆變器等大功率器件，導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾［1］。

對(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同扭矩穩(wěn)定運(yùn)行工況下產(chǎn)生的電磁輻射是否存在影響這一問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外專家和工程師對(duì)此沒(méi)有明確的結(jié)論。有些制造商認(rèn)為電機(jī)的扭矩越大，電流越大，產(chǎn)生的電磁輻射越大；而某大型客車制造商認(rèn)為穩(wěn)定情況下IGBT的上升時(shí)間和下降時(shí)間已然穩(wěn)定，不同扭矩對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射沒(méi)有明顯的影響。因此，研究不同扭矩對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工況下的電磁輻射有著重大的意義。

文獻(xiàn)［6］中得出了IGBT的上升沿和下降沿的時(shí)間對(duì)產(chǎn)生電磁干擾存在影響的結(jié)論，但并沒(méi)有分析IGBT開(kāi)通階段電壓紋波對(duì)電磁輻射的影響；文獻(xiàn)［7］中分析了不同扭矩對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾的影響，但沒(méi)有分析對(duì)輻射電磁干擾的影響；文獻(xiàn)［11］中在整車測(cè)試中通過(guò)改變車輛與轉(zhuǎn)轂之間的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)不同扭矩下的電磁輻射影響，但產(chǎn)生的影響并非全是由扭矩的不同而產(chǎn)生的。以上文獻(xiàn)對(duì)研究不同扭矩電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生電磁輻射的影響有一定的借鑒作用。

1　電磁輻射的根源及原理分析

1.1電磁輻射根源

電機(jī)控制器作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，在實(shí)際運(yùn)行中，內(nèi)部IGBT處于高速的通斷模式。集電極和發(fā)射極之間形成一個(gè)電壓脈沖，由于寄生電容的存在，產(chǎn)生的電壓脈沖對(duì)寄生電容將不斷的進(jìn)行充放電，從而產(chǎn)生很大共模電流，而共模電流在電路阻抗的作用下形成了很強(qiáng)的共模干擾。此共模干擾在電路中將產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的電磁干擾，頻率范圍超過(guò)數(shù)十兆赫茲。

共模干擾的幅值E可用式（1）表示：

共模電流i的可用式（2）表示：

由式（1）、式（2）可知，在實(shí)際車輛中，其他因素已然固定，共模干擾的大小主要取決于電路中共模電流大小，而共模電流的大小又取決于梯形波的上升沿、下降沿時(shí)間，即電壓脈沖。因此，IGBT工作中產(chǎn)生的電壓脈沖是導(dǎo)致產(chǎn)生電磁輻射的根本原因，并非電路中電流的大小。但在復(fù)雜的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作環(huán)境中，是否還存在其他因素可能會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖？

1.2原理分析

圖1為理想狀態(tài)下電機(jī)控制器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)IGBT功率管的梯形波結(jié)構(gòu)，tr代表上升沿時(shí)間；tf代表下降沿時(shí)間；τ代表半幅度點(diǎn)處上升沿和下降沿之間的時(shí)間跨度，即脈沖寬度；T代表信號(hào)周期；定義為占空比。

圖1　梯形波的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)計(jì)算后可得到梯形波頻譜的三條漸近線：

由此可繪制出梯形波的頻譜圖，如圖2所示。

圖2　梯形波信號(hào)的頻譜圖

如圖2所示，隨著頻率的增加，梯形波的頻譜呈逐漸衰減的趨勢(shì)，拐點(diǎn)處的頻點(diǎn)位置主要取決于τ和上升沿時(shí)間rt。因此，二者共同決定著電磁輻射的整體趨勢(shì)。

而在實(shí)際運(yùn)行中，IGBT集電極和發(fā)射極之間電壓的波形如圖3～圖5所示。

圖3　轉(zhuǎn)速2000r/min，扭矩50Nm

圖4　轉(zhuǎn)速2000r/min，扭矩100Nm

圖5　轉(zhuǎn)速2000r/min，扭矩150Nm

在圖中實(shí)測(cè)IGBT導(dǎo)通期間（紅圈內(nèi)）的電壓紋波中，100Nm的波動(dòng)明顯大于50Nm的波動(dòng)；而100Nm和150Nm的波動(dòng)變化卻不明顯，這種波動(dòng)即電壓脈沖，在電路中將產(chǎn)生一定的電磁輻射。因此，不同扭矩對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行下的電磁輻射整體趨勢(shì)沒(méi)有影響，但對(duì)電磁輻射強(qiáng)度在一定的頻段內(nèi)由于電壓紋波可能產(chǎn)生影響。

基于以上推論，本文利用中國(guó)汽車技術(shù)研究中心精良的測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

本文選用一臺(tái)額定功率為42kW的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。工況如表1所示。

表1　工況表

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性和精確度，本次試驗(yàn)采用三種天線［10］：1）1m長(zhǎng)的垂直單極天線，頻段為0.15～30MHz；2）雙錐天線，頻段為30～200MHz；3）對(duì)數(shù)周期天線，頻段為200～1000MHz。實(shí)物布置如圖6所示。

圖6　試驗(yàn)實(shí)物布置

測(cè)試結(jié)果如圖7所示：試驗(yàn)測(cè)試圖中，上面兩條線分別代表峰值和平均值的限值線等級(jí)1，中間三條測(cè)試線分別代表不同扭矩的峰值測(cè)試線，下面三條測(cè)試線分別代表不同扭矩的平均值測(cè)試線。

圖7　試驗(yàn)測(cè)試圖

【】【】

圖7（a）頻段內(nèi)峰值在1.62MHz頻點(diǎn)處不同扭矩的測(cè)試線最大相差5dB；平均值在1.4MHz頻點(diǎn)處不同扭矩的測(cè)試線出現(xiàn)微小波動(dòng)，最大差距為4dB。電壓紋波造成的影響在1～2MHz頻段內(nèi)表現(xiàn)的比較明顯。

圖7（b）頻段內(nèi)垂直極化方向的峰值測(cè)試線在30～80MHz頻段均有較大的波動(dòng)。將此部分圖形放大觀察并分析：垂直極化方向上扭矩為100Nm的測(cè)試線在30～36MHz和50～80MHz頻段內(nèi)的測(cè)試結(jié)果明顯高于扭矩為50Nm時(shí)在此頻段的測(cè)試結(jié)果，最大相差8dB；扭矩為150Nm時(shí)在50～80MHz頻段內(nèi)的測(cè)試線底部有所收縮，但頂部基本沒(méi)有變化，輻射發(fā)射整體趨于收斂，且與扭矩為100Nm時(shí)的測(cè)試結(jié)果相比差別不是很明顯。

圖7（c）頻段內(nèi)垂直方向峰值測(cè)試線在220MHz單頻點(diǎn)處的幅值出現(xiàn)突變，最大相差5dB，此類單頻點(diǎn)的突變一般主要是由于電機(jī)控制器的密封不良等原因造成的；其他頻段內(nèi)不同扭矩產(chǎn)生電磁輻射基本沒(méi)有變化。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同扭矩穩(wěn)定運(yùn)行工況下產(chǎn)生的電磁輻射影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：不同扭矩對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行下產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度主要在1～2MHz和30～80MHz頻段確實(shí)存在明顯的影響，最大相差8dB。在上升沿和下降沿時(shí)間不變的情況下，這主要是由IGBT開(kāi)通時(shí)的電壓紋波這一新的影響因素造成的。為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造商在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過(guò)程中提供一定的參考價(jià)值，使其在今后的設(shè)計(jì)中有針對(duì)性的采取相應(yīng)措施來(lái)提高電磁兼容性能，促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車制造業(yè)的發(fā)展。

［1］ 劉欣，許志光.2013年中國(guó)汽車電磁兼容技術(shù)發(fā)展綜述［J］.中國(guó)汽車工業(yè)年鑒，2014.

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［6］ 劉大亮.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容性研究［D］.浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

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The influence of EMI from different torques to electric drive system on electric vehicles

TP21

A

1009-0134（2016）08-0085-04

2016-04-22

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（14JCYBJC18400）

黃帥（1990 -），男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容影響因素。