王維君

【摘 ?要】針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電磁兼容問(wèn)題，論文論述了電動(dòng)汽車(chē)電磁兼容研究的主要內(nèi)容，并且按電壓等級(jí)把電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部電氣系統(tǒng)分為動(dòng)力電池電源系統(tǒng)、電力傳動(dòng)系統(tǒng)、功率電子系統(tǒng)和控制電子系統(tǒng)四大類(lèi)，研究了各系統(tǒng)之間的電磁干擾關(guān)系以及整車(chē)的電磁環(huán)境，并對(duì)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(dá)到電動(dòng)汽車(chē)電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車(chē);電磁兼容;電磁干擾

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，加之石油氣資源的日益枯竭，用電池為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車(chē)，是近年來(lái)國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

隨著其技術(shù)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(shè)備應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，電氣、電子設(shè)備數(shù)量和種類(lèi)不斷增加以及性能逐步的提高，致使車(chē)內(nèi)空間電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，電磁干擾帶來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，現(xiàn)在已成為電動(dòng)汽車(chē)安全性保證的突出的障礙。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下，如何抑制各種電磁設(shè)備相互間的干擾，以保障汽車(chē)內(nèi)設(shè)備正常工作和運(yùn)行，是一個(gè)待解決的復(fù)雜工程問(wèn)題。

2 ?電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部的電磁環(huán)境研究

電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部電氣系統(tǒng)按電壓等級(jí)可分為動(dòng)力電池電源系統(tǒng)、電力傳動(dòng)系統(tǒng)、功率電子系統(tǒng)和控制電子系統(tǒng)。動(dòng)力電池電源系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電池組及其輔助電路;電力傳動(dòng)系統(tǒng)包括主傳動(dòng)電機(jī)、集成啟動(dòng)發(fā)電電機(jī)及各種車(chē)載的電動(dòng)機(jī);功率電子系統(tǒng)包括PWM逆變器主電路及其驅(qū)動(dòng)模塊、火花點(diǎn)火線(xiàn)圈、空調(diào)啟動(dòng)器等;控制電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器的控制部分、車(chē)內(nèi)的各種電子娛樂(lè)系統(tǒng)以及各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2.1 動(dòng)力電池電源系統(tǒng)與電力傳動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力電池電源系統(tǒng)與電力傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)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(guò)屏蔽等方法來(lái)切斷干擾的傳播途徑，同時(shí)相應(yīng)增加其他系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)。

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(shè)備。PWM逆變器功率回路上的寄生電感在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷和續(xù)流二極管環(huán)流的過(guò)程中，產(chǎn)生浪涌電壓，瞬時(shí)的du/dt 產(chǎn)生大量的電磁干擾;火花點(diǎn)火圈通過(guò)高壓放電點(diǎn)火，瞬間的di/dt 也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾;逆變器和點(diǎn)火器驅(qū)動(dòng)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(qiáng)烈的感應(yīng)電壓作用下容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，引發(fā)危險(xiǎn)。

2.3 控制電子系統(tǒng)

車(chē)內(nèi)的各種控制電子系統(tǒng)是主要的敏感設(shè)備，這些設(shè)備大多由電壓等級(jí)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(hào)的同時(shí)，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(shí)具有大量的數(shù)據(jù)接口存在，因此不僅需要EMC設(shè)計(jì)防止外部干擾，同時(shí)也要消除本身產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

2.4 各系統(tǒng)之間EMI相互關(guān)系

電磁干擾的耦合途徑有兩種：通過(guò)空間傳播的輻射耦合方式和通過(guò)電路傳輸?shù)膫鲗?dǎo)方式。其中，輻射又可分為：近場(chǎng)耦合（包括容性耦合和感性耦合）、遠(yuǎn)場(chǎng)（電磁場(chǎng)）耦合;而傳導(dǎo)則分為傳導(dǎo)耦合及公共阻抗耦合。電動(dòng)汽車(chē)各個(gè)電氣部分之間的電磁干擾關(guān)系見(jiàn)圖1。圖1中實(shí)線(xiàn)所指示的是直接的電氣連接即由電纜相連，其中電機(jī)與PWM功率電路之間通過(guò)三相動(dòng)力線(xiàn)連接，PWM逆變器控制電路與主電路之間通過(guò)信號(hào)線(xiàn)電纜相連，而電機(jī)中的傳感器將采集的信息通過(guò)傳感器信號(hào)電纜與PWM逆變器控制電路連接在一起。虛線(xiàn)表示的是通過(guò)電磁場(chǎng)耦合的方式進(jìn)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(shè)備互為干擾源。

3、電動(dòng)汽車(chē)的電磁兼容解決方案

要解決電動(dòng)汽車(chē)電磁兼容首先要從這三個(gè)要素著手，采取相應(yīng)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(shè)備之間的噪聲、電磁耦合，或者提高傳輸途徑對(duì)電磁干擾的衰減作用;3、加強(qiáng)受擾設(shè)備抵抗電磁干擾的能力，降低對(duì)電磁干擾、噪聲的靈敏度。

3.1 控制電子系統(tǒng)及信號(hào)電纜的電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1.1 控制電子系統(tǒng)PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)控制電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器的控制部分、車(chē)內(nèi)的各種電子娛樂(lè)系統(tǒng)以及各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其控制器中的PCB電路板是整個(gè)系統(tǒng)的硬件核心，其電磁兼容設(shè)計(jì)包括：

（1）地線(xiàn)設(shè)計(jì)：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(xiàn)和地線(xiàn)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(xiàn)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(duì)外圍處理電路和總線(xiàn)上的高頻干擾進(jìn)行有效的隔離。

（3）濾波器設(shè)計(jì)：濾波器主要用來(lái)切斷干擾源沿信號(hào)線(xiàn)以及電源線(xiàn)傳播的路徑。根據(jù)噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗的值，可選擇的EMI濾波器的電路拓?fù)淙缦拢旱偷脑醋杩购偷偷呢?fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(hào)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(xiàn)：時(shí)鐘及PWM等電路頻率較高，必須控制這些電路的回路面積，遠(yuǎn)離敏感的模擬電路以降低串?dāng)_。

3.1.2 控制電子系統(tǒng)信號(hào)電纜的電磁兼容設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)電磁兼容設(shè)計(jì)中，基本上不考慮汽車(chē)內(nèi)部信號(hào)電纜的屏蔽措施，但對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，由于電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，電磁環(huán)境惡劣，信號(hào)電纜的屏蔽措施是重要的考慮因素之一。

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

（2）傳感器信號(hào)電纜：該電纜將各種位置傳感器信息、電機(jī)溫度傳感器信息以及速度信息傳送到控制器中。在設(shè)計(jì)中，一方面，電纜長(zhǎng)度應(yīng)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?chē)姶怒h(huán)境對(duì)電纜信號(hào)線(xiàn)的容性和感性耦合。

3.2 ?功率電子系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)

功率電子系統(tǒng)主要包括PWM逆變器主電路及其驅(qū)動(dòng)模塊等，其中，PWM逆變器主電路由功率母線(xiàn)、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(duì)體積重量要求較高致開(kāi)關(guān)頻率增加，所以對(duì)其EMC設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

3.2.1 功率母線(xiàn)的電磁兼容設(shè)計(jì)

PWM逆變器設(shè)計(jì)中最大的問(wèn)題是浪涌電壓的存在。浪涌電壓分為功率器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的關(guān)斷浪涌電壓以及續(xù)流二極管反向恢復(fù)效應(yīng)所產(chǎn)生的恢復(fù)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(dāng)功率器件在驅(qū)動(dòng)電路的作用下發(fā)生換流時(shí)，流過(guò)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(xiàn)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(dǎo)致功率模塊的損壞，也會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，由于這種干擾能量大，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)中電壓等級(jí)較低的設(shè)備的破壞可能是毀滅性的。

在PWM逆變器功率電路回路中，因?yàn)槔擞侩妷旱哪芰颗c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(jí)較高時(shí)，寄生電感要足夠小。由于必須考慮逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功率器件的散熱設(shè)計(jì)，一般通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接的方法會(huì)使功率電路的寄生電感較大，導(dǎo)致吸收電路設(shè)計(jì)較為困難。因此，對(duì)于大電流功率器件的應(yīng)用場(chǎng)合，需要使用特殊的母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，一般使用迭層母線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵就是要降低直流母線(xiàn)的寄生電感。典型的IGBT功率器件下降時(shí)間達(dá)到40ns時(shí)，最大電磁輻射頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為75m，該波長(zhǎng)的1/4遠(yuǎn)大于控制器的尺寸，因此，直流母線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以用集總參數(shù)的等效電路來(lái)描述，其中的電路參數(shù)由母線(xiàn)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(shè)計(jì)

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(gè)功率器件模塊設(shè)置緩沖電路，也可以在直流側(cè)設(shè)置一個(gè)總的緩沖電路。主要的緩沖吸收電路見(jiàn)圖3所示。

3.2.3 逆變器驅(qū)動(dòng)電路電磁兼容設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路之間的干擾。逆變器驅(qū)動(dòng)電路中3個(gè)下橋臂共用1個(gè)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(kāi)關(guān)過(guò)程中將產(chǎn)生很大的di/dt，使得回路上產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，這個(gè)電壓加在功率器件控制極兩端，可能造成器件誤導(dǎo)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(shí)通過(guò)直接接地，大大降低公共阻抗耦合以及因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源引入的干擾。這種設(shè)計(jì)增加成本小，抗擾性能較強(qiáng)。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(chǎng)合，可以使用每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立供電的設(shè)計(jì)。該電路進(jìn)一步消除了干擾的影響，但由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路需要配置獨(dú)立的開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)基本能夠滿(mǎn)足電磁兼容設(shè)計(jì)的需要。

3.3 動(dòng)力電池電源系統(tǒng)與電力傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

對(duì)動(dòng)力電池電源系統(tǒng)和電力傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁輻射發(fā)射的測(cè)試研究表明，這類(lèi)設(shè)備主要產(chǎn)生高達(dá)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(jìn)行電磁屏蔽。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，將關(guān)鍵電路用一個(gè)屏蔽體包圍起來(lái)，使耦合到這個(gè)電路的電磁場(chǎng)通過(guò)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(dòng)汽車(chē)中，動(dòng)力電池電源系統(tǒng)和電力傳動(dòng)系統(tǒng)均為一些整體鑄件，因此，電磁屏蔽設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是妥善處理外部接口上的動(dòng)力線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)開(kāi)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(duì)開(kāi)口提供良好的電磁密封，采用導(dǎo)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(hào)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(dòng)汽車(chē)內(nèi)部電磁環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行將帶來(lái)很大的電磁干擾，良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車(chē)順利可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)控制電子系統(tǒng)、功率電子系統(tǒng)以及動(dòng)力電池電源系統(tǒng)與電力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車(chē)電磁兼容設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，可通過(guò)對(duì)控制電子系統(tǒng)的PCB板及信號(hào)電纜的EMC設(shè)計(jì)，功率電子系統(tǒng)的功率母線(xiàn)、吸收電路及驅(qū)動(dòng)模塊的EMC設(shè)計(jì)，動(dòng)力電池電源系統(tǒng)與電力傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)，可把電動(dòng)汽車(chē)電磁兼容的大部分問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)定型之前，從而得到電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)最高的效費(fèi)比。

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（作者單位：深圳市凱達(dá)爾科技實(shí)業(yè)有限公司）