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        淺談新能源汽車電機驅(qū)動電磁干擾產(chǎn)生機理

        2023-03-30 07:02:46樊貴全
        時代汽車 2023年6期
        關(guān)鍵詞:汽車系統(tǒng)

        樊貴全

        中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶市 401122

        1 前言

        為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的石油危機以及環(huán)境問題,大力發(fā)展新能源電動車已經(jīng)成為國家的大戰(zhàn)略方針。近些年在國家政策的扶持下,國內(nèi)電動汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展,我國也成為了新能源汽車制造大國。相對傳統(tǒng)燃油車,電動汽車具有環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點,尤其是近年來國內(nèi)油價屢破新高使得燃油汽車的使用成本居高不下,此時電動汽車的優(yōu)勢就更加明顯了,據(jù)相關(guān)權(quán)威機構(gòu)研究法發(fā)現(xiàn),電動汽車的使用成本相對燃油汽車一年將要減少8000~10000 元之間。相對于傳統(tǒng)燃油車電動車具有結(jié)構(gòu)簡單,維護成本低廉,節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢,但是電動汽車裝備了大量的車載大功率電子裝置,這使得電動車在工作時容易產(chǎn)生強烈的電磁干擾現(xiàn)象(Electromagnetic Interference,EMI),因 此電動汽車也面臨著極為嚴(yán)重的電磁兼容問題(Electromagnetic Compatibility,EMC),如何解決電動汽車的電磁兼容問題也是電動汽車制造商面臨的關(guān)鍵難題。并且隨著汽車工業(yè)的發(fā)展電動車的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也越來越普及,相對傳統(tǒng)燃油車電動汽車由于搭載了越來越多的終端電子設(shè)備,同時由于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊性要求,使得電子設(shè)備的布置也越來越集中,加上最近幾年來車聯(lián)網(wǎng)的興盛越來越高端的車載通信設(shè)備河導(dǎo)航設(shè)備也越來越普及了,使得汽車配置了大量電子設(shè)備,且電子設(shè)備的工作頻率從幾赫茲到幾兆赫茲,產(chǎn)生極為復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境,給汽車電子元件工作帶來極大的安全隱患。因此如何高效解決汽車電磁兼容問題已經(jīng)迫在眉睫[1-5]。

        為了對電動車電磁兼容進行規(guī)范化,國際相關(guān)機構(gòu)制定了相關(guān)的法規(guī)進行明確的技術(shù)要求,其中GB/T4365-2003《電磁兼容術(shù)語》對電磁兼容進行了詳細的定義:“設(shè)備以及相關(guān)系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中具備維持正常工作能力,同時對環(huán)境中的任何事物都不能造成不可承受的電磁干擾[6-8]”。針對汽車領(lǐng)域來說電磁兼容主要是指汽車的各個電子零部件或者獨立的電子工作單元在汽車穩(wěn)定運行期間不能夠到相關(guān)的電磁干擾從而影響其工作的穩(wěn)定性。由于電動汽車電子元器件裝配緊湊,大量的電子器件安裝在狹小的機艙內(nèi)部,眾多電子元器件勢必會產(chǎn)生復(fù)雜的電磁干擾,輕者影響部分電子元件的穩(wěn)定工作,重者會導(dǎo)致部分關(guān)鍵電子元件喪失工作能力從而造成嚴(yán)重的安全事故。

        從國內(nèi)汽車電子兼容技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展來看,我國的技術(shù)研究起步先對國外要晚了很多,并且技術(shù)也相對落后很多,很多技術(shù)領(lǐng)域都是處于追蹤學(xué)習(xí)階段,沒有形成完整的系統(tǒng)系技術(shù)研究,加上國內(nèi)汽車制造商對汽車電磁干擾的關(guān)注程度也不夠重視因此對汽車電磁干擾技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入也較少,導(dǎo)致國內(nèi)汽車電磁干擾技術(shù)一直處于停滯狀態(tài)。近年隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展,尤其是國家對新能源汽車的政策性傾斜,使得我國的新能源汽車領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展。我國生產(chǎn)的新能源汽車不僅質(zhì)量得到大幅提高價格也具備十足的優(yōu)勢,因此我國的對外汽車貿(mào)易也得到飛速發(fā)展。受益于汽車對外貿(mào)易的發(fā)展,國內(nèi)對汽車電磁干擾的關(guān)注也越來越關(guān)注,因此有實力的汽車制造商也紛紛建立起了高水平的電磁兼容實驗室。其中比較知名的汽車電磁兼容實驗室有,中國汽車工程研究院股份有限公司的EMC 電磁兼容實驗室,中國汽車技術(shù)研究中心電磁兼容實驗室,一汽集團電磁兼容實驗室等。這些電磁兼容實驗室能夠滿足國內(nèi)汽車制造商的絕大部分的電磁兼容技術(shù)開發(fā)要求,所具備的實驗?zāi)芰σ材軡M足國內(nèi)法國多電磁兼容的開發(fā)要求,但是上不滿足歐美發(fā)達國家對汽車電磁兼容的更高要求。除了上述汽車制造企業(yè),國內(nèi)一些汽車強校也紛紛對汽車電磁兼容進行了相關(guān)研究,例如吉林大學(xué)[9-10]有部分教師也專注于汽車電磁干擾的研究,并且他們主要是重點研究了電動汽車上的供電系統(tǒng)和用電元器件的電磁干擾的產(chǎn)生機理和如何有效的進行防治。

        因此面對電動汽車內(nèi)部復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境,如何去有效避免電磁干擾產(chǎn)生負面影響,進行有效的防治是當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者面臨的重大課題。

        2 電驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾研究

        2.1 電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        電動汽車的動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車完全不同,電動汽車主要采用高壓電機驅(qū)動系統(tǒng)作為車輛的主要動力來源。其動力系統(tǒng)詳細如圖1 所示。

        從圖1 可知,該系統(tǒng)主要包括了動力電池包、電動驅(qū)動系統(tǒng),高壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等三電控制系統(tǒng)。動力電池包的額定電壓高達144伏特,電機的最大輸出功率高達18000 瓦特,汽車全負荷穩(wěn)定工作期間變換器穩(wěn)定工作期間 IGBT 兩端的最高實際電壓可達150 伏特。驅(qū)動系統(tǒng)中的高功率元器件的dv dt/和di/dt 開關(guān)特性、以及電機的轉(zhuǎn)速和扭矩的變化都會產(chǎn)生很高的電壓和十分大的頻率帶的電磁干擾。這將嚴(yán)重干擾汽車的相關(guān)安全駕駛系統(tǒng)和智能駕駛系統(tǒng)的正常工作,甚至導(dǎo)致安全事故。

        圖1 電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3 幾種常見的電磁干擾

        本文主要研究對象為一款純電動汽車的電機驅(qū)動系統(tǒng),其高壓驅(qū)動系統(tǒng)為動力電池包,動力電池的工作電壓是320V。本文主要基于該電動車電驅(qū)動系統(tǒng)進行(GB18655)測試,分別研究了DC/AC 工作期間電磁干擾的產(chǎn)生機理,動力電池正極電源線傳導(dǎo)騷擾測試,DC/AC 控制器負極電源線傳導(dǎo)騷擾測試,電場強度水平方向測試,電場強度垂直方向測試。以對電磁干擾產(chǎn)生的機理進行比較全面細致的研究。

        3.1 DC/AC 工作期間電磁干擾的產(chǎn)生機理

        圖2 為制動狀態(tài)下的DC/AC 中IGBT的零端電壓,從圖中制動狀態(tài)下電壓的變化最高可達150V。圖3 為啟動狀態(tài)下DC/AC電源線上的電流,從圖中可知可知在啟動狀態(tài)下,電源線上的電流變化量可高達60A。

        圖2 制動狀態(tài)下 DC/AC 中 IGBT 兩端電壓

        圖3 啟動狀態(tài)下 DC/AC 電源線上的電流

        整體上分析電機驅(qū)動系具有高電壓變化率、大電流變化率等特性,容易產(chǎn)生強磁場,使其影響周圍其他電氣系統(tǒng)的正常工作。

        3.2 動力電池正極電源線傳導(dǎo)騷擾測試

        圖4 為動力電磁電源線上的傳導(dǎo)騷擾按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(GB18655)測試結(jié)果。從圖可知該在大多數(shù)的電磁波頻段范圍內(nèi)該車的車載電驅(qū)動系統(tǒng)的高壓驅(qū)動系統(tǒng)的電源線傳導(dǎo)騷擾的最大值和平均值都遠遠超過了法規(guī)規(guī)定的最大值,這將潛藏極大的安全隱患,因此是不滿足要求的。

        圖4 動力電池正極電源線傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果

        3.3 DC/AC 控制器負極電源線傳導(dǎo)騷擾測試

        圖5 為DC/AC 控制器12V 電源線上的傳導(dǎo)騷擾標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果,結(jié)果顯示其平均值在某些頻段超標(biāo),其中圖中紅色點和黑色點為重點超標(biāo)頻點。

        圖5 DC/AC 控制器負極電源線傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果

        3.4 電場強度水平方向測試

        圖6 為電場強度水平方向測試,從圖中可知電機驅(qū)動系統(tǒng)受到了超標(biāo)準(zhǔn)的電磁輻射影響,嚴(yán)重影響電機驅(qū)動性能。

        圖6 電場強度水平方向測試

        3.5 電場強度垂直方向測試

        圖7 為電場強度垂直方向測試,從圖中可知電機驅(qū)動系統(tǒng)受到了超標(biāo)準(zhǔn)的電磁輻射影響,嚴(yán)重影響電機驅(qū)動性能。

        圖7 電磁強度垂直方向測試結(jié)果

        4 結(jié)論

        1)電機驅(qū)動系統(tǒng)正常工作期間IGBT 高頻率的開關(guān)會產(chǎn)生高強度的電磁脈沖,是電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要電磁干擾源之一。

        2)電機驅(qū)動系統(tǒng)的電源線也是電磁干擾源的主要來源之一。

        3)電機驅(qū)動系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的高強度的電磁波干擾,也是電動汽車重要的電磁干擾源之一。

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