李智 羅宏錦 何放

摘要：本文主要介紹了電磁兼容性試驗在新能源雙電機控制器產(chǎn)品開發(fā)中的重要性。對當(dāng)前電磁兼容性試驗所遇到的主要問題、主要試驗內(nèi)容及試驗條件做了詳細(xì)闡述，同時也提供了在試驗過程中遇到問題的解決辦法及思路?；谏鲜鏊悸?，本文針對某新能源汽車雙電機控制器的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射試驗做了研究，通過分析試驗過程中出現(xiàn)的問題，提出了產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計開發(fā)的詳細(xì)變更點，并針對改進型的電控做了重復(fù)性試驗。試驗結(jié)果顯示，產(chǎn)品的優(yōu)化獲得了較為理想的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；輻射發(fā)射；傳導(dǎo)發(fā)射；雙電機控制器

中圖分類號：U467.3 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，當(dāng)今社會中電子設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加。在包括汽車、智能手機、電腦、工業(yè)控制系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，電子設(shè)備的密集使用意味著同時存在的電磁干擾源也變得更多。這些干擾源可能來自不同設(shè)備、不同系統(tǒng)之間的相互作用，也可能來自電子設(shè)備本身的自我干擾。而無處不在的電子設(shè)備會導(dǎo)致設(shè)備所處的環(huán)境，比如設(shè)備信號、功率和特性等，變得更加復(fù)雜。

在汽車和交通等領(lǐng)域，隨著新能源產(chǎn)品的規(guī)?；l(fā)展，產(chǎn)品越來越依賴于各種類型的控制器，如雙電機控制器、單電機控制器、旋變傳感器、整車控制器、電子油泵以及車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)等。這些控制器或傳感器在工作過程中會產(chǎn)生電磁輻射，可能對車輛其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，而電磁干擾可能會導(dǎo)致某些設(shè)備故障、數(shù)據(jù)傳輸錯誤或通信中斷，對人身安全和財產(chǎn)造成威脅。

因此，對產(chǎn)品進行電磁兼容性試驗，以評估電子設(shè)備或傳感器的輻射水平和干擾情況，確保它們在多個車輛和設(shè)備之間相互兼容是非常必要的。本文從某新能源汽車雙電機控制器硬件架構(gòu)設(shè)計和原理入手，對該雙電機控制器的電磁兼容性能做了深入的研究。

1 雙電機控制器架構(gòu)

某新能源車型雙電機控制器架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示，主要由主控制電路板、驅(qū)動電路板和IGBT 模塊3 大設(shè)計板塊構(gòu)成。12 V 供電電源通過BUCK 以及BUCK-BOOST 電路向主控制電路板及驅(qū)動電路板供電。主控板通過CAN 總線與整車進行數(shù)據(jù)通信，主控芯片與油泵控制器及HVU 進行數(shù)字信號雙向通信；控制器驅(qū)動部分的IGBT 模塊能夠?qū)恿﹄姵氐闹绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電輸入到永磁同步電機；底層軟件及控制器中的各類采樣電路、電源電路和保護電路相互配合，使得雙電機控制器得以正常工作[1]。

在設(shè)計架構(gòu)時要考慮電磁兼容性，需要注意在電路中添加電源噪聲濾波器，如濾波電容和濾波電感，以減少高頻噪聲的傳播。良好的搭鐵是確保電磁兼容性的重要因素，電機控制器需要正確連接和設(shè)計搭鐵，以減少潛在的接地回路間的干擾。電源線和信號線的布局應(yīng)盡量避免交叉和平行布線，以減少相互之間的電磁耦合。在電機控制器的設(shè)計中，采用屏蔽罩、屏蔽線纜和屏蔽隔板等方法，以減少電磁輻射和電磁感應(yīng)。

此外，對于敏感的電路板或元件，可以考慮使用金屬屏蔽殼。對于輸入和輸出信號線，可以使用濾波器來降低高頻噪聲和電磁干擾的影響。這些濾波器可以包括RC 濾波器、LC 濾波器或磁性濾波器等。如果有需要，可以考慮使用適當(dāng)?shù)母綦x器件（如光耦合器）來隔離電路和信號，以減少電磁干擾的傳播。在多模塊或多設(shè)備系統(tǒng)中，對于地址線和通信線，應(yīng)采取適當(dāng)措施，如使用屏蔽線纜、降低傳輸速率等，以減少傳輸過程中的電磁干擾。

這些僅是一部分常見的考慮因素，實際設(shè)計中可能還會有其他因素導(dǎo)致電磁干擾，需要在設(shè)計過程中加以注意。因此，為了模擬電機控制器的實際應(yīng)用環(huán)境，需要進一步制作樣件進行電磁兼容性測試，以確保系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的正常運行。

2 雙電機控制器的電磁兼容理論基礎(chǔ)及試驗?zāi)繕?biāo)

電磁兼容性試驗主要涉及電磁場與電子設(shè)備相互作用的原理、電磁波傳播規(guī)律、電磁輻射和電磁感應(yīng)的機制等。電磁兼容性試驗的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)如下。

2.1 雙電機控制器的電磁兼容理論基礎(chǔ)

2.1.1 電磁相容性理論

電磁相容性主要研究電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的相互作用機制。它包括電磁輻射和電磁感應(yīng)兩個方面的機制。電磁輻射是指電子設(shè)備通過電磁波在空間中傳播而引發(fā)的干擾，而電磁感應(yīng)是指電子設(shè)備受到來自外部電磁場的干擾。

2.1.2 電磁波傳播理論

該理論研究電磁波在導(dǎo)體和無導(dǎo)體介質(zhì)中的傳播規(guī)律。了解電磁波的傳播特性有助于確定電磁兼容性試驗中的信號傳輸路徑和傳播過程，以及評估電磁輻射和電磁感應(yīng)的范圍。

2.1.3 電磁場測量技術(shù)

電磁兼容性試驗需要進行電磁場測量以評估設(shè)備的輻射和感應(yīng)水平。電磁場測量技術(shù)包括電場測量、磁場測量和輻射場測量等方法，以獲得電磁場的強度、頻譜、方向和空間分布信息。

2.1.4 電磁兼容性測試標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容性試驗通常依據(jù)相應(yīng)的國際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測試方法、測試設(shè)備、測試條件和評估準(zhǔn)則，確保測試具有可重復(fù)性和可比性，從而提供了實際電磁兼容性問題的解決依據(jù)。

綜上所述，電磁兼容性試驗的理論基礎(chǔ)涵蓋了電磁相容性、電磁波傳播規(guī)律、電磁場測量技術(shù)、干擾源與受擾設(shè)備建模以及相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。這些理論基礎(chǔ)為電磁兼容性試驗提供了理論依據(jù)和方法，以確保電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的正常運行和相互兼容。

2.2 測試標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 18655-2018《車輛、船和內(nèi)燃機 無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》要求，對各類電磁實驗都有詳細(xì)的實驗標(biāo)準(zhǔn)[2]，但是鑒于項目周期以及試驗成本，選擇雙電機控制器的傳導(dǎo)發(fā)射作為本次研究的主要研究對象。傳導(dǎo)發(fā)射電流法主要考察雙電機控制器的低壓非電源線傳導(dǎo)發(fā)射大小，電壓法考察控制器低壓電源線和高壓線束傳導(dǎo)發(fā)射大小，在廣播及移動業(yè)務(wù)分別有峰值、準(zhǔn)峰值和均值的限值要求。傳導(dǎo)發(fā)射電流法限值詳見表1 ；電壓法又區(qū)分為低壓電源線傳導(dǎo)發(fā)射和高壓線束傳導(dǎo)發(fā)射，其限值分別如表2 和表3 所示。

2.3 電磁干擾的幾個常見問題

常見的電磁輻射干擾是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在工作過程中，產(chǎn)生的電磁場輻射干擾到周圍設(shè)備或系統(tǒng)的正常操作。這種干擾可以影響到其他電子設(shè)備、通信系統(tǒng)和無線電接收器等。在一些電子設(shè)備或電源頻繁開關(guān)，電子設(shè)備中快速切換的電流或高頻振蕩器可能會產(chǎn)生電磁輻射，干擾周圍的其他設(shè)備。通過電磁兼容性測試和采取適當(dāng)?shù)母蓴_抑制措施，可以減少電磁輻射干擾，保證設(shè)備和系統(tǒng)的正常運行[2-3]。

雙電機控制器在電磁兼容性方面可能面臨以下幾個問題。

2.3.1 電磁輻射干擾

雙電機控制器中的電子元件和電路在工作過程中會產(chǎn)生高頻電磁輻射。如果輻射水平超過規(guī)定的限制，可能會對周圍的設(shè)備或無線通信系統(tǒng)造成干擾。

2.3.2 電源線和信號線上的傳導(dǎo)干擾

電磁干擾可能通過電源線和信號線傳導(dǎo)到其他設(shè)備或系統(tǒng)中，干擾其正常工作。例如，電機的高電流運行可能引起電源線上的電磁干擾，影響到其他電子設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。

2.3.3 搭鐵線回路的共模電流

對于雙電機控制器，電機的高電流運行可能導(dǎo)致地線回路中的共模電流增加。這可能會對其他設(shè)備和系統(tǒng)的地線回路產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致干擾電壓的出現(xiàn)，影響到設(shè)備的正常運行。

2.3.4 控制信號的抗干擾能力

雙電機控制器通常需要接收外部的控制信號，如位置反饋、速度指令等。在電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下，這些控制信號可能會受到電磁干擾的影響，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定或錯誤的指令執(zhí)行。

3 雙電機控制器電磁兼容試驗設(shè)計及臺架搭建

3.1 試驗設(shè)計

鑒于電磁兼容龐大的試驗體系，在實際工程應(yīng)用中，由于預(yù)算及周期的影響，并不需要對零件做全套的試驗。本論文根據(jù)構(gòu)成電子電器部件元器件特性的不同，對零部件做了分類（表4），每種分類都應(yīng)用特定的電磁兼容試驗項目。本次研究對象對應(yīng)了表4 中A 類、AM 類和AX 類。在此需要注意的是，在區(qū)分零件類型時，一個零部件可能會涉及到幾種零部件類型，可以根據(jù)實際情況進行勾選，測試項目按最大化執(zhí)行。本論文優(yōu)化了雙電機控制器龐大電磁兼容性試驗項目，在正式試驗前進行摸底研究，研究結(jié)果對未來正式樣件的設(shè)計起到了指導(dǎo)作用。

根據(jù)測試矩陣（表5），不同零部件的產(chǎn)品類型應(yīng)選擇相應(yīng)的測試項目。本文所描述的試驗為前期驗證性質(zhì)試驗，試驗數(shù)據(jù)作為摸底，因此僅選擇傳導(dǎo)發(fā)射（電壓法、電流法）作為試驗項目。

3.2 雙電機控制器電磁兼容臺架搭建

該車型電機控制器安裝于發(fā)電機艙，為高度集成模塊，具有模擬和數(shù)字輸入端口，能夠控制電機。電機控制器通過CAN總線與車輛上的其他模塊進行交互通信，CAN 總線的波特率為500 kb/s。電機控制器的直流（AC）輸出直接連接電機（驅(qū)動電機+ 發(fā)電機），直流輔電輸出接同功率阻性負(fù)載。試驗的基本臺架搭建如圖2 所示，其中低壓和高壓電源通過導(dǎo)線給產(chǎn)品供電，負(fù)載箱利用該新能源車型的相關(guān)負(fù)載，并通過導(dǎo)線與產(chǎn)品相連接。上位機可以顯示臺架的工作狀態(tài)，同時與產(chǎn)品通過CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊進行通信，利用診斷的方式監(jiān)控負(fù)載狀況信息[4]。

3.3 試驗結(jié)果

在完成臺架的硬件安裝及布線，經(jīng)過低壓通訊調(diào)試，上位機信號調(diào)試正常后對該車型雙電機控制器試驗樣品進行電磁兼容測試。試驗結(jié)果顯示，在傳導(dǎo)發(fā)射電流法測試中，KL30/KL31、CAN 線、NTC 線束、旋變線束以及油泵PWM 線束等都有不同程度的超標(biāo)。在傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測試中，低壓電源正負(fù)極和高壓電源正負(fù)極也有不同程度的超標(biāo)。輻射發(fā)射測試中，P3 電機在轉(zhuǎn)速2 229 r/min、負(fù)載75 N · m 的條件下，也有超標(biāo)現(xiàn)象。測試結(jié)果詳見表6。

雙電機控制器在傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射測試中未能達到標(biāo)準(zhǔn)，這說明可能存在以下幾方面問題。

3.3.1 設(shè)計問題

可能存在電路布局不當(dāng)、搭鐵線回路設(shè)計不合理以及接口線路設(shè)計不完善等問題。

3.3.2 電磁屏蔽不足

如果雙電機控制器的電磁屏蔽設(shè)計不足或?qū)嵤┎划?dāng)，可能需要加強對電纜、接口和整個電路板的屏蔽措施。

3.3.3 搭鐵問題

雙電機控制器中的搭鐵問題也可能導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射干擾， 需要檢查和優(yōu)化搭鐵設(shè)計， 確保良好的搭鐵連通性和連續(xù)性。

3.3.4 不合適的電源濾波

如果雙電機控制器的電源濾波設(shè)計不合適或電源線電磁兼容性差，就會導(dǎo)致電磁干擾信號通過電源線傳播到其他設(shè)備中?？赡苄枰黾与娫礊V波器、調(diào)整濾波器參數(shù)或優(yōu)化電源線布局。

3.3.5 控制電路問題

信號線或數(shù)據(jù)線的干擾抑制措施不足、高頻信號抑制不良等。可能需要重視控制電路的設(shè)計和優(yōu)化，以減少干擾信號的傳播和影響。

如果雙電機控制器的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射測試結(jié)果不達標(biāo)，需要進行相關(guān)的調(diào)試和改進，以滿足規(guī)定的電磁兼容性要求。這包括重新設(shè)計電路布局、加強電磁屏蔽、優(yōu)化接地設(shè)計、改善電源濾波和優(yōu)化控制電路等措施[5-6]，以減少干擾信號的發(fā)射和傳導(dǎo)，確保雙電機控制器在電磁環(huán)境中的正常操作。

4 改進與分析

為了解決以上問題，本文所涉及到的雙電機控制器型號在采取了以下措施。

（1）高壓直流添加LC 濾波。

（2）通過殼體對兩個高壓功率模塊進行隔離，同時在高壓組件和控制板中增加屏蔽板。圖3 雙電機控制器傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測試結(jié)果

（3）在CAN 總線及旋變輸入輸出側(cè)，添加共模濾波電感。

（4）在電源入口處設(shè)置濾波電路。

（5）配置內(nèi)部電源的PWM 頻率，避開電纜等諧振點。

（6）去耦電容貼近芯片電源處。

（7）采樣、PWM 等信號線路進行差分設(shè)計。

（8）模擬搭鐵和電源獨立設(shè)計。

采取了以上措施后，再次進行測試，試驗結(jié)果表明，從3.00 MHz 的低頻段開始一直到108.00 MHz 的高頻段，無論進行傳導(dǎo)發(fā)射電流法還是傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測試，噪聲值都低于限值，達到了設(shè)計目標(biāo)（圖3）。

5 結(jié)束語

電磁兼容性試驗可以評估電子電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中的工作特性，減少干擾，確保設(shè)備之間的相互兼容性和可靠性。對于車輛上的電子電氣設(shè)備來說，電磁兼容性試驗可以評估設(shè)備在電磁環(huán)境中的抗干擾能力，確定設(shè)備的輻射水平，并確保設(shè)備之間的相互兼容性和符合法規(guī)要求。這樣可以保證設(shè)備的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，并確保設(shè)備對其他設(shè)備和環(huán)境的影響達到可接受的范圍。

【參考文獻】

[1] 陳登峰， 孫臣玉， 陳雷， 等. 新能源汽車用電機控制器的設(shè)計與測試[J].電機與控制應(yīng)用，2021，48（07）：95-99.

[2] GB/T 18655-2018 車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法[S].

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[6] 張戟， 王洪武， 蔡浩雄. 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)EMC 仿真研究[J]. 汽車工程，2014，36（05）：580-585.

作者簡介：

李智，本科，工程師，研究方向為電機控制器總體設(shè)計。