詳解電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容性能

電動汽車上最強悍的干擾源是電驅(qū)動系統(tǒng)，沒有之一。功率模塊自身的特點以及工作特性的要求，頻率范圍寬，功率大，自身具備雜散電感和雜散電容，這些條件湊在一起，更助長了干擾信號的形成和傳播。電動汽車上，容易受到干擾的設(shè)備太多，與安全相關(guān)的電氣也很多。這就使得對電動汽車和電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容性能的理解變得非常重要。

1 電驅(qū)動系統(tǒng)組成和性能特點

電驅(qū)動系統(tǒng)主要包括電機，電機控制器以及連接兩者的高壓電力電纜。電機控制器由功率模塊，低壓控制器組成。

電驅(qū)動系統(tǒng)的工作過程大體如下：

電動汽車整車控制器（VCU）根據(jù)對駕駛員意圖的判斷，計算驅(qū)動系統(tǒng)需要電機扭矩，以CAN報文形式發(fā)送給電機控制器（ECU）；

ECU根據(jù)指令，調(diào)制PWM波，驅(qū)動功率單元開關(guān)器件的通斷，高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷；功率單元以PWM波為藍本，輸出高壓波形，驅(qū)動電機工作；

功率單元由大功率電力電子開關(guān)元件組成，可以實現(xiàn)高頻率和大功率的功率調(diào)節(jié)和輸出。最大輸出功率由整車需求決定，開關(guān)最高頻率可以達到兆赫量級，并且性能一直在不斷升級過程中。

2 為什么電驅(qū)動系統(tǒng)是電磁干擾最大來源

整個電動汽車電氣系統(tǒng)中，最大的電磁干擾源是電驅(qū)動系統(tǒng)，在具體到系統(tǒng)內(nèi)部，功率模塊和高壓電纜是最直接的干擾生成和傳播者?？梢源騻€不那么恰當(dāng)?shù)谋确?，電?qū)動系統(tǒng)在電動汽車的電氣系統(tǒng)中，就像矮人國里的大力士，隨便甩甩胳膊，就能把小矮人弄個重傷。

典型驅(qū)動模塊示意圖

功率單元的大功率開關(guān)管IGBT，在控制器發(fā)出的PWM波驅(qū)動下導(dǎo)通和關(guān)斷。理想的PWM波是矩形波，只有高電平和低電平兩個狀態(tài)。而實際的PWM波是近似矩形的梯形波，在上升沿和下降沿都具有一定的斜率。IGBT的動作跟隨PWM波的指令進行，其導(dǎo)通和關(guān)斷也不是瞬間完成，都有自己的固有動作時間，因此其波形也是梯形波。電流和電壓都是在短時間內(nèi)，從一個狀態(tài)變換到另一個狀態(tài)，變換率非常陡峭，且導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，斜率符號相反。這樣的過程在不斷的進行，并且頻率非常高。電流和電壓的劇烈波動，在整個功率模塊中產(chǎn)生高次諧波。

電機控制器的輸入輸出電纜及內(nèi)部高壓功率器件，結(jié)構(gòu)上存在著雜散電感和雜散電容。電流的劇烈變化，形成差模干擾。雜散參數(shù)的存在，同時回路中發(fā)生劇烈電壓變化，產(chǎn)生共模干擾。

IGBT波形

3 電磁干擾信號的強度與哪些因素有關(guān)

有研究做過一系列實驗，針對不同的影響因素對干擾信號強度發(fā)生怎樣的影響進行評價，這里轉(zhuǎn)述相關(guān)的結(jié)果。

電機三相動力線的長度，從5~108 MHz之間的頻率，電力線的長度都會發(fā)生影響。導(dǎo)線越長，干擾信號強度越大。

電機狀態(tài)，即電機工作在電動機狀態(tài)還是發(fā)電機狀態(tài)，是否影響干擾信號的強弱呢？試驗結(jié)果是沒有明顯區(qū)別。

電機轉(zhuǎn)速，針對同一臺電機在相同的輸出轉(zhuǎn)矩情況下，改變輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)論是總體影響不大。但對比傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射兩種情形，則對輻射發(fā)射的影響更明顯，轉(zhuǎn)速越高，輻射發(fā)射越高。

電機轉(zhuǎn)矩，同一臺電機相同轉(zhuǎn)速情況下，調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩，總體趨勢是，干擾信號強度隨著轉(zhuǎn)矩的增加而增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到一定程度，強度值不再繼續(xù)增大。

4 干擾抑制措施

抑制電驅(qū)動系統(tǒng)的電磁干擾，一方面希望從源頭解決，從改善IGBT工作性能入手，減少生成干擾的強度。另一方面，采取防范措施，不讓干擾信號離開電機控制器或者加強周邊電氣的抗干擾能力。

從減少干擾生成出發(fā)。改善PWM波形；利用印制電路板代替功率模塊中的電路排布；改變功率模塊原理電路結(jié)構(gòu)，從原理上抵消共模電壓；給電機控制器系統(tǒng)配置濾波電路，使得干擾信號在剛剛產(chǎn)生的位置附近就被處理掉；對于具備良好發(fā)射能力的高壓導(dǎo)線，可以加裝屏蔽套管，避免輻射干擾的擴散。

從加強周邊電氣的抗干擾能力出發(fā)。電動汽車上的敏感電氣，除了盡量與電機控制器保持距離，自身做好屏蔽、設(shè)置濾波電路和接地等必要的電磁兼容設(shè)計以外，還可以利用下面的器材進行臨時防護或者二次防護。從一份文獻中看到相關(guān)內(nèi)容，描述如下：1）設(shè)備外層包裹銅箔膠帶，銅箔膠帶是金屬膠帶的一種，銅具有良好的導(dǎo)電性，使得其粘貼在電氣表面以后，可以起到良好的屏蔽電場的作用；而膠帶成分中的鎳，則起到磁屏蔽的作用。2）壓紋膠帶經(jīng)過特殊壓紋工藝處理的金屬帶基，能夠起到電磁屏蔽的作用，壓紋具有一定的延展能力，在填補空隙的時候，可以發(fā)揮更好的效果。

5 電驅(qū)動系統(tǒng)干擾故障案例

電驅(qū)動系統(tǒng)高強度的電磁干擾信號，一旦處理不當(dāng)，電氣系統(tǒng)尤其低壓控制和通訊系統(tǒng)容易中招。下面是兩個文獻中的案例。

案例一，強混型混合動力客車油門控制器故障

柳海明在他的文章《電驅(qū)動系統(tǒng)EMI測試影響因素分析》中，講述了一個電機控制器產(chǎn)生干擾的案例。

先交代背景?；旌蟿恿ζ?，整車控制器根據(jù)油門信號和車輛運動速度，判斷下一步動作，然后給油門控制器等發(fā)送指令。油門信號包括兩部分，一部分是加速踏板的電壓信號，是一個在0~5V之間的低壓信號；另一部分是怠速開關(guān)的狀態(tài)信號。二者必須匹配，才能被識別，否則整車控制器會判斷油門信號錯誤。

一次實車運行中，出現(xiàn)了油門信號錯誤報警。經(jīng)過全面的測量，發(fā)現(xiàn)加速踏板電壓信號被抬高了，非怠速電壓與怠速開關(guān)處于怠速狀態(tài)不匹配，因而報錯。而電壓信號被認為抬高的原因是，電壓信號里出現(xiàn)了較大的干擾信號。

有干擾的波形

干擾信號的來源并不明確，但首先被懷疑的就是驅(qū)動系統(tǒng)。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，電機控制器殼體與整車之間采用了二次絕緣設(shè)計，也就是殼體沒有接地。經(jīng)過測試后，確認電機控制器設(shè)計滿足自身絕緣要求，于是取消殼體與車架之間的絕緣。再次測量，油門信號的干擾信號消失了。

正常后波形

案例2 CAN通訊系統(tǒng)故障

作者崔祥飛在他的文章《電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)EMC問題的測試及整改》中描述了整個案例細節(jié)。

實車運行過程中，出現(xiàn)了系統(tǒng)故障報警，高壓下電，車輛強制停止運行。讀取故障代碼，發(fā)現(xiàn)整個電氣系統(tǒng)多處報錯。重新啟動，故障復(fù)現(xiàn)率很高，但是首先報錯的位置始終不同。

系統(tǒng)監(jiān)測排查可疑回路以后，發(fā)現(xiàn)CAN信號有嚴重畸變，推測所有報錯都始于畸變的CAN信號，報錯信息過多，阻塞了通道，使得系統(tǒng)停止運行。

尋找CAN畸變的原因，懷疑有干擾，于是利用設(shè)備輸出連續(xù)頻段的干擾信號，觀察系統(tǒng)反應(yīng)，在一個特定頻段復(fù)現(xiàn)了相同的故障現(xiàn)象。確定故障是由干擾造成的，但干擾源和敏感源都無法確定。

模擬系統(tǒng)大電流工作情況，VCU做一個特定測試時，故障得以復(fù)現(xiàn)，確認敏感源為VCU。使用頻譜分析儀和近場探頭測試每個可疑節(jié)點的發(fā)射頻率，最終定位在電機控制器外殼，其發(fā)射頻率恰好與干擾頻率吻合。

分析干擾發(fā)生的原因：電機控制器，采用鋁箔作為屏蔽層，但鋁箔對特定頻段的高頻信號處于低阻抗狀態(tài)，屏蔽效果很差，現(xiàn)象是殼體表面就能測量到干擾信號。CAN總線連接VCU和電機控制器，CAN采用兩點接地，一點連接在電機控制器殼體上，另一端連接在VCU殼體上，恰好充當(dāng)了干擾信號的傳導(dǎo)路徑。至此，問題全部明確。

改正措施，電機控制器更換屏蔽層為銅箔，CAN總線改為單點接地，去掉了與電機控制器殼體的連接。

這個案例分析，真有一種偵探小說的趕腳，又想說，電磁兼容，真是個很有意思的學(xué)科。