鄭 玲，龍海清

（重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

隨著人們對電動汽車性能、安全、舒適性等各方面要求的不斷提高，電動汽車上各種電子設備的功率越來越大，系統(tǒng)靈敏度越來越高，接受微弱信號的能力越來越強，電子產(chǎn)品所使用的頻帶也越來越寬。因此，電子設備之間的相互影響也越來越大。其中，作為電動汽車核心的具有大功率、大電流的電機驅動系統(tǒng)對其它電氣電子設備的干擾影響尤為嚴重。

目前，針對大功率、大電流的車用電氣系統(tǒng)EMC標準還未出臺，而隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及相關EMC標準的規(guī)范，迫切需要研究電機驅動系統(tǒng)的EMI機理、試驗測試方法、預測分析方法以及EMI抑制技術等，這對提高電動汽車整車EMC性能，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約成本等具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 電動汽車電機驅動系統(tǒng) EMC 概述

1.1 電動汽車電機驅動系統(tǒng)

電動汽車借助蓄電池或超級電容提供能量，利用電力電子裝置DC/AC（或DC/DC）進行能量變換提供給交流電機（或直流電機）負載進行驅動。圖1是以交流電機為例的電動汽車驅動系統(tǒng)的結構框圖和示意圖。蓄電池（或超級電容器）、主電路、控制電路、電機共同構成了整個驅動系統(tǒng)，粗實線表示的是大功率、大電流線纜。從圖1（a）可以看出整個系統(tǒng)結構非常復雜，既包括300 V左右的高壓設備和線纜，又包括5 V左右的微控制器電路。數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）控制電路由12 V蓄電池通過小功率的DC/DC變換模塊供電，并發(fā)出驅動信號（通常是10 V左右的PWM信號）驅動主電路的絕緣柵門極晶體管（Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT）模塊實現(xiàn)電機供電或調(diào)速。蓄電池提供的直流電通過逆變電路中IGBT模塊快速通斷而轉換成以供交流電機正常工作的交流電，如圖1（b）所示。

1.2 電機驅動系統(tǒng)EMC環(huán)境

由于電動汽車電機驅動系統(tǒng)的高電壓、大電流以及復雜的結構，使其電磁干擾能量較大、頻帶較寬且傳播耦合路徑呈多樣性，這增加了電機驅動系統(tǒng)EMC研究的難度。但就EMI的基本性質(zhì)而言，電機驅動系統(tǒng)EMI與其它電子設備或系統(tǒng)的EMI一樣，都是由電磁干擾源、傳播路徑（或耦合通道）和受擾體（敏感體）3個基本要素組成[1]，如圖2所示。因此只需要切斷三要素中的任何一個環(huán)節(jié)，電機驅動系統(tǒng)的EMI問題都能得以解決。

1.2.1 電磁干擾源

從圖1的電機驅動系統(tǒng)結構與示意圖可以看出，整個電機驅動系統(tǒng)的電磁環(huán)境非常復雜。其中，控制電路上的時鐘信號、數(shù)字信號、驅動信號是DSP上的主要干擾源，但相對于主電路以及電機等大功率、大電流設備，其抗干擾能力較弱；由于主電路（逆變電路、電纜）和電機存在大量的雜散電感和電容，在驅動電路作用下，開關器件開通和關斷必然會導致電壓和電流在短時間內(nèi)發(fā)生瞬變（IGBT最快能到上百納秒），形成高的du/dt和di/dt，對整個系統(tǒng)造成很強的電磁干擾，是系統(tǒng)的主要電磁干擾源[2]。

1.2.2 傳播途徑

電磁干擾以傳導和輻射的方式進行傳播，相應的傳播路徑也不同。傳導電磁干擾傳播，是指通過導線或其它元器件（如電容、電感等），以電壓或電流的形式，將電磁噪聲的能量在電路中傳送。輻射電磁干擾傳播，則是指輻射干擾源在空間以電磁波的形式傳播。

在電機驅動系統(tǒng)EMI作用下，根據(jù)傳導干擾方式的不同，把EMI分為共模（Common Mode，CM）干擾和差模（Differential Mode，DM）干擾兩種形式。它們產(chǎn)生的內(nèi)部機理有所不同，共模干擾源產(chǎn)生的主要原因是電路中的高du/dt對寄生電容進行充放電，產(chǎn)生的高頻共模電流通過相線、寄生電容和地構成流通回路；差模干擾是指相線之間的干擾，由逆變器工作時產(chǎn)生的脈動電流di/dt引起，直接通過相線與電源形成干擾回路，差模干擾和共模干擾傳播途徑如圖3和圖4所示。當電路中的干擾在30 MHz以上時，干擾源就會以電磁波的形式在空間傳播至受擾設備[3]。

1.2.3 受擾敏感設備

一個設備必須能夠抗干擾，才能保證設備的正常運行，表征抗干擾性能的指標是抗擾性或敏感性。由圖3和圖4可以看出，在電機驅動系統(tǒng)EMI作用下，電動汽車上的受擾敏感設備主要包括整個電機驅動系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)以及車上的其它共地或者共電源網(wǎng)絡的電氣設備和控制系統(tǒng)等。

2 電機驅動系統(tǒng)EMI問題及其干擾機理

國內(nèi)外對電動汽車的研究已有較大的突破，而專門針對電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC的研究歷史還不長。早期主要是針對電機驅動系統(tǒng)的EMI機理以及抗干擾的基本措施進行研究。

最早的可查閱文獻可以追溯到1993年，Sankaran V. A.等人提出IGBT的高速開關動作容易引起EMI問題，并需要研究軟開關技術在驅動系統(tǒng)逆變電路中應用的可行性[4]。1995年，Zhong E. K.等人通過試驗確定了逆變系統(tǒng)會產(chǎn)生相當大的脈沖電流并通過線纜引入系統(tǒng)，造成嚴重的傳導EMI問題以及電力系統(tǒng)中的電壓波形畸變[5]。1997年，Lai J. S.采用一個輔助開關和各相上的一個諧振電感，使主開關可以在零電壓的情況下打開，并且對100 kW三相逆變器進行了實際測試，通過仿真和實測證實了軟開關技術可以減少EMI[6]。2001年，Dong W.等人通過試驗驗證了輔助準諧振逆變器可以減小EMI，但該種軟開關逆變器僅在2～10 MHz效果明顯，且考慮到成本、體積、效率等因素，這種軟開關逆變器不適用于電動汽車驅動系統(tǒng)[7]。2003年，Guttowski S.等人對新型電力驅動系統(tǒng)安裝在傳統(tǒng)乘用車中引起的EMI問題進行了研究[8]。2007年，Nelson J. J.等人指出瞬態(tài)運行的驅動系統(tǒng)如負載轉矩和速度漸變會造成更嚴重的EMI問題[9]。

國內(nèi)對電機驅動系統(tǒng)EMI問題及其EMI機理研究起步較晚，清華大學的陳斌等人指出IGBT的高速開關動作產(chǎn)生很高du/dt和di/dt，由此導致嚴重的EMI問題，并應用系統(tǒng)函數(shù)的方法來描述這種EMI耦合通道的特征，準確預測了EMI的時域波形和頻譜特性[10]。2005年，竇汝振等人指出共模電壓會帶來共模電流、電壓諧波等問題[11]，在2011年又對電機驅動系統(tǒng)EMI特性及其傳播機制進行了分析[12]。2008年，西北工業(yè)大學的賀虎成等人指出較高開關工作頻率會引起嚴重的EMI和開關損耗，并提出運用軟開關技術和隨機脈寬調(diào)制來解決上述EMI問題[13]。2007年以后，國內(nèi)外針對電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMI問題及其產(chǎn)生機理的相關文獻和資料較少，主要的研究重心已傾向于電機驅動系統(tǒng)EMC仿真預測以及EMI抑制技術。

3 電機驅動系統(tǒng) EMC 預測仿真研究

由于汽車EMC試驗環(huán)境的苛刻和試驗成本的昂貴，近年來對電動汽車電機驅動系統(tǒng)的EMC研究已不僅僅局限于現(xiàn)象闡述和干擾機理分析，而逐漸將研究重心轉向電機驅動系統(tǒng)EMC預測仿真，以期更好地指導電機驅動系統(tǒng)EMC方案設計。

3.1 EMC分析方法

計算電磁學的發(fā)展給汽車EMC預測仿真提供了理論支持。雖然傳統(tǒng)的解析法可以計算出精確的數(shù)值結果，但對于復雜的實際情況而建立的積分方程或偏微分方程往往由于太復雜而無法求解。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)值分析逐漸成為研究電磁學問題的重要方法。數(shù)值分析將傳統(tǒng)的電磁場解析式轉化成數(shù)值編程的形式加以計算，使其能夠求解任意幾何形狀、復雜結構的電磁場問題。當前，電機驅動系統(tǒng)EMC所涉及的數(shù)值分析方法主要有傳輸線法[14]、有限元法[15]、有限差分法[16]、有限積分法[17]和矩量法[18]等。

目前已有一些基于不同數(shù)值分析方法的商業(yè)軟件，如以傳輸線法（TLM）為主的FLO/EMC軟件，以有限元法（FEM）為主的HFSS軟件，以有限差分法（FDTD）為主的XFDTD軟件，以有限積分法（FIT）為主的CST軟件等，這些軟件為電機驅動系統(tǒng)EMC預測仿真研究提供了手段。

3.2 EMC預測仿真分析

近年來，國內(nèi)外學者對電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC預測仿真分析進行了大量的研究，包括EMI干擾源、傳播途徑分析等。研究的思路主要是從“場”和“路”兩方面著手。

3.2.1 國外電機驅動系統(tǒng)EMC預測仿真研究

1998年，Chen C. C.等人通過建立電動汽車驅動系統(tǒng)的傳導電磁干擾模型，對其干擾源特性和主要傳輸路徑進行了分析，估計了直流母線的噪聲頻譜，并通過試驗進行了驗證[19]。2001年，Boglietti A.等人將從蓄電池到交流電機的所有電器元件作為系統(tǒng)，建立了高頻模型，該模型分析了PWM逆變器在過電壓和漏電流流過寄生電容時產(chǎn)生的高du/dt的影響[20]。2003年，Guttowski S.等人 建立了逆變器、電機、蓄電池等的高頻集總參數(shù)模型，并用于電機驅動系統(tǒng)EMC預測分析[8]。2004年，F(xiàn)rei S.團隊對低頻的傳導干擾進行預測研究，建立了電動汽車驅動系統(tǒng)的傳導干擾模型[21]。2006年，Li W.等人對燃料電池汽車驅動系統(tǒng)的高頻傳導干擾進行了建模分析，并對模型中主要參數(shù)所引起的不同噪聲形式進行了比較[22]。2007年，Zhang B.等人對燃料電池汽車驅動系統(tǒng)的傳導EMI進行了深入研究，并基于多觸點傳輸線模型，分析了線纜中傳導干擾的傳播特性、共模電流及其耦合效應，建立了燃料電池、逆變器、交流電機的高頻電路模型[23-24]。2008年，Youn H. L.等人建立了混合動力電動汽車驅動系統(tǒng)各部分的高頻模型，包括IGBT、線纜和逆變器，并搭建了等效電路模型，較為準確地預測了驅動系統(tǒng)的傳導干擾[25]。2010年，Tao Q.和Lei X.團隊提出分段線性IGBT模型的一種行為建模方法，模型的參數(shù)求取通過IGBT的數(shù)據(jù)表和簡單的測量獲得，并用于傳導干擾的預測[26-27]。2011年，Maki K.等人通過場分析方法，建立了高頻電機的三維電磁場模型，對電機內(nèi)部的電磁輻射干擾進行了分析，試驗驗證了仿真分析的準確性[28]。此外，美國羅克韋爾公司的Mirafzal B.團隊[29-30]，弗羅里達國際大學的Mohammed O. A.[31]等人 也對電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC進行了較為深入的研究。

3.2.2 國內(nèi)電機驅動系統(tǒng)EMC預測仿真研究

國內(nèi)在電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC預測仿真研究方面起步較晚。吉林大學高印寒等人以車內(nèi)大量的導線及線束為例，采用模糊推理方法對汽車線束EMC進行了預測，克服了求解復雜麥克斯韋方程的局限，提高了預測精度[32-33]；吳定超和馬喜來分別利用傳輸線理論和天線理論對汽車線束之間的串擾、車載天線與線束之間的耦合進行了仿真預測，并引入小波分解技術，通過提供車內(nèi)傳導干擾的特征能量來達到識別干擾源的目的[34-35]。重慶大學的俞集輝等人通過建立點火系統(tǒng)的每個部件電路模型，利用解析法或有限元方法確定模型中的電分布參數(shù)，建立了點火系統(tǒng)的等效電路模型，該方法可以借鑒運用于電機驅動系統(tǒng)預測建模[36]；汪泉第等人通過測量電機端阻抗的幅頻特性，建立了電機的等效寬頻電路模型，并驗證了模型的準確性和有效性，為建立電機驅動系統(tǒng)傳導干擾模型奠定了基礎[37]。哈爾濱工業(yè)大學的安群濤等人對PWM電機驅動系統(tǒng)共模傳導干擾進行了分析，并對相關等效電路的建立方法進行了深入研究，等效電路仿真結果與試驗結果相吻合[38]；肖芳等人對PWM電機驅動系統(tǒng)的傳導干擾機理進行了研究，提出了一種新的頻域噪聲源建模方法[39]；段建東等人基于干擾源加干擾通道建模的總體思路，在時頻域中建立了PWM電機驅動系統(tǒng)等效電路模型，并建立了其共模和差模干擾的數(shù)學模型來進行相互驗證[40]。清華大學的陳名等人運用阻抗幅頻特性測量和最小二乘法擬合的方法，建立了電機的高頻等效電路[41]。海軍工程大學的孟進等人以典型的PWM變頻驅動電機系統(tǒng)為對象，研究了干擾通道寄生參數(shù)和高頻干擾源的建模方法，并進行了試驗驗證[42]。此外，中國汽車工程研究院等汽車研究機構與企業(yè)也開展了相關的研究。

綜上所述，目前國內(nèi)外對電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC的預測仿真研究已取得一定的進展和成果，分別以不同的數(shù)值方法或分析思路對電機驅動系統(tǒng)單個組件或整個系統(tǒng)進行了EMC建模仿真研究。電機驅動系統(tǒng)的EMC預測仿真研究縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約了成本，為解決電動汽車電機驅動系統(tǒng)的EMI問題提供了科學的分析方法和手段。

4 電機驅動系統(tǒng)EMI抑制研究

電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMI抑制技術的研究一直是一個重要的課題。近年來，對電機驅動系統(tǒng)EMI抑制技術的研究主要從兩方面來開展，一是接近工程應用的EMI抑制技術研究，二是從根本上解決或減小EMI的抑制技術研究。從基本原理出發(fā)，可將抑制EMI方法歸納為減小干擾源發(fā)射強度和切斷傳播途徑。

減小干擾源的發(fā)射強度是EMI抑制技術的一種常用方法。Trzynadlowski A. M.等人采用Saber仿真軟件對隨機PWM調(diào)制和普通PWM調(diào)制在減少EMI方面進行對比分析，指出隨機PWM調(diào)制可以比普通PWM調(diào)制減小10 dB左右EMI噪聲，并且對驅動性能幾乎沒有影響[43]。Muton N.等人提出了一種EMI抑制方法，通過多層印刷電路板來封裝逆變器電源電路以抑制共模電流。其后，該作者基于串聯(lián)諧振現(xiàn)象又提出了一種消除逆變器和電池之間正、負電源線纜中表面電流的方法，試驗驗證了該方法的有效性[44-45]。Lai Y. S.利用矢量狀態(tài)的不同組合會對功率變換器輸出共模電壓產(chǎn)生影響的特點，提出了空間矢量調(diào)制技術，采用兩個相反方向矢量回掃的方法取代零矢量的作用，以此降低系統(tǒng)共模電壓，實現(xiàn)抑制EMI的目的[46]。Zhang H. R.等人提出了一種用于消除電機驅動系統(tǒng)共模電壓和軸電流的雙橋功率變換器。通過控制雙橋功率變換器產(chǎn)生標準的三相雙繞組感應電動機平衡激勵實現(xiàn)抵消共模電壓，達到減小漏電流、EMI發(fā)射強度的目的[47]。竇汝振等人根據(jù)共模電壓會帶來共模電流、電壓諧波等問題，提出了一種新穎的空間矢量脈寬調(diào)制控制方法，可以非常有效地減小電壓源逆變器供電的異步電機驅動系統(tǒng)的共模電壓[11]。

切斷電磁干擾源傳播途徑是電機驅動系統(tǒng)EMI抑制的另一種常用方法。各國學者相繼提出了一些用于阻斷EMI傳播途徑的EMI濾波器結構，試驗表明經(jīng)過正確設計的濾波器，能夠使電機驅動系統(tǒng)EMI發(fā)射強度減小到EMC標準限值以下，是電氣設備和系統(tǒng)實現(xiàn)EMC的重要手段。Weber T.研究了600 V直流連接牽引力驅動系統(tǒng)的多種EMC濾波器，介紹了一種新式磁場旁路的共模扼流線圈[48]。Von J. A.等人從消除電動機側共模EMI電流的角度進行分析，在共模扼流圈的基礎上，再在同一磁芯上纏繞一個終端連接阻尼電阻的第4繞組，以抑制共模EMI電流的振蕩[49]。Ogasawara S.等人將Π型無源EMI濾波器和有源共模噪聲消除器相結合，提出了改進Π型有源EMI濾波器的結構。該結構能夠在消除感應電機端共模電壓的同時抑制PWM功率變換器的諧波[50]。哈爾濱工業(yè)大學的姜保軍根據(jù)系統(tǒng)感應電機側共模電壓、電流的形成機理，提出了一種應用于DC/AC輸出端的無源共模EMI濾波器結構，該濾波器克服了傳統(tǒng)功率變換器輸出端無源共模EMI濾波器高低頻特性難以兼顧和體積過大的缺點[51]。哈爾濱理工大學的劉金鳳深入分析了驅動控制系統(tǒng)的電磁干擾源和傳播機理，提出了一種前饋型有源EMI濾波器，并對濾波器的結構、參數(shù)、性能等進行了詳盡和系統(tǒng)的分析[52]。

綜上所述，對電機驅動系統(tǒng)EMI抑制技術的研究已取得一定成果。大部分研究主要針對電機驅動系統(tǒng)共模傳導EMI的抑制，這是由于在整個電機驅動系統(tǒng)EMI中，共模傳導干擾的危害最大，并且輻射干擾也主要是由于共模干擾的存在引起的。此外，上述很多EMI抑制技術，鑒于結構、成本等各方面的原因，尚不能很好地應用到工程實際中，因此，尋求工程實用、有效的EMI抑制技術也是電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC問題研究的一個發(fā)展方向。

5 結論

近年來，對電機驅動系統(tǒng)EMI機理研究已逐漸成熟，而EMC預測建模仿真以及EMI抑制技術的研究還處于發(fā)展過程中。由于電機驅動系統(tǒng)EMI機理以及系統(tǒng)的復雜性，給精確建模帶來很大困難，如何準確建立電機驅動系統(tǒng)的EMI預測仿真模型，并有效指導工程應用，仍是一個亟待解決的問題。此外，電機驅動系統(tǒng)EMI抑制技術大多停留在實驗室研究和探索階段，尚未形成一套較完整的解決方案，如何在產(chǎn)品設計以及運用過程中，充分考慮EMC特性，形成相應的設計理論和規(guī)范，應是今后工程應用需要解決的問題。

本文結合相關文獻資料，對電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC干擾機理、預測仿真模型以及EMI抑制技術等幾個方面進行了歸納和總結，提出了當前電機驅動系統(tǒng)EMC研究存在的關鍵問題和發(fā)展趨勢，為電動汽車電機驅動系統(tǒng)EMC的研究和工程應用提供了參考。

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