學習筆記|電驅動系統電磁兼容問題

電動汽車上最強悍的干擾源是電驅動系統，沒有之一。功率模塊自身的特點以及工作特性的要求，頻率範圍寬，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，容易受到干擾的設備太多，與安全相關的電氣也很多。這就使得對電動汽車和電驅動系統電磁兼容性能的理解變得非常重要。

1 電驅動系統組成和性能特點

電驅動系統主要包括電機，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。

電驅動系統的工作過程大體如下：

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

ECU根據指令，調製PWM波，驅動功率單元開關器件的通斷，高電平導通，低電平關斷；功率單元以PWM波為藍本，輸出高壓波形，驅動電機工作；

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

2 為什麼電驅動系統是電磁干擾最大來源

整個電動汽車電氣系統中，最大的電磁干擾源是電驅動系統，在具體到系統內部，功率模塊和高壓電纜是最直接的干擾生成和傳播者。可以打個不那麼恰當的比方，電驅動系統在電動汽車的電氣系統中，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。

功率單元的大功率開關管IGBT，在控制器發出的PWM波驅動下導通和關斷。理想的PWM波是矩形波，只有高電平和低電平兩個狀態。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，其導通和關斷也不是瞬間完成，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，從一個狀態變換到另一個狀態，變換率非常陡峭，且導通和關斷過程中，斜率符號相反。這樣的過程在不斷的進行，並且頻率非常高。電流和電壓的劇烈波動，在整個功率模塊中產生高次諧波。

電機控制器的輸入輸出電纜及內部高壓功率器件，結構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。雜散參數的存在，同時迴路中發生劇烈電壓變化，產生共模干擾。

3 電磁干擾信號的強度與哪些因素有關

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生怎樣的影響進行評價，這裡轉述相關的結果。

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生影響。導線越長，干擾信號強度越大。

電機狀態，即電機工作在電動機狀態還是發電機狀態，是否影響干擾信號的強弱呢？試驗結果是沒有明顯區別。

電機轉速，針對同一台電機在相同的輸出轉矩情況下，改變輸出轉速，結論是總體影響不大。但對比傳導發射和輻射發射兩種情形，則對輻射發射的影響更明顯，轉速越高，輻射發射越高。

電機轉矩，同一台電機相同轉速情況下，調整輸出轉矩，總體趨勢是，干擾信號強度隨著轉矩的增加而增加，但當轉矩增大到一定程度，強度值不再繼續增大。

4 干擾抑制措施

抑制電驅動系統的電磁干擾，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，採取防範措施，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。改善PWM波形；利用印製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構，從原理上抵消共模電壓；給電機控制器系統配置濾波電路，使得干擾信號在剛剛產生的位置附近就被處理掉；對於具備良好發射能力的高壓導線，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。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、設置濾波電路和接地等必要的電磁兼容設計以外，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內容，描述如下：1）設備外層包裹銅箔膠帶，銅箔膠帶是金屬膠帶的一種，銅具有良好的導電性，使得其粘貼在電氣表面以後，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，可以發揮更好的效果。

5 電驅動系統干擾故障案例

電驅動系統高強度的電磁干擾信號，一旦處理不當，電氣系統尤其低壓控制和通訊系統容易中招。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《電驅動系統EMI測試影響因素分析》中，講述了一個電機控制器產生干擾的案例。

先交代背景。混合動力汽車，整車控制器根據油門信號和車輛運動速度，判斷下一步動作，然後給油門控制器等發送指令。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的狀態信號。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，出現了油門信號錯誤報警。經過全面的測量，發現加速踏板電壓信號被抬高了，非怠速電壓與怠速開關處於怠速狀態不匹配，因而報錯。而電壓信號被認為抬高的原因是，電壓信號里出現了較大的干擾信號。

干擾信號的來源並不明確，但首先被懷疑的就是驅動系統。經排查發現，電機控制器殼體與整車之間採用了二次絕緣設計，也就是殼體沒有接地。經過測試後，確認電機控制器設計滿足自身絕緣要求，於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。

案例2 CAN通訊系統故障

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

實車運行過程中，出現了系統故障報警，高壓下電，車輛強制停止運行。讀取故障代碼，發現整個電氣系統多處報錯。重新啟動，故障復現率很高，但是首先報錯的位置始終不同。

系統監測排查可疑迴路以後，發現CAN信號有嚴重畸變，推測所有報錯都始於畸變的CAN信號，報錯信息過多，阻塞了通道，使得系統停止運行。

尋找CAN畸變的原因，懷疑有干擾，於是利用設備輸出連續頻段的干擾信號，觀察系統反應，在一個特定頻段復現了相同的故障現象。確定故障是由干擾造成的，但干擾源和敏感源都無法確定。

模擬系統大電流工作情況，VCU做一個特定測試時，故障得以復現，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點的發射頻率，最終定位在電機控制器外殼，其發射頻率恰好與干擾頻率吻合。

分析干擾發生的原因：電機控制器，採用鋁箔作為屏蔽層，但鋁箔對特定頻段的高頻信號處於低阻抗狀態，屏蔽效果很差，現象是殼體表面就能測量到干擾信號。CAN匯流排連接VCU和電機控制器，CAN採用兩點接地，一點連接在電機控制器殼體上，另一端連接在VCU殼體上，恰好充當了干擾信號的傳導路徑。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匯流排改為單點接地，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科。

名詞解釋

高次諧波 ，將工作頻率稱為基波分量，而將頻率為基波的整數倍的周期性波形稱為高次諧波 。

參考

1 柳海明，電驅動系統EMI測試影響因素分析；

2 張廣玉，電池包傳導發射測試方法研究；

3 李研強，汽車電子產品全壽命電磁兼容測試方法 ；

4 杜建福，新能源汽車EMC測試與設計研究

5 崔祥飛 ，電動汽車驅動系統EMC問題的測試及整改 ；

6 鄭玲，電動汽車電機驅動系統EMC研究綜述；

7 海清龍，電動汽車PWM驅動電機系統EMC研究；

8崔景，屏蔽材料在汽車電子EMC中的應用研究

（圖片來自互聯網）