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浙江工业大学硕士学位论文 电动汽车电机驱动系统的电磁兼容性研究 摘要 随着电动汽车的迅速发展，其电磁兼容性也越来越受到重视。电机驱动系统的电压 高、电流大、结构复杂，耦合路径多样是电动汽车最主要的干扰源之一。 本文以分析、试验、改进、再进行对比试验的思路对一台国产典型电动汽车的电机 驱动系统的电磁兼容性进行了研究。 本文的主要内容为： 1 以电磁兼容理论为基础，分析了电机驱动系统的干扰源和干扰的传播路径。 2 根据现有的汽车电磁兼容标准和电动汽车自身特点对电动汽车的驱动系统做了 如下三个试验：动力电缆的传导发射试验；交流电缆的共模电流传导发射试验；直流母 线的瞬态脉冲发射试验。试验结果表明：逆变器的高频开关特性是产生传导干扰和辐射 干扰的主要原因：车辆在低速阶段的交流电压谐波和电流谐波较大；车辆的高频磁场辐 射骚扰较大。 3 研究了提高电机驱动系统电磁兼容性的方法。计算了i g b t 开关波形的频谱特性， 为逆变电路的电磁兼容性设计提供了依据；给出了控制电路的抗干扰措施；根据动力系 统干扰的特点，对其进行了屏蔽设计；提出了抑制驱动系统共模电流的方案。最后，经 过对比试验表明，采取以上措施后电机驱动系统产生的干扰得到明显抑制，系统的电磁 兼容性能得到提高。 关键词：电动汽车，电磁兼容，共模干扰，干扰抑制 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo f p o w e rt r a i ns y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c tt w i t ht h e r a p i dd e v e l o p i n g o ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h ee m c ( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) o ft h ee l e c t r i cv e h i c l eh a sb e e ng o tm o f ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ep o w e rt r a i n s y s t e mo ft h ee l e c t r i cv e h i c l eh a sb e c a m et h eo n eo ft h em a j o re m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) s o u r c e so ft h ee l e c t r i cv e h i c l e ，b e c a u s e i th a sh i g hv o l t a g e ，l a r g ec u r r e n t ， c o m p l e xs t r u c t u r e sa n dm u k i p l ec o u p l i n gp a t h s t h et h e s i sd o e sar e s e a r c ho nt h ee m co fan a t i v et y p i c a le l e c t r i c v e h i c l e sp o w e rt r a i n s y s t e m , b a s i n go nt h em e t h o d so fa n a l y z i n g ，t e s t i n g ，i m p r o v i n ga n dc o m p a r a t i v et e s t i n g t h et h e s i s sm a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ee m is o u r c e sa n dt r a n s m i s s i o np a t h so ft h ep o w e rt r a i ns y s t e ma r ea n a l y z e d ， b a s i n go nt h et h e o r yo fe m c 2 t h r e et e s t so ft h ee m co ft h ep o w e rt r a i ns y s t e ma r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e e x i s t i n ge m c s t a n d a r d so ft h ev e h i c l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cv e h i c l e t h et e s t s a r e ：e l e c t r i c a ld i s t u r b a n c e sf r o mp o w e rc a b l e s c o n d u c t e de m i s s i o n ；e l e c t r i c a ld i s t u r b a n c e s f r o ma cp o w e rc a b l e s c o n d u c t e dc o m m o n m o d ec u r r e n t ；a n de l e c t r i c a ld i s t u r b a n c e sf r o m e l e c t r i c a lt r a n s i e n tc o n d u c t i o na l o n gd cc a b l e s t h er e s u l t so ft h et e s t ss h o wt h a t ：t h e i n v e r t e r sh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i ci st h em a i ni n t e r f e r e n c es o u r c e so ft h e c o n d u c e da n dr a d m t e de m i ；t h el i n e v o l t a g ea n dl i n ec u r r e n to fi n v e r t e rc o n t a i nm o r e l o w o r d e rh a r m o n i c sa tt h el o ws p e e d ；t h ev e h i c l e sm a g n e t i cf i l e ds t r e n g t hi ss e r i o u sa tt h e h i g hf r e q u e n c y 3 t h es o l u t i o n so fi m p r o v i n gt h ee m co fp o w e rt r a i ns y s t e ma r er e s e a r c h e d t h e s p e c t r u mo ft h e i n v e r t e r ss w i t c h i n gw a v e f o r mi sc a l c u l a t e d i tc a np r o v i d et h eb a s i s r e f e r e n c ef o rt h ei n v e r t e r se m cd e s i g n i n g t h es h i e l d i n gm e t h o d so ft h ep o w e rt r a i ns y s t e m a r ed e s i g n e d t h es u g g e s t i o no fs u p p r e s s i n gt h ec o m m o n m o d ec u r r e n to f p o w e rt r a i ns y s t e m i sp r o p o s e d f i n a l l y , t h ec o m p a r i s o nt e s tp r o v e dt h a tt h es o l u t i o n sf o ri m p r o v i n gt h ee m co f p o w e rt r a i ns y s t e mc a ns u p p r e s st h ep o w e rt r a i ns y s t e m se m ii m m e n s e l y t h es y s t e m se m c a b s l r a c t i si m p r o v e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , c o m m o n m o d ei n t e r f e r e n c e ， i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n i i i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 课题的背景 近年来，能源危机和环境污染日益严重，人类的生存和生活质量逐渐受到侵害。传 统汽车的尾气排放已经成为主要的空气污染源之一。但汽车工业是关系到国计民生的行 业，已经成为一个国家的重要经济支柱之一。因此，许多国家政府、研究机构和企业集 团加大了对电动汽车的研发，促使电动汽车迅速崛起和发展起来，希望借此在以后的竞 争中占得先机并一举解决由传统汽车导致的空气污染问题。 第一辆电动汽车诞生与1 8 3 4 年比内燃机车要早半个世纪，电动汽车的销售量曾经 有比内燃机汽车还高的历史【l 】。但是其后随着内燃机技术的飞速发展，燃料价格较低等 因素使得传统汽车得到普及。2 0 世纪7 0 年代，石油输出国组织( o p e c ) 石油禁运， 出现石油危机，这时又燃起了人们对电动汽车的兴趣，但石油危机过后这种兴趣逐渐减 弱。到了上个世纪9 0 年代早期，环境污染问题引起人们的重视，为了获得清洁的可再 生能源人们再次把目光转向了电动汽车。此时动力电池技术、超级电容技术、燃料 电池技术、电力电子技术等均己获得巨大的发展，为现代电动汽车的发展奠定了新的技 术平台。从1 9 9 7 年日本丰田公司投产了p u r i s 混合动力电动汽车开始，电动汽车发展非 常迅速。 电动汽车根据动力来源的多样性可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池 电动汽车三种【2 1 。这三种类型的电动汽车的共同标志是，都集成了以电力电子技术为核 心的电气驱动系统。纯电动汽车是以蓄电池、超级电容等直接提供电能的储电装置提供 能源的汽车。图1 1 为纯电动汽车动力系统框图。混合动力电动汽车以汽油作为主要能 源，集成了内燃机和电动机两种驱动系统，利用两者的优势互补，达到低耗油、少排放 的目的。图1 2 为混合动力电动汽车的动力系统框图。燃料电池电动汽车利用燃料电池 提供主能量，在对外供电时需要有d c d c 和辅助电池组来配合其工作。图1 3 为燃料电 第1 章绪 论 池电动汽车动力系统框图。 图1 1 纯电动汽车动力系统框图 图1 2 混合动力驱动系统结构框图 。朗； 图1 3 料电池汽车动力系统框图 大功率电力电子技术作为电动汽车的核心技术，在运行过程中产生发生较强电磁干 扰，从而影响车载电子设备和附近电气设备的正常工作。从目前的情形来看，国外大公 司如丰田、本田、通用、戴姆勒。克莱斯勒、福特等均已经成功上市了众多款混合动力 电动汽车，表明国外大公司至少是在整车层面上已经解决了电磁兼容问题。国内一汽、 上汽、东风等大公司以及一些知名高校都在研发自己的新能源汽车和相关的关键技术， 已经取得了一些重大进步，但在动力系统的电磁兼容性能方面的研究相对较少。整车厂 应该注重整年电磁兼容的研究，并提出对电力电子设备的电磁兼容性要求，零部件商应 2 浙江工业大学硕士学位论文 该从设备本身的特性出发尽量降低电干扰，增强抗干扰能力。目前在车载电力电子设备 层面上还没有相应的电磁兼容标准，因此，如何进行电动汽车驱动系统的电磁兼容性试 验，电机驱动系统的电磁兼容性能如何，是急待解决的问题。本课题正是在这样一个背 景下形成的。 1 1 2 课题的意义 从图1 1 、图1 2 和图1 3 中可以看出，纯电动汽车中的动力电力电子装置主要由大 功率d c a c 逆变器构成，同时在混合动力和燃料电池电动汽车中也必然存在由d c a c 驱动的动力系统。所以电动汽车电机驱动系统的电磁兼容性研究在各种形式的电动汽车 中最具普遍性和代表性。本文针对电动汽车d c a c 驱动系统的电磁兼容性开展研究。 由于大功率d c d c 变换器与大功率d c a c 逆变器的斩波运行和数字控制本质，它们在 干扰源和受扰源两个方面实际上是共通的，无非就是结构的不同引起耦合路径具有较大 的差异性，因此本文研究的部分内容和结果仍可适用于大功率d c d c 变换器。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电动汽车电磁兼容标准化现状 传统汽车零部件电磁兼容标准主要包括国际标准化组织( i s o ) 、国际电工委员会 ( i e c ) 和美国汽车工程师协会( s a e ) 这三大机构制定的标准，一个欧盟指令和众多厂 商自己制定的标准。目前所有的汽车零部件标准只针对1 2 v 、2 4 v 的电源系统，而现在 的电动汽车电压等级非常多样，大多为从2 0 0 v 到4 0 0 v 不等，没有统一的标准和定论。 国际上专门针对汽车电磁兼容开展标准化工作的主要是i s o 和i e c 这两大机构，它们所 制定的电磁兼容标准都是针对传统汽车。目前已经存在的针对电动汽车整_ 乍的电磁兼容 标准是美国汽车工程师协会( s a e ) 的j 5 5 l ，我国国家标准g b t 1 8 3 8 7 对其进行了直接引 用。 s a ej 5 5 1 定义了电动汽车电场和磁场的辐射发射限值和车载充电机的传导干扰试 验，并未提及驱动电力电子设备的传导干扰试验。电动汽车动力电力电子装置的电磁兼 容标准还很不完善。随着电动汽车产业的发展、电力电子和电磁兼容技术的进步和动力 零部件供应商的增加这种形势将会得到改善。针对电动汽车的电压等级和针对动力电 力电子装置的电磁兼容标准均将会得以规范。 第1 章绪论 1 2 2 电动汽车电磁兼容研究现状 电力电子装置的电压变化率和电流变化率都很大，是很强的电磁干扰源，因此针对 电力电子装置的传统应用的电磁兼容性研究已经相当广泛和深入。研究的焦点包括电力 电子装置的干扰机理、抗干扰措施、电磁兼容性建模和预测。尽管在上述各方面均取得 了一些进展，但从研究的进展速度和创新速度看，电磁现象是一个非常复杂的问题，电 力电子装置的电磁干扰机理、测量、建模、预测等问题还需深入的研究。随着半导体技 术、电力变换控制技术、新材料、新装配工艺的发展，电力电子装置的电磁兼容性研究 还将继续发展和深化。针对电动汽车的电磁兼容研究较早是文献 3 】，指出i g b t 的高频 开关会引起电磁骚扰噪声，需要研究软开关技术。其后，文献【4 】提到用于电动汽车驱动 的辅助准谐振逆变器可以减少e m ，但未进行实测验证。文献 5 】指出一般的屏蔽对电磁 兼容没有良好的效果，提出从设计滤波器的角度提高电磁兼容性的方法。文献【6 】将谐振 软开关技术应用于逆变器，通过实验证明其有减小干扰发射的效果。文献 7 】指出传统的 设计流程和技术不很好地适用于乘用车的电驱动系统设计。建立了一个用于仿真普通电 缆和屏蔽电缆的耦合路径的频域特性模型，并经过验证。用此模型可以分析高压电缆上 的干扰噪声。文献【8 】建立了一个简单实用的电动汽车驱动系统的传导e m i 模型，分析 - j 了电动汽车驱动系统传导e m i 的干扰源特性和主要的传输路径，同时估计了直流母线 上的噪声频谱。以上研究的经过实验验证是正确的。文献 9 】指出软开关技术比硬开关技 术产生的干扰少，但软开关电路本身也会产生干扰，其整体的电磁兼容性改善并不明显。 文献 1 0 】指出对应5 0 k w 的逆变器，软开关技术能够在某些频带减少干扰发射，但采用 的抑制器件较大，不适合在汽车上应用。文献 1 1 】通过仿真指出随机p w m 比普通p w m 的干扰小。文献【1 2 】研究了电动汽车电气驱动系统的电磁环境和一些电磁兼容性措施， 电磁兼容性措施包括改变门极电阻、随机p w m 调制、屏蔽和电缆布线。结论是增加门 极电阻抑制了3 m h z 以上的干扰，但增加了发热损耗：随机p w m 调制效果较好，但控 制稍复杂；采用编织屏蔽线对磁场辐射抑制效果不理想；电缆最好是双线紧靠，再紧贴参 考地平面布置。文献 1 3 】研究了混合动力动力高压线束的发展历程，并对为将来的研究 提出建议。文献【1 4 】详细研究了燃料电池电动汽车大功率d c d c 的电磁兼容性。其研究 结果表明通过增大门极驱动电阻在1 5 m 一3 0 m h z 频段可以获得6 d b 左右的衰减。主电路 对控制电路电源线和c a n 信号线传导干扰的影响非常大，最大可以有3 0 d b 的增加量。 文章给出了控制电路的电磁兼容设计方法，并且按相关标准进行了测试，所有的测试项 目均采用并通过了标准定义的2 级限值和严酷度等级。文献 1 5 】对5 m 长的屏蔽电缆做 4 浙江工业大学硕士学位论文 了阻抗随频率变化的仿真和测试。结果表明，在1 m h z 至1 0 0 m h z 之间，线路阻抗存 在多个共振点，阻抗在1 0 欧姆和1 0 0 欧姆之间变化。此文献还对电池组到电力电子装 置线路在六种不同情况下做了电压传导发射对比实验。这六种情况分别是：1 、正负极 母线均连接l i s n 网络，线路全屏蔽，屏蔽层接地。2 、正负极母线均连接l i s n 网络， 线路全屏蔽，屏蔽层不接地。3 、正负极母线均连接l i s n 网络，线路在l i s n 与被测试 设备之间加屏蔽，屏蔽层不接地。4 、正负极母线均连接l i s n 网络，线路无屏蔽，l i s n 网络接地。5 、正负极母线均不连接l i s n 网络，无屏蔽。6 、正负极母线均不连接l i s n 网络，线路全屏蔽。屏蔽层不接地。通过对比实验表明明：在电压传导发射测试中，情 况2 比情况3 在特定频段内略有改善。情况1 和情况4 在高频段基本一致，但在1 7 m h z 以下频率有明显改善。在电流传导发射测试中情况2 比情况3 有很大改善。情况6 比情 况2 在低频段甚至有2 0 d b 的改善。情况5 的电流传导发射是最高的。文献 1 6 建立了 电磁干扰源和共模电流传导路径的等效电路模型，指出在电缆中传导的共模电流决定于 电缆一底盘的阻抗特性。为了抑制共摸电流，提出了共模电感的合理布置和取值范围。 文献【1 7 】设计了一种新的有源共模电感，与传统电感相比，其具有较大的电感量和较好 的高频特性，能更好地抑制共模电流。文献【1 8 】讨论了燃料电池汽车d c a c 的电磁兼容 性，并给出了一些抑制措施。 1 3 本文的主要研究工作 电动汽车在有限的空间内集成了大量电力电子设备和电动机等大功率电气设备，其 电磁环境非常复杂。其边界条件复杂，不容易进行仿真，系统之间的耦合、传导、辐射 等情况也十分复杂。本文本着由浅入深的原则对一台电动汽车进行了测试，并对如下四 方面内容进行了研究。 1 进行电机驱动系统的电磁兼容分析；2 提出三个电机驱动系统电磁兼容性的试 验方法；3 根据提出的试验方案对电机驱动系统电磁兼容性进行测量，并给出分析结 果：4 对电动汽车驱动系统进行电磁兼容性设计。 1 4 本章小结 本章介绍了课题的背景，阐述了课题的重要意义。在国内外现状中阐述了在电动汽 车电磁兼容研究领域的研究成果和最新进展。可以看出，国外的研究比国内的研究要更 第l 章绪论 为深入。最后，基于以前研究成果的基础上阐述了本文的主要研究工作，为以后的工作 制定了目标。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 2 1 研究平台介绍 本文要研究的电机驱动系统国内某电动汽车厂家的一台乘用车。该车的驱动系统的 照片如图2 - 1 所示。整车的高压电子电气设备包括：高压配电单元、电机控制器、永磁 同步电机( 电机位于高压配电单元和电机控制器下方) 、车载空调、车载充电机、d c 3 2 0 v 变化到d c l 2 v 的d c d c 变换器、p t c 热敏电阻。由此可见如此多的电子电器设备密集 的集成在空间有限的前舱内，其电磁兼容性是一个非常复杂的问题。下面主要对本文要 研究的对象电机驱动系统进行介绍。 图2 1 电动汽车驱动系统布置图 2 1 1 高压电池组布置 高压电池组布置在车辆的后备箱部分，如图2 2 所示。电池组一共为四筐，每筐都 按照国家电网换电模式的电池筐尺寸设计，任意的电池筐都可以方便地被更换。标准电 7 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 池筐每筐为2 4 节电池，电压为8 0 v ，所以整车的电压为3 2 0 v 。 图2 2 电动汽车电池组的布置 2 1 2 电动机参数 本车所用的电动机是2 0 k w 4 0 k w 永磁同步电机。其额定功率为2 0 k w ，峰值功率 为4 0 k w ，峰值高功率运行时间为6 0 秒。其具体参数如表2 1 所示。现代电动汽车的驱 动电机种类很多，许多电动汽车厂家先用的电动机并不一致。其中应用较多的是交流同 步电机、直流无刷电机和交流异步电机。其中交流同步电机具有功率密度大，功率因数 高( 气隙磁场主要或全部由转子磁场提供) ，效率高( 不需要励磁，绕组损耗小) ，转速 控制精度高，结构紧凑、体积小、重量轻，维护简单等优点而被广泛应用。 表2 - 1 电动机的参数 额定扭矩( n m ) 5 5 最大扭矩( n m ) 额定转速( r p m ) 最大转速( r 1 ) m ) 2 0 0 3 5 0 0 7 2 0 0 2 1 3 电机控制器参数 电机控制器驱动额定功率为2 2 k w ，其峰值功率为4 5 k w ，峰值功率的运行时间为 6 0 秒，控制方法为空间矢量控制。表2 2 是其详细参数 国 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 2 电机控制器的参数 额定输出电流( a ) 9 2 ( 有效值) 峰值输出电流( a ) 峰值电流运行时间( n u n ) 额定条件驱动器效率( 呦 输入电压范围 速度控制范围 速度控制精度 起动转矩 转矩响应时间 转矩控制精度 编码器接口类型 功率模块( i g b t ) 3 2 0 ( 有效值) l 2 = 9 7 2 7 0 v - 4 2 0 v ( 标称电压3 3 6 v ) l ：1 0 0 0 ( 额定负载) - 0 0 5 n 0 - + 0 0 5 n o ( 全调速范围内额定负 载) ，基速以下+ 5 0 r m i n ，基速以上1 3 0 0 电机额定转矩 额定转矩阶跃响应时间 6 0 0 v ；电流 3 0 0 a ；工作环境温度： 1 0 c 5 5 ；耐振动1 0 9 ：寿命 5 年( 正常 工作条件下) 。 图2 3 为电机控制器的控制原理。图2 - 4 为电机控制的驱动和反馈电路框图。电机 的控制需要采集电动机的相电流、转速、直流电压、温度等信号对电动机进行控制和保 护。其中电流检测和电压检测传感器都是霍尔原理，容易受到干扰，对电磁兼容的要求 较高。 、 、 p 、南1 p 蕾m d 、_ 麓 p i p a r k 逆l is 一 鬲。变换 p w m ! 。 i二cllarkf l _ t _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 气2 3 m 图2 3 永磁同步电机矢量控制原理 9 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 口 兰 口。二 i 二 ! 三1 i 二二二 。，三 i 二 盘i “雅础援结构框圈。”r 1 。 图2 4 控制器驱动和反馈电电路框图 2 1 4 高压电缆的布线 高压电缆的电压等级高、电流大是强电磁干扰源之一，所以线束的电磁兼容性设计 也是驱动系统电磁兼容设计的重要组成部分。图2 5 所示电缆为直流母线电缆。它从后 备箱的电池组引出，通过整个车身，到达前舱的动力部分。其长度有3 m 多，如果其共 模电流过大很容易起到天线的作用，向外辐射电磁场。 图2 5 电动汽车的高压电缆线布置 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 干扰传播路径 如图2 - 6 所示，干扰源对敏感设备的干扰有两种方式：传导干扰和辐射干扰。在电 动汽车驱动系统中，干扰源主要是大功率开关管的开关动作引发的。敏感设备为车辆的 电子控制单元、汽车通信总线等。传导干扰必须在干扰源与敏感设备之间有完整的电路 连接，干扰能量沿连接电路传输到敏感设备，发生电磁干扰。连接电路可能由导线、导 电部件、电源、公共阻抗、电感、分布电容电容、互感耦合等组成。辐射干扰是通过介 质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。干扰源与敏感设备 之间无连接电路。根据频率高低及干扰源、敏感设备之问的距离不同又可分为近场耦合 和远场耦合。 图2 - 6 电磁干扰的传播路径 2 2 1近场耦合和远场耦合 辐射干扰根据频率高低及干扰源、敏感设备之间的距离不同可分为近场耦合和远场 耦合。场的特性取决于源、源周围的介质和源到观察点的距离等因素。若敏感设备离骚 扰源的距离为严l ( m ) ，则判别条件为，- = a , 2 n = 1 ( 所) 。其中：a 为近场区工作的最短波 长，此时五= 2 n ( m ) 。可求出对应的临界频率为厶= 4 7 7 m h z 。当旯2 x ( m ) ，f f o ， 2 2 n f 1 寸，为远场平面波；当f z o = ( o 6 0 ) 2 = 3 7 7 q 为容性高阻抗，远大于3 7 7 q ，_ r i e l i , 于l r ，当f f o ，厂 2 2 t t 时，为远场平面波，其 波阻抗为z = ( o 岛) 2 = 3 7 7 q 。 当骚扰源是低电压、大电流、低阻抗源，即闭合载流导线时，可以看作小环天线， 其近场波主要表现诶磁场波，其波阻抗为： 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 阮i = 陋驯= 1 s z 0 2 x i z = 0 , o c o ) “2 = 3 7 7 9 ) 为感性低阻抗，远小于3 7 7 f l ，且与r 成正比。当厂 兀，d 1 1 2 刀 时，为远场平面波， 其波阻抗为z = ( p o 6 0 ) “2 = 3 7 7 f 2 8 、_ ， n 1 0 0 1 1 1 0 与骚扰源的距离( 对i 2 a r 归化) 图2 7 波主抗与骚扰源到观察点距离的关系】 近场的特点： 1 、辐射源近区的场是近似稳态场。 2 、近场内电场和磁场相位相差9 0 。，近场时感应场。在感应场中，感应情况不仅 取决于场源性质和耦合方式，而且取决于被感应导体的状况、所在位置及周围环境条件， 甚至感应体的存在也会扰乱原来的电场分布。 3 、在近场中，e 和日之间没有确定的比例关系，所以需要分别测量e 和h 。 4 、在近场中eo c7 1 ，日7 1 ，e 、日随距离的增加衰减的很快、所以测量探头应 当比较小。 在结构设计中，大部分设备内部的布局属于近场范围，利用空间距离增加衰减就可 以降低对屏蔽设设计的要求。 远场区的特点为： l 、e 和h 相位相同，互相垂直，都垂直与传播方向，辐射场是横电磁波。 2 、电场和磁场之比为z = ( x 6 ) “2 ，在真空或空气中z = ( 鳓l e o ) 2 = 3 7 7 ) 。 3 、e 和日都与s i n ( o ) 成正比，所以远场的辐射具有方向性，在任一点上电场能量和 磁场能量各占总电磁波能量的一般，电场波能量主要是向传播方向上辐射的。电场与磁 场均随着离开场源的距离增加而减小。分清近场耦合、远场耦合对屏蔽的设计有重要意 浙江工业大学硕士学位论文 义。 2 2 2 传导干扰的一般性分析 传导干扰是指通过金属导体，例如导线、金属结构、电感器、变压器等传播的干扰。 传导性干扰源的常见例子有脉冲发生器、计算机时钟及其它周期性信号发生器。噪声可 以通过多种途径从干扰源耦合到敏感设备上。这些途径包括：公共导线，设备间电容： 相邻导线的互感；通过空间辐射及交变电磁场的导线。 ( 1 ) 电阻传输 不是经过电抗元件的传输，就是电阻传输。在电动汽车中，由于绝缘降低或击穿而 产生的漏电也是一种极易被忽视的电阻传输。 ( 2 )电感传输 在两个闭合回路之间会产生电感传输。对于两根位置接近的导线而言，主要是互感 耦合，它类似于变压器的作用。这时第一根导线里的电流厶产生的磁通d 。，变化的磁通 在第二根导线上产生电流，：。第二根导线里德电流，：在与其串联的阻抗两端产生电压 降。 电感耦合的主要途径是通过变压器耦合和并行导线间的耦合。从干扰观点看，铁芯 损耗常常使得变压器的作用类似于抑制高频干扰的低通滤波器。因此，比较重要的电感 传输常常就是导线到导线之间的这种形式。图2 8 画出了一对平行的导线，每根导线都 有接地回路。它们构成了初级为一圈、次级为一圈的变压器，如图2 - 9 中a 所示，则电 感传输的表达式为： v 2 = 朋巩d t ( 2 1 ) 加中：m = 卷h i 渊c h ， 这里。自由窄间的磁导率= 4 n - x l o _ 9 ( h m ) 卜1 号导线在接地上面的高度( m ) 卜吨号导线在接地上面的高度( m ) 在电动汽车中，动力电池组供电的驱动系统与底盘隔离，动力电流的回线是一根连 接在动力电池组总负极的动力电缆。动力线的电流一般有几十安培甚至数百安培，且电 流变化率较大，所以它是一个非常强的干扰源，极易对控制系统和信号系统产生干扰。 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 由式( 2 - 1 ) 可知，在电动汽车的布线上减小电感性耦合的方法有以下方法： 1 ) 使动力供电线和回线之间的距离尽量拉近，即通过减小i l j 来减小互感。最好采 用绞合的方法。 2 ) 动力线和信号线、控制线尽可能远离。 3 ) 如果信号线是双绞线，则尽量绞紧，且贴近底盘布线。 4 ) 如果信号线是屏蔽线，则贴近底盘布线，屏蔽层要良好接地。 图2 8 电感耦合及电容耦合的物理模型 ( 3 ) 电容传输 所谓电容传输，是通过导线问的电容使某一电路对另一电路形成交连耦合，如图2 - 8 所示。注意图2 - 8 中的物理模型与电感传输是一样的。但是如图2 - 9 中b 所示，电容传 输与电感传输不同，它不需要初级和次级回路。其传输表达式为： = 燕 弦2 ， 式( 2 2 ) 中，x c = 面1 c = ( 3 5 x 1 0 。1 0 2 x ) x n d 2 o 1 0 2 ) 式中：卜一导线1 和导线2 的共有长度( m ) 卜导线1 和导线2 之间的距离( m ) l 导线1 的半径( m ) ，w 2 导线2 的半径( m ) 对地阻抗高的电路，容易发生电容传输，对于给定的电流而言，这种电路可以容许 最高的对地电压。频率越高，电容传输越明显。这是因为，两电路间的耦合容抗是随着 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 频率的增加而减小的。对于电容传输也需要有一个闭合的传输路径，但这个路径显然是 与电感传输的路径不同。比较图2 - 9 中的a 和b ，这里返回的路径通常是由两根导线的 公共地线构成。在高频工作时，多股导线电缆的电容耦合作用很强。因此，一根导线上 的干扰可以传输到邻近这根电缆的所有其它导线上。从式( 2 2 ) 中可以看出减小c 的 办法有： 1 ) 增加线间距离，尽量让容易受干扰的线远离干扰源。 2 ) 减小布线长度。这主要通过电器设备的合理布局，使布线尽可能短。 v 1 m 汗 图2 - 9 电感耦合、电容耦合的电路模型 f v 2 2 3 驱动系统干扰电压的计算 三相电压源逆变电路如图2 1 0 所示，6 个p w m 控制的电力电子开关s 1 ，s 2 ， s 6 组成三相桥臂。在电动汽车中的开关器件多为i g b t 。这里将直流侧电池组的电压中 点定义为虚拟的等效零电势点d ，以利于后面的分析。负载电动机假设为星形连接方式， 中性点为 2 1 1 。 电 池 组 图2 1 0 三相电源逆变器 逆变器可能存在8 种开关组合状态。根据逆变电路的开关组合模式，可以定义逻辑 类型的开关函数来描述其开关状态。设f l ，f 2 ，f 6 分别在开关s i ，s 2 ，s 6 开通时取l 、关断时取0 ，则三相桥臂输出端到直流中点o 的电压可以表示为 1 5 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 = 孚( 互吲 轳孚( e 卅 栌譬( 忍吲 考虑到同一桥臂的上下两个开关不能同时开通或同时关断， 虑，必有如下约束条件 f 互+ 只= l 只+ 咒= 1 【e + 最= l 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，得到 = 争( 2 ) = 争( 2 ) 轳孕( 2 ) 为了表示直观，将互，e ，e 分别写作c ，瓦，疋。 由图2 一1 0 列写如下电路方程式 堕+rii=“=uao-unodt 4 “ 三譬+ r 如= “删= “肋一“加 a t 2 。五u。? n u 喙彻毛钏倒- - - - l l c o - - 1 4 n o 在对称的情况下，有+ i 2 + i 3 = o ，故将以上三式相加可得 “一d + u b o + “o d = 3 “ d 从而可得此时逆变器两相( a b ) 间的差模电压为 “仰= ( 只一只) 等效共模电压“d 一争，娶2 纠， 1 6 ( 2 - 3 ) 从电流连续的角度考 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 电池及电池组的电路模型 由于电动汽车仿真技术的需要，研究人员设计了大量电池性能的等效电路模型。等 效电路模型基于电池工作原理用电路网络来描述电池的工作特性，适用于多种电池。在 美国国家再生能源实验室( m 也l ) 开发的仿真软件a d v i s o r 中，集成了几种典型的 等效电路模型。其中t h e v e n i n 模型，如图2 1 1 所示，是最具代表性的电路模型。电容 c 和电阻r 2 并联( 描述超电势) 后与电压源u o c ( 描述开路电压) 、电阻r 1 ( 电池内阻) 串联【i 】。 图2 11t h e v e n i n 电池性能模型 锂电池的结构一般如图2 1 2 所示。电池的负极材料一般为石墨，石墨是镶嵌在导 电的极耳上，电池的最外边包一层铝膜。电池首先装在电池箱里再安装到汽车上，每块 图2 1 2 动力电池的结构 电池的负极对车身都可以产生个寄生电容c s 。当所有电池串联起来的时候，其 示意图如图2 1 3 所示。可见这是一个相当复杂的电网络，其分布参数跟电池的布置有 很大关系，分布参数产生的影响跟电池组的电流波形有很大关系。当电池组中电流变化 率较大时，各单体电池负极电位变化也较大，这时在电池组跟底盘之间就会由于分布电 容的存在产生对底盘的共模电流。这种干扰极易产生辐射干扰其它电子设备的正常运 行。 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 图2 1 3电池组对底盘分布电容模型 2 5 驱动系统的差模传导干扰分析 差模电流是在功率回路中流动的回路电流，式( 2 8 ) 给出了a b 两相之问的差模电 压。i g b t 开关动作时会产生差模干扰源，经母线流回电池；此外，当高频电流作用在 电机上，会在电机定子线圈上产生电压尖峰，经过母线生成另一个差模电压。在驱动系 统中通常的两个干扰路径如图2 1 4 的路径1 和路径2 所示。路径l 是由开关造成的额 外干扰，应该通过加入死区等方法去除。路径2 是工作时有用电流产生的附加干扰，应 通过屏蔽、布线等方法进行抑制【2 2 1 。 图2 1 4 驱动系统差模干扰传输路径 2 6 驱动系统的共模传导干扰分析 当逆变器正常工作时，桥臂的两个开关互换开通，其中点电位会随之发生阶跃变化。 每个开关动作时都会对i g b t 与散热片之问寄生电容进行充、放电，形成共模e m i 电 流【2 6 】，其大小为 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 = q 鲁。鲁 式中：讲每个桥臂的共模电流： c 。i g b t 与散热片之间的寄生电容； c ，d c 电动汽车直流电压； t r , t d 叫g b t 的开通与关断时间。 式( 2 1 0 ) 的共模干扰电流会通过i g b t i g b t 对散热器的寄生电容一底盘一电池 组对底盘的分布电容一电池组一直流母线一逆变器形成回路，如图2 1 5 所示。此共模 干扰电流还会通过i g b t - * i g b t 对散热器的寄生电容一底盘一动力电缆对底盘的分布 电容一动力电缆一逆变器形成回路。 感应电机定子绕组与电机外壳之间同样具有较大的寄生电容，由式( 2 9 ) 可知对 于p w m 电机驱动系统，电机中性点与电池组之间存在高频变化的共模电压，有很高 以d ，的高频共模电压会通过电机定子绕组与电机外壳之间的寄生电容产生流向底盘的 共模电流。此共模电流的一个回路为：定子绕组一定子绕组与电机外壳的寄生电容一底 盘一电池组对底盘的分布电容一直流母线一逆变器一电机动力线一电机，如图2 1 5 所 示。此共模电流另一个回路是：定子绕组一定子绕组与电机外壳的寄生电容一底盘一动 力线对底盘的寄生电容一电机动力线一电机。 图2 1 5 经过电池组分布电容传输的共模电流 以上分析了逆变器侧和电机侧两个共模干扰源。这两个干扰源可以互相作用2 引，在 逆变器与电机之间形成共模干扰电流其传输路径为：逆变器一电缆一电机一底盘一散热 片一器件寄生电容一逆变器，另外，电机定子线圈上产生的电压尖峰会在轴承上感应出 轴电压，随之产生的轴电流经过电机轴流向底盘，从而形成另一种共模干扰电流，如图 2 1 6 所示。 1 9 第2 章驱动系统电磁兼容的分析 图2 1 6 逆变器与电机之间的共模电流 2 7 本章小结 本章介绍了研究的平台一台国产典型的纯电动汽车。介绍动力系统的主要参 数，包括电池组电压、电机参数、控制器参数。还介绍了动力系统的布置，包括电池组 的布置、电动机的布置、控制器的布置和高压布线的布置。这些都是分析其电磁兼容性 的重要参数。 本章介绍了近场耦合、远场耦合和传导耦合的理论，并说明其应用。结合以上理论， 着重分析了驱动系统的干扰源和干扰路径，为下文的研究做了理论准备。 2 0 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章电动汽车电磁兼容的标准和试验方法 绪论中已经指出，专门针对电动汽车电磁兼容试验的标准只有s a ej 5 5 1 ，而且其只 规定整车的电场辐射和磁场辐射的的测试方法和限值。虽然它也规定了车载充电机的传 导辐射的测量方法和限值，但车载充电机还不是动力电子装置，在车辆运行时它是不工 作的，而在车辆充电时车辆也不可能运行。然而，实际上整个电机驱动系统的传导干扰 和辐射干扰都是非常复杂的，只是目前电动汽车的行业还未成熟，所以很难有统一的标 准来规范。作为电动汽车的生产商、开发商、和零部件供应商却应该对此有足够的重视， 可以根据已有的针对低压1 2 v 或2 4 v 系统的电磁兼容标准经过类比和移植来研究高电 压系统的电磁兼容性。本章就是基于这样的思路来定义电机驱动系统的一些电磁兼容测 试方法。 3 1电动汽车电磁兼容标准介绍 3 1 1 汽车电磁兼容国际标准 所谓国际标准，即由国际权威组织制定并颁布，为国际上各学术组织及各大企业认 可并执行的标准文件。就汽车电磁兼容领域来说，有三个主要的国际化标准：i s o 系列， c i s p r 系列和s a e 系列。 国际标准化组织( i s o ) 成立于1 9 4 7 年，是世界上最人的标准化组织。在成立之初， i s o 的工作涉及了除电工标准意以外的各技术领域的标准化活动。虽然i s o 的标准都非 强制执行，但由于其标准均是顺应市场要求，并在利益相关各方意见一致的基础上制定 的，从而保证了i s o 标准的广泛适用【3 0 】。 近1 0 年来，通信技术领域的标准化工作发展迅速，逐渐成为国际标准化活动的重 要组成部分。而由于i s o 自身工作几乎不涉及电气电子方面，国际电工委员会( i e c ) 便成了i s o 在该领域的补充。 国际电工委员会( i e c ) 成立于1 9 0 6 年，是世界上最早的国际性电工标准化组织。 2 l 第3 章电动汽车电磁兼容的标准和实验方法 i s o 成立后，i e c 曾作为电工部门并入i s o ，之后根据协议两组织在法律上各自保持独 立，但仍保持密切合作。 i e c 由国家委员会组成，该委员会在全部的电工技术领域可以全权代表其中各个国 家。i e c 的目标是“促进所有关于标准化问题的国际间合作，这种合作通过发行出版物 的形式实现”，它对于电磁兼容的国际化标准活动有着重要的意义，承担研究的主要是 电磁兼容咨询委员会( a c e c ) 、无线电特别干扰委员会( c i s p r ) 和第7 7 技术委员会。 c i s p r 是世界上最早成立的国际性无线电干扰组织，它负责处理前者干扰源射频干扰特 性的限值和测量。 i s o 系列关于汽车的标准： i s o1 1 4 5 1 道路车辆窄带辐射电磁能量所产生的电气干扰整车测试法 ( r o a dv e