电动汽车电磁兼容性研究

中心议题：
    *  电动汽车动力系统
    *  系统电磁干扰问题分析
    *  系统电磁干扰问题解决方案

文中介绍了电动汽车上的各种电磁干扰：绝缘栅双极晶体管在高频开关动作时产生很高的电流、电压峰值，在电池、逆变器和电机与底盘之间形成共模和差模干扰，并向空间辐射电磁波而进一步产生干扰 ；详细分析了电磁干扰的传播路径 ，提出抑制差模、共模干扰和辐射干扰的方法及提高 CAN抗干扰能力的措施 ；试验证明这些方法和措施都是行之有效的。

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前语
电动汽车 (electric vehicle，EV)是指以车载电源为动力 ，用 电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规等各项要求的车辆。EV与常规燃油汽车相比具有以下优点 ：使用二次能源——电力 ，不受石油资源的限制 ；可利用夜间大量富余电力充电，有利于电网均衡负荷，提高电力系统整体效益 ；零排放或低排放，若大量使用，可极大缓解环境保护的压力。尽管 EV在市场化的道路上还有很多困难，但随着高能量、高功率密度电池等技术的发展，其必将成为21世纪重要的城市地面交通工具。 所研究 EV的驱动电机为交流异步电机，由逆变器驱动工作。功率模块IGBT(绝缘栅双极型晶体管，insulated gate bipolar transistor)广泛用于逆变器 ，是双载流器件，其开关特性受 P—N—P型三极管的增益控制，故在本质上会比 MOSFET(金属氧化物半导体场 效 应 晶体 管，metal—oxide semiconductor field effect transistor)器件产生更高的电流峰值；而逆变器的载波频率可达20kHz、母线电压上百伏，故在产生PWM(脉宽调制，pulse—width modulation)波的同时，伴有很高的电压峰值，这将必然带来严重的电磁干扰噪声  。除此之外，车载电子设备 日益增多，EV的电磁环境很复杂、恶劣。分析系统的电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)，采取相应措施对在强干扰状态下安全气囊、CAN(控制器局域网，controller area network)总线网络等电磁敏感装置的正常工作有着重要意义。试验结果表明，所采取的抗干扰措施切实可行，系统运行良好。

1  电动汽车动力系统
本课题研究的EV动力系统如图 1所示。取消原车的离合器和变速器，采用固定传动比的减速器驱动电机为交流异步电机，采用镍氢电池组供电。



动力总成控制器通过传感器获取驾驶员的驾驶 意图和车况参数，并结合经 CAN总线取得的电机、 电池组状态参数，进行转矩、能量管理计算，通过CAN总线向电机发送转矩等操作指令。除此之外，总成控制器还具有网络管理、故障诊断等功能。电机控制器接收动力总成控制器发来的控制转矩等操作指令，负责电机的驱动控制，并对电机状态进行监控 ，根据电机的温度变化控制电机的冷却水泵，从而有效地调节电机的温度。电池管理系统对 电池组的电、热参数进行实时测量，进行电量计算、安全及均衡管理。同时，还给总成控制器提供电池组状态参数，供主控制器计算电机转矩 。

监控标定终端除不干扰总线数据传输外还对总线上传输的数据进行实时监控、记录和报警，提供离线分析及在 EV调试阶段对主控制器主要计算参数进行标定的功能。可见 CAN总线系统非常重要，涉及汽车安全的相关信息必须及时、可靠地传递。由于CAN节点覆盖整个车体，在 EV这种很复杂的电磁环境下，其可靠性直接关系到整车的正常工作。

2 系统电磁干扰问题分析
对电磁干扰来源和其传播路径的分析对于解决系统电磁兼容问题是很重要的。采用功率达 30kW  的异步电机作调试试验。最初进行点对点通信时母线供电电压为 48V，在采用常规抗干扰措施后 ，CAN总线系统可正常通信，但在做由336V电池组供电的台架试验时，经常会遇到 CAN总线不通和丢帧现象。这表明逆变器在额定条件下运行时，会产生很强的电磁干扰，经传导、辐射等方式严重影响CAN总线系统正常通信。试验表明，主要的电磁干扰源包括以下几个方面。

2.1  差模干扰
将母线作为往返路线的干扰，其通过母线、电池和逆变器形成回路。由三相逆变器高频等效电路得 出，IGBT开关动作时形成差模干扰源 J，经母线流回电池；此外，当高频电压作用在电机上时，会在电机定子线圈上产生电压尖峰，经母线形成另一种差模电压 J。测量电池组端电压、电机相电压并对其 进行傅立叶变换、比较或者利用串接在母线上的线性阻抗稳定网络，均可以分析出这两种差模电压，其传播路径如图2所示。





2.2  共模干扰
经相线、对参考地的寄生电容，再由参考地形成回路的干扰。IGBT开关动作时不仅形成差模干扰电压，而且同时也诱发共模干扰电压  ，其经过 IGBT底座相对散热器的寄生电容，形成共模干扰电流流向底盘；另外，在电机定子线圈上形成电压尖峰的同时会感应出轴承电压，随之产生的轴承电流经过电机轴流向底盘，从而形成另外一种共模干扰电流 。测量并对这种电流进行傅立叶变换，得出其传播路线如图3所示。



2．3 辐射干扰
干扰源将 能量 以电磁波的形式向周 围空间辐射。试验测试表明，逆变器、整个底盘周围的辐射强度都很高，甚至在两辆车靠近时，电磁辐射水平会加剧。这是因为形成于逆变器中的差模干扰不仅会向其周围辐射能量 ，同时流经底盘的共模干扰电流由于趋肤效应在其表面形成电流环路，也将产生很强 的电磁干扰。可见 ，衰减辐射干扰最好的方法是减弱差模、共模干扰强度。 此外发电机整流和负载电流突变时都会产生电 磁波；频率为 PWM信号本身开关频率、开关频率倍数及在其附近的高频谐波成分都会产生辐射干扰。

3  系统电磁干扰问题解决方案
实践表明，任何 电磁干扰的发生必须具备 3要素 ：干扰源 、传播干扰的路径和敏感设备。任意一个条件的削弱或缺失，电磁干扰问题都将得到改善和解决。基于以上分析，可采取下述抗干扰措施。

3．1 衰减差模干扰及辐射干扰
采用多层印刷功率电路板技术可削弱逆变器中的差模干扰及其引发的电磁辐射。测试结果表明：差模干扰的频率在 10—20MHz之间，干扰对铜导线趋肤深度 6由式(1)得出在 0．01—0．02ram之间，即所有的干扰 由于趋肤效应而从导线表面流过。



因此用于集中参数电路模型的传统滤波器滤波效果并不好。多层功率电路板是一种三明治结构二 、三层用来走母线 电流，其对称的结构、合理的线宽和介电质厚度形成大小合适的耦合电容，可吸收窜入母线的差模干扰，减少由此引发的电磁辐射。

3．2 衰减共模干扰及辐射干扰
采用恰 当的接地电阻可衰减流向地面的共模干扰电流及其引发 的电磁辐射。通常车辆只有轮胎和地接触 ，因此整个 车身对地是绝缘的。先前分析知道 ，共模干扰电流经逆变器散热器底座或电机轴流向底盘，其电压很有可能危及乘客的安全。因此散热器底座、电机外壳必须接地。另外接地阻抗必须恰当，从而最大程度衰减共模干扰电流。电阻 R、电容 c、电感 L的值可通过式(2)、式(3)求得。




式中为流入底盘的尖峰共模干扰电流；E为共模电压；T为尖峰电流的时间常数，大小为 R／2L；f~为尖峰电流 的频率。测量流入底盘的共模干扰电流并进行傅立叶变换找出尖峰电流 ，其幅值为 El~／／ c，E通常取母线电压的 1／3，从而算出  c，R／2L可以通过来估计，由式(3)算出 ，进而算出R、C；同时还须考虑安全电压上限，试验表明合理配置接地电阻有助于减小共模电流，但却同时提高了电机外壳电势。

3．3  型滤波电路提高 CAN抗干扰能力
该滤波电路巧妙地利用了电感线圈和电容的并联谐振特性，适当调整其数值使得插入、频率特性曲线陡且峰值高。由于线圈的电阻很小，故在抑制噪声的同时不会造成信号波形的畸变。插入损耗表征滤波器对干扰的衰减作用，用 Q儿表示，它与电感、电容、噪声频率等参数有关，如式(4)所示。



式中R 为负载阻抗；R 是源阻抗；f为噪声角频率；L为线圈电感值；C为电容大小。针对相应干扰频率和对 Q， 的要求，可求出 订型滤波器的参数值考虑到对负载阻抗 R 源阻抗 R 的不精确估计，以及电容引线电感、电感线圈上寄生电容高频时的影响，计算值还须结合实际调试效果进行调整。

3．4 匹配电阻提高 CAN抗干扰能力
合理选择匹配电阻可以提高 CAN总线系统抗干扰能力。信号在传输线末端突遇电缆阻抗变小时，会在这个地方引起反射，造成波形畸变。理论上只要在传输电缆的末端跨接与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就会减少信号反射现象。但实际上整个通信系统的终端电阻还受节点数、节点电阻、电容及总线电容的影响，往往与双绞线终端匹配电阻推荐值 120f~有出入。调试时让发送端以实际使用的波特率发送数据 55H，在接收端使用示波器观察输出的方波，调节匹配电阻值得到幅值 电压不少于200mV的最佳波形，此值就是最佳的匹配电阻值。

4 试验结果
图4为 CAN总线通信时的波形，可以看出在附 加抗干扰措施后，其波形质量得以明显改善。



为了验证采取上述抗干扰措施后 CAN总线系统的稳定性 ，设计并进行以下试验。取总线上 2个节点进行数据传输试验，各节点与上位机通过CAN、 USB转换接口连接。节点 1按预定数据格式发送定量比特数的数据给节点2，节点2处上位机软件对比 发送、接受的数据，分析错误比特数。表 1是试验结 ；果。可以看 出在采取相应的抗干扰措施后通信误码 率减小2个数量级。



5 结论
IGBT在高频率开关动作时会形成很高的电流、 电压峰值 ，在电池、逆变器、电机及底盘之间形成共差模干扰，并向空间辐射电磁能量。文中详细分析了EV电磁干扰源及其传播路径，给出衰减干扰方法，并针对 CAN总线系统的特点提出相应的抗干扰措施，试验证明是有效的，大大提高了CAN总线系统的抗干扰能力。